一种基于Mesh网结构的流媒体传输方法
李先 汪克峰
摘 要： 为了提高Mesh网结构下的流媒体传输效率，在分析了当前Mesh网流媒体传输方法基础上，基于Mesh网的结构特点，通过把p2p技术和H2O流媒体放置复制算法相结合，设计并实现了一种综合考虑Router和Client的Mesh网流媒体传输方法，分别探讨了非P2P和P2P模式下的流媒体发现、路由和傳输机制，并通过仿真对算法的性能进行了评估。仿真表明，与同类算法相比，该算法在性能上有明显提高。
关键词： Mesh网； 流媒体； 传输方法； P2P
中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0062?03
Abstract： To improve the efficiency of flow media transmission in Mesh networks， a new Mesh network flow media transmission method that considers Routers and Clients comprehensively was designed and realized on the basis of analysis of the current Mesh network flow media transmission method and the Mesh network structure characteristics. The mechanisms of discovery， routing and transmission of flow media under non?P2P and P2P modes are discussed. The performance of the algorithm is evaluated with a simulation method. The simulation results show that， compared with similar algorithms， the performance of the algorithm proposed in this paper has more obvious improvement.
Keywords： Mesh network； flow media； transmission method； P2P
0 引 言
无线Mesh网（WMN）是一种新型的宽带无线网络，具有高容量、高速率、分布式的特点。在网络拓扑上，WMN与移动Ad Hoc网络相似，但网络节点移动性小，处于静止或半静止状态，拓扑变化小，并且节点不用电池作动力，有稳定的能量来源。在单跳接入时，WMN可以看作是一种特殊的无线局域网。
在业务模式上，Ad Hoc网络主要是节点间的业务流，而WMN网络主要是来往于Internet网关的业务[1]。目前，基于城际Mesh网的应用，如作为接入网和回程网的解决方案，被越来越多的研究[2]。
在基于WMN的诸多应用中，按需点播（Video on?Demand， VoD）是最有吸引力的应用服务之一，基于WMN的流媒体传输是一个具有挑战性的研究领域，近年来提出了不少基于WMN的流媒体传输策略。Shui等人提出了一种基于DSR协议的多信道多路径传输协议MM?DSR[3]，通过该协议提供一种可靠的流媒体传输机制。文献[4]对当前基于AODV协议改进、并应用于WMN流媒体传输的研究进行了总结，这些研究都侧重于提高视频流的质量。文献[5]实现了一种UPAC算法，该算法采用P2P技术和服务器缓存技术来提高内容容量和流的传输质量。
文献[6]讨论了WMN按需点播视频流的数据放置问题，提出了一个称为Home?to?Home Online（H2O）的数据放置和复制框架，解决了多片段多跳传输延迟问题。文献[7]在文献[6]的基础上进行了改进，设计了一个新的数据复制框架H2?VIP。
本文的研究建立在文献[6]的基础上，但是基于一种不同的Mesh网结构，不仅仅考虑如文献[6]中的Mesh Router，而且把Mesh网中的用户Client也考虑进去，比如PDA，移动电话。基于该结构，设计了新的媒体放置、发现策略，实现了一种基于Mesh网的流媒体传输方法。
1 媒体流放置和复制
基于图1的Mesh网拓扑结构，假设该网中有N个Mesh网网关（路由器），和文献[6]中的业务模式不同，本网中的业务由用户Client产生并发出请求。假设一个视频流被分割为M个等量大小的视频块，整个视频的播放长度是T s，则每块的播放时间为[Sb=TM]。文献[6]的研究已证明，不需要每个路由器均存储所有视频块，采用文献[6]的复制和放置方案，可以最小化视频块的存储容量。该算法假设块[bi]要在块[bi-1]播放结束之前到达，如果用[tc]表示请求的发起时间，则块[bi]应该在时间[i×Sb+tc]之前到达。如果每个路由器按照播放速率来分配带宽，拥有第[i]个视频块的路由器距离客户端有[h]跳，则该路由器开始传输视频块[bi]的时间为[（i-h-1）×Sb+tc]。为了流畅的播放，Client向服务器请求的跳数应满足[h≤i]，因此对于每个路由器，其[i]跳范围内至少要有块[bi]的一个副本，才能保证其范围内的Client视频请求得以流畅播放。块[bi]应被复制的次数为[ri=N（2i2+2i+1）]，整个视频流需要的存储容量为[S=i=1Mri]。
2 流媒体发现机制
首先，Client向距离最近的Router发起视频请求，收到请求的Router首先检查本地是否存储有请求视频块的副本，如果没有，则该Router会产生一个请求消息，该消息由申请序列号、请求的视频块ID、视频块到达时间以及TTL组成。该消息采用广播的方式向外扩散，收到该消息的路由器同样检查本地是否存储有请求视频块的副本，如果没有且TTL>0，则继续转发。如果本地存储有所请求的视频块，且有足够的带宽预留，则按照请求到达的路径向源端发送一个响应报文，中间节点收到该响应报文后，检查本身是否有足够的带宽预留，如果有，暂时预留带宽并继续向源端传输该响应报文，如果没有则抛弃该报文。源节点在收到回应报文后，对同一视频块ID传来的多个回应报文，选择跳数最少的一条路径进行确认，确认报文经过的节点会预留带宽，当确认报文到达拥有视频块的Router时，该Router会启动一个定时器，该Router必须在定时器到时之前发送视频块。那些收到回应报文并暂时预留了带宽的中间Router会同时启动一个定时器，在该定时器到时之前如果没有收到确认报文，则释放预留的带宽。
3 算法实现和性能评估
尽管文献[6]中的H2O算法可以最小化副本的数量，但是因为拓扑的因素，某个Router可能会成为多个视频块的副本存放地，从而导致该服务器成为瓶颈，过多的请求会导致该Router性能下降。为了提高性能，本文把P2P模式引入到系统实现中来，让Client缓存一定的视频块，并具有Router的功能。当Router收到一个Client请求时，和前述一样，首先检查本地是否存储有该请求的副本，如果没有，不是立即产生一个广播报文，而是向其传播范围内的Client发出一个查询请求；如果在该范围内的Client缓存有该视频块，则向Router发送一个确认，Router收到以后，会在两个Client之间建立一条路径。如果Router没有收到任何确认，则Router继续产生洪泛报文，向邻居Router查询。
仿真在OMNet++仿真环境下进行，仿真中在一个20×20正方形网格区域内放置400个Router、400个Client，Client按均匀分布随机分布在网格中，每个Router都以其周围的4个Router作为邻居，仿真中放置一个120 min的视频，该视频被分割为30个等大小的视频块，视频播放需求带宽4 Mb/s，到达请求服从泊松分布。
图2是带宽B=5时的仿真结果，横轴是泊松分布的请求到达速率，纵轴是请求被阻塞的比率，由图2可以看到，随着请求到达速率的提高，请求被阻塞的概率增加。同时可以看到，在P2P模式下，而当客户端缓存容量SB=1时，由于缓存太小，不能缓存更多视频块，因此就不能有效发挥客户端的作用，系统性能提升就不够明显，随着客户端缓存容量SB的增加，阻塞率明显降低，P2P模式下的系统性能得以明显提高。图3是在带宽B=15时的仿真结果，对比图2可发现，在带宽提高的前提下，阻塞率得以明显降低。
以上仿真对本文算法的性能进行了评估，为了进一步比较本文算法和同类相关研究算法的性能，把本文中基于Mesh网结构的流媒体传输算法（ABMA算法）和采用了相同网络结构的UPAC[5]算法进行比较。仿真参数参照文献[5]设定如下：仿真拓扑为10×10的网格矩形，共布置100个Router，各路由器传输范围250 m，传输带宽54 Mb/s，在中心区域路由器上放置一个视频，并分割为30个等大小的视频块，各个终端请求的CBR流需求带宽为400 Kb/s，每个数据包的大小为1 460 B。在以上条件下，图4统计了不同数量终端并发请求下的丢包率。由图4可以看出，尽管两种算法采用了相同的Mesh网体系机构，但由于本文的算法结合了文献[6]的放置算法，并把Client考虑在内，因此客户端的请求被有效分流，丢包率大幅降低，性能明显优于UPAC算法。
4 结 论
本文在总结现有Mesh网流媒体放置和复制算法的基础上，设计了一种适用于Mesh网结构的流媒体传输方法，和原有算法相比较，本方法不仅考虑了Mesh网中的Router，同时把Mesh網中的Client也考虑了进去，并对方法的性能进行了仿真评估。仿真表明，在Client参与的P2P模式下，系统能够获得更好的性能。
参考文献
[1] MOHAMMAD E， OMIDREZA K， TOURAJ K. A survey on wireless mesh networks： Architecture， specifications and challenges [C]// Proceedings of IEEE 5th Control and System Graduate Research Colloquium （ICSGRC）. Nework： IEEE， 2014： 219?222.
[2] MANKAR S T， KOLI S M. Enhancing the performance of wireless mesh network （WMN） for video transmission in context with IEEE 802.11 [C]// Proceedings of 2015 International Conference on Energy Systems and Applications. [S.l.]： IEEE， 2015： 34?39.
[3] KIRAN P， NARAYAN D G， UMA M. Cross layer routing and rate adaptation for video transmission in multi?radio wireless mesh networks [C]// Proceedings of 2015 International Conference on Advances in Computing， Communications and Informatics （ICACCI）. [S.l.： s.n.]， 2015： 2139?2144.
[4] YU M， CHA W， SONG J， et al. Design and implementation of an audio/video group chat application for wireless mesh networks [C]// Proceedings of 2015 15th International Conference on Advanced Communication Technology （ICACT）. [S.l.： s.n.]， 2013： 818?822.
[5] SYRIGOS L，CHOUMAS K，KORAKIS T， et al. Demonstration of a video?aware multicast opportunistic routing protocol over 802.11 two?hop mesh networks [C]// Proceedings of 2014 11th Annual IEEE International Conference on Sensing， Communication and Networking （SECON）. [S.l.]： IEEE， 2014： 149?151.
[6] TAN B， LAURENT M. Optimal content placement for peer?to?peer video?on?demand systems [J]. IEEE transactions on networking， 2013， 21（2）： 566?579.
[7] HACHEM J， KARAMCHANDANI N， DIGGAVI S. Content caching and delivery over heterogeneous wireless networks [C]// Proceedings of 2015 IEEE Conference on Computer Communications （INFOCOM）. [S.l.]： IEEE， 2015： 756?764.
摘 要： 为了提高Mesh网结构下的流媒体传输效率，在分析了当前Mesh网流媒体传输方法基础上，基于Mesh网的结构特点，通过把p2p技术和H2O流媒体放置复制算法相结合，设计并实现了一种综合考虑Router和Client的Mesh网流媒体传输方法，分别探讨了非P2P和P2P模式下的流媒体发现、路由和傳输机制，并通过仿真对算法的性能进行了评估。仿真表明，与同类算法相比，该算法在性能上有明显提高。
关键词： Mesh网； 流媒体； 传输方法； P2P
中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0062?03
Abstract： To improve the efficiency of flow media transmission in Mesh networks， a new Mesh network flow media transmission method that considers Routers and Clients comprehensively was designed and realized on the basis of analysis of the current Mesh network flow media transmission method and the Mesh network structure characteristics. The mechanisms of discovery， routing and transmission of flow media under non?P2P and P2P modes are discussed. The performance of the algorithm is evaluated with a simulation method. The simulation results show that， compared with similar algorithms， the performance of the algorithm proposed in this paper has more obvious improvement.
Keywords： Mesh network； flow media； transmission method； P2P
0 引 言
无线Mesh网（WMN）是一种新型的宽带无线网络，具有高容量、高速率、分布式的特点。在网络拓扑上，WMN与移动Ad Hoc网络相似，但网络节点移动性小，处于静止或半静止状态，拓扑变化小，并且节点不用电池作动力，有稳定的能量来源。在单跳接入时，WMN可以看作是一种特殊的无线局域网。
在业务模式上，Ad Hoc网络主要是节点间的业务流，而WMN网络主要是来往于Internet网关的业务[1]。目前，基于城际Mesh网的应用，如作为接入网和回程网的解决方案，被越来越多的研究[2]。
在基于WMN的诸多应用中，按需点播（Video on?Demand， VoD）是最有吸引力的应用服务之一，基于WMN的流媒体传输是一个具有挑战性的研究领域，近年来提出了不少基于WMN的流媒体传输策略。Shui等人提出了一种基于DSR协议的多信道多路径传输协议MM?DSR[3]，通过该协议提供一种可靠的流媒体传输机制。文献[4]对当前基于AODV协议改进、并应用于WMN流媒体传输的研究进行了总结，这些研究都侧重于提高视频流的质量。文献[5]实现了一种UPAC算法，该算法采用P2P技术和服务器缓存技术来提高内容容量和流的传输质量。
文献[6]讨论了WMN按需点播视频流的数据放置问题，提出了一个称为Home?to?Home Online（H2O）的数据放置和复制框架，解决了多片段多跳传输延迟问题。文献[7]在文献[6]的基础上进行了改进，设计了一个新的数据复制框架H2?VIP。
本文的研究建立在文献[6]的基础上，但是基于一种不同的Mesh网结构，不仅仅考虑如文献[6]中的Mesh Router，而且把Mesh网中的用户Client也考虑进去，比如PDA，移动电话。基于该结构，设计了新的媒体放置、发现策略，实现了一种基于Mesh网的流媒体传输方法。
1 媒体流放置和复制
基于图1的Mesh网拓扑结构，假设该网中有N个Mesh网网关（路由器），和文献[6]中的业务模式不同，本网中的业务由用户Client产生并发出请求。假设一个视频流被分割为M个等量大小的视频块，整个视频的播放长度是T s，则每块的播放时间为[Sb=TM]。文献[6]的研究已证明，不需要每个路由器均存储所有视频块，采用文献[6]的复制和放置方案，可以最小化视频块的存储容量。该算法假设块[bi]要在块[bi-1]播放结束之前到达，如果用[tc]表示请求的发起时间，则块[bi]应该在时间[i×Sb+tc]之前到达。如果每个路由器按照播放速率来分配带宽，拥有第[i]个视频块的路由器距离客户端有[h]跳，则该路由器开始传输视频块[bi]的时间为[（i-h-1）×Sb+tc]。为了流畅的播放，Client向服务器请求的跳数应满足[h≤i]，因此对于每个路由器，其[i]跳范围内至少要有块[bi]的一个副本，才能保证其范围内的Client视频请求得以流畅播放。块[bi]应被复制的次数为[ri=N（2i2+2i+1）]，整个视频流需要的存储容量为[S=i=1Mri]。
2 流媒体发现机制
首先，Client向距离最近的Router发起视频请求，收到请求的Router首先检查本地是否存储有请求视频块的副本，如果没有，则该Router会产生一个请求消息，该消息由申请序列号、请求的视频块ID、视频块到达时间以及TTL组成。该消息采用广播的方式向外扩散，收到该消息的路由器同样检查本地是否存储有请求视频块的副本，如果没有且TTL>0，则继续转发。如果本地存储有所请求的视频块，且有足够的带宽预留，则按照请求到达的路径向源端发送一个响应报文，中间节点收到该响应报文后，检查本身是否有足够的带宽预留，如果有，暂时预留带宽并继续向源端传输该响应报文，如果没有则抛弃该报文。源节点在收到回应报文后，对同一视频块ID传来的多个回应报文，选择跳数最少的一条路径进行确认，确认报文经过的节点会预留带宽，当确认报文到达拥有视频块的Router时，该Router会启动一个定时器，该Router必须在定时器到时之前发送视频块。那些收到回应报文并暂时预留了带宽的中间Router会同时启动一个定时器，在该定时器到时之前如果没有收到确认报文，则释放预留的带宽。
3 算法实现和性能评估
尽管文献[6]中的H2O算法可以最小化副本的数量，但是因为拓扑的因素，某个Router可能会成为多个视频块的副本存放地，从而导致该服务器成为瓶颈，过多的请求会导致该Router性能下降。为了提高性能，本文把P2P模式引入到系统实现中来，让Client缓存一定的视频块，并具有Router的功能。当Router收到一个Client请求时，和前述一样，首先检查本地是否存储有该请求的副本，如果没有，不是立即产生一个广播报文，而是向其传播范围内的Client发出一个查询请求；如果在该范围内的Client缓存有该视频块，则向Router发送一个确认，Router收到以后，会在两个Client之间建立一条路径。如果Router没有收到任何确认，则Router继续产生洪泛报文，向邻居Router查询。
仿真在OMNet++仿真环境下进行，仿真中在一个20×20正方形网格区域内放置400个Router、400个Client，Client按均匀分布随机分布在网格中，每个Router都以其周围的4个Router作为邻居，仿真中放置一个120 min的视频，该视频被分割为30个等大小的视频块，视频播放需求带宽4 Mb/s，到达请求服从泊松分布。
图2是带宽B=5时的仿真结果，横轴是泊松分布的请求到达速率，纵轴是请求被阻塞的比率，由图2可以看到，随着请求到达速率的提高，请求被阻塞的概率增加。同时可以看到，在P2P模式下，而当客户端缓存容量SB=1时，由于缓存太小，不能缓存更多视频块，因此就不能有效发挥客户端的作用，系统性能提升就不够明显，随着客户端缓存容量SB的增加，阻塞率明显降低，P2P模式下的系统性能得以明显提高。图3是在带宽B=15时的仿真结果，对比图2可发现，在带宽提高的前提下，阻塞率得以明显降低。
以上仿真对本文算法的性能进行了评估，为了进一步比较本文算法和同类相关研究算法的性能，把本文中基于Mesh网结构的流媒体传输算法（ABMA算法）和采用了相同网络结构的UPAC[5]算法进行比较。仿真参数参照文献[5]设定如下：仿真拓扑为10×10的网格矩形，共布置100个Router，各路由器传输范围250 m，传输带宽54 Mb/s，在中心区域路由器上放置一个视频，并分割为30个等大小的视频块，各个终端请求的CBR流需求带宽为400 Kb/s，每个数据包的大小为1 460 B。在以上条件下，图4统计了不同数量终端并发请求下的丢包率。由图4可以看出，尽管两种算法采用了相同的Mesh网体系机构，但由于本文的算法结合了文献[6]的放置算法，并把Client考虑在内，因此客户端的请求被有效分流，丢包率大幅降低，性能明显优于UPAC算法。
4 结 论
本文在总结现有Mesh网流媒体放置和复制算法的基础上，设计了一种适用于Mesh网结构的流媒体传输方法，和原有算法相比较，本方法不仅考虑了Mesh网中的Router，同时把Mesh網中的Client也考虑了进去，并对方法的性能进行了仿真评估。仿真表明，在Client参与的P2P模式下，系统能够获得更好的性能。
参考文献
[1] MOHAMMAD E， OMIDREZA K， TOURAJ K. A survey on wireless mesh networks： Architecture， specifications and challenges [C]// Proceedings of IEEE 5th Control and System Graduate Research Colloquium （ICSGRC）. Nework： IEEE， 2014： 219?222.
[2] MANKAR S T， KOLI S M. Enhancing the performance of wireless mesh network （WMN） for video transmission in context with IEEE 802.11 [C]// Proceedings of 2015 International Conference on Energy Systems and Applications. [S.l.]： IEEE， 2015： 34?39.
[3] KIRAN P， NARAYAN D G， UMA M. Cross layer routing and rate adaptation for video transmission in multi?radio wireless mesh networks [C]// Proceedings of 2015 International Conference on Advances in Computing， Communications and Informatics （ICACCI）. [S.l.： s.n.]， 2015： 2139?2144.
[4] YU M， CHA W， SONG J， et al. Design and implementation of an audio/video group chat application for wireless mesh networks [C]// Proceedings of 2015 15th International Conference on Advanced Communication Technology （ICACT）. [S.l.： s.n.]， 2013： 818?822.
[5] SYRIGOS L，CHOUMAS K，KORAKIS T， et al. Demonstration of a video?aware multicast opportunistic routing protocol over 802.11 two?hop mesh networks [C]// Proceedings of 2014 11th Annual IEEE International Conference on Sensing， Communication and Networking （SECON）. [S.l.]： IEEE， 2014： 149?151.
[6] TAN B， LAURENT M. Optimal content placement for peer?to?peer video?on?demand systems [J]. IEEE transactions on networking， 2013， 21（2）： 566?579.
[7] HACHEM J， KARAMCHANDANI N， DIGGAVI S. Content caching and delivery over heterogeneous wireless networks [C]// Proceedings of 2015 IEEE Conference on Computer Communications （INFOCOM）. [S.l.]： IEEE， 2015： 756?764.
