CN1298136C - 基于天地网的个性化资源预约点播系统的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天地网的资源预约点播系统的实现方法，采用天地网传输平台、MDPS协议来在天地网上进行可靠多播，作为SkyLod的底层传输平台；分离数据上下行通道，数据量很小的用户点播请求信息仍然通过IP网上行，大数据量的课件数据通过卫星传输方式下行；各地卫星接收小站以条件接收方式接收并存储自己点播的课件资源，再通过地面IP网向小站局域网学习者提供学习服务；系统包括主站预约服务器、主站资源中心、小站点播服务器、小站资源服务器四个部分组成；通过分离天地网的上下行通道，实现个性化的资源预约与分发平台，并通过IMQL调度优化算法解决了大规模用户点播的问题和传统资源分发在时间和空间上的制约问题，实现名师授课及教育资源的共享。

Description

基于天地网的个性化资源预约点播系统的实现方法

一、技术领域

本发明属于计算机设计与应用技术领域，涉及计算机软件、信息传递技术、资源组织管理技术以及网络教育/远程教育，特别涉及一种基于天地网的个性化资源预约点播系统的实现方法。

二、背景技术

随着信息传递技术的发展，网络教育/远程教育以其开放性、覆盖面广和低成本等特点、打破了传统教育的时空限制，满足了学习的个性化、多媒体化需求，普遍被人们所接受，成为教育技术发展的新热点。同时，在这方面的研究也取得了显著的成就。申请人经过查新，共查到与本发明有关的天地网远程教育平台或具体技术的文献19篇(无相关专利)，篇名如下：

1、电大应用多媒体远程开放系统的实践及探讨，云南电大学报2002，4(4).11-14；

2、基于卫星IP广播的准同步主从式远程教育管理信息系统的设计与实现，电子技术应用，2002，28(5).54-56；

3、“三网合一”开展远程教育，中国远程教育，2001，(8).36-38；

4、探索创新，发展我国远程护理教育，中华护理杂志，2001，36(5).369-371；

5、天极远程教育平台RES4i，http：//www.chinabyte.net/200203012/1601309.shtml；

6、SkyEdu远程教育系统，http：//www.kingsky.com/cpjs/SkyEdu.htm；

7、基于WWW的多媒体远程教学系统的研究，中国学位论文数据库，1996，6；

8、利用卫星直播技术的交互式远程教学系统，浙江教育学院学报，2002，(1).48-53；

9、面向家庭的现代远程教育系统，小型微型计算机系统，2001，22(4).495-496；

10、CATV数据广播系统在远程教育中的应用，广播与电视技术，1999，26(8).168-170；

11、SMART EDU_satellite multimedia rapid transfer of education，EUROCON’2001.International Conference on Trends in Communications.Technical Program，Proceedings(Cat.No.01Ex439)：(vol.1)XX-XXII，2001；

12、Remote link control of inter-university satellite network(Space Collaboration System)，Transaction of the Information ProcessingSociety of Japan vol.40，no.11：3957-66，Nov.1999；

13、Web-based technologies for tertiary education：A model for theelectronic society，Hong Kong International Computer Conference.Readyfor the Electronic Society：(vol.2)19-21，1998；

14、The role of network and information system(NUSANTARA-21)inspeeding up development of the implementation virtual campus inIndonesia 20th Annual Pacific Telecommunications Conference.PTC’98.Proceedings：627-33，1998；

15、The desk as classroom，Satellite Broadband[H.W.Wilson-AST]，Jul2001；Gifford，James M.；Volume：2，Issue：7；

16、Trans-Pacific HDR satellite communications experiment，Phase-2 results summary，Space Communications，2002，Vol.18 Issue 1/2，8p；

17、A bright future for distance learning，Telephony，11/17/97，Vol.233 Issue 20；

18、Interaction in distance education：the critical conversation，Educational Technology Review no.12：13-17，Autumn-Winter 1999；

19、Researchers Test Small-Dish Satellite Links for DistanceEducation，The Chronicle of AHigher Education；Washington；Feb 15，2002.

上述查新结果均为卫星与互联网结合的远程教育系统及其相关技术，如网站建设技术、卫星数据广播技术，基于天地网的实时交互技术等。但它们都不涉及到：

1.基于天地网的资源预约点播技术；

2.个性化网络学习环境建设技术；

3.基于天地网的可靠组播技术；

4.大规模预约点播请求的优化调度方法。

三、发明内容

根据上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提出一种基于天地网的个性化资源预约点播系统(系统简称：SkyLod[learning on demandvia Sky])的实现方法，采用天地网传输平台，分离数据上下行通道，数据量很小的用户点播请求信息仍然通过IP网上行，大数据量的课件数据通过卫星传输方式下行；各地卫星接收小站以条件接收方式接收并存储自己点播的课件资源，再通过地面IP网向小站局域网学习者提供学习服务；主要包括以下几方面内容：

1.天地网预约点播系统SkyLod的组成

SkyLod系统是一个分布式应用系统，整个系统可分为主站预约服务器、主站资源中心、小站点播服务器、小站资源服务器、四个部分构成。其中主站资源中心是整个系统的资源仓库，它不仅保存着系统的所有多媒体课件资源和其它资源，还利用数据库技术对资源进行分层次的管理。主站预约服务器是系统小站从主站资源中心点播相关资源的平台。系统小站通过向主站预约服务器提交请求，从而可以浏览资源点播中心的资源，并可以发送点播请求，达到共享资源中心的资源的目的。资源传输系统负责通过卫星信道与地面IP网相结合的方式，将小站请求的资源发送到小站。小站资源服务器负责保存和管理小站从资源点播中心接收到的资源。小站点播服务器是系统的终端用户使用系统进行自主的个性化学习的平台，小站用户通过小站点播服务器自主选取感兴趣的课件资源，并享受系统提供的跟踪服务等个性化的服务。

2.将资源预约点播、个性化等概念引入网络学习，并首次在天地网平台得到实现

研究背景：在远程教育中传送的数据一般是多媒体课件或者教师实时授课的视音频数据，这类应用具有所包含的数据量大，地域广的特点，故此对网络的带宽和覆盖面要求都较高。而现在的地面IP网由于其带宽限制和覆盖面相对不够(尤其在我国西部等落后地区)的缺点，对在我国发展远程教育，最大程度的共享优秀的教育资源造成了很大的障碍。基于天地网的远程教育系统就是针对这一现状提出的一种解决方法，它是利用卫星来传送大批量的多媒体数据，而使用地面IP网进行外交互，两者结合起来，取长补短，成功的解决了我国远程教育中所面临的一系列问题。

然而，现在的基于天地网的远程教育系统一般都是教学现场的实时录制和同步传播的应用以及相关问题的解决。这种应用在实际应用中也有两方面的不足：一是在上课以外的1/2多时间中，用于远程教育的卫星被完全闲置起来，带宽被白白浪费。另一方面是对学习者的自主学习的需求和学习者的学习个性考虑不足，学习者只能按照课表的要求，在固定的时间去听课，这使得远程教育的灵活性不足，于是便产生了带宽浪费和学习者需要大量自主学习资源的矛盾。

本发明的解决策略：本发明中，提出了预约点播和个性化的服务概念，并在天地网结合的平台得到实现。SkyLod系统不仅成功地解决了地面IP网由于带宽限制和覆盖面小，不适于传送大批量的多媒体课件资源的问题，还考虑到在一般地基于天地网的实时授课系统中，卫星带宽在课外时间被白白浪费，同时各地小站又迫切需要自主请求大量的课件资源这一矛盾。预约点播服务将异步学习中的资源需求进行归并，利用卫星的空闲带宽资源进行传送。达到了充分利用卫星的空闲带宽资源，实现优秀的教学资源的共享目的。这一思想对在网络条件较差的西部地区实现优秀教学资源共享意义尤为重大。此外，SkyLod系统还对学习提供个性化的服务，为用户提供了这一接口。一方面，用户可以通过用户意见反馈表提交资源需求，小站管理员根据用户需求可以增加系统资源。另一方面，小站管理员可以申请主站资源的主动发送，即定购的方式，当主站系统有相关的资源时会主动的发送给小站。

3.大规模预约点播请求的优化调度算法IMQL

研究目的：解决大量的、随机的资源预约请求如何进行处理、优化以及系统资源如何对相应的请求进行分配的问题。

研究背景：预约服务中，顾客的到达时间、申请服务时间、服务内容、服务持续时间等因素是不能完全确定的，是一个受约束的随机过程。所以预约服务属于随机服务范畴。预约服务是社会与工程技术中被广泛运用的方法，例如在预售票、预约门诊、视音频点播、数据发送等领域，都存在着预约问题。预约服务有着以下的特点：①不需要建立等待队列，可以对顾客请求立即给出安排结果；②享受预约服务的顾客，在预约确定后可以暂时离开系统，直到服务发起时再被召回系统，享受服务；③服务的响应具有一定的自由度④可能存在不同用户在相近时间段内预约相同服务，这样就可以合并某些同类服务，由此产生了对服务安排的优化问题。

本发明的解决策略：

SkyLod采用改进的最大队列长度(Improved Maximal Queue Length)调度算法来调度预约请求，IMQL是传统最大队列长度MQL调度算法的改进版本。传统的MQL工作原理是：对于每个资源，设置一个请求队列，当用户请求资源时，插入到相应的请求队列中，一旦系统调度请求，将选择有最大请求队列长度的资源发送。然而，MQL算法既不能提供预约服务，也不能提供资源的请求优化。

考虑到MQL算法的局限性以及SkyLod的需要，我们提出了改进的最大队列长度IMQL算法，该算法不但可以提供资源预约的能力，也综合考虑到了请求队列长度、用户的优先级、等待时间。从而更加充分有效的利用了资源。IMQL调度算法基于请求权重大小的策略。意味着一些请求比其他的请求有更高的权重，将会比其他请求更容易被调度。理论计算和实际测试表明，该IMQL算法明显优于MQL(Maximal Queue Length)算法和FCFS(First Come First Server)算法。

4.提出一种基于天地网的可靠组播传输技术Multicast DisseminationProtocol over Satellite(MDPS)

研究目的：解决卫星对各小站数据的可靠多播传送，小站按条件接收卫星发送的数据。

研究背景：目前已经有多个可靠多播传输协议提出，现有的可靠多播传输协议主要采用各种技术来提高可扩展性、减小平均延迟时间等，但是都是针对对地面网络传输问题的，不能完全满足卫星网上可靠多播传输的需要。

本发明的解决策略：

根据卫星VSAT传输的特点和需要，有针对性的解决目前存在的多播协议不能完全满足卫星传输的问题。因此我们提出了MDPS协议来在天地网上进行可靠多播，作为SkyLod的底层传输平台。MDPS协议主要采用抑制NACK技术来避免在多播传输中的NACK爆炸问题，并采用自适应FEC编码来保证在天地网上进行可靠的数据传输。MDPS根据天地网的特点采用等级结构多播方案来提高协议效率。

四、附图说明

图1是本发明的主站管理系统的界面；

图2是本发明的小站管理系统的界面；

图3是本发明的整体业务流程；

图4是本发明的SkyLod系统网络模型；

图5是本发明的典型的资源发送流程；

图6是本发明的预约点播系统体系结构；

图7是基本的资源预约和传输的过程图；

图8是卫星VSAT组播网络拓扑示意图；

图9是天地网可靠组播模型图；

图10是FEC编码示意图。

五、具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

5.1基于天地网的个性化资源预约点播系统的组成

基于天地网的个性化资源预约点播系统SkyLod由主站端、小站端两大子系统组成。

主站端子系统包括主站预约服务器和主站资源中心。其中主站预约服务器是资源发送平台，它保证数据正常发送和日常维护，为预约点播系统，主站资源管理系统提供必要的接口。主站资源中心是整个系统的资源仓库，它不仅负责保存着系统的所有多媒体课件资源和其它资源，还对所有的资源进行分层次的管理。主站资源中心还为系统的资源发送提供了接口。主站子系统为用户提供的交互界面如图1所示。

小站端子系统包括小站点播服务器和小站资源服务器两个部分。小站天地网的资源接收子系统和小站管理子系统。小站点播服务器包括资源管理点播模块和底层数据接收模块。底层数据接收模块按条件接收主站预约服务器发送的文件。资源通过预约点播后到达远程小站，小站点播服务器提供一个在线的个性化的点播环境(VOD)，同时管理点播的资源，提供向主站预约点播的入口。小站资源服务器实现对从站点播接收到的资源存储，管理和维护。其存放格式基本与主站资源中心相同。小站子系统为用户提供的交互的界面如图2所示。

5.2系统设计

以下对SkyLod系统网络模型和主站端子系统、小站端子系统的资源流动工作机制进行说明。

5.2.1 SkyLod系统网络模型

SkyLod系统是针对天地网传输环境下的点播学习业务开发的，整体业务流程如图3所示。学生通过web访问实现课件的异步点播学习，分散在各地的教学点为了请求主站端的资源，常用的请求方式也是采用基于web的预约方式，课件资源的传输是通过天地网传输平台实现。这样就决定了SkyLod的网络体系：主站和小站分别建立内部局域网，实现管理、教学的功能。主站站点和小站站点间存在地面IP网通道和卫星传输通道。小站站点间不需要联系通道。

图4为SkyLod系统的网络模型。下面给出对这个模型的说明：

1.主站端安装基于天地网的个性化资源预约点播系统主站端子系统和VSAT发送站系统，两者通过局域网相连接。卫星上行站和SkyLod的传输系统的作用表现为SkyLod系统中一条透明的资源下行发送通道。

2.主站端子系统中，主站预约服务器用于信息发布和上行点播请求的接收、处理；File服务器作为主站的资源中心存放课件等资源；DB服务器为主站预约服务器提供后台数据支持。

3.小站端安装基于天地网的个性化资源预约点播系统小站端子系统和PCVSAT单向接收站，两者通过局域网相连接。单向接收站和SkyLod的作用表现为SkyLod系统中一条透明的资源接收通道。

4.小站端子系统中，点播服务器(WWW)用于接收学生点播请求和为学习者提供一个在线点播学习的个性化学习环境；File服务器作为小站的资源服务器用于存放接收下来的课件资源；DB服务器为小站的点播服务器提供后台数据支持；通信机用于与主站预约服务器对话，发送点播请求。

5.多台学生机通过小站端局域网访问本地小站的点播服务器，在小站点播服务器提供的个性化点播学习环境中进行课件学习。

6.通过VSAT卫星广播和SkyLod的可靠多播传输系统，实现了课件资源的下行通道。

7.小站通信机通过PSTN/ISDN等多种方式接入Internet，进而访问主站端预约服务器，提交点播请求，这构成了系统中点播信息的上行通道。

由于卫星广播具有单向性的特点，所以不能依靠VSAT系统实现双向交互。因此，系统中对信息的上下行通道分离，用外交互方式实现点播请求上行。

5.2.2主站资源发送系统工作机制

主站天地网的资源发送系统通过可靠多播MDPS协议发送资源，可以完成文件资源发送功能。在远程小站已经安装好的情况下，其工作流程如图5所示

5.3主要关键技术

5.3.1基于天地网预约调度优化算法

预约服务模块RSP(Reservation Service Provider)是天地网预约点播系统(SkyLod)的核心。它实现了预约请求的任务队列控制，优化调度，等待控制以及产生发送计划。该模块由以下几个子模块构成。

1)请求队列控制和优化模块Admission Control and Optimization

Module：当RSP收到用户的预约请求，进行以下处理。首先根据提供的账户、密码进行权限校验。然后检查用户请求的资源在资源库中是否存在。最后检查请求的资源是否可用合并到已经有的请求队列中。经过一段预设的时间后，优化模块对任务进行优化然后产生标识了优先级的请求队列。

2)等待控制模块Waiting Control Module：该模块对当前的优化模块产生的计划调度时间进行预期估计，虽然预约请求不能被预约服务模块RSP立即响应，系统仍然告诉用户预期的服务时间。2次调度之间的时间间隔称做Scheduling Interval(SI).SI作为系统一个可配置参数，目前SI设置为1小时。

3)资源分配模块Resource Allocation Module：该模块的功能是调度请求分配资源产生资源发送计划。根据请求队列中的每个资源的权重从大到小顺序分配资源发送。权重计算采用IMQL算法。

5.3.2资源预约优化调度过程

当预约服务模块收到从远程小站发来的预约请求，它将优化该请求并产生资源发送计划，根据资源发送计划，资源发送模块通过卫星文件传输接口将资源发送给小站。基本的资源预约和传输的过程如下图。

该图组成部分如图7：

1)UD_i＝(U，T₀，T，KL，P)示第i个原始的小站请求，其中，U：小站的ID；T₀，：请求提交时间；T：期望的请求资源发送时间；KL：请求资源的ID队列(用户一次可点播多个资源)

KL＝{KL₁，KL₂，…，KL_m}m＞0；P：请求的优先级别

UD表示UD_i的集合，i∈[1，n]，i.e.，UD＝{UD，UD₂，…，UD_n}，n为请求的数目。

2)RS＝{r₁，r₂，…r_m}表示教学资源的集合。r_j＝(K_j，S_j，PF_j，M_j)，K_j：资源的ID；

S_j：资源的大小；PF_j：是资源在资源服务器上存放的物理地址；M_j：资源的索引。

3)OD_i＝(UL，T，K，P)代表一个优化过的请求。UL：是这个资源请求的用户队列。T：预期的请求资源发送时间；K：请求资源的ID；P：请求的优先级OD＝{OD₁，OD₂…，OD_m}表示优化后的请求集合。

4)NS_i＝(H，Ts，Te，B)表示第i个卫星频道带宽的的可用时间片。H：卫星频道号

[Ts，Te]：可以用来发送资源的时间间隔B：是卫星频道H在时间片[Ts，Te]上可用的带宽。设有k个卫星通道可用于发送资源，NR＝{NS₁，NS₂，…NS_k}表示所有卫星频道资源。

5)SD_i＝(UL，K，P，H，Ts，Te，B)表示一个已分配卫星频道资源的调度请求。UL，K，P，H，Ts，Te，B含义与上述定义相同。SD＝{SD₁，SD₂，…，SD_l}表示所有调度请求的集合。显然，由于不是任何时候请求都能获得合适的带宽，l≤m，m为优化过的请求数目。

5.3.3资源预约请求过程

Step1/*产生初始的用户请求队列*/

RSP(Resource Service Provider)资源预约服务模块接收并响应远程小站的点播请求，产生请求队列UD＝{UD₁，UD₂，…，UD_n}。

Step2/*请求分解成单独的任务*/

由于用户一次点播可以选择多个资源，KL＝{KL₁，KL₂…，KL_m}m＞0，如果m＞1，将其分解成单个的资源请求UD’＝{UD₁，UD₂，…，UDj}.j≥n。

Step2/*请求合并*/

优化模块从队列UD’中取请求UD_i，遍历已优化队列中的资源ID，如有UD_i一样的点播请求，就合并。循环直到队列UD中所有的请求处理完毕。得到优化后请求队列，OD＝{OD₁，OD₂，…，OD_m}。同时对每个资源请求标识资源ID，期望的发送时间，以及优先级别，关于优先级别的确定算法将在后面叙述。

Step3/*生成发送计划*/

资源分配模块Resource Allocation Module(RAM for short)检查是否有已优化的队列需要预先调度。如果是，RAM根据IMQL函数计算队列OD中每个优化请求OD_i(i＝1，2，…，m)的权重，并根据权重排序。

然后RAM采用最合适网络分配算法the Fittest Net Balance(FNB)algorithm来调度OD中的每一个请求.方法是将可获得的卫星带宽资源NR＝{NS₁，NS₂，…NS_k}和优化请求集合OD＝{OD₁，OD₂，…，OD_m}做最合适的匹配。为OD_j，找到最合适的NS_i。

用FNB算法匹配卫星带宽资源集合和优化请求集合时有2种情况。第一种情况，卫星带宽资源NR有足够的资源分配给OD中的每一个OD_i，这是一种理想情况，当然没有任何问题。第二种情况，卫星带宽资源不足以分配给每一个请求OD_i.假设只有l(l≤m)个优化请求可以被分配带宽资源，则剩下的m-l个优化请求将加入到下一个OD集中在下一轮资源分配中分配资源。当然，该m-l个请求的优先级别将增加一个级别以保证会优先的获得资源。及早的发送给用户。

这些l个获得卫星带宽资源的优化请求生成调度命令队列SD＝{SD₁，SD₂，…，SD_l}。

Step4/*资源发送*/

根据发送计划，资源发送控制模块在资源库中定位SDi的存储位置。将资源打包成一个标准的zip文件。激活卫星频道、对将要发送给的小站授权。然后将任务发送给资源发送模块Resource Sending Module(RSM)把资源发送给小站。

5.3.4改进的最大队列长度算法(IMQL)

SkyLod采用改进的最大队列长度(Improved Maximal Queue Length)调度算法来调度预约请求，IMQL是传统最大队列长度MQL调度算法的改进版本。传统的MQL工作原理是：对于每个资源，设置一个请求队列，当用户请求资源时，插入到相应的请求队列中，一旦系统调度请求，将选择有最大请求队列长度的资源发送。然而，MQL算法既不能提供预约服务，也不能提供资源的请求优化。

考虑到MQL算法的局限性以及SkyLod的需要，我们提出了改进的最大队列长度IMQL算法，该算法不但可以提供资源预约的能力，也综合考虑到了请求队列长度、用户的优先级、等待时间。从而更加充分有效的利用了资源。

IMQL调度算法基于请求权重大小的策略。意味着一些请求比其他的请求有更高的权重，将会比其他请求更容易被调度，请求的权重由下列4个因素确定：

1)请求队列的长度，体现了资源的热门程度。

2)在一个单位时间内预期的可能到达的请求，依靠资源的请求概率。参考文献[14，15]表明请求概率符合Zipf分布。

3)请求的优先级。

4)由于过长的等待时间，被取消的请求。

基于上述4个因数，定义如下定量的权重计算公式。

$W_{\mathrm{IMQL}}\left(i\right)=L_i+(1-\mathrm{\α})*(t-t_i^R)*\frac{1}{i^z*\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{j^Z}}+P*\mathrm{\β}-$

$\underset{j=1}{\overset{j=i}{\mathrm{\Σ}}}[((i-t_i^R)>\mathrm{\δ})?1:0]$ (1)

W_IMQL(i)表示第i个优化请求队列的权重，i代表资源的标识ID.资源以Zipf分布的概率大小降序排列。公式(1)分为4部分。L_i是资源i的请求者个数； $(1-\mathrm{\α})\·(t-t_i^R)*\frac{1}{i^z*\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{j^z}}$ 是在预期的时间段(t-t_i ^R)中资源可能到来的请求；t为当前时间，t_i ^R是资源I初次请求的时间。M为资源数量。α是预期的丢失因子，指示了一个单位时间内预期的请求密度。根据实验结果a为1％，Z是Zipf分布因子；第3项P*β代表权重的优先级。P是优先级，βI是优先因子，对于不同用户级别可以采用不同值，当前取1.0*1.0²(即对用户都同等对待)；最后一项 $\underset{j=1}{\overset{j=i}{\mathrm{\Σ}}}[((i-t_i^R)>\mathrm{\δ})?1:0]$ 表示由于过长的等待时间取消的请求数目，δ是能承受最大等待时间。

根据IMQL算法，我们可以计算每个优化请求的权重，最后，RSP根据所有请求资源的权重来排序所有的资源，根据权重的大小从高到低依次分配资源、卫星带宽来发送资源。

5.3.5天地网可靠组播技术

现有的多播协议用于卫星VSAT多播有以下缺点。

1)缺少对无返回信道时的支持。

由于卫星的上行设备、带宽频道相当昂贵。所以在VSAT卫星通信中，VSAT是一个单向接收设备，同时用户不具有反馈信道。

2)没有考虑卫星VSAT通信的网络拓扑

卫星VSAT接收小站通过PCVSAT卡接收数据，然后在本网段组播。此种网络模型非常适合基于层次的可靠组播技术。

3)没有对接收小站授权支持

卫星通过广播发送数据，任何一个小站都可以加入、离开多播组。考虑到收费、安全等因素，协议必须考虑对可接收小站授权控制。只有被授权的小站才能接收到数据。

●卫星VSAT组播拓扑

卫星VSAT组播网络拓扑如图8，是基于等级的结构方法。每个vsat接收小站为一个分区，每个区选择一个接收者作为代理(如RMTP[16]中的Designated Receiver)，可以选择小站VSAT卫星接收机或者小站的对外出口网关作为代理。由代理负责处理NACK和数据重传。

●等级结构多播方案

卫星组播是一个典型的层次结构，先由卫星将数据组播到各小站接收机，再由小站接收机将收下来的数据在局域网内组播，局域网内所有加入组播的机器都可以接收卫星下来的组播数据，如果让所有接收小站局域网内(参见图9)所有组播组主机R₁～R_m都参与ACK或者是NACK都可能造成反馈风暴，显然是不现实的，为此我们引入了RMTP中的AP或DR概念，就是指定每一个接收小站中其中的一台接收机为DR或AP，它负责反馈该接收小站内所有的ACK或者NACK消息。

目前的卫星组播系统，数据传输虽然受天气或者其它等一定因素的影响，但是总的来说，误码率，丢包率都不是很高，再加上FEC控制，丢包率就更低，加上小站的数据可以成千上万，因此发送NACK报文的数据远小于ACK报文的数量，在通过定时器延时应答机制可有效抑制报文爆炸。

●自适应FEC编码技术

Multicast中运用较多的前向纠错码即FEC编码是R-S(Reed-Solomon)码^[2]，它是一种循环码，其主要思想是发送者把k个原始数据编码生成n个数据，使得n中的任何k个数据子集都能够恢复出原始数据，因此允许传输过程最多丢失n-k个数据。如图10所示，k个数据分组{d₁，d₂，…，d_k}，每个分组长Lbit，把它作为伽罗瓦域(Galois field)GF(2^L)的元素，并定义多项式F(X)＝d₁+d₂X¹+…+d_kX^k-1。如果α是GF(2^L)的元素，那么r_j＝F(α^j-1)，j∈{1，…，n-k}，由此产生n-k个{r₁，r₂，…，r_n-k}冗余数据，每个数据长Lbit。这样接收者就可以从{d₁，d₂，…，d_k；r₁，r₂，…，r_n-k}中的任意k个数据恢复出原始数据{d₁，d₂，…，d_k}。

FEC编码本身并不能提供完全的可靠性，但是它和ARQ相结合，能使Multicast传输协议具有较好的可扩展性。在Multicast通信中，不同接收者发生的分组丢失可能不一样，如果重传FEC编码产生的冗余分组替代传送丢失的分组进行差错恢复，一个冗余分组可以恢复不同的分组丢失，减少重传的分组数，从而减小带宽的需求，提高了差错重传的效率。发送者只要知道接收者中所丢失的最大分组数，而无须知道确切的丢失分组序号。

文献[2]根据哪一方负责检测分组丢失，则把可靠Multicast协议分为发送者发起协议和接收者发起协议。本文研究一对多可靠Multicast通信，即组里只有一个发送者和R个接收者，基本协议模型为接收者发起协议N₂ ^[2]，协议过程如下：

(1)发送者以Multicast方式发送数据到通信组的所有接收者。

(2)接收者检测到分组差错或丢失，等待一随机时间后，以Multicast方式发送NACK(否定应答，包含丢失数据包数量和位置信息)到所属通信组，并启动定时器T₁。

(3)如果某一接收者收到一个未接收分组的NACK信息，且处于发送自己NACK前的随机等待时间中，启动定时器T₁，当作自己发送了一个NACK分组。

(4)如果在定时器T₁计时终止前，没有收到对应的丢失分组，那么协议处理和检测到分组丢失时一样，直至收到丢失的分组。

(5)接收者在收到NACK分组后，发送重传分组进行差错恢复。接收者在发送NACK之前随机延迟一段时间是为了避免NACK泛滥，导致网络拥塞。它在保证至少一个NACK到达发送者的前提下，尽可能减小网络中NACK的数量。

●自适应FEC编码的MDPS协议

FEC编码可提高分组传输可靠性，但引入了冗余，降低了传输的有效性，特别是固定的FEC编码，在网络传输质量很好、分组丢失率很低(如10^-6)的情况下，FEC提高可靠性的作用减小，但是仍然产生相同的冗余。如果能使编码的纠错能力(和发送的纠错分组成正比)随时与分组的丢失率相匹配，那么有效性和可靠性的矛盾就能得到很好的解决。由于在当前的Internet中普遍具有网络差错特性^[5]，基于前面描述的N₂协议，MDPS提出一种新的自适应FEC编码的可靠Multicast协议：

(1)发送者在发送数据前，对k个原始数据包作为一个FEC编码组进行FEC编码，产生h个冗余数据包。发送者以Multicast方式发送k个原始数据包及a个FEC编码的冗余数据包，其中，a＜h。

(2)在同一个FEC编码组中，接收者接收数据包数大于k时，恢复出原始数据。如果接收的数据包数＜k，等待一随机时间后，以Multicast方式发送NACK，含丢失的数据包数信息l(例如，某一个FEC编码组接收完成时，收到的该组的数据包的个数为n，如n＜k，则丢失数据包数l＝k-n)，并启动定时器T₁。

(3)如果某一接收者在发送NACK前的随机等待时间中收到其他接收者的一个NACK，判断该NACK中包含的丢包数目l_in，如果l_in大于等于自己在该组接收过程中丢失的数据包数l_self，那么启动定时器T₁，当作自己发送了一个NACK分组；否则，发送一个含l_self的NACK分组，启动定时器T₁。

(4)发送者收到NACK之后，以Multicast发送l_out＝l_in个冗余FEC编码分组，启动定时器T2。其中，l_out为发送者发送的修复数据包的个数。T2正在计时，收到NACK，且l_in＞l_out，那么再发送l_in-l_out个恢复分组。

(5)如果接收者在定时器计时终止前，没有收到足够的恢复分组，那么协议处理同步骤(2)。

MDPS协议是一个透明协议，以上协议过程对于分区代理DR以及一般接收者完全一样，只是设置的发送端源地址不同。

初始冗余数量a的发送应该满足一般丢失率(包括干线丢失率和独立的单个分组的丢失)的需要，经计算在接收者数目R＝1000，p＝0.02，k＝20时，选择a＝4就能够使E[M]＝1.02，重传的概率很小。为了获得一个冗余分组恢复不同分组丢失的好处，先后发送的恢复分组应该不一样，这要求h足够大，在R＝1000，p＝0.20，k＝20，选择a＝16时，成功传送任一分组的平均传送分组数E[M]＝1.10，因此选择h＝16。a值随着分组丢失率而变化，假设在Δt时间内连续收到NACK，表明初始冗余分组不能满足分组恢复的需要，因此提高a值。若在Δt时间内没有收到NACK，则考虑降低a值，使之与当前的差错率相匹配。

Claims (1)

1.一种基于天地网的个性化资源预约点播系统的实现方法，其特征在于：采用天地网传输平台，使用基于天地网的可靠多播分发协议即MDPS协议来在天地网上进行可靠传输，该协议根据天地网的特点采用等级结构的多播方案，先由卫星将数据组播到各小站接收机，再由小站接收机将收下来的数据在局域网内组播，局域网内所有加入组播的机器都可以接收卫星下来的组播数据，并指定每一个接收小站中其中的一台接收机负责反馈该接收小站内所有的消息；MDPS协议中还采用否定应答即NACK及自适应前向纠错编码技术来保证在天地网上进行可靠的数据传输；系统分离数据上下行通道，数据量很小的用户点播请求信息仍然通过IP网上行，大数据量的课件数据通过卫星传输方式下行；各地卫星接收小站以条件接收方式接收并存储自己点播的课件资源，再通过地面IP网向小站局域网学习者提供学习服务；

该天地网的个性化资源预约点播系统包括：主站预约服务器、主站资源中心、小站点播服务器、小站资源服务器四个部分，构成分布式应用系统；

1)主站预约服务器

主站预约服务器可以接收小站用户的资源预约请求进行调度优化、以个性化的方式为用户提供跟踪服务和按需服务、提供资源的管理环境、监控整个分布式系统状态；

主站预约服务器建立在Java 2企业平台即J2EE平台上，4层体系结构，由预约调度模块实现接收预约请求并按照改进的最大队列长度调度算法即IMQL进行调度优化，该算法采用基于请求权重大小的策略来调度预约请求，请求权重由请求队列长度、用户的优先级、请求的等待时间和单位时间内预期产生请求的概率四个因素确定，以保证大规模的资源预约调度，并生成资源的发送计划，发送计划送给底层的文件发送模块，进行文件的多播发送，同时通过消息模块利用Java消息服务JMS向各小站发送接收消息；

2)主站资源中心

主站资源中心为实现供点播资源的物理存储，索引，管理，维护，主要应用于远程教育，对于课件资源的组织按照计算机教学管理即CMI系统规范来进行，符合CMI规范的课件资源可以方便的导入导出；

3)小站点播服务器

小站点播服务器包括资源管理点播模块和底层数据接收模块；底层数据接收模块按条件接收主站预约服务器发送的文件；资源通过预约点播后到达远程小站，小站点播服务器提供一个在线的点播环境VOD，同时管理点播的资源，提供向主站预约点播的入口；

4)小站资源服务器

小站资源服务器实现对从站点播接收到的资源存储，管理和维护，其存放格式与主站资源中心相同。

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