第十章基于Internet的多媒体技术

第十章基于Internet的多媒体技术概念与问题IP组播IPQoS保障机制IP多媒体网络的相关问题110.1概念与问题

Internet网起源于1969年美国国防部高级研究计划署研制的ARPANET网;1975年ARPANET从实验网络变成可运行的网络;1983年,TCP/IP成为ARPANET标准通信协议,并在UNIX实现;1985年,美国NSF采用TCP/IP组建新的Internet骨干网即NSFNET,来连接当时的6个超级计算中心和高校与科研机构;1987年,NSFNET实现,采用T1线路(1.54Mbps);1989年,ARPANET退役,NSFNET对公众开放,成为Internet最重要的通信骨干网络;2

1991年,采用T3线路(45Mbps)；1995年,NSF宣布与MCI合作建设高速数据通道计划,提供155Mbps的主干网络服务,取代原来的NSFNET,Internet网开始大规模商业应用。到2001年,高速通信网络将150多个国家3000多万台计算机连入Internet,几亿用户每天在使用Internet网提供的服务。目前,Internet主要业务仍是正文和静态图象方式发布信息、传递电子邮件以实现通信和资源共享以IP电话、音乐点播、视频点播、实时视频广播等多媒体业务在Internet网业务中逐渐上升,并将成为其主要的业务。Internet网由许多子网连接在一起,通信协议TCP/IP协议。

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TCP/IP是一个协议组,主要包括TCP、UDP和IP,其制定的是传输层和网络层的标准。其中：(1)TCP称为传输控制协议,其作用是保证命令或数据能正确无误地到达目的地。TCP是可靠的;(2)UDP称为用户数据报协议,它和TCP一样都是传输层协议。与TCP不同,它是不可靠的,不对发出的报文进行跟踪,也就不能保证每个UDP报文达到目的地址。但由于它减少了网络开销,因此效率很高;(3)IP称为互联网协议,它位于TCP的下一层,负责完成互联网中包的路由选择,并跟踪这些包到达不同目的端的路径。IP还要对一些可能出现的情形,如不同传输介质间的不一致性等进行处理。

4现场声音和视频广播这类似于普通的无线电和电视广播，不同的是传输网络为Internet网。目前产品如RealNetworksBroadcasters;声音点播客户在任何时间任何地点从声音点播服务器读声音文件。许多产品也为用户提供交互功能。典型产品RealNetworksRealPlayer和VocalTec的InternetWave;视频点播

这是一类典型的交互式多媒体服务系统。视频点播系统一般运行在宽带网中。目前已有很多运行于Internet网上的视频点播产品;IP电话

是在IP网络上进行呼叫和通话,这种应用支持人们在Internet网上进行通话。目前IP电话价格便宜,但质量较差。

Internet网上的典型多媒体应用5

分组实时视频会议

这类应用系统与IP电话类似，但可传输视频图象并允许多人参加。目前已有许多此类产品。从多媒体信息传输来讲,

Internet提供两种类型的服务：(1)可靠的面向连接服务,用TCP协议,对信息包时延要求不高;(2)不可靠的无连接服务,使用UDP协议,不保证不丢包也不保证时延满足需求。Internet网现在对多媒体包的传送中,各包平等,无优先之分,是尽力传输机制，难以保证多媒体实时应用的需求。目前应该解决问题：提高网络带宽,减少时延;减少抖动。

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解决问题的思路一般从2个方面考虑：(1)扩大链路带宽费用太大,且易被多媒体业务吃掉;(2)改进Internet协议采用这种方法对网络系统做较大的变更,对多媒体应用保证端对端带宽,如对IP电话途中每个链路预留带宽。710.2IP组播

810.2.1基本概念IP地址分5类：(1)A类、B类、C类是基本的因特网地址；(2)D类(-55)用于组播的地址;(3)E类是保留地址。发送端和接收端及其之间的网络设施都必须具备多播功能。对本地的IP组播,主机节点所需要的环境是:

TCP/IP协议栈中可支持IP组播；软件支持Internet组管理协议(IGMP),这样就可以申请参加组播组和接收组播；要有IP组播应用软件。910.2.2组播路由选择算法

目标—建立一个组播树使组播包传送到目标站点。1.泛洪法(Flooding)当路由器收到一个组播包时它首先会检查是否是第一次收到此包,若是把该包转发给所有相连节点;否则简单地丢弃该包。利用这种方式我们可保证所有互连的路由器会至少接到包的一个拷贝。该算法已经用在OSPF协议中。简单,但效率不高。10

2.支撑树(SpanningTree)算法。这个算法已被IEEE-820MAC采用,它有效且容易实现。该算法利用求图的最优支撑树算法,选择一个互连链路的集合组成一个树结构使任何两个路由器之间只有一条路径。因为树连接了网中所有节点,所以被称为支撑树。支撑树算法的缺点是:它把所有流量集中在一个小的链路集合,且没有考虑组成员特点。

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3.反向路径广播（ReversePathBroadcasting,RPB）该方法不是建立一个全网络的支撑树,而是为每个源节点构造一个隐含的支撑树。优点：易于实现，速度快，网络可以得到较好的利用。缺点：构造分布树时不考虑组播组员的信息。12

4.修剪的反向路径广播(TruncatedReversePathBroadcasting,TRPB)算法克服了RPB算法的局限性。通过使用IGMP协议,路由器可决定一个已知的组播组的成员是否在该路由器子网中。如果这个子网是一个叶子子网(不存在连到它的任何其它路由器),该路由器将从支撑树中剪除。这个过程一直到多余的分支被剪除掉为止。13

5.Steiner树在RPB和TRPB算法中,

源节点和每个目的节点的最短路径被用来传输组播包,保证组播包尽可能快地传递。然而,它们没有最小化网络资源的使用。利用Steiner树可以为构造传输树最优地使用链路的数目。Steiner树是不稳定的。14

6.基于核心树的组播(Core-BasedTree,CBT)CBT为每个组建立单一的传输树。一个路由器或一组路由器被选做传输树的核心。所有到指定组的信息被作为单播信息向核心路由器转发直到它们到达属于相应传输树的某个路由器。然后,信息包被转发到除了进入接口之外属于传输树的所有接口。上述几种算法被用来开发组播路由选择协议。

1510.2.3组播路由选择协议距离矢量组播路由协议(DVMRP)最初是在IETFRFC1075中定义,它已广泛用在MBone网络上。其早期版本中基于TRPB算法构造传输树。后来被使用加强TRPB算法(称为反向路径组播算法RPM)来改进。组播开放最短路径路由优先协议(ＭOSPF)OSPF在RFC1583中定义。MOSPF建立在OSPF的基础上,它沿最低成本路径传递信息,而最低成本则使用链路状态来衡量。协议独立的组播路由协议由IETFIDMR工作组开发的。IDMR计划开发一系列组播路由协议,能提供可伸缩的Internet范围的组播路由选择。PIM采用2种协议,即PIM-DM(DenseMode)和PIM-SM(SparseMode),它们分别在组成员密集分布和稀疏分布时更有效。DM类似于DVMRP也使用RPM算法来构造传输树.SM基于CBT方法。16

10.3流媒体技术所谓流媒体是指采用流式传输的方式在网络上传输的媒体格式。流媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入内存，流媒体的数据流随时传送随时播放流式传输——将整个多媒体文件的压缩方式经过特定的压缩方式解析成一个个压缩包，由服务器向用户顺序或实时传输。1710.3.1流式传输协议

(1)实时传输协议RTP 提供实时信息和实现流同步。 RTP通常使用UDP,不能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。

18(2)实时传输控制协议RTCP RTCP和RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务,它们能以有效反馈和最小开销使传输效率最佳化,特别适合实时数据。 在RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP包，其中包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。19(3)实时流协议RTSP RTSP位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成数据传输。 使用RTSP时，客户机和服务器都可以发出请求，即RTSP可以是双向的。2010.3.2流媒体的传输过程

流媒体的传输过程主要分下述几个步骤。(1)预处理主要采用先进高效的压缩算法，将多媒体信息进行压缩。(2)缓存流式传输的实现需要缓存。来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，使媒体数据能连续输出。(3)传输用户选择流媒体服务后，Web浏览器与服务器间使用HTTP/TCP交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来;然后客户机上浏览器启动客户程序.客户程序及服务器运行实时流协议RTSP,提供操纵播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法。服务器使用RTP/UDP协议将数据传输给客户程序播放输出。2110.3.3流媒体系统的主要解决方案

RealSystem。由RealProducer、RealServer、客户端软件组成。其流媒体文件包括RealAudio(RA)、RealVideo(RM)、RealPresentation和RealFlash四类文件。采用SureStream技术，自动地并持续地调整数据流量以适应各种不同网络带宽需求，客户端可通过RealPlayer实现音频、视频和三维动画回放。WindowsMediaTechnology。Microsoft方案,其核心ASF是一种包含音频、视频、图像以及控制命令、脚本等在内数据格式，通过分成网络数据包传输，实现流式多媒体内容发布.由MediaTools、MediaServer和MediaPlayer工具构成QuickTime。Apple发布.几乎支持所有格式的静态图像文件、视频和动画格式，具有内置Web浏览器插件技术,支持IETF流标准以及RTP、RTSP、SDP、FTP和HTTP等网络协议。22

10.4IPQoS保障机制

2310.4.1QoS路由选择

选择一条符合QoS需求的路由。常用QoS参数:带宽、时延、错误率、费用等多播QoS路由选择(单播是其特例)路径P(u,v)=(u,i,j,...,k,v)三类约束:(1)可加的树约束

m(u,v)=m(u,i)+m(i,j)+...+m(k,v)(端到端的时延)(2)

可乘的树约束

m(u,v)=m(u,i)*m(i,j)*...*m(k,v)

(错误率)(3)

凸约束

m(u,v)=min[m(u,i),m(i,j),...,m(k,v)](带宽)24

针对单个约束的多播QoS路由选择可以用图论的算法解决。基本算法:(1)Dijkstra最短路径算法;(2)最小支撑树算法;(3)Steiner树最小化多播树总的网络费用.25

Internet一种有效的QoS保障机制是为应用预留网络资源(主要指网络带宽),其核心是一个资源预留协议RSVP,它定义在IETFRFC2205中。RSVP允许应用程序为它们数据流保留带宽。主机根据数据流的特性使用这个协议向网络请求保留一个特定量的带宽,路由器也使用RSVP转发带宽请求。为执行RSVP,在接收端、发送端和路由器中都必须要有执行RSVP的软件。RSVP的2个主要特征是:①保留组播树的带宽,单播是一特殊情况;②接收端驱动,即接收端启动和维护资源的保留。

10.4.2

资源预留协议26

当应用需要QoS保证的服务时,发送端要向接收端发送一个称之为路径的组播包说明所要求的服务类型和业务流特点,沿途的路由器将路径消息逐段传递至接收端,接收端返回一个称之为预留的消息来请求资源,在此消息中给出接收端所要求的服务质量。网络在回传这消息时,沿途的每个路由器可接受或拒绝预留消息的请求。如果拒绝,则返回一个错误给接收端,呼叫被终止;如果接受,则为该业务流分配带宽资源,并将该流的状态信息记录下来。接收端驱动的方式适合无连接的网络。另外,在组播中由各终端声明自己所要求的服务质量,比由发送端来向网络提出QoS要求更为合理一些。

2710.4.3区分服务由于RSVP实现起来比较复杂,IETF建议另一种QoS的保障机制即区分服务(DS)。DS通过IP数据报中的服务类型域来区别服务类型,在IPv4中,位于报头中该域可由用户设定。DS中服务类型域称为DS域,根据DS域不同类型,将数据报以不同方式传递,这便是区分服务由来,其实际上是一种相对优先级的服务。DS域中可定义的服务有:低延时低抖动的最高服务;比尽力服务有更高可靠性的确保服务;具有金、银、铜3种质量的奥林匹克服务。

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用户要获得区分服务须先与ISP协商取得服务水平协定(SLA),规定给用户的服务等级和每个等级所允许的流量。SLA可是静态或动态的。静态SLA是用户和ISP协商好的,在一定期限有效的协定,用户在此期间可随时享受区分服务;而动态SLA是用户需要区分服务时,通过信令协议(如RSVP)建立起来的。如果链路上有的路由器不支持区分服务,它会忽视数据报中DS域的内容而给予尽力服务。由于支持区分服务的路由器对确保服务的包会给予应有的服务,因此从整体性能上,用户得到了比尽力服务更好的服务。