（通信与信息系统专业论文）网上视音频信息传输及处理的研究与实现.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘 要 太论文的研究来源于科研项目“ 低比特率多媒体远程教学系统”及 “ 基于 网上的视音频监控及报警系统”。论文针对这些应用方案的难点网上视音频的 处理及传输问题展开探讨。 在广泛分析了 现有的技术及方案的基础上，设计出了一个适合于实际应用 的综合网上视音频处理及传输系统，并用数学模式分析加以描述。设计中为提 高系统资源的使用率、提高网络带宽的应用率，提出了网络通信变 v b r为动 态 c b r的方法，通过反馈机制将信道、传输、接收效果与编码直接相联系， 并采用编解码结合、优先级控制和虚拟信道传输的方式，达到真正意义上的自 适应控制。同时对视音频数据的拥塞及网 络资源占 用大的特点做了讨论，给出 了采取多播的控制解决方案。 论文还针对视音频的处理及传输的难点同步问题，从实用的角度提出了四 步解决模型。在处理中系统采用多缓冲池多线程的方式来提高效率。另外本论 文还分析和讨论了网络数据的网络延时、丢包、拥塞、缓冲区调配等常见问题 的原因并给出解决方法。本论文的设计应用了r t p , r t c p等的传输控制、实时 媒体流等思想，但却独立于这些协议，使设计的系统更为紧凑。 将这些设计在实际项目中运行与验证，表明该系统是可行有效的，确实具 有提高资源利用率的效果。 关键词: 视音频 传输 处理 动态缓冲 同步 延时 西北工业大学硕士学位论文 摘要 ab s t r a c t t h e r e s e a r c h in t h is p a p e r i s b a s e d o n t h e p r o j e c t s w h ic h a r e a l o w b it r a t e mu lt im e d ia r e m o t e i n s t r u c t io n s y s t e m a n d a v id e o - a u d io m o n it o r i n g - c o n t r o l a n d a l a r m s y s t e m . t h e p r o b le m s a b o u t v id e o , a u d io t r a n s m is s io n a n d t r e a t m e n t a r e d is c u s s e d i n t h is p a p e r . b a s e d o n p r e v io u s t e c h n iq u e a n d t h e o r y , a n in t e g r a t e d v id e o - a u d io t r a n s m i s s io n a n d p r o c e s s s y s t e m o f s u it a b i l i t y f o r p r a c t ic a l a p p l i c a t io n a r e d e s ig n e d t h i s s y s t e m is d e s c r i b e d w i t h m a t h e m a t ic m o d e l. i n o r d e r t o m a k e g o o d u s e o f n e t w o r k i n g b a n d a n d i m p r o v e t h e u t i l iz a t io n r a t io o f r e s o u r c e s , t h e m e t h o d t h a t t r a n s f e r v b r t o d y n a m i c c b r i n n e t w o r k in g c o m m u n ic a t io n s a r e p u t f o r w a r d . mo r e o v e r , t h e e n c o d e 、c h a n n e l 、t r a n s m is s io n a n d r e c e iv e p e r f o r m a n c e a r e c o n t a c t e d c o r r e c t ly b y f e e d b a c k m e c h a n i s m . b e s id e s t h e s e， t h e w a y o f e n c o d e c o m b i n e w it h d e c o d e , p r io r it y c o n t r o l m e t h o d a n d v i r t u a l c h a n n e l t r a n s m i s s io n a r e a d o p t e d in t h is s y s t e m . s o t h e t r u e s e l f - a d a p t a t io n c o n t r o l h a s b e e n r e a l iz e d . a t t h e m e a n t i m e , a m u lt i- p l a y s o l v in g m o d e l i s u s e d t o s o lu t e t h e p r o b le m s a b o u t t h e v id e o - a u d io d a t a c o n g e s t io n a n d h i g h n e t w o r k in g r e s o u r c e o c c u p a t io n . a i m e d a t s y n c h r o n o u s p ro b le m w h i c h b e lo n g s t o d i f f i c u lt y in n e t w o r k i n g v id e o 、a u d io t r a n s m i s s io n a n d p r o c e s s in g , a fo u r - s t e p s s o l v in g m e t h o d i s p u t f o r w a r d . d u r i n g t h e p r o c e s s in g , m u l t i - b u ff e r t a n k a n d m u lt i - t h r e a d i s u s e d t o i m p r o v e e f f i c i e n c y . b e s i d e s t h e s e , s o m e c o m m o n p r o b le m s , s u c h a s n e t w o r k i n g t im e d e la y , lo s s p a c k e t , c o n g e s t io n a n d b u ff e r s c h e d u li n g a r e d is c u s s e d a n d a n a l y z e d , a n d t h e s o l v i n g m e t h o d s a r e p u t f o r w a r d . s o m e c o n c l u s io n s o f t r a n s m i s s io n c o n t ro l an d r e a l - t im e m e d i a s t e a m s p r o t o c o ls s u c h a s r t p . r t c p e t c a r e a p p l ie d in t h i s r e s e a r c h , b u t t h e r e s e a r c h i s i n d e p e n d e n t t o t h e s e p r o t o c o l . s o , t h i s s y s t e m b a s e d o n t h e r e s e a r c h i s m o r e c o m p a c t . a l l o f c o n c l u s io n s i n t h e r e s e a r c h h a v e b e e n v a l id a t e d b y p r o j e c t . t h e r e s u lt s p r o v e t h a t t h e s y s t e m i s p r a c t ic a l a n d e ff e c t i v e f o r i m p r o v e r e s o u r c e u t i l i z a t io n r a t io . k e y w o r d s : v i d e o a n d a u d i o , t r a n s mi s s i o n ,p ro c e s s i n g d y n a mi c b u ff e r , s y n c h r o n i z a t i o n , d e l a y 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 木人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即:研究生在校攻读学位期间论 文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 段保存和汇编本学位论文。同时本人保证， 文章 一 律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用木声明。 可 以采 用 影 印 学校可 以将本学位论文 入 、缩印或扫描等复制手 毕业后结吾学位论文研究 课题再撰写的 学位论文作者签名: 知;年; 指导教师签名 v v 3 年 : 男 兮月 : 全日 西北工业大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明 乘承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明;所呈交的学位论文， 是本人在学师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引 用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写 过的研究成果，不包含本人或他人己申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的 研究做出币要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名: -沁 . w;年; 月s -h 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 ， . ，网上视音频技术的研究意义 随着信息技术和网络应用以爆炸性的速度急剧发展，互联网络、多媒 体、远程传输、宽带通讯、电子商务等等这些新生事物，已 经在不容置疑地日 渐改变着我们的工作和生活方式。 人们可以 享受快速而廉价的网络去观看缤纷 的世界，教育、商务、娱乐成为网 络近期增长最快的三大应用， 对教育来说， 现代远程教育是建立在计算机网络技术基础上的一种新型的教育方式，是构建 终身学习体系的主要手段，突破了时间、空间的限制，实现随时随地地授课， 课程的内容可以以视频、音频、动画、图文的方式呈现在客户端的浏览器上， 可以是交互性的多媒体课件，又可以是名师上课的实际课堂实录，或是两者的 结合，这种交互性与真实性给现代远程教育带来新的动力和生机;对商业来 说，厂商以低廉的投资，用动态的影片、生动的画面来展示产品、策略，其感 染力和说服力总比单纯的文字和静图要强些，于是，从中可以获得较高的回 报;对娱乐来说，网上电影院的开设，各大电视台、电台、报纸网站的建立， 网上游戏的流行，娱乐己 经成为网上信息浏览的一个重要内容，而在这之中， 最引人注目的就是那些观众期待许久的影视和动画。在这些应用中，视频、音 频将在成为网络舞台的主角，与传统的文字、图像结合在一起传输丰富的信 息。 视音频播放与平面媒体在因特网上发布的内容有本质的不同。平面媒体多 以文字传播为主要方式，其媒体信息很容易转换成因特网上的发布内容，而视 音频播放更强调的是人们视觉上的效果，由于视频信息存储量的巨大，使得在 因特网上实现视频播放存在一定的难度。同时面对有限的带宽和拥挤的网络， 实现窄带及宽带网络的视频、音频的传输就成为这些应用的瓶颈。 在解决这类应用需求时， 往往要求实现时需对视频、音频具有较高的实时 性、 传输速度、并行处理能力、和图像质量等达到较高的性能，即主要解决信 号压缩、实时传输、同步处理的问 题。本文研究正是致力于讨论和解决这一问 题。 1 . 2网上视音频技术的概述 网上视音频数据的明显特点就是数据类型复杂和数据信息量大。对于实时 视音频数据除了这些基本特点外，还具有数据率高，时延及抖动小，实时同步 以 及支持q o s 等重要特性。 视音频技术从九十年代起取得了很快的发展。 对于 网络来说，其本身设计思想就是力求最好 ( b e s t - e f f o rt )的特性，并不提供任何 机制来预留资源或保证服务质量。所以可用带宽、服务质量、延迟以及延迟抖 动等动态特性严重影响了实时多媒体信息在网上的应用。所以，基于实时视音 频特性，在网络上实现高效传输必须解决这一瓶颈问 题。目 前这些问题的研究 主要集中在高效数据压缩、 流媒体技术及网络通信协议等方面的研究上。 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 2 . 1 数据压缩技术概述 综观当今网络技术，只有压缩技术才能使数字视频流及音频流的存储和传 输成为可能，对于未经压缩的视频数据及音频数据来说，要么是因为所采用的 存储和传输介质的数据速率太低，要么是因为该数据速率要求的价格太高或者 两种原因都有，以至于不能执行存储和传输。而更重要的是，信息确实能被压 缩，这是因为信息本身通常存在很大的冗余。以活动视频影像为例，它的一帧 画面由大量的像素组成。而相邻像素间相关性很大，有很大的信息冗余量，这 就是空域相关。由于电视图像通常反映的是连续的过程，其相邻帧之间也存在 很大相关性，比如，从一帧到下一帧，可能背景没有多大变化，即使对人物来 说，可能也只有某些部分在变化。这种相邻帧之间信息的相关性就是 “ 时域相 关”。这些相关性给数据压缩提供了可能的条件.此外，在多媒体应用中，信 息的主要接收者是人，而人的感官对某些信息并不够敏感，例如视觉对图像边 缘急剧变化不敏感，对色彩的分辨能力弱。这些人类视觉、听觉的特性对实现 压缩很有利， 使人在信息压缩之后还不知不觉.多媒体的应用不仅要求对信息 进行压缩，而且还要解压缩。压缩有无损压缩和有损压缩之分。无损压缩也称 为无失真压缩，即在压缩过程中信息未受到任何损失，通过解压缩可把信息恢 复成原样。有损压缩亦称为有失真压缩，即通过解压缩后不能把信息完全恢复 原样，它以牺牲一些信息而带来其它好处。 视频信息典型的无损压缩算法有h u f f m a n ( 哈夫曼) 编码、行程编码和算术 编码等，无损压缩的压缩比一般为2 : 1 -5 : 1 。视频信息的有损压缩算法主要 有预测编码、变换编码、模型编码、基于重要性的编码以及混合编码方法等。 压缩比随着编码方法的不同差别较大。音频信息的无损压缩算法包括不引入任 何数据失真的各种嫡编码，而有损压缩算法有波形编码和参数编码以 及两者结 合在一起的混合编码。 网络中的数据压缩目 前有几种不同的方式，其中t c p / p 帧头压缩、链路压 缩和多通道载荷压缩使用较为普遍。 t c p / i p 帧头压缩方式仅对t c p / i p 帧头进行 压缩，而对帧内 数据载荷不进行压缩， 压缩比 较低，只适用于t c p / i p 协议， 用 于i p 路由交换。 链路压缩方式既对帧头也对数据进行压缩， 通常用于简单的联 网环境。 图像、视频的压缩 目前主要有3 种国际标准，它们是i s o j p e g, i s o m p e g , c c i t t h . 2 6 1 . j p e g 主要是用于静止图 像的压缩，适用于照片、传 真和印刷图片。它也可用于视频压缩，其方法是对每一帧图像进行j p e g 压 缩。h . 2 6 1 标准专用于可视电 话和会议电 视。 mp e g 是目 前最受青睐的视频压 缩标准，它用于活动图像和音频的压缩，在图像质量基本不变的情况下， m p e g 可 把图像 压缩5 0 倍 ( 5 0 : 1 ) ， 在可观察到图 像质量下降的 情况下， 压 缩比 可达2 0 0 : 1 .在已经出现和即将出现的多媒体服务中广泛使用了mp e g 压缩标 准，如 v o d ( 视频点播) 、 数字电 视 广播( d t v b ) 等。音频信号的 压缩标准有多 种，例如电话质量的语音压缩标准有g . 7 1 1 , g . 7 2 1 , g . 7 2 8 等，调幅广播 质量的音频压缩标准有c c i tt 的g. 7 2 2 ， 立体声信号压缩标准有 “ m p e g 音 频”。 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 1 .2 . 2 流媒体技术概述 流媒体( s t r e a m m e d i a ) 是指在i n t e rn e t / i n t r a n e t 中使用流式传输技术的 连续时 基媒体，如:音频、视频、动画或多媒体文件。比如f l a s h 动画就是一种形式的 流媒体。 、 流媒体技术就是把连续的音频、视频经过压缩处理后放到网络服务器 上，让浏览者一边下载一边观看、收听，而不需要等到整个多媒体文件下载完 成就可以 观看的技术。所以 流媒体技术也是解决实时多媒体信息传输的一个很 好解决方法。流媒体技术是一种解决多媒体播放时网络带宽问题的 “ 软技 术”， 它融和了很多网 络技术， 涉及到流媒体数据的 采集、 压缩、存储、传输 以 及网络通信等技术。 流媒体技术的出现使得在窄带互联网中传播多媒体信息成为可能，是一项 非常有前途的技术。微软董事长比尔 盖茨言道:“ 流媒体是微软真正看好的 方向，它必将成为个人电脑和网络设备应用的主流”。 如今在流媒体领域中，竞争已是相当的激烈。主要的竞争公司有三个:微 软、r e a ln e t w o r k s 和苹果公司，相应的产品就是:wi n d o w s me d i a , r e a l s y s t e m 和q u i c k t i m e 。 此外还有像g e o 公司使用大量的j a v a 技术开发的 e m b l a z e 流 媒体解决方案，但用户数量较少。 流媒体技术的实现需要解决多项技术问题。第一，普通的多媒体数据必须 进行处理才能适合流式传输，处理包括:高效的压缩算法和向文件加入流式信 息。第二，流式传输的实现需要合适的传输协议.一般都采用建立在u d p 协议 之上的r t p / r t s p 来传输实时的影音数据。这些技术的解决最终是为了解决传 输带宽、压缩算法以及安全性 1 . 2 . 3网络协议 随着i n t e rn e t 及多媒体技术的飞 速发展，在i n t e r n e t 上传输的 数据越来越多的 是对传输时间有严格限制的多媒体实时数据，多媒体数据的传输往往要求高带 宽、低延时和低抖动。带宽的问题可以通过升级硬件得到一定程度的解决。但 代价太大而且无法无限地满足不断膨胀的多媒体信息量. 所以一定要从 “ 软” 的方向去解决问题。高效的压缩算法是解决问题的一个方面，目前压缩算法不 管是在压缩比还是在压缩效果上都取得了非常大的进步。但光靠压缩算法还不 足以解决全部的问题。高效的网络传输机制也是解决多媒体数据实时传输的一 个关键。当前的i n t e r n e t 网络是建立在t c p / i p 基础上的网络。由于建立在t c p 协议基础上的网络一个基于“ 尽可能递送” ( b e s t - e ff o rt ) 策略的传输系统，位于 传输层的t c p 提供的是可靠的递送服务，t c p 协议使用的g o - b a c k 一重传机 制， 这样的网络的特点就是求 “ 稳” 而不求 “ 快”，这是由 于网络建立之初的 主要目 标是传输文件，而不是大容量的多媒体信息。 在包丢失率较高或传输时 延很大的场合下，t c p 传输数据的效率极其低下，为保证可靠递送而使用的重 传使得对数据传输的延时和抖动要求更加无法满足，同时由于t c p 是面向连接 的可靠传输协议，所以存在建立和关闭连接的巨量开销;所以，一般t c p 不适 于对可靠性要求不是很高的实时多媒体数据的传输。传输层上的另外一个协议 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 是u d p 协议，它是面向无连接的协议，在传输大批量的数据时，效率比t c p 协 议高。所以一般基于t c p / i p 的多媒体实时传送采用u d p 协议，但u d p 协议不能 很好地解决i p 网络环境中传输实时数据存在的延时、抖动、包丢失等问题。基 于此，u . s c h u l z r i n n e 等提出了一种适合实时信息传输的实时传输协议( r e a l - t im e t r a n s p o rt p r o t o c o l , r t p ) 以及实时传输控制协议( r e a l - t i m e t r a n s p o rt c o n t r o l p r o t o c o l , r t c p ) 来传输实时数据。它的运行机制很好的解决了 t c p 协 议的不足。r t p 是一个轻量级的协议，它建立在u d p 之上，为实时数据传送提 供检测手段，r t p 数据报头部中的序号、时间戳、同步源标识等信息为错误恢 复、丢包率估计、传输复用等手段提供了可能性。目 前，事实上， r t p 已 在许 多大公司的产品中得到了应用。但r t p 本身没有提供任何有关错误恢复、时延 控制、抖动平抑、流量和拥塞控制等操作，这些操作是由 应用程序利用r t p 协 议提供的数据信息来实现。 网上视音频技术的综合处理是国内外多媒体研究得热点和难点，虽然采用 各种技术进行处理并取得了一定成果，但还存在很大的技术讨论空间。本文的 讨论正式基于这一目的。 1 . 3 论文的安排和研究目 标 作者在研究了大量的论文及应用方案，发现能给出一套结合视音频处理的 关键技术、定位于实际应用的方案非常少。例如在文献【 1 9 中提出的变缓冲传 输数据段为固定速率 c b r数据段的方案。其根本的思想是用额外的缓冲延迟 来换取网络资源利用率，用此方案可获得传输层确保质量的传输，但这个系统 要求，接受的位速率总数应少于网络带宽， 否则当数据速率不被平均时， 端端延 迟将明显增加。 在这种情况下， 数据段突发性越强， 系统利用率越低。 在文献 2 0 中通过对网络性能的估计采用发送速率调整的办法来实现质量保证。并给出了 用于 i n t e rn e t 上视频流的 端到端传输方案以 及测试结果。 从结果及论证来看， 的确在速率控制的方面非常有效。然而该方案没有将信道指标与编码联系起 来，未能从编码的角度给出 有效的控制。 文献 2 1 中对视频传输及处理作了 综 合的介绍，并提出了以后的研究方向，这给我们在视音频传输的综合处理中提 供了参考，但这篇文章涉及的太泛，同时对于许多内部处理只提出理论上的研 究，并没从实际中考虑实现的复杂度，并不实用。 文献 2 2 - 2 5 给出了针对这 项技术在教学系统和监控系统等的应用，但都只是停留在建立套接字、开始连 接、打包编码传输等阶段，并没有将从理论上探索出的结论加以应用。论文 2 6 - 2 7 给出了实际应用方案， 但对一些技术的应用较少，另外在技术处理上 采取了经验值，而作者认为，在应用中应用的所有阐值都应有一定的理论依据 或测试依据.当然，作者通过学习研究大量的中外参考文献，也领悟了不少知 识与经验。 因此作者在此论文中，对网络视音频传输与处理中的技术作了详细地分 析，并针对一些应用方案的不足，从应用的角度对一些具体问题提出解决方 案。然后给出综合的应用模型。本文首先在第二章中对网络的性能提出分析， 并给出了不同测量方式及具体的测量结果，着重讨论了网络延时、延抖动、丢 西北工业大学硕士 学位论文 第一章 绪论 包情况产生的影响。在第三章中讨论了视音频编码技术。在第四章中讨论了网 上视音频数据处理及传输的关键技术。包括视音频的编解码技术、传输协议、 同步机制、丢包恢复措施及拥塞控制等。在第五章中以视频技术为例，讨论了 一种有效的综合处理方法并用具体模型做说明，同时给出验证结果。在第六章 中又对视音频间的同步性作了较为深入的讨论。针对同步问 题提出了 用四步解 决的同步问题的方法，实验证明采用四步解决最能节省资源，提高同步效率。 作者在参加项目“ 低比特率视音频远程教学系统”、 “ 网上视音频监控及 报警系统”的研发中，负责网络视频及音频综合处理的相关模块，涉及采集 端、服务器端、客户端的具体研制。 在项目 完成后又研究了大量的论文及应用 方案，根据实际经验和理论研究完成了这篇论文。在设计和建立模型，讨论技 术重点的处理时，是从整个系统出发，侧重于系统实用性、可靠性、优良 性。 经验证取得了良好的效果。 西北工业人学硕士学位论文 第二章 网络传输性能分析 第二章 网络传输性能分析 2 . 1概述 随着互联网规模的不断扩大，其性能的可知性越来越复杂，网络管理的复 杂度也就不断增加，在实际的网络运行中，达到互联网网络中心、服务提供商 ( i s p )需要通过网络性能测量系统来监测网络当前运行状态，小到单个用 户、 应用程序也需要通过网络性能测量系统来监测网络的运行状况，动态实时 评价网络提供的服务质量 ( q o s )，所以对网络性能测量，尤其是在传输过程 中为确保 q o s而对网络状况的实时监测也随着网络应用的日 益广泛而变得越来 越重要。 2 . 2多媒体信息传输用网 络性能指标 2 . 2 . 1 吞吐量 吞吐量是指网络传送二进制信息的速率，也称比特率，或带宽。带宽从严 格意义上讲是指一段频带，是对应于模拟信号而言的， 但用在数据传输时通常 即指比特率。有的多媒体应用所产生的数据速率是恒定的，成为恒比特率 c b r ( c o n s t a n t b i t r a t e )应用;而有的应用则是变比特率 v b r ( v a r i a b l e b i t r a t e )的。衡量比特率变化的量称为突发度 ( b u r s t n e s s ): 突发度 = p b r/m b r: 其中m b r为整个会话期间的平均数据率，而 p b r是在预先定义的某个暂短 时间间隔内的峰值数据率。 支持不同 应用的网络应该满足它们在吞吐量上的 不 同要求。 2 . 2 .2 传输延时 网络的传输延时 ( t r a n s m i s s i o n d e l a y )定义为信源发送出第 1 个比特到 信宿接收到第 1 个比特之间的时间差，它包括电 ( 或光)信号在物理介质中的 传输延时 ( p r o p a g a t i o n d e l a y ) 和数据在网中的处理延时 ( 如复用/ 解复用时 间、在节点中的排队和切换时间等)。 另一个经常用到的参数是端到端的延时。它通常指一组数据在信源终端上 准备好数据发送的时刻，到信宿终端接收到这组数据的时刻之间的时间差。端 到端的延时，包括在发端数据准备好而等待网络接收这组数据的时间 ( a c c e s s d e l a y )，传送这组数据 ( 从第 1 个比特到最后 1 个比特)的时间和网络的传 输延时3个部分。在考虑到人的视觉、听觉主观效果时，端到端的延时还往往 包括数据在收、发两个终端设备中的处理时间，例如，发、收终端的缓存器延 时、音频和视频信号的压缩编码/ 解码时间、打包和拆包延时等。 对于实时的会话应用，工 t u - t规定，当网络的单程传输延时大于 2 4 m s 时， 应该采取措施 ( 使用方向 性强的麦克风和喇叭、或设置回声抑制电路)消 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章 网络传输性能分析 除可听见的回声千扰。在有回声抑制设备的情况下，从人们进行对话时自 然应 答的时间 考虑，网络的单程传输延时 应在1 0 0 5 0 0 m s 之间， 一般为2 5 0 m s . 在查询等交互式的多媒体应用中。系统对用户指令的响应时间也不应太长，一 般应小于 1 -2秒。如果终端是存储设备和记录设备，对传输延时就没有严格 要求了。 2 . 2 .3延时抖动 网络传输延时的变化称为网络的延时抖动 ( d e l a y j i t t e r )。度量延时抖 动的方法有多种，其中一种使用在一段时间内 ( 例如一次会话过程中) 最长和 最短的传输延时之差来表示。 产生延时抖动的原因可能有如下一些: ( 1 )传输系统引起的延时抖动，例如符号间的相互干扰、振荡器的相位噪 声、金属导体中传播延时随温度的 变化等。 所引起的抖动称为物理抖动，其幅 度一般只在微秒量级， 甚至于更小。 例如， 在本地范围内， a r m 工作在 1 5 5 . 5 2 m b / s时，最大的物理延时抖动只有 6 n s左右 ( 不超过传输 1个比特的时 间)。 ( 2 )对于电路交换的网络 ( 如 n - i s d n )，只存在物理抖动。在本地网之 内，抖动在毫微秒量级;对于远距离跨越多个传输网络的链接，抖动在微秒量 级。 ( 3 ) 对于共享传输介质的局域网 如以 太网、令牌环、和f d d i )来说，延 时抖动主要来源于介质访问时间 ( m e d i u m a c c e s s t i m e )的变化。终端准备好 欲发送的信息之后，还必须等到共享的传输介质空闲时，才能真正进行信息的 发送，这段等待时间就成为介质访问时间。 ( 4 ) 对于广域的分组网络 ( 如x . 2 5 , i p 、或帧中继网)，延时抖动的主要 来源是流量控制的等待时间 ( 终端等待网络准备好接收数据的时间)和存储转 发机制中由于节点拥塞而产生的排队延时变化。在有些情况中，后者可长达秒 的数量级。 而实际上，延时抖动将破坏多媒体的同步，从而影响音频和视频信号的播 放质量。例如，声音样值间隔的变化会使声音产生断续或变调的感觉;图像各 帧显示时间的不同也会使人感到图像停顿或跳动。人耳对声音的变化比较敏 感，如果人们所熟悉的音乐中删掉很小的一段，例如 4 0 m s ，便立刻会有所感 觉到。人眼对图像的变化则没有这样敏感，在熟悉的录像片中间删掉 1秒钟 ( 无伴音时)长的一段， 人们未必感觉出来。因此，声音的实时传输对延时抖 动的要求比较苛刻。尽管可以用一定的方法在终端对网络的延时抖动给予补 偿，但补偿需要使用大的缓存器，因而会增加端到端的延时时间。在考虑到实 际应用对缓存器大小和延时时间 所能承受的限制下，下述定量指标 ( 补偿前的 数值)可以作为参考:对于经压缩的 印 质量的声音，网络延时抖动一般应不 超过 1 0 0 m s ;对于电话质量的语声，抖动不应超过 4 0 0 m s ;对于对传输延时 有严格要求的应用，如虚拟现实，抖动不超过 2 0 - 3 0 m s 。由于活动图像总是 和伴音一起传送的，我们可以从对伴音的要求推导出对视频信号传输的延时抖 动的要求 ( 补偿前的数值):对于己压缩的 h d t v ，网络延时抖动应不超过 5 0 西北工业大学硕士学位论文 第二章 网络传输性能分析 m s ;对于已压缩的广播质量的电视，不超过 1 0 0 m s ;对于会议电视，不超过 4 0 0 m s . 对于 文 字、图 形、 图 像 等 静态 媒 体的 传 输， 网 络的 延时 抖动不 产生 什么 影 响。 2 . 2 .4 错误率 在传输系统中产生的错误由以下几种方式度量: ( 1 )误码率 b e r ( b i t r a t e e r r o r )，指在从一点到另一点的传输过程 ( 包括网络内部可能有的纠错处理)中所残留的错误比 特的频数。 b e r通常主 要衡量的 是传输介质的 质量。 对于光缆传输系统， b e r通常在 1 0 - - 9 -1 0 一 1 2 的范围。 ( 2 )包错误率p e r ( p a c k e t e r r o r r a t e )，是指同一个包两次接收、 包丢 失、或包的次序颠倒而引起的包的错误。包丢失的原因可能是由于包头信息的 错误而未被接收，但更主要的原因往往是由于网络拥塞，造成包的传输延时过 长、超过了应该到达的时限而被接收端舍弃， 或网络节点来不及处理而被节点 丢弃。在 a t m网络中， p e r对应于信源错误率c e r ( c e l l l o s s r a t e )， 它与 p e r类似，但只关心包的丢失情况。在 a t m网中，c l r与 c e r相同，因为a t m 网中不会发生包的次序被颠倒的情况。 在多媒体应用中，将接收到的声像信号直接播放给人看时，由于显示的活 动图像和播送的声音是在不断更新的，错误很快被覆盖，因而人可以在一定程 度上容忍错误的发生。从另一方面看，已 压缩的数据中存在误码对播放质量的 破坏显然比未压缩的数据中的误码要大，特别是发生在关键地方 ( 如运动矢 量)的误码要影响到前、后一段范围内的数据的正确性。此外，误码对人的主 观接收质量的影响程度还与压缩算法和压缩倍数有关。下面我们给出在一般情 况下获得 “ 好”的质量所要求的误码率指标。对于电话质量的语声，b e r一般 要求低于1 0 - 2 。 对未压缩的c d质量的音乐， b e r应低于1 0 - 3 :对己 压缩的c d 音乐，应低于1 0 - 0 。对于己压缩的会议电视，b e r应低于1 0 - e ;对已压缩的广 播质量的电视，应低于1 0 - 9 :对己 压缩的h d t v ，则应低于1 0 - 0 。如果对已压缩 的视频码流采用前向纠错 f e c ( f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n )技术，可允许的 误码率则为上述数据乘以1 0 0 0 与声音和活动图像的传输不一样，数据对误码率的要求很高，例如银行转 账、股市行情、科学数据和控制指令等的传输都不容许有任何差错。虽然物理 的传输系统不可能绝对不出差错，但是可以通过检错、纠错机制，以及利用所 谓自 动重发请求 a r q ( a u t o m a t i c r e p e a t r e q u e s t ) 协议在检测到差错、包次 序颠倒，或超过规定的时间限制仍未收到数据时，向发端请求进行数据的重传 等，使误码率降为零。a r q 也称为后向纠错技术。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 网 络传输性能分析 2 . 3网络传输时延的测量方法 2 .3 . 1 概述 网络传输的时延主要可以分为两类:单程 ( o n e - w a y )时延和往返 ( r o u n d - t r i p )时延， 其基本单位为微秒。网 络的单程传输时延是指: 从发送 方 ( 源端)的物理设备开始发送数据至接收方 ( 目的端)的物理设备全部接收 到该测量报文所需要的时间。单程时延的测量需要有专门的时间同步设备，如 g p s等。因此，通常意义上的网络传输时延测量是指:测量报文往返的时延测 量，即测量报文从发送方开始发送时计时，接收方在接收到该报文后立即返回 给发送方，发送方接受到该测量报文后停止计时，此时发送方所得的时间间隔 即为往返时延。本文所指的网络传输时延均指的是网络传输的往返时延。 测量报文在逻辑上只起计时起止的信号作用，因此在实际的网 络传输时延 测量中可以选取任何报文，即可以是专用的测量报文，也可以是其他通讯协议 的报文。我们把实现测量功能的报文 ( 承载测量信号的报文)称之为承载报 文。显然，承载报文必须具有这样的属性，即接收方在收到该报文后，能立即 给出反馈报文。 网络传输时延的测量按照承载报文的发送方式可以分为两种类型:被动测 量和主动测量。被动测量不发送承载报文，而是根据具体情况选取正在通讯的 报文作为承载报文，即在正常的通信过程中同时实现了网络传输时延的测量， 其原理是通过捕获承载报文的信息， 被动地实现网络传输时延的测量。主动测 量则是主动发送承载报文， 根据返回的反馈报文分析网络的传输时延。主动测 量多用 i c m p ( i n t e r n e t c o n t r o l m e s s a g e p r o t o c o l )协议的报文作为承载报 文。两种测量技术适用于不同的测量需要。被动测量被动地监测网络，捕获数 据信息，它不增加网络流量，不对网络数据进行修改，因此不影响网络行为。 而主动测量向网络中发送测量报文，因此主动测量会引发性能的失真，即所谓 h e i s e n b e r g效应，这是由 于测量报文插入到网络中的数据报会改变网络的行 为，从而使实际测量的结果失真。因此采用主动测量是必须尽量减少由测量所 生成的流量。 网络传输时延的精度由发送方、接收方的系统而定。通常，考虑到正常使 用使操作系统对进程调度的时间力度、收到数据报文的提交、中间结果的计算 等时间因素，网络的传输时延精度设置为l m s 。而且，在p c 系统上，不能测量 网络的传输时延小于 1 o m s的情况。网络传输时延的结果一般用三元组来表 征，即最大传输时延、最小传输时延、平均传输时延。 通常情况下对同一对象测试 4 - 5次既可得出结果，当然也可以根据实际 的需要设定测量次数和测量结果的表示形式。 2 .3 .2 影响网络传输时延的因素 网络传输时延总是随着网络的运行状况而不断的变化，但经仔细分析可 知，网络的传输时延主要与两类因素密切相关。 西北工业人学硕士学位论文 第二章 网络传输性能分析 因素一 网络本身的性能，即完全独立于网络测量方法、仅与网络本身 的硬件特性相关的部分，主要包括以下三个方面的因素: 1 )网络的物理介质。不同的物理介质，例如:光网、以太网和无线网络 ( w i r e l e s s n e t w o r k )上，随着底层物理信号实现、转换的不同，而导致网络 本身带宽各不相同，因此对于具有一定长度的数据报文而言，其传输速度也各 不相同。并且，在某些介质中，还需要对数字信号进行调制和解调，以实现数 字信号与模拟信号甚至是光信号的相互转变，因此相对而言额外的时间开销较 大。 2 )当前传输所需的路由、转发、过滤次数.路由器的路由、转发实现需 要时间，而在路由上等待转发也同样需要时间，因此经过的路由器个数越多， 转发的次数越多，带来时延也就越大，同时，若路由器负荷越重，等待队列越 长，时延也就越大。同样，在经过防火墙时，防火墙会对报文进行扫描、过 滤，不同效率的防火墙、不同的过滤次数 ( 经过防火墙的个数)等，都会对报 文的传输时延产生影响。 3 )网络的数据链路层协议的不同实现方式。数据链路层对数据报文的传 输存在多种实现方式。在完全相同的上层协议和底层的物理链路上，不同传输 机制的时延对传输试验会产生不同的影响。如，发送方采取何种机制以避免拥 塞。早期的链路层协议，只有当发送 ( 接收)缓冲区满时，才开始进行 “ 丢 尾”操作，即直接将溢出的数据丢失，这样的处理，使网络在抗报文的碎发 ( b u r s t )时性能极差，使传输时延呈现较大的波动。而相比之下，现在新的 数据链路层协议，采用 r e d ( r a n d o m e a r l y d e t e c t i o n ) 机制，在缓存区没有 达到满时，即有选择 ( 例如，可以根据报文的 q o s请求级别)地进行报文丢 弃，这样使得网络抗 b u r s t的性能大为增强，同时，也使得传输时延比较稳 定。在例如，报文丢失后的恢复重传机制。特别是在某些特殊的网络中 ( 例如 无线网络中)，上层的数据报文在实际的物理链路层传输时，都将被分成若干 小帧 ( f r a m e )。因此，当出现小帧丢失时，链路层可以采用不同的 a r r ( a u t o m a t i c r e p e a t r e q u e s t ) 机制， 如 停等( 即 一 直 等待 超时) 、 全部 重 ， 传、选择重传等等。这些不同的机制对上层报文的传输都带了必然的影响。总 之，底层的数据链路层不同的实现方式，会对传输时延产生极大的影响。 因素二测量报文的特定性能，相对因素一而言，这与网络具体的测 量方式密切相关.主要可以分成如下两个方面: 1 )承载测量报文的协议类型。网络的传输时延，往往要根据实际的情况 ( 如，对方防火墙设定的过滤协议)来选取合适的通讯协议。而不同的协议， 有着不同的发送机制和速率控制模式，其实现方式也各不相同。对接收方而 言，从收到承载报文到给出反馈报文的实现过程，也随着协议的不同而各不相 同，相应的时间，处理的时间都不一样。因此选用不同协议测试的结果可能会 存在一定的差异。 2 )报文长度、发送频率。在一段具体的链路上，带宽一定的情况下，报 文的长度、发送频率与传输时延成反比。因此，报文越长，频率越高，其传输 时延也就越大。 此外，当前的网络流量、处理机性能 ( 包括其接收、处理数据报文的速 度) 和其当前的作业量等，也对网络传输时延产生影响。当网络或处理处于重 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章 网络传输性能分析 载时，其传输速度、响应处理速度会大大下降，此时若测量网络传输时延，测 量结果将比轻载时大。 2 .3 .3网络传输时延的测量方式 网络传输测试按照其承载的协议可分为如下3 类: 1 ) 利用 i c m p协议实现。 这是最常用的测量方式，最典型的应用就是操作 系统里自 带的“ p i n g ” 命令。p i n g 是基于 i c m p 请求应答 ( e c h o r e q u e s t ) 报 文开发的应用软件，p i n g 发送i c m p 的e c h o( 类型0 8 )回应请求报文，当接收 方收到该报文后，会马上返回一个 e c h o