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摘要：隨著物聯(lián)網產業(yè)的發(fā)展，實時多媒體數據傳輸業(yè)務顯著增加。本文采用UDP-TCP混合機制實現傳輸速率控制和丟包重傳，提出了一種基于代理的應用層組播（ALMP）方法實現多媒體數據的并發(fā)傳輸。最后，測試了數據轉發(fā)節(jié)點在并發(fā)傳輸中的性能。結果表明，在用戶具有高度并發(fā)操作的情況下，數據轉發(fā)節(jié)點的工作是有效和可靠的，與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的基于代理的應用層組播方法在優(yōu)化數據轉發(fā)節(jié)點性能方面是有效的。

關鍵詞：實時多媒體;并發(fā);傳輸控制;應用層組播

1. 引言

隨著物聯(lián)網產業(yè)的興起，越來越多的數據需要在異構網絡中傳輸。監(jiān)控設備、手機等作為終端設備需要傳輸大量的多媒體數據。特別是由這些設備組成的監(jiān)控系統(tǒng)需要實時傳輸多媒體數據，其典型的傳輸方式是：采集的多媒體數據經過壓縮編碼后實時發(fā)送到網絡。然后用戶從互聯(lián)網上接收數據，并對數據進行解碼回放。與傳統(tǒng)的FTP、E-mail等業(yè)務相比，這種傳輸方式在實時性、容錯性、媒體同步性等方面有著嚴格的要求。

物聯(lián)網的快速發(fā)展大大增加了終端設備的使用。多媒體數據業(yè)務的實時傳輸量呈爆炸式增長。當前的Internet是一個異構網絡，它以盡力而為的方式工作。它的終端接入、可用帶寬、時延抖動、損耗等因素都是動態(tài)的、不可預測的，因此單一的傳輸協(xié)議很難滿足實時多媒體數據傳輸的要求，特別是當終端和用戶數量達到一定水平時，關鍵節(jié)點的性能處于并發(fā)狀態(tài)傳播將是一個巨大的挑戰(zhàn)。如何在當前的Internet環(huán)境下實現多媒體數據傳輸的高并發(fā)性是一個亟待解決的問題。

2. 基于代理的應用層組播方法

基于代理的應用層組播（ALMP）策略性地在Internet上部署了一些高性能的服務器。這些服務器由代理服務器維護，并進行數據復制和傳輸。該方法不需要與IP組播相關的固定網絡設備，可以根據特定的網絡環(huán)境動態(tài)調整一些參數[1]。ALMP按其功能可分為兩個平面，一個是組播控制平面，另一個是組播數據轉發(fā)平面。

2.1 多播控制平面

組播控制平面的核心功能是構造和維護應用層組播樹。它負責每個節(jié)點的組成員合法地加入或退出組播樹。ALMP采用分層的思想構建整個組播樹。它將整個組播樹分為兩層，每層維護自己的組播組成員，其中一層的變化對另一層沒有影響，從而降低了整個組播控制平面的維護成本。代理作為組播的根節(jié)點，負責數據復制和傳輸的服務器作為第一級子節(jié)點，構成組播樹的第一層。提供源多媒體數據的設備是二級子節(jié)點，接收數據的用戶是最終葉節(jié)點。設備和用戶是多播樹的第二層。組播樹的整體結構如圖1所示。

在ALMP組播樹的第一層，代理節(jié)點是根節(jié)點r，相應的服務器是f（i）（i=1，2，3）。根節(jié)點根據每個子節(jié)點的負載狀態(tài)動態(tài)調整f（i）的數據轉發(fā)任務量。我們將轉發(fā)節(jié)點中提供源數據的設備數作為每個f（i）的負載指數。假設每個節(jié)點的負載限制為100。節(jié)點f（1）在某個時刻達到最大負載，此時有新的數據源要加入到f（1）的組播組中，因此代理將檢測其子節(jié)點的狀態(tài)，并找到負載最小的節(jié)點f（2）。然后代理將部分轉發(fā)任務從f（1）轉移到f（2））。該方法可以優(yōu)化組播樹中第一級子節(jié)點的性能。該過程如圖2所示。

在ALMP組播樹的第二層中，每二級子節(jié)點都會自行維護其葉節(jié)點。用戶加入二級子節(jié)點的組播組時，需要遵守一定的規(guī)則。規(guī)則如下。

（1）每個用戶可以加入幾個不同的多播組。

（2）嘗試加入父節(jié)點加載較輕的第二級子節(jié)點。

（3）為了獲得更好的多媒體質量，嘗試選擇網絡條件較好的節(jié)點。

（4）加入多播組的用戶使用“keepalive”機制（即心跳機制）來確保用戶的在線狀態(tài)。

用戶離開第二級子節(jié)點時，有兩種狀態(tài)：葉節(jié)點：

1） 正常左：用戶在離開節(jié)點之前向代理發(fā)送消息。

2） 左不正確：異常發(fā)生，用戶突然下降。

在案例1中，在用戶向代理發(fā)送離開消息后，需要在整個組播樹中找到那些具有此葉節(jié)點的組播組，并刪除這些組播組中的葉節(jié)點。因此，我們利用深度優(yōu)先算法找到葉子，然后搜索其直接前體，即它所屬的組。最后，我們刪除了這些組中的葉節(jié)點。假設我們需要刪除的葉節(jié)點是節(jié)點8。搜索此節(jié)點的順序是選擇最左邊的路徑，直到葉節(jié)點，然后訪問葉節(jié)點的所有兄弟節(jié)點。如果所有兄弟節(jié)點不是我們需要的節(jié)點，那么返回到葉節(jié)點的父節(jié)點。然后訪問右側父節(jié)點及其子節(jié)點的最近兄弟節(jié)點。重復此過程，直到找到我們需要的節(jié)點。在找到節(jié)點8后，我們反向搜索其直接前體7和9，刪除7和9組播組中8的信息[2]。該過程如圖3所示。

在第二種情況下，我們根據keepalive機制檢測葉節(jié)點。葉節(jié)點周期性地向其所屬的組播組發(fā)送心跳數據報。如果組播組節(jié)點長時間沒有接收到心跳數據報，則將該葉節(jié)點視為死節(jié)點，刪除該葉節(jié)點的信息。

2.2 多播數據轉發(fā)平面

組播數據轉發(fā)平面的主要功能是基于ALMP組播樹進行數據傳輸。在ALMP組播樹中，我們可以看到每個第二級子節(jié)點都有n個葉節(jié)點，即提供源數據的每個設備都有n個用戶。第一級子節(jié)點是數據復制轉發(fā)節(jié)點，負責將源組播數據傳輸給每個用戶[3]。

當數據源請求加入一級子節(jié)點的組播組時，服務器將為數據源打開一個信道，服務器和數據源之間的通信是單播的。當用戶請求數據源的多媒體時，服務器和用戶之間的通信也是單播的[4]。為了減少數據傳輸的延遲，我們不在服務器上設置緩沖區(qū)，即服務器在接收到任何數據時，根據組播組的信息立即傳輸數據。我們需要考慮服務器的上行帶寬、下行帶寬和CPU利用率。系統(tǒng)的性能特點是具有以下功能：

其中，fu是服務器的上行帶寬，fd是下行帶寬，sb（i）是CPU總利用率，sc（i）是數據源需要的帶寬，tc（j）是設備需要的CPU利用率，是用戶需要的CPU利用率。

3. 實驗結果

在并發(fā)傳輸過程中，代理只維護組播樹。由于單個數據源/用戶與數據轉發(fā)節(jié)點之間的通信是單播的，因此如果數據源和用戶有足夠的帶寬，則可以保證傳輸可用。但是數據轉發(fā)節(jié)點需要接收、復制和傳輸數據。通過UDP傳輸數據時，大量的多線程操作和socket文件描述符資源消耗了大量的CPU。因此在整個傳輸過程中，數據轉發(fā)節(jié)點承受的壓力最大。我們使用專業(yè)的性能測試工具LoadRunner對數據轉發(fā)節(jié)點進行測試，關鍵性能指標是節(jié)點在高并發(fā)條件下的CPU利用率。

我們使用LoadRunner來模擬200個用戶。首先，用戶同時要求多媒體。數據到達后，用戶切斷與數據轉發(fā)節(jié)點的連接等。這樣，數據轉發(fā)節(jié)點需要做大量的資源請求和釋放工作，此時CPU利用率最高。圖4示出了數據轉發(fā)節(jié)點在25分鐘內的CPU利用率。

從圖中可以看出，CPU利用率為21.6%，沒有明顯的波動。這說明在用戶具有高度并發(fā)操作的情況下，數據轉發(fā)節(jié)點的工作是有效和可靠的。

在第2節(jié)中，我們提到組播控制平面可以優(yōu)化數據轉發(fā)節(jié)點的性能，其調度策略類似于分布式系統(tǒng)。為此，我們設計了一個實驗，通過兩種方法來測試不同CPU數的節(jié)點的響應時間：一種是像傳統(tǒng)的方法一樣提高節(jié)點的硬件性能，即將所有CPU放在一個節(jié)點上;另一種是增加節(jié)點數，將CPU分散到不同的節(jié)點上，因此我們在組播控制中采用了調度方法飛機。最后得到的結果如圖5所示。

從圖5可以看出，當CPU數為2時，兩種方式的節(jié)點響應時間沒有明顯差異。但是當CPU數量增加時，第二種方式的響應時間顯著減少。這表明，在優(yōu)化數據轉發(fā)節(jié)點的性能時，提出的基于代理的應用層組播方法與傳統(tǒng)方法相比是有效的。

4. 結論

本文分析了實時多媒體并發(fā)傳輸的關鍵技術，研究了實時多媒體的分層傳輸過程。特別是在傳輸控制層，采用UDP-TCP混合機制實現速率控制和丟包重傳。在此基礎上，提出了一種基于代理的應用層組播方法來實現路由固定場景的并發(fā)傳輸。分析了數據轉發(fā)節(jié)點的性能。相信本文對實時多媒體的高并發(fā)傳輸具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 谷冰. 試析多媒體技術中關鍵技術[J]. 計算機光盤軟件與應用， 2014， 17（24）： 219-220.

[2] 陳小平. 基于移動互聯(lián)網多媒體實時傳輸技術研究與應用[J]. 數字技術與應用， 2014（06）： 25-28.

[3] 吳進， 賀輝， 洪輝. 多媒體數據流實時傳輸技術研究[J]. 通信技術， 2009， 42（01）： 342-344.

[4] 王再見， 萬婷， 吳丹丹， 等.一種嵌入式實時網絡多媒體數據傳輸方法[J]. 系統(tǒng)仿真學報， 2017， 29（04）： 808-817.

西安工業(yè)大學