基于單次CLR的分層組播機(jī)制在虛擬課堂中的應(yīng)用

摘要：在虛擬課堂目前的開(kāi)發(fā)中，廣泛采用了分層組播技術(shù)解決多媒體數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題。分層組播技術(shù)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中傳輸多媒體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的一個(gè)重要解決方案。文章分析了現(xiàn)有分層組播擁塞控制的優(yōu)缺點(diǎn)，引入單次CLR分層組播機(jī)制，合理設(shè)置速率下降值和CLR選擇條件。該算法簡(jiǎn)單易行，不會(huì)造成過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)反饋負(fù)擔(dān)，能夠保證虛擬課堂分層組播網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：分層組播；單次CLR；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；虛擬課堂

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-8228(2011)12-48-02

0 引言

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和快速發(fā)展已經(jīng)使人們可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)。虛擬課堂就是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體等技術(shù)的支持下所構(gòu)建的一個(gè)虛擬的教學(xué)環(huán)境，它模擬真實(shí)的教室，讓教學(xué)活動(dòng)順利自然地在虛擬的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

虛擬課堂的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目標(biāo)是使學(xué)習(xí)者能夠?qū)崟r(shí)、流暢地看到多媒體學(xué)習(xí)指導(dǎo)信息，允許多個(gè)學(xué)習(xí)者同時(shí)自由、方便地加入或者退出虛擬課堂。虛擬課堂的用戶是處在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的，這就對(duì)信息的數(shù)據(jù)發(fā)送速率選擇帶來(lái)了很大的困難。如果以較低接入速度為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送組播數(shù)據(jù)，那么接入速度大的用戶就會(huì)浪費(fèi)大量的帶寬資源，不能獲得理想的接收效果；相反，如果以較高接入速度為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送組播數(shù)據(jù)，接入速度較低的用戶就無(wú)法實(shí)現(xiàn)視頻信息的流暢播放。為解決這個(gè)問(wèn)題，虛擬課堂用分層組播的方式來(lái)滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下學(xué)習(xí)者的不同需求。

SMCC是一種半適應(yīng)性動(dòng)態(tài)分層機(jī)制，它介于固定分層和動(dòng)態(tài)分層之間，不對(duì)整個(gè)組進(jìn)行大規(guī)模的速率調(diào)整，而是把調(diào)整范圍限定在各層之內(nèi)。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于各層能夠從反饋者中選出代表，根據(jù)代表的速率來(lái)調(diào)節(jié)層發(fā)送速率。本文在SMCC的基礎(chǔ)上，優(yōu)化CLR(the current limitingreceiver)的動(dòng)態(tài)選擇機(jī)制，合理分配使用網(wǎng)絡(luò)帶寬，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬課堂網(wǎng)絡(luò)組播擁塞的響應(yīng)和控制，并保持了虛擬課堂分層組播的穩(wěn)定性。

1 分層組播原理與算法

1．1 分層組播原理

組播避免了網(wǎng)絡(luò)使用的冗余，主要用于點(diǎn)到多點(diǎn)、多點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。組播是依托IP協(xié)議完成的，數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)傳遞樹(shù)的分叉處被強(qiáng)制復(fù)制，而不是由信源端節(jié)點(diǎn)多次重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)拷貝。

分層組播的基本原理是，信源端將數(shù)據(jù)分為多個(gè)層，不同層次的數(shù)據(jù)使用不同的組播組傳輸。接收端通過(guò)出入不同層次對(duì)應(yīng)的組播組來(lái)實(shí)現(xiàn)擁塞控制。如果各層編碼之間的關(guān)系是相互獨(dú)立的，則稱為“聯(lián)播”方案；如果各層之間的關(guān)系是累積式的，則稱為“累積式分層組播”方案。因?yàn)槔鄯e式分層方案中各層之間不包含重復(fù)的信息，可以更有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，所以是目前多種新型分層組播技術(shù)的基礎(chǔ)。

1．2 分層組播算法

原始的信源端使用一個(gè)累積式的分層編碼器，它把原始數(shù)據(jù)流分為可累加的若干層Ci(i=1，2，…n)，其中C1為基礎(chǔ)層，另有n-1個(gè)加強(qiáng)層?；A(chǔ)層能保證信號(hào)的最低質(zhì)量要求，而Ci+1層為己有的C1，C2，……Ci提供增強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)申請(qǐng)若干個(gè)組播組地址Zi(i=1，2，…n)，發(fā)送數(shù)據(jù)流時(shí)，用一個(gè)組播組地址配套傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)層，即Ci—Zi(i=1，2，…n)。接受端利用組播的加入機(jī)制選擇接收適合的數(shù)據(jù)層。加入不同的組播組可獲得不同的接收速率?；A(chǔ)層數(shù)據(jù)最為重要，從基礎(chǔ)層到最高加強(qiáng)層，數(shù)據(jù)的重要性逐層降低，相應(yīng)地傳輸優(yōu)先級(jí)也從低層到高層依次降低。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，優(yōu)先過(guò)濾掉當(dāng)前分層組播中最低優(yōu)先級(jí)的最高層數(shù)據(jù)，從而保護(hù)高優(yōu)先級(jí)低層重要數(shù)據(jù)。假定Bi表示從基礎(chǔ)層到第i層的總的累積發(fā)送速率，Rx表示第x層的發(fā)送速率，則接受端獲得的接收速率.具體設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮兩個(gè)重要參數(shù)，—個(gè)是編碼層數(shù)n，它決定了—個(gè)組播系統(tǒng)所要維護(hù)的組播組的個(gè)數(shù)；另一個(gè)是每層的發(fā)送速率Rx，它決定了層速率調(diào)整的粒度?？偟睦鄯e發(fā)送速率所覆蓋的范圍由n和Rx共同決定。

2 SMCC的進(jìn)步和存在的問(wèn)題

2．1 SMCC的進(jìn)步

SMCC(Smooth Multirate Mulficast Congestion Control)采用分層的方式組播數(shù)據(jù)，每層都獨(dú)立使用單速率組播算法TFMCC來(lái)實(shí)現(xiàn)擁塞控制，這是一種多個(gè)協(xié)議相結(jié)合的做法。SMCC將TFMCC應(yīng)用到每層的速率調(diào)節(jié)中，接收端依據(jù)條件反饋期望速率，信源端選擇各層中速率最低的接收端充當(dāng)本層的層代表CLR，并按照層代表的速率重新調(diào)整確定本層發(fā)送速率。每層的實(shí)際發(fā)送速率不再是固定不變的，而是適應(yīng)成員速率的變化，在層內(nèi)進(jìn)行重新合理調(diào)節(jié)。SMCC機(jī)制非常簡(jiǎn)單且易操作執(zhí)行，它讓層內(nèi)速率最低者成為CLR，信源端根據(jù)各層的CLR的反饋信息來(lái)調(diào)節(jié)各層的發(fā)送速率，確保完成數(shù)據(jù)傳輸。

2．2 SMCC存在的問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用中，SMCC的不足往往就源于CLR的上述選擇機(jī)制，因?yàn)镃LR往往是隨著自身網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化而不斷變化的。假如由于網(wǎng)絡(luò)狀況的變化，充當(dāng)CLR的期望速率突然下降，其結(jié)果必然是帶動(dòng)層速率急劇下降，層內(nèi)所有高速的接收者的實(shí)際接收速率也必然隨之急劇下降，這種做法顯然有很大的不足。

當(dāng)某層其他接收端的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了擁塞或者新的接收端加入該層，該層的CLR就有可能被取代。當(dāng)?shù)趇層的某接收端計(jì)算所得的速率小于第i層實(shí)際發(fā)送速率并且大于i-1層最大發(fā)送速率時(shí)，該接收端就會(huì)給發(fā)送端反饋信息。發(fā)送端得此反饋信息后，經(jīng)選擇機(jī)制選擇確認(rèn)新的CLR，并調(diào)整發(fā)送速率達(dá)到新的CLR的速率并與其保持一致。這種算法保證了CLR在本層的最低速率代表，使組播正常工作，但結(jié)果是CLR的頻繁更渙且不具有代表性，甚至還經(jīng)常出現(xiàn)被棄CLR反復(fù)當(dāng)選又反復(fù)陂棄的情況，最終導(dǎo)致接受速率發(fā)生震蕩，平滑率下降，反饋包數(shù)量增大，容易出現(xiàn)反饋爆炸問(wèn)題。當(dāng)某層中CLR要離開(kāi)組播組時(shí)，向發(fā)送端發(fā)出離開(kāi)信息，發(fā)送端接到該信息后，重新在該層的接收端中選出新的CLR。選擇新CLR時(shí)，同樣會(huì)出現(xiàn)重新選擇了原先被棄CLR，而被棄CLR往往是本層中接收速率變化較多的接收端，這將給此層傳輸速率的穩(wěn)定性帶來(lái)負(fù)面影響。

3 單次CLR的選擇機(jī)制

3．1 合理設(shè)置速率差閾值掛起CLR

在SMCC機(jī)制下，在充當(dāng)CLR的接收端期望速率突然下降時(shí)，其結(jié)果必然是帶動(dòng)層速率急劇下降，層內(nèi)高速的接收者的實(shí)際接收速率也必然隨之急劇下降。為避免這種由于CLR意外急劇下降而造成對(duì)全層用戶的影響，我們通過(guò)對(duì)CLR設(shè)置速率差下降閾值來(lái)控制。若i層CLR與當(dāng)前層發(fā)送速率Ri的速率差超過(guò)先前設(shè)置的閾值，就會(huì)被掛起。i層發(fā)送速率將不再隨此CLR變化，暫按掛起發(fā)生前的發(fā)送速率執(zhí)行。隨即按照CLR選擇機(jī)制選擇合適的接收端作為本層CLR，取代當(dāng)前CLR成為新的CLR。閾值的合理設(shè)置至關(guān)重要，既要保證及時(shí)掛起不合格CLR，又不可過(guò)于敏感，造成頻繁遴選。

3．2 掛起CLR無(wú)權(quán)當(dāng)選新CLR

為防止舊CLR因?yàn)樗俾氏陆党^(guò)閾值被剝奪CLR資格后，在新一輪CLR選擇過(guò)程中與其他接收端競(jìng)爭(zhēng)，我們規(guī)定舊CLR被剝奪資格后不得參與競(jìng)爭(zhēng)。如果沒(méi)有這個(gè)限制機(jī)制，舊CLR因?yàn)樗俾氏陆党^(guò)閾值而被剝奪CLR資格后又未被退出本層，此時(shí)合適的預(yù)備新CLR還沒(méi)來(lái)得及把發(fā)送速率上拉，舊CLR自然就有可能再次當(dāng)選。掛起CLR再次當(dāng)選很有可能引發(fā)新一輪的CLR掛起、重選的過(guò)程，則其掛起機(jī)制沒(méi)有起到合理地重新選擇CLR的功效。如果當(dāng)某層CLR由于各種原因離開(kāi)原組加入到其它組接收新結(jié)構(gòu)的層數(shù)據(jù)，基于同樣的原因也設(shè)置其放棄CLR的競(jìng)爭(zhēng)。本文認(rèn)為掛起讓它CLR無(wú)權(quán)當(dāng)選新CLR直至虛擬課堂本次組播結(jié)束的機(jī)制，可較好地保證組播網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，非常有必要。

3．3 單次CLR機(jī)制在虛擬課堂應(yīng)用的適應(yīng)性分析

虛擬課堂的眾多接收端有著異構(gòu)特征，同時(shí)又有著其他分層組播網(wǎng)絡(luò)所不具備的特點(diǎn)。首先，虛擬課堂的組播具有很強(qiáng)的時(shí)效性，其組播數(shù)據(jù)流一般不會(huì)持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間。這讓單次CLR機(jī)制弊端(如持續(xù)掛起數(shù)量較多)的影響只持續(xù)較短的時(shí)間，虛擬課堂下一輪組播依然有著廣泛CLR選擇余地。其次，虛擬課堂的接收端在接收組播數(shù)據(jù)過(guò)程中有著相對(duì)較好的設(shè)備穩(wěn)定性。雖然虛擬課堂的用戶其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不可避免存在差異且受公共網(wǎng)絡(luò)的影響帶寬會(huì)出現(xiàn)跳變，但大多數(shù)接收端一般會(huì)保持穩(wěn)定，這使單次CLR機(jī)制出現(xiàn)弊端的概率會(huì)大幅降低。再次，目前為解決網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)的問(wèn)題，在虛擬課堂接收端一般會(huì)設(shè)置一個(gè)緩沖區(qū)，對(duì)多媒體組播數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、同步的處理。接收端多媒體數(shù)據(jù)接收線程把接收到的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中，接收端視頻回放線程周期性地從緩沖區(qū)中取出視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。根據(jù)緩沖設(shè)置情況調(diào)整閾值參數(shù)設(shè)置，可以讓單次CLR選擇機(jī)制在虛擬課堂中的應(yīng)用更具合理性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了盡可能避免由于CLR意外急劇下降而造成對(duì)全層用戶的影響，本文引入掛起CLR無(wú)權(quán)當(dāng)選新CLR的方法，排除了掛起再次當(dāng)選從而引發(fā)新一輪掛起與重選的漏洞，保證了組播網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。在各層的CLR確定上我們沿用了本層最低速率當(dāng)選的規(guī)則，算法簡(jiǎn)單，不會(huì)造成過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)反饋負(fù)擔(dān)，可以保證虛擬課堂用戶的正常學(xué)習(xí)。這種方法也有著缺陷，比如，當(dāng)層內(nèi)高速率成員較多時(shí)，多數(shù)成員的要求得不到很好的層內(nèi)滿足。這些問(wèn)題是后面的工作需要完善的地方。我們相信如果引入更合適的分層模型和CLR優(yōu)選方案，分層組播將會(huì)有更好的應(yīng)用前景，在虛擬課堂中的應(yīng)用也將更加完善。