IP視頻會(huì)議是利用視頻技術(shù)和IP數(shù)據(jù)通信技術(shù)通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)在兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間建立可視通信，實(shí)現(xiàn)圖像、語(yǔ)音及數(shù)據(jù)交流的一種會(huì)議形式。IP視頻會(huì)議系統(tǒng)因其效率高、成本低、業(yè)務(wù)提供方式靈活等優(yōu)勢(shì)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于電路交換的視頻會(huì)議系統(tǒng)。然而要解決視音頻數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸?shù)膯?wèn)題，并為視頻會(huì)議系統(tǒng)提供一定的QoS是一個(gè)技術(shù)難題，也是目前的研究熱點(diǎn)。
　　本文把IP組播與應(yīng)用層組播" title="應(yīng)用層組播">應(yīng)用層組播結(jié)合起來(lái)并采用分層排列圖結(jié)構(gòu)，提出了一種適用于IP視頻會(huì)議的混合式組播方式——基于分層排列圖的混合式組播。
1 混合式組播
1.1 問(wèn)題的提出
　　IP視頻會(huì)議屬于傳輸數(shù)據(jù)量大、對(duì)帶寬要求高的服務(wù)，為實(shí)現(xiàn)它的即時(shí)通信和互動(dòng)溝通功能必須保證音視頻等數(shù)據(jù)在IP網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)傳輸。IP組播技術(shù)能夠有效地解決多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)帶寬問(wèn)題。相對(duì)于單播和廣播方式來(lái)說(shuō)，它能顯著節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，同時(shí)提高服務(wù)的質(zhì)量，因而它較適合于IP視頻會(huì)議系統(tǒng)。當(dāng)前最流行的IP視頻會(huì)議標(biāo)準(zhǔn)H.323就采用了IP組播技術(shù)。然而，由于技術(shù)、市場(chǎng)、需求等原因，IP組播并沒(méi)有在Internet上得到廣泛應(yīng)用^[1]，使得目前只有少數(shù)用戶在局域范圍(稱為IP組播島)內(nèi)可以使用 IP 組播技術(shù)。因此基于IP組播技術(shù)的視頻會(huì)議只能在這些相互孤立的組播島上進(jìn)行，與會(huì)成員受到很大的限制。
　　正是因?yàn)镮P組播未能在Internet上廣泛應(yīng)用，近年來(lái)人們提出了十幾種應(yīng)用層組播方案，其中適用于IP視頻會(huì)議的系統(tǒng)有NARADA^[2]和ALMI^[3]。NARADA只能應(yīng)用于與會(huì)成員很少的情況。ALMI中，當(dāng)有多人發(fā)言時(shí)易形成網(wǎng)絡(luò)瓶頸，故在一定程度上限制了視頻會(huì)議的規(guī)模。
　　相對(duì)于應(yīng)用層組播來(lái)說(shuō)，IP組播能更多地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬^[4]、可靠性更好且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率更高。而相對(duì)于IP組播來(lái)說(shuō)，應(yīng)用層組播與現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相符合，使用時(shí)不需變動(dòng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與硬件，部署相對(duì)容易，同時(shí)具有較好的擴(kuò)展性，可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)條件的動(dòng)態(tài)變化。它已成為目前最可能解決IP組播中的路由器瓶頸問(wèn)題的方案。為了在IP視頻會(huì)議中充分利用應(yīng)用層組播和IP組播的優(yōu)勢(shì)，在此把二者結(jié)合起來(lái)，稱為混合式組播。本文以后所提到的混合式組播均以IP視頻會(huì)議這種特殊應(yīng)用場(chǎng)合為例。
1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　在采用混合式組播的IP視頻會(huì)議中，與會(huì)成員組成如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在每個(gè)IP組播島內(nèi)，與會(huì)成員之間的數(shù)據(jù)傳輸使用IP組播，并選定一個(gè)與會(huì)成員作指定成員(Designate Member，DM)，把島內(nèi)除DM外的與會(huì)成員稱為其他成員(Pertinent Member，PM)，DM是島內(nèi)成員與島外成員之間通信的橋梁。島外成員與DM參加應(yīng)用層組播疊加網(wǎng)^[5](包括一個(gè)控制拓?fù)浜鸵粋€(gè)數(shù)據(jù)拓?fù)?的構(gòu)建，將其稱為應(yīng)用層組播成員(ALM Member，AM)，AM之間的數(shù)據(jù)傳輸使用應(yīng)用層組播。IP組播島中PM通過(guò)DM與疊加網(wǎng)相連，DM與島外成員之間的數(shù)據(jù)傳輸采用應(yīng)用層組播方式，與島內(nèi)的成員之間的數(shù)據(jù)傳輸使用IP組播的方式。DM負(fù)責(zé)將來(lái)自疊加網(wǎng)的數(shù)據(jù)以IP組播方式傳送給組播島中PM，PM的數(shù)據(jù)也通過(guò)IP組播方式傳送到DM，由DM以應(yīng)用層組播的方式發(fā)送給疊加網(wǎng)上的其他與會(huì)成員。

　　DM的選取原則：島中第一個(gè)參加會(huì)議的成員被設(shè)為DM，以后可以根據(jù)某種策略(如參加會(huì)議的時(shí)間最長(zhǎng)者或物理位置“中心”點(diǎn)成員，或剩余帶寬資源最多者等)選定某個(gè)成員作為DM。如果DM離開(kāi)，則根據(jù)某種策略從島內(nèi)的PM中選擇一個(gè)作DM。
2 基于分層排列圖的混合式組播
2.1 控制拓?fù)錁?gòu)建
　　在數(shù)學(xué)上，(n，k)維排列圖^[6]用A_n，k表示，其中n和k是自然數(shù)，1≤k≤n-1。令表示集合{1，2，……n}中k個(gè)符號(hào)的排列，A_n，k定義為無(wú)向圖(V，E)，其中：

　　一個(gè)排列圖實(shí)例A_4，2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。排列圖An，2僅能容納n(n-1)個(gè)主機(jī)。為使系統(tǒng)可容納任意多主機(jī)，可將參與主機(jī)組合成多個(gè)A_n，2結(jié)構(gòu)，這些A_n，2按照樹(shù)形結(jié)構(gòu)連接在一起，稱為分層排列圖結(jié)構(gòu)^[6]。

　　混合式組播的核心任務(wù)是為AM完成拓?fù)?包括數(shù)據(jù)拓?fù)浜涂刂仆負(fù)?的構(gòu)建。由于網(wǎng)絡(luò)狀況的動(dòng)態(tài)性，以及客戶端數(shù)量與客戶端加入系統(tǒng)時(shí)間的不確定性，當(dāng)前的應(yīng)用層組播方案一般需要每個(gè)結(jié)點(diǎn)定期與其他全部或一定比例的結(jié)點(diǎn)交換控制信息，以了解其他結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，形成控制拓?fù)洌Ｕ蠑?shù)據(jù)拓?fù)涞慕研?。在結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)逐漸增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上的控制信息數(shù)量會(huì)占用大量的帶寬資源。應(yīng)用層組播的數(shù)據(jù)拓?fù)淇煞譃槎箢悾盒旁礃?shù)和共享樹(shù)。信源樹(shù)必須為每個(gè)組播源保存路由信息，這樣會(huì)占用大量的系統(tǒng)資源。共享樹(shù)傳輸延時(shí)較大。IP視頻會(huì)議系統(tǒng)屬于實(shí)時(shí)交互應(yīng)用，視音頻數(shù)據(jù)占據(jù)很大的帶寬，并且對(duì)端到端傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的要求很高，需要尋找一種既可以減少交換控制信息又可以保證視音頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)耐負(fù)錁?gòu)建方式。為利用排列圖的優(yōu)越特性(如結(jié)點(diǎn)和邊的對(duì)稱性、故障恢復(fù)能力和容錯(cuò)能力、可以嵌入獨(dú)立的組播樹(shù)等)，這里采用分層排列圖的結(jié)構(gòu)來(lái)組織混合式組播中的AM。
　　本文先按照文獻(xiàn)^[6]中的協(xié)議設(shè)計(jì)方法把參與IP視頻會(huì)議所有主機(jī)中的AM組織成分層排列圖結(jié)構(gòu)，作為混合式組播的控制拓?fù)?，并在主機(jī)申請(qǐng)加入會(huì)議時(shí)根據(jù)其帶寬處理能力和一定的算法規(guī)定它的入度最大" title="最大">最大值和出度最大值，它們分別也是剩余入度和剩余出度的初始值。每個(gè)分層排列圖都對(duì)應(yīng)一棵以排列圖為結(jié)點(diǎn)單位的樹(shù)。如圖3所示的以與會(huì)主機(jī)為單位的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)由3個(gè)A_4，2結(jié)構(gòu)(AG₁、AG₂和AG₃)所組成的分層排列圖。圖3也可以看作如圖4所示的以排列圖為單位的樹(shù)結(jié)構(gòu)，即以排列圖AG₂為根、以AG₁和AG₃為葉子的一棵樹(shù)狀拓?fù)?。設(shè)在分層排列圖中，父排列圖AG_i中的結(jié)點(diǎn)i₁和i₂分別是子排列圖AG_j的數(shù)據(jù)源結(jié)點(diǎn)和備用數(shù)據(jù)源結(jié)點(diǎn)，AG_j中的結(jié)點(diǎn)j₁和j₂分別是i₁和i₂對(duì)應(yīng)的根結(jié)點(diǎn)，則在樹(shù)拓?fù)渲懈概帕袌DAG_i與子排列圖AG_j的連線實(shí)際上包括2條：(1)i₁與j₁之間的連線；(2)i₂與j₂之間的連線。圖4中父排列圖AG₂與其子排列圖AG₁之間的連線有2條：(1)圖3中AG₂的a₁₄與AG₁的a₃₁之間的連線；(2)圖3 中AG₂的a₂₄與AG₁的a₄₁之間的連線。各排列圖之間的連線在混合式組播中并不一定作為數(shù)據(jù)傳輸路徑。