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移动流媒体内容分发网络新体系结构
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一、引言
下一代蜂窝网络以及无线局域网的飞速发展为用户提供了越来越宽的带宽，这样就很自然地加强了多媒体应用的需求，进而促进了对能够支持实时流媒体、用户移动性、高度动态、差错检测无线信道以及大规模用户流媒体传输架构的需求。
由于流媒体的种种特性，在有线和无线网络上传输流媒体面临着诸多问题，比如网络拥塞、服务器超载等。为了解决这些问题，移动流媒体内容分发网络（Mobile Streaming Media Content Delivery Network，MSM-CDN）的概念应运而生。MSM-CDN是一种覆盖在现有IP网络上的复合虚拟网络，它通过叠加的服务器实现端到端的媒体传输以及网间的媒体业务，提供了一种新的媒体传输平台。MSM-CDN是由一系列被管理或者自管理的节点组成的，它们相互协调地为移动用户传输流媒体，这些叠加的节点在网络中起到了关键控制点的作用，大大提高了端到端的流媒体传输的性能，如图1所示。MSM-CDN能够向大规模移动用户提供流媒体传输业务，是实现移动流媒体技术的基础。MSM-CDN具有资源利用率高及时延迟小等优点。
二、 MSM-CDN 系统结构
MSM-CDN系统结构分为3部分来介绍：组成模块、模块接口和系统管理。
1.MSM-CDN组成模块
MSM-CDN的结构是由相互交互的各个模块组成，如图2所示。模块化使得MSM-CDN
网络可以随时根据用户数、网络和系统负载逐渐部署。正如前面所说，MSM-CDN是由一系列叠加节点组成的，每个节点都有计算和存储能力。每个叠加节点又可以包含若干个叠加服务器或管理器。
叠加服务器是MSM-CDN中的基本模块，它的基本功能包括媒体流传输、缓冲、内容发布、资源监测、资源管理以及信令管理。此外，叠加服务器还应具有高级的媒体业务管理功能，能对媒体流会话、缓冲和中继媒体流的处理操作进行会话管理。
管理器可以用来收集和分析系统统计数据，控制MSM-CDN各个部分运作。管理器也可以用来操作网络，比如添加或重新配置叠加服务器。
2.MSM-CDN模块接口
MSM-CDN各个组成部分通过相互之间的模块接口进行交互操作。这些接口使得MSM-CDN的各个组成部分可以相互协调地为移动用户提供传输媒体流。它们也允许系统能够重新配置以处理用户模式、时变网络和系统负载的变化。
媒体的传输是通过流和数据传输接口进行的。流接口允许叠加服务器接收来自媒体源（比如：流服务器、在线媒体记录器、叠加服务器等）的输入流，并把媒体流输出到媒体播放器或者其他的叠加服务器。数据传输接口允许叠加服务器以文件传输的模式接收和发送媒体文件或媒体片断。这一接口使得叠加服务器能够把整个媒体流或片断从一个Web服务器传输到另一个Web服务器。
控制和管理接口允许叠加服务器和管理器查询其他MSM-CDN组件的信息，如内容使用统计、服务器负载和网络拥塞等。控制接口还允许管理器和叠加服务器向MSM-CDN其他组件发送命令，接收来自其他MSM-CDN组件的命令。它使得多个叠加服务器能够相互协调地工作，像一个集成系统一样收集和分析统计数据，从这些统计数据预测行为，以高效的资源利用率为预约用户提供服务。
3.MSM-CDN系统管理
MSM-CDN的管理可以分为两个功能：(1)系统监测、度量和分析（通过查询）；(2)系统控制（通过命令）。这两个功能都可以通过组件之间的控制/管理接口实现。控制接口允许系统接收和发送请求或命令。由于每个叠加服务器负责跟踪自身的统计数据，所以它可以响应各种关于内容使用、服务器负载和网络状况的请求。而且，叠加服务器还可以响应各种命令，比如移动媒体内容，开始或结束会话，处理媒体等。这些命令和请求可以来自于其他任何的叠加服务器或管理器。
三、MSM-CDN新的研究方向
MSM-CDN是为大规模的端到端的媒体传输而设计的，同时，它也提供了一个新的研究平台。
MSM-CDN设施中媒体的分布：把媒体内容放置在靠近客户端的叠加服务器上，媒体流可以在一个较短的网络路径上传输，从而减少流媒体会话的启动时延，降低丢包率和整个网络的占用。这就需要最优的媒体发布算法以根据用户预约请求优化系统性能。这种优化可以通过收敛的统计方法和可预测预取算法在统计数据分析基础上实现。特别地，这种预测可以根据所监测和记录的，或是从其他叠加服务器取得的内容请求模式来获得。因此，适当的缓冲分配、跨缓冲设施的媒体内容预分布和缓冲的位置选择都是很关键的问题。
媒体缓冲：与上述媒体分布紧密相关的就是叠加服务器上的缓冲问题。提高缓冲媒体碰撞率自然需要在叠加服务器上存储大量的媒体流。但是，由于媒体流需要巨大的存储空间，在缓存中存储整个媒体流显然是很低效的。因此，媒体流缓冲问题需要确定哪些媒体流或媒体流片断需要缓冲。可以考虑一些因素如媒体的流行度、大小、可缓冲性以及其他的因素（如内容保险费、免费内容存储等）。媒体分布和缓冲是MSM-CDN最关键的组成部分，因为它们对资源利用率以及系统的可靠性有巨大的影响。
客户端请求转向（服务器选择）：当一个客户端请求某些内容时，这一请求必须发送到能够提供这些内容服务的服务器，这可以通过一系列机制来实现。如：DNS实体管理和动态SMIL修正等。这一操作还需要一个系统监测和管理组件来寻找最佳的叠加服务器，寻找的条件包括内容的可获得性、服务器负载、网络负载等。这就需要设计能够监测服务器和叠加服务器网络负载且能够分配请求到可用的最小负载的边缘服务器的框架结构。
流的自适应性：流媒体系统必须能够向各种各样的客户端发送媒体流。在大多数情况下，下行流网络状况和客户端的能力事先是不知道的。因此，动态地调整流媒体以匹配可用带宽和特定客户端设备性能的要求就显得异常重要。关于这个问题有很多的解决方案。多文件交换技术可以使用不同的编码速率对媒体文件进行编码。可扩展编码存储基本帧和加强帧，再以不同的优先级进行发送。这些方法实际上都是体现了适应性、压缩效率和复杂度之间的互换。
四、发展前景
随着2.5G、3G等高速移动通信技术的逐渐成熟，以及手机、PDA等移动通信设备的不断完善，移动通信网不仅能够提供传统的话音业务，还能提供高速率的宽带视频业务，支持高质量的话音、分组数据业务以及实时视频传输。3G开创了无线通信与互联网、视频融合的新时代，由此产生的无线视频和无线IP业务也必将成为未来无线移动通信业务新的增长点。
目前，3GPP TS.107中已经明确提出了对流媒体业务的需求。为探索这一新的媒体形式的市场机会，爱立信、Apple及Sun Microsystem正合作建立一项标准，共同推动这一新的多媒体移动业务的开发及消费。在第11届上海国际通信展上，爱立信公司已经展示了它与Apple公司合作开发的即时访问多媒体业务的流媒体解决方案，这个端到端的解决方案遵循3GPP标准，可以使多媒体服务以流媒体的形式下载到移动设备上进行播放。在日本，NTT DoCoMo已经基于流媒体技术推出了多种多媒体应用，并取得了巨大的成功。
在下一代的移动通信商业应用中，将会提供以下服务：数字音乐下载服务、实时新闻等信息服务、远程教育、视频会议、端到端的交互游戏、音视频等多媒体内容的传递等。MSM-CDN必将在未来移动数据通信的高速发展中扮演极其重要的角色，以提供高速、高质量的移动多媒体通信业务。 来源：中国多媒体视讯
下一代蜂窝网络以及无线局域网的飞速发展为用户提供了越来越宽的带宽，这样就很自然地加强了多媒体应用的需求，进而促进了对能够支持实时流媒体、用户移动性、高度动态、差错检测无线信道以及大规模用户流媒体传输架构的需求。
由于流媒体的种种特性，在有线和无线网络上传输流媒体面临着诸多问题，比如网络拥塞、服务器超载等。为了解决这些问题，移动流媒体内容分发网络（Mobile Streaming Media Content Delivery Network，MSM-CDN）的概念应运而生。MSM-CDN是一种覆盖在现有IP网络上的复合虚拟网络，它通过叠加的服务器实现端到端的媒体传输以及网间的媒体业务，提供了一种新的媒体传输平台。MSM-CDN是由一系列被管理或者自管理的节点组成的，它们相互协调地为移动用户传输流媒体，这些叠加的节点在网络中起到了关键控制点的作用，大大提高了端到端的流媒体传输的性能，如图1所示。MSM-CDN能够向大规模移动用户提供流媒体传输业务，是实现移动流媒体技术的基础。MSM-CDN具有资源利用率高及时延迟小等优点。
二、 MSM-CDN 系统结构
MSM-CDN系统结构分为3部分来介绍：组成模块、模块接口和系统管理。
1.MSM-CDN组成模块
MSM-CDN的结构是由相互交互的各个模块组成，如图2所示。模块化使得MSM-CDN
网络可以随时根据用户数、网络和系统负载逐渐部署。正如前面所说，MSM-CDN是由一系列叠加节点组成的，每个节点都有计算和存储能力。每个叠加节点又可以包含若干个叠加服务器或管理器。
叠加服务器是MSM-CDN中的基本模块，它的基本功能包括媒体流传输、缓冲、内容发布、资源监测、资源管理以及信令管理。此外，叠加服务器还应具有高级的媒体业务管理功能，能对媒体流会话、缓冲和中继媒体流的处理操作进行会话管理。
管理器可以用来收集和分析系统统计数据，控制MSM-CDN各个部分运作。管理器也可以用来操作网络，比如添加或重新配置叠加服务器。
2.MSM-CDN模块接口
MSM-CDN各个组成部分通过相互之间的模块接口进行交互操作。这些接口使得MSM-CDN的各个组成部分可以相互协调地为移动用户提供传输媒体流。它们也允许系统能够重新配置以处理用户模式、时变网络和系统负载的变化。
媒体的传输是通过流和数据传输接口进行的。流接口允许叠加服务器接收来自媒体源（比如：流服务器、在线媒体记录器、叠加服务器等）的输入流，并把媒体流输出到媒体播放器或者其他的叠加服务器。数据传输接口允许叠加服务器以文件传输的模式接收和发送媒体文件或媒体片断。这一接口使得叠加服务器能够把整个媒体流或片断从一个Web服务器传输到另一个Web服务器。
控制和管理接口允许叠加服务器和管理器查询其他MSM-CDN组件的信息，如内容使用统计、服务器负载和网络拥塞等。控制接口还允许管理器和叠加服务器向MSM-CDN其他组件发送命令，接收来自其他MSM-CDN组件的命令。它使得多个叠加服务器能够相互协调地工作，像一个集成系统一样收集和分析统计数据，从这些统计数据预测行为，以高效的资源利用率为预约用户提供服务。
3.MSM-CDN系统管理
MSM-CDN的管理可以分为两个功能：(1)系统监测、度量和分析（通过查询）；(2)系统控制（通过命令）。这两个功能都可以通过组件之间的控制/管理接口实现。控制接口允许系统接收和发送请求或命令。由于每个叠加服务器负责跟踪自身的统计数据，所以它可以响应各种关于内容使用、服务器负载和网络状况的请求。而且，叠加服务器还可以响应各种命令，比如移动媒体内容，开始或结束会话，处理媒体等。这些命令和请求可以来自于其他任何的叠加服务器或管理器。
三、MSM-CDN新的研究方向
MSM-CDN是为大规模的端到端的媒体传输而设计的，同时，它也提供了一个新的研究平台。
MSM-CDN设施中媒体的分布：把媒体内容放置在靠近客户端的叠加服务器上，媒体流可以在一个较短的网络路径上传输，从而减少流媒体会话的启动时延，降低丢包率和整个网络的占用。这就需要最优的媒体发布算法以根据用户预约请求优化系统性能。这种优化可以通过收敛的统计方法和可预测预取算法在统计数据分析基础上实现。特别地，这种预测可以根据所监测和记录的，或是从其他叠加服务器取得的内容请求模式来获得。因此，适当的缓冲分配、跨缓冲设施的媒体内容预分布和缓冲的位置选择都是很关键的问题。
媒体缓冲：与上述媒体分布紧密相关的就是叠加服务器上的缓冲问题。提高缓冲媒体碰撞率自然需要在叠加服务器上存储大量的媒体流。但是，由于媒体流需要巨大的存储空间，在缓存中存储整个媒体流显然是很低效的。因此，媒体流缓冲问题需要确定哪些媒体流或媒体流片断需要缓冲。可以考虑一些因素如媒体的流行度、大小、可缓冲性以及其他的因素（如内容保险费、免费内容存储等）。媒体分布和缓冲是MSM-CDN最关键的组成部分，因为它们对资源利用率以及系统的可靠性有巨大的影响。
客户端请求转向（服务器选择）：当一个客户端请求某些内容时，这一请求必须发送到能够提供这些内容服务的服务器，这可以通过一系列机制来实现。如：DNS实体管理和动态SMIL修正等。这一操作还需要一个系统监测和管理组件来寻找最佳的叠加服务器，寻找的条件包括内容的可获得性、服务器负载、网络负载等。这就需要设计能够监测服务器和叠加服务器网络负载且能够分配请求到可用的最小负载的边缘服务器的框架结构。
流的自适应性：流媒体系统必须能够向各种各样的客户端发送媒体流。在大多数情况下，下行流网络状况和客户端的能力事先是不知道的。因此，动态地调整流媒体以匹配可用带宽和特定客户端设备性能的要求就显得异常重要。关于这个问题有很多的解决方案。多文件交换技术可以使用不同的编码速率对媒体文件进行编码。可扩展编码存储基本帧和加强帧，再以不同的优先级进行发送。这些方法实际上都是体现了适应性、压缩效率和复杂度之间的互换。
四、发展前景
随着2.5G、3G等高速移动通信技术的逐渐成熟，以及手机、PDA等移动通信设备的不断完善，移动通信网不仅能够提供传统的话音业务，还能提供高速率的宽带视频业务，支持高质量的话音、分组数据业务以及实时视频传输。3G开创了无线通信与互联网、视频融合的新时代，由此产生的无线视频和无线IP业务也必将成为未来无线移动通信业务新的增长点。
目前，3GPP TS.107中已经明确提出了对流媒体业务的需求。为探索这一新的媒体形式的市场机会，爱立信、Apple及Sun Microsystem正合作建立一项标准，共同推动这一新的多媒体移动业务的开发及消费。在第11届上海国际通信展上，爱立信公司已经展示了它与Apple公司合作开发的即时访问多媒体业务的流媒体解决方案，这个端到端的解决方案遵循3GPP标准，可以使多媒体服务以流媒体的形式下载到移动设备上进行播放。在日本，NTT DoCoMo已经基于流媒体技术推出了多种多媒体应用，并取得了巨大的成功。
在下一代的移动通信商业应用中，将会提供以下服务：数字音乐下载服务、实时新闻等信息服务、远程教育、视频会议、端到端的交互游戏、音视频等多媒体内容的传递等。MSM-CDN必将在未来移动数据通信的高速发展中扮演极其重要的角色，以提供高速、高质量的移动多媒体通信业务。 来源：中国多媒体视讯
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