移動視頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段對比分析

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一、第一階段:C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)

上個世紀(jì)90年代初期，移動視頻網(wǎng)絡(luò)開始逐步發(fā)展起來．一方面，無線網(wǎng)絡(luò)(例如GSM、DECT、WirelessLAN)開始商業(yè)化部署;另一方面，移動終端(例如筆記本電腦)開始生產(chǎn)銷售．用戶逐漸通過移動終端訪問視頻服務(wù)．但由于接入網(wǎng)技術(shù)、移動終端能力以及移動視頻業(yè)務(wù)使用成本等方面的限制，這時的移動視頻網(wǎng)絡(luò)僅能將低碼率的視頻業(yè)務(wù)提供給小規(guī)模的移動用戶．

1C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是移動視頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期所采用的架構(gòu)，如圖2所示．這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括視頻源，移動視頻網(wǎng)關(guān)，無線接入點(diǎn)以及移動終端．視頻源隸屬于內(nèi)容提供商，負(fù)責(zé)產(chǎn)生原始編碼的視頻內(nèi)容，并將內(nèi)容下發(fā)給移動終端移動視頻網(wǎng)關(guān)位于移動網(wǎng)絡(luò)的邊緣，負(fù)責(zé)將通過Internet傳送過來的視頻數(shù)據(jù)重新壓縮編碼，發(fā)送給移動網(wǎng)絡(luò)，并由其轉(zhuǎn)化為無線信號;無線接入點(diǎn)負(fù)責(zé)將無線信號發(fā)送給移動用戶;移動終端含有特定的視頻解碼器，負(fù)責(zé)將接收到的視頻無線信號解碼后播放給移動用戶．該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要目標(biāo)是減輕視頻源的負(fù)載，為盡可能多的移動用戶提供視頻業(yè)務(wù)．歸納起來，C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)主要有移動IP技術(shù)，移動IP層組播技術(shù)，可伸縮視頻編碼技術(shù)，以及緩存技術(shù)．這些技術(shù)也是后續(xù)階段移動視頻網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)．

2C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

移動IP技術(shù):為了保證移動終端在移動漫游的過程中能夠持續(xù)無間斷獲得移動業(yè)務(wù)，IETF提出了移動IP技術(shù)［10-13］．移動IP技術(shù)為每個移動終端設(shè)置一個歸屬;當(dāng)移動終端在移動漫游的過程中獲取數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，移動IP采用發(fā)現(xiàn)、注冊和隧道封裝三項技術(shù)為之提供移動性支持，移動終端在不同的網(wǎng)絡(luò)之間移動時能夠保持IP地址不變，從而保證了會話的連續(xù)性與一致性．移動IP層組播技術(shù):移動IP層組播技術(shù)的提出是為了在移動業(yè)務(wù)過程中提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，從而節(jié)省數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)器的資源以及網(wǎng)絡(luò)資源，它是移動IP技術(shù)和IP層組播技術(shù)的結(jié)合．移動IP協(xié)議分為IP組播提出的雙向隧道(MIP-BT)和遠(yuǎn)程加入(MIP-RS)兩種基本方式，它們是移動IP組播技術(shù)的基礎(chǔ)．然而這兩種算法都還存在著較大的缺陷，無法較好地解決移動環(huán)境中IP組播所面臨的新問題(例如管理動態(tài)的組成員、建立和維護(hù)組播轉(zhuǎn)發(fā)樹，組成員位置動態(tài)變化，外地鏈路沒有支持組播的路由器等問題)．為此，IETF和IRTF以移動IP的解決方案為基礎(chǔ)，對移動環(huán)境中的IP組播問題進(jìn)行了深入的研究［14-17］．這些研究主要集中于對這兩種算法中存在的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，或者對這兩種算法加以綜合，提高整體性能．例如，RBMoM［14］協(xié)議主要尋求在取得最短數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑和頻繁重新建立組播樹之間達(dá)到折衷，使得組播數(shù)據(jù)包總是能夠以"接近"最優(yōu)的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且無須為維護(hù)組播樹消耗過多的資源．MobiCast［15］引入了分層化的節(jié)點(diǎn)移動性管理，將節(jié)點(diǎn)移動性與主要的組播轉(zhuǎn)發(fā)樹分割開來;它主要服務(wù)于較小的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，具有節(jié)省移動終端能耗，提高數(shù)據(jù)吞吐率，優(yōu)化無線頻譜資源使用等優(yōu)勢．可伸縮視頻編碼技術(shù):移動網(wǎng)絡(luò)是一個高度異構(gòu)且變化的環(huán)境，不同的接入網(wǎng)絡(luò)所支持的傳輸速率不一致，不同移動終端接入網(wǎng)絡(luò)的方式以及其處理能力也不一致，并且可用帶寬隨著環(huán)境的變化(例如用戶移動的速度，到接入點(diǎn)的距離等)也會產(chǎn)生波動，這時如果仍然保持視恒定的頻碼率，會大大降低用戶的服務(wù)體驗(yàn)．可伸縮視頻編碼技術(shù)［18］的提出，能夠保證視頻編碼器提供既有高壓縮率，又有良好的容錯性和伸縮性的視頻碼流，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶終端的需求;它將視頻編碼成低速率的基本層碼流和高速率的增強(qiáng)層碼流，并對不同層次的碼流給予不同等級的保護(hù)策略，從而能夠在保證移動用戶最低等級服務(wù)質(zhì)量的同時，根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和處理能力動態(tài)調(diào)整其服務(wù)質(zhì)量，從而有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并提高其利用率．緩存技術(shù):在沒有部署緩存的情況下，視頻網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力僅取決于視頻源的處理能力及其出口帶寬．緩存能夠?qū)⒈镜刈罱L問過的或者最經(jīng)常訪問的視頻內(nèi)容緩存在服務(wù)器(例如移動視頻網(wǎng)關(guān))上;當(dāng)有用戶請求這些視頻內(nèi)容的時候，可以直接由服務(wù)器提供服務(wù)，從而減輕了視頻源的壓力．緩存技術(shù)包括部署策略，緩存替換策略等方面［19，20］．

二、第二階段:Overlay移動視頻網(wǎng)絡(luò)

從本世紀(jì)初期開始，移動視頻網(wǎng)絡(luò)步入了快速發(fā)展階段．首先，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)開始商用化:2001年10月，NTTDoCoMo正式商用全球第一個W-CDMA網(wǎng)絡(luò)拉開了3G時代的序幕;與此同時，Wi-Fi、WiMax等無線接入技術(shù)也逐步發(fā)展起來，用戶可以通過擁有更高接入帶寬的無線網(wǎng)絡(luò)訪問視頻業(yè)務(wù)．其次，移動終端的種類越來越多，處理能力越來越強(qiáng)，智能化越來越高，移動用戶期望通過這些移動終端享受更高碼率的視頻業(yè)務(wù)．最后，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和移動終端的成本大幅下降，越來越多的用戶能夠負(fù)擔(dān)得起移動視頻業(yè)務(wù)，使得移動視頻用戶規(guī)模擴(kuò)大．截止2004年全球移動互聯(lián)網(wǎng)用戶已經(jīng)超過了1億［21］．此時，C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)的局限性逐漸體現(xiàn)出來:C/S模式由單一服務(wù)器提供視頻源，存在單點(diǎn)失效(Singlepointoffailure)的問題，并且視頻源服務(wù)器成為整個視頻網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸，整個視頻網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性差，運(yùn)行成本極高，無法滿足大規(guī)模移動用戶的高質(zhì)量視頻服務(wù)需求．為此，學(xué)者們提出了基于覆蓋網(wǎng)架構(gòu)的移動視頻網(wǎng)絡(luò)．從構(gòu)成覆蓋網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的種類來看，覆蓋移動視頻網(wǎng)絡(luò)可分為內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(ContentDeliv-eryNetwork，CDN)［2，3］移動視頻網(wǎng)絡(luò)和對等網(wǎng)絡(luò)(Peer-to-peer，P2P)［4，5］移動視頻網(wǎng)絡(luò)．

1CDN移動視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CDN移動視頻網(wǎng)絡(luò)是對C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)中視頻源服務(wù)器處理能力和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的增強(qiáng)．圖3表示了一個典型的CDN網(wǎng)移動視頻網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)．與C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)不同，它在網(wǎng)絡(luò)的邊緣部署多個(surrogate)服務(wù)器，并將視頻源服務(wù)器上的內(nèi)容到各服務(wù)器上，這些服務(wù)器之間有機(jī)協(xié)同工作為移動用戶提供視頻業(yè)務(wù);它能夠?qū)⒂脩魧?nèi)容的請求重定向到最近的服務(wù)器上，從而能夠從整體上提高服務(wù)響應(yīng)速度．它主要包括請求路由技術(shù)，部署技術(shù)，視頻分發(fā)與緩存技術(shù)，以及視頻會話切換技術(shù)．

2CDN移動視頻網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

請求路由技術(shù):請求路由技術(shù)［22，23］是CDN移動視頻網(wǎng)絡(luò)中最為核心的技術(shù)，它綜合考慮一系列性能指標(biāo)，將移動用戶的請求重定向到一臺最合適的，服務(wù)性能最好的服務(wù)器上．通常，請求路由技術(shù)主要包括域名服務(wù)器(DNS)重定向和統(tǒng)一資源定位符(URL)重寫等兩種方式．DNS重定向根據(jù)預(yù)先設(shè)定的準(zhǔn)則，如服務(wù)器負(fù)載、移動用戶位置和網(wǎng)絡(luò)狀況來為終端用戶動態(tài)地指定一臺服務(wù)器，具有很好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，但DNS的查找延遲會導(dǎo)致服務(wù)響應(yīng)時延增加，也使DNS自身成為服務(wù)瓶頸;URL重寫技術(shù)既能在內(nèi)容前重寫，也能在響應(yīng)用戶請求時根據(jù)用戶位置動態(tài)改變，從而能夠在一定程度上提高用戶體驗(yàn)．例如在Yoshimura等人所提出的MSM-CDN中，用戶根據(jù)用于描述視頻屬性及位置的SMIL文件來請求視頻內(nèi)容;MSM-CDN接收到用戶請求后根據(jù)用戶位置，網(wǎng)絡(luò)狀況，服務(wù)器緩存狀態(tài)、負(fù)載等因素為用戶選擇最佳服務(wù)器，并通過修改SMIL文件中的視頻屬性和位置的方式將用戶請求定向到最佳服務(wù)器［24］．部署技術(shù):由于在CDN移動視頻網(wǎng)絡(luò)中，移動用戶最終通過服務(wù)器來獲得視頻服務(wù)，服務(wù)器部署的好壞將直接影響服務(wù)成本與服務(wù)質(zhì)量．服務(wù)器部署問題從理論上看屬于選址問題，文獻(xiàn)［25］從數(shù)學(xué)建模的角度講服務(wù)器選址模型分為基于確定信息的選址模型、基于概率模型的選址模型和基于博弈論的選址模型．Zhou等人從視頻網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性的角度出發(fā)，將部署問題建模為最小化平均響應(yīng)跳數(shù)的優(yōu)化問題［26］;Cahill等人將該問題建模成為一個優(yōu)化目標(biāo)為用戶到服務(wù)器連接成本和服務(wù)器存儲成本之間融合的優(yōu)化問題［27］;Ahuja等人以優(yōu)化視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)對該問題進(jìn)行建模［28］;Chekuri等人則從非合作博弈的角度出發(fā)對該問題來建模［29］．視頻分發(fā)與緩存技術(shù):在CDN移動視頻網(wǎng)絡(luò)中，推(PUSH)和拉(PULL)是兩種最常用的視頻分發(fā)技術(shù)．其中，PUSH主動地將內(nèi)容分發(fā)到服務(wù)器，屬主動分發(fā)技術(shù)，視頻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶訪問統(tǒng)計信息和預(yù)設(shè)分發(fā)策略主動推送到特定的服務(wù)器．PULL是一種被動式的分發(fā)技術(shù)，用戶向視頻網(wǎng)絡(luò)發(fā)起用戶請求，服務(wù)器判斷自身是否已緩存該數(shù)據(jù);如果沒有緩存，則向視頻源請求數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，同時按照一定的策略決定是否緩存該數(shù)據(jù)．為了進(jìn)一步減輕視頻源負(fù)載，Kontothanassis等人提出將服務(wù)器構(gòu)成一個應(yīng)用層組播(ApplicationLayerMulticasting，ALM)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行覆蓋網(wǎng)內(nèi)的視頻內(nèi)容分發(fā)［30］．然而由于視頻文件一般較大，服務(wù)器存儲能力有限，并且移動用戶不一定會訪問完整的視頻內(nèi)容，將完整的視頻文件緩存到服務(wù)器上會降低其存儲空間利用率，并且浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬．為此，一些學(xué)者提出視頻分段緩存技術(shù)［58，59］．他們預(yù)先將視頻文件切成小段，并且根據(jù)每個小段的本地訪問流行度決定是否將其緩存在相應(yīng)的服務(wù)器上，這樣能夠有效提高緩存命中率，從而提高用戶體驗(yàn)．視頻會話切換技術(shù):當(dāng)移動用戶從一個位置移動到另一個位置的時候，其最佳服務(wù)器可能發(fā)生改變．視頻會話切換技術(shù)可以保證用戶在移動的過程中一直能夠從最佳服務(wù)器獲取服務(wù)．文獻(xiàn)［24］提出將用戶最新位置信息包含在簡單對象訪問協(xié)議(SimpleObjectAccessProtocol，SOAP)消息中，并利用它來為移動用戶重新選擇最佳服務(wù)器;文獻(xiàn)［31］提出了一種上下文管理系統(tǒng)(ContextManagementSystem，CMS)用于存儲服務(wù)會話以及移動終端的上下文信息，一旦移動用戶進(jìn)行服務(wù)器重新選擇之后，新的最佳服務(wù)器能夠從CMS獲得最新的會話上下文信息，從而保證會話從之前間斷處繼續(xù)開始，既能提高用戶體驗(yàn)，又能節(jié)約帶寬資源．

3P2P移動視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

P2P移動視頻網(wǎng)絡(luò)是C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)向另一個方向上的演化，它則充分利用了移動終端自身的資源及能力來為其他移動終端提供服務(wù)，從而降低了對視頻源資源的依賴，并且系統(tǒng)服務(wù)能力能夠隨移動終端規(guī)模動態(tài)增長，具有C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)和CDN移動視頻網(wǎng)絡(luò)所不具備的可擴(kuò)展性．下頁圖4表示了一個典型的P2P網(wǎng)移動視頻網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)．概括起來，P2P移動視頻網(wǎng)絡(luò)包括下面的三個關(guān)鍵技術(shù):視頻發(fā)現(xiàn)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢滦员ＷC技術(shù)以及視頻分發(fā)技術(shù)．

4P2P移動視頻網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

視頻發(fā)現(xiàn)技術(shù):在P2P移動視頻網(wǎng)絡(luò)中，移動終端需要從高度動態(tài)變化的對等移動終端而非固定不變的服務(wù)器獲取視頻資源，因此有效地視頻發(fā)現(xiàn)策略能夠提升整個視頻網(wǎng)絡(luò)的效率和性能．文獻(xiàn)［32］將其分為技術(shù)移植和量身定制兩大類．其中，技術(shù)移植是指將InternetP2P相關(guān)技術(shù)移植到移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)視頻資源發(fā)現(xiàn)．如文獻(xiàn)［33］設(shè)計了一種支持移動訪問的Gnutella網(wǎng)絡(luò)．該網(wǎng)絡(luò)以移動(mobileAgent，MA)為核心設(shè)備，它代表移動設(shè)備，并以正常主機(jī)身份來執(zhí)行Gnutella協(xié)議，但與移動設(shè)備以輕量級通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息交互．量身定制則完全根據(jù)移動環(huán)境設(shè)計全新的搜索算法，例如文獻(xiàn)［34］以接入點(diǎn)為資源索引，實(shí)現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)視頻流的共享與分發(fā);文獻(xiàn)［35］則用公交車充當(dāng)移動P2P網(wǎng)絡(luò)的超級節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)控制功能．在此基礎(chǔ)上，提出一種由這些超級節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的移動P2P主干網(wǎng)絡(luò);文獻(xiàn)［36］在Gnutella的洪泛資源發(fā)現(xiàn)算法的基礎(chǔ)上提出一種類似的移動網(wǎng)絡(luò)資源查找算法．該算法通過底層MA-NET路由協(xié)議來實(shí)現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)的多數(shù)功能，并利用移動節(jié)點(diǎn)控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)MANET層與覆蓋成之間的交互．網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢滦员ＷC技術(shù):網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢滦詥栴}是指當(dāng)移動終端位置頻繁發(fā)生變化時，覆蓋層無法保持長久的穩(wěn)定性，且與底層物理鏈路不匹配．一部分學(xué)者利用對覆蓋層的優(yōu)化設(shè)計來解決這個問題:Dabek等人通過引入網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)的思想在構(gòu)建覆蓋成的時候盡可能選擇在物理上節(jié)點(diǎn)的移動終端作為鄰居節(jié)點(diǎn)［37］;Liu等人提出周期性地向終端發(fā)送探測消息，并調(diào)整其編號，從而即保證了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不變，又降低了平均服務(wù)延遲，從而達(dá)到逐漸匹配物理網(wǎng)絡(luò)與覆蓋網(wǎng)的目的［38］．另一部分學(xué)者采用跨層優(yōu)化的方法來解決這個問題:Wang等人提出了跨層設(shè)計模型CLASS，允許非相鄰層之間直接進(jìn)行信令交互，并在協(xié)議棧中引入本地信令機(jī)制，解決了跨層移動性管理的問題［39］;Delmastro提出了跨層的路由協(xié)議CrossROAD，在adhoc底層和P2P覆蓋層之間增加一個數(shù)據(jù)共享模塊來實(shí)現(xiàn)兩層之間的交互［40］．視頻分發(fā)技術(shù):由于在P2P移動視頻網(wǎng)絡(luò)中，移動終端存儲空間小，并且可用性較低，因此C/S和CDN移動視頻網(wǎng)絡(luò)中的視頻分發(fā)技術(shù)不能直接應(yīng)用到P2P移動視頻網(wǎng)絡(luò)中來．因此學(xué)者們提出了一些解決方案，文獻(xiàn)［32］將這些解決方案分成了路由驅(qū)動和路由無關(guān)兩種類型．路由驅(qū)動分發(fā)策略通過修改底層網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來提高數(shù)據(jù)分發(fā)效率．Musole-si等人提出了一種可感知環(huán)境的自適應(yīng)路由技術(shù)，它采用智能化傳輸機(jī)制，使得部分處于不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的移動節(jié)點(diǎn)也能夠分享數(shù)據(jù)［41］;Repantis等人提出了一種內(nèi)容驅(qū)動的自適應(yīng)路由及數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)，每個移動終端都為自身所共享的數(shù)據(jù)提供內(nèi)容摘要并共享給其他移動終端，從而可以有效提高數(shù)據(jù)分發(fā)速度［42］．路由無關(guān)分發(fā)策略通過對資源進(jìn)行編碼的方式或者一些啟發(fā)式算法來實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)分發(fā)．Goel等人將Tornado編碼應(yīng)用到移動自組織網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)中，它將數(shù)據(jù)分為多個數(shù)據(jù)段，接收方只需接收所有特定的數(shù)據(jù)段即可解碼數(shù)據(jù)［43］．Eugster等人則通過模仿傳染病毒在人群中的傳染模式在MANET中進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)［44］．

三、第三階段:CON移動視頻網(wǎng)絡(luò)

從2006年開始，3G網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署，大型社交化視頻網(wǎng)站(如YouTube，優(yōu)酷等)紛紛建立，各種明星智能移動終端(如iPhone，iPad，AndroidPhone等)也開始大規(guī)模銷售，越來越的多用戶通過各種移動終端訪問視頻內(nèi)容，移動視頻網(wǎng)絡(luò)開始步入爆炸式發(fā)展階段．據(jù)統(tǒng)計，2011年移動視頻流量占移動網(wǎng)絡(luò)總流量的比例首次過半，達(dá)到56%，預(yù)計2015年這一占比將增至三分之二，其年復(fù)合增長率高達(dá)104%［45］．面對如此快速增長的移動視頻流量，基于覆蓋網(wǎng)的解決方案仍然顯得力不從心．一方面，CDN移動視頻網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力等于其服務(wù)器的服務(wù)容量總和．為了滿足用戶訪問需求，往往需要按照訪問峰值來設(shè)計和部署服務(wù)器，但硬件成本太高，網(wǎng)絡(luò)的管理、運(yùn)維成本昂貴等因素都制約了它的發(fā)展．另一方面P2P移動視頻網(wǎng)絡(luò)仍有很多技術(shù)問題(例如大規(guī)模用戶情況下的高效數(shù)據(jù)分發(fā)問題，ISP友好問題等)并未得到最終解決;同時出于運(yùn)營策略的考慮，大部分移動運(yùn)營商對都不支持P2P網(wǎng)絡(luò)，因此到目前為止還沒有商業(yè)化的P2P移動視頻網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)．最后，無論是C/S移動視頻網(wǎng)絡(luò)，還是覆蓋移動視頻網(wǎng)絡(luò)，都建立于最初為固定終端所設(shè)計的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)之上，它們假設(shè)數(shù)據(jù)源和目的之間存在端到端的路徑，任何一對節(jié)點(diǎn)之間的最大往返延遲不會太大，并且網(wǎng)絡(luò)丟包率較小．但不斷增長的移動互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量使得終端的移動性逐漸成為一種常態(tài);無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化、移動終端自身能耗等因素都會導(dǎo)致較高的網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包率，甚至網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)．為此，研究者們期望通過下一代面向內(nèi)容的移動視頻網(wǎng)絡(luò)來滿足未來巨大的移動視頻業(yè)務(wù)需求．

1CON移動視頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CON［6-9］移動視頻網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計之初引入兩個重要的思想．第一個是視頻內(nèi)容的命名與地址分離(SeparationofNa-mingandAddress)．一般而言，移動用戶并不關(guān)心視頻是由哪個主機(jī)提供的，而更關(guān)心的是視頻傳送過來的速度、質(zhì)量以及是否安全;通過將視頻內(nèi)容的命名與服務(wù)器地址解耦，保證命名的持久性，能夠有效提高視頻服務(wù)的可用性，并且更加靈活的適應(yīng)上層應(yīng)用的變化．第二個是網(wǎng)內(nèi)存儲利用(In-networkStorageUtilization)與逐跳(Hop-by-hop)路由．基于摩爾定律，存儲開銷越來越小，在普通的轉(zhuǎn)發(fā)路由器上增加存儲功能(本文稱之為存儲路由器)，夠能有效降低服務(wù)延遲，提高傳輸效率;當(dāng)出現(xiàn)由于終端移動而導(dǎo)致視頻對象發(fā)生遷移或者視頻內(nèi)容暫時不可用等情況，逐跳路由能夠比傳統(tǒng)的端到端路由提供更高的可靠性．圖5表示了一個典型的CON移動視頻網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)．存儲路由器是整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中最核心的組成部分，它分布于不同的自治域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，按照一定的緩存替換策略(例如LRU、LFU等)緩存視頻數(shù)據(jù)，通過檢測鄰居路由器狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)擁塞程度獨(dú)立決定路由，并且通過ACK應(yīng)答機(jī)制保證視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的有效性與視頻數(shù)據(jù)自身的可用性．命名解析服務(wù)器則負(fù)責(zé)將視頻內(nèi)容或終端的命名綁定到具體的網(wǎng)絡(luò)地址，幫助存儲路由器完成視頻資源定位以及視頻數(shù)據(jù)路由．具體來說，CON移動視頻網(wǎng)絡(luò)的有效視頻分發(fā)依賴于內(nèi)容命名，內(nèi)容定位以及移動感知路由三項關(guān)鍵技術(shù)，本文將在下一節(jié)中對它們進(jìn)行詳細(xì)描述．

2CON移動視頻網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

內(nèi)容命名技術(shù):在CON移動視頻網(wǎng)絡(luò)中，所有元素(視頻內(nèi)容、移動終端甚至是會話上下文)都被賦予命名．目前，學(xué)者們對命名技術(shù)的研究主要分成了兩類:分級式命名技術(shù)［47，48］和平坦式命名技術(shù)［49，50］．分級式命名技術(shù)將內(nèi)容命名成為類似于WebURL的標(biāo)識符(例如www．hust．edu．cn/main/video．mp4)．這種命名方式能夠與現(xiàn)有的基于URL的視頻網(wǎng)絡(luò)相兼容，并且層次化的特性能夠通過對內(nèi)容的聚合(例如，所有用戶www．hust．edu．cn前綴命名的內(nèi)容存儲在同一個位置)有效的緩解路由的壓力．然而，由于用戶需要盡可能持久地根據(jù)內(nèi)容命名來獲取內(nèi)容，內(nèi)容擁有者的改變，將導(dǎo)致內(nèi)容與命名的不匹配．為了解決分級式命名技術(shù)的不足，平坦式命名技術(shù)被提出來，它將所有內(nèi)容統(tǒng)一命名成為其公共密鑰的哈希值(如128位GUID)，這種平坦化的命名方式保證了內(nèi)容的持久性．然而由于這種命名方式無法表示出具體的語義，因此需要額外在人們可讀取的(human-readable)命名和內(nèi)容命名之間提供解析服務(wù)．文獻(xiàn)［51］對兩種命名技術(shù)的安全性，可擴(kuò)展性以及靈活性做出了詳細(xì)的對比，并指出平坦式命名技術(shù)能夠更好地抵御DoS攻擊，在靈活性方面更勝一籌，但是可擴(kuò)展性卻處于劣勢.內(nèi)容定位(命名解析)技術(shù):在現(xiàn)有Internet架構(gòu)下，用戶只有借助搜索工具(如Google)、門戶網(wǎng)站(如Yahoo)查詢到資源域名才能獲取到某一資源．而在CON移動視頻網(wǎng)絡(luò)中，資源定位將由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的定位機(jī)制來完成．當(dāng)前研究中主要有兩種定位方式:基于哈希的分布式方式［52］和基于服務(wù)抽象的集中式方式［53，9］．分布式方式的核心思想是利用了內(nèi)容標(biāo)識符到網(wǎng)絡(luò)地址的哈希映射來定位內(nèi)容．例如在Mobility-First［52］項目中，內(nèi)容者利用哈希函數(shù)將某一內(nèi)容的GUID映射到多個存儲路由器，并將＜內(nèi)容GUID，內(nèi)容存儲位置＞二元組信息到這些存儲路由器上．當(dāng)用戶請求內(nèi)容時，用戶的接入存儲路由器根據(jù)內(nèi)容的GUID以及相同的哈希函數(shù)找到存儲了上述二元組信息且離自己最近的存儲路由器，查詢到該內(nèi)容的地址后，再將該地址轉(zhuǎn)發(fā)給用戶．集中式方式的核心思想是視頻搜索服務(wù)和DNS服務(wù)的整合抽象．在Alicante［53］項目中，內(nèi)容者在內(nèi)容時須向一個視頻入口服務(wù)注冊以便于用戶查詢、訪問;在XIA［9］項目中，用戶向WEB服務(wù)器明確描述連接意圖，通過WEB服務(wù)器搜索可獲得的內(nèi)容標(biāo)識符，然后以該內(nèi)容標(biāo)識符為目的地址建立連接并享受服務(wù)．

移動感知路由技術(shù):傳統(tǒng)Internet采用了端到端的路由方式進(jìn)行通信，它在網(wǎng)絡(luò)狀況良好的固定環(huán)境中能夠很好地工作，然而在面對惡劣的移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境卻面臨了巨大的挑戰(zhàn):終端的移動，無線信道的惡化等因素會使得終端暫時不可達(dá)，當(dāng)與終端重新建立連接并分發(fā)視頻內(nèi)容時，需要在傳輸路徑上耗費(fèi)大量延遲，同時浪費(fèi)了大量的網(wǎng)絡(luò)資源．CON移動視頻網(wǎng)絡(luò)采用了類似于延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay-TolerantNetwork，DTN)［54-57］的逐跳路由的方式來應(yīng)對這些挑戰(zhàn):當(dāng)內(nèi)容在路由器之間轉(zhuǎn)發(fā)時，需要通過ACK應(yīng)答機(jī)制保證轉(zhuǎn)發(fā)的有效可靠．在沒有收到轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)的ACK消息時候，源路由器必須一直緩存該內(nèi)容，以保證內(nèi)容的高度可用性．當(dāng)移動終端暫時不可達(dá)時，內(nèi)容可以緩存在用戶出現(xiàn)概率最高的位置，一旦移動用戶重新接入到網(wǎng)絡(luò)中，它可以在最短時間獲取內(nèi)容．為了提高通信效率，CON移動視頻網(wǎng)絡(luò)還采用了后期綁定(LateBinding)［46，52］的方式來進(jìn)行命名解析:在內(nèi)容被路由到目標(biāo)移動終端所在的自治域前，僅僅將移動終端命名解析到自治域級別的地址;當(dāng)內(nèi)容到達(dá)目標(biāo)移動終端所在的自治域邊緣時，再將其命名解析到具體地址．后期綁定能夠在組播通信、多宿主通信時有效聚合路由，降低通信開銷．

四、總結(jié)與展望

從上述移動視頻網(wǎng)絡(luò)三個發(fā)展階段中，可以清晰地看到移動視頻網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)以無線接入技術(shù)和終端技術(shù)為基礎(chǔ)，以用戶需求為向?qū)?，不斷發(fā)展和革新．早期移動視頻網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的時候，數(shù)字移動通信的商業(yè)化剛剛起步，移動終端還不夠成熟，此時移動視頻用戶數(shù)量較少，視頻的碼率較低，應(yīng)用類型較為單一．因此，這個時期的視頻網(wǎng)絡(luò)主要表現(xiàn)為提高開始、最后一公里的帶寬利用率．伴隨著3G網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化，移動視頻網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)入了第二個階段，這一階段用戶規(guī)模大規(guī)模增加，用戶服務(wù)質(zhì)量需求也有所提高，然而傳統(tǒng)的Internet端到端通信的效率極為低下，大大降低了用戶體驗(yàn)．因此，這個階段的視頻網(wǎng)絡(luò)集中在提高中間一公里傳輸效率的問題上．移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展促使移動視頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入的第三個發(fā)展階段．這時移動網(wǎng)絡(luò)的接入速率已經(jīng)可以和固定網(wǎng)絡(luò)媲美，移動用戶規(guī)模以及視頻內(nèi)容都呈現(xiàn)出爆炸式增長，為固定網(wǎng)絡(luò)通信所設(shè)計的Internet已經(jīng)不能夠滿足移動用戶隨時隨地享受高質(zhì)量視頻業(yè)務(wù)的需求．此時，學(xué)者們期望借助于面向內(nèi)容的未來網(wǎng)絡(luò)來滿足用戶這一需求．表詳細(xì)對比了視頻網(wǎng)絡(luò)三個發(fā)展階段的特征以及關(guān)鍵技術(shù)．不難看出，在充分利用網(wǎng)絡(luò)資源、提高服務(wù)能力、降低內(nèi)容分發(fā)成本的同時，移動視頻網(wǎng)絡(luò)逐步融入到人們生活中．伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出三大發(fā)展趨勢．社會化:社交網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得人們之間的聯(lián)系更加緊密，它逐步承擔(dān)人們生活的重要角色，移動視頻網(wǎng)絡(luò)將面臨著社會化變革，如社交化視頻應(yīng)用趨勢．泛在化:射頻、紅外感應(yīng)等技術(shù)的快速發(fā)展使人們能夠?qū)⑷魏挝锲放c互聯(lián)網(wǎng)相連，移動視頻網(wǎng)絡(luò)將擴(kuò)展到互聯(lián)網(wǎng)范圍之外，人們將享受"隨物"視頻服務(wù)．融合化:電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的逐步融合，使得移動視頻網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)電視網(wǎng)絡(luò)的界限越來越模糊．一個能夠?yàn)楫?dāng)前以及未來各種視頻應(yīng)用服務(wù)的移動視頻網(wǎng)絡(luò)需要學(xué)術(shù)界和業(yè)界共同探討和研究．（本文作者：劉然、王德勝、鄒禮見、朱光喜、喻莉 單位：華中科技大學(xué)電子與信息工程系）