CN1668023A - 适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适合数字媒体发布业务的网络结构和传输方法，包括媒体发布网络，一个发布中心和若干个接收终端，媒体发布网络由核心网络和辅助网络组成，这两个网络结构在地理位置上是重叠的；核心网络使用广播和多播传输方法，提供从发布中心到接收终端的端到端的单向数据传输；辅助网络提供发布中心和接收终端之间端到端的双向数据通信。其中，核心网络采用树型拓扑结构，使用逐级广播或多播技术，支持从发布中心到大量接收终端的实时视音频流传输和可靠数据传输。本发明提供实时广播、实时多播、可靠信息广播、可靠信息订阅和发送四类服务，具有带宽利用率高、传输实时性好、数据接收的可靠性有保障等特点。
Description
技术领域
本发明涉及信息技术领域，具体涉及一种适合数字媒体发布业务的网络结构和传输方法。
背景技术
数字媒体发布应用的特点是一个(或少量)信息源发布信息到大量的受众。在网络上进行信息发布的应用及其实现技术典型的有以下几种：1.在计算机数据网络(TCP/IP网络)上进行通信实时性要求不高的数据信息发布；2.在数据网络上采用流技术进行影视(视音频)信息发布。
使用传统的端到端数据通信技术，在接收端数量巨大的情况下，靠近信息源会出现流量汇聚效应，大大影响网络数据传输的流畅性。为了保证传输的流畅性，特别是在使用流技术传输视音频信息的情况下，往往需要将网络中的接收用户分组(一般是根据地理位置分片)，在靠近不同用户组的地方设置镜相服务器，这大大提高了信息发布应用的设备投资。
多播技术在这种应用需求下被提出来。借助多播路由器和多播协议对多播传输的支持，荷载相同信息的数据分组在同一网络链路上只传送一次。比起传统的单播技术，对于信息发布类型的应用，多播技术对网络带宽的利用要合理得多。但在目前的互联网中，由于诸多原因，多播并没有真正得到大规模实施。
发明内容
为了克服传统的TCP/IP网络对数字媒体发布业务支持的不足，本发明提供了一种新型的适合数字媒体发布业务的网络结构以及相应的流传输技术和可靠数据多播传输方法，可以在媒体发布中心和大量的接收终端之间保障流畅的视音频流的传输，提供可靠的多播数据传输，实现高效率的网络带宽利用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，包括媒体发布网络，与媒体发布网络连接的一个发布中心和若干个接收终端，所述的媒体发布网络由核心网络和辅助网络组成，这两个网络结构在地理位置上是重叠的；所述的核心网络使用广播和多播传输方法，提供从发布中心到接收终端的端到端的单向数据传输；所述的辅助网络提供发布中心和接收终端之间端到端的双向数据通信。
所述的的核心网络采用树型拓扑结构，包括三种不同的路由器设备，以及非对称的通信链路：
与发布中心连接的源路由器，源路由器为整个核心网络的顶端，连接若干下游的中间路由器或者边界路由器；
中间路由器，中间路由器只连接一个上游的源路由器或者中间路由器，一个中间路由器可以连接若干下游的中间路由器或者边界路由器；
与若干接收终端连接的边界路由器，边界路由器只连接一个上游的源路由器或者中间路由器；
连接上述路由器的非对称通信链路，这些通信链路的下行带宽远大于上行带宽。
从源路由器到各个边界路由器的路径长度可以不同，即以源路由器为根的树，其各分支的高度是可以不同的。
所述的核心网络使用广播和多播传输方法，具体包括实时广播、实时多播、可靠广播和可靠多播四种传输方法；所述的四种传输方法均采用首先建立相应类型的连接、然后进行广播或多播传输、最后释放连接的过程。
所述的广播连接的建立过程是由源路由器向下层的直接相邻路由器发出建立连接请求，然后第2层的各个路由器相应地建立连接表项，向源路由器发出确认，并把该连接请求向所有其直接下属的第3层路由器发出；依此类推，直到边界路由器，即建立连接是由顶向下，逐级进行的。
所述的多播连接的建立过程是由源路由器向下层的直接相邻路由器发出建立连接请求，指定该连接的标识、类型和服务质量参数，并发送整个多播接收用户的列表。由中间路由器依次转发，直到边界路由器；边界路由器检查直接连接的用户以及接收到的用户列表，取交集作为实际接收用户；若交集非空，则建立了相应的连接登记表项，并向其上层的路由器发出确认，将自身加入到该多播连接中；上级路由器再重复该过程，这样逐层回传，直到源路由器，即连接建立请求是由顶向下逐级传递的，但确认是由底向上逐级返回的。
所述的实时广播和多播的传输过程为逐级进行分组的复制，进行广播或多播，每级路由器只向属于该多播连接的下游路由器进行多播数据传输，相邻上下级路由器之间不进行确认；通过预留带宽策略，实现对视音频等流媒体的实时传输。
所述的可靠广播和多播的传输过程的第一种方法采用前向纠错，在发送端的源路由器进行前向纠错编码，在边界路由器进行相应的解码，传输时相邻上下级路由器之间不进行确认。
所述的可靠广播和多播的传输过程的第二种方法采用逐级存储转发并逐级反馈的方式，逐级进行错误检测、反馈重传，从而保证数据传输的可靠性。
所述的释放连接过程为由源路由器向第2层中与该连接相关的所有路由器发出拆除连接请求，指定连接的标识；在收到各个第2层的路由器的应答后，释放自身的连接登记表项，释放相应的带宽资源。第2层路由器使用相同的方法释放连接。依次类推，直至边界路由器；即释放连接过程是由顶向下，逐级进行的。
本发明支持的应用业务有：一、向所有的受众进行实时发布，也称为实时媒体广播服务；二、向一部分受众进行实时发布，也称为实时媒体多播服务；三、同时向所有受众进行发布的可靠的媒体信息广播服务；四、可靠的媒体信息订阅及发送服务，用户像传统报纸杂志订阅者一样，对媒体信息进行订阅，在约定的时间期限内，信息可靠地送达订阅用户接收端了。采用的传输方式列表如下：
| 实时传输 | 可靠传输 | |
| 广播方式 | 第一种业务 | 第三种业务 |
| 多播方式 | 第二种业务 | 第四种业务 |
实时传输业务支持实时视音频流媒体的发布，可靠传输业务支持数据的发布；另一方面，广播服务为所有的受众服务，而多播服务为一部分特定的用户(如订阅用户)服务。
本发明网络中核心网络的工作流程为：
网络首先进行初始化，通过配置的方法或自动的相邻节点发现机制，源路由器建立下游直接相邻节点的登记表，每个中间路由器都建立了上游直接相邻节点和所有下游直接相邻节点的登记表，每个边界路由器建立了上游直接相邻节点登记表和用户接收终端(主机)的登记表。这样，网络的拓扑结构被建立起来。
针对媒体发布网络提供的四种应用业务，其实现的基本方式都包括三个步骤：首先建立从源路由器到各个边缘路由器的广播或多播连接，然后进行实时流传输或可靠数据传输；最后释放连接。
本发明所述的网络结构和传输方法的特色主要表现在：
1、本发明采用树型拓扑结构的核心网络和普通的交互网络共同构成媒体发布网络，能够较经济地在现有的广播电视网和互联网予以实现；
2、通过预留带宽策略，实现对视音频等流媒体的实时传输；
3、根据网络传输线路条件以及逐级分支数的变化，可以选择通过前向纠错方法或逐级反馈方法，实现数据的可靠广播或多播。
本发明提供适合数字媒体发布业务的网络结构以及相应的实时广播和多播传输方法、可靠数据广播和多播传输方法，在媒体发布中心和大量的接收终端之间保障流畅的视音频流的传输，提供可靠的广播或多播数据传输，实现高效率的网络带宽利用。
附图说明
图1是本发明网络结构的逻辑结构示意图；
图2是本发明网络结构中核心网络的内部结构示意图。
具体实施方式
媒体信息发布网络的结构参见图1，信息源所处的位置称为发布中心(3)，受众则处于接收终端(4)。媒体发布网络则连接了发布中心(3)和大量的接收终端(4)。
媒体发布网络(5)由核心网络(1)和辅助网络(2)共同构成。其中，核心网络(1)使用广播和多播技术，提供从发布中心到接收终端的端到端的单向数据传输，辅助网络(2)提供发布中心和接收终端之间端到端的双向数据通信。发布中心(3)处于核心网络(1)的顶端，而接收终端(4)则处于核心网络(1)的边界。
核心网络(1)和辅助网络(2)在地理位置上是重叠的，为了支持数字媒体发布业务的实际需求，该网络在拓扑结构上考虑了非对称性：信息流量的非对称性，发布中心到用户的流量远大于用户到发布中心的流量；站点数量的非对称性，发布中心站点的数量也远小于接收用户的数量。
在实施时，核心网络的传输链路可以利用非对称的SDH传输线路，或者利用有线电视HFC网络的线路来建立；辅助网络可以利用现有的TCP/IP网络来建立。
参见附图2，核心网络(1)是一种树型拓扑结构网络，由以下关键设备组成：
1、源路由器(节点S)(6)
2、中间路由器(节点I)(7)
3、边界路由器(节点E)(8)
4、连接上述路由器的通信链路(9)
整个网络的拓扑结构是一个树型结构。靠近顶端(树的根)称为“上游”或“上层”。靠近底部(边界)称为“下游”或“下层”。
一个源路由器(6)是整个核心网络的顶端(树型结构的根)。该源路由器连接若干下游的中间路由器或者边界路由器。
一个中间路由器(7)只连接一个上游的源路由器或者中间路由器。一个中间路由器可以连接若干下游的中间路由器或者边界路由器。
一个边界路由器(8)只连接一个上游的源路由器或者中间路由器。一个边界路由器连接若干用户接收终端。
下游的路由器和上游的路由器之间通过不对称的通信链路(9)连接。该通信链路的下行带宽(即从上游路由器到下游路由器的带宽)远大于上行带宽。
整个核心网络中，从源路由器到达不同的边界路由器的路径长度可以不相同。也就是说，核心网络具有不等高的树状拓扑结构，源路由器处于第1层。从源路由器到某一个处于第n层(n≥2)的边界路由器，必定经过n-2个中间路由器，以及相应n-1条通信链路。
同时，不同的上游路由器直接连接的相应的下游路由器的数量也可以各不相同。即以源路由器为根的树，其各分支的高度是可以不同的。
媒体发布中心(3)连接在源路由器(6)上。该中心一般为一个使用TCP/IP协议的局域网。
用户接收终端(4)连接在边缘路由器(8)上。这些接收终端一般为采用TCP/IP协议的主机。
核心网络对具体业务的支持为：
一、核心网络对实时媒体广播业务的实现过程
(1)实时广播连接的建立：源路由器向下层的直接相邻路由器(中间路由器或边界路由器)发出建立连接请求，并指定该连接的标识、类型和服务质量参数。这里的类型是实时广播连接，服务质量包括带宽要求等。在收到该请求后，第2层的各个路由器相应地建立连接表项，预留相应的带宽资源，向源路由器发出确认，并把该连接请求向所有其直接下属的第3层路由器发出。依次类推，直至连接请求到达边界路由器，并在边界路由器上建立了连接登记表项。
(2)实时广播数据的传输：源路由器在所建立的连接标识上，向每个下游路由器发送实时广播数据，每个下游出口发送一个分组拷贝。对每个分组，第2层路由器不对源路由器做出确认。第2层路由器将每个收到的分组又依次向它自身所属的所有第3层路由器发送一个分组拷贝。依次类推，直至每个分组依次到达每个边界路由器。
这里，实时广播数据传输的特征是：逐级进行分组的复制和广播，相邻上下级路由器之间不进行确认。
(3)实时广播连接的释放：源路由器向第2层的路由器发出拆除连接请求，指定连接的标识，在收到各个第2层的路由器的应答后，释放自身的连接登记表项，释放相应的带宽资源。从第2层的路由器起，依次类推，使用相同的方法释放连接，直至边界路由器。释放连接是由顶向下逐级进行的。
二、核心网络对实时媒体多播业务的实现过程
(1)实时多播连接的建立：源路由器向下层的直接相邻路由器(中间路由器或边界路由器)发出建立连接请求，指定该连接的标识、类型和服务质量参数，并发送整个多播接收用户的列表(用户接收终端列表)。这里的类型是实时多播连接，服务质量包括带宽要求等。在收到该请求后，第2层的各个路由器并不立即回复源路由器，而是把该连接请求向所有其直接下属的第3层路由器发出。依次类推，直至该多播连接请求到达边界路由器。
边界路由器检查其直接连接的用户以及该多播连接的接收用户列表，取其交集作为该连接的实际接收用户。若交集不是空集，则在边界路由器上建立了连接登记表项，并向其上层的路由器发出确认；若交集为空，则在连接回复中指明自身不属于该多播集合。
作为中间层次的某个路由器在收集了来自所有直接相邻的下层路由器的回复信息后，当存在一个以上下属路由器属于本次多播连接请求的接收对象，则相应地建立连接表项，预留相应的带宽资源，并向其上层的路由器发出确认；否则，在向上层的路由器的连接回复中指明自身不属于该多播集合。
经过上述由底向上直至源路由器的反向确认传递过程，整个核心网络中的各个路由器都建立了相应的连接表项，登记了其下属路由器中哪些路由器属于该多播连接，并预留了相应的带宽。
(2)实时多播数据的传输：源路由器在所建立的多播连接标识上，向每个属于该多播连接的下游路由器发送实时多播数据，相应的每个下游出口发送一个分组拷贝。对每个分组，第2层路由器不对源路由器做出确认。第2层路由器将每个收到的分组又依次向它自身所属的属于该多播连接的每个第3层路由器发送一个分组拷贝。依次类推，直至每个分组依次到达每个属于该多播连接的边界路由器。边界路由器最后将该多播连接的分组发送至每个接收终端。
这里，实时多播数据传输的特征是：逐级进行分组的复制和多播，每级路由器只向属于该多播连接的下游路由器进行多播数据传输，相邻上下级路由器之间不进行确认。
(3)实时多播连接的释放：源路由器向第2层的属于该多播连接的所有路由器发出拆除连接请求，指定连接的标识，在收到各个第2层的路由器的应答后，释放自身的连接登记表项，释放相应的带宽资源。从第2层的路由器起，依次类推，使用相同的方法释放连接，直至边界路由器。释放连接是由顶向下逐级进行的。
三、核心网络对可靠媒体广播业务的实现过程
(1)可靠广播连接的建立：源路由器向下层的直接相邻路由器(中间路由器或边界路由器)发出建立连接请求，并指定该连接的标识、类型和服务质量参数。这里的类型是可靠广播连接、以及相应的可靠传输控制方式，服务质量包括平均带宽的期望等。在收到该请求后，第2层的各个路由器相应地建立连接表项，向源路由器发出确认，并把该连接请求向所有其直接下属的第3层路由器发出。依次类推，直至连接请求到达边界路由器，并在边界路由器上建立了连接登记表项。
不同于实时广播连接的是：在可靠广播连接的建立过程中，各级路由器对带宽的预留是可选择的。可以使用预留策略，也可以使用统计复用、尽力传输策略。
(2)可靠广播数据的传输：可靠广播的传输有两种基本的实现方式，第一种是采用前向纠错的方式，第二种是使用逐级存储转发并逐级反馈的方式。
使用第一种方式时，源路由器首先将来自发布中心的应用层数据进行前向冗余纠错编码，然后在所建立的连接标识上，向每个下游路由器发送广播数据，每个下游出口发送一个分组拷贝。对每个分组，第2层路由器不需要对源路由器做出确认。第2层路由器将每个收到的分组又依次向它自身所属的所有第3层路由器发送一个分组拷贝。依次类推，直至每个分组依次到达每个边界路由器。在边界路由器上，对前向冗余纠错编码进行解码，恢复原应用层数据，再传递到最终用户接收终端。
第一种可靠广播数据传输的特征是：源路由器进行前向纠错编码，边界路由器进行相应的解码，整个编解码过程对核心网络以外的部分透明；传输时，逐级路由器进行分组的复制和广播，相邻上下级路由器之间不进行确认。前向纠错编码的具体编码方式及冗余度可以根据传输信道条件和应用需求而改变。
使用第二种方式时，源路由器首先将来自发布中心的应用层数据进行缓冲存储，编上分组序号和检错编码，然后在所建立的连接标识上，向每个下游路由器发送广播数据，每个下游出口发送一个拷贝。对于每个分组，第2层路由器必须对源路由器回应是否正确接收的确认信息。只有等所有下游节点都报告准确接收了分组后，上层路由器才释放数据缓冲区；如果下层路由器中有部分路由器没有反馈正确接收的信息，则上层路由器需要进行重传。具体的重传方式：可以对所有下层路由器都重新传递一遍，或者仅仅对没有正确接收信息的路由器重新传递。在源路由器上，针对各个下层路由器的滑动窗口是同步的。
从各个第2层的路由器正确接收到广播数据开始，每个路由器又采用和源媒体路由器相同的方式，向其下层的路由器进行广播，并根据收到的确认信息决定是否重传，然后移动相应的滑动窗口。这个过程逐层进行，直到边界路由器。
第二种可靠广播数据传输的特征是：从源路由器直至边界路由器，采用存储转发技术，逐级路由器之间进行接收确认；每一级路由器，当且仅当收到了它直接下属的所有路由器的确认后，释放相应的数据缓冲区。
(3)可靠广播连接的释放：源路由器向第2层的路由器发出拆除连接请求，指定连接的标识，在收到各个第2层的路由器的应答后，释放自身的连接登记表项，若预留了带宽则释放相应的带宽资源。从第2层的路由器起，依次类推，使用相同的方法释放连接，直至边界路由器。和传统的TCP/IP网络中不同的是，这里释放连接是由顶向下逐级进行的。
四、核心网络对可靠媒体多播业务的实现过程
(1)可靠多播连接的建立：和实时多播连接的建立类似，源路由器向下层的直接相邻路由器(中间路由器或边界路由器)发出建立连接请求，指定该连接的标识、类型和服务质量参数，并发送整个多播接收用户的列表(用户接收终端列表)。这里的类型是可靠多播连接、以及相应的可靠传输控制方式(参见下面第2点)，服务质量包括平均带宽的期望等。在收到该请求后，第2层的各个路由器并不立即回复源路由器，而是把该连接请求向所有其直接下属的第3层路由器发出。依次类推，直至该多播连接请求到达边界路由器。
边界路由器检查其直接连接的用户以及该多播连接的接收用户列表，取其交集作为该连接的实际接收用户。若交集不是空集，则在边界路由器上建立了连接登记表项，并向其上层的路由器发出确认；若交集为空，则在连接回复中指明自身不属于该多播集合。
作为中间层次的某个路由器在收集了来自所有直接相邻的下层路由器的回复信息后，当存在一个以上下属路由器属于本次多播连接请求的接收对象，则相应地建立连接表项，可选择地预留相应的带宽资源，并向其上层的路由器发出确认；否则，在向上层的路由器的连接回复中指明自身不属于该多播集合。
经过上述由底向上直至源路由器的反向确认传递过程，整个核心网络中的各个路由器都建立了相应的连接表项，登记了其下属路由器中哪些路由器属于该多播连接，并可选择地预留了相应的带宽。
(2)可靠多播数据的传输有两种基本实现方式，一种是前向纠错方式，另一种是逐级存储转发并逐级反馈确认方式，均和可靠广播数据的传输类似。其具体的操作过程的差别只在于在可靠多播传输业务中，源路由器和每个中间路由器只向属于该多播连接的(而不是可靠广播传输业务中向所有的)下游直接相邻的路由器发送信息。
(3)可靠多播连接的释放：源路由器向第2层的路由器发出拆除连接请求，指定连接的标识，在收到属于该连接的各个第2层的路由器的应答后，释放自身的连接登记表项，若预留了带宽则释放相应的带宽资源。从第2层的路由器起，依次类推，使用相同的方法释放连接，直至边界路由器。这种释放连接过程的特征是由顶向下逐级进行的。
Claims (10)
1、一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，包括媒体发布网络，与媒体发布网络连接的一个发布中心和若干个接收终端，其特征在于：所述的媒体发布网络由核心网络和辅助网络组成，这两个网络结构在地理位置上是重叠的；
所述的核心网络使用广播和多播传输方法，提供从发布中心到接收终端的端到端的单向数据传输；
所述的辅助网络提供发布中心和接收终端之间端到端的双向数据通信。
2、根据权利要求1所述的一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，其特征在于：所述的的核心网络采用树型拓扑结构，包括三种不同的路由器设备，以及非对称的通信链路：
与发布中心连接的源路由器，源路由器为整个核心网络的顶端，连接若干下游的中间路由器或者边界路由器；
中间路由器，中间路由器只连接一个上游的源路由器或者中间路由器，一个中间路由器可以连接若干下游的中间路由器或者边界路由器；
与若干接收终端连接的边界路由器，边界路由器只连接一个上游的源路由器或者中间路由器；
连接上述路由器的非对称通信链路，这些通信链路的下行带宽远大于上行带宽。
3、根据权利要求2所述的一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，其特征在于：从源路由器到各个边界路由器的路径长度可以不同。
4、根据权利要求1所述的一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，其特征在于：所述的核心网络使用广播和多播传输方法，具体包括实时广播、实时多播、可靠广播和可靠多播四种传输方法；所述的四种传输方法均采用首先建立相应类型的连接、然后进行广播或多播传输、最后释放连接的过程。
5、根据权利要求4所述的一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，其特征在于：所述的广播连接的建立过程是由源路由器向下层的直接相邻路由器发出建立连接请求，然后第2层的各个路由器相应地建立连接表项，向源路由器发出确认，并把该连接请求向所有其直接下属的第3层路由器发出；依此类推，直到边界路由器，即建立连接是由顶向下，逐级进行的。
6、根据权利要求4所述的一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，其特征在于：所述的多播连接的建立过程是由源路由器向下层的直接相邻路由器发出建立连接请求，指定该连接的标识、类型和服务质量参数，并发送整个多播接收用户的列表。由中间路由器依次转发，直到边界路由器；边界路由器检查直接连接的用户以及接收到的用户列表，取交集作为实际接收用户；若交集非空，则建立了相应的连接登记表项，并向其上层的路由器发出确认，将自身加入到该多播连接中；上级路由器再重复该过程，这样逐层回传，直到源路由器，即连接建立请求是由顶向下逐级传递的，但确认是由底向上逐级返回的。
7、根据权利要求4所述的一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，其特征在于：所述的实时广播和多播的传输过程为逐级进行分组的复制，进行广播或多播，每级路由器只向属于该多播连接的下游路由器进行多播数据传输，相邻上下级路由器之间不进行确认；通过预留带宽策略，实现对视音频等流媒体的实时传输。
8、根据权利要求4所述的一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，其特征在于：所述的可靠广播和多播的传输过程采用前向纠错，在发送端的源路由器进行前向纠错编码，在边界路由器进行相应的解码，传输时相邻上下级路由器之间不进行确认。
9、根据权利要求4所述的一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，其特征在于：所述的可靠广播和多播的传输过程采用逐级存储转发并逐级反馈的方式，逐级进行错误检测、反馈重传，从而保证数据传输的可靠性。
10、根据权利要求4所述的一种适合数字媒体发布业务的网络结构与传输方法，其特征在于：所述的释放连接过程为由源路由器向第2层中与该连接相关的所有路由器发出拆除连接请求，指定连接的标识；在收到各个第2层的路由器的应答后，释放自身的连接登记表项，释放相应的带宽资源。第2层路由器使用相同的方法释放连接。依次类推，直至边界路由器；即释放连接过程是由顶向下，逐级进行的。
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