基于OPNET的流媒体应用流量特征分析*

王大东，张 菁，代胜男，王洪君

(吉林师范大学 计算机学院，吉林 四平 136000)

流媒体是采用流式传输方式在网络上播放的媒体格式，把音频、视频等多媒体文件经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包，由服务器向用户计算机实时、连续发送.在传输中，用户不必等到整个文件全部下载完毕后才能看到内容，只需经过几秒钟或几十秒的启动延时，即可在用户计算机上利用相应的播放器对压缩视频或音频等流式媒体文件进行解压、播放，剩余的部分将在后台继续进行下载、缓存，直至播放完毕.

传统流媒体采用客户/服务器(C/S)模式，用户只能从流媒体服务器上下载资源.随着互联网的发展，流媒体业务越来越多，服务器承载的负荷变得越来越大.传统的传输形式存在明显不足，比如流媒体服务器带宽占用大、流媒体用户等待时间过长等，导致系统瓶颈.为了提供足够的带宽资源，采用客户/服务器模式的流媒体服务网站如优酷网采用内容分发网络形式，在不同地理位置分布众多的流媒体服务器，根据用户位置不同，选择相应的流媒体服务器获取资源.流媒体应用对等网(P2P)技术之后，使每个流媒体用户成为网络中的一个节点，用户根据自身的网络状态，直接与其他节点交换数据，建立连接来分享对方硬盘上的文件，用户不再是单一的从服务器上得到自己需要的资源，而是从网络中具有相应资源的对等体中下载所要的资源，降低了流媒体服务器的压力.

本文利用Opnet和sniffer分析C/S模式和P2P模式下流媒体应用的流量特征，选择了三种P2P流媒体应用：PPStream、暴风影音和迅雷看看，两种C/S模式应用：土豆网(Web工作方式)和优酷网.在两个不同时间段对同类节目进行取样分析，并对流媒体用户各种参数值统计，例如收发流量大小、收发分组数量、收发分组大小分布、收发流量比重等.

1 流媒体数据提取

流量捕获与数据筛选.以PPStream为例说明本文采集数据方法.在任务管理器中将PPStream之外的所有应用程序关闭，尽可能减少其他应用数据包的干扰.分别在时段1(13:00-14:00)和时段2(23：00-24：00)利用sniffer对PPStream应用进行数据捕获并保存数据.

图1 sniffer捕获的数据

利用sniffer提取每个数据分组时间、源IP、目的IP、协议类型、分组大小、源端口、目的端口数据.在13:42:16.187-13:46:28.562时段内共捕获了58869个数据包，但这些并不完全是PPStream产生的，使用如下方法，排除网络数据(见图1).

(1)排除局域网内干扰数据.由于sniffer在工作过程中将网卡设置为杂收工作方式，除了能够捕获到发进、发出本机的数据外，也会捕获在局域网内传播的其他主机之间的数据、地址解析协议(ARP)数据.利用源IP和目的IP筛选数据，将源IP地址或目的IP地址非本机IP的数据删除.

(2)利用流媒体流量特征识别流媒体数据.由于流媒体数据传输数据量大，传输时间长，分组多，从交互流中可以识别出这些源于某一特定主机，连续的流为流媒体数据.

(3)利用协议识别PPStream流量.在所捕获数据的协议字段选项中，有ICMP、IGMP、UDP、TCP等.ICMP是Internet控制报文协议，用在IP主机与路由器之间传递控制消息；IGMP是Internet组消息管理协议，用于主机向临近路由器发送自身的广播组成员.显然，ICMP和IGMP数据包是在建立对等连接过程中交换的数据，不是流媒体数据，将这部分数据滤除.

2 利用OPNET分析流量特征

OPNET是一种广泛应用的网络仿真软件，可以在计算机上模拟真实的网络环境，准确分析网络的性能和行为，降低网络构建的成本.OPNET中应用程序特征分析模块是一种网络性能分析工具，能对网络中节点捕获流量的网络参数进行测量分析，得到应用程序的特征，从而整体评价网络性能.

图2 优酷网应用特征

利用sniffer捕获优酷网、PPStream30秒的流媒体数据(存储为enc文件)，利用OPNET提取应用程序特征，如图2、3所示.

图3 PPStream应用特征

从图示2和3中可以看出明显的C/S模式与P2P模式流媒体应用区别.在图2中，利用优酷网观看视频的本机收到221.195.5.136应用层数据7535520字节，收到其它IP地址的数据为0或极少(不足一帧以太网数据长度)，可知这些IP都未向本机提供流媒体服务.在分析流媒体数据来源做数据筛选时可将这些数据去掉.在图3所示的Tier Pair Circle中，不同方向不同颜色的箭头标示出了主机发出或接受的数据量.运行PPStream应用程序时本机从多台主机处接收到流媒体数据，接受数据量从几十KB到1.1MB不等，由于本机缓存媒体文件较少，没为其他主机提供对等文件服务，发向其他主机的应用数据都比较少.

图4所示为主机从某一对等体处接受的流媒体分组序列.本机发出的控制分组应用层数据长度都为25字节，按收的流媒体分组应用层数据长度为1061或1084字节，控制分组与流媒体分组都使用UDP协议.

图4 PPStream应用接收分组序列

3 不同流媒体应用特征

在两个不同时间段内分别对分属于两种不同工作模式的五种应用采集300秒流量数据，利用上述方法提取流媒体数据及控制数据，统计结果如表1所示.

从表中可以看出三种P2P流媒体应用都有控制数据分组，长度都比较小，都利用UDP传输媒体数据，PPStream传送媒体数据时分组长度较短，而暴风影音和迅雷看看传送媒体时数据较长，接近以太网携带数据长度上限.两种C/S模式的流媒体利用TCP传送媒体数据，土豆网和优酷网在不同时段内数据分组长度不同，在网络繁忙时采用较短的分组传送数据，这应该是由骨干网在不同时段内采用不同的数据处理方式决定的.C/S模式的流媒体应用在网络负载小时能为用户提供更快的下载速度，而P2P流媒体应用中对等用户多时才能提供更大的下载速度.

表1 五种不同流媒体应用特征

4 结论

本文利用OPNET分析了五种不同流媒体应用的流量特征.由于所选数据时间长度有限，流媒体应用节目选择是随机的，所分析数据不能完全精确地反映这五种流媒体应用的流量特征.另外，在不同观测点测量的数据会有很大不同，选择不同的节目对结果也会有影响.虽然存在以上不足，但是，从最后所得到的结果上看，仍然较好地反映出了各种不同应用的典型特征.

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