高级计算机网络技术之多媒体通信技术

多媒体通信技术一、多媒体通信概述人类的信息交流已从单一媒体过渡到多媒体的形式。多媒体信息形式有四种：音频、视频、图形和文本音频和视频媒体与时间相关,称为连续媒体；图形和文本媒体与时间无关，称为静态媒体静态媒体与时间无关，其播放速度不会影响所含信息的再现连续媒体具有隐含的时间关系，其播放速度将影响所含信息的再现，必须在一段特定的时间内按特定的速度播放;否则,媒体信息的完整性就会受到影响多媒体通信技术主要研究网络环境下连续媒体信息的传输和应用问题根据媒体类型,多媒体通信可分为两大类:异步通信：在端系统之间交换不需要实时存储或者处理的静态媒体数据。例如，多媒体电子邮件就是采用这种通信方式

等时通信：在端系统之间传送诸如语音、视频之类的连续媒体数据，对延迟和抖动要求较高。例如，对于NTSC制式的视频信号，必须每隔33ms就应传输和播放一个视频帧，端到端的延迟应当保持在250ms以下基于等时通信的连续媒体传输对网络通信设施的性能要求很高，也是多媒体通信技术重点研究和解决的问题需要从网络基础结构、网络传输协议和网络应用服务等各个层次上充分地支持多媒体通信从网络基础结构上，无论是局域网还是广域网都朝着高速化和交换化方向发展，传输速率已达到10Gb/s以上，为多媒体通信提供高带宽保证从网络传输协议上，现有的TCP/IP等协议没有提供多媒体通信支持能力，必须通过开发新的通信协议来解决多媒体通信问题二、网络服务质量与管理不同应用对网络性能的要求不同，对网络所提供的服务质量期望值也不同,这种期望值可以用统一的服务质量(QualityofService,QoS)概念来描述通常使用吞吐量、差错率、端到端延迟、延迟抖动等网络性能参数来定义QoS。在不同的网络系统中，QoS参数集的定义方法可能有所不同多媒体对象最大延迟(ms)最大延迟抖动(ms)平均吞吐量(Mb/s)可容忍差错率语音0.25100.064＜10-1TV品质视频0.2510100＜10-2压缩视频0.2512～10＜10-6文件传送1－1～1000实时数据0.001～1－＜100图片1－2～10＜10-9QoS参数举例从支持QoS的角度，多媒体网络系统必须提供QoS参数定义方法、协商机制、保证机制和管理机制用户根据应用需要使用QoS参数来定义QoS需求,系统应根据可用资源(如CPU、缓冲区、I/O带宽及网络带宽等)容量来确定是否满足应用的QoS需求双方经过协商达成的QoS参数值应在数据传输过程中得到基本保证，在不能履行所承诺的QoS时应能提供必要的指示信息通常，不同应用对QoS需求是不同的，系统应当为用户提供描述和定义QoS的方法，使用户能方便地说明他们所需的QoS在分布式多媒体系统中，通常采用层次化的QoS参数体系结构来描述QoS参数1.QoS参数体系结构(1)应用层QoS应用层QoS参数是面向端用户的，应当采用直观、形象的表达方式来描述不同的QoS，供端用户选择例如，通过播放不同演示质量的音频或视频片断作为可选择的QoS参数，或者将音频或视频的传输速率分成若干等级，每个等级代表不同的QoS参数，通过可视化方式提供给用户选择QoS级别传输速率(f/s)分辨率(%)主观评价损坏程度525～3065～100很好细微415～2450～64好可察觉36～1435～49一般可忍受23～520～34较差难以忍受11～21～19差不可忍受视频QoS分级举例(2)传输层QoS传输层协议主要提供端到端的、面向连接的数据传输服务,面向连接的服务将引入较大的网络带宽和延迟开销传输层QoS由支持QoS的传输层协议来提供，如吞吐量、端到端延迟、端到端延迟抖动、分组差错率和传输优先级等ISO在ISO/OSI8072标准中明确地定义了传输层QoS参数建立连接延迟：用户发出连接请求到接收到连接确认之间的时间间隔建立连接失败率：在最大建立连接延迟内不能建立连接的可能性吞吐量：每秒接收的用户数据字节数传输延迟：发送方发出数据到接收方接收到该数据所经历的时间间隔固有差错率：在取样时间段内丢失和出错的信息数占总信息数的比率传输失败率：在数据传输阶段出错信息占总信息数的比率释放连接延迟：一方发出释放请求到对方执行释放之间的时间间隔上述的QoS参数主要针对连接传输服务，没有充分考虑实时多媒体应用问题，没有定义延迟抖动等实时和等时应用特有的指标(3)网络层QoS网络层协议主要提供路由选择和数据报转发服务，这种服务是无连接的,通过中间点的“存储-转发”机制来实现在转发数据报过程中，路由器会产生延迟(如排队等待转发)、延迟抖动(选择不同的路由)、分组丢失及差错等网络层QoS通常由支持QoS的网络层协议来提供，如吞吐量、延迟、延迟抖动、分组丢失率和差错率等网络层协议主要是IP协议，其中IPv6可以通过报头中的流量类别和流标记字段来定义QoS参数，但需要中间节点的QoS保证机制相配合一些连接型网络层协议，如RSVP等可以较好地支持QoS参数的定义和保证，它们都要求路由器也必须具有相应的支持能力，为所承诺的QoS保留资源(如带宽、缓冲区等)(4)数据链路层QoS数据链路层协议主要实现物理介质的访问控制功能,解决如何利用介质传输数据问题,与网络类型密切相关各种Ethernet网络都不支持QoSToken-Ring、FDDI网络通过介质访问优先级在某种程度上支持QoSATM网络能充分地支持QoS,它在建立虚连接时可以用一组QoS参数来定义QoSITU定义了有关ATM网络QoS参数：峰值信元速率(PCR)：用户发送信元的最大瞬间速率长期承受信元速率(SCR)：经过一个长时期测量到的平均信元速率信元丢失率(CLR)：在信元传输过程中丢失的信元所占的百分比信元传输延迟(CTD)：一个信元从进入网络到离去所经历的延迟信元延迟变化范围(CDV)：CTD的变化范围突发容许(BT)：允许以PCR发出的最大突发长度最小信元速率(MCR):用户期望至少要达到的最小信元速率在QoS参数体系结构中,通信双方对等层之间表现为对等协商关系,双方按所承诺的QoS参数提供相应的服务同一端的不同层之间表现为映射关系,应用的QoS需求自顶向下映射到各层相应的QoS参数集上,各层协议按QoS参数提供相应服务,共同实现对应用的QoS承诺网络基本设施和传输协议内部应提供必要的管理机制对QoS进行管理QoS管理机制应当提供如下特性：(1)QoS管理是可配置的不同应用的QoS要求不同，QoS参数及其定义方法也不同允许用户对系统的QoS管理功能进行适当配置，建立与应用相适应的QoS级2.QoS管理机制(2)QoS管理是可协商的在一个应用启动时,应以适当方式提出QoS请求系统根据可用资源容量计算和分配应用所需的资源在该应用运行时,系统应动态监测应用的资源需求和实际的QoS状态当网络负载发生变化导致QoS改变时，用户与系统需要重新协商,使之在可用资源约束内自适应网络应用的QoS需求(3)QoS管理是动态的在多媒体应用运行过程中，应用的资源需求和系统的可用资源都是动态变化的，这要求系统应具有自适应管理能力在可用资源约束内进行动态调节，以满足该应用的QoS需求提供一种可视化界面，允许用户在会话期间根据应用实际情况动态地改变QoS参数值，提供动态QoS控制能力(4)QoS管理是端到端的分布式多媒体应用是端到端的,源端获取媒体数据并经过压缩后通过网络传输系统传送到目的端,目的端进行解压并播放媒体数据在端到端的传输路径上，任何一个中间节点未履行其QoS承诺都会影响媒体播放的一致性允许用户对各个环节所支持的QoS进行抽象,在会话两端对QoS进行配置和控制(5)QoS管理是层次化的一个端系统的QoS管理任务应按QoS参数体系结构分解在系统各个层次上，每个层次都承担各自的管理任务要充分考虑网络链路层对QoS支持能力,对于QoS主动链路层(如ATM或某些LAN)，高层负责与链路层协商，使链路层能够设置合适的QoS，以充分发挥这种链路层对QoS的支持能力3.QoS分类和保证机制在多媒体网络中，端用户和网络之间必须经过协商最终达成一致的QoS在数据传输过程中，网络应当按所承诺QoS提供相应的服务由于网络负载是动态变化的，可能会引起QoS的波动网络是否能够履行所承诺QoS主要取决于QoS类型QoS总体上可分成三类：(1)确定型QoS在数据传输过程中，网络提供“硬”QoS保证，对所承诺的QoS必须严格保证，否则可能会造成严重的后果这类服务一般用于硬实时应用，如在远程医疗系统中，X光照片数据必须采用实时无差错传输综合服务中的保证服务(GS)和区分服务(Diff-Serv)中的快速转发均属于这一类QoS(2)统计型QoS在数据传输过程中，网络提供“软”QoS保证，对所承诺的QoS允许一定范围的波动，且不会造成不良的后果这类服务一般用于软实时应用，如远程多媒体点播(VOD)系统综合服务中的被控负载服务(CLS)和区分服务中的保证转发均属于这一类QoS(3)尽力型QoS网络不提供任何QoS保证，网络性能将随着负载的增加而明显下降现有Internet上的分布式多媒体应用大多提供这类服务为了保证端到端的QoS，在媒体流传输路径上的各个中间点都必须支持和保证所承诺的QoS，并按确定型、统计型及尽力型QoS的优先级次序为相应的媒体流分配和保留资源网络对QoS支持和保证实际上反映了网络中间节点的资源分配策略,主要采用为特定媒体流保留资源(如带宽、缓存及排队时间等)来保证QoS为了提供标准化的QoS定义、分类和保证机制，有关国际组织提出了一系列QoS相关协议：IETF的区分服务(Diff-Serv)、资源保留协议(RSVP)、多协议标记交换(MPLS)和实时传输协议(RTP)、IEEE的802.1p等三、DiffServ协议IETF提出两种QoS保证机制：一是由RSVP提供的综合服务；二是在区分服务(DiffServ,DS)中定义的区分服务综合服务具有面向连接的特性，并通过QoS协商、接纳控制、保留带宽和实时调度等机制来实现区分服务具有无连接的特性，主要通过缓冲管理和优先级调度机制来实现，无需进行QoS协商和保留带宽等控制随着网络规模增长,综合服务复杂性会迅速增加,并难以扩展区分服务与IP网络的无连接特性相适应,更适合在大型IP网络(如Internet)中应用DiffServ工作组在RFC2474和RFC2475中发布了区分服务标准RFC2474定义了IPv4和IPv6报头中的区分服务(DS)字段及其支持机制,RFC2475定义了区分服务体系结构区分服务协议规定了一个网络内部转发报文分组的传输特性,可以用吞吐量、丢失率、延时及延时抖动等参数来表示；也可以用访问网络资源的优先级来表示区分服务体系结构定义了实现区分服务的系统模型和基本功能元素在一个网络节点上,实现区分服务的基本功能元素包括一个逐跳行为(PHB)组、报文分类器以及网络流量调节器等区分服务系统模型规定了一种DS域模型,该域由边界节点和内部节点组成在边界节点上，对进入网络的流量进行分类和调节，从该域内部支持的PHB组中选择一个PHB来标记该流量的每个报文分组在内部节点上,根据PHB来选择对每个报文分组的转发行为,并分配相应的缓冲区和带宽资源

1.PHB定义区分服务重定义了IPv4报头中的服务类型(TOS)字段以及IPv6报头中的通信流类别(TC)字段，作为DS字段DS字段有8位，主要定义了PHB，用于规定各个网络节点上转发报文分组时所采用的转发行为(如吞吐量、丢失率、延迟及抖动等)，而转发行为则取决于当前网络的负荷当多个DS行为同时竞争一个节点上的缓冲区和带宽资源时，该节点将根据不同的PHB来分配网络资源区分服务定义了3种PHB：

(1)快速转发能够充分满足流量对带宽、延迟与丢包的要求，严格保证所承诺的QoS快速转发基于ATMCBR(恒定速率)业务的流量管理机制(漏桶/令牌桶算法)在入口处，丢弃违反流量合同的IP分组；在出口处，对IP分组流进行整形

(2)保证转发容忍流量速率在一定范围内波动，对突发速率和违反流量约定的流量进行标记,在发生网络阻塞时,将丢弃这些分组对于突发的流量,可以使用统计多路复用技术进行处理。因此它不是严格意义上的端对端带宽与延迟保证机制

(3)尽力服务缺省QoS服务,不提供任何QoS保证,只能使用其它PHB处理完成后剩余的带宽2.DS域模型一个DS域由支持相同的服务策略和PHB组的相邻DS节点组成,这些DS节点分成边界节点和内部节点边界节点构成了一个DS域的边界，内部节点是该DS域的核心在边界节点上，对进入网络的流量进行分类和调节，从该域内部支持的PHB组中选择一个PHB来标记该流量的每个报文分组在内部节点上，将根据IP报头中的DS字段所定义的PHB来选择该报文分组的转发行为区分服务工作模型

3.流量分类一个DS域由相同管理部门的一个或多个网络组成，如一个企业的内部网上游网络和DS域之间通过建立服务级合同(SLA)将区分服务引入到DS域边界上SLA定义报文分组的分类和重标记规则,为流量指定适当的转发行为流量分类是实现区分服务的首要条件，它是根据IP报头中某些字段的内容来选择和标记流量中的报文分组流量分类可以采用两种分类器来实现：BA分类器：只根据DS字段对报文分组进行分类MF分类器：根据多个字段的组合值(如源地址、目的地址、DS、协议号以及源和目的端口号等)对报文分组进行分类分类器可以由高层管理程序进行配置和管理4.流量调节流量调节将执行测量、整形、策略及重标记等操作，以确保进入DS域的流量与流量合同中的规则相一致一个流量调节器由下列元素组成：测量器：测量由分类器所选择的分组流的时域特性，将状态信息传递给其它的功能元素，为每个分组触发一个特定的动作标记器：将一个分组的DS字段设置成一个特定的PHB，并将被标记的分组加入到特定的DS行为集整形器：对一个分组流中的部分或全部分组进行整形处理，使该分组流遵从于一个流量脚本

整形器只有有限空间的缓冲区,如果缓冲区没有足够的空间，则要丢弃被延迟的分组丢弃器：对一个分组流中的部分或全部分组进行丢弃处理，使该分组流遵从于一个流量脚本，它是整形器的特例，即整形器的缓冲区尺寸为0总之，区分服务基于简单的域模型，在网络边界，对输入的流量进行分类和调节，并指派给不同的行为集，而每个行为集则由单一的DS字段来标识；在网络核心，将根据DS字段定义的PHB来转发分组多协议标记交换(MultiProtocolLabelSwitching,MPLS)提供了第三层路由与第二层交换相结合的方法使IP协议可以在各种第二层协议(如帧中继、ATM以及802.3局域网等)网络基础设施上实现数据快速交换四、MPLS协议MPLS最适合与ATM网络结合起来应用,因为ATM具有很强的流量管理功能和QoS服务功能，与MPLS技术结合，能够充分发挥ATM在流量管理和QoS等方面的作用MPLS是在第三层的IP数据流中加入一个特殊的标记，然后映射到第二层上，利用第二层交换技术进行快速地转发在网络边界，每个IP数据报被加入一个标记，标记格式取决于网络类型在基于路由器的网络中，标记是单独的32位报头；在ATM网络中，标记被置于信元头的VCI/VPI标识符中在网络核心，路由器或交换机只需根据标记来确定转发路径，而无需解析IP数据包由于标记只在两个通信设备之间有意义，非常有利于MPLS的可扩展性MPLS的目标是通过简单的标记来简化数据报转发过程，实现IP数据报的快速交换，其核心技术主要有：(1)流标记语义在每个IP数据流中加入一个特定含义的标记，一个标记与一个特殊的数据流相关联(2)

转发方法在转发数据报时只需进行标记查找、标记替换以及其它简单的操作，简化了转发操作，减少了处理延时在可能的情况下，还可以直接通过第二层交换技术进行快速转发(3)标记分配由节点决定为特定数据流分配一个标记，可采用专用的控制协议或在路由协议中增加标记分配功能来实现这些标记可以用来表示逐跳式路由或显式路由，并指明QoS、VPN及其它影响特定流量传输方式的信息MPLS将IP数据报封装成MPLS数据包，由MPLS包头标记来决定IP数据报的转发路径及优先顺序支持MPLS的路由器在转发IP数据包时只需按标记来选择转发路径,无需读取每个IP数据报的IP地址等信息，大大加快了IP数据报的转发速度MPLS是一种改进现有IP核心网络性能的技术，IP核心网络主要有两种架构：一是基于路由器的核心网络；二是基于ATM的核心网络MPLS对这两种IP网络架构采取不同的改进方法(1)基于路由器的网络体系在IP数据报进入网络核心前，由边界路由器为它分配一个标记支持MPLS的核心路由器将按标记信息来确定IP数据报的转发路径及优先顺序，直至达到目的地，减少了路由处理开销和网络延时MPLS协议还提供了QoS支持能力，在边界路由器上，MPLS将根据IP数据报的源地址、目的地址、端口号、ToS(服务类型)等