溫宇強(qiáng) 邵孟良 廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院

引言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在廣播電視，而衛(wèi)星做廣播電視播出的使用率并不高。如傳統(tǒng)的電視臺(tái),50%以上的內(nèi)容是重播的內(nèi)容,當(dāng)電視臺(tái)受眾的地區(qū)處于非收視的高峰時(shí)段,甚至電視臺(tái)會(huì)停播,信號(hào)中斷用以做設(shè)備維護(hù)，這導(dǎo)致廣播信道利用率及其低下。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,維持廣播內(nèi)容制作的廣告業(yè)務(wù)收入大部分被互聯(lián)網(wǎng)廣告占據(jù)，導(dǎo)致全球的廣電運(yùn)營(yíng)商普遍經(jīng)營(yíng)慘淡。三網(wǎng)融合，是我國(guó)很早提出來(lái)的產(chǎn)業(yè)政策，但是現(xiàn)在看來(lái)，電信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一了三網(wǎng)，廣播網(wǎng)絡(luò)似乎將要被時(shí)代拋棄。本文從技術(shù)角度來(lái)分析廣播網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中應(yīng)用,利用廣播網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特性產(chǎn)生新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，推動(dòng)廣播網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合。

1 無(wú)線廣播網(wǎng)絡(luò)的特性與新型網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 無(wú)線廣播信道的優(yōu)勢(shì)

相比于雙向有線信道或雙向無(wú)線信道，無(wú)線廣播信道是有其自身的運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)。

(1)無(wú)線信道不需要維護(hù)。

(2)無(wú)線廣播網(wǎng)絡(luò)傳輸信息實(shí)時(shí)性好[1]，此點(diǎn)后面4 小節(jié)說(shuō)明。

(3)信號(hào)功率小,節(jié)能。根據(jù)[2]可知衛(wèi)星信道的功率，[3]可知現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備規(guī)模。

(4)信號(hào)扇出比無(wú)限大。

(5)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣。

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新模型

目前CDN 系統(tǒng)是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，我們現(xiàn)在的網(wǎng)站、流媒體、軟件更新等大量的服務(wù)要基于CDN 系統(tǒng)。

顯然,完成把相同的內(nèi)容分發(fā)到不同的節(jié)點(diǎn)上這項(xiàng)工作,利用廣播信道進(jìn)行傳輸效率會(huì)更高。于是,我們提出了一種新型的CDN系統(tǒng)架構(gòu)[5]：信道異構(gòu)CDN 系統(tǒng)(Channel Heterogeneous CDNCHCDN)系統(tǒng)。

圖1 CHCDN 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信道異構(gòu)CDN系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括幾個(gè)部分：中心節(jié)點(diǎn) ，廣播信道，邊緣節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)廣播數(shù)據(jù)的匯總發(fā)送，中心節(jié)點(diǎn)應(yīng)該理解為一個(gè)計(jì)算集群。中心節(jié)點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng)中。

廣播數(shù)據(jù)通過(guò)廣播信道發(fā)送給邊緣節(jié)點(diǎn)。廣播信道的例子：衛(wèi)星信道。

邊緣節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收廣播信道的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)緩存在本地，為本地用戶提供服務(wù)。邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)理解為一個(gè)邊緣計(jì)算中心，邊緣節(jié)點(diǎn)也連接到互聯(lián)網(wǎng)中。

系統(tǒng)交互協(xié)議：

中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取到的信息預(yù)測(cè)，或通過(guò)內(nèi)容運(yùn)營(yíng)商的信道預(yù)定，安排要通過(guò)廣播信道發(fā)布的內(nèi)容。同時(shí)，對(duì)即時(shí)發(fā)生重大事件相關(guān)的信息進(jìn)行匯總。并對(duì)不同數(shù)據(jù)分配不同的帶寬和優(yōu)先級(jí)。信息的發(fā)布按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序。最后通過(guò)廣播信道發(fā)送經(jīng)過(guò)排隊(duì)的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)組織上，不同類型的信息會(huì)分類，并讓接收端容易進(jìn)行過(guò)濾。

邊緣節(jié)點(diǎn)根據(jù)所獲信息進(jìn)行分類處理。若該節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)中一些分類的內(nèi)容不感興趣，可以不處理而丟棄。對(duì)接收到的信息，需要實(shí)時(shí)交付的，會(huì)提交給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序做進(jìn)一步處理。若非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，邊緣節(jié)點(diǎn)將把數(shù)據(jù)存在硬盤中。邊緣節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)在邊緣系統(tǒng)中用戶使用數(shù)據(jù)的情況，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)的使用情況判斷是否需要清除陳舊數(shù)據(jù)。利用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型，用戶統(tǒng)計(jì)信息將會(huì)層層上報(bào)，直到中央節(jié)點(diǎn)，上層節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以提高系統(tǒng)對(duì)廣播數(shù)據(jù)定義的精準(zhǔn)度。對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)中用戶未命中的請(qǐng)求，邊緣節(jié)點(diǎn)將會(huì)把這個(gè)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至上層系統(tǒng)處理。邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，對(duì)用戶的服務(wù)，屬于傳統(tǒng)CDN 模型。

CHCDN 系統(tǒng)的模型只有兩級(jí)，中心節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)。除了中心節(jié)點(diǎn)外，其他的節(jié)點(diǎn)在CHCDN 系統(tǒng)中都是邊緣節(jié)點(diǎn)。

2 基于CHCDN 模型的內(nèi)容傳輸效率與延時(shí)抖動(dòng)性能分析

現(xiàn)對(duì)同樣多的用戶，利用不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，并對(duì)比結(jié)果。

設(shè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)度為d,深度為L(zhǎng) 的滿樹(shù)。信息的傳播是從樹(shù)根傳到樹(shù)葉，中間的節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。稱這個(gè)模型為有線滿樹(shù)模型。

該模型中共有葉子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)n：

作為對(duì)比，信息通過(guò)無(wú)線廣播網(wǎng)絡(luò)傳輸，可以直接從樹(shù)根，經(jīng)過(guò)廣播信道，到達(dá)樹(shù)葉。稱這個(gè)模型為無(wú)線廣播模型。CHCDN 系統(tǒng)即使用此模型。

圖2 有線滿樹(shù)模型與無(wú)線廣播模型

下面討論的問(wèn)題情境是：把大小為S 的文件f，從根傳輸?shù)剿腥~子節(jié)點(diǎn)。

我們先計(jì)算傳輸延時(shí)：

假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)每次傳輸S 大小的文件，需要處理的時(shí)間有p 的時(shí)間偏差，p 為隨機(jī)變量服從[-t,t]上的均勻分布。

無(wú)線廣播網(wǎng)絡(luò)傳輸中間的延遲只有信號(hào)從發(fā)射端到接收端的傳播延時(shí)B，而信號(hào)的傳播速度是接近光速的。數(shù)據(jù)在傳播過(guò)程中不需要再經(jīng)過(guò)中間設(shè)備，所以也不會(huì)產(chǎn)生新的延時(shí)。

有線滿樹(shù)模型中，傳輸每經(jīng)過(guò)一層就要再傳輸一次，假設(shè)每段有線鏈路的傳播時(shí)間都一樣為b,所以整個(gè)鏈路的傳播需要經(jīng)過(guò)L 段傳播，而每次傳播都會(huì)引入處理時(shí)間偏差p。

由于通過(guò)廣播信道傳輸，只需要傳一次，雖然公式(2)中有隨機(jī)變量p,但是終端接收到數(shù)據(jù)的時(shí)刻是一致的。所以通過(guò)廣播信道的接收端時(shí)間抖動(dòng)為：

把(3)代入(5)，且由p 服從均勻分布可得：

比較(4)和(6)，有線滿樹(shù)模型的傳輸抖動(dòng)明顯大。

下面分析把大小為S 的文件f，從根傳輸?shù)剿腥~子節(jié)點(diǎn)的總傳輸量：

由于傳輸量代表系統(tǒng)需要處理的總數(shù)據(jù)量，我們只在發(fā)送端統(tǒng)計(jì)，每次傳輸累加?？倲?shù)據(jù)傳輸量可以用來(lái)刻畫(huà)系統(tǒng)的傳輸效率。若總傳輸量大，此系統(tǒng)必然也要更多的處理能力（復(fù)雜度）和更多的資源投入。

通過(guò)2.1 節(jié)廣播信道的特性，文件f 只在信道中傳輸了一次，所以無(wú)線廣播網(wǎng)絡(luò)中的傳輸總量公式為：

根據(jù)公式(6),(8)我們看出使用有線滿樹(shù)模型，用戶規(guī)模越大傳輸?shù)难訒r(shí)抖動(dòng)越大，同時(shí)傳輸總量也越大；我們假設(shè)系統(tǒng)的d=100，t=1 秒，S=1MB 我們做出用戶規(guī)模與傳輸延時(shí)抖動(dòng)和傳輸總量的關(guān)系圖如下：

圖3 傳輸延時(shí)抖動(dòng)與傳輸總量變化關(guān)系

圖3 可以看出，有線滿樹(shù)模型隨用戶規(guī)模擴(kuò)張，傳輸延時(shí)抖動(dòng)和傳輸總量這兩個(gè)指標(biāo)上惡化非常迅速（這兩個(gè)指標(biāo)越小越好）。而無(wú)線廣播模型，根據(jù)公式(4)(7)，傳輸?shù)难訒r(shí)抖動(dòng)與傳輸總量都與用戶的規(guī)模無(wú)關(guān)，說(shuō)明CHCDN 系統(tǒng)利用廣播信道傳輸內(nèi)容到用戶這種方式的本質(zhì)優(yōu)勢(shì)。

3 總結(jié)

傳統(tǒng)的廣播信道由于互聯(lián)網(wǎng)的沖擊,已顯現(xiàn)出頹廢之態(tài),但是廣播信道有其自身的特點(diǎn),在新型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分利用廣播信道的特點(diǎn),形成新型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。CHCDN 是這種嘗試中的一個(gè)方案。本文通過(guò)分析,展現(xiàn)了廣播信道加入互聯(lián)網(wǎng)后,可能形成的新網(wǎng)絡(luò)特性。2017.4 月發(fā)射的實(shí)踐十三號(hào)的單顆衛(wèi)星通量也有20Gbps[6],CHCDN 是符合目前我國(guó)國(guó)情的互聯(lián)網(wǎng)新架構(gòu)。在目前中美貿(mào)易戰(zhàn)背景下，充分利用廣播信道，同時(shí)提高雙向有線信道的QoS，CHCDN 技術(shù)大有可為。