单源多点视频组播系统的研究与设计

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3.0 李琳琳 2024-10-14 24 4 4.79MB 77 页 15积分

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单源多点视频组播系统的研究与设计

摘要

传统的视频系统由于其严重的带宽浪费和效率低下己经不能适应这新

时代网络用户的需求。于是提出了组播的概念。目前的应用层组播的研究还

处于起步阶段，各种应用层组播体系结构是某种应用的解决方案，这些体

系结构支持的应用不同，组网协议的性能侧重点也有所不同。所以本文对应

用层组播进行深入研究，并结合本人的实际情况，利用应用层组播技术实

现单源多点视频系统，在本文作者主要做了下面几个方面研究：

首先研究与多点视频会议有关的关键技术，并从系统整体设计的角度

出发，进行系统的需求分析，提出本系统的实现思想和应用层多播系统体

系结构和系统的整体设计框架，然后对整个系统模块进行按模块功能阐述。

然后从应用背景出发，选择本课题的组播协议和组播原型，研究

SSALMP 协议中创建组、加入组、离开组和节点失效处理的过程，实现软件模

块中的 Free pastry 模块、组播树管理模块、报文处理及接收/发送四个过程

同时分析对比 IP 多播拥塞控制模型和应用层多播拥塞控制模型，在面向流

媒体应用的现实条件下，提出一个基于速率的逐跳拥塞控制方案。之后利用

JMF 对软件的各个模块进行编码实现。

最后是对系统进行测试。主要从两个方面进行分析，一是系统的功能性

测试，二是对系统中实现的基于流媒体应用的拥塞控制的测试。经过测试表

明本文所进行的设计能够满足系统组播运行性能的要求。

关键字：应用层组播；视频组播；多媒体；SSLAMP；JMF

Study and Implementation Single Source

单源多点视频组播系统的研究与设计

Multi-Points Multicast System

Abstract

The traditional Video system can not meet the network customer’s

requirements in recent years because of severely bandwidth waste and

lower efficiency. Therefore the multicast is put forward. But the

application layer multicast is still on the step, different application

layer multicast architectures are still accordance with some solutions,

these architectures sustain the different applications and the

performances of network protocols are different. This dissertation

studies application layer multicast in deeply and combines with my

conditions, uses application layer multicast technology, implements

single source multi-points Video system. In this paper, it takes the

following research:

Firstly, it studies the key technologies related to multi-points

Video system and requirements anal sizes from the whole designs,

puts forward the implementation ideas and the whole architecture of

application layer multicast system. Then it expounds the function

module of the whole system.

Secondly, it sets forth the application background of this project,

chooses multicast protocol and multicast prototype, studies the

creating group, join group, leave group and invalidation process of

node of SSALMP protocol, realizes the four process which are Free

pastry module, multicast tree management, datagram process and

send/receive .And comparing the IP multicast congestion control and

application layer multicast congestion control, this paper puts forward

hop-by-hop congestion control schema in oriental stream media. At

last, it codes every modules using JMF.

Finally, it tests the whole system including two aspects: function

test and hop-by-hop congestion control test. From the tests, it

indicates that the application layer multicast system can meet the

requirements of multicast system.

Key Words: application layer multicast ;Video multicast; Media;

SSLAMP；JMF

单源多点视频组播系统的研究与设计
目录
Abstract...............................................2
第一章 绪论............................................1
1 课题研究背景....................................1
2 国内外研究现状..................................3
3 全文研究内容....................................4
4 论文结构........................................5
第二章 视频会议系统的关键技术研究......................6
1 DirectShow 技术研究.............................6
1.1 DirectShow 系统结构........................6
1.2 DirectShow 应用程序开发....................7
2 网络传输技术....................................8
2.1 IP 单播技术................................8
2.2 广播技术...................................9
2.3 IP 组播....................................9
2.3 应用层组播................................10
4 本章小结.......................................11
第三章 单源多点视频组播系统的 分析与设计..............12
1 系统需求分析...................................12
2 应用系统设计思想...............................12
2.1 系统实现环境..............................12
2.2 应用需求..................................13
2.3 系统设计的原则............................14
3 系统的运行结构.................................15
4 系统功能模块...................................16
5 多点视频组播服务器.............................17
5.1 组播协议处理模块..........................17
5.2 视频图象处理模块..........................17
5.3 用户管理模块..............................19
6 多点视频客户端.................................19
6.1 组播组处理模块............................20
6.2 流媒体数据处理模块........................20
6.3 用户管理模块..............................21
7 本章小结.......................................21
第四章 单源流媒体组播协议研究与实现...................22
1 应用层组播协议的选择...........................22
III

单源多点视频组播系统的研究与设计
2 组播原型系统的实现.............................22
3 单源流媒体组播协议内容.........................23
3.1 创建组播组................................23
3.2 加入组播组................................23
3.3 离开组播组................................25
3.4 节点失效的处理............................26
4 网络拥塞控制...................................27
4.1 应用层组播拥塞控制模型....................27
4.2 面向流媒体的应用层组播逐跳拥塞控制........28
4.3 面向流媒体的逐跳拥塞控制方案..............28
4.4 基于速率的逐跳拥塞控制算法................30
5 应用层组播协议的实现...........................32
5.1 组播服务层的结构..........................32
5.2 Free pastry 模块..........................32
5.3 组播树管理模块............................33
5.4 报文处理模块..............................35
5.5 报文的接收与发送..........................36
6 本章小结.......................................38
第五章 单源多点视频组播系统软件实现...................39
1 系统开发工具...................................39
2 组播软件体系结构...............................43
3 流媒体数据处理模块.............................44
3.1 流媒体数据处理模块结构....................44
3.2 媒体编码转换..............................46
3.3 流媒体发送与接收的实现....................48
4 用户信息管理模块...............................51
5 基于速率的逐跳拥塞控制机制实现.................52
6 媒体数据传输与控制报文传输.....................56
7 本章小结.......................................57
第六章 单源多点视频组播系统的测试.....................58
1 运行环境的建立.................................58
2 系统功能测试...................................59
2.1 功能测试流程..............................59
2.2 建立组播组................................60
2.2 加入组播组................................61
2.3 退出组播组................................62
3 拥塞性能测试...................................63
IV

单源多点视频组播系统的研究与设计
6.3.1 拥塞控制测试目标..........................63
6.3.2 测试环境配置..............................63
6.3.3 测试内容..................................64
6.3.4 测试结论..................................66
6.4 本章小结.......................................66
第七章 全文总结和展望.................................67
7.1 本文总结.......................................67
7.2 课题展望.......................................68
参考文献..............................................69
致谢..................................................72
V

单源多点视频组播系统的研究与设计

第一章绪论

1.1 课题研究背景

视频会议就是通过终端与网络，使身处异地的与会者可以就同一议题

参与讨论，相互之间不仅可以听到发言者声音而且还可以看到发言者的图

像及背景，同时还可以交流有关该议题的数据、文字、图表等信息，因而与

会者可获得比电话会议丰富得多的各种信息，随着超大规模集成电路和计

算机技术的发展，集计算机的交互性、网络的分布性和多媒体信息的同步性

为一体的多媒体会议电视系统突破了计算机、通信、电视等传统的界限，为

人们提供了全新的交互服务。

目前，视频会议系统正进入一个欣欣向荣的快速发展阶段，新兴的视

频会议系统设备制造商源源不断地进入需求日益膨胀的市场。可以说，远程

视讯终端设备和网络视讯通信设备在未来几年有很大的市场潜力，将得到

大面积的普及。

在美国，视频会议已渗透到政府、商业、金融、交通、服务、教育等各行

业，但在中国，视频会议还处在临爆点上。金融行业、企业集团、跨国公司、

各级政府等对视频会议的需求日益高涨，网络通信技术的发展和电信基础

运营成本的降低使得在宽带网络上提供低成本、高质量、专业级别的视频会

议成为可能。

据计世资讯[1]（CCW Research）预测：未来 3年内，视频会议系统将以

复合年平均增长率 26.1%的速度增长。2005 年，视频会议系统市场规模将达

到23.1 亿元，相对于 2004 年18.7 亿元的市场规模，增长幅度为23.0％。

图 1-1 是 2002-2008 年中国视频会议系统市场规模分析。

大多数跨国集团和分支机构较多的企业在使用视频会议系统时，除了

会议功能外，使用最为频繁的将是虚拟合作，如远程的项目管理、客户服务

技术培训等等，这种应用在知识型企业尤为明显。

单源多点视频组播系统的研究与设计

图 1-1 中国视频会议系统市场规模分析

但传统的视频会议的点到点的单播通信方式由于其严重的带宽浪费和

效率低下己经不能适应这些要求了。于是人们提出了组播的概念 [2] 。网络层

组播由路由器来构造组播转发树，当数据包从树的根节点出发沿着转发树

在不同的结点路由器上进行分发，最后到达每个接收终端。由于能有效地减

少数据包的复制，网络层组播一直以来被认为是最有效的一种用来实现数

据分发的方法，虽然对网络层组播的研究一直都在进行，但是由于其本身

所带来的缺点，使得网络层组播至今并没有能够得到广泛的应用。网络层组

播的主要问题有：网络层组播体系结构缺乏可扩展性。路由器需要为每个活

动的组维护路由状态信息、，而且这些组播地址不能聚合，网络中大量的活

动组将需要路由器巨大的存储和处理开销。此外，组播组成员的动态使网络

必须动态维护路由状态，增加了组播路由器的处理开销。开放的网络层组播

模型在开放的因特网环境中难以支持有效的管理和控制机制[3]。标准的网络

层组播业务模型是一种开放模型，任何节点都可以创建组，可以向组发送

数据，节点可以加入任何感兴趣的组接收数据，发送节点不知道具体的单

个接收节点，接收节点也不需要知道发送数据的节点。在这种模型下，接入

控制、组管理、组地址的协调机制一直没有有效的解决方案.网络层组播还没

有清晰的商业费用模型，网络运营商之间有不同的利益取向。目前骨干网运

营商以带宽使用获得收益，对承载的是 IP 单播业务还是 IP 组播业务没有必

要区分，也就没有动力在路由器中增加对网络层组播的支持。

单源多点视频组播系统的研究与设计

当前，应用层组播的研究还处于起步阶段。目前的各种应用层组播体系

结构是某种应用的解决方案，这些体系结构支持的应用不同，组网协议的

性能侧重点也有所不同。所以本文对应用层组播进行深入研究，并结合本人

的实际情况，利用应用层组播技术实现多点视频会议系统有着重要的理论

意义和使用价值。

1.2 国内外研究现状

应用层组播的研究现在已经是下一代互连网络研究中的热点话题之一，

许多研究机构都提出了自己的应用层组播协议。

2000 年，Y.Chu 等人提出基于 Narada 协议的 ESM(End System

Multicast)[4]。Jannotti 提出 Overcast，它通过尽量将新加入的成员放到远

离根的位置上，最大化发送者到接收者之间链路的带宽，提供了一种可靠

的，可扩展的组播系统，适合于对带宽要求较高的应用[5]。Yatin Dilip

Chawathe 在他的博士论文中提出 Scattercast 系统[6]，提出了基于服务器

和客户端两层结构的应用层组播系统。

2002 年， Dimitrios 等人提出一种集中式应用层组播架构 ALMI

(Application Level Multicast Infrastructure)[7]，它适用于较小规模

的组播组，建立共享组播树，新成员的加入只获得部分组成员的信息。

HBM[8]由Roca 等人于同年提出，这也是一种集中控制的协议，但是加入者必

须知道全部组成员的信息。S.Q.Zhang发表基于 Peer-to-Peer 网络的应用层

组播系统 Bayeux[9]，它给每个 P2P 节点分配一个唯一的节点号，从节点号

的最后一位向前，按顺序一位一位的匹配来进行报文路由。L.Mathy 提出

TBCP[10]，加入者计算与每个可能父母节点之间的配置方案，取最优的方案

加入，同时考虑到尽量减少汇聚时间。S.Ratnasamy 提出了基于 P2P 的应用

层组播系统 CAN[11]。它使用哈希函数，将组播组 G的地址映射到笛卡儿坐标

空间，使每个组播组都对应一个小的 CAN网络，在小 CAN网络上通过泛洪实

现组播转发。

2003 年，HMTP被提出。Suman Banerjee[12]发表了基于 Nice 的应用层组

播的论文。M.Castro 发表了 Scribe，它是建立在 P2P 网络 Pastry 之上的一

个应用层组播系统，它通过从第一位往后对节点号和组号按位匹配来确定

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单源多点视频组播系统的研究与设计单源多点视频组播系统的研究与设计摘要传统的视频系统由于其严重的带宽浪费和效率低下己经不能适应这新时代网络用户的需求。于是提出了组播的概念。目前的应用层组播的研究还处于起步阶段，各种应用层组播体系结构是某种应用的解决方案，这些体系结构支持的应用不同，组网协议的性能侧重点也有所不同。所以本文对应用层组播进行深入研究，并结合本人的实际情况，利用应用层组播技术实现单源多点视频系统，在本文作者主要做了下面几个方面研究：首先研究与多点视频会议有关的关键技术，并从系统整体设计的角度出发，进行系统的需求分析，提出本系统的实现思想和应用层多播系统体系结构和系统的整体设计框架，然后...

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