计算机工程
COMPUTER ENGINEERING 
1999年 第25卷 第5期 Vol.25 No.5 1999



非对称数据广播系统的研究与应用
王普 刘斌 戴琼海 张大力
摘要 随着Internet的高速发展,现有的服务方式无法满足大众对住处的需求.为了解决这个问题,提出了非对称数据推送的概念,利用宽带,高速的数据CATV下行通路,把各种组织好的数学多媒体信息单向广播到用户的计算机,同时得用窄带的PSTN上行通路回传用户的反馈信息.在此理论基础上开发了基于CATV的数字多媒体广播系统,系统彩了加权编码传输方法以提高运行效果.
关键词 非对称数据推送 数字多媒体广播系统 加权编码传输
Research and Application on Asymmetric Data Broadcasting System 
Wang Pu Liu Bin Dai Qionghai Zhang Dai 
(Guangdong-Nanhai-Rsinghua Information Industry R&D Center,Tsinghua University Beijing 100084)
[Abstract] With the high-speed development of Internet ,current service can'tsaisfy people's increasing needs of information.In order to solve this problem ,this paper brings forward the conception of Asymmetric Data Pushing(ADP).Organized digital multimedia inrfornationis sent to clients'computers through broadband downstream CATV channels.And the clients'requests are transmitted back through narrow-band upstream PSTM.We develop a digital multimedia broadcasting system based on CATV.Priority Encoding Transmission(PET)is adopted in the system to increase performance quality.
[Key words] Asymmetric data pushing;Digital multimedia information broadcasting system;Priority encoding transmission
　　进入90年代，Internet在中国迅速普及，其中的WWW网更是飞速发展。WWW网上有数以亿计的主页，并以极快的速度不断增加和变化,它给人们带来了形式多样的媒体信息和服务，逐渐成为当今社会人们获取信息的重要途径。现在家庭上网大多采用拨号方式，这种方式的主要缺陷就是信道拥塞，信息流通经常受阻，为此人们提出了多种方案如高速Modem等，但效果都不甚理想。
　　随着宽带网络、多媒体技术的日益成熟，人们逐渐认识到，宽带网能够提供足够的带宽，具有广阔的前景。国内目前的有线电视资源非常丰富，全国有近3000家有线电视台，7500万用户。网络的发展应该充分利用国内的CATV资源，以光纤同轴电缆作为传输媒介，利用其高速下行通道，采用数据广播的形式向用户提供信息服务，以满足大众日益增长的信息需求。本文提出了非对称数据推送(ADP)的概念，在此基础上开发了基于CATV的数字多媒体广播系统。
1 系统结构及功能
　　非对称数据推送是Internet的高速接入方案，考虑到双向CATV造价昂贵以及上行频带很难避免噪声干扰，所以把广播网络设计成CATV+PSTN的非对称网络。利用宽带、高速的数据下行通路把各种经过挑选的、组织好的多媒体数据信息单向广播到用户的计算机，用户可以在进行数据接受后，直接浏览信息或将数据存入硬盘后浏览，同时通过PSTN进行上行信息回传。
　　基于ADP的数字多媒体广播系统(Digital Multimedia Information Broadcasting System)的基本构成为：(1)下行数据广播通道与上行交互通道；(2)高速互联服务器群；(3)支持Internet的服务器及客户端软件。
　　数字多媒体广播系统的主要模块和功能如下：(1)服务端信息组织模块用于资源组织，资源注册，资源编排；(2)服务端信息发送模块用于信息的发送；(3)客户端信息接收模块用于信息接收和信息筛选；(4)底层硬件传输与接收设备(包括发送卡，接收卡，传输通路)。
　　服务器端完成资源的组织、注册和编排后，底层模块根据资源发送表找到待发送的资源目录，将其做成广播包，利用CATV电缆进行数据传输；客户端硬件层接收通过有线电视的频道发来的广播包，对数据进行解调和软件纠错与筛选，从而恢复出资源数据。用户的特殊信息要求可以通过电话通道回传，由专门负责信息组织的服务器进行处理。
　　数据多媒体广播系统网络图可以用图1表示。

图1 数据广播系统网络图
　　采用本系统，可以为用户提供以下服务：(1)新闻广播；(2)Internet信息的快速浏览；(3)股票信息等实时数据信息的接收；(4)NVOD。
2 系统实现的关键技术
　　与传统的Internet"点对点"传输机制不同，数字多媒体广播系统采用了"一点对多点"的发送机制，使每个用户平等地共享带宽，信息代理机制，信息发送机制和信息接收机制使人们方便快速地获取信息。
　　系统借用了电视技术的一些概念：(1)节目是指一些相互关联的、包含多媒体信息的文件或文件夹；(2)子频道是一组内容相近的节目的集合；(3)频道是属于同一主题的子频道的集合；(4)节目单是指一组从资源数据库中挑选的节目提要。
　　它们的相互关系如图2所示。

图2 术语及其关系
2.1 信息代理机制
　　WWW网是一个复杂的开放式分布系统，因此网上的信息组织比较杂乱，对于没有丰富使用经验的用户，想在这个信息海洋中找到自己感兴趣的信息是极其困难的。利用信息代理机制，由信息代理者对网上大量的无序信息进行整理，提供符合用户需求的信息资源，可以解决上述矛盾。
　　(1)资源组织  资源组织是系统能否被认同的关键，资源可以从Internet下载，可以由ISP等信息源提供，也可以专门制作，数据多媒体广播系统包含新闻制作、天气预报、航班信息、商品信息和租房信息子系统。信息库内信息最终应有效合法，信息组织完毕，要经过节目审查才能进行广播。
　　在资源收集方面，系统采用了基于分布式数据库和信息智能搜索引擎的网络导航系统，实现了信息收集的智能化。智能搜索引擎的结构如图3所示。

图3 智能搜索引擎
　　(2)信息管理 系统具有完善的信息库管理机制，包括建立资源数据库，进行资源注册和编排等。组织好的资源存放在服务器上，并且必须在服务器资源数据库中进行注册，资源数据库存有所有资源的详细内容、存放位置等，发送资源表包括发送的资源资料。
　　系统中最重要的部分就是节目广播。将所有节目划分为若干频道，如"天气预报"、"股票行情"、"娱乐休闲"、"体育沙龙"等。每个频道又可分为若干子频道，例如"天气预报"频道由"本地天气预报"、"国内主要城市天气预报"、"世界主要城市天气预报"3个子频道组成。服务器端将每天的节目内容摘要整理成节目单发送给用户，由用户选择需要的节目。
2.2 信息发送机制
　　服务器端的发送控制调用底层发送模块进行资源的发送，完成节目单的发送和相应节目的发送，它可以对多个节目单进行发送控制；还可以发送实时的信息，在客户端显示信息窗口，以满足通知、广告等实时性信息的需要。
　　(1)多点传输    数字多媒体广播系统的广播机制，在底层主要使用IP/Multicast[1-2]协议。
　　IP/Multicast协议其内容包括多点发送的组地址分配和IGMP组管理协议两部分：
　　1)Internet的多点发送地址为IP地址的D类地址，其地址最高4位为"1110"，范围为224.0.0.0 239.255.255.255。D类地址与一般IP地址不同的，它并不对应着固定的主机或网络接口，而是对应一个动态变化的主机组，这个组内的每一台主机都有其自身的IP地址。
　　2)IGMP协议与ICMP协议类似，是利用IP数据报传送报文，完成辅助控制功能的协议。其核心就是组的管理。主机可以通过IGMP报文来加入或退出某个主机组。
　　(2)发送策略 为了提高系统的性能，我们在发送模块中采用以下发送策略：
　　1)某节目根目录下的文件与根目录下的文件夹及子文件夹相比，应优先发送、多次发送，因此根目录下的文件应尽量小。
　　2)节目一般由名为Index.html的文件作为起始页，它位于资源所在根目录下，由于用户首先看到的是节目的起始页，制作应较为生动，但这会导致起始页数据量偏大，系统采用的方法是把Index.html做成欢迎主页，并包含多个资源链接，用户根据自己的爱好，选择不同的信息进行浏览。
　　3)按节目的大小及重要性确定发送顺序，如基本相当，则进行分时发送。
2.3 信息接收机制
　　用户根据自己的需要定购一组频道，就可以接受该组频道的信息服务。系统经营者根据用户接收的信息量收取费用。节目采用WWW网的主页文件格式，具有良好的多媒体表现效果，超链接功能使得人们在浏览信息的时候可以自由跳转，迅速找到感兴趣的主题。用户端节目浏览软件集成了各种多媒体节目浏览工具，能够解释超文本、音频、视频等。
　　(1)容错机制    由于本系统的底层采用IP/Multicast机制，而IP数据报又不保证数据传输的可靠性，因此数据的容错就是一个关键问题。考虑到多媒体信息数据量较大，系统采用了加权编码的方案来提高数据传输的可靠性。
　　加权编码传输(PET)[3]是一种在不可靠网络中传输数据的新方法，可以有效地解决丢包问题。其定义如下：
　　一个PET系统由以下部分组成：
　　1)编码函数E把长度为m的数据M映射为E(M)，其总长ε，包长l，包数n，有ε=nl；
　　(2)解码函数D把一套最多n个数据包映射为m个字；
　　(3)优先权函数ρ把{1,…,m}映射为区间(0,1]。
　　其中数据长度为m，数据包长为l，数据包数为n，编码长度为ε=nl
　　传输信息之前首先指定数据各部分的加权值，在不同加权值的基础上，服务器端软件通过编码把数据打成数据包后再发送给用户，数据各部分的加权值决定了不同编码数据包在进行信息恢复时所需要的数量。每个接收者只要收到足够的数据包，即使部分数据包在发送过程中丢失，仍能恢复出原始数据。
　　(2)两级筛选 为了节省用户的时间和财力，系统的客户端软件使用了两级筛选机制：
　　(1)一级筛选：广播的多媒体信息=>用户定制信息
　　利用CATV信道可向用户传输大量多媒体信息，而每个用户只会关心其中的部分信息，因此需要引入一级筛选机制。用户可以根据自己的爱好预定自己的节目，系统根据用户定制，自动在高速数据流中拦截所需信息存入硬盘。
　　(2)二级筛选：用户定制信息=>用户浏览信息
　　用户每天阅读的信息只是下载信息的一部分，二级筛选机制会根据用户定制将不看的信息自动地从硬盘上删除或者进行保存。
3 总结
　　与传统的Internet"点对点"传输机制不同，数字多媒体广播系统采用非对称数据推送机制，使每个用户平等地共享带宽，它将彻底改变人们信息获取方式。信息代理机制，信息发送机制和信息接收机制使人们方便快速地获取信息，这个从远找到近的信息获取方式也是数字多媒体广播系统区别于其他系统的关键所在，它实现了宽带高速网络的应用，是真正面向大众的网络服务系统，将给现有的信息产业带来新的飞跃。
作者简介:王普 男,53岁,副教授,主要研究方向:信息理论和人工智能.
作者单位:广东南海 清华信息产业发展研究中心,清华大学 北京100084
参考文献
1 Deering S. Host Extensions for IP Multicast. RFC1112，1989-08
2 Peter B D.Flow Control for Limited Buffer Multicast. IEEE Tran-sactions on Software   Engineering，1994，20(1)：1-11
3 Albanese A，Sudan M.Priority Encoding Transmission.IEEE.Transactions on Information Theory.1996，42(6)：1737
4 周明天，汪文勇.TCP/IP网络原理与技术.北京：清华大学出版社，1993-12
收稿日期:1998-07-14
