专利名称：多播环境中的自适应服务质量保证方法
技术领域：
本发明涉及网络协议通信技术领域，特别是涉及一种多播环境中的自适应QoS(Quality-of-Service，服务质量)保证方法，尤其是一种由发送方发起机制和接收方发起机制相结合的自适应QoS保证方法，接收方发起机制在根据网络状况实时调整接收者所接收的视频质量的同时，在适当的时候启动发送方发起机制，由发送方利用抽样协商来动态调整整体视频质量，不仅可以从整体上控制和优化视频质量和网络利用率，还可以将多播组中受网络拥塞影响的部分隔离，为不同用户提供不同的视频质量。
背景技术：
传统的IP(Internet Protocol)通信有两种方式第一种是在一台源IP主机和一台目的IP主机之间进行，即单播(unicast)；第二种是在一台源IP主机和网络中所有其它的IP主机之间进行，即广播(broadcast)。而IP多播(multicast)，也称组播是指在IP网络中将数据包以尽力而为(best-effort)的形式发送到网络中的某个确定节点子集，这个子集称为多播组(multicast group)。IP多播的基本思想是，源主机只发送一份数据，这份数据中的目的地址为多播组地址；多播组中的所有接收者都可接收到同样的数据拷贝，并且只有多播组内的主机(目标主机)可以接收该数据，网络中其它主机不能收到。而IP QoS是指IP的服务质量，也就是指IP数据流通过网络时的性能。它有一套度量指标，包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率等等。
多播环境中的QoS保证机制大体可以分为两类一类是利用资源预留来保证QoS，也可以称为QoS的硬保证。其核心是用户提交请求，由网络提供保证，主要通过资源预留来完成。这种方法的优点是能够在IP网上提供端到端的QoS保证。但是对路由器的要求很高，当网络中的数据流量很大时，路由器的存储和处理能力会遇到很大的压力。因此可扩展性很差，难以在核心网络实施。另外，资源预留协议无法预留资源也并不等于网络上没有足够的资源，而且预留的资源也并不一定时时都会被该用户使用，所以引入资源预留的网络的资源利用率不高，而且无法根据网络环境的变化动态调整以获得用户可以感知的最佳的服务质量。因此，自适应QoS，也可以称为QoS的软保证，越来越受到重视。自适应QoS的核心是用户动态调整需求参数，来适应当前的网络情况，以便在当前的网络条件下，获得用户可以感知的最佳的服务质量。这种方法是细粒度的、可以更好地反映用户的个性化需求、主要作用于终端。
目前已有的多播环境中的自适应QoS保证机制主要有两种发送方发起机制(sender-initiated schemes)和接收方发起机制(receiver-initiated schemes)。
发送方发起机制是由发送方负责监测网络的拥塞情况并采取相应的修复措施。其中对网络拥塞的监测，主要是通过发送方周期性地统计和分析接收方发来的丢包率或时延的数据报告来完成。当接收情况不佳的接收者的数量超过事先设定的多播通信中所允许的比例时，发送者将会降低整体视频传输的质量和速率。其优点是，实现简单，也不需要依赖特殊的编码技术。其主要缺陷是不适合异构多播环境，也就是说，只要多播组中有一部分接收者遇到了较大的丢包率，则多播组中所有的接收者都将被迫接受视频质量的降低。因此只能满足单一的传输速率要求，接收者对带宽的不同要求不能同时满足。而且传统的发送方发起机制要求所有的接收者都实时提供信息反馈，以便实时地分析和调整发送方的发送速率。因而该机制扩展性差，在接收者数量众多的情况下，很容易产生反馈风暴。
接收方发起机制是由接收方负责监测网络的拥塞情况并调整自己的接收质量。比如分层多播，就是最常用的接收方发起机制。其基本思想是将视频编码成一个可以单独解码的基本层码流和一个或多个可以在任何地点截断的增强层码流，其中基本层码流适应最低的网络带宽，而增强层码流用来覆盖网络带宽变化的动态范围。每层均被分配一个不同的多播地址，从而使分层的视频流在几个不同的多播连接中传输。各个接收者根据自身情况和网络情况加入尽可能多的多播组，来接收尽可能多的增强层码流，从而得到更好的视频质量。和发送方发起机制相比，接收方发起机制的一个主要的优点是它可以将多播组中受网络拥塞的部分隔离，使这部分对视频质量的选择不影响多播组的其他成员。然而，这种机制也有自身的缺点。首先，此机制对编码要求高，并且各个接收者对接收质量的调节往往会相互影响，很难协调。在分层多播方式中，分层编码的调节粒度比较粗，一般只能支持为数不多的几层，因为分层过多会增加编码难度以及控制信息量，也会消耗大量路由器上的状态表。另外，动态地加入或退出多播组也会增加开销。而且因为每一层码流都在一个完全不同的多播树上传播，这些多播树甚至可能没有共享相同的瓶颈链路，在这种情况下，去除一层码流也许并不能解决拥塞。此外，如果网络拥塞其实就发生在发送者附近的链路上，虽然绝大多数接收者都不接收高层数据，但发送者仍会以最高的图像质量进行编码和发送。这对发送方的系统资源，以及其附近的网络带宽来说，都是极大的浪费。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种多播环境中的由发送方发起机制和接收方发起机制相结合的自适应QoS保证方法，其接收方发起机制在根据网络状况实时调整接收者所接收的视频质量的同时，在适当的时候启动发送方发起机制，由发送方利用抽样协商来动态调整整体视频质量，从而不仅可以从整体上控制和优化视频质量和网络利用率，还可以将多播组中受网络拥塞影响的部分隔离，为不同用户提供不同的视频质量。还会在适当的时候利用控制层，向发送方发送一个调节QoS等级的申请，来启动发送方发起机制。
本发明的另一个目的是提供一种多播环境中的自适应QoS保证方法，发送方利用抽样协商来动态调整整体视频质量，在从整体上控制和优化视频质量和网络利用率的同时，避免了反馈风暴。
本发明的另一个目的是提供一种多播环境中的自适应QoS保证方法，发送方在抽样协商的过程中，会对未返回反馈信息的接收者进行状态检测，以确认该接收者是否处于激活状态，从而实时更新组成员信息和状态记录，以便进行有效的管理和计费。
本发明的另一个目的是提供一种多播环境中的自适应QoS保证方法，不需借助中间节点和路由器，由终端调整需求参数，来适应当前的网络情况，以便在当前网络条件下，使各个接收者均能获得满意的视频质量。
本发明的另一个目的是提供一种多播环境中的自适应QoS保证方法，通过将发送方发起机制和接收方发起机制相结合，使QoS调节的范围更宽，调节粒度更细，可以同时满足更多不同的用户需要。
技术方案将发送方发起机制和接收方发起机制相结合，既具有发送方发起机制的优点，又具有接收方发起机制的优点，不仅可以从整体上控制和优化服务质量和网络利用率，还可以将多播组中受网络拥塞影响的部分隔离，使这部分对服务质量的选择不影响多播组的其他成员，为不同用户提供不同的服务质量。
图1是本发明的多播环境中的自适应QoS保证方法的网络示意图。
图2是本发明的多播环境中的自适应QoS保证方法的接收方处理流程图。
图3是本发明的多播环境中的自适应QoS保证方法的发送方处理流程图。
具体实施例方式
在此，提出了一种多播环境中的由发送方发起机制和接收方发起机制相结合的自适应QoS保证方法。
图1给出了该自适应QoS保证方法的网络示意图。从图中可以看到，发送方只有一个，但是接收方有多个。在每个接收方上都要运行接收方处理程序，而在发送方上要运行发送方处理程序。
接收方的处理流程如图2所示，主要完成接收方发起机制的功能，并在适当的时候启动发送方发起机制。具体步骤如下S1接收者通过实时的统计和分析RTP协议(Real-time TransportProtocol，实时传输协议)的丢包率、延迟等参数来监测和判断网络的恶化/好转。
S2接收者根据S1中的监测结果，自行调节接收的视频质量。在网络恶化的情况下降低接收者接收的视频质量来适应网络的变化，在分层多播中就是退出一个或多个增强层码流的多播组；在网络好转的情况下，提高接收者接收的视频质量，在分层多播中就是加入一个或多个增强层码流的多播组。
在只采用接收方发起机制的情况下，如果网络拥塞其实就发生在发送者附近的链路上，虽然大多数接收者都降低了接收质量，但发送者仍会以最高的图像质量进行编码和发送，造成了系统资源和网络资源的浪费。其实在这种情况下，发送者应该适当降低图像压缩质量，如选择占用带宽更少的图像压缩算法，降低图像分辨率等，或降低发送速率来进行整体调节，而不是简单的让单个接收者来自行进行图像质量的调节。要解决这一问题，就需要引入发送方发起机制。
传统的发送方发起机制要求所有的接收者都实时提供信息反馈，以便实时的分析和调整发送方的发送速率。这种实现方式扩展性差，在接收者数量众多的情况下，很容易产生反馈风暴。尤其是在网络拥塞的情况下，大量的反馈信息不仅会进一步阻塞网络，还可能因为反馈信息的丢失，导致多播组内表决的结果失效。比如在绝大部分接收者都发现网络拥塞，希望发送者降低整体的发送速率时，这些接收者都会向发送者发送降低QoS的申请。但是由于这些接收者附近的网络已经发生了拥塞，它们发送的大量申请很可能会丢失，导致发送者接收到的降级申请没有达到表决的通过比例，从而拒绝对整体的视频质量和发送速率做出调整。针对这种情况，本发明提出的多播环境中的自适应QoS保证方法中，接收者在监测到网络恶化/好转的情况下，除了自行调整自己接收的视频质量，还会向发送方发送一个降低/提高QoS等级的调节申请，来启动发送方发起机制。而发送方发起机制则利用抽样协商的方法来动态调整整体视频质量、优化网络的利用率。具体做法是，首先要求每个接收者加入多播视频应用前都要向发送者进行申请，这样发送者就可以知道接收者总数，也知道各个接收者的单播地址。另外需单设一个控制层，也就是专用于控制信息的多播组，所有接收者都必须加入这个多播组。接收者退出多播应用前也应该通知发送方，使其可以实时更新有关多播组的规模的数据和接收者列表信息。调节申请采用抑制发送机制。具体步骤如下S3接收者启动一个发送调节申请的延迟定时器，其设置为一定范围内的随机值。
S4如果在定时器超时前，该接收者收到了其它接收者发送的调节申请，则取消自己的定时器以及调节申请，这样就抑制了调节申请的重复发送。
S5定时器超时，则该接收者通过控制层将调节申请以多播形式发送给发送方以及所有接收者。
S6跳转到S1循环执行。
发送方的处理流程如图3所示，主要完成发送方发起机制的功能。具体步骤如下S1发送方在控制层监听接收方发来的调节申请报文；S2当收到调节申请后，发送方采用抽样协商的方法，从接收者列表中随机选取一部分作为抽样询问的对象。抽样比例视多播组的规模而定。
S3发送方向选取的抽样对象发送消息，询问其视频接收情况。抽样询问及其应答均采用单播形式进行。由于询问样本是随机选取，所以可以表征接收者的整体状况。
S4发送方根据被选取的接收者的反馈信息进行分析，实时调整视频的整体质量和发送速率。从而在从整体上控制和优化视频质量和网络利用率的同时，避免了反馈风暴。在每次抽样协商的过程中以及其后的一定时间内，发送方将会丢弃在此期间收到的其它调节申请，以避免调节申请的重复处理以及服务质量的波动。随机抽样协商的方法可以极大的减少反馈信息量，从而减少了对网络资源的占用，有效的避免了反馈风暴。
接收者退出多播视频应用前应该通知发送方，使其可以实时更新有关多播组的规模的数据和接收者列表信息。但是，一些接收者有可能是非正常退出。在这种情况下，发送方将无法得到其退出消息，这给多播应用的管理和计费造成了很大的困难。为了解决这一问题，发送方在随机抽样协商的过程中，如果发现某个被抽到的接收者未返回任何反馈信息，则会启动节点状态检测模块，以确认该接收者是否处于激活状态。从而实时更新组成员信息和状态记录，以便进行有效的管理和计费。如果节点状态检测模块多次询问该接收者均未收到响应，将会将该接收者从接收者列表中去除，同时更新各种管理信息。
S5跳转到S1循环执行。
我们提出的多播环境中的自适应QoS保证方法，可以适用于各种多媒体应用，为其提供实时的检测、控制机制，使其具备自适应QoS的特征。不需借助中间节点和路由器，由终端调整需求参数，来适应当前的网络情况，以便在当前的网络条件下，获得最佳的服务质量。将发送方发起机制和接收方发起机制相结合，不仅可以从整体上控制和优化视频质量和网络利用率，还可以将多播组中受网络拥塞影响的部分隔离，为不同用户提供不同的视频质量。具有接收方发起机制的优点，可以将多播组中受网络拥塞影响的部分隔离，使这部分对视频质量的选择不影响多播组的其他成员，同时可以根据各个接收者的实际情况和个性化需求，为不同用户提供不同的视频质量。接收者在监测到网络恶化/好转的情况下，除了自行调整自己接收的视频质量，还会利用控制层，向发送方发送一个降低/提高QoS等级的调节申请，来启动发送方发起机制。调节申请采用了抑制发送机制，以避免调节申请的重复发送。发送方收到调节申请后利用抽样协商来动态调整整体视频质量，从整体上控制和优化视频质量和网络利用率，不仅避免了反馈风暴，还可同时维护组成员信息和状态记录，以便进行有效的管理和计费。另外，通过将两种机制相结合，使QoS调节的范围更宽，调节粒度更细，从而更加适合于异构多播环境。
权利要求
1.一种多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，将发送方发起机制和接收方发起机制相结合，既具有发送方发起机制的优点，又具有接收方发起机制的优点，不仅可以从整体上控制和优化服务质量和网络利用率，还可以将多播组中受网络拥塞影响的部分隔离，使这部分对服务质量的选择不影响多播组的其他成员，为不同用户提供不同的服务质量。
2.根据权利要求1所述的多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，要求每个接收者加入多播应用前都要向发送者进行申请，同时单设一个控制层，也就是专用于控制信息的多播组，所有接收者都必须加入这个多播组，接收者退出多播应用前也应该通知发送方，使其可以实时更新有关多播组的规模的数据和接收者列表信息。
3.根据权利要求1所述的多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，接收方发起机制在根据网络状况实时调整接收者所接收的视频质量，从而将多播组中受网络拥塞影响的部分隔离，为不同用户提供不同的服务质量外，还会在适当的时候利用控制层，向发送方发送一个调节QoS等级的申请，来启动发送方发起机制。
4.根据权利要求1所述的多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，调节申请采用抑制发送机制，也就是说，接收者发送调节申请前需启动一个延迟定时器，其设置为一定范围内的随机值，定时器超时则通过控制层将调节申请以多播形式发送给发送方以及所有接收者；如果在定时器超时前，该接收者收到了其它接收者发送的调节申请，则取消自己的定时器以及调节申请，这样就抑制了调节申请的重复发送。
5.根据权利要求1所述的多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，发送者在收到调节申请后，会采用抽样协商的方法，从接收者列表中随机选取一部分来询问其视频接收情况，抽样比例多播组的规模而定，然后发送方根据被选取的接收者的反馈信息进行分析，从而实时调整视频的整体质量和发送速率，在从整体上控制和优化视频质量和网络利用率的同时，避免了反馈风暴。
6.根据权利要求1所述的多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，发送者在抽样协商的过程中，会对未返回反馈信息的接收者进行状态检测，以确认该接收者是否处于激活状态，从而实时更新组成员信息和状态记录，以便进行有效的管理和计费。
7.根据权利要求1所述的多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，不需借助中间节点和路由器，由终端调整需求参数，来适应当前的网络情况，以便在当前网络条件下，使各个接收者均能获得满意的服务质量。
8.根据权利要求1所述的多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，通过将发送方发起机制和接收方发起机制相结合，使QoS调节的范围更宽，调节粒度更细，可以同时满足更多不同用户的需要。
9.根据权利要求1所述的多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，接收方的处理的具体步骤如下S1接收者通过实时的统计和分析RTP协议的丢包率、延迟等参数来监测和判断网络的恶化/好转；S2接收者根据S1中的监测结果，自行调节接收的视频质量，在网络恶化的情况下降低接收者接收的视频质量来适应网络的变化，在分层多播中就是退出一个或多个增强层码流的多播组；在网络好转的情况下，提高接收者接收的视频质量，在分层多播中就是加入一个或多个增强层码流的多播组；S3接收者启动一个发送调节申请的延迟定时器，其设置为一定范围内的随机值；S4如果在定时器超时前，该接收者收到了其它接收者发送的调节申请，则取消自己的定时器以及调节申请，这样就抑制了调节申请的重复发送；S5定时器超时，则该接收者通过控制层将调节申请以多播形式发送给发送方以及所有接收者；S6跳转到S1循环执行。
10.根据权利要求1所述的多播环境中的自适应服务质量保证方法，其特征在于，发送方的处理的具体步骤如下S1发送方在控制层监听接收方发来的调节申请报文；S2当收到调节申请后，发送方采用抽样协商的方法，从接收者列表中随机选取一部分作为抽样询问的对象，抽样比例视多播组的规模而定；S3发送方向选取的抽样对象发送消息，询问其视频接收情况，抽样询问及其应答均采用单播形式进行，由于询问样本是随机选取，所以可以表征接收者的整体状况；S4发送方根据被选取的接收者的反馈信息进行分析，实时调整视频的整体质量和发送速率，从而在整体上控制和优化视频质量和网络利用率，在每次抽样协商的过程中以及其后的一定时间内，发送方将会丢弃在此期间收到的其它调节申请，以避免调节申请的重复处理以及服务质量的波动，随机抽样协商的方法可以极大的减少反馈信息量，从而减少了对网络资源的占用，有效的避免了反馈风暴；S5跳转到S1循环执行。
全文摘要
本发明涉及网络协议通信技术领域，多播环境中的自适应QoS保证方法，将发送方发起机制和接收方发起机制相结合，具有发送方发起机制的优点和接收方发起机制的优点。接收方发起机制在根据网络状况实时调整接收者所接收的视频质量的同时，在适当的时候利用控制层，向发送方发送一个调节QoS等级的申请，来启动发送方发起机制。发送方收到调节申请后，利用抽样协商来分析和调整整体视频质量，从整体上控制和优化视频质量和网络利用率，不仅避免了反馈风暴，还可同时维护组成员信息和状态记录。不需借助中间节点和路由器，由终端调整需求数，适应当前的网络，获得最佳的服务质量。
文档编号H04L29/06GK1529461SQ20031010144
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月17日 优先权日2003年10月17日
发明者刘敏, 石军, 石晶林, 李忠诚, 鲁士文, 刘 敏 申请人:中国科学院计算技术研究所