南台科技大學資訊工程系
研究報告
即時群播視訊串流的服務品質探討
Quality of Service
for Multicast Live Video Streaming
班級：碩研資工一甲
學號：MA0G0106
姓名：吳麟佑
共 15 頁 第 1 頁
目錄
圖目錄 ....................................................................................................................................... 3
摘要 ........................................................................................................................................... 4
Abstract ..................................................................................................................................... 5
一、
研究計畫之背景及目的 .............................................................................................. 6
1.1
研究之背景.............................................................................................................. 6
1.2 研究動機與目的 ............................................................................................................. 8
二、
研究方法、進行步驟及執行進度 .............................................................................. 9
2.1 研究方法與原因 ............................................................................................................. 9
2.2 激勵機制 ....................................................................................................................... 11
2.3 預計遭遇之困難及解決途徑 ....................................................................................... 12
2.4 合作式 推/拉 傳輸 ...................................................................................................... 13
2.5 執行進度 ....................................................................................................................... 14
三、
預期完成之工作項目及成果 .................................................................................... 15
3.1 預期完成之工作項目 .................................................................................................. 15
3.2 預期成果 ...................................................................................................................... 15
3.3 對於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻 .......................................... 16
四、
參考文獻 .................................................................................................................... 17
共 15 頁 第 2 頁
圖目錄
Figure 1 樹狀架構圖樹狀架構圖 ................................................................ 7
Figure 2 網狀架構圖網狀架構圖 ................................................................ 7
Figure 3 無中心伺服器的對等網路[5] ...................................................... 10
Figure 4 基於中心伺服器的對等網路[5] .................................................. 10
Figure 5 樹骨幹架構 ................................................................................... 12
Figure 6 推/拉 交換 ................................................................................... 13
Figure 7 工作進度表 ................................................................................... 15
Figure 8A 節點到 C 節點式意圖................................................................ 16
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摘要
端點對端點技術（peer-to-peer， 簡稱 P2P）又稱對等網際網路技術，是一
種網路新技術，依賴網路中參與者的計算能力和頻寬，而不是把依賴都聚集在較
少的幾台伺服器上。P2P 網路通常用於透過 Ad Hoc 連線來連線節點。這類網路
可以用於多種用途，各種檔案分享軟體已經得到了廣泛的使用。P2P 技術也被使
用在類似 VoIP 等即時媒體業務的資料通訊中。
純端點對端點網路沒有用戶端或伺服器的概念，只有平等的同級節點，同時
對網路上的其它節點充當用戶端和伺服器。這種網路設計模型不同於用戶端-伺
服器模型，在用戶端-伺服器模型中通訊通常來往於一個中央伺服器。
P2P 採用了應用層堆疊式網路，達到網路資料傳送的低延遲高效率的品質，
但是堆疊式群播樹(multicast overlay tree)的缺點在於動態的終端節點(end-hosts)
上，然而採用網狀式架構來傳輸，可使多個鄰近節點來互相傳遞資料，大大提升
了堆疊式的彈性度。
基於這樣的方法，提出的做法就是合作式的樹狀網路設計，建立一個穩定節
點樹狀式骨幹(tree-based backbone)架構，資料可以被推(pushed)進樹的骨幹
(treebone)中，穩定節點與其他節點可以更進一步組織成堆疊(overlay)的輔助式網
狀(auxiliary mesh)網路，達到群播串流的服務品質。
關鍵詞：群播、樹狀架構、堆疊
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Abstract
Peer-to-peer (P2P) networking is called equal-internet, which depended on
computing and bandwidth of a participator in network, it is not to depend on a less
servers. P2P network is used connect node through Ad Hoc. These networks are used
to share software and VoIP data communication of real-time multimedia.
Peer-to-peer is not an accept of client to server, only equal node. Simultaneously,
the other nodes to do duty as client and as sever on internet. This design to different
on client-server model, which is communication on center server to client-server
model.
However, P2P adopts to overlay networks, which achieve delivery data
low-delay and high-efficiency of quality, which is known vulnerable to end-hosts
dynamics. To adopt mesh structure to communication can be used connect data in
neighbor nodes and thus, greatly improves the overlay resilience.
Motivated by this observation, we then suggest a novel collaborative tree-mesh
design that leverages both mesh and tree structures. To set of stable nodes to construct
a tree-based backbone, with most of the data being pushed over this backbone, these
stable nodes, together with others, are further organized through an auxiliary mesh
overlay network, which achieved quality of service for multicast live video steaming.
Keyword：Multicast、Tree-based、Overlay
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一、
研究計畫之背景及目的
1.1 研究之背景
你今天 YouTube 了嗎？根據 YouTube，每天有超過 7000 萬人上 YouTube
收看其上載的影片，YouTube 堪稱 Web2.0 的代表作之一，據統計，2006
年第一季投注在 Web 2.0 相關公司的創投資金達到 8 億 700 萬美元[1]，至
2006 年，YouTube 已有 4000 萬條短片，每天吸引 600 萬人瀏覽；在成立後
的短短 15 個月，已超越 MSN Video 與 Google Video 等競爭對手，成為本
世紀最多人瀏覽的網站，可見 YouTube 的魅力。
YouTube 採用 Sorenson Spark 與 Adobe Flash9 提供影像編碼之技術，將
用戶上傳的影像檔案進行壓縮及轉檔。YouTube 影像品質遠不如 RealVideo
與 Windows Media 等線上串流技術，但因低頻寬需求並可簡易地藉由 Flash
Plug-in 內嵌於個人的 blog 或其他網站中而迅速取得壓倒性的知名度與成功
[2]。
科技發展神速、寬頻已不再是以前的不足且昂貴以及攝影器材的普遍
化，使得短片資訊無所不在。使用者由傳統的接收資訊者，變成資訊發佈
者，使用者更可成立自已的私人影院、影片發佈站、部落格，而取代傳統
的傳播媒體。每人都可創立自己的新聞頻道，或上載家庭生活短片、生活
趣事的點滴。在此同時，愈來愈多人欣賞網上短片跟網站資訊，焦點從電
視的收看逐漸轉移至電腦螢幕。[3]
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許多應用層多從傳播協定被應用在即時的視訊串流中，根據他們的堆
疊式架構廣泛地分成兩類，也就是基本樹狀架構以及基本網狀架構。以樹
狀架構來說像是 IP 傳播(Multicast)，資料傳送從來源端經由用樹狀路徑傳
送，經典的例子有 ESM，NICE 以及 ZIGZAG。然而網狀架構傳輸資料也
就是跟鄰近節點拉取資料，來補充資料所欠缺的部分，例如 Cool- Streaming
[30], Bullet [15],
Figure 1 樹狀架構圖樹狀架構圖
Figure 2 網狀架構圖網狀架構圖
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1.2 研究動機與目的
數位多媒體科技在人類的生活上不但改變了溝通與生活方式，也改變了資料
的管理與傳播方式，對人類的文明發展產生了革命性的影響。人們對影音的需求
是逐年的增加，而對其影音的品質更是講究，有了影音多媒體的服務，更勝以往
要收看電視或者是看看報章雜誌所能獲得的資訊還要多更多，又更方便也非常的
即時，以及影片對眼睛的刺激、聲音對耳朵的聆聽，人又是感官的動物，特別喜
歡影音之類的外在刺激，相較之下，人們對報章雜誌的需求，也許就只有吃早點
的時順便翻翻報紙而已。時代正處於在快速的變革中，跟著進化的腳步，我們對
影音的傳輸品質，也就更加的吹毛求疵了。只要網路傳輸速度慢了一點或延遲了
一下，馬上炮聲滿天響了，因此要怎麼在有限的頻寬中，傳輸好的影音品質，就
是本篇研究之重點。
在眾多的多媒體傳輸應用中，視訊的儲存與傳輸的問題也開始被注意，影像
傳輸的服務品質會因為封包的遺失而導致降低，在具有連串錯誤特性的傳輸頻道
上，封包的大小對封包遺失來說，具有很大的影響。針對提升影像傳輸服務品質，
以樹狀網路拓樸來針對影像傳輸的問題，達到低頻寬傳輸高品質的影音服務。
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二、
研究方法、進行步驟及執行進度
2.1 研究方法與原因
在網際網路中傳輸即時視訊串流隨著時代的進步已經脫胎換骨，
對應用程式的需求以及科技趨使下已經成為不可或缺的一環。從應用
程式的觀點看來，網路提供一個新的傳輸介質應用於即時傳播串流資
料中，比傳統的都還要好很多。傳統的多媒體，像是廣播電台、電視
和衛星，都被限制於有限的頻道數量；這些多媒體視廣泛的而且是容
易被大眾所接受的。
使用端點對端點(Peer-to-peer)網路技術，已被廣泛的應用在傳輸影
音串流服務上。在工作網路上傳送即時視訊串流的內容要同步於傳送
端，通常可以利用合作式多重群播分佈樹狀網路來改善，在請求傳送
封包中，不同的點對點傳輸上，一個相同的視訊串流會有不同的片段，
而 CoopNet 是點對點網路應用於即時群播視訊串流的構思，來改善客
戶端對伺服端架構可擴充性的約束。
應用層的多重群播協定已經被提出在即時串流中，可以大致上分
成兩大類，根據他們的堆疊式架構，也就是樹狀跟網狀。樹狀跟多重
樹狀跟網狀的解決方式已成功的部署在實體上，它們的研究建模工作
與分析效能。特點在於網狀推疊式的資料傳輸是穩固的，但是缺少一
個命令的指令，像是父節點傳送資料給子節點，但是受到效率的延遲
與權衡(trade-off)。樹狀是有效率推動資料，但是當內部的節點失敗
時要如何面對怎麼把資料傳送到下一層節點。結合優點與缺點兩種方
式，一個很自然的問題就是，我們可以把兩者座結合來實現混合式的
堆疊式網路架構。
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Figure 3 無中心伺服器的對等網路[5]
Figure 4 基於中心伺服器的對等網路[5]
基於原本設計提升的方式採用多從描述式編碼(MDC)跟階層式
多從描述式編碼(LMDC)被應用於串流品質在於不同的網路環境；則
多從描述式編碼(MDC)的概念與階層式多從描述式編碼(LMDC)大同
小異，把第 t 秒的檔案分類為檔案片段 1, 第 t+1 秒的檔案分類為片
段 2, 第 t+3 秒的為片段 3.。假如我們把時間間隔切得非常小；比如
說，每個檔案片段只相差 0.1 秒，那麼若其中一個檔案片段在傳輸過
程中失敗或是遺失了，對使用者來講只會覺得停格了 0.1 秒，從人類
眼睛視覺暫留來看，0.1 秒看不太出來有些許的差異。
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2.2 激勵機制
我們針對點對點網路與即時視訊串流提出一個激勵機制來增加其合
作以及擴增節點的連結時間。目標就是為了增加可擴充性跟串流的品
質以及減少中斷的次數。CoopNet 是點對點即時多媒體串流網路的構
想，來改善客戶-伺服器架構擴展性的約束。CoopNet 系統支援 peer
的異質性以及考慮到網路上的雍塞。CoopNet 採用多重描述樹狀，在
樹狀裡面傳輸資料的點對點被視為是內部節點也是樹葉。
[6][11][12][13]
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2.3 預計遭遇之困難及解決途徑
在上述中，非合作式的群播行為會比合作式來的更耗損網路資
源，視訊傳送的服務品質一直以來都是很大的挑戰。在先前研究的端
點對端點共享傳輸資料中對於所以的要求只有 30%有用的傳輸品質，
還考慮到沒有足夠實時內容可以傳輸。此外端點(peers)連結系統的期
間太短，會造成視訊傳送的中斷。
解決之道，利用網狀式跟樹狀式的混合設計。首先，再堆疊裡面
有穩定的節點逐漸的建立出樹骨幹(treebone)；第二，需要調合推(push)
跟拉(pull)在兩個堆疊以上的資料傳送，取得一個優化長時間確認穩定
節點的門檻，非常重視穩定節點在樹骨幹中(treebone)的服務時間。
提出一個堆疊架構的設置和演算法的演進來使用無縫的(seamless)
合作式樹骨幹/網狀網路和最小控制開銷跟傳輸的延遲時間。最後，使
用一個劃分緩衝區(buffer)和排程式的演算法協調推/拉(push/pull)的操
作來避免多餘的資料[7][8][9][10]。
Figure 5 樹骨幹架構
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2.4 合作式 推/拉 傳輸
討論在 treebone 和網狀在 mTreebone 框架內之間的合作。這種合作
式反映出兩個方面，換句或說，傳輸視訊資料以及處理動態的節點。一
個 tree-push 指標被用來說明藉由 push 方法來傳輸最新的資料區塊。一
個 mesh-pull 視窗滑動於 tree-push 指標和 playback 指標來促進拉資料的
傳輸。如果少了一個區塊，跟隨著 mesh-pull 視窗會被拉進網狀堆疊裡
面。
當一個節點被暫時從 treebone 斷開連結，tree-push 指標將被停止，
只有 mesh-pull 視窗在工作，以獲取其網狀鄰近節點的資料。
Figure 6 推/拉 交換
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2.5 執行進度
進度執行/週
4
5
6
7
8
9
相關資料收集
研讀資料
用 NS2 模擬
樹狀結構比較
網狀結構比較
實驗結果
撰寫與修改
參考與結論
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Figure 7 工作進度表
三、
預期完成之工作項目及成果
3.1 預期完成之工作項目
(1) 使用端點對端點傳輸，依網路拓墣來選擇最佳傳輸效率，達到高
效率低延遲。
(2) 合作式樹狀網路配合資料傳輸的方式，找出適當的路徑來確保資
料的完整性。
(3) 改善延遲的部分，改變其結構狀態，達到最佳化。
3.2 預期成果
充分利用樹狀和網狀內的合作式 mTreebone 框架。我們提出有效和
一致性的解決方式，以協調在 mTreebone 框架的兩個堆疊式架構。具體
來說，我們得出一個穩定的節點，從最大限度的 treebone 預期的服務時
間的最佳年齡界限。最後，我們給了一個緩衝分區和調度演算法，實現
無縫式的 treebone 網路資料傳送的合作性。
如下圖所示，節點 A 利用 Peer-to-peer 來傳送資料，經過節點 B，
到達目的節點 C。資料傳輸途中，遇到節點掛掉，可經由旁邊的節點或
是中繼器來獲得所需要的資料，透過這樣的方法可以達到資料完整性
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Figure 8 A 節點到 C 節點式意圖
3.3 對於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻
現代科技的進步，簡直是日益求新；尤其是影音方面更是漸茁，影
像壓縮跟編碼都是獨特的技術，再配合頻寬傳輸影像品質都是要跟上使
用者的需求，為了在低頻寬中還能很順暢傳輸視訊品質都是值得研究
的，結合之前學者的研究，搭配一些規格而成為影音跟電視及網路的結
合。數位時代的來臨，代表世代的轉變，會有更好的技術孕育而出。
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四、
參考文獻
[1] http://mag.udn.com/mag/digital/storypage.jsp?f_ART_ID=89576
[2] http://vicky4128.pixnet.net/blog/post/38912137-%E4%BD%A0%E4%BB%8A%E5
%A4%A9youtube%E4%BA%86%E5%97%8E%EF%BC%9F(%E8%B3%87%E6%96%
99%E4%BE%86%E6%BA%90:%E6%B7%A1%E6%B1%9F%E5%A4%A7%E5%AD%B
8)
[3] http://hk.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=7008030700660
[4] http://tool.chinaue.com/flash8/Help/UsingFlash/00000646.html
[5] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%9E%E5%B0%8D%E9%BB%9E%E6%8A%8
0%E8%A1%93
[6] Daniel A. G. Manzato and Nelson L. S. da Fonseca, “An Incentive Mechanism for
Peer-to-Peer Networks with Live Streaming, ” Institute of Computing, 2006.
[7] Feng W Yongqiang Xand Jiangchuan L, “mTreebone: A Collaborative Tree-Mesh
Overlay Network for Multicast Video Streaming ,” IEEE TRANSACTIONS ON
PARALLEL AND DISTRIBUTED SYSTEMS, VOL. 21, NO. 3, MARCH 2010
[8] Tsuen W Dan S. W and Peter.D “Incentives-Compatible Peer-to-Peer Multicast .”
IDepartment of Computer Science, 2001.
[9] K.C. Almeroth and M.H. Ammar, “Collecting and Modeling theJoin/Leave
Behavior of Multicast Group Members in the MBone,”Proc. IEEE Int’l Symp. High
Performance Distributed Computing(HPDC), p. 209, Aug. 1996.
[10] S. Banerjee, B. Bhattacharjee, and C. Kommareddy, “ScalableApplication Layer
Multicast,” Proc. ACM SIGCOMM, pp. 205-220,Aug. 2002.
[11] E. Adar and B. A. Huberman, “Free riding on gnutella,” First Monday,vol. 5, no.
10, Oct. 2000.
[12] A. Habib and J. Chuang, “Service differentiated peer selection: An incentive
mechanism for peer-to-peer media streaming,” IEEE Transactionson Multimedia,
July 2005.
[13] V. N. Padmanabhan, H. J. Wang, and P. A. Chou, “Resilient Peer-to-Peer
Streaming,” in Proceedings of the 11th IEEE International Conference on
Network Protocols. Atlanta, GA, USA: IEEE Computer Society, Nov. 2003, p. 16.
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