數據網絡中利用多目傳送循環傳輸數據的方法

2023-05-19 23:58:31

專利名稱：數據網絡中利用多目傳送循環傳輸數據的方法
技術領域：
本發明涉及數據網絡中數據傳輸技術領域，特別是數據網絡中利用多目傳送循環傳送和接收數據的方法。
但當大量(數萬、數百萬)的客戶機在同一段時間內向伺服器要求數據時，伺服器為了響應這些客戶機的要求就得發送數萬、數百萬份相同的數據，加重了伺服器和網絡主幹的負載，而且客戶機的要求越多，負載就越大。目前的視頻點播系統主要是以單目傳送的方式來傳送數據的，客戶機向視頻點播伺服器發送請求，視頻點播伺服器向發出請求的客戶機發送其所請求的視頻服數據。這種系統比傳統的電視系統的優越之處是，客戶可以隨時點播自己感性趣的內容，而不必等待某個節目的播出。但是這一類系統還受到許多技術條件的限制，首先是伺服器能力的不足，目前最好的視頻點播伺服器最多可以向1000個客戶提供視頻點播服務，象中央電視臺春節聯歡晚會或新聞聯播這樣的節目，如果提供視頻點播服務則需要幾十萬臺伺服器提供服務，這幾乎是不可能的。其次任何地方的數據網絡也無法承擔如此重負。
所以對於這種大量客戶需要下載相同數據的情況應該利用多目傳送(multicast)的方式下載數據。如圖2所示伺服器以多目傳送的方式發送數據時，所有已經加入多目傳送組的客戶機都可以同時接收到此份數據。採用多目傳送方式，伺服器只發送一份數據，所以伺服器的負載並不重。數據在網絡主幹只傳送一份，傳到網絡的分支部分才進行複製分發，所以也減輕了網絡主幹的負擔。
多目傳送也存在一些不足，伺服器開始發送數據時，所有需要此份數據的客戶機必須是事先知道伺服器發送數據的起始時間，並提前或同時加入此多目傳送組，從頭開始接收數據，才能接收到一份完整的數據。如果有一臺或幾臺客戶機未能及時加入此多目傳送組，則它們將收不到完整的數據。象上述視頻點播系統，要求及時下載、及時使用數據，按照通常的方法多目傳送也是無法滿足要求的。
其次伺服器發送數據所用的帶寬不能針對每個客戶所擁有的帶寬而調整，所有客戶機接收數據所用的帶寬必須大於或等於伺服器發送數據所使用的帶寬，否則客戶機將無法完整接收伺服器所發送的數據。
多目傳送伺服器沒有錯包重發機制，當客戶機收到錯誤的數據包後，無法要求伺服器重發此數據包，這樣就難以保證數據的完整性和正確性。
本發明基於同一思路提出了兩個在數據網絡中利用多目傳送循環傳送數據的方法，和一種接收方法。
第一個傳送方法採取如下步驟a、伺服器將待傳送的至少一組被分割成若干數據片段的數據存儲於存儲器中；b、伺服器以單目傳送或多目傳送的方式提供有關待傳送數據的目錄信息；c、伺服器將需要傳送的各數據片段通過網絡分別向相應的的多目傳送組傳送；d、在傳送數據期間，伺服器對每個多目傳送組傳送完畢後再次從頭開始傳送，如此循環往復；或者當有至少一個客戶機在接收數據時才循環傳送，否則便終止循環，直到再次有至少一個客戶機需要接收數據時才再次循環傳送數據；或者當某多目傳送組與其他多目傳送組傳送相同內容時可以暫停向此多目傳送組傳送數據。
第二個傳送方法既可以用以傳送前一種方法中的數據片段，也可以用來傳送一組未被分割的數據，其採取如下步驟a、伺服器將待傳送的至少一段數據存儲於存儲器中；b、伺服器以單目傳送或多目傳送的方式提供有關待傳送數據的目錄信息；c、伺服器將需要傳送的這段數據通過網絡分別向多個多目傳送組傳送，並且每個多目傳送循環到此段數據的起始點時的時間是相互交錯開的；d、在傳送數據期間，伺服器對每個多目傳送組傳送完畢後再次從頭開始傳送，如此循環往復；或者當有至少一個客戶機在接收數據時才循環傳送，否則便終止循環，直到再次有至少一個客戶機需要接收數據時才再次循環傳送數據，或者當某多目傳送組與其他多目傳送組傳送相同內容時可以暫停向此多目傳送組傳送數據。
本發明提出的利用多目傳送循環接收數據的方法可以用於接收數據片段，或接收一組未被分割的數據，其採取如下步驟a、需要接收某段數據的客戶機，從多目傳送組或直接從伺服器獲取與這組數據有關的目錄信息；b、客戶機根據目錄信息，在適當的時機加入某一個或某幾個傳送此段數據的多目傳送組，開始接收此段數據；如果「接收起點」並非此段數據的起點，客戶機記錄下開始接收的「接收起點」；客戶機在需要的時候也可以要求伺服器以單目傳送方式向其傳送數據；c、當客戶機從某個多目傳送組或以單目傳送接收的數據達到或超過此段數據的某個相應「接收起點」時，停止從此多目傳送組或單目傳送接收數據；d、如果「接收起點」並非此段數據的起始點，則將所接收到的同一段數據在「接收起點」處進行連接。
一種實現利用多目傳送循環傳輸數據的方法的系統，包括接入數據網絡的伺服器、支持多目傳送的轉發設備、若干客戶機、至少一個代理伺服器，所述代理伺服器用於接收、存儲數據以及向多目傳送組轉發數據，其特徵在於所述的客戶機能夠作為代理伺服器或作為代理伺服器的一部分向多目傳送組轉發數據；所述代理伺服器也能夠作為多目傳送組的一部分向多目傳送組的某些分支循環傳送數據。
本發明方法與現有的使用單目傳送方式的視頻點播系統相比，使用本方法大大地減小了伺服器和網絡主幹的負載。
與現有的使用單目傳送方式瀏覽網頁相比， 使用本方法大大地減小了伺服器和網絡主幹的負載，並且使黑客難以攻擊伺服器，因為客戶機只是加入多目傳送組，並取得一份數據的複本，其請求不一定需要發到伺服器，所以伺服器可以對其入口做更加嚴格的管理。
與現有的簡單地直接地使用多目傳送方式下載數據的方式相比，使用本方法能快速、可靠地下載數據；隨時、及時地下載數據；儘早地開始使用數據；在客戶機一端的客戶感覺如同使用單目傳送一樣及時、方便、可靠。


圖10是較大帶寬的客戶機用多個多目傳送組接收數據示意圖；圖11是利用多個多目傳送組和單目傳送傳輸同一段數據和客戶機接收示意圖；圖12是配合實例說明較大帶寬的客戶機用多個多目傳送組接收數據示意圖。
1、多目傳送目前多目傳送(multicast)協議這個名詞主要指TCP/IP協議族允許一宿主機向所有宿主機的某一子集發送包(即組發送)的傳輸方式，但是與TCP/IP類似的其他協議族如AppleTalk協議族也具備類似功能的協議，稱為「簡單多目傳送路由選擇協議(SMRP)」。另外其他協議族也可以開發出與多目傳送(multicast)相同或類似的功能，例如ATM；IPX/SPX協議族；主要用於無線傳輸的CDMA；網絡的第二層協議當中的乙太網協議(ETHERNET)等，在無線數據通訊中還可以將某幾個載波頻率視為幾個多目傳送多目傳送組。至於單目傳送，幾乎所有協議族已經具備(點對點傳輸)此功能。
所以本發明中所說的「多目傳送」不僅限於基於TCP/IP協議族的多目傳送(multicast)和單目傳送(unicast)協議。
本發明方法適用於任何能提供一點對多點傳送功能的數據網絡。
一個多目傳送IP位址的每個埠可以傳送不同的內容，所以在本方法中也可以將同一個多目傳送IP位址的每個埠看作是不同的多目傳送組，用來傳送不同的數據。
2、伺服器在本發明中，伺服器是指能響應客戶機的要求，通過數據網絡向客戶機傳送其所需數據的設備，在物理上可以是一個設備，也可以是一組相距很遠但可以相互配合完成本方法的設備，例如可以將目錄信息及一組數據的各個數據片段分別用不同的設備發送。
3、客戶機在本發明中，客戶機是指需要數據，能夠通過數據網絡發出請求，並能夠通過網絡接收數據的設備。
同一個設備可以既是客戶機又是伺服器，例如擔任轉發角色的代理伺服器。
4、一組數據在本發明中，一組數據是指在大多數情況下必須作為一個整體來使用的一個或多個數據塊，它們可以是一個文件，也可以是多個文件(例如一個web頁面就是由多個文件組成)，可以是以文件形式存儲的數據，也可以是以其他形式存儲的數據。客戶機不一定下載一組數據的全部，例如交互式電影，需要根據觀眾的選擇確定其情節這樣發展(下載一段數據)，或那樣發展(下載另一段數據)。
5、數據片段在本發明中，數據片段是指為了方便客戶機靈活接收數據，將上述的一組數據分割成多個片段。
6、一段數據在本發明中，一段數據泛指上述的一組數據和一個數據片段。在提到一段數據時，既可以是一組數據也可以是一個數據片段。
7、標尺及帶標尺的數據由於本發明方法的特殊性，客戶機在加入多目傳送組並開始接收一組或一段數據時，不一定是從數據的起始部分開始接收的，所以需要使客戶機可以定位自己開始接收數據的起始點，利用標尺是最好的方法之一。另外如果客戶機收到的數據有錯誤，也可以利用標尺來定位錯誤是從哪一點開始，到哪一點結束的。
可以用以下方式使數據帶「標尺」，但不僅限於以下方式。例如(1)在數據中每隔一定字節加入起到「標尺刻度」作用的數據。
(2)利用數據包(數據需要在網絡中傳輸時發送方將其打包順序傳輸)的順序號作為「標尺刻度」。
(3)將數據分割成一系列小文件，每個小文件就是一個「標尺刻度」。
(4)利用某一數據點到數據片段的首或尾的字節數或位數作為天然的標尺。
(5)可以利用傳輸過程的時間作為天然的標尺，但這樣就要求伺服器以平穩的速率傳送數據。
(6)可以利用多目傳送的同步信號如「heartbeat」作為標尺。
(7)也可以綜合運用以上幾種方式設置數據標尺。
8、目錄信息在本方法中，目錄信息是指為了使客戶機能夠迅速、方便地接收數據，伺服器向客戶機提供的信息，可以包括以下信息或其中的一部分一組數據是否被分割成多個數據片段，一共被分割成多少個數據片段；哪一段數據可以用單目傳送方式傳送，其地址和埠；哪一段數據可以用多目傳送方式傳送，用的是哪一個多目傳送組；每段數據用幾個多目傳送組傳輸，用的是哪一個多目傳送組；一組數據或一個數據片段的長度；各個多目傳送組當前傳送進度；使用哪一個多目傳送組可以最快循環到這段數據的起始點等等。
伺服器可以不提供完整的目錄信息供客戶機選擇，而是根據其發送數據的情況推薦客戶機使用某一個或某幾個多目傳送組，或者聯合使用單目傳送和多目傳送。
可以採用很多方法減少目錄信息的傳輸量，可以採用約定目錄信息的方法，例如伺服器傳送每天的新聞聯播節目都相對固定地用某一個或某幾個多目傳送組，這樣客戶機只需要一次性地獲得有關的目錄信息的全部或相對固定的一部分，並長期存儲在存儲器中，以後客戶機就可以不必每次點播這個節目時都要接受目錄信息了，或者每次只接收相對變化了的部分。伺服器和客戶機可以採用某種算法以減少目錄信息的信息量，例如一組數據的各片段所使用的多目傳送組的地址是按順序遞增或遞減IP位址或埠號。也可以將目錄信息分布於某段或某幾段數據中在接收數據的過程中逐步傳輸。
客戶機可以根據所收到的目錄信息規劃接收方案，例如何時開始要求伺服器以單目傳送方式向自己發送數據，何時開始從哪一個或哪幾個多目傳送組接收數據。客戶機還可以預定「接收起點」，例如客戶機可以預定在某個時刻從A多目傳送組的某個預定的「接收起點」開始接收數據，並將其記錄下來，當客戶機從B多目傳送組接收數據到達了此「接收起點」後便可以停止接收數據，因為其後的數據已經預定從多目傳送組A接收，或已經接收過了。
9、接收起點在本方法中由於伺服器向多目傳送組發送數據的進程不一定與每一個接收數據的客戶機同步，大多數的情況是當一個客戶機開始從某一個多目傳送組接收數據時，伺服器正處於傳送這段數據的過程中，所以客戶機開始接收數據時所接收到的數據並不是這一段數據本身的起點。所以客戶機可能需要記錄其「接收起點」，例如可以將開始接收時所收到的一串數據記錄下來然後利用數據串對比來確認，也可以利用「標尺」或「標尺加偏移量」的方法來記錄「接收起點」，或根據目錄信息預定一個「接收起點」並記錄下來。如圖4所示，當時間為t1時某客戶機開始接收數據並記錄「接收起點」，當時間為t2時客戶機接收到這段數據的結尾，並繼續接收這段數據的起始部分，當時間為t3時客戶機接收的數據再次循環到「接收起點」。從t1到t2所接收到的數據是這段數據的後面一部分，從t2到t3所接收到的數據是這段數據的前面一部分，將著兩部分在「接收起點」處連接起來就是完整的一段數據。當客戶機從多個多目傳送組接收同一段數據時，客戶機從某個多目傳送組接收到從另一個多目傳送組的另一個「接收起點」時即可以停止從此多目傳送組接收數據，因為在另一個「接收起點」之後的數據已經從預計從另一個多目傳送組接收甚至已經接收過了。當然客戶機也可以將此段數據的起始點定為特殊起點，這樣的話就不一定需要記錄「接收起點」了，至於在「接收起點」處連接就更沒有必要了。
10、存儲器在本方法中存儲器是指所有能存儲或暫時存儲信息的裝置，它可以是獨立的存儲裝置也可以是其他裝置中的一部分。
11、數據在本方法中數據不僅包括資料庫中的數據，還包括應用程式、數位化的圖形、圖像、視頻和音頻等，所有以數位化的信息在本方法中都稱為數據。
本方法分為伺服器的發送方法和客戶機的接收方法，這兩種方法是分步地相對獨立地實現的，但在技術上必須相互配合的。就如同電視臺的發射設備(對應於伺服器)和電視機(對應於客戶機)，一個伺服器可以發送一組數據也可以同時發送多組數據，客戶機也可以同時接收一組或多組數據。但為了便於理解，以下將發送和接收一組或多組數據結合在一起描述。
1、將數據處理成為便於本方式使用的格式並存儲於伺服器的存儲器中a.伺服器將需要發送的一組數據分割成多個數據片段(這一工作也可以事先由其他計算機完成，甚至在製作數據的過程中一併完成)，可以採用各種分割形式。對於較小的一組數據也可以不做分割。
b.可以在各段數據中加入「標尺」(這一工作也可以事先由其他計算機完成、在製作數據的過程中一併完成、或者在存儲到內部存儲器或外部存儲器前並不加入「標尺」而是在伺服器將數據向網絡發送前才加入)，也可以利用天然標尺如時間，也可以根本不用標尺。
c.將處理好的數據存放於伺服器的存儲器中。
2、伺服器將需要傳送的每一段數據(可以是未被分割的一組數據，也可以是被分割後的各數據片段)分別向不同的多目傳送組傳送，使客戶機能夠靈活地選擇同時接收其中一個或幾個數據片段。圖3所表示的是本發明在Internet網絡中利用3個多目傳送方式下載數據或進行視頻點播時的數據流(本發明不限於3個多目傳送組，可以根據實際情況使用任意數量的多目傳送組)，客戶機1、客戶機2、客戶機3分別從伺服器下載同一組數據。本發明的兩種基本方式圖中都可以表示。
a、伺服器將同一段數據分別向3個多目傳送組循環傳送，並且每個多目傳送循環到此段數據的起始點時的時間是相互交錯開的。客戶機根據實際情況選擇接收。
b、伺服器將一組被分割成3個數據片段的數據分別向3個多目傳送組循環傳送，客戶機根據實際情況選擇接收。
或者也允許伺服器以單目傳送方式向客戶機提供數據，使客戶機能夠使用更靈活的接收方式，或以單目傳送方式修補有錯誤的數據。
3、在伺服器提供數據傳送的期間，每個數據片段傳送完畢後再次傳送，如此循環往復。使需要數據的客戶機可以隨時開始接收數據片段並完成一個完整的循環，如圖4-A所示。或者當有至少一個客戶機在接收數據時才循環傳送，否則便終止循環，直到再次有至少一個客戶機需要接收數據時才循環傳送數據，或者當某多目傳送組與其他多目傳送組傳送相同內容時可以暫停向此多目傳送組傳送數據。
4、如果某客戶機需要獲取一組數據，它必須首先知道這組數據是否被分割成多個數據片段；被分割成幾個數據片段；每段是用幾個多目傳送組來傳送的；每段是用哪個多目傳送組來傳送的；以及其他相關的目錄信息。所以要求伺服器能夠以單目傳送或多目傳送或其他的形式向客戶機提供目錄信息。
5、因為伺服器用多目傳送將需要傳送的數據以循環的方式傳送的，當客戶機需要取得這些數據時可以立即加入相應的多目傳送組，或等待循環到此段數據的起始點時才加多目傳送組，或別的適當的時機加入多目傳送組，例如客戶機可以將客戶感性趣的某類節目的前面一部分或第一個或前幾個片段先接收並存儲，當客戶真正點播這個節目時才接收後面部分。如果「接收起點」並非此段數據的起點則客戶機同時記錄下開始接收數據的「接收起點」，直到循環到客戶機某個「接收起點」(這個「接收起點」有可能是預計將從另外一個多目傳送組接收到的或是已經接收到的，如果客戶機是以此段數據的起始點或結束點作為「接收起點」的，則允許不對此「接收起點」另作記錄。)，也可以超過「接收起點」，以便驗證。
圖4-B所表示的是在本發明中客戶機是如何記錄「接收起點」從而循環接收數據，並修正錯誤的。客戶機在t1時間點開始接收數據，並記錄下「接收起點」，客戶機接收到這段數據的結尾後並不停止接收，直到再次循環到這個「接收起點」，也可以超過「接收起點」，以驗證完成整個循環傳送數據的接收，如圖4-C所示。再次循環到「接收起點」的時間點為t3。如果客戶機在接收的到數據中發現一部分有錯誤(或遺失)，則將有錯誤(或遺失)的數據定位，並計算出下次循環到此刻度的時間，並適時加入此傳送組接收數據以修正(或補充)有錯誤(或遺失)的部分數據，定位「接收起點」或錯誤可以用標尺，或「標尺加偏移量」，或數據串對比，也可以用其他方式。
有一點需要特別說明，為了便於理解，在圖4和圖9中在部分表示傳輸數據的條帶下畫出了標尺的刻度並非表示數據一定帶「標尺」，其他的圖未將標尺刻度畫出來並不一定表示數據不帶標尺。
6、客戶機根據其可供使用的網絡帶寬、本機的處理能力及實際需求確定用某種方式或某種組合方式接收數據，以下例舉幾種方式，但本發明不僅限於以下方式
a、同一時刻只接收一個片段，逐步接收完整段數據；如圖5所示。圖5的陰影部分所表示的是在本發明中具有較小帶寬的客戶機是如何利用定位「接收起點」循環接收數據的。一組數據A被分割成A1～A5共5個數據片段，伺服器將這5個數據片段分別向5個多目傳送組循環傳送，客戶機同一時刻只加入一個多目傳送組，逐步接收這5個數據片段。當然客戶機也可以等到多目傳送組循環到起始點時再加入多目傳送組，例如依次接收A1-2、A2-3、A3-4、……，如果伺服器循環發送各數據片段的起始點的時間相互對齊，接收效果會更好一些。
b、同時接收幾個片段，逐步接收完整段數據，同時還可以接收另外一組數據的某幾個片段(需要較大的帶寬和較強的處理能力)如圖6所示。圖6的陰影部分所表示的是在本發明中擁有較大帶寬的客戶機是如何用多個多目傳送組循環接收數據的。其中有三組數據A、B、C，A組被分割成5個數據片段A1～A5，利用多目傳送組(a)～(e)傳送。B組被分割成2個數據片段B1～B2，利用多目傳送組(f)～(g)傳送。C組被分割成C1～C44個數據片段，利用多目傳送組(h)～(k)傳送。伺服器將11個數據片段向11個多目傳送組循環發送。客戶機在同一時刻只加入其中幾個(圖中為4個或3個)多目傳送組，逐步接收所述的全部數據片段。當然客戶機也可以等到多目傳送組循環到此段數據的起始點時再加入多目傳送組，例如依次接收A1-2、A2-2、A3-2、A4-2、A5-3、B1-3、B2-3、C1-3、……，如果伺服器循環發送各數據片段的起始點的時間相互對齊，接收效果會更好一些。
c、同時接收所有片段，同時還可以接收另外一組數據的某幾個片段。(需要較大的帶寬和較強的處理能力)如圖6的陰影部分所表示的客戶機可以在一個循環周期內接收B組數據的兩個數據片段。當然客戶機也可以等到多目傳送組循環到此段數據的起始點時再加入多目傳送組。
d、聯合使用單目傳送和多目傳送接收一組數據的各個數據片段，如圖7所示。圖7的陰影部分所表示的是在本發明中擁有較大帶寬的客戶機是如何聯合使用單目傳送和多目傳送組循環接收數據的。客戶機利用單目傳送接收第1片段數據A1，因為單目傳送可以從一個數據片段數據的起始部分開始下載，所以客戶機可以及時地從數據的起始處開始使用數據，在客戶機接收並使用完單目傳送來的第1個數據片段的數據的時間內，客戶機已經將第2、3、4個數據片段A2～A4的數據以多目傳送組(a)～(c)接收並存儲到客戶機中，在使用第2數據片段的數據的同時則可以繼續接收後續的數據片段和另外幾組數據。當然客戶機也可以等到多目傳送組循環到此段數據的起始點時再加入多目傳送組，或先以單目傳送方式接收A1，然後再以多目傳送方式接收其他數據片段。
e、聯合使用單目傳送和多目傳送接收一段數據(獨立的一段數據或一組數據的某個數據片段)。圖8的陰影部分所表示的是在本發明中擁有較大帶寬的客戶機是如何聯合使用單目傳送和多個多目傳送組循環接收數據的。利用單目傳送接收一組數據的第1個數據片段的部分數據A1，同時用多個多目傳送組接收數據片段A1～A4。因為單目傳送可以從一段數據的起始部分開始下載，所以客戶機可以及時地從數據的起始處開始使用數據，同時客戶機利用多目傳送方式同時接收A2～A4數據片段，並記錄下開始接收的「接收起點」，從圖中可以看出，客戶機開始用多目傳送組(a)接收第1數據片段A1時，伺服器正處於傳送這段數據的過程中，所以客戶機開始接收數據時，在大多數情況下並不是這一段數據本身的起點。所以客戶機需要記錄其「接收起點」。當客戶機以單目傳送方式接收到的數據達到或超過這個「接收起點」後就可以停止以單目傳送方式接收數據了，因為其後的數據已經以多目傳送的方式接收並存儲到客戶機中了，而且這樣也可以節省伺服器的帶寬。這一方式不僅可以用來接收一組數據中的一個數據片段，也可以用來接收獨立的一段數據。在圖8中將A1看作是獨立的一段數據即可。當然客戶機對於除了多目傳送組(a)以外的多目傳送組也可以等到多目傳送組循環到此段數據的起始點時再加入多目傳送組；或先以單目傳送方式接收A1的一部分數據直到預計可以與某個多目傳送組的數據連接的預計的「接收起點」，然後再以多目傳送方式在預計中的「接收起點」處開始接收另外一部分數據片段。
f、從傳輸同一段數據的多個多目傳送組中選擇接收數據，如圖9所示。圖9-A和圖9-B所表示的是在本發明中伺服器將一段數據分別向多個多目傳送組傳送，並且每個多目傳送循環到此段數據的起始點時的時間是相互交錯開的。
在圖9-A中可以看到當時間為t1時多目傳送組(a)所傳送的數據正好循環到此段數據的起始點，當時間為t2時多目傳送組(b)所傳送的數據正好循環到此段數據的起始點，當時間為t3時多目傳送組(c)所傳送的數據正好循環到此段數據的起始點，當時間為t4時多目傳送組(d)所傳送的數據正好循環到此段數據的起始點，當時間為t5時多目傳送組(e)所傳送的數據正好循環到此段數據的起始點，當時間為t6時多目傳送組(a)所傳送的數據再次循環到此段數據的起始點。所以客戶機選擇從能夠最早接收到此段數據起始點的多目傳送組(a)接收數據，當然客戶機也可以選擇其他的多目傳送組，例如有些人不喜歡看電影片頭，則可以選擇多目傳送組(e)。
在圖9-B的陰影部分看到客戶機根據自己所擁有的網絡帶寬決定同時從3個多目傳送組接收數據，根據目錄信息決定首先從多目傳送組(a)、(c)、(e)接收數據。當客戶機從多目傳送組(a)接收數據到t1時間點時，數據循環到客戶機從多目傳送組(e)所接收的數據的「接收起點」，所以客戶機在t1時間點之後便可以停止從多目傳送組(a)接收數據。當客戶機從多目傳送組(e)接收數據到t2時間點時，數據循環到客戶機從多目傳送組(c)所接收的數據的「接收起點」，所以客戶機在t2時間點之後便可以停止從多目傳送組(e)接收數據。當客戶機從多目傳送組(c)接收數據到t2時間點時，數據循環到客戶機從多目傳送組(a)所接收的數據的「接收起點」，所以在t2時間點之後便可以停止從多目傳送組(c)接收數據。這樣，將這3部分數據連接起來就正好是一個完整的循環，也就是一段完整的數據。之所以選擇多目傳送組(a)是因為這樣客戶機可以儘早接收到這一段數據的起點，從圖中可以看出在t0時間點多目傳送組(a)循環傳送到這一段數據的起始點，如果客戶機所接收的是一段視頻節目，則從這時起客戶機就可以開始觀看所點播的視頻了。當然客戶機對於多目傳送組(a)也可以等到多目傳送組循環到此段數據的起始點時(t0)再加入多目傳送組，而且並不影響用戶收看的及時性。
這一方式不僅可以用來接收作為一個整體的一段數據，也可以用來接收一組被分割的數據中的一個或多個數據片段，如圖10所示。圖10表示的是在本發明中伺服器將第一段數據A1用3多個多目傳送組(a.b.c)發送，擁有較大帶寬的客戶機用多個多目傳送組接收數據。從圖中可以看出客戶機總共接收兩組數據A和B，伺服器將一組數據A分割成5個數據片段A1～A5，將一組數據B分割成2個數據片段B1.B2，各數據片段分別用不同的多目傳送組傳送。伺服器將其中一組數據A組第1個數據片段A1用3個多目傳送組(a)～(c)傳送，並且每個多目傳送循環到此數據片段的起始點時的時間是相互交錯開的。因為客戶機具有較大的網絡帶寬，所以客戶機可以同時接收4個數據片段，當客戶機準備開始接收數據的第1個數據片段A1時，它可以從3個多目傳送組(a)、(b)、(c)中選擇一個或多個多目傳送組接收數據。在本圖中，如果客戶機用多目傳送組(a)下載數據，則可以從t2時間點開始使用數據；如果客戶機用多目傳送組(b)下載數據，則可以從t1時間點開始使用數據；如果客戶機用多目傳送組(c)下載數據，則可以從t3時間點開始使用數據；如果客戶機使用合適的數據流則能儘早開始從頭使用數據。在圖中「某客戶機」用多目傳送組(b)則能儘早(在t1時間點)開始使用數據。所以客戶機可以選擇多目傳送組(b)來接收第1個數據片段。同時接收第2、3、4數據片段。之後再接收一組數據A的第5個數據片段和一組數據B的兩個數據片段。當然客戶機也可以等到多目傳送組循環到此段數據的起始點時再加入多目傳送組。
g、可以綜合運用以上的幾種方式，例如綜合運用e、f兩種方式，如圖11所示。圖11表示的是在本發明中客戶機利用多個多目傳送組接收同一段數據(起點相互交錯)同時利用單目傳送方式。從圖11-A中可以看出，伺服器將其中一段數據A用5個多目傳送組傳送，並且每個多目傳送循環到此數據片段的起始點時的時間是相互交錯開的。客戶機用單目傳送方式接收數據，同時也利用其中1個多目傳送組接收數據並記錄下「接收起點」，從圖中可以看出，客戶機開始用多目傳送組(e)接收這一段數據時，伺服器正處於傳送這段數據的過程中，所以客戶機開始接收數據時所接收到的數據(稱為「接收起點」)在大多數情況下並不是這一段數據本身的起點。所以客戶機需要利用「標尺」記錄其「接收起點」。當客戶機以單目傳送方式從此段數據的起始點開始接收數據並接收到這個「接收起點」後就可以停止以單目傳送方式接收數據了，因為其後的數據已經以多目傳送的方式接收並存儲到客戶機中了，而且這樣也可以節省伺服器的帶寬。客戶機之所以選用多目傳送組(e)是因為使用這個多目傳送組能儘量減少單目傳送的傳輸量，從而節省伺服器的帶寬。
從圖11-B中可以看出伺服器將其中一組數據A用5個多目傳送組(a)～(e)傳送，並且每個多目傳送循環到此數據片段的起始點時的時間是相互交錯開的。客戶機用單目傳送方式接收數據同時也利用其中3個多目傳送組(a.c.e)接收數據並記錄下「接收起點」，從圖中可以看出，客戶機根據自己所擁有的網絡帶寬決定用單目傳送方式接收數據，並同時從3個多目傳送組接收數據，根據目錄信息決定首先從多目傳送組(a)、(c)、(e)接收數據。當客戶機從這段數據的起始點開始以單目傳送方式接收數據到t1時間點時，客戶機所接收到的數據與客戶機從多目傳送組(e)所接收的數據的「接收起點」重合，客戶機在t1時間點之後便可以停止以單目傳送方式接收數據。當客戶機從多目傳送組(e)接收數據到t2時間點時，數據循環到客戶機從多目傳送組(c)所接收的數據的「接收起點」，所以客戶機在t2時間點之後便可以停止從多目傳送組(e)接收數據。當客戶機從多目傳送組(c)接收數據到t2時間點時，數據循環到客戶機從多目傳送組(a)所接收的數據的「接收起點」，所以在t2時間點之後便可以停止從多目傳送組(c)接收數據。當客戶機從多目傳送組(a)接收數據到t1時間點時，數據循環到這段數據的結尾。這樣，將這4部分數據連接起來就正好是一個完整的循環，也就是一段完整的數據。
這樣通過綜合運用本方式，擁有不同網絡帶寬的客戶機都可以充分利用其帶寬儘快接收數據，並滿足客戶的其它需求。在上面的例子中客戶機大多按及時接收一組或一段完整數據為主要需求而選擇接收方案的，在實際中可以根據需求作出更加靈活的選擇方案，例如某些人不喜歡看電影或電視劇的片頭，某些人從中間開始接收以前未看完的電影等。
7、客戶機在收到數據後，對所收到的數據進行效驗，如果發現數據有錯誤或遺失則用可以使用以下方法進行修正a.將錯誤或遺失的數據定位(利用如1點所述的標尺)以單目傳送的方式要求伺服器重發一個或多個有錯誤的部分數據。
b.將錯誤或遺失的數據定位並記錄下來。立刻或每隔一定間隔(如時間、數據量、片段數量)以單目傳送的方式要求伺服器重發有錯誤的部分數據。
c.將錯誤或遺失的數據定位並計算出某個多目傳送組下次循環到這一點的時間，並記錄下來。根據時間的定位或提前一點重新接收有錯誤的部分數據，也可以接受其前後相關部分作為冗餘，如圖4-D所示。也可以要求伺服器用單目傳送方式發送有錯誤的部分數據。
8、客戶機收到正確的數據後可以將「標尺」去掉，將被分割的一組數據的多個數據片段合併，恢復這一組數據原有的格式(也可以在存儲時不去掉「標尺」，不做將各片段合併的物理操作，只是客戶機在使用這些數據時忽略「標尺」，將各片段連接使用，只要使用效果如同使用原有的連續的一組數據一樣即可，例如一般的網頁存儲時並不用將其連接，只是在被瀏覽器讀取時才將其作為一個整體來使用)。
9、考慮到地理距離網絡瓶頸或國家或行政區劃上的原因，可以在某些地方設置代理伺服器。代理伺服器既能夠以本方法中的接收方法或其他方法從伺服器或其他代理伺服器取得數據，又能夠以本方法中的傳送方法向客戶機發送數據。
為了實現本發明的任務，在伺服器端綜合使用了以下幾個創新傳送方式(1)多重循環傳送數據的方式伺服器循環傳送，客戶機隨時從多目傳送組接收數據。伺服器周而復始地向某些多目傳送組傳送某段數據，並且起點時間相互交錯。客戶機等待多目傳送組循環發送到此段數據的起始點開始接收數據，或隨時都可以從這些多目傳送組接收數據，只要客戶機在開始接收數據時將「接收起點」記錄記錄下來，當客戶機從某個多目傳送組再次接收到從本多目傳送組接受到的「接收起點」時即可以停止從此多目傳送組接收數據，或者當客戶機從某個多目傳送組接收到另一個多目傳送組的另一個「接收起點」時即可以停止從此多目傳送組接收數據，因為在另一個「接收起點」之後的數據已經預計從另一個多目傳送組接收甚至已經接收過了。因為客戶機可以選擇一個最接近某段數據起始點的多目傳送組所以解決了視頻點播的實時收看的問題，因為客戶機可以選擇加入多目傳送組的數量所以也解決了不同客戶充分利用其網絡帶寬的問題。
(2)在數據中加入標尺由於本方法的特殊性，客戶機在加入多目傳送組並開始接收一組或一段數據時不一定是從數據的起始部分開始接收的，所以需要使客戶機可以定位自己開始接收數據的起始點，利用標尺是解決這個問題的最好方法之一。
另外如果客戶機收到的數據有錯誤，也需要利用標尺來定位錯誤數據在一段數據中所在的位置，以便於重收這部分數據。
(3)一組數據的分割如果伺服器僅使用帶標尺循環傳送的方式來傳送數據，客戶機就已經能夠做到隨時開始接收數據了，但對於某些要求實時使用的較大的數據來說這還是不夠的，另外，如果所有的客戶機都從同一個多目傳送組接收數據，這個多目傳送組無法兼顧到各個客戶機所具有的網絡帶寬。所以在本發明中可以將一組作為整體來使用的數據分割成多個數據片段，分別傳送。這樣客戶機就可以根據自己的實際情況靈活地選擇接收數據了。在分割時可以採用重複分割傳送的方式，例如將一組數據分割為A、B兩個數據片段，分別向兩個多目傳送組傳送，再將數據片段A分割為A1、A2兩個數據片段，分別向兩個多目傳送組傳送，也可以將整組數據向某個多目傳送組傳送。分割後的數據片段的內容允許相互重複，例如在上面的例子中A2前面一部分的內容可以與A1後面一部分的內容相互重複。
在本發明中可以從多種角度、用多種方式來分割數據。以下舉例說明，但並不僅限於以下方式。
a.按數據的排列順序分割例如一組100M的視頻數據，按照數據的排列順序分割成10個片段，每個片段10M。
b.按視頻數據的像素來分割例如有一組視頻數據，其每一幀畫面的解析度是800×600，如果我們將這幅畫面的橫向按照每隔一個像素取一個像素，橫向按照每隔一行取一個的方法，可以將這個畫面分割成4個解析度為400×300的畫面基本相同的畫面。按照這種方式可以將一組視頻數據分割成4個數據片段。如果接收並使用其中一個數據片段，則可以收看到解析度為400×300的視頻節目，如果接收並結合使用全部4個數據片段，則可以收看到解析度為800×600的視頻節目。
c.按視頻數據的幀來分割例如有一組視頻數據，我們將第1幀、第4幀、第7幀……所組成的視頻作為一個數據片段，將第2幀、第5幀、第8幀……所組成的視頻作為一個數據片段，將第3幀、第6幀、第9幀……所組成的視頻作為一個數據片段，如果單獨接收並使用其中一個數據片段，則可以收看到速率為原有視頻節目3倍的快進的視頻節目，如果將3個數據片段接收並聯合使用將看到的是正常速度播放的視頻節目。
d.按照立體視頻的左右眼視頻來分割立體視頻節目是靠左右眼的視差來實現立體效果的，將左眼視頻和右眼視頻分割成兩個數據片段，如果單獨接收並使用其中一個數據片段，則可以收看到一般的視頻節目，如果將2個數據片段接收並配合相應的設備聯合使用將可以收看到立體視頻節目。
e.按照某種數學算法來分割數據。
f.結合使用以上幾種方式例如可以結合使用a、b、c、d這幾種方式，收看視頻節目的客戶可以先收看小解析度、快進、非立體的視頻節目，看到感興趣的部分再轉換方式，收看大解析度、正常播放速度、立體的視頻節目。
(4)聯合使用多目傳送和單目傳送方式使用單目傳送方式伺服器可以實時地響應某個客戶機的請求從某段數據的起始點開始向其發送數據，或向客戶機發送其要求的某部分或某幾部分數據。所以現在的視頻點播系統都是用單目傳送方式。本發明就是利用了單目傳送方式的這一特點，將前面部分的數據用單目傳送方式傳輸，以滿足客戶機對實時性的要求。同時利用多目傳送方式傳輸後面部分的數據，以減少伺服器和網絡主幹的負載。但是要順利的將兩部分連接也需要用某種方法定位。例如可以用數據串對比的方式，即將後面部分的數據的「接收起點」處的一部分數據不斷的與新收到的數據對比，如果重合則確定所接收的數據與「接收起點」重合。也可以利用「標尺」記錄其後面部分的數據的「接收起點」，並在此處連接，也可以利用數據片段來連接，即前面一個或多個數據片段以單目傳送方式傳輸，後面的數據片段用多目傳送方式傳輸。
下面就舉一個實際的例子來說明本方法在實際環境中的應用。
在下面的例子中伺服器提供一個電影節目或一條新聞節目的傳送，客戶機接收並觀看這個節目。當然在實際的應用中一個伺服器(或虛擬伺服器)可以同時傳送多個節目，而客戶機也可以同時接收多個節目或連續接收多個節目；也可以同時或連續接收節目和其他數據。
如果用傳統的單純用單目傳送方式的視頻點播，收看一條視頻新聞所需的時間為1分鐘；收看一個電影節目所需的時間為90分鐘。客戶機點播一個視頻新聞節目需要在觀看視頻新聞的1分鐘內連續佔用其1M的互連網帶寬，客戶機點播一個電影節目需要在觀看電影的90分鐘內連續佔用其1M的互連網帶寬。伺服器為了支持這個客戶機的點播，也需要佔用1M的互連網帶寬，而且每增加一個用戶就多佔用1M的帶寬。照此計算，這個伺服器最多能同時支持100個客戶機點播這個電影節目。
在下面的例子中伺服器擁有100M的互連網帶寬，客戶機擁有10M的互連網帶寬，伺服器於客戶機之間的互連網支持多目傳送，伺服器以2M的帶寬向各多目傳送組傳送數據，如果客戶機同一時刻用一個多目傳送組接收數據，只需要30秒就可以接收到播放1分鐘的視頻節目。在下面的例子中計算時間時忽略數據傳輸的遲延、傳輸目錄信息的時間以及客戶機和伺服器處理數據的時間。
通過下面的例子我們將看到，靈活運用本方法後會產生怎樣的效果。
1、將一個數據格式的電影節目(一組數據)處理成為便於本方式使用的格式並存儲於伺服器的存儲器中a、伺服器將需要發送的電影節目分割成多個片段，例如將電影開始的10分鐘視頻作為第一個片段，以後的部分每20分鐘的視頻數據作為一個數據片段，這樣一部電影將被分割成大約5個片段。(這一工作也可以事先由其他計算機完成，甚至在製作數據的過程中一併完成)，b、在數據片段中加入「標尺」(這一工作也可以事先由其他計算機完成；在製作數據的過程中一併完成；或者在存儲時並不加入「標尺」而是在伺服器將數據向網絡發送前才加入「標尺」。)c、將處理好的視頻數據存放於視頻伺服器的存儲器中。
2、如圖12所示伺服器將節目A的第一段視頻數據使用三個多目傳送組(a)、(b)、(c)、傳送。如果客戶機用多目傳送組(a)下載數據，則可以從t2時間點開始使用數據；如果客戶機用多目傳送組(b)下載數據，則可以從t1時間點開始使用數據；如果客戶機用多目傳送組(c)下載數據，則可以從t3時間點開始使用數據；如果客戶機使用合適的多目傳送組則能儘早開始從頭使用數據。在圖12中「某客戶」機用多目傳送組(b)則能儘早(在t1時間點)開始使用數據。而其他客戶機在另外一個時間開始下載，則可能選擇另外一個多目傳送組才能儘早開始使用數據。經過這樣改進後客戶機最多需要等待1分40秒，平均等待時間50秒。這種方式允許100,000以上的客戶機點播節目，但伺服器和網絡主幹只需要14M的帶寬。如果按這種方式分別使用20個多目傳送組傳送第1片段，則客戶機最多需要等待15秒，平均等待時間7.5秒，伺服器增加38M的網絡負載，即伺服器總的負載約為48M。至於傳送目錄信息所佔用的帶寬是非常小的，可以忽略不計。
多目傳送(multicast)協議這個名詞主要指TCP/IP協議族允許一宿主機向所有宿主機的某一子集發送包(即組發送)的傳輸方式，但是與TCP/IP類似的其他協議族如AppleTalk協議族也具備類似功能的協議，稱為「簡單多目傳送路由選擇協議(SMRP)」。另外其他協議族也可以開發出與多目傳送(multicast)相同或類似的功能，例如ATM；IPX/SPX協議族；網絡的第二層協議當中的乙太網協議(ETHERNET)；在無線傳輸中不僅可以利用CDMA和衛星數據傳輸協議的地址分組，還可以利用載波頻率或時隙來分組。另外幾乎所有協議族已經具備單目傳送(點對點傳輸)功能。
本發明不僅限於基於TCP/IP協議族的多目傳送(multicast)和單目傳送(unicast)協議。本方法適用於任何能提供類似多目傳送(一點對多點)和單目傳送(一點對一點)功能的數據網絡。
權利要求
1.一種數據網絡中利用多目傳送循環傳送數據的方法，其特徵在於採取如下步驟a、伺服器將待傳送的至少一組被分割成若干數據片段的數據存儲於存儲器中；b、伺服器以單目傳送或多目傳送的方式提供有關待傳送數據的目錄信息；c、伺服器將需要傳送的各數據片段通過網絡分別向相應的的多目傳送組傳送；d、在傳送數據期間，伺服器對每個多目傳送組傳送完畢後再次從頭開始傳送，如此循環往復；或者當有至少一個客戶機在接收數據時才循環傳送，否則便終止循環，直到再次有至少一個客戶機需要接收數據時才再次循環傳送數據；或者當某多目傳送組與其他多目傳送組傳送相同內容時可以暫停向此多目傳送組傳送數據。
2.一種數據網絡中利用多目傳送循環傳送數據的方法，其特徵在於採取如下步驟a、伺服器將待傳送的至少一段數據存儲於存儲器中；b、伺服器以單目傳送或多目傳送的方式提供有關待傳送數據的目錄信息；c、伺服器將需要傳送的這段數據通過網絡分別向多個多目傳送組傳送，並且每個多目傳送循環到此段數據的起始點時的時間是相互交錯開的；d、在傳送數據期間，伺服器對每個多目傳送組傳送完畢後再次從頭開始傳送，如此循環往復；或者當有至少一個客戶機在接收數據時才循環傳送，否則便終止循環，直到再次有至少一個客戶機需要接收數據時才再次循環傳送數據，或者當某多目傳送組與其他多目傳送組傳送相同內容時可以暫停向此多目傳送組傳送數據。
3.根據權利要求1或2所述數據網絡中利用多目傳送循環傳輸數據的方法，其特徵在於伺服器能夠以單目傳送方式傳送此段數據。
4.根據權利要求1或2所述數據網絡中利用多目傳送循環傳送數據的方法，其特徵在於所述的一組數據或一段數據或一個數據片段為帶「標尺」的數據。
5.根據權利要求4所述數據網絡中利用多目傳送循環傳送數據的方法，其特徵在於所述的數據的「標尺」用數據包的順序號作為標尺刻度。
6.根據權利要4求所述數據網絡中利用多目傳送循環傳送數據的方法，其特徵在於當伺服器將待傳送的一段數據分割成若干小文件時，所述的數據的「標尺」以所述的若干小文件作為標尺刻度。
7.根據權利要求4所述數據網絡中利用多目傳送循環傳送數據的方法，其特徵在於所述的數據的「標尺」利用某一數據點到數據片段的首或尾所需的存儲空間作為標尺刻度。
8.根據權利要求4所述數據網絡中利用多目傳送循環傳送數據的方法，其特徵在於所述的數據的「標尺」利用時間作為自然的標尺刻度。
9.一種數據網絡中利用多目傳送循環接收數據的方法，其特徵在於採取如下步驟a、需要接收某段數據的客戶機，從多目傳送組或直接從伺服器獲取與這組數據有關的目錄信息；b、客戶機根據目錄信息，在適當的時機加入某一個或某幾個傳送此段數據的多目傳送組，開始接收此段數據；如果「接收起點」並非此段數據的起點，客戶機記錄下開始接收的「接收起點」；客戶機在需要的時候也可以要求伺服器以單目傳送方式向其傳送數據；c、當客戶機從某個多目傳送組或以單目傳送接收的數據達到或超過此段數據的某個相應「接收起點」時，停止從此多目傳送組或單目傳送接收數據；d、如果「接收起點」並非此段數據的起始點，則將所接收到的同一段數據在「接收起點」處進行連接。
10.根據權利要求9所述數據網絡中利用多目傳送循環接收數據的方法，其特徵在於當接收的多段數據為一組數據被分割成若干數據片段後的各個數據片段時，客戶機可以同時接收多段數據，並且要使相鄰的數據片段連接起來，或使之能夠成為一個整體來使用。
11.根據權利要求9所述數據網絡中利用多目傳送循環接收數據的方法，其特徵在於所述的適當時機是循環傳送的數據循環到此段數據的起始點時，或提前於起始點的某個時刻，以此段數據的起始點或結束點作為特殊「接收起點」，接收完此段數據後不必將其首尾進行連接。
12.根據權利要求9所述數據網絡中利用多目傳送循環接收數據的方法，其特徵在於接收數據的客戶機對已經接收的數據進行校驗，如果發現數據有錯誤(或遺失)，則將有錯誤(或遺失)的數據片段用所述的「標尺」刻度定位，並根據目錄信息計算出某個多目傳送組下次循環到此刻度的時間，並適時加入此傳送組接收數據以修正(或補充)有錯誤(或遺失)的部分數據。
13.根據權利要求9所述數據網絡中利用多目傳送循環接收數據的方法，其特徵在於接收數據的客戶機對已經接收的數據進行校驗，如果發現數據有錯誤(或遺失)，則將有錯誤(或遺失)的數據片段用其「標尺」定位，然後請求伺服器發送所述的一個或多個有錯誤(或遺失)的部分數據。
14.一種實現利用多目傳送循環傳輸數據的方法的系統，包括接入數據網絡的伺服器、支持多目傳送的轉發設備、若干客戶機、至少一個代理伺服器，所述代理伺服器用於接收、存儲數據以及向多目傳送組轉發數據，其特徵在於所述的客戶機能夠作為代理伺服器或作為代理伺服器的一部分向多目傳送組轉發數據；所述代理伺服器也能夠作為多目傳送組的一部分向多目傳送組的某些分支循環傳送數據。
全文摘要
一種數據網絡中利用多目傳送循環傳輸數據的方法，採取如下步驟伺服器將待傳送的至少一組被分割成若干數據片段的數據存儲於存儲器中，以單目或多目傳送方式提供待傳送數據的相關目錄信息；伺服器將需要傳送的各數據片段通過網絡分別向相應的的多目傳送組傳送；在傳送數據期間，伺服器對每個多目傳送組傳送完畢後再次從頭開始傳送，如此循環往復；需要接收某段數據的客戶機從多目傳送組或直接從伺服器獲取與這組數據有關的目錄信息，根據需要加入某一個或某幾個傳送此段數據的多目傳送組，開始接收此段數據，如果「接收起點」並非此段數據的起始點，則將所接收到的同一段數據在「接收起點」處進行連接。使用本方法能大大減輕伺服器和網絡主幹的負載，能隨時、快速、可靠地下載數據，儘早使用數據，同時使客戶機端的客戶感覺如同使用單目傳送一樣及時、方便、可靠。
文檔編號G06F15/16GK1402147SQ0112517
公開日2003年3月12日 申請日期2001年8月24日 優先權日2001年8月24日
發明者顧紅波 申請人:顧紅波