多媒体网络应用与服务质量

关于多媒体网络应用与服务质量第一页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量214.1多媒体网络技术是什么14.1.1网络是什么

人与人之间或设备之间进行通信的系统；从计算机角度看，通过有线或无线传输媒体把计算机和相关设备连接在一起构成的通信系统。(1)因特网(Internet)：全世界的计算机网络组成的网络(2)公共电话交换网(PSTN)：由电话机、电话交换机、地区线路和长途线路组成的通信网络，提供声音和数据通信服务。PSTN没有存储功能，作为计算机网络的接入网络。(3)家庭网络：在家中的多台计算机和其他设备相互连接组成的局域网。(4)无线局域网(wirelessLAN，WLAN)：使用电磁波或其他技术收发数据的局域网，传输距离约几十米。第二页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量314.1多媒体网络技术是什么(续1)(5)移动即兴网络(mobileAdhocnetwork)：为某种目的但又无事先准备情况下构成的临时无线网络，也称自组网络(6)蜂窝接入网络(cellularaccessnetwork)：无线通信网络，它把通信区域划分成许多称为“蜂元”的小区域，每个区域中的站点通过地面通信线路或微波与交换机相连，可将终端用户直接接入到骨干网，也可与公众电话网络通信(7)传感器网络(sensornetwork)：用于连接传感器和执行器的低速工业网络，没有控制功能或控制功能有限第三页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量414.1多媒体网络技术是什么(续2)图14-1互连网络系统网关(gateway)：连接多个物理网络的计算机，用于管理和选择数据传输的路径，实际上是指路由器。此处的网关用于连接传统的电话网络和现代的因特网

第四页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量514.1多媒体网络技术是什么(续3)14.1.2多媒体网络是什么“多媒体网络”至今还未看到严格的定义，但可定义认为用传输媒体把计算机和相关设备连接在一起的高速计算机网络，用于为用户提供包括数据、声音和影视在内的多媒体内容服务.强调两点：“多媒体网络是计算机网络”，因为计算机网络才有多媒体的存储和互动功能，而传统的公众电话网络和电视网络都没有；“多媒体网络是高速计算机网络”，因为只有高速的计算机网络才能支持包括声音和影视在内的多媒体内容的传输多媒体网络包括:网络操作系统、传输媒体和网络设备(如计算机、路由器和交换机)第五页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量614.1多媒体网络技术是什么(续4)14.1.3多媒体网络技术是什么网上实时传输多媒体数据的方法，以便不同用户在不同设备上能够共享图像、声音、影视等多媒体资源，以及进行“面对面”的交流。其中(1)“多媒体数据”是指组合文字、图像、声音和视像的数据，尤其是声音和影视数据(2)“实时传输”可简单理解为接收数据几乎与发送数据同时完成，如现场实况广播就是属于这种情况(3)“方法”集中体现在协议中，协议是为各种功能部件的行为制定的一系列规则和标准，以实现计算机间的互连和数据交换核心协议包括会话启动协议(SIP)、实时传输协议(RTP)、实时控制协议(RTCP)、资源保留设置协议(RSVP)和实时流媒体播放协议(RTSP)第六页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量714.2网上数据的交换方法网上数据的交换方法数据的概念以适合计算机处理和传输的形式表示的信息。数据本身没有意义，通常要在一定语义环境中才有意义。本节谈到的“数据”是不带任何语义环境的“数据”。现有的通信网络可分成两类1、线路交换网络在通信双方交换数据期间，包括链路带宽在内的通道上的全部资源被占用2、数据包交换网络在通信双方交换数据期间，不占用通道上的全部资源，而是根据需要和“路况”来使用资源，因此交换数据包时往往需要等待可用资源。也称数据网络(datanetwork)第七页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量814.2网上数据的交换方法(续1)14.2.1线路交换(circuitswitching)在发送者和接收者之间交换信息之前通信线路需要建立物理连接的通信方法连接在交换中心实现在连接期间，用户占用沿途的全部线路资源典型应用是拨号电话网络，见图14-2交换机是电话交换机或称线路交换机，其主要功能是控制信号的路径选择传输线路相当于有N条，通过时分多路复用技术(TDM)或频分多路复用技术(FDM)获得(详见第3章)图14-2线路交换的概念

第八页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量914.2网上数据的交换方法(续2)在同一条通信线路上划分多个传输信道的技术。把时间分割成许多固定的帧(frame)，每一帧又划分成固定数目的时间槽(timeslot)当用户A与用户B进行通信时，系统为这对用户指定一个时间槽，仅在这个时间槽里建立连接，每对用户连续占用的资源只是一个时间槽的带宽，这样就可以使许多用户共用一条传输线路1、时分多路复用(TDM)数字通信使用第九页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1014.2网上数据的交换方法(续3)

在一条通信线路上使用不同频段同时传送多个独立信号的技术，每个频带作为一个独立的传输信道使用，因此一对传输线上也可同时有若干对用户进行通信每对用户连续占用资源的一个频段。电话网络使用FDM时，每个链接使用4kHz带宽。2、频分多路复用(FDM)模拟通信使用第十页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1114.2网上数据的交换方法(续4)14.2.2数据包交换

1.数据包(packet)作为一个独立的整体在网络上传输的数据单元一块应用数据通常被称为消息(message)，如一个ASCII文件、Web页面、声音或影视文件。发送端把整个消息分割成许多小的数据块，经过包装并“贴上”标签之后再发送到网络上，这种包含数据的“包裹”称为数据包数据包包含用户的数据和按照协议规定加入的“包头(header)”在包头中含有源地址、目的地址和错误控制等信息。datagram是packet的同义词也是自带寻址信息的独立的数据实体第十一页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1214.2网上数据的交换方法(续5)2.数据包交换(packetswitching)把数据包作为传输单元的传输技术，简称为“包交换”把一条消息分成标准大小的数据包，以提高传输效率在收发双方之间无需预先建立物理连接，因为每个数据包都包含有源地址和目的地址，数据包可沿着信源与目的地之间的最佳可用路径，通过中间站点转发数据包不必都沿着同一条路径到达目的地，也不必同时到达目的地，到达目的地的次序也不必按照发送的次序，哪条信道有空就往那里传送，接收端的计算机可正确重组成原始消息数据包交换数据网络(packet-switcheddatanetwork，PSDN)第十二页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1314.2网上数据的交换方法(续6)

假设主机A和B正在向主机C发送数据包，数据包A和数据包B首先通过以太网链路传送到路由器A，然后把它们传送到链路上。如果在这条链路上出现拥挤，数据包就在路由器中排队，等待输出到链路上图14-4数据包交换的概念存储-转发第十三页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1414.2网上数据的交换方法(续7)3.数据包的延迟（3）排队延迟交换设备在输出端都有链路缓冲存储器，在转发前数据包要排队（1）传输延迟----存储转发延迟

交换设备必须接收到完整的数据包并经检验后，才能把数据包的第1位(bit)转发到输出链路上。从接收数据包的第1位到最后1位的时间称为传输延迟。

如果数据包长度为L，传输链路数据率为R，延迟时间就为L/R。（2）处理延迟交换设备处理信号的延迟，时间为微秒量级；（4）传播延迟：信号在两点之间的传播延迟。传播延迟的时间从微秒量级到毫秒量级，卫星的传播延迟约为250~500ms第十四页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1514.2网上数据的交换方法(续8)4.消息交换(messageswitching)

发送端不把消息分成小的数据包，而是把整个原始消息发送到网络，数据包交换就变成消息交换，这是数据包交换的一种特殊情况。1、端与端之间的传输延迟要大得多。2、消息交换的另一个缺点是处理错误的时间较长。例如，在消息交换中，当消息中仅有1位数据出错时，整个消息都要重新发送，而在数据包交换中，当出现同样错误时，只需重新传送那个包含错误数据的数据包，因此传送整个消息的时间要比传送单个数据包的时间长得多第十五页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1614.2网上数据的交换方法(续9)14.2.3消息的类型单目标广播消息一个用户(设备)发送到网络上但只能由有名有姓的用户(设备)接收的消息。为避免被人窃听，要采取许多安全措施广播消息一个用户(一台设备)发送给网上每个用户(每台设备)并且每个用户(每台设备)都可接收的消息，发送者不需要知道接收者是谁，也不需要知道他的地址多目标广播消息一个用户(一台设备)发送到网络上但只允许指定的一组人中每一个人(一台设备)接收的消息第十六页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1714.3流媒体的传输方法在网络上传送流媒体的方法主要有两种使用标准的Web服务器，把声音数据和电视数据传输到媒体播放器使用单独的流媒体服务器，把声音数据和电视数据传输到媒体播放器第十七页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1814.3流媒体的传输方法(续)流媒体格式

◆*.mp4◆RealNetworks：影视文件扩展名为.rm，声音文件扩展名为.ra◆Apple：影视文件扩展名为.mov◆Microsoft：ASF(AdvancedStreamingFormat)，文件扩展名为.wmv和.wma1.流媒体一边发送一边接收的多媒体，通常是指电视媒体和声音媒体广播电视是单向传输，不需要预先建立连接；流媒体是双向传输，双向传输需要预先建立连接。第十八页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量1914.3流媒体的传输方法(续)网络的层次从顶部到底部：应用层、传输层、网络层，…、物理层传输流媒体协议RTP(实时传输协议)、UDP(用户数据包协议)和IP(网际协议)控制流媒体传输的协议RTSP(实时流播协议)、TCP(传输控制协议)和IP协议2.媒体流播(streaming)使多媒体数据能够稳定和连续传输的数据传输技术3.流媒体的流播原理第十九页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量2014.3流媒体的传输方法(续)图14-5流播系统示意图

层层打包层层拆包“路况”复杂，播放出现断断续续的现象第二十页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量2114.3流媒体的传输方法(续)IP(InternetProtocol)称为“网际协议”,网络上的所有数据传输都要使用IP执行IP协议软件的任务把来自TCP或UDP协议装配的消息转换成数据包、安排数据包到达目的地的路径，以及在接收端把数据包还原成原始形式的消息4.IP是关键协议第二十一页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量2214.3流媒体的传输方法(续)“推”和“拉”两种方式推送(push)方式：将流媒体直接发送给接收者的传输方式，就像常规的电视频道那样，这种方式就是“现场直播(livestreaming)”下拉(pull)方式：接收者请求发送者将流媒体发送给自己的传输方式，就像我们到图书馆借书那样，这种方式就是“点播(on-demand)”方式5.流播方式第二十二页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量2314.3流媒体的传输方法(续)客户机获取多媒体文件的最简单方法把声音或影视文件放到Web服务机上在Web服务机上创建包含媒体文件所在地址的网页，媒体文件所在地址称为“统一资源地址(URL)”通过Web浏览器把媒体文件下载到客户机上。启动媒体播放器播放媒体文件重要术语Web服务器：执行HTTP协议的服务软件，也称HTTP服务器。Web服务机：安装有Web服务器软件的计算机，包括硬件系统、操作系统、Web网页和其他应用软件14.3.2先下载后播放—用Web服务器实现第二十三页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量2414.3流媒体的传输方法(续)图14-6使用Web服务器先下载后播放的多媒体播放过程延迟时间长第二十四页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量2514.3流媒体的传输方法(续)用Web服务器实现的边流边播系统,预先要做的事情14.3.3边流边播—用Web服务器实现将声音和影视数据压缩成适合特定网络带宽的单个媒体文件将媒体文件和它的播放说明文件放到Web服务机上在Web服务机上创建包含媒体文件所在地址(URL)的网页。第二十五页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量261、访问包含媒体文件的网页，浏览器向Web服务器发出传送这个媒体文件的HTTP请求5、服务器通过响应消息把媒体文件传给媒体播放器，然后就边流边播放2、服务器收到HTTP请求后，向浏览器回送HTTP响应消息。这个消息不包含声音或影视媒体文件，但包含播放说明文件，其中含有媒体文件所在的实际地址(URL)。3、浏览器调用相应的媒体播放器，并把HTTP响应消息中的播放说明文件传送给媒体播放器4、媒体播放器向Web服务器发出传送媒体文件的HTTP请求消息互动性不好第二十六页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量2714.3流媒体的传输方法(续)流媒体服务器是用于传输声音和影视文件的专用软件，如RealSystemServers，QuickTimeStreamingServer和Windows200XSever中的WindowsMediaServices附注：Web服务器和流媒体服务器可放在同一服务机上。14.3.4边流边播—用流媒体服务器实现媒体文件放在安装有流媒体服务器的服务机上，但包含媒体文件所在地址(URL)的网页仍然要放到Web服务机上第二十七页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量2814.3流媒体的传输方法(续)图14-8使用流媒体服务器的流媒体播放过程媒体播放器接到Web浏览器的播放说明文件后，直接与流媒体服务器打交道，媒体播放器和流媒体服务器之间建立连接后就可边流边播第二十八页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量2914.3流媒体的传输方法(续)14.3.5媒体播放器的主要功能媒体播放器(mediaplayer)是用于播放声音、影视或动画文件的软件。可嵌入到Web浏览器，称为“Web播放器”解压缩：几乎所有声音和视像都是经过压缩的去抖动：由于到达接收端的每个声音和视像数据包的时延不固定，可用缓冲存储技术延时后再播放错误处理：由于互联网上路况难于预测，传输过程中可能丢失部分数据包，补救办法是重传用户可控接口：用户直接控制媒体播放器播放行为的实际接口。提供的控制功能包括音量大小、声音或视像的暂停、快播、慢播、跳转和重新开始等第二十九页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3014.4多媒体网络的典型应用按照IP协议规定的格式把多媒体数据“打包”后传送。归功于两种技术：一种是多媒体计算技术，尤其是数据压缩性能的提高；另一种是网络技术，尤其是带宽的扩展。第三十页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3114.4多媒体网络的典型应用(续1)14.4.1多媒体广播如电视会议、远程教育系统、小范围内的影视点播(VoD)和音乐点播(AoD)14.4.2IP电话

IP电话(IPtelephony)是用IP协议在数据包交换网络上进行的通话，

IP电话需要将模拟声音信号转换成数字声音信号，将它们封装成数据包以便在IP网络上传输14.4.3IP电视会议IP电视会议(IPvideoconferencing)分散在不同地方的成员之间，使用IP协议在数据包交换网络上传输图像和声音的会议第三十一页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3214.4多媒体网络的典型应用(续)14.4.4IP电视提供两种服务方式广播方式：点播方式：向用户传输在存储器中存储的MPEG数据流使用MPEG-1，-2，-4或其他视像数据压缩技术可向使用调制解调器、通过有线电视网或局域网接入因特网的用户，提供包括IP电视在内的多种服务用户在家中用计算机或机顶盒把普通电视机连接到宽带网络，就可观看影视节目第三十二页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3314.4多媒体网络的典型应用(续)14.4.5IP影视点播14.4.6IP声音点播IP声音点播(audioondemand，AoD)使用IP协议在数据包交换网络上提供的语音服务交互功能如播放、暂停、快进、快退、重新开始和跳转等14.4.7IP远程教育系统第三十三页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3414.5多媒体服务质量(QoS)14.5.1服务质量的概念服务质量(qualityofservice，QoS)为网络为应用服务提供网络资源保障的能力14.5.2服务质量的衡量1、时延：数据包从一个节点到另一个节点所需的时间。时延也称为等待时间。2、抖动：每个数据包到达目的地的延迟时间的变化

抖动的表现是连续数据包断断续续到达目的地，这就会严重损害视听效果。抖动可在接收端用缓存来平滑，容量小的缓存只能消除小的抖动，容量大的缓存将增加延迟时间第三十四页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3514.5多媒体服务质量(QoS)(续)4、吞吐率/带宽：数据包通过网络的速率。这项指标反映网络容许传输的声音或影视数据速率，因为视听数据本身的速率高，意味着视听效果好3、丢包率：丢包率是网络可靠性的衡量指标，它用丢失的数据包占发送的数据包(丢失的数据包+成功接收的数据包)的百分比来表示。5、服务可用性：用户连接互联网时获取网络资源的难易程度。定义在给定的时间范围里，网络可提供的服务时间占给定时间间隔的百分比带宽---通信通道传送信号的频率范围，和最大传输能力吞吐率--传输系统实际传输的数据量，单位为Mbps带宽是“硬指标”，而吞吐率是“软指标”，第三十五页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3614.5多媒体服务质量(QoS)(续)14.5.3多媒体的服务质量时延、抖动、丢包率和吞吐率是衡量多媒体服务质量的4个主要参数。声音服务质量的高低，在很大程度上取决于声音通过网络产生的时延1、声音的单向传输时延的具体数值其要点如下：可以接受的对话质量：时延<150ms；可以容忍的对话质量：时延<400ms；不可接受的对话质量：时延>400ms。这是感知模型，可作为应用设计和质量评估的依据第三十六页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3714.5多媒体服务质量(QoS)(续)2.视像应用的服务质量要求除了对时延、抖动和丢包率有要求外，视像应用对网络的吞吐率或带宽有特定的要求，这是因为人对视像的分辨率有最低的要求媒体应用互动方式数据速率举例关键参数和目标值单向时延抖动丢包率吞吐率不低于声音IP电话双向4～32kbps150~400<1ms<3%4～32kbps视像影视点播单向为主30Mbps<10s<5ms<3%30Mbps第三十七页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3814.5多媒体服务质量(QoS14.5.4提高服务质量的技术1.超量配置超量配置：提供的网络带宽、路由器和缓存空间等资源比实际需要还多的技术，使数据包能够毫无障碍地从源端到达接收端第三十八页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量3914.5多媒体服务质量(QoS)2.缓冲存储转发设备将接收到的数据包先存放在存储器中，适当延迟后再转发出去可部分消除声音或视像不连续的问题使用缓冲存储技术不影响可靠性和带宽，其好处是可以部分平滑或消除抖动，其缺点是增加了数据包的延迟时间缓冲存储器的容量越大，消除抖动的能力就越强，但也增加了延迟时间，在应用中需要加以折衷第三十九页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量4014.5多媒体服务质量(QoS)3.交通整形网络设备接口，都以有限的速率接收和发送数据包数据包到达接口的速率(入口)>转发数据包的速率（出口）就会出现网络拥挤。

整形是将传输速率不均匀的输入数据包流变成速率恒定的输出数据包流。交通整形通常是在网络边缘的服务机和路由器上执行，目的是控制进入网络的交通量。第四十页，共四十七页，2022年，8月28日多媒体网络应用与服务质量4114.5多媒体服务质量(QoS)现在已经开发了许多交通整形技术，如漏桶算法和标记漏桶算法。漏桶算法的原理见图14-11。漏桶就相当于缓存，其大小决定接收数据包的最大容量。

图14-11漏桶算法原理如果:

接收到的数据包>最大容量数据包就会溢出，即丢包

漏桶