流媒体业务模型及其传输

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1.流媒体业务概述

一般来说，流媒体业务主要包括两种不同的类型，分别是存储流媒体业务和实时流媒体业务。

存储流媒体业务典型的应用是网络视频点播等，而实时流媒体业务的典型应用是PPLive、PPStream等软件。这两种业务在性质上存在较大的区别，比如，在视频点播业务中，用户可以对访问的资源进行较复杂的操作，例如前进、倒退、暂停等等;而在实时直播业务情况下，用户对访问资源无法进行复杂操作，仅仅可以对其进行暂停。

造成两种业务性质差别的根本原因是用户和资源提供者在访问的流程中作用不同，对存储流媒体业务的访问是由用户决定的，由用户驱动;而对实时流媒体业务的访问是由资源驱动的，用户只能被动地接收。另一方面，用户交互活动对存储流媒体业务的影响很大，与一般业务不同，因为用户可以对其进行前进、倒退和中止等活动，连接被称为“干涉传输”，而用户交互活动对实时流媒体业务的影响较小，一般仅能对其暂停或中止。下面本文对以上两部分业务特征进行说明，并给出模拟流媒体业务的仿真方案，这里假定资源是单一的娱乐资源。

2.存储流媒体业务

由于对存储流媒体业务的访问是由用户决定的，所以对资源(Object)的访问结束标志了一个会话(Session)的结束。在存储流媒体业务中，定义会话为一个由用户需求发起，以用户资源传输完毕(或进行中止)而结束的服务。

用户干涉行为造成一个会话中可能有多个传输，可以采取分层的方法来描述工作业务的特征。首先是会话层，其次是传输层。

从业务不同方面来考察，可以得到多个不同参数，但是很多参数都是互相关联的。在对存储业务进行模拟仿真时，需要一组独立参数以得到业务特征：在会话层能够确定各个会话的到达率、间隔时间和对应的访问资源。在传输层，确定该会话内传输的个数、各个传输的起始时间、起始位置和持续时间等。

(1)会话层

为确定到达率和会话对应的访问资源，需要知道资源流行度分布和业务强度时间变化分布。为得到间隔时间，可以考察各个资源对应的请求时间相关度。

(2)传输层

为得到传输个数、起始位置、起始时间、持续时间和间隔时间，需要考虑以下几个参数：资源大小、传输持续时间、传输暂停时间、会话中止位置和用户跳跃的距离分布等。会话中止位置和用户跳跃距离分布是存储流媒体业务较特殊的特征。存储流媒体仿真参数特征参见表1。

对存储流媒体仿真，仿真流程如下：

第一步，决定会话对应资源。会话对应资源由资源受欢迎度分布决定，根据资源受欢迎度分布，得到一个长度为会话个数的序列object(n )，然后session(j )的访问资源(session(j )为第j 个会话)由相应object(j )得到。

第二步，决定会话间隔时间，会话间隔时间为访问相同资源的相邻会话的间隔时间，会话间隔时间分布服从Pareto分布，即设session(i )(j )为访问j 资源的第i 个会话，start(i )(j )为其起始时间，则start(i+1)(j )-start(i )(j )服从Pareto分布。

第三步，决定会话结束时间，由会话访问结束点分布和资源大小分布决定该会话的结束时间，end(j )=partial(j )×size(obj(j ))，即第j个会话的结束时间由对应的会话结束比例分布乘以该会话访问的资源长度。

第四步，由请求访问率的时间分布和间隔时间分布决定会话的开始时间。

以上4个步骤得到各个会话的对应资源、起始时间和结束时间。

第五步，处理传输层相关参数，posit(i )(j )为session(i )内的第(i )个传输，jump(i )(j )为第i个跳跃，playtime(i )(j )为第i个传输的播放时间，pausetime(i )(j )为第i个传输的暂停时间，clock(i )(j )为第i个传输的起始时间，clock(1)(j )=start (j )。

则：

if(posit (i )(j )+playtime (i )(j )

可以继续新建一个传输：

playtime(i+1)(j)=posit(i )(j )+jump(i )(j )+playtime(i )(j )，

clock(i +1)(j )=clock(i )(j )+playtime(i )(j )+pausetime(i )(j )，

否则i 是该会话中最后一个传输：

pausetime(i )(j )=end(j )-posit(i )(j )。

通过以上5个步骤，可以得到各个传输的对应资源、持续时间、起始位置和起始时间。

3.实时流媒体业务

使用分层的方法模拟实时流媒体业务特征，最底层传输层是媒体服务器得到的各个用户传输请求，在第二层会话层，同一用户的几个相邻业务请求可以看作一个会话，该会话的相邻请求的间隔时间(静止时间)都小于Toff，会话结束的标志定义为对应用户的静止时间大于临界时间(OFF>Toff)。显然，会话个数与临界时间(Toff)相关。一般来说，当Toff>3 600 s时，会话个数基本不再改变。也就是1 h的Toff对于访问行为已经足够大了，所以在这里采用Toff=3 600 s。顶层将各用户对应会话汇聚为用户层。模拟实时流媒体业务时也采用分层的方法模拟实时流媒体业务。首先是用户层，用于说明用户总体特性，主要为请求何时到达和请求对应的用户。这里假定用户请求是独立到达的。接下来是会话层，用于说明会话的一些总体特性，主要决定一个会话包含多少传输。最后为传输层，由于用户互动性影响不大，这里只需确定各个传输的对应资源、持续时间和起始时间。同样，clock(1)(j )=start(j )，传输起始时间由传输间隔时间分布决定，持续时间由持续时间分布决定。会话层与传输层之间的关系如图1所示。

实时流媒体仿真参数特征参见表2。

通过以上参数得到具体传输是较容易理解的。由用户到达过程得到会话起始时间(何时到达)，由资源受欢迎度和用户感兴趣度得到会话的对应用户与访问资源，会话的传输个数由Pareto得到，而传输相关参数由传输间隔时间和传输持续时间参数得到。

4.流媒体业务的自相似特性

自相似特性是高速数据业务的固有属性，流媒体业务也不例外，对传输带宽、传输时间都有较大影响，在研究流媒体一些机制，如缓存和代理机制时，需要考虑业务的自相似特性。该特性是存储流媒体业务和实时流媒体业务都具有的。即流媒体业务网络流量具有自相似性，根据视频编码协议，对一个确定的资源，每秒传输24帧。因此，网络流量的自相似性表现为帧长序列的自相似性，即同一流媒体资源的帧长序列是一个自相似过程。该帧长序列具有长距离相关性和突发变化性，帧长序列的分布特性参见表3。

5.流媒体光网络传输技术

网络流媒体业务需要一个能充分展现流媒体网络特色的可运营、可管理、可盈利的业务运行支撑环境，在这个支撑环境中，光网络将扮演重要的角色。

传统网络结构是一个基于IP/ATM/SDH/WDM的多层协议栈结构，结构复杂、效率低、灵活性差。随着技术的进步和业务的变化，4层结构中的ATM层和SDH层将逐步消失，但其基本功能不会消亡，将会分别融入因特网协议/多协议标记交换(IP/MPLS)层和波分复用/光传送网(WDM/OTN)层中去。整个功能结构层次将变得更加简单，趋向扁平化的两层结构。因此，流媒体下的核心骨干光网络也应采取这种协议体系结构[1]。

未来宽带网络建设的思路主要有以下3种：

采用大容量的光波长交换设备和大容量路由器建立智能光网络。

采用大容量的路由器建立分组路由光网络。

采用光波长交换/路由器复合设备建立波长交换/分组路由综合光网络。

其中，智能光网络具有两种不同的网络模型：层叠模型和对等模型，相应地对应有两种不同的网络体系结构。

文献[3]给出了一个典型的宽带信息网应用支撑环境，是主要针对InternetTV、实时多媒体交互这两类业务的支撑环境。在该宽带信息网应用支撑环境下，网络流媒体应用模型可以从网络和业务两层来分析。

网络层分为驻地网、宽带城域网和干线网3种，其中宽带城域网和干线网均建在因特网协议/自动交换光网络(IP/ASON)双平台上，可以为实时流媒体业务提供具有端到端连接的光链路(如图2所示)。

业务层主要利用网络层提供的传输平台开展Internet TV、视频点播(VOD)业务，Internet TV、VOD业务主要在宽带城域网内运行，同时又可以通过干线网进行跨地区的节目传送，实现跨地区数字电视(DTV)节目交流。所有业务由业务运营商提供，驻地网提供用户接入功能，并跨接到城域网上，为用户提供具有服务质量(QoS)保证的多媒体业务。

网络平台和业务平台两者的关系如下：流媒体业务集成平台运行在网络中，对于宽带网络运营商来说，流媒体业务集成平台的作用相当于中心媒体服务器;宽带网络运营平台则提供了一个用户接入，并为用户提供实现视频流媒体服务的平台，在用户与业务集成平台之间是一个针对用户的媒体服务器(MS)，提供用户接入、认证、基本数据记录等功能;业务集成平台功能相当于一个用于存储、传送媒体内容的区域存储网络(SAN)，并提供一个具有电子节目指南(EPG)功能、用于业务服务的可扩展标记语言(XML)门户网站。

根据宽带信息网应用支撑环境模型可知，流媒体业务集成平台是基于IP/ASON双平台广域网的系统，并可以充分利用信息网跨区域的特点。在Internet TV业务方面，通过将不同区域的数字电视节目推送到信息网上，实现网络电视具有跨区域广播业务特色的综合流媒体传输平台。流媒体业务集成平台研究的目的就是为实现基于信息网的IP/ASON双平台特色的宽带网上流媒体传送提供技术上的支撑，即研究Internet TV网关设备、Cisco设备发现协议(CDP)的网络分发系统、业务集成管理系统。这3部分将分别应用于业务集成平台中的3个不同角色，Internet TV网关设备将提供给网络电视提供商，由数字电视节目供应商利用Internet TV网关设备的数字视频广播-IP(DVB-IP)协议转换功能，实时地将DTV节目推送到宽带城域网上。当城域网上的DTV节目可以在城域间交流时，通过将不同地区城域网上的DTV节目推送到信息网上，就可以在信息网上形成网络电视节目源，供不同城市的业务运营商作为节目源开展网络电视业务。媒体服务器(MS)为用户提供网络电视的接入业务。业务集成管理系统则将给流媒体业务提供商提供一个技术支撑平台，这个技术支撑平台包括XML门户网站、业务管理系统(SMS)、内容存储(CS)、CDP等模块，由SMS利用用户标识(ID)进行密钥的分发，控制CDP将业务内容分发到用户所在MS，提供VOD业务的媒体存贮及业务产品的定制。CDP则在业务集成管理系统的控制下，在保证业务内容传送质量条件下，将业务内容分发到指定的MS。

ASON是能够智能化地自动完成光网络交换连接功能的新一代光传送网[4]。 包括3个层面的各种技术和标准体系的不断更新和跟进，使得ASON技术保持着新技术的几乎所有特性，并继续受到关注。

目前，ASON技术的各主要标准化进程已经基本结束，产品和技术的商用化步伐加快，ASON已经在全球进入了规模商用阶段。

在中国，ASON也越来越得到电信运营商的关注。目前，随着流媒体业务应用的网络需求越来越大，在流媒体的光网络传输技术中，ASON以其连接建立的智能化和高效的网络资源利用率等优点，很好地满足了流媒体业务的动态网络传输功能。

图3所示是一个典型的媒体内容传送平台的自动交换光网络模型。由于业务集成平台建立在宽带信息网的IP/ASON双平台广域网上，并且ASON网可以提供链路层组播功能。

在网络数字电视的直播业务方面，可以充分利用ASON提供的链路层组播功能，由CDP通过ASON的信令接口——用户网络接口(UNI)，实现网络电视节目基于端到端连接的可靠的数据传送。

在VOD点播业务方面，将结合IP/ASON双平台特点，在IP传送符合流媒体业务的QoS情况下，在IP层上进行传送，当IP层不能保证流媒体网络传送的QoS时，采用ASON建立端到端的链路连接，以保证流媒体在整个信息网网络上传送的QoS。

6.结束语

随着网络技术的不断发展，流媒体已经成为未来数据网络的一项关键技术，对人们的生活带来重要的影响，尤其在网络数字电视的直播业务和VOD点播业务方面，应该说，流媒体技术已经逐渐进入了全面应用的时期。要想更好地把握流媒体技术，首先需要弄清楚流媒体业务模型，本文正是从这一点出发，对流媒体业务模型及其实现进行了讨论，在此基础上给出了宽带信息网应用环境下网络流媒体应用模型，最后对适合流媒体传输的ASON光传送网进行了简要的阐述。(techtarget)