隨機資料取代性方法 助網路用戶獲得有效服務
從局部觀點而言，連續媒體的系統實作可以叢集系統為之，一方面提高服務穩定度，另一方面也可有效建構服務的可用性而動態重新架構系統規模。如從傳送的觀點來看，媒體的來源必須分散以減少局部伺服器近端的網路壅塞。另就服務品質要求，連續媒體須有一套自己的錯誤回復機制。為使用戶獲取更有效及快速的網路服務，「隨機資料取代性方法」一直是大家感興趣的研究領域，因為客戶端所要求的資料可以經由叢集系統中最適合的成員，如距離最近、頻寬最大者加以回應時，就表示用戶可以在更短的時間內取得服務的可用性。這對於伺服器工作量的減輕、區域的網路流量分散、資訊要求與回應的紓解、系統可動態架構的能力上具有實質幫助。
然而，可隨機資料的取代運作方法並非如想像般容易，如果沒有一套好的配套措施將造成網路流量控制機制的失靈。如在使用重傳式的錯誤控制機制(RBEC)中，端點(傳送端或用戶端)要如何辨識所遺失的封包？或是遺失的封包來自何者伺服器成員？要解決第一個問題似乎利用封包序號即可，但要解決第二個問題，勢必須將封包加上某種標籤才行。但網路媒體傳送不論是串流媒體或是下載式媒體，都需要大頻寬的使用，雖然不斷的升級硬體設備可以立即又有效的提升可用頻寬並解決網路壅塞，但此類升級是個無底洞，頻寬永遠不會有被滿足的一天。
因此，新的影音壓縮演算法、網路資源共享互饋機制、有效的錯誤回復工程等都是在現有基礎下使網路媒體維持順暢的重要而關鍵之輔助技術。以現行的許多流量錯誤回復機制而言，大多不是為即時媒體量身訂作。若將現有的網路流量錯誤回復機制直接套用在網路即時串流上面，恐怕會因為網路的一些原則性限制並未改變，引發水土不服的情形。
多點叢集系統 具連續網路媒體應用優勢
有鑑於網路電視的應用原理可適用在連續網路媒體的推動，為使每一部多媒體伺服器可以服務更多使用者，基於成本概念與系統穩性概念下的多點叢集系統(Multinode Cluster System)有其應用上的優勢。使用叢集系統的基本好處有三點，首先是建構成本的低價化趨勢，因為叢集系統的每一個成員均可由一部個人電腦執行任務，跳脫穩定服務只能由大型系統為之的窠臼。其次，是系統的穩定性增加，服務的可信度上升，叢集系統的每一個節點均有功能負載能力，當其他節點出現當機時，其服務可由其他最適節點擔任，或是當某一節點的負載過重時，其可藉由動態負載平衡分散掉服務壓力，並避免該節點附近的網路壅塞；第三個優點是系統的動態架構能力，利用動態組構服務(Dynamic Configuration)，可以依據服務的需求量而動態增加或減少成員數量，有效達到節省能源與建置成本的目的。
但叢集系統並非全無缺點，資料同步化問題為其中較難克服的一點。因為網路多媒體的特色乃是單位時間的流量大，且服務是由伺服端向客戶端以預先定義的網路位元流速，即是固定位元速率(CBR)或可變位元流速(Variable Bit Rate, VBR)來遞送。以目前網際網路架構來看，由於屬於封包交換式網路型態，因此網路壅塞所導致的封包遺失對即時媒體品質有相當大的影響。影音封包往往事先經過視訊壓縮演算法，如MPEG-4、H.264/AVC等處理，其封包內的資訊已屬非常精簡且為攸關視訊影音品質的必要資訊，如果遺失將對品質的還原造成一定程度的影響。此時，若可以利用可變位元流速的遞送方式來遞送多媒體封包，將有助於在封包交換式網路上強化影像重繪品質。
掌握資料回復能力 克服封包丟失問題
雖然網路封包遺失不見得全是因為網路壅塞關係，但因網路壅塞所造成的封包遺失卻常是封包遺失主因。網路電視或連續媒體之封包一旦遺失，其所包含的影音同步資料亦可能隨同喪失，間接影響後續的接收影音品質，因此串流資料(Streaming Data)封包的遺失通常具有較低的可容忍性。由此可知，一部IP多媒體網路伺服器要能有效應付多媒體服務，往往必須具備兩個條件。首先是要能有效的儲存多媒體資料：其次，是伺服器對於在網路上遞送的資料要有足夠的資料回復(Data Retrieval)精確掌控能力。關於資料回復的問題涉及錯誤回復控管工程設計，目前常被用於即時錯誤回復機制(Error Recovery)有三種，這三種機制分別作用於傳送端(Sender)、接受端(Receiver)及混合式的錯誤回復機制(圖1a)。
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| 圖1 (a)叢集式媒體伺服器與客戶端的網路架構(b)即時媒體串流的錯誤回復機制 |
作用於傳送端者錯誤回復機制稱為SBER(Sender-based Error Recovery)機制；作用於接受端者錯誤回復機制稱為RBER(Receiver-based Error Recovery）機制；而混合式的錯誤機制稱為HER(Hybrid Error Recovery)機制(圖1b)，這些相關錯誤回復機制的研究可以參閱2003年Y. Wang及A. Ahmaniemi等人的相關研究。
在這些錯誤回復機制中，SBER機制依據傳送者是否參與而可再細分成三種子類
別，分別稱為重傳技術(Retransmission)、補插技術(Interleaving)與前導錯誤控制(FEC)技術。以重傳技術而言，其依據應用領域相同而可區為兩種類別，一種為可信的單播支援(Reliable Unicast)重傳技術；另一種為可信的群播支援(Reliable Multicast)重傳技術這兩種，其中，越來越多學者投入可信的群播支援重傳技術研究，如S. Floyd、V. Jacobson等人提出的延展性可信群播策略(Scalable Reliable Multicast, SRM)便是其中一例，後來的研究者則嘗試將各種可能的錯誤回復方式加以組合，以滿足各種不同的應用領域，如J. Nonenmacher及E. W. Biersack等人便曾研究將FEC方法與重傳技術加以整合的可能性。而RBER技術主要是立於接收者地位產生一個取代封包，用以代替遺失的封包所攜帶的資訊，這就是大家所熟知的錯誤隱藏機制(Error Concealment)。
錯誤控管機制的研究屬於流量工程中的退場機制，要避免封包大量遺失的最好方法也是首要策略就是避免網路壅塞發生，一旦出現大量封包遺失的情況時，任何錯誤回復機制都無法彌補應有的資訊品質。而在下載式媒體或串流的應用中，要避免網路壅塞的方法之一便是分散可下載之資料來源。這種分散式架構概念，在前已論述過其優點，但目前在這方面尚須解決包含資料下載進度的感知、資料截斷點的控制及資料同步化等問題，如果是串流媒體則又多了RTP封包丟失的問題。即時媒體使用的RTP封包是一種非連結導向的UDP封包，因此封包到達用戶端的封包次序可能不同，且傳送端亦無法保證每一個UDP封包均能到達用戶端。因此，學者認為因重傳的封包也不見得100%可到達用戶端，質疑在RTP應用型態裡使用封包重傳策略重新傳遞遺失封包是否真有助於改善品質。如果採用大量冗餘性的封包重傳策略，又會造成網路上到處流竄重複的封包，使網路流量大為增加，此問題仍有待研究適當的解決方法。
連結導向協定確保封包傳遞
因此如果要確保其封包可以到達用戶端，似乎應採用連結導向的協定，如TCP協定較為妥當，這使得一些學者在使用UDP或TCP協定上有所爭議，因為TCP協定本身並不適合被應用在串流方面。為使網路多媒體資料如網路視訊，可以順暢的在一般網路上推播，除使用專線之外，若要走一般IP網際網路架構，勢必就需要一些技術輔佐才能成行。就此一需求而言，不同技術著眼點不同所利用的技術方式也多有差異。以來源編碼(Source Coding)技術而言，其將分層概念(Layered)與錯誤回復能力(Error Resilient)加入視訊編解碼器(Codec)的設計中，分層概念在此處理的主要是針對網路異質性與時間差異性的變異問題，以方便視訊編解碼器可以依據網路可用頻寬彈性調整所需要的視訊位元速率；而視訊編解碼器中有關錯誤回復能力主要是利用客戶端之錯誤隱藏(Error Concealment)技術來處理封包遺失的問題，以增加編碼效能與維持一定的視訊品質。但如果站在通道編碼(Channel Coding)角度來看，在降低封包重傳及減少封包延誤方面，其主要利用傳送端的錯誤回復策略為前導錯誤修正技術。如果站在傳送協定的角度來看，群播技術是最耳熟能詳的方法之一，其他相關的傳送協定技術，讀者亦可參考1999年W. Tan及A. Zakhor等人的相關研究。群播技術雖可降低封包副本數量，在相同一段實體連結上面，不會重複遞送相同的封包，因此冗餘封包數量減少後，便可使視訊所需要的頻寬降低。另站在網路系統架構的觀點上，各種負載平衡(Load Balancing)、低遲延極高通透量的模型陸續被提出，尤其是近年來點對點(P2P)的進化，更使得媒體資料的遞送與網路頻寬的利用關係產生微妙的變化。這種P2P架構模式逐漸使早期內容遞送網路(CDN)公司使用的邊界架構(Edge Architecture)慢慢被淘汰(圖2)。
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| 圖2 簡易邊界架構模型 |
在邊界架構中，其藉由將多媒體內容移到網路邊界伺服器的方式，降低封包環繞旅行的時間，並避免網際網路的壅塞，以達到減少遲延的目的。當使用者向其他邊界伺服器提出服務內容要求時，如果該伺服器無法達到其AP所要求的位元速率，則會轉導要求至鄰近伺服器，由其同步提供相關媒體資訊，以避免封包壅塞區段與達到較大的傳輸通透量。因此一些公司利用這種大量在網路不同節點上架設伺服器的方式，方便客戶選擇離他們最近的內容服務伺服器下載內容，以達到快速資源下載，並減少封包在網際網路上擁塞的問題。
此概念在近年崛起的P2P網路仍存在並扮演重要角色，大家都在思考如何維持降低架設成本下，依舊能發揮下載高通量的能力。在許多網路多媒體應用策略中，都假設在同一區段(Session)中的傳送者與接收者的通訊路徑是單一且固定的，如果該網路路徑出現壅塞，則多媒體串流(Multimedia Streaming)便會遭受到大量封包遺失的威脅。但事實是，即是在沒有網路壅塞的情形下，封包在傳送者與接受之間的旅行時間(Round-trip Time)也常會因為其他因素而增加，因此多路徑來源(Multiple Source)的概念便應運而生。
多路徑來源降低封包遺失/延遲
在多路徑來源概念下，接受者可以自由選擇最接近自己的內容服務載點來下載資料，以避免封包的壅塞與不必要之封包旅行時間。經許多實驗發現，這種多來源概念或稱多載點概念的確可以有效降低封包遺失機率並對延遲問題的解決提供不錯的效益，如服務內容供應商Akamai便將這種多載點概念利用大量的不同伺服器加以實作涵蓋，使伺服器盡量接近使用者。因此在這種架構下，如果沒有一部伺服器可以滿足使用者應用程式的基本位元速率要求，則利用多部伺服器同步遞送內容的方式，將可有效提高通透量。但這種作法會導致企業經營成本的增加，裝備的設置與維護費用不可小覷。為解決此問題，P2P網路的興起便提供了另一種多載點服務提供概念，致使P2P網路不只成為一種資源分享的重要架構，亦在網路電視與連續媒體應用服務下占有一席之地。尤其是第二代P2P網路利用頻寬分配差異方式來鼓勵用戶作為下載節點，使頻寬分配的計算更符合效益與公平性。
網路多媒體串流 演變為多傳送者模式
上述談到為了讓用戶可以擁有較高的網路串流品質與傳送資料流之高通透量，多伺服器載點的設計架構也是一種可用的多樣化策略，但其缺點是設置與維護所費不貲，且同步化問題亦有待協調解決。另外，網際網路的不可預測封包壅塞問題，對那些非延遲敏感性的資料而言，可利用TCP協定以網路多種服務載點的方式加已解決，但若要應用在有延遲敏感性資料上，則尚需要一些配套措施。但無論如何，網路多媒體串流的演變方式雖然已由邊界串流模式(Edge Streaming Mode)演變成多傳送者模式(Multiple Sender Mode），但是多傳送者模式卻仍存有一些缺點，首要問題便是傳送者的同步性，其次為傳送者的義務均被假設為相同的，這一點與現實生活不符，因為我們通常無法強迫他人開放頻寬。同步性問題會影響資料傳送效率能否提高；第二個問題則造成網路上存有許多「搭便車」的使用者問題。所謂搭便車的使用者，意指那些只想下載他人的資源而不想開放自己的資源供他人下載，或使自己的電腦成為可下載資源的新載點的用戶而言。這種搭便車問題會大量占用載點可用頻寬，而使下載速率變慢，有失頻寬使用的公平性。
此外，多傳送者模式因為多使用UDP協定作為傳送資料方式，使其要通過防火牆顯得更加困難。
另有學者提議使用TCP協定來取代UDP協定，以克服防火牆問題，但使用TCP協定必須先克服兩個問題，首先是通透量的變動問題，其次是其粗糙的速率控制(Rate Control)能力。之所以會有這兩個問題，要回顧到TCP當時的設計目的主要是為了增加端點傳送資料的可信度及快速壅塞防止能力所致。換句話說，為使傳送可信度增加，一旦有封包遺失，便會重傳封包；一旦有壅塞發生，則會降低傳送者的資料傳送通透量。為解決以上兩個問題，T. Nguyen及S. C. Scheung等人提出了「多重TCP連結」方法作為多媒體串流利用TCP連結方式的解決方案(圖3)。
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| 圖3 端點式的多重TCP連結概念圖 |
雖然這種多傳送者模式目前仍有困難須克服，但不容置喙，這概念已被廣用在目前P2P網路架構中，作為傳送服務的一種基礎。正因為許多網路的頻寬發展永遠趕不上應用所需，因此用戶端的彼此分享能力遂成為下一代媒體網路的實用特色，關於此點將於下期文章進一步深入探討。
