高效命名數(shù)據(jù)網(wǎng)衛(wèi)星視頻直播方法*

楊亞龍，嵩 天，朱洪辰

北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100081

1 引言

傳統(tǒng)電視服務(wù)已經(jīng)成為人民生活中不可缺少的一部分，如今，基于互聯(lián)網(wǎng)提供的視頻服務(wù)呈現(xiàn)出相同的重要性。視頻服務(wù)流量已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的主要組成部分，所占比例呈上升趨勢(shì)[1-2]。由于內(nèi)容新鮮且類別豐富，網(wǎng)絡(luò)視頻直播得到了廣泛的關(guān)注，參考傳統(tǒng)電視直播的流行性，未來網(wǎng)絡(luò)視頻直播很有可能會(huì)扮演更重要的角色，為世界范圍內(nèi)更廣泛的互聯(lián)網(wǎng)用戶提供服務(wù)。在此背景下，通過高效且經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視頻直播內(nèi)容分發(fā)具有重要意義。

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)視頻直播主要通過地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)，從內(nèi)容服務(wù)器向某地傳輸數(shù)據(jù)時(shí)網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)較多。此外，受限于物理設(shè)施，只有與地面網(wǎng)絡(luò)連通的地方才能獲得視頻直播內(nèi)容。參考衛(wèi)星提供的全球電視直播服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)視頻直播內(nèi)容同樣可以通過衛(wèi)星廣播進(jìn)行分發(fā)?；谛l(wèi)星廣播進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視頻內(nèi)容分發(fā)主要有以下三方面優(yōu)勢(shì)：（1）衛(wèi)星具備廣播（組播）通信能力，內(nèi)容提供者到消費(fèi)者間的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)將有效減少，數(shù)據(jù)通信開銷相應(yīng)減??；（2）衛(wèi)星可分擔(dān)地面網(wǎng)絡(luò)視頻內(nèi)容分發(fā)的壓力，地面網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)槠渌麘?yīng)用提供更好的服務(wù)；（3）衛(wèi)星能夠?yàn)椴渴鸬孛娼K端的孤島或深山等地區(qū)提供服務(wù)，災(zāi)難發(fā)生時(shí)能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用。

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)視頻直播服務(wù)基于TCP/IP提供。為了獲得連續(xù)的視頻流，客戶端需要同內(nèi)容服務(wù)器建立端到端的IP鏈路，接入內(nèi)容服務(wù)器的IP鏈路數(shù)量與請(qǐng)求內(nèi)容的客戶端數(shù)量線性相關(guān)。視頻直播應(yīng)用數(shù)據(jù)流以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)。商業(yè)中廣泛使用的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（content delivery network，CDN）服務(wù)只是采用了結(jié)合地理區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)條件更好的IP鏈路，本質(zhì)上沒有改變點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式的基本模式。有觀點(diǎn)認(rèn)為IP組播能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)視頻直播提供一定的幫助，然而在互聯(lián)網(wǎng)范圍下，由于地址過多，IP組播效果有限。衛(wèi)星通信如果以IP網(wǎng)絡(luò)開展直播內(nèi)容傳輸，仍然會(huì)遇到以上問題。

與IP相比，源于信息中心網(wǎng)絡(luò)（information centric networking，ICN）概念的命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（named data networking，NDN）原生支持組播，能夠有效地利用衛(wèi)星廣播分發(fā)視頻直播內(nèi)容[3]?；趦?nèi)容名稱進(jìn)行數(shù)據(jù)路由，可以有效減少內(nèi)容服務(wù)器的接入量及節(jié)點(diǎn)通信壓力。網(wǎng)內(nèi)緩存機(jī)制也有助于提升內(nèi)容分發(fā)效率。考慮到應(yīng)用前景及潛在優(yōu)勢(shì)，基于NDN或內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)（content centric networking，CCN）的直播或?qū)崟r(shí)視頻應(yīng)用研究得到了一定的關(guān)注。關(guān)于衛(wèi)星與ICN結(jié)合的研究也取得了一定的進(jìn)展，相關(guān)研究將在第2章進(jìn)行簡單介紹。

不同于傳統(tǒng)地面鏈路，衛(wèi)星與地面終端通信鏈路傳播延遲較高。由于NDN基本設(shè)計(jì)主要面向當(dāng)前地面網(wǎng)絡(luò)，并沒有對(duì)傳播延遲較高的場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。在基于NDN的衛(wèi)星廣播視頻直播應(yīng)用中，較高的傳播延遲會(huì)造成冗余數(shù)據(jù)傳輸（redundant data transmission，RDT）問題。本文在NDN中未決信息表（pending interest table，PIT）的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，延遲PIT表項(xiàng)移除以解決RDT問題。改進(jìn)后的PIT機(jī)制命名為容遲未決信息表（delay pending interest table，DPIT）。此外，本文在DPIT基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

本文組織結(jié)構(gòu)如下：第2章介紹了ICN（或NDN、CCN）結(jié)合衛(wèi)星或?qū)崟r(shí)內(nèi)容分發(fā)應(yīng)用的研究情況；第3章介紹了基于NDN的衛(wèi)星廣播視頻直播系統(tǒng)概況和研究動(dòng)機(jī)；第4章具體分析了RDT問題出現(xiàn)的原因及影響，提出用于解決該問題的DPIT機(jī)制，并對(duì)DPIT機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)；第5章描述了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析；第6章總結(jié)全文。

2 相關(guān)研究

衛(wèi)星與ICN結(jié)合的大部分研究對(duì)ICN中原生支持組播的特性和網(wǎng)內(nèi)緩存機(jī)制的應(yīng)用，以及二者結(jié)合的動(dòng)力和可行性進(jìn)行了討論[4-5]。同時(shí)，相關(guān)研究也分析了偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍囟ǖ膽?yīng)用場(chǎng)景[6]，以及結(jié)合應(yīng)用的安全需求和相應(yīng)解決方法[7]。此外，還有一些研究分析了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)合ICN時(shí)存在的問題及解決方案，例如結(jié)合衛(wèi)星廣播能力的預(yù)緩存策略[8]，基于數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)間局部性特點(diǎn)的帶寬節(jié)省策略等[9]。需要注意的是，在絕大部分研究中，衛(wèi)星僅承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的工作，不具備緩存或路由等功能。

基于內(nèi)容尋址網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸?shù)难芯拷陙淼玫搅艘欢P(guān)注[10]。例如，CCN實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流服務(wù)中可減少大量連續(xù)請(qǐng)求的單請(qǐng)求多數(shù)據(jù)包的通信模式[11]，支持實(shí)時(shí)電視流分發(fā)的CCN-TV系統(tǒng)[12]，基于NDN的減少無線局域網(wǎng)中視頻直播內(nèi)容請(qǐng)求的NLB體系結(jié)構(gòu)[13]，基于ICN的實(shí)時(shí)多人視頻會(huì)議的體系結(jié)構(gòu)[14]，CCN電視直播應(yīng)用的模擬器[15]，以及基于NDN的實(shí)時(shí)視頻會(huì)議函數(shù)庫[16]。

基于已有相關(guān)研究內(nèi)容，本文認(rèn)為視頻直播應(yīng)用、衛(wèi)星以及NDN三者之間的結(jié)合是一種重要的候選技術(shù)路線，結(jié)合具體策略、優(yōu)勢(shì)、存在問題及解決方案等，將在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行闡述。

3 基于NDN的衛(wèi)星廣播視頻直播系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)概述及場(chǎng)景抽象

與傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)視頻直播系統(tǒng)相比，基于NDN的衛(wèi)星廣播視頻直播系統(tǒng)主要存在兩方面的不同。首先，系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)傳輸基于NDN協(xié)議進(jìn)行。其次，直播視頻內(nèi)容分發(fā)從地面骨干網(wǎng)絡(luò)遷移到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中。系統(tǒng)中主要包含5種基本組成元素，即用戶設(shè)備、用戶處地面終端、空間衛(wèi)星、服務(wù)器處地面終端以及內(nèi)容提供者服務(wù)器。其中，用戶設(shè)備主要提供操作接口并進(jìn)行內(nèi)容展示，衛(wèi)星與地面終端通信，每個(gè)地面終端為特定區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，用戶或服務(wù)器通過所在區(qū)域內(nèi)地面終端交互請(qǐng)求及內(nèi)容。

在傳統(tǒng)電視直播服務(wù)中，用戶可通過小型終端天線獲取視頻內(nèi)容，這種方式的可行性在于傳統(tǒng)電視節(jié)目內(nèi)容相對(duì)固定，交互性相對(duì)較弱。相比之下，網(wǎng)絡(luò)視頻直播節(jié)目由于內(nèi)容生產(chǎn)者很多，節(jié)目總體實(shí)時(shí)變化，結(jié)合NDN中數(shù)據(jù)傳輸由興趣請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，用戶處地面終端應(yīng)具備一定的數(shù)據(jù)發(fā)送能力。在這種情況下，小型終端天線無法滿足應(yīng)用需求。在某一區(qū)域內(nèi)部署一個(gè)具有較強(qiáng)數(shù)據(jù)收發(fā)、處理能力的地面終端可為區(qū)域內(nèi)的用戶提供服務(wù)。

在基于NDN的衛(wèi)星廣播視頻直播系統(tǒng)中，衛(wèi)星只承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的工作，不具備路由和緩存的功能。系統(tǒng)工作時(shí)，衛(wèi)星將用戶處地面終端轉(zhuǎn)發(fā)的來自于用戶設(shè)備的內(nèi)容請(qǐng)求（由NDN機(jī)制決定）轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器處地面終端，內(nèi)容服務(wù)器在接收到相連的地面終端轉(zhuǎn)發(fā)的請(qǐng)求后進(jìn)行響應(yīng)，將包含對(duì)應(yīng)內(nèi)容的數(shù)據(jù)包經(jīng)由相應(yīng)地面終端轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星，再由衛(wèi)星廣播至覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶處地面終端，最后由轉(zhuǎn)發(fā)過請(qǐng)求的地面終端將數(shù)據(jù)包組播至等待內(nèi)容返回的用戶設(shè)備。系統(tǒng)概況如圖1所示，需要注意的是，某些情況下用戶處地面終端與服務(wù)器處地面終端間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)可能經(jīng)過由多顆衛(wèi)星組成的空間數(shù)據(jù)傳播鏈路。

Fig.1 System overview圖1 系統(tǒng)概況

在大部分情況下，網(wǎng)絡(luò)視頻直播內(nèi)容通過相對(duì)地球表面靜止的地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛(wèi)星即可完成大范圍分發(fā)，3顆GEO衛(wèi)星即可覆蓋地球表面絕大部分面積。然而，GEO衛(wèi)星無法覆蓋極地地區(qū)，且某些地區(qū)可能無法部署與GEO衛(wèi)星進(jìn)行通信的大型地面終端。此時(shí)，用戶與內(nèi)容服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳播鏈路中可能包括處于移動(dòng)狀態(tài)的低地球軌道（low earth orbit，LEO）衛(wèi)星和中地球軌道（medium earth orbit，MEO）衛(wèi)星。這些衛(wèi)星按照固定的軌跡移動(dòng)，以集群形式協(xié)同工作。LEO或MEO衛(wèi)星天線系統(tǒng)工作模式包含衛(wèi)星固定足印和地球固定足印兩種[17]。在地球固定足印模式中，衛(wèi)星能夠自動(dòng)調(diào)整天線以保證一段時(shí)間內(nèi)天線覆蓋區(qū)域不變，進(jìn)而使得某一區(qū)域內(nèi)的地面終端在這段時(shí)間內(nèi)始終由一顆衛(wèi)星提供服務(wù)。在這種工作模式下，衛(wèi)星可視為相對(duì)某一區(qū)域靜止，用戶設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)總是沿著相對(duì)地面某些區(qū)域靜止的衛(wèi)星組成的鏈路傳播，且數(shù)據(jù)傳播往返時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定。這種情況下對(duì)于位于地表的用戶處終端和服務(wù)器處終端，并不需要關(guān)心由于衛(wèi)星移動(dòng)帶來的問題。

基于以上分析，為了使下文描述更加清晰且合理，對(duì)于包含多顆衛(wèi)星的鏈路，本文將其抽象為只包含一顆相對(duì)地面靜止衛(wèi)星的傳播鏈路，抽象衛(wèi)星負(fù)責(zé)某一區(qū)域內(nèi)用戶處地面終端與服務(wù)器處地面終端間的通信。抽象場(chǎng)景如圖2所示，抽象前后用戶處地面終端與服務(wù)器處地面終端間數(shù)據(jù)傳播延遲保持不變。

Fig.2 Scenario abstraction with multiple satellites圖2 多星場(chǎng)景抽象

3.2 研究動(dòng)機(jī)

NDN基于轉(zhuǎn)發(fā)信息庫（forwardinginformationbase，F(xiàn)IB）、未決信息表（PIT）和內(nèi)容存儲(chǔ)庫（content store，CS）對(duì)用于請(qǐng)求內(nèi)容的興趣（Interest）包和包含相應(yīng)內(nèi)容的數(shù)據(jù)（Data）包進(jìn)行處理，采用拉?。╬ull）數(shù)據(jù)方式完成通信[18-19]。其中，F(xiàn)IB存儲(chǔ)用于Interest包轉(zhuǎn)發(fā)的信息；PIT臨時(shí)保存正在獲得服務(wù)的Interest包信息，并根據(jù)這些信息在收到返回的Data包時(shí)進(jìn)行分發(fā)；CS負(fù)責(zé)緩存轉(zhuǎn)發(fā)過的內(nèi)容，以服務(wù)未來請(qǐng)求相同內(nèi)容的Interest包。當(dāng)收到一個(gè)Interest包時(shí)，節(jié)點(diǎn)將依次對(duì)PIT、CS和FIB進(jìn)行查找。查找命中PIT的Interest包信息將存入對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)中。查找命中CS的Interest包將直接從CS緩存中得到服務(wù)。查找命中FIB的Interest包將依據(jù)表項(xiàng)信息轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)Data包返回時(shí)，將根據(jù)PIT表項(xiàng)中的信息進(jìn)行分發(fā)以服務(wù)之前的Interest請(qǐng)求，并緩存至CS中。NDN中網(wǎng)絡(luò)包的處理轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖3所示。

Fig.3 Working process in NDN圖3 NDN處理流程

在圖2所示的場(chǎng)景中，用戶處地面終端為多個(gè)用戶設(shè)備提供服務(wù)。為了獲得連續(xù)視頻直播數(shù)據(jù)流，用戶設(shè)備需要發(fā)送連續(xù)的Interest包。第一個(gè)Interest包將會(huì)被地面終端轉(zhuǎn)發(fā)給衛(wèi)星，并在PIT表中新建相應(yīng)表項(xiàng)。后續(xù)到達(dá)的請(qǐng)求相同內(nèi)容的Interest包由于命中已有PIT表項(xiàng)，將被存入對(duì)應(yīng)表項(xiàng)中，不會(huì)產(chǎn)生額外的衛(wèi)星通信。不同地面終端可能發(fā)出相同內(nèi)容請(qǐng)求的Interest包，這些Interest包經(jīng)由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)服務(wù)器處地面終端。同樣，由于PIT機(jī)制，只有一個(gè)Interest包會(huì)被發(fā)往服務(wù)器。當(dāng)Data包返回時(shí)，服務(wù)器處地面終端將Data包轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星進(jìn)行廣播。衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有地面終端都將收到衛(wèi)星廣播的Data包。針對(duì)某一區(qū)域內(nèi)的所有地面終端，一次Data包廣播可以滿足所有處于等候狀態(tài)的PIT表項(xiàng)。節(jié)點(diǎn)處CS通過緩存轉(zhuǎn)發(fā)的內(nèi)容，可以滿足延遲或重傳的請(qǐng)求，以此顯著減少網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。此外，基于CS機(jī)制還可以實(shí)現(xiàn)如即時(shí)重放以及緩存點(diǎn)播等功能。

基于NDN提供視頻直播衛(wèi)星廣播服務(wù)主要有以下3種優(yōu)勢(shì)：第一，用戶地面終端對(duì)請(qǐng)求相同內(nèi)容Interest包的聚合不會(huì)讓衛(wèi)星承受巨大傳輸壓力。第二，相同的情況發(fā)生在服務(wù)器地面終端處，服務(wù)器收到的實(shí)際請(qǐng)求數(shù)量將有效減少。第三，衛(wèi)星進(jìn)行一次Data包廣播能夠服務(wù)區(qū)域內(nèi)的所有請(qǐng)求過該內(nèi)容的終端，一定程度上擴(kuò)展了服務(wù)范圍，簡化了系統(tǒng)的處理過程，降低了實(shí)現(xiàn)難度。未發(fā)送內(nèi)容請(qǐng)求的地面終端通過無意監(jiān)聽方式獲得廣播的Data包，可進(jìn)一步擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)其他功能。

此外，系統(tǒng)在部署與使用方面也存在一些便捷之處。應(yīng)用系統(tǒng)可以單獨(dú)工作，提供完整的視頻直播服務(wù)，也可以與傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)視頻直播系統(tǒng)一同提供服務(wù)。當(dāng)某一直播節(jié)目非常流行且需要在大范圍內(nèi)進(jìn)行分發(fā)時(shí)，服務(wù)提供者可以選擇使用衛(wèi)星同地面網(wǎng)絡(luò)一起完成數(shù)據(jù)傳輸。通過衛(wèi)星直播視頻廣播系統(tǒng)，內(nèi)容提供者還可以推廣某些節(jié)目。部分用戶可通過付費(fèi)方式獲得更多節(jié)目。對(duì)于無法接入到地面網(wǎng)絡(luò)的偏遠(yuǎn)地區(qū)或相對(duì)極端環(huán)境下的用戶，該系統(tǒng)更具意義。

4 RDT問題與DPIT機(jī)制

4.1 RDT問題

3.2節(jié)基于具體場(chǎng)景說明了基于NDN通過衛(wèi)星廣播提供網(wǎng)絡(luò)視頻直播服務(wù)的優(yōu)勢(shì)，但該場(chǎng)景比較理想，沒有對(duì)衛(wèi)星鏈路的高傳播延遲以及視頻直播請(qǐng)求發(fā)出時(shí)間的不一致性進(jìn)行討論。由于各用戶地面終端局域網(wǎng)環(huán)境和數(shù)據(jù)處理能力上存在差異，即使在直播應(yīng)用中，各地面終端很難同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求相同內(nèi)容的Interest包。現(xiàn)實(shí)中類似情況比較常見，比如同一局域網(wǎng)中不同設(shè)備同一時(shí)刻觀看的網(wǎng)絡(luò)視頻直播內(nèi)容存在時(shí)間差異。基于NDN的視頻直播衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中，服務(wù)器處地面終端很可能在不同時(shí)刻收到請(qǐng)求相同內(nèi)容的Interest包，這將導(dǎo)致冗余數(shù)據(jù)傳輸問題出現(xiàn)。

以圖2中用戶處地面終端(T0,T1,T2),衛(wèi)星(SAT1)和服務(wù)器處地面終端(GW)所在場(chǎng)景（含連接的用戶設(shè)備和服務(wù)器）為例，場(chǎng)景中網(wǎng)絡(luò)包傳遞情況如圖4所示，X軸上橫坐標(biāo)ti(i=0,1,2,…)代表時(shí)間點(diǎn)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間差代表衛(wèi)星到地面終端的傳播延遲，Y軸上縱坐標(biāo)代表網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)點(diǎn)。3個(gè)終端分別在t0和t1之間3個(gè)不同時(shí)刻發(fā)出請(qǐng)求相同內(nèi)容的Interest包，當(dāng)來自T1的第一個(gè)興趣包在t2時(shí)刻到達(dá)GW時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)的PIT表項(xiàng)，在收到返回的Data包之前將會(huì)出現(xiàn)一小段等待時(shí)間（圖中灰色區(qū)域所示）。在灰色時(shí)間內(nèi)到達(dá)的Interest包將會(huì)命中已經(jīng)存在的PIT表項(xiàng)。在灰色時(shí)間后，Data包到達(dá)GW，對(duì)應(yīng)的PIT表項(xiàng)獲得服務(wù)并移除，Data包（D1）將被發(fā)往SAT1進(jìn)行廣播。同時(shí)，GW處CS將緩存相應(yīng)內(nèi)容。由于存在傳播延遲，所有終端將在大約t4時(shí)刻收到由衛(wèi)星廣播的D1，所有處于等待中的終端(T0,T1,T2)均可獲得服務(wù)。

Fig.4 Events in live video broadcasting over satellite with original NDN圖4 基于標(biāo)準(zhǔn)NDN視頻直播衛(wèi)星廣播系統(tǒng)包傳遞過程

在發(fā)出D1后，由終端T2發(fā)出的Interest包將到達(dá)GW，由于具有相同名字前綴的PIT表項(xiàng)已經(jīng)移除，將產(chǎn)生一個(gè)新的PIT表項(xiàng)存儲(chǔ)Interest包的信息，并對(duì)CS進(jìn)行查找，查找命中之前緩存的內(nèi)容，包含相同內(nèi)容的Data包(D2)將再次被GW發(fā)出，衛(wèi)星在收到D2后將再次進(jìn)行廣播，所有終端都將接收到D2。從T2的角度來看，發(fā)出的Interest包由約t4時(shí)刻接收到的D1服務(wù)。因此，D2將會(huì)被T2直接忽略，即使該Data包是由于GW為了滿足其發(fā)送的Interest包而發(fā)送的。更糟糕的是，所有終端都將收到第二個(gè)廣播Data包，該Data包對(duì)于所有不包含相應(yīng)PIT表項(xiàng)的終端來說都是冗余的，這就是RDT問題。

假設(shè)用戶處地面終端與服務(wù)器處地面終端之間的傳播延遲為td，圖4中GW等待Data包的時(shí)間（灰色區(qū)域）為Δt。如果t0時(shí)刻發(fā)出了請(qǐng)求內(nèi)容的第一個(gè)Interest包，那么t時(shí)刻發(fā)出的請(qǐng)求相同內(nèi)容的Interest包若滿足如下條件將觸發(fā)一次RDT：

需要注意的是，Δt相對(duì)td比較小，且在基于NDN的視頻直播衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中存在大量相同內(nèi)容請(qǐng)求的Interest包，RDT問題會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)。服務(wù)器處地面終端衛(wèi)星將發(fā)送大量無意義的Data包，這些Data包經(jīng)由衛(wèi)星廣播后將被覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有終端接收，在浪費(fèi)系統(tǒng)內(nèi)的通信計(jì)算資源的同時(shí)，也增加了地面終端數(shù)據(jù)處理的壓力。

4.2 DPIT機(jī)制

根據(jù)4.1節(jié)的內(nèi)容，RDT問題是由衛(wèi)星鏈路較高的傳播延遲造成的。實(shí)際上，服務(wù)器處地面終端并不了解這種情況，因?yàn)閭鞑パ舆t并不是NDN體系結(jié)構(gòu)直接支持的參數(shù)。在這種情況下，服務(wù)器處地面終端接收了會(huì)導(dǎo)致RDT問題的Interest包，即使這些Interest包可以從之前發(fā)出的Data包獲得服務(wù)。為了解決這個(gè)問題，本文提出了一種可以讓NDN適應(yīng)較高傳播延遲的方法。該方法基于標(biāo)準(zhǔn)NDN中PIT機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，稱為容遲未決信息表（DPIT）。DPIT同標(biāo)準(zhǔn)CS和FIB一同部署在服務(wù)器處地面終端上。

根據(jù)式（1），服務(wù)器處地面終端在發(fā)出Data包后2td時(shí)間內(nèi)接收到請(qǐng)求相同內(nèi)容的Interest包時(shí)，RDT問題將出現(xiàn)。由于具有相同名字前綴的PIT表項(xiàng)已被移除，NDN無法知曉導(dǎo)致RDT問題的Interest包實(shí)際上已經(jīng)可以由前面發(fā)送的Data包服務(wù)。改進(jìn)NDN體系結(jié)構(gòu)通過感知通信延遲將能夠解決由于較高的鏈路傳播延遲帶來的RDT問題。PIT表項(xiàng)中記錄了等待服務(wù)的Interest包信息，如果延遲PIT表項(xiàng)的移除，則后續(xù)導(dǎo)致RDT問題的Interest包可以被延遲的PIT表項(xiàng)聚合，不會(huì)對(duì)CS進(jìn)行查找，不會(huì)出現(xiàn)RDT問題。根據(jù)式（1），PIT表項(xiàng)的移除應(yīng)延遲2td。

以圖4所在場(chǎng)景為例，在服務(wù)器處地面終端部署DPIT機(jī)制的情況下，圖中灰色區(qū)域擴(kuò)展至Data包發(fā)出后2td的時(shí)間，來自T2的Interest包將不會(huì)造成RDT問題，因?yàn)樵撜?qǐng)求被處于延遲移除狀態(tài)的DPIT表項(xiàng)消耗。所有終端都能從廣播Data包中獲得服務(wù)，數(shù)據(jù)通信能夠正常完成。

標(biāo)準(zhǔn)PIT表項(xiàng)中主要包含Interest包中用于內(nèi)容分發(fā)的信息，例如名字前綴、到達(dá)的端口號(hào)（此端口為NDN結(jié)構(gòu)中的FaceID，下文相同）以及用于標(biāo)識(shí)不同Interest包的奇異值等。為了實(shí)現(xiàn)DPIT機(jī)制，標(biāo)準(zhǔn)NDN中PIT機(jī)制需要進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)主要包含兩方面：首先，表項(xiàng)中應(yīng)當(dāng)包含一個(gè)用于區(qū)分正常表項(xiàng)還是延遲表項(xiàng)的狀態(tài)標(biāo)志。正常表項(xiàng)意味著一個(gè)或多個(gè)相關(guān)Interest包仍處于等待Data包返回狀態(tài)，延遲表項(xiàng)意味著具有相同名字前綴對(duì)應(yīng)的Data包已經(jīng)發(fā)出，表項(xiàng)將在一段時(shí)間后移除。其次，表項(xiàng)中還應(yīng)添加延遲時(shí)間的記錄。在延遲時(shí)間內(nèi)，任何新到達(dá)的具有相同名字前綴的興趣包都會(huì)被DPIT表項(xiàng)消耗。在延遲時(shí)間耗盡后，DPIT表項(xiàng)將會(huì)移除。為保證系統(tǒng)正常工作，延遲時(shí)間等于2td。

基于改進(jìn)NDN的視頻直播衛(wèi)星廣播系統(tǒng)通信效率更高。然而，僅在標(biāo)準(zhǔn)PIT表項(xiàng)中添加一項(xiàng)延遲時(shí)間的記錄可能會(huì)帶來一些問題。第3章引入了抽象衛(wèi)星的概念，實(shí)際上，為了讓視頻直播服務(wù)可以覆蓋更多用戶，系統(tǒng)需要多顆抽象衛(wèi)星與服務(wù)器處地面終端相連，以完成大范圍內(nèi)容分發(fā)。這些衛(wèi)星到達(dá)地面終端的傳播延遲可能相同也可能不同。鏈路傳播延遲最小的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的Interest包將最先到達(dá)服務(wù)器處地面終端，DPIT中將添加一個(gè)新的表項(xiàng)，之后Data包返回時(shí)，處于等待服務(wù)狀態(tài)的Interest包都將獲得服務(wù)。根據(jù)前文所述，表項(xiàng)的移除將延遲2td，表項(xiàng)被標(biāo)記為延遲狀態(tài)。由其他衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的Interest包很可能會(huì)命中延遲表項(xiàng)，這些Interest包被該表項(xiàng)聚合，無法獲得服務(wù)，系統(tǒng)通信不能正常進(jìn)行。

為了讓DPIT機(jī)制能夠適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，提供大范圍視頻直播廣播服務(wù)，本文對(duì)DPIT機(jī)制進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)。衛(wèi)星系統(tǒng)通信時(shí)可以通過多址技術(shù)對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。對(duì)處于上層的NDN來說，經(jīng)由不同鏈路轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)體現(xiàn)為到達(dá)端口號(hào)上的不同。在服務(wù)器處地面終端上，NDN可以通過到達(dá)端口號(hào)區(qū)分Interest包經(jīng)過的空間傳播鏈路，即識(shí)別轉(zhuǎn)發(fā)該Interest包的抽象衛(wèi)星。改進(jìn)后的DPIT表結(jié)構(gòu)如圖5所示，DPIT表項(xiàng)根據(jù)Interest包到達(dá)端口號(hào)進(jìn)一步劃分為多個(gè)子項(xiàng)，每個(gè)子項(xiàng)中都包含對(duì)應(yīng)的端口號(hào)、用于標(biāo)記子項(xiàng)是否延遲的狀態(tài)標(biāo)志以及相應(yīng)的延遲時(shí)間記錄，子項(xiàng)延遲時(shí)間的記錄與端口號(hào)對(duì)應(yīng)。處于正常狀態(tài)的子項(xiàng)表示到達(dá)該端口的Interest包等待Data包返回，處于延遲狀態(tài)的子項(xiàng)表示到達(dá)該端口的Interest包已經(jīng)得到服務(wù)，表項(xiàng)將在延遲時(shí)間耗盡后移除。擴(kuò)展后的表項(xiàng)狀態(tài)包括正常狀態(tài)、延遲狀態(tài)和混合狀態(tài)3種。其中正常狀態(tài)表示表項(xiàng)中所有子項(xiàng)都處于正常狀態(tài)，延遲狀態(tài)表示表項(xiàng)中所有子項(xiàng)都處于延遲狀態(tài)，混合狀態(tài)表示表項(xiàng)中部分子項(xiàng)處于正常狀態(tài)。

Fig.5 Architecture of DPIT table圖5 DPIT表結(jié)構(gòu)

Fig.6 Working process in revised NDN with DPIT圖6 具有DPIT的NDN處理流程

服務(wù)器處地面終端上部署的具有DPIT機(jī)制的改進(jìn)NDN工作流程如圖6所示。當(dāng)一個(gè)Interest包到達(dá)服務(wù)器處地面終端時(shí)，將依次對(duì)DPIT、CS和FIB進(jìn)行查找。對(duì)查找命中DPIT表項(xiàng)Interest包的處理取決于Interest包到達(dá)端口是否存在于該表項(xiàng)中以及該表項(xiàng)的狀態(tài)。對(duì)于到達(dá)端口包含在該表項(xiàng)中的Inter-est包，不對(duì)CS進(jìn)行查找；對(duì)于到達(dá)端口不在該表項(xiàng)中的Interest包的處理由表項(xiàng)的狀態(tài)決定。若表項(xiàng)處于正?；蚧旌蠣顟B(tài)，說明已有相關(guān)請(qǐng)求發(fā)出，相同請(qǐng)求無須再次發(fā)送，此時(shí)將新到達(dá)端口添加到表項(xiàng)中，標(biāo)記為正常狀態(tài)，等待Data包返回；若表項(xiàng)處于延遲狀態(tài)，說明CS中含有相應(yīng)內(nèi)容的緩存，此時(shí)將新端口添加到表項(xiàng)中，標(biāo)記為正常狀態(tài)，表項(xiàng)改為混合狀態(tài)，對(duì)CS進(jìn)行進(jìn)一步查找以獲得請(qǐng)求內(nèi)容。在CS查找命中后，包含相應(yīng)內(nèi)容的Data包從表項(xiàng)中所有處于正常狀態(tài)子項(xiàng)中的端口發(fā)出，并將這些子項(xiàng)標(biāo)記為延遲狀態(tài)，并添加相應(yīng)延遲時(shí)間記錄，同時(shí)將表項(xiàng)改回延遲狀態(tài)。服務(wù)器處地面終端對(duì)于返回Data包的處理與標(biāo)準(zhǔn)NDN基本相似，唯一不同之處在于DPIT表項(xiàng)及其中所有子項(xiàng)都會(huì)被標(biāo)記為延遲狀態(tài)，Data包會(huì)從表項(xiàng)中所有端口發(fā)出，子項(xiàng)中將添加相應(yīng)延遲時(shí)間記錄。對(duì)于處于延遲狀態(tài)下的子項(xiàng)，當(dāng)延遲時(shí)間耗盡時(shí)將移除。在延遲表項(xiàng)中最后一個(gè)子項(xiàng)移除后，該表項(xiàng)移除。

5 實(shí)驗(yàn)分析與性能評(píng)估

本章主要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和性能評(píng)估，旨在分析衛(wèi)星廣播網(wǎng)絡(luò)視頻直播系統(tǒng)中，應(yīng)用改進(jìn)NDN是否能有效減少系統(tǒng)中由于空間鏈路較高的傳播延遲造成的冗余數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)象。

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以ndnSIM模擬器[20-21]為基礎(chǔ)，模擬應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)NDN和改進(jìn)NDN時(shí)網(wǎng)絡(luò)包的傳遞處理過程。實(shí)驗(yàn)中采用類似圖2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用抽象衛(wèi)星代替實(shí)際鏈路中多顆衛(wèi)星。ndnSIM可通過讀取文件來獲取拓?fù)湫畔⒑玩溌沸畔?。?shí)驗(yàn)中包含前文所述的5種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，衛(wèi)星僅對(duì)收到的Interest包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)Data包進(jìn)行廣播。實(shí)驗(yàn)中DPIT部署于服務(wù)器處地面終端。

實(shí)驗(yàn)中td設(shè)置為50 ms到250 ms之間。用戶設(shè)備在60 s內(nèi)以每秒5包的頻率發(fā)送Interest包。為了模擬局域網(wǎng)差異，每個(gè)用戶設(shè)備隨機(jī)延遲一段時(shí)間發(fā)送Interest包。通過對(duì)ndnSIM模擬器進(jìn)行修改，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上收集并統(tǒng)計(jì)所有終端接收到的Data包總量與發(fā)送Interest包總量。實(shí)驗(yàn)中將二者比值作為性能指標(biāo)，比值越大說明冗余越嚴(yán)重。

考慮到實(shí)際情況中不同的視頻直播節(jié)目流行程度各有差異，實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)定用戶設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求的概率模擬節(jié)目流行程度，節(jié)目越流行，用戶設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求概率越高。一旦確定發(fā)送請(qǐng)求，用戶設(shè)備將在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)發(fā)送Interest包；反之，用戶設(shè)備將不發(fā)送Interest包。為了進(jìn)行全面比較，本文一共進(jìn)行6組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

第1組實(shí)驗(yàn)主要分析視頻流行程度對(duì)系統(tǒng)效率的影響，并對(duì)不同流行程度下改進(jìn)NDN與標(biāo)準(zhǔn)NDN性能進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中包含一顆鏈路往返延遲為250 ms的抽象衛(wèi)星以及50個(gè)用戶處地面終端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，改進(jìn)NDN可以有效減少系統(tǒng)中的冗余數(shù)據(jù)傳輸。隨著視頻流行程度的提升，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)NDN時(shí)系統(tǒng)中冗余比基本不變，而應(yīng)用改進(jìn)NDN時(shí)系統(tǒng)中冗余比會(huì)不斷下降，對(duì)于系統(tǒng)效率提升更大。當(dāng)視頻流行程度為1，即每個(gè)用戶地面終端都轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求時(shí)，應(yīng)用改進(jìn)NDN時(shí)系統(tǒng)基本可以做到無冗余數(shù)據(jù)傳輸。

Fig.7 Redundancy in scenario including one satellite with different radio of sending request圖7 單顆衛(wèi)星場(chǎng)景不同流行程度冗余對(duì)比

為了更加接近真實(shí)使用場(chǎng)景，后續(xù)5組實(shí)驗(yàn)中每個(gè)用戶設(shè)備隨機(jī)以20%至80%間的概率發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求。其中，第2、3、4組實(shí)驗(yàn)中用戶處地面終端與內(nèi)容服務(wù)器處地面終端間傳播延遲相同，均為250 ms；第5、6組實(shí)驗(yàn)中不同區(qū)域的用戶處地面終端與內(nèi)容服務(wù)器處地面終端間傳播延遲不同，傳播延遲設(shè)置在50 ms到250 ms之間，服從均勻分布（例如，3顆衛(wèi)星延遲為50、150、250 ms，5顆衛(wèi)星延遲為50、100、150、200、250 ms）。

第2組實(shí)驗(yàn)中只包含一顆衛(wèi)星，用戶處地面終端數(shù)量不固定，具體設(shè)定在10至100之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，改進(jìn)NDN可以有效減少系統(tǒng)中的冗余數(shù)據(jù)傳輸。地面終端數(shù)量越多，造成RDT問題的Interest包數(shù)量越多，衛(wèi)星在廣播時(shí)分發(fā)的冗余Data包也越多，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)NDN冗余更嚴(yán)重，改進(jìn)NDN對(duì)系統(tǒng)性能提升越大。改進(jìn)NDN中可通過DPIT對(duì)造成RDT問題的Interest包進(jìn)行聚合，因此改進(jìn)NDN中冗余比基本不變。

Fig.8 Redundancy in scenario including one satellite圖8 單顆衛(wèi)星場(chǎng)景冗余對(duì)比

第3組實(shí)驗(yàn)與第2組實(shí)驗(yàn)相似，區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中包含5顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星服務(wù)終端數(shù)量不固定，具體設(shè)定在5至50之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。與第2組實(shí)驗(yàn)相同，改進(jìn)NDN具有更好的性能，且性能提升隨著終端數(shù)量增多而增加。結(jié)合第2組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)?shù)孛娼K端總量相同時(shí)，單顆衛(wèi)星服務(wù)地面終端數(shù)量越少，導(dǎo)致RDT問題的Interest包以及觸發(fā)的冗余廣播Data包更少，采用標(biāo)準(zhǔn)NDN時(shí)冗余數(shù)據(jù)傳輸越少，改進(jìn)NDN對(duì)于系統(tǒng)性能提升越小。

Fig.9 Redundancy in scenario including multiple satellites with same propagation delay(the number of satellites is stable)圖9 多顆同延遲衛(wèi)星場(chǎng)景冗余對(duì)比（衛(wèi)星數(shù)量固定）

第4組實(shí)驗(yàn)中每顆衛(wèi)星為20個(gè)地面終端提供服務(wù)，衛(wèi)星數(shù)量不固定，設(shè)定在2至20之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，改進(jìn)NDN性能更好，與第2、3組實(shí)驗(yàn)不同，性能提升比較穩(wěn)定，基本不隨衛(wèi)星數(shù)量增加而變化。單顆衛(wèi)星服務(wù)終端數(shù)量固定，導(dǎo)致RDT問題的Interest包以及觸發(fā)的冗余廣播Data包數(shù)量基本不變。對(duì)第2、3、4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合對(duì)比后可知，地面終端總數(shù)一定時(shí)，衛(wèi)星數(shù)量越少，單顆衛(wèi)星服務(wù)終端越多，造成RDT問題的Interest包數(shù)量越多，出現(xiàn)RDT問題時(shí)產(chǎn)生的冗余Data包越多，采用標(biāo)準(zhǔn)NDN時(shí)冗余越多，應(yīng)用改進(jìn)NDN性能提升越大。在用戶處地面終端到服務(wù)器處地面終端傳播延遲與視頻流行程度相同的情況下，冗余程度主要與單顆衛(wèi)星服務(wù)終端數(shù)量相關(guān)，衛(wèi)星數(shù)量的提升并不會(huì)造成更嚴(yán)重的冗余數(shù)據(jù)傳輸。

Fig.10 Redundancy in scenario including multiple satellites with same propagation delay(the number of satellites is unstable)圖10 多顆同延遲衛(wèi)星場(chǎng)景冗余對(duì)比（衛(wèi)星數(shù)量不固定）

第5組實(shí)驗(yàn)中包含5顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星服務(wù)終端數(shù)量不固定，具體設(shè)定在5至50之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，改進(jìn)NDN性能更好，且性能提升隨著衛(wèi)星數(shù)量增多而增加。與除傳播延遲外其他參數(shù)相同的第3組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，傳播延遲不同的場(chǎng)景下冗余數(shù)據(jù)傳輸問題更嚴(yán)重。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)NDN時(shí)，傳播延遲最小的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的Interest包將先獲得服務(wù)，相關(guān)PIT表項(xiàng)移除，服務(wù)器處地面終端CS中緩存請(qǐng)求的內(nèi)容。后續(xù)經(jīng)由傳播延遲更高鏈路到達(dá)的絕大部分Interest包幾乎都會(huì)導(dǎo)致一次冗余數(shù)據(jù)傳輸。

Fig.11 Redundancy in scenario including multiple satellites with different propagation delay(the number of satellites is stable)圖11 多顆不同延遲衛(wèi)星場(chǎng)景冗余對(duì)比（衛(wèi)星數(shù)量固定）

第6組實(shí)驗(yàn)中衛(wèi)星數(shù)量不固定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，與第4組實(shí)驗(yàn)相似，改進(jìn)NDN性能更好，但性能提升不隨衛(wèi)星數(shù)量增加而波動(dòng)。在第5、6組實(shí)驗(yàn)中，單顆衛(wèi)星服務(wù)終端越多，采用標(biāo)準(zhǔn)NDN時(shí)冗余越多，應(yīng)用改進(jìn)NDN性能提升越大。與第3、4組實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星及單顆衛(wèi)星服務(wù)終端數(shù)量以及視頻流行程度相同時(shí)，延遲不同情況下采用標(biāo)準(zhǔn)NDN時(shí)存在冗余越多，改進(jìn)NDN對(duì)于系統(tǒng)性能提升越大。

Fig.12 Redundancy in scenario including multiple satellites with different propagation delay(the number of satellites is unstable)圖12 多顆不同延遲衛(wèi)星場(chǎng)景冗余對(duì)比（衛(wèi)星數(shù)量不固定）

根據(jù)以上6組對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：應(yīng)用改進(jìn)NDN時(shí)，視頻越流行，冗余數(shù)據(jù)傳輸越少，衛(wèi)星數(shù)量、單顆衛(wèi)星服務(wù)終端數(shù)量以及傳播延遲差異影響較??；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)NDN時(shí)，單顆衛(wèi)星服務(wù)終端數(shù)量越多，冗余數(shù)據(jù)傳輸越高，傳播延遲不同時(shí)冗余數(shù)據(jù)傳輸更嚴(yán)重，衛(wèi)星數(shù)量以及視頻流行程度影響較小。

6 結(jié)論

本文闡述了基于NDN的衛(wèi)星廣播視頻直播的背景、方案和應(yīng)用價(jià)值，分析并說明了由于較高的空間鏈路傳播延遲帶來的冗余數(shù)據(jù)傳輸（RDT）問題，并提出了可以提升效率的容遲未決信息表（DPIT）機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)NDN相比，帶有DPIT的改進(jìn)NDN可以有效減少RDT問題帶來的影響，提升應(yīng)用效率。本文研究方法不僅限于衛(wèi)星廣播網(wǎng)絡(luò)視頻直播應(yīng)用中，也可以應(yīng)用于其他基于衛(wèi)星開展的大規(guī)模內(nèi)容分發(fā)應(yīng)用或鏈路傳播延遲較高的相關(guān)場(chǎng)景。

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