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命名数据网络中的视频传输研究综述.docx
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命名数据网络中的视频传输研究综述.docx
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摘 要 互联网目前已经发展为一个由实时视频和视频点播等内容分发服
务主导的网络.传统 IP 网络对于视频分发类任务的支持存在组播的部署
复杂且开销大,不能有效利用多路径获取内容、对移动性的支持差和
难以同时满足可靠性以及低延时需求等问题.命名数据网络(named
data networking, NDN)作为新型的下一代互联网体系结构,支持网
络内缓存和多路径传输,而且由消费者驱动的传输模式使其天然地支
持消费者端移动性.以上特点使 NDN 具有高效传输视频内容的潜力.首
先介绍了视频传输和 NDN 的基础背景,然后阐述了一些利用 NDN 中
优势实现视频传输的设计方案.通过对已有方案的总结与比较,最后指
出了在 NDN 中传输视频所面临的挑战.
关键词 视频传输;命名数据网络;网络内缓存;多路径传输;动态自
适应流
伴随着移动应用、数字化内容传播的快速增长,互联网已经成为
一个主要由直播和视频点播等内容分发服务所主导的网络.根据 Cisco
发布的全球互联网统计报告
[1]
,目前视频流量在所有流量中占比达到了
73%,并且依旧在快速增长.预计到 2021 年,视频流量将占所有互联
网流量的 82%.
然而目前的 IP 网络是为了实现点到点之间资源共享的网络体系结
构,并不是针对视频传输这种内容分发类任务而设计的,难以很好地
满足视频传输的需求.首先,使用 TCP 协议在建立连接后需要维护已建
立的连接,不能在视频传输双方发生移动时动态调整
[2]
;其次,使用
TCP 协议时 1 次传输任务只对应 1 条连接,因此多路径获取内容的能
力较差
[3]
;然后,TCP 建立连接的过程增加了网络延迟.使用 UDP 协议
传输内容时可以减少延迟但是无法保证传输的可靠性
[4]
;综合了 TCP
的 可 靠 性 和 UDP 的 低 握 手 延 时 的 QUIC(quick UDP Internet
connection)协议
[5]
的 IP 地址切换策略会导致其更易遭受拒绝服务攻击
(denial of service, DoS)
[6]
.最后,IP 网络虽然支持组播,但是实现组
播通信需要较大的开销,组播路由器也需要统计和维护组内用户的信
息,协调工作较为复杂
[7]
.
为了满足互联网用户日益增长的数据内容传输的需求,研究人员
提 出 了 下 一 代 互 联 网 体 系 结 构 — — 信 息 中 心 网 络 (information-
centric networking, ICN). 内 容 中 心 网 络 (content-centric
networking, CCN)
[8]
是最有前途的 ICN 网络体系结构.命名数据网络
(named data networking, NDN)
[9]
具体研究 CCN 网络体系结构联网
的各种机制.在 NDN 中,数据内容的获取由用户驱动,用户发送带有
特定名称的 Interest 报文请求数据,内容提供者用匹配该名称的
Data 报文响应用户的请求.同时,NDN 允许网络节点缓存内容,以便
节点中缓存的数据内容可以满足其他用户的请求,可以有效地减少视
频传输延迟和网络内负载.此外,按名称获取内容使得 NDN 中用户可
以从多路径并行获取内容,而且 NDN 天然地支持多播和多路径传输,
也可以更好地支持网络的动态性,有利于视频传输等内容分发类任务.
本文对应用 NDN 传输视频的研究工作进行了调研,指明了该项研
究工作未来的研究方向和尚且存在的挑战.
1 视频传输和 NDN 背景
1.1 视频传输需求
视频是连续的图像序列,一组图像按先后顺序播放从而产生动态
效果.视频传输技术综合了图像处理技术、通信技术和网络技术,其目
的是对源视频数据进行编码压缩、传输、解码和播放.视频数据相较于
网络中的图像、文字等数据有很大的不同.从对视频质量的主观评价方
法来考虑,视频传输主要有 4 种需求:
1) 需要提高视频传输的码率
[10]
.视频是连续的图像流,所需传输数
据量非常大.视频传输任务需要在有限的带宽内提升消费者收到的视频
码率,充分利用不断变化的带宽.
2) 需要保证视频播放的稳定性.移动设备的比例不断增加,视频更
多的在移动设备上播放.移动设备所处的无线网络中带宽等条件不断变
化,带来更加动态的网络环境.因此视频传输需要保证视频播放时的稳
定性,即减少播放时的卡顿和视频码率的频繁切换.
3) 需要对视频版权和隐私进行保护.视频内容作为一种特殊的财产,
需要对其进行版权保护,以保障内容提供商自身的利益.此外,不论是
消费者还是生产者的隐私都不应在传输中被泄露.
4) 需要满足传输不同类型视频时的特殊需求
[11]
.不同类型的视频对
于视频传输的需求可能不同.虚拟现实(virtual reality, VR)视频由于
其码率高,数据量多,因此对带宽要求较高.增强现实(aug-mented
reality, AR)需要根据当前环境中的上下文信息实时地更新传输的数据
内容.实时视频传输则需要网络能快速地检索和传输新内容,对延迟的
要求十分苛刻.
1.2 IP 中视频传输存在的问题
现有的视频传输服务都是在传统 IP 网络体系结构的基础上建立
的.IP 网络体系结构是为了实现 1 对 1 的通信所设计的.然而目前的视
频传输大都是 1 对多甚至多对多的数据分发类任务,即便在 IP 上设计
了 不 同 的 传 输 协 议 , 如 基 于 UDP 的 实 时 传 输 协 议 (Real-Time
Transport Protocol, RTP) 、 实 时 流 传 输 协 议 (Real-Time
Streaming Protocol, RTSP)、QUIC 协议、基于 TCP 的超文本传输
协 议 (Hypertext Transfer Protocol, HTTP) 和 实 时 消 息 传 输 协 议
(Real-Time Messaging Protocol, RTMP)等,依然不能很好地满足
视频传输的各种需求.以下是对这些不足的总结描述:
1) IP 网络体系结构没有充分利用网络带宽.IP 网络端到端的设计理
念限制了 IP 网络内容分发的能力,组播的实现需要额外的协议和路由
器的支持.此外,TCP 通过建立 1 对 1 的连接来传输数据,使得 IP 网
络从多路径获取数据的能力较差.传统的 IP 网络体系结构中使用多路径
TCP(multipath TCP, MPTCP)
[3]
以及多路径 QUIC(multipath QUIC,
MPQUIC)
[12]
协议并行获取数据,但是 MPTCP 使用轮询算法进行数据
调度,没有考虑各个子路径之间的性能差异,从而无法充分利用多路
径传输数据的能力
[13]
.而 MPQUIC 协议使用了与 MPTCP 相同的数据调
度算法,因此与 MPTCP 有着相同的问题
[11]
.
2) IP 网络体系结构对移动性的支持较差,降低了视频播放的稳定
性.当前视频网站所使用的自适应视频流技术多采用基于 TCP 的 HTTP
协议.而 TCP 是通过建立的连接来传输内容的,需要在视频传输时维护
建立的连接,当客户端或服务器发生移动时,需要建立新的 TCP 连接.
为了提供对移动性的支持,QUIC 放弃了 TCP IP 网络中使用五元组
(源 IP,源端口,目的 IP,目的端口,协议标识符)来唯一标识一条连
接的方式,而是使用了一个全局唯一的随机生成的 ID(连接 ID)来标识
一条连接.这样,当通信一方的物理网络发生变化时,在原先网络中建
立的 QUIC 连接仍然可以保持
[5]
,但是在网络层中仍然需要处理 IP 地址
变化带来的影响.IP 地址的移动大多使用基于隧道技术的移动 IP
[2]
来控
制,移动 IP 虽然保持了连接中通信两端的 IP 地址不变,但是由于代理
的存在,所选择的路径可能不是最优路径.
3) IP 网络体系结构中一般通过中间代理的方式对通信双方身份信
息的隐私进行保护,如洋葱路由
[14]
等,这会使网络监管变得十分棘手.
此外,IP 网络中通过加密保护传输内容的隐私,如传输层的安全套接
层 (secure sockets layer, SSL)
[15]
安 全 传 输 层 协 议 (Transport
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