单向广播信道在现代互联网中的应用

温宇强 邵孟良 广州南洋理工职业学院信息工程学院

引言

卫星网络主要应用在广播电视，而卫星做广播电视播出的使用率并不高。如传统的电视台,50%以上的内容是重播的内容,当电视台受众的地区处于非收视的高峰时段,甚至电视台会停播,信号中断用以做设备维护，这导致广播信道利用率及其低下。随着互联网的发展,维持广播内容制作的广告业务收入大部分被互联网广告占据，导致全球的广电运营商普遍经营惨淡。三网融合，是我国很早提出来的产业政策，但是现在看来，电信数据网络统一了三网，广播网络似乎将要被时代抛弃。本文从技术角度来分析广播网络在现代互联网架构中应用,利用广播网络的技术特性产生新的网络体系架构，推动广播网络与互联网的融合。

1 无线广播网络的特性与新型网络模型

1.1 无线广播信道的优势

相比于双向有线信道或双向无线信道，无线广播信道是有其自身的运营优势。

(1)无线信道不需要维护。

(2)无线广播网络传输信息实时性好[1]，此点后面4 小节说明。

(3)信号功率小,节能。根据[2]可知卫星信道的功率，[3]可知现有有线网络的设备规模。

(4)信号扇出比无限大。

(5)网络覆盖范围广。

1.2 网络架构的新模型

目前CDN 系统是互联网的基础架构，我们现在的网站、流媒体、软件更新等大量的服务要基于CDN 系统。

显然,完成把相同的内容分发到不同的节点上这项工作,利用广播信道进行传输效率会更高。于是,我们提出了一种新型的CDN系统架构[5]：信道异构CDN 系统(Channel Heterogeneous CDNCHCDN)系统。

图1 CHCDN 系统结构

信道异构CDN系统，该系统包括几个部分：中心节点 ，广播信道，边缘节点。系统结构如图1。

中心节点负责广播数据的汇总发送，中心节点应该理解为一个计算集群。中心节点连接到互联网中。

广播数据通过广播信道发送给边缘节点。广播信道的例子：卫星信道。

边缘节点通过接收广播信道的数据，并把数据缓存在本地，为本地用户提供服务。边缘节点应当理解为一个边缘计算中心，边缘节点也连接到互联网中。

系统交互协议：

中心节点根据获取到的信息预测，或通过内容运营商的信道预定，安排要通过广播信道发布的内容。同时，对即时发生重大事件相关的信息进行汇总。并对不同数据分配不同的带宽和优先级。信息的发布按照优先级进行排序。最后通过广播信道发送经过排队的数据。在数据组织上，不同类型的信息会分类，并让接收端容易进行过滤。

边缘节点根据所获信息进行分类处理。若该节点对数据中一些分类的内容不感兴趣，可以不处理而丢弃。对接收到的信息，需要实时交付的，会提交给对应的应用程序做进一步处理。若非实时数据，边缘节点将把数据存在硬盘中。边缘节点统计在边缘系统中用户使用数据的情况，并根据节点内数据的使用情况判断是否需要清除陈旧数据。利用传统的网络模型，用户统计信息将会层层上报，直到中央节点，上层节点会进行数据分析，以提高系统对广播数据定义的精准度。对边缘节点中用户未命中的请求，边缘节点将会把这个请求转发至上层系统处理。边缘节点内部，对用户的服务，属于传统CDN 模型。

CHCDN 系统的模型只有两级，中心节点和边缘节点。除了中心节点外，其他的节点在CHCDN 系统中都是边缘节点。

2 基于CHCDN 模型的内容传输效率与延时抖动性能分析

现对同样多的用户，利用不同的网络架构进行数据分发，并对比结果。

设现有的网络系统是一个度为d,深度为L 的满树。信息的传播是从树根传到树叶，中间的节点是网络设备。称这个模型为有线满树模型。

该模型中共有叶子节点个数n：

作为对比，信息通过无线广播网络传输，可以直接从树根，经过广播信道，到达树叶。称这个模型为无线广播模型。CHCDN 系统即使用此模型。

图2 有线满树模型与无线广播模型

下面讨论的问题情境是：把大小为S 的文件f，从根传输到所有叶子节点。

我们先计算传输延时：

假定每个节点每次传输S 大小的文件，需要处理的时间有p 的时间偏差，p 为随机变量服从[-t,t]上的均匀分布。

无线广播网络传输中间的延迟只有信号从发射端到接收端的传播延时B，而信号的传播速度是接近光速的。数据在传播过程中不需要再经过中间设备，所以也不会产生新的延时。

有线满树模型中，传输每经过一层就要再传输一次，假设每段有线链路的传播时间都一样为b,所以整个链路的传播需要经过L 段传播，而每次传播都会引入处理时间偏差p。

由于通过广播信道传输，只需要传一次，虽然公式(2)中有随机变量p,但是终端接收到数据的时刻是一致的。所以通过广播信道的接收端时间抖动为：

把(3)代入(5)，且由p 服从均匀分布可得：

比较(4)和(6)，有线满树模型的传输抖动明显大。

下面分析把大小为S 的文件f，从根传输到所有叶子节点的总传输量：

由于传输量代表系统需要处理的总数据量，我们只在发送端统计，每次传输累加。总数据传输量可以用来刻画系统的传输效率。若总传输量大，此系统必然也要更多的处理能力（复杂度）和更多的资源投入。

通过2.1 节广播信道的特性，文件f 只在信道中传输了一次，所以无线广播网络中的传输总量公式为：

根据公式(6),(8)我们看出使用有线满树模型，用户规模越大传输的延时抖动越大，同时传输总量也越大；我们假设系统的d=100，t=1 秒，S=1MB 我们做出用户规模与传输延时抖动和传输总量的关系图如下：

图3 传输延时抖动与传输总量变化关系

图3 可以看出，有线满树模型随用户规模扩张，传输延时抖动和传输总量这两个指标上恶化非常迅速（这两个指标越小越好）。而无线广播模型，根据公式(4)(7)，传输的延时抖动与传输总量都与用户的规模无关，说明CHCDN 系统利用广播信道传输内容到用户这种方式的本质优势。

3 总结

传统的广播信道由于互联网的冲击,已显现出颓废之态,但是广播信道有其自身的特点,在新型互联网架构的设计中,应充分利用广播信道的特点,形成新型互联网架构。CHCDN 是这种尝试中的一个方案。本文通过分析,展现了广播信道加入互联网后,可能形成的新网络特性。2017.4 月发射的实践十三号的单颗卫星通量也有20Gbps[6],CHCDN 是符合目前我国国情的互联网新架构。在目前中美贸易战背景下，充分利用广播信道，同时提高双向有线信道的QoS，CHCDN 技术大有可为。