分布式多媒体及典型应用系统

1、多媒体技术与高速通信网络技术相结合产生了分布式多媒体技术这个新型边缘研究领域，分布式多媒体系统是指将多个分布在不同地点的多媒体终端、交换设备和多媒体服务器通过高速通信网络互连在一起并能够完成多媒体通信业务的系统，分布式多媒体系统也称为多媒体通信系统。多媒体信息处理技术、分布式数据处理技术和多媒体计算机网络技术的迅速发展为分布式多媒体应用系统的实现奠定了良好的基础，分布式多媒体技术可以向用户提供多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体电子邮件、多媒体文档交换、计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、远程计算机辅助教学等多种多媒体综合信息服务。8.1分布式系统概述8.1 分布式系统概述正是分布式

2、数据处理技术、多媒体信息处理技术与高速网络技术取得了巨大成功才使分布式 多媒体应用系统成为可能，因而分布式数据处理技术是分布式多媒体应用系统的基础。分布式系统起 源于局域网，但随着高速网络技术的不断发展，通过广域网组成高性能、智能化的大型分布式系统已 经成为可能，特别是Internet 的普及更进一步推动了分布式多媒体技术的发展。分布式数据处理技 术主要包括通信机制、资源管理、对象标识、安全保护、容错设计、服务种类等多个研究领域。分布 式系统有多种结构模式，客户/服务器模式和浏览/服务器模式就是其中被广泛采用的两种典型分布式 系统，客户/服务器模式在局域网环境下具有独特的优势，而浏览/服务器模

3、式在客户端仅安装一个浏览器软件就可以实现跨平台操作，因此浏览/服务器分布式系统更适用于Internet 环境。8.1.1 分布式系统概念与组成多个计算机自治处理单元通过网络互连在一起协作完成一个总体任务的系统称为分布式系 统，分布式系统中各个自治计算机通过网络交换信息才能共同完成同一项工作。自治计算机拥有自己 的处理器和存储器，自治计算机之间采用消息传递机制实现信息交换。分布式系统由分布式硬件、分布式数据和分布式控制组成，分布式硬件指系统中的自治计算机和通信 网络，分布式系统至少包含两个或两个以上的自治计算机，并通过通信网络互连以便协作共同完成某 一任务。分布式数据是指将数据划分为多个部分，存

4、放在不同的自治计算机上。数据分布的原则应当 是存放在使用该数据的自治计算机上，同一组数据也可以分布在不同的自治计算机处理单元上，分布 式数据能够提高数据的可用性和可靠性。分布式控制是指管理与协调分布式系统中的各种物理资源和 逻辑资源，物理资源可以是自治计算机中的各个部件和各种外围设备，逻辑资源通常指各种应用软件、系统软件、数据库、进程或文档。只有通过分布式控制将分布式系统中的各种物理资源和逻辑资源进 行统一管理与协调，分布式系统才能共同协作完成一个总体任务。分布式控制在管理与协调各种资源 时，应当尽可能将控制功能分散到各个自治计算机处理单元上，以保证自治计算机具有最大限度的自治性，同时还要保持

5、适度的整体控制，以便能协调自治计算机的工作。8.1.2 分布式系统的特点根据分布式系统的组成和概念， 分布式系统具有系统资源模块性、 计算机处理单元的自治性、 协作性、分布式系统的透明性、可扩展性等特点。1. 系统资源分布的模块性分布式系统中的各种物理资源和逻辑资源分布在不同的自治计算机处理单元上，自治计算机又通过通信网络互连成一个整体。系统资源分布的模块性保证了自治处理单元的高度自治性，同时也为分布式控制统一协调与调度各种资源共同协作完成总体任务提供了条件。2. 计算机处理单元的自治性在分布式系统中，一个复杂的任务要分解成多个子任务，这些子任务由各个计算机处理单元并行执行。分布式系统中的处理

6、单元在地位上是完全平等的，不是主从关系，计算机处理单元保持高度的自治性可以减小计算机之间的数据通信量。3. 计算机处理单元的协作性在分布式系统中， 计算机处理单元不仅具有高度的自治性， 而且处理单元之间还具有某种程度的关 联，这种关联为自治计算机协同工作奠定了基础。协作性是相对自治性而言的，自治计算机的协作性 也是分布式系统全局控制的基础，自治计算机之间的自治性与协作性必须权衡考虑。根据协作的不同 程度，目前已开发出具有邮递能力和资源共享等多种分布式系统。4. 分布式系统的透明性分布式系统的透明性是指分布式系统中的任一用户看不到其他自治计算机的存在，分布式系统呈现在用户面前的就是一台计算机。系

7、统的透明性并不取决于分布式硬件，而是取决于分布式操作 系统的高度整体性。根据先进网络体系结构ANSA ( Advanced Network System Architecture)观点，分布式系统应当具有下列透明性。(1) 访问透明性。访问透明性指用户无论是访问本地计算机还是远程计算机，都应提供一致的操作。（2）位置透明性。位置透明性指用户在访问远程计算机时，不必知道远程计算机所在的物理位置。（3）并发透明性。并发透明性指多个用户或多个应用程序可以并发操作共享对象，各用户之间或应用程序之间不会产生 相互干扰。（4）复制透明性。 分布式系统容许数据的复制品分布在不同的自治计算机上，复制透明性指用

8、户或应用程序感觉不到数 据是复制品，数据复制品对用户或应用程序是完全透明的。（5）故障透明性。故障透明性反映了分布式系统的可靠性，当系统中的硬件或软件资源发生故障时，分布式系统具有故 障检测和故障容错能力，不影响用户或应用程序的正常操作。5. 分布式系统的可扩展性可扩展性指分布式系统能够随着系统规模的变化自动伸缩，容许用户删除旧的资源，为系统 配置新的资源， 为系统性能逐步升级留有足够的空间。 采用开放系统体系结构， 用户可以动态地添加、 删除或修改任务。8.2 分布式多媒体系统随着计算机网络技术、通信技术的高速发展，分布式系统的应用越来越广泛。分布式多媒体系统 的成功开发与应用，使得分布式系

9、统更加多彩多姿，同时为多媒体技术表现其特有的迷人魅力提供了更为 宽阔的舞台。8.2.1 分布式多媒体系统概念尽管分布式多媒体系统的应用已经非常普遍，但是至今仍然没有给出一个统一的定义。我们可以 初步地认为，分布式多媒体系统是指能够实现多媒体功能的分布式系统。分布式多媒体系统集计算机的交 互性、网络通信的分布性、多媒体信息表示的综合性于一体，能够提供诸如多媒体信息检索与查询、视频 会议系统、多媒体电子邮件、多媒体文档交换、计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、远程计算机 辅助教学等多种服务。8.2.2 分布式多媒体系统的基本特征分布式多媒体系统集分布式系统与多媒体系统于一身，除了具有分布式系统

10、固有的特征之外，还 具有以下非常典型的基本特征：1. 媒体综合性通常单一媒体的采集、存储、加工和传输都有自己的理论和技术。分布式多媒体系统不仅能够处 理单一媒体，还可以将多种媒体整合在一起，形成一个集音频、视频、文本于一体的完善的综合性系统， 具有媒体综合性的特征，充分地发挥多媒体的优点，极大地提高了多媒体的应用效率，有效地拓宽了分布 式系统的应用领域。2. 时间依赖性多媒体应用需要处理的数据中，音频和视频信息都属于时基媒体，需要系统实时地进行处理。另 外，分布式多媒体应用的交互性也给系统带来实时性的要求。这种实时性要求体现在对端到端延迟、延迟 抖动等指标必须符合一定的量化标准。另外，各种媒体

11、之间的同步问题也同样对分布式多媒体系统提出了 严格的要求。3. 数据突发性由于多媒体数据都需要先压缩后再进行传输，而压缩后的数据流量与待压缩数据的序列有关，因 此发生数据流量随时间发生变化的现象。以 MEPG 视频压缩标准为例，压缩后的视频流由三种类型的帧组 成： I 帧、 P 帧和 B 帧。 I 帧为帧内压缩帧，数据量最大； P 帧为前向预测压缩帧，数据量次之； B 帧为双 向预测压缩帧，数据量最小。三种帧组成一定模式的图组（如 IBBPBBPBBPBBI ），再以图组为单位组成 MPEG 压缩视频流。从整体上看，压缩视频流的数据量的变化与图组的模式相关，呈现一定的规律性。但 由于各个画面的

12、压缩比不同，即使相同的帧类型，压缩后的数据量也相差很大，再加上场景变换、影片内 容等因素的影响，其突发性更是难以预测。8.2.3 多媒体数据流对分布式系统性能的要求由于分布式多媒体应用具有通信数据量大、数据传输实时性强、要求媒体内部和媒体之间严格同 步、数据突发性强等特点，所以分布式多媒体对传输网络的性能有较高的要求。通常，分布式多媒体应用 要求传输网络具有较高的网络带宽、较小的网络传输延迟、较小的延迟抖动和较高的数据传输可靠性。1. 分布式多媒体对网络性能的要求表8-1 多媒体应用的自然信息率和突发度多媒体应用压缩算法自然信息率突发度相关说明高清晰度电视HDTV不压缩2Gb/s121920

13、X 1080，60 帧 /s，24 位彩色高清晰度电视HDTVMPEG22040Mb/s121920 X 1080，60 帧 /s，24 位彩色演播室质量普通电视不压缩166 Mb/s23720 X 576，25 帧/s，16 位彩色演播室质量普通电视MPEG268Mb/s23720 X 576，25 帧/s，16 位彩色广播质量电视MPEG236Mb/s23录象质量电视MPEG11.4 Mb/s23会议质量电视H.261128Kb/s45352 X 288，10帧/s，其中包括声音普通话音取决于压缩算法32Kb/s ，16Kb/s ，4Kb/s28KHz采样，8位量化，f=300Hz3.4K

14、Hz高质量话音取决于压缩算法48Kb/s64Kb/s216KHz采样，14位量化，F=50Hz7KHzCD质量音乐MUSICAM 或MPEG1192 Kb/s X 2，128Kb/s X 2244.1KHz采样，16位量化，f=20Hz20KHz环绕立体声AC-3320Kb/s X 2248KHz采样，22位量化，f=20Hz20KHz(1 )网络的吞吐量。吞吐量是指通信网络单位时间内传输的二进制位数,吞吐量也称为带宽、比特率或数据传输速率。带宽从字面意义上讲，指的是信号处理中的频率范围，计算机网络仅是借用了带宽这个术语来表示通信网络传输数据的快慢，这里的带宽是指网络的吞吐量，吞吐量描述了通信

15、网络在传输数据时的快慢。不同的多媒体应用对网络的 吞吐量有不同的要求，这是因为不同的多媒体应用具有不同的自然信息率。自然信息率描述了分布式多媒 体应用的特征，自然信息率是在不考虑通信网络影响的条件下，信息源产生信息的速率。自然信息率的大 小与所使用的编码和压缩算法相关，如果自然信息率是恒定的，一般称为恒比特率CBR (Constant BitRate )，如果自然信息率是变化的，则称为变比特率VBR (Variable Bit Rate )。衡量自然信息率发生突变的量称为突发度 B( Burstness )，突发度定义为 B=PBR/MBR ，其中MBR( Mean Bit Rate )为整个

16、会话(Session )期间的平均比特率，PBR ( Peak Bit Rate )是在预先设定的某个持续时间内的峰值比特率。突发度B越大，网络资源的利用率就越低，为了满足分布式多媒体应用的需求，通常要求网络的吞吐量应大于或等于平均比特率MBR。表8-1给岀了不同多媒体应用的自然信息率和突发度，可以看岀，实时传输动态图像对网络的吞吐量要求最高。(2) 网络的传输延迟。网络的传输延迟定义为信源发岀第一位比特到信宿接收到该比特之间的时间差，传输延迟包括信号在物理介质中的传播时间和信号在网络中的处理时间。如果从信源终端已准备好发送数据开始计时，将信宿终端接收到数据的时间差称为端到端延迟时间，端到端延

17、迟时间由信源终端已准备好需等待网络接收数据的时间、信源终端发送数据的时间和网络传输延迟时间三部分组成。对于实时会话应用，网络的传输延迟时间应小于250ms ，对于多媒体信息检索与查询应用，系统对用户的响应时间不应超过12s，而对于常规的存储或记录设备，对网络的传输延迟时间一般没有特别的要求。表8-2 常用多媒体应用对网络延时抖动的要求多媒体应用最大网络延时抖动多媒体应用最大网络延时抖动CD质量音乐100ms广播质量电视100ms电话质量语音400ms会议质量电视400ms高清晰度电视HDTV50ms虚拟现实30ms(3) 网络的延时抖动。网络传输延迟时间的变化称为网络的延时抖动(Delay j

18、itter )，延时抖动通常采用在一次会话过程中最长和最短传输延迟时间差来表示。延时抖动会严重破坏多媒体的同步，如果在网络中传输连续数字 化声音采样值或连续图像的各帧所用的时间差别较大，也就是说，如果网络的延时抖动过大，听到的声音 就有断续或变调的感觉，图像同样也会停顿或跳跃。但一般人耳对声音的变化比较敏感，所以实时传输声 音要比实时传输图像对网络的延时抖动要求更严格，延时抖动对传输文本、图形等静态媒体不产生影响。在网络终端采用大容量缓冲器能够在一定程度上对延时抖动进行适当补偿，但这种方法是以牺牲端到端延迟时间为代价的，不同多媒体应用对网络的延时抖动要求也不同，表8-2给出了缓冲器补偿前常用多

19、媒体应用对网络延时抖动的要求。(4) 数据传输误码率。根据传输系统中传输数据的类型，数据传输误码率有不同的度量方法，常用的数据传输误码率主要有比特岀错率、包岀错率和包丢失率。比特岀错率BER (Bit Error Rate )是指数据在传输过程中岀错的位数与数据的总位数之比，比特岀错率是传输介质的重要技术指标，光纤电缆的比特岀错率一般在10-910 -12之间。包出错率PER (Packet Error Rate)是指数据包在传输过程中由于包丢失、包次序颠倒或同一个包接收了两次以上等现象而导致的数据包错误。数据包头信息错误或网络过于阻塞等都是导致包丢失的重要原因，网络阻塞常常引起数据包传输延迟

20、时间过长，当传输延迟时间超过了规定的上限，接收端将舍弃该数据包。包丢失率PLR (Packet Loss Rate )也称为信元丢失率 CLR (Cell Loss Rate )，包丢失率的意义与包岀错率类似，但包丢失率只关心数据包在传输过程中的丢失概率，而不关心数据包在传输过程中的其他错误。多媒体应用对数据传输误码率的要求不象其他网络性能指标那么严格，但压缩数据传输误码率会对多媒体播放质量产生严重影响。数据传输对误码率的要求则不同于声音或图像，如股市交易、银行转帐、电子商务等应用不容许岀现任何差错，在这种情况下必须采用检错、纠错和自动重发请求ARQ (Automatic Repeat Req

21、uest)协议确保数据传输误码率为零，表8-3给出了常见多媒体应用容许的最大比特岀错率。表8-3常见多媒体应用的最大比特岀错率多媒体应用最大比特出错率BER多媒体应用最大比特出错率BER未压缩CD质量音乐10-3压缩广播质量电视10-9电话质量语音10-2压缩会议质量电视10-8压缩CD质量音乐10-4压缩高清晰度电视HDTV10-102. 分布式多媒体对网络传播方式的要求(1 )单向与双向网络。信息只能向一个方向传输的网络称为单向网络，而信息可以在终端与服务器之间或终端与终端之间双向传输的网络称为双向网络。例如，普通的有线电视网络CATV (Community Antenna TV )就是一

22、个典型的单向网络，以有线电视网络为基础改造而成的交互式混合光纤宽带网络HFC ( Hybrid FiberCoaxial-cable )就变成了一个典型的双向网络。如果双向网络上下通信信道的带宽相同，则称为双向对 称信道，如果双向网络上下通信信道的带宽不同，就称为双向不对称信道。交互式混合光纤宽带网络的上 行信道与下行信道就是非对称的，下行信道有大量的电视节目和用户获取的数据需要传输，而上行信道只 传输一些简单命令或用户请求的信息，所以上行信道的带宽应小于下行信道的带宽。交互性是分布式多媒 体应用的重要特征，因而只有双向网络才能满足分布式多媒体应用的需求。(2)单播、广播与组播通信方式。网络上

23、节点到节点之间的信息传输方式叫做单播通信( Unicast )，信息从网络上的某个节点向 所有其他节点传输的通信方式就称为广播通信( Broadcast )，如果信息可以从网络上的某个节点向多个 指定节点传输则称为组播通信或多点通信( Multicast )。在组播通信方式下，信源节点需要同多个信宿节 点建立通信联系，然后将同一个信息分别发送到多个指定的信道上。如果在网络上传输多个信息拷贝，必 然会加重网络负担，进而导致网络拥塞，如果网络中的节点能够复制信源节点发送的信息，并按照信源节 点的要求将复制的信息发送到指定信宿节点，这种复制信息的传输方式称为多点路由功能。组播通信方式 都要求具有多点

24、路由功能，以减少网络中的数据传输量，组播通信方式的多点路由功能如图 8-1 所示。不同多媒体应用对通信网络的功能要求不同，例如可视电话要求通信网络具有双向对称单播通信功能，多 媒体信息查询与检索则要求通信网络具有双向非对称单播通信功能，高清晰度数字电视广播要求交互式混 合光纤宽带网络应具有双向非对称广播通信功能， 支持分布式多媒体综合应用的通信网络则必须具有单播、 广播与组播通信功能。8.3 分布式多媒体服务质量管理服务质量 QoS (Quality of Service )是用户对某种服务的满意程度，用户对分布式多媒体应用 都会有一定的服务质量要求。通信网络的吞吐量、传输延迟时间、延时抖动和

25、数据传输误码率等技术指标 都会直接影响分布式多媒体应用的服务质量，因此服务质量是多媒体传输网络的一个重要概念。服务质量 管理分静态资源管理和动态资源管理， 静态资源管理是指按照通信建立时约定的 QoS 参数对网络资源进行 的管理，动态资源管理则是指在业务流传送过程中对资源进行的管理。8.3.1 服务质量管理概述在传统的通信网络中一般没有涉及服务质量 QoS 的概念，这是因为传统的通信网络都是针对专项 业务的要求设计的，服务质量自然能够得到保障。但在宽带综合业务数字网 B-ISDN 提出来以后，要求在 同一个通信网上支持多种业务，不同业务对网络的性能指标有不同的要求。为了保证服务质量，在数据传

26、输之前就应当将某项业务对网络性能的特定要求通知给网络，对网络性能的要求实际上描述了这项业务对 网络资源的需求情况， 网络就可以将用户提交的 QoS 要求作为对网络内部共享资源管理的依据。 如果当前 网络资源不能满足用户的 QoS 要求，网络将不接纳这个呼叫请求， 如果接纳这个新的呼叫请求就会剥夺正 在服务的网络资源，不得不降低当前业务的服务质量。网络要是接纳用户的呼叫请求，就应当在整个会话 期间保障用户提出的 QoS 要求。为了保障用户提出的 QoS 要求，网络必须为业务预留资源，并在通信期 间不断监控和调整资源的分配。 当资源不能满足用户的 QoS 要求时，就应当通知相关用户并终止通信过程，

27、 通过对可利用的网络资源进行配置来实现服务质量的保障机制就是服务质量管理。ITU-T 将QoS定义为决定用户对服务满意程度的一组服务性能参数，通信网络的吞吐量、传输延迟时 间、延时抖动和数据传输误码率就是常用的QoS参数。QoS参数可以用多种方式来描述，确定型和统计型是最常用的两种描述方法。确定型描述方法：QoS_Parameter Upper_bound统计型描述方法：ProbQoS_Parameter Prob_boundProbQoS_Parameter Lower_bound Prob_bound与QoS参数描述方法类似，通信网络对QoS保障也有确定型QoS承诺和统计型QoS承诺两种。

28、 确定型承诺(Deterministic )能够确保通信双方协商好的QoS参数不发生变化，诸如远程医疗诊断就应当由确定型QoS承诺来确保实时影像数据无差错传送。统计型(Statistical ) QoS承诺容许通信各方协商好的QoS参数值有一定的违约范围。目前只有少数通信网络能够实现或部分实现服务质量管理，多数网络只容许用户说明对QoS的要求，但不承诺一定满足用户的QoS要求。例如，应用广泛的IP协议只容许用户在分组头部中的服务类型域对QoS进行简单的优先级说明，而不能对QoS进行严格的定量描述，而且下层网络协议也不提供任何QoS保障。有些网络虽然提供了QoS保障，但QoS保障都是静态的，双方

29、在通信以前一旦协商好QoS参数，在通信过程中就不能对QoS参数进行动态修改，除非拆除当前链接后重新设定QoS参数。此外，多数网络在会话期间一旦不能继续保障协商好的QoS参数时，服务提供方不通知用户就单方面撤消通信链接，用户不能获得低一级的 QoS保障。目前多数网络的 QoS管理机制还不能满足分布式多媒体应用的需 求，QoS管理机制目前尚处于研究和发展阶段。8.3.2 服务质量管理规范服务质量管理规范主要用来说明多媒体应用所要求的服务质量等级，主要包括QoS参数描述和QoS管理策略。1. 服务质量参数描述图E2简单OoSM结构分层模型服务质量除了使用确定型和统计型两种定量描述方法之外，还可以使用

30、服务等级定性描述方法。在 QoS体系结构中，每个层次都 有自己的QoS参数和QoS管理机制，正如开放系统互连 OSI(Open System Interconnection)的 7 层参考模型一样，上一层对下一层提出 QoS 要求，而下一层 QoS 管理对上一层提供服务。不同层次的 QoS 管理统一协调工作，才能满足用户在应用层对 QoS 的要求。直到目前为止，国际上还没有一个支 持端到端的完整 QoS 体系结构标准，对 QoS 体系结构定义、层次划分和各层次 QoS 参数定义仍在研究 之中。图 8-2 给出了一个简单的 QoS 体系结构分层模型，其中网络层包括传输网络和多媒体输入输出设备，系

31、 统层包括通信服务和操作系统，应用层不向其他各层提供服务，只满足用户的多媒体应用需求。用户只关 心应用层上的 QoS 参数，例如图像分辨率和同步质量等，用户通过交互界面对多媒体应用系统提出 QoS 参数要求，系统层的 QoS 参数则是为满足应用层服务质量对通信服务系统提出的 QoS 要求。只有系统层 提供了视频与音频内部及相互之间的同步 QoS 保障，用户才能看到一部高质量的影片，网络层的 QoS 参 数则是对传输网络和多媒体设备提出的质量要求。2. 服务质量管理策略当通信双方约定的服务质量不能保证时，管理策略可以对 QoS 进行自适应调整。在通信过程中， 由于各种原因有可能使通信各方所约定的

32、服务质量得不到保障。例如，网络流量突然增大使网络不能按照 原来的约定向用户提供足够的带宽，在用户可以容忍的前提下，适当降低原来约定的服务质量以适应当前 可利用的带宽资源也许比撤消服务更好一些。例如，通过降低图像分辨率适应当前带宽并不会过多地影响 图像质量，用户看到的画面只是比约定的小一些而以。这种在通信过程中动态调整 QoS 参数称为 QoS 缩 放(QoS Scaling )，服务质量管理策略规定了在约定的QoS质量被破坏时，QoS质量下降可以容忍的限度和应当采取的 QoS 缩放措施。8.3.3 服务质量静态资源管理静态媒体和连续媒体是分布式多媒体应用系统处理的两大媒体，连续媒体具有很强的实

33、时性，在 传送连续媒体数据时，不仅要保持同一媒体内部的连续性，还要保持不同媒体间的同步，因此连续媒体是 分布式多媒体应用系统 QoS 管理的最基本任务。不同多媒体应用对 QoS 参数值的具体要求也不同， 实时交互式多媒体应用对端到端的延迟时间要求十分严 格。例如实时视频会议要求网络的传输延迟时间不能大于 250ms ，而多媒体信息检索与查询系统只要求 传输延迟时间小于 12s ，多媒体电子邮件对网络的传输延迟时间则没有特别要求。因此，分布式多媒体应用系统的QoS管理应当容许用户灵活配置， 用户可以建立与特定应用相匹配的 QoS等级。QoS管理不 仅仅限于多媒体信息对传输网络的要求， 从端到端整

34、个处理流程中的每一个环节都应当具有 QoS 保障，任 何一个环节违背 QoS 要求都会影响总体服务质量。静态资源管理主要包括服务质量映射、服务质量协商、 服务质量接纳和服务质量资源预留。1. 服务质量映射QoS 体系结构中应用层的 QoS 参数是用户通过交互界面输入的，服务质量映射(QoS Mapping )的任务就是将应用层的 QoS 参数转换并传递到下面的各层， QoS 体系结构中的各部分或各层有了 QoS 参数 才能对相应的资源进行配置和管理。服务质量映射是双向的，既可以从应用层向下映射，也可以由网络层 向上映射。例如，应用层的图像分辨率 QoS 参数可以映射为网络层的数据传输速率 Qo

35、S 参数，当网络层 的带宽资源不能满足所要求的传输速率时，可以将要求的数据传输速率降低一些，降低后的速率反向映射 到应用层，应用层得到一个较小的图像分辨率 QoS 参数。2. 服务质量协商用户都希望分布式多媒体应用系统能够对服务提供一定程度的 QoS 保障，在使用应用系统之前， 用户必须将 QoS 要求告诉系统，同时还要与系统就 QoS 参数值进行必要的服务质量协商( QoS Negotiation )，将协商好的 QoS 参数值作为用户和系统共同遵守的规则。要获得一个完整的 QoS 保障 体系， QoS 体系结构中的每一层都必须具有足够的资源来满足用户的QoS 要求。除了要将用户的 QoS

36、要求映射到体系结构中的每一层之外， 每一层也需要对 QoS 参数进行协商， 以保证通信路径上各部分的资源 都能接纳统一的 QoS 要求。服务质量协商可以发生在呼叫与被呼叫之间， 也可以在用户与服务提供者之间。 呼叫与被呼叫之间的服务质量协商称为对等型协商( Peer to Peer )，如体系结构中同一层不同应用之间 的协商就是对等型协商。用户与服务提供者之间的服务质量协商称为层间协商(Layer to Layer )，层间协商是体系结构中层与层之间的协商。3. 服务质量接纳通过服务质量映射和服务质量协商， QoS 体系结构中的各层都有了各自的 QoS 参数，各部分必 须检查自己所能使用的资源

37、是否能满足 QoS 参数的要求。如果可利用的资源不能满足 QoS 参数的要求， 则拒绝接纳此次通信链接。如果能满足 QoS 参数的要求，则接纳此次通信链接，并为链接预留资源。4. 服务质量资源预留服务质量映射、服务质量协商和服务质量接纳仅是服务质量资源预留或分配的前提，用户的服务质量是否能够得到保障最终还取决于服务质量资源的预留。沿通信路径的服务质量资源预留是伴随着服务 质量协商和服务质量接纳同时进行的，服务质量资源预留的路径可以是单播通信路径、广播通信路径或多 播通信路径。服务质量资源预留的通信路径走向可以是发送端驱动( Sender-Driven )，也可以是接收端 驱动( Recieve

38、r-Driven )。在发送端驱动的资源预留方式下，发送端要以单播、广播或多播通信方式创 建一条到接收端的通信路径， 然后沿着创建的通信路径向接收端方向传送 QoS 规范。沿途的每个节点将根 据自己的资源状况对 QoS 规范进行适当调整， 并完成服务质量资源预留或分配， 最后还要将服务质量资源 预留或分配的结果报告给发送端。在接收端驱动的资源预留方式下，资源预留的起点是接收端，而不是发 送端，但发送端首先要沿着通信路径向接收端方向发送一个路径报文，路径报文主要用来说明通信路径的 地址及要求的服务类型，路径报文提供的通信路径地址将用于逆向逐段为资源预留报文进行路由选择。当 路径报文逐段传递到接收

39、端时，接收端就会沿着路径报文传递的相反方向返回一个应答资源预留报文，由 资源预留报文按照接收端对 QoS 的保障要求沿途进行资源预留或分配。8.3.4 服务质量动态资源管理动态资源管理分为 QoS 监控和 QoS 管理两部分， QoS 监控是指在业务流传送过程中对资源进行 的实时控制，根据在较长一段时间内监测业务流传送的情况来确定对资源进行调整就是 QoS 管理。1. 服务质量监控服务质量监控( QoS Monitor )就是在业务流传送过程中的实时控制机制，当用户和系统协商好QoS 参数后， QoS 管理机制通过对用户和系统的行为进行必要的监控来维护共同协商好的 QoS 等级。服 务质量监控

40、主要包括流调度 ( Flow Scheduling )、流成形( Flow Shaping )、流监管( Flow Policing ) 和流控制( Flow Control )。(1) 流调度。 流调度是指在终端或网络节点上传送数据包的策略，与网络带宽、服务优先级和缓冲容量密切相 关。(2) 流成形。流成形是按照用户对峰值速率、平均速率或突发度等业务流性能的要求，使进入网络的业务流的 流量变化变的平缓一些，流量变化平缓的业务流容易实现资源预留和流调度处理。（3）流监管。流监管是指用户在通信过程中是否违背了与网络在通信建立时约定的 QoS 要求，例如在 ATM 网 络中，如果监测到信源违反了事

41、先约定的时间，就会丢弃掉信源中的一部分信元，或将信元头中的优先级 降低，在网络拥塞时再予以丢弃。（4）流控制。流控制是ATM网络特有的QoS保障机制，ATM网络继承了分组交换网络中利用统计时分复用来 提高资源利用率的优点，因此能够支持可变速率的数据传输。几个信源可以被链接到同一个链路上，当其中一个信源发送数据的速率小于其平均速率时，信源 剩余的带宽就可以为该链路上的其他信源使用。但实际的网络对用户要求的带宽不可能没有任何限制，也 就是说，理想的可变速率数据传输并不存在。为了防止过多的信源复用同一条链路，或防止信源送入过多 的数据而导致网络拥塞， ATM 网络采用了对信源流量进行控制的功能。AT

42、M 网络首先要进行服务质量接纳控制，接纳控制根据网络资源来决定是接纳还是拒绝用户的呼叫。 如果接纳了通信链接，就应当为通信过程预留或分配资源，属于静态资源管理范畴。但在接纳了通信链接 以后，用户有可能在通信过程中违背链接请求时商定的 QoS 数据流量，此时 ATM 网络将使用参数控制 UPC（Usage Parameter Control）对流量进行控制。参数流量控制可以对信源输出速率是否超过约定值进行监管，属于动态资源管理范畴。根据对数据流所采取的措施， 参数控制 UPC 又可以分为开环流控制和闭环流控制。 在开环流控制 中信源必须严格按照协商好的速率向网络发送数据，当流监管发现信源输出流量

43、超过约定值时，直接采取 措施将超过约定值的信元优先级降低或丢弃。在闭环流控制中，数据流量控制是由信源编码器根据从网络 或接收端反馈回来的信息调节发送速率实现的。同样当流监管检测到信源输出流量超过约定值时，流监管 将通知用户违反了事先协商好的 QoS 参数值。 降低打包速度将使缓冲器存储的数据量上升，当缓冲器存储的数据量超过设定的阈值时，通过调节信源编码器的参数使输出速率下降，开环流量控制和闭环流量控制 过程分别如图 8-3 和图 8-4 所示。2. 服务质量维护与缩放QoS 监控一般都是实时的，而 QoS 管理则是在一段较长时间内进行的， QoS 管理主要由服务质量维护和服务质量缩放组成1）服

44、务质量维护服务质量维护（ QoSMaintenance ）任务就是将监测到的 QoS 参数与用户要求的 QoS 参数进行比较，然后根据 比较结果对相应的资源进行调整来满足用户的 QoS 要求。 （ 2）服务质量缩放。如果在通信过程中，由于网络拥塞或负载过重等原因导致不能维持协商好的QoS参数值，QoS维护机制将调整资源来设法保持 QoS水平。当QoS维护机制调整资源后仍然不能满足所要求的QoS水平时，在这种情况下，有两种方式可供用户选择。一是与系统重新协商使参数值降低到较低的 水平上， 二是让系统自适应地转向当前可以提供的水平上继续通信。在通信过程中动态修改 QoS参数值使系统能够继续运行的机

45、制就称为服务质量缩放。8.4 流媒体技术流媒体指在分布式多媒体系统中使用流式传输技术的时基媒体，如：音频、视频或其它多媒体文 件。流式媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入数据缓冲区，流式媒体的数据流随时传 送随时播放，只是在开始时有一些延迟。就如农民为庄稼浇水时，并不是把从水渠流来的水收集在一起后 再行灌溉，而是渠水来一些就灌溉一些。网络上多媒体信息的传输目前主要有下载和流式传输两种方式。采用下载方式传输时，用户必须 等到整个文件全部下载完毕，存储到本地存储设备后，才能进行播放。这需要较大的存储容量，同时受传 输速率的限制，下载过程需要等待较长的时间。流式传输时，多媒体数据流由服

46、务器向用户计算机连续、 实时地传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过很短的启动延时即可进行播放。播放的同 时，文件的剩余部分将在后台从服务器继续下载。与下载方式相比，流式传输避免了用户必须等到整个文 件从服务器上全部下载后才能播放的缺点，既节省了等待时间，又节省了存储空间。当然，流式文件也支 持在播放前完全下载到本地存储器。流媒体实现的关键技术就是流式传输。 实现流式传输有两种方法： 实时流式传输 （ Real-time streaming ） 和顺序流式传输（ progressive streaming ）。一般说来，如果要传输的多媒体信息为实时广播，或者使 用的是流式媒体服务器

47、， 或应用如 RTSP 的实时协议进行传输， 即为实时流式传输。 如使用 HTTP 服务器， 文件通过顺序流发送，则为顺序流式传输。采用哪种传输方法依赖于用户的需求。流式传输的实现需要数据缓存技术。因为流式传输是以包传输为基础进行断续的异步传输，对于 要传送的数据（可以是一个实时 A/V 源，也可以是一个 A/V 文件），在传输中它们要被分解为许多包，由 于不同的包选择的路由可能不同，所以数据包到达客户端的先后次序可能与发送顺序不一致，甚至有的数 据包后发而先至。另外，网络暂时拥塞也会使得送达的数据流不能满足连续播放的需求。为了保证媒体数据能顺序、连续地播放，需要在流式传输中使用数据缓存技术。

48、显然，数据缓存技术的作用有两个：一是 对到达的数据包进行正确的排序，二是预存一定数量的数据以供连续播放。通常缓存系统使用环形链表结 构来存储数据，先通过丢弃已经播放的内容释放存储空间，再利用已经释放的缓存空间来存储后续的尚未 播放的内容。所以，缓存区的存储容量不需要设计的太大。流式传输的实现需要合适的传输协议。由于TCP需要较多的开销，故不太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用 HTTP/TCP来传输控制信息，而用RTP/来传输实时数据。流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，Web浏览器与 Web服务器之间使用HTTP、TCP交换控制信息，以便把需要传输的实时数据

49、从原始信息中检索出来；然后客户机上的Web浏览器启动A/V Player 程序,使用HTTP从Web服务器检索相关参数对 A/V Player程序初始化。这些参数可能包括目录信息、A/V数据的编码类型或与A/V检索相关的服务器地址等。A/V Player 程序及A/V服务器运行实时流控制协议（RTSP）， 以交换A/V传输所需的控制信息。与 VCD播放机所提供的功能 相似，RTSP提供执行播放、快进、快倒、暂停及录制等的方法。A/V服务器使用RTP/UDP协议将A/V数据传输给客户端，一旦二：.A/V数据抵达客户端，A/V客户端A/V Player 程序即可播放输岀。实现流式传输一般都需要专用

50、服务器和播放器，其基本原理如图8-5所示。843流媒体传输协议传统的因特网使用的TCP/IP协议，其初衷是为传输数据而设计的，有较高的可靠性而对延时不敏感。但对于图像和声音这些实时性要求很强的信息，延时特性却是十分重要的。因此，要在因特网上传输实时图像和声音信息的流媒体，需要在传输层之上再加上流媒体的传输和控制协议，这些协议主要包括：1. 实时传输协议 RTPRTP （ Real time Transport Protocol ， 实时传输协议）是用于 Internet 上针对多媒体数据流的一种传输协议，为交互式音频、视频等具有实时特征的数据提供端到端的传送服务。RTP被定义为在一对一或一对多

51、的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现数据流同步。RTP通常使用UDP来传送数据，但RTP也可以在TCP或ATM等其它协议之上工作。当应用程序开始一个RTP会话时将使用两个端口，一个给RTP，一个给RTCP。RTP本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务。通常RTP算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为 应用程序代码的一部分2. 实时传输控制协议 RTCPRTCP （ Real-time Transport Control Protocol，实时传输控制协议）是 RTP 的控制协议，RTCP和RTP 一起提供流量控制和拥

52、塞控制服务，它周期性地与所有会话的参与者进行通信，并采用和传送数据包相同的机制来发送控制包。在 RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP包。RTCP包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率， 甚至改变有效载荷类型。RTP和RTCP配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。应用程戸RTP/RTCPTCPUMIPvRTP与因特网各层协议的关系如图8-6所示。3. 实时流协议 RTSP。RTSP （ Real Time Streaming Protocol ）是由 RealNetwo

53、rks 公司和Netscape 公司共同提出的，该协议定义了一 对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。RTSP有时称为话路控制协议，其主要功能是支持类似 VCR的操作，如停 止、暂停/继续、快进和快退等。團3-6 RTP与因特网各层协溟的关系4. 资源预留协议 RSVP。在需的曲熾资源预留是指根据业务数据的QoS要求和带宽资源管理策略进行带宽资源分配，RSVP（ ResourceReservation Protocol，资源预留协议）是网络中预留所需资源的传送通道建立和控制的信令协议，可沿着数据流所选定的路由来预留资源（如带宽）。一旦建立预留，RSVP协议会通过预留网络资源建立一条

54、从发送端到接收端的路径，使用路由器调度分组转发，从而保证网络服务的质量。RSVP使得IP网络能提供接近于电路交换质量的业务，即在面向无连接的网络上，增加了面向连接的特性；它既利用了面向无 连接网络的多种业务承载能力，又提供了接近面向连接网络的质量保证。但是 RSVP 没有提供多媒体数据 的传输能力，它必须配合其它实时传输协议来完成多媒体通信服务。RTP 、 RTCP 、 RTSP 、 RSVP 各协议的关系如图 8-7 所示。流式文件格式经过特殊编码，使其适合在网络上边下载边播放，而不是等到下载完整个文件才能 播放。可以在网上以流的方式播放标准媒体文件，但效率不高。将压缩媒体文件编码成流式文件

55、，必须加 入一些附加信息，如计时、压缩和版权信息。编码过程如图 8-8 所示。到目前为止， Internet 上使用较多的流媒体格式主要有 RealNetworks 公司的 RealMedia 、 Apple 公司 的 QuickTime 和 Microsoft 公司的 Windows Media 。RealNetworks 公司的 RealMedia 包括 RealAudio 、 RealVideo 和 RealFlash 三类文件。其中 RealAudio 用来传输接近 CD 音质的音频数据； RealVideo 用来传输不间断的视频数据； RealFlash 则是 RealNetwork

56、s 公司与 Macromedia 公司新近联合推出的一种高压缩比的动画格式。Apple 公司的 QuickTime 是面向专业视频编辑、 Web 网站创建和 CD-ROM 内容制作领域开发的多媒体 技术平台， QuickTime 支持几乎所有主流的个人计算平台，是数字媒体领域事实上的工业标准，是创建 3D 动画、实时效果、虚拟现实、 A/V 和其它数字流媒体的重要基础。Microsoft 公司的 Windows Media 的核心是 ASF（ Advanced Stream Format，高级流媒体格式） 。ASF 是一种数据格式，音频、视频、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过这种格式，以网

57、络数据包的 形式传输，实现流式多媒体内容发布。其中，在网络上传输的内容就称为ASF Stream 。 ASF 支持任意的压缩/ 解压缩编码方式，并可以使用任何一种底层网络传输协议，具有很大的灵活性。除了上述流媒体技术的三种主要格式外，流媒体技术还有 Macromedia 的 Shockwave Flash 技术，用户通过这一技术可以方便地在 Web 页面中加入图像、动画以及交互式界面等操作。此外，在 Shockwave Flash 中还采用了矢量图形技术，使得文件下载播放速度明显提高。后来， Macromedia 又 成功地推出了 Shockwave for Authorware、 Shockwave for Director技术，并对它们进行了优化，同时推出