多媒體通信技術一、多媒體通信概述人類的信息交流已從單一媒體過渡到多媒體的形式。多媒體信息形式有四種：音頻、視頻、圖形和文本音頻和視頻媒體與時間相關,稱為連續媒體；圖形和文本媒體與時間無關，稱為靜態媒體靜態媒體與時間無關，其播放速度不會影響所含信息的再現連續媒體具有隱含的時間關系，其播放速度將影響所含信息的再現，必須在一段特定的時間內按特定的速度播放;否則,媒體信息的完整性就會受到影響多媒體通信技術主要研究網絡環境下連續媒體信息的傳輸和應用問題根據媒體類型,多媒體通信可分為兩大類:異步通信：在端系統之間交換不需要實時存儲或者處理的靜態媒體數據。例如，多媒體電子郵件就是采用這種通信方式

等時通信：在端系統之間傳送諸如語音、視頻之類的連續媒體數據，對延遲和抖動要求較高。例如，對于NTSC制式的視頻信號，必須每隔33ms就應傳輸和播放一個視頻幀，端到端的延遲應當保持在250ms以下基于等時通信的連續媒體傳輸對網絡通信設施的性能要求很高，也是多媒體通信技術重點研究和解決的問題需要從網絡基礎結構、網絡傳輸協議和網絡應用服務等各個層次上充分地支持多媒體通信從網絡基礎結構上，無論是局域網還是廣域網都朝著高速化和交換化方向發展，傳輸速率已達到10Gb/s以上，為多媒體通信提供高帶寬保證從網絡傳輸協議上，現有的TCP/IP等協議沒有提供多媒體通信支持能力，必須通過開發新的通信協議來解決多媒體通信問題二、網絡服務質量與管理不同應用對網絡性能的要求不同，對網絡所提供的服務質量期望值也不同,這種期望值可以用統一的服務質量(QualityofService,QoS)概念來描述通常使用吞吐量、差錯率、端到端延遲、延遲抖動等網絡性能參數來定義QoS。在不同的網絡系統中，QoS參數集的定義方法可能有所不同多媒體對象最大延遲(ms)最大延遲抖動(ms)平均吞吐量(Mb/s)可容忍差錯率語音0.25100.064＜10-1TV品質視頻0.2510100＜10-2壓縮視頻0.2512～10＜10-6文件傳送1－1～1000實時數據0.001～1－＜100圖片1－2～10＜10-9QoS參數舉例從支持QoS的角度，多媒體網絡系統必須提供QoS參數定義方法、協商機制、保證機制和管理機制用戶根據應用需要使用QoS參數來定義QoS需求,系統應根據可用資源(如CPU、緩沖區、I/O帶寬及網絡帶寬等)容量來確定是否滿足應用的QoS需求雙方經過協商達成的QoS參數值應在數據傳輸過程中得到基本保證，在不能履行所承諾的QoS時應能提供必要的指示信息通常，不同應用對QoS需求是不同的，系統應當為用戶提供描述和定義QoS的方法，使用戶能方便地說明他們所需的QoS在分布式多媒體系統中，通常采用層次化的QoS參數體系結構來描述QoS參數1.QoS參數體系結構(1)應用層QoS應用層QoS參數是面向端用戶的，應當采用直觀、形象的表達方式來描述不同的QoS，供端用戶選擇例如，通過播放不同演示質量的音頻或視頻片斷作為可選擇的QoS參數，或者將音頻或視頻的傳輸速率分成若干等級，每個等級代表不同的QoS參數，通過可視化方式提供給用戶選擇QoS級別傳輸速率(f/s)分辨率(%)主觀評價損壞程度525～3065～100很好細微415～2450～64好可察覺36～1435～49一般可忍受23～520～34較差難以忍受11～21～19差不可忍受視頻QoS分級舉例(2)傳輸層QoS傳輸層協議主要提供端到端的、面向連接的數據傳輸服務,面向連接的服務將引入較大的網絡帶寬和延遲開銷傳輸層QoS由支持QoS的傳輸層協議來提供，如吞吐量、端到端延遲、端到端延遲抖動、分組差錯率和傳輸優先級等ISO在ISO/OSI8072標準中明確地定義了傳輸層QoS參數建立連接延遲：用戶發出連接請求到接收到連接確認之間的時間間隔建立連接失敗率：在最大建立連接延遲內不能建立連接的可能性吞吐量：每秒接收的用戶數據字節數傳輸延遲：發送方發出數據到接收方接收到該數據所經歷的時間間隔固有差錯率：在取樣時間段內丟失和出錯的信息數占總信息數的比率傳輸失敗率：在數據傳輸階段出錯信息占總信息數的比率釋放連接延遲：一方發出釋放請求到對方執行釋放之間的時間間隔上述的QoS參數主要針對連接傳輸服務，沒有充分考慮實時多媒體應用問題，沒有定義延遲抖動等實時和等時應用特有的指標(3)網絡層QoS網絡層協議主要提供路由選擇和數據報轉發服務，這種服務是無連接的,通過中間點的“存儲-轉發”機制來實現在轉發數據報過程中，路由器會產生延遲(如排隊等待轉發)、延遲抖動(選擇不同的路由)、分組丟失及差錯等網絡層QoS通常由支持QoS的網絡層協議來提供，如吞吐量、延遲、延遲抖動、分組丟失率和差錯率等網絡層協議主要是IP協議，其中IPv6可以通過報頭中的流量類別和流標記字段來定義QoS參數，但需要中間節點的QoS保證機制相配合一些連接型網絡層協議，如RSVP等可以較好地支持QoS參數的定義和保證，它們都要求路由器也必須具有相應的支持能力，為所承諾的QoS保留資源(如帶寬、緩沖區等)(4)數據鏈路層QoS數據鏈路層協議主要實現物理介質的訪問控制功能,解決如何利用介質傳輸數據問題,與網絡類型密切相關各種Ethernet網絡都不支持QoSToken-Ring、FDDI網絡通過介質訪問優先級在某種程度上支持QoSATM網絡能充分地支持QoS,它在建立虛連接時可以用一組QoS參數來定義QoSITU定義了有關ATM網絡QoS參數：峰值信元速率(PCR)：用戶發送信元的最大瞬間速率長期承受信元速率(SCR)：經過一個長時期測量到的平均信元速率信元丟失率(CLR)：在信元傳輸過程中丟失的信元所占的百分比信元傳輸延遲(CTD)：一個信元從進入網絡到離去所經歷的延遲信元延遲變化范圍(CDV)：CTD的變化范圍突發容許(BT)：允許以PCR發出的最大突發長度最小信元速率(MCR):用戶期望至少要達到的最小信元速率在QoS參數體系結構中,通信雙方對等層之間表現為對等協商關系,雙方按所承諾的QoS參數提供相應的服務同一端的不同層之間表現為映射關系,應用的QoS需求自頂向下映射到各層相應的QoS參數集上,各層協議按QoS參數提供相應服務,共同實現對應用的QoS承諾網絡基本設施和傳輸協議內部應提供必要的管理機制對QoS進行管理QoS管理機制應當提供如下特性：(1)QoS管理是可配置的不同應用的QoS要求不同，QoS參數及其定義方法也不同允許用戶對系統的QoS管理功能進行適當配置，建立與應用相適應的QoS級2.QoS管理機制(2)QoS管理是可協商的在一個應用啟動時,應以適當方式提出QoS請求系統根據可用資源容量計算和分配應用所需的資源在該應用運行時,系統應動態監測應用的資源需求和實際的QoS狀態當網絡負載發生變化導致QoS改變時，用戶與系統需要重新協商,使之在可用資源約束內自適應網絡應用的QoS需求(3)QoS管理是動態的在多媒體應用運行過程中，應用的資源需求和系統的可用資源都是動態變化的，這要求系統應具有自適應管理能力在可用資源約束內進行動態調節，以滿足該應用的QoS需求提供一種可視化界面，允許用戶在會話期間根據應用實際情況動態地改變QoS參數值，提供動態QoS控制能力(4)QoS管理是端到端的分布式多媒體應用是端到端的,源端獲取媒體數據并經過壓縮后通過網絡傳輸系統傳送到目的端,目的端進行解壓并播放媒體數據在端到端的傳輸路徑上，任何一個中間節點未履行其QoS承諾都會影響媒體播放的一致性允許用戶對各個環節所支持的QoS進行抽象,在會話兩端對QoS進行配置和控制(5)QoS管理是層次化的一個端系統的QoS管理任務應按QoS參數體系結構分解在系統各個層次上，每個層次都承擔各自的管理任務要充分考慮網絡鏈路層對QoS支持能力,對于QoS主動鏈路層(如ATM或某些LAN)，高層負責與鏈路層協商，使鏈路層能夠設置合適的QoS，以充分發揮這種鏈路層對QoS的支持能力3.QoS分類和保證機制在多媒體網絡中，端用戶和網絡之間必須經過協商最終達成一致的QoS在數據傳輸過程中，網絡應當按所承諾QoS提供相應的服務由于網絡負載是動態變化的，可能會引起QoS的波動網絡是否能夠履行所承諾QoS主要取決于QoS類型QoS總體上可分成三類：(1)確定型QoS在數據傳輸過程中，網絡提供“硬”QoS保證，對所承諾的QoS必須嚴格保證，否則可能會造成嚴重的后果這類服務一般用于硬實時應用，如在遠程醫療系統中，X光照片數據必須采用實時無差錯傳輸綜合服務中的保證服務(GS)和區分服務(Diff-Serv)中的快速轉發均屬于這一類QoS(2)統計型QoS在數據傳輸過程中，網絡提供“軟”QoS保證，對所承諾的QoS允許一定范圍的波動，且不會造成不良的后果這類服務一般用于軟實時應用，如遠程多媒體點播(VOD)系統綜合服務中的被控負載服務(CLS)和區分服務中的保證轉發均屬于這一類QoS(3)盡力型QoS網絡不提供任何QoS保證，網絡性能將隨著負載的增加而明顯下降現有Internet上的分布式多媒體應用大多提供這類服務為了保證端到端的QoS，在媒體流傳輸路徑上的各個中間點都必須支持和保證所承諾的QoS，并按確定型、統計型及盡力型QoS的優先級次序為相應的媒體流分配和保留資源網絡對QoS支持和保證實際上反映了網絡中間節點的資源分配策略,主要采用為特定媒體流保留資源(如帶寬、緩存及排隊時間等)來保證QoS為了提供標準化的QoS定義、分類和保證機制，有關國際組織提出了一系列QoS相關協議：IETF的區分服務(Diff-Serv)、資源保留協議(RSVP)、多協議標記交換(MPLS)和實時傳輸協議(RTP)、IEEE的802.1p等三、DiffServ協議IETF提出兩種QoS保證機制：一是由RSVP提供的綜合服務；二是在區分服務(DiffServ,DS)中定義的區分服務綜合服務具有面向連接的特性，并通過QoS協商、接納控制、保留帶寬和實時調度等機制來實現區分服務具有無連接的特性，主要通過緩沖管理和優先級調度機制來實現，無需進行QoS協商和保留帶寬等控制隨著網絡規模增長,綜合服務復雜性會迅速增加,并難以擴展區分服務與IP網絡的無連接特性相適應,更適合在大型IP網絡(如Internet)中應用DiffServ工作組在RFC2474和RFC2475中發布了區分服務標準RFC2474定義了IPv4和IPv6報頭中的區分服務(DS)字段及其支持機制,RFC2475定義了區分服務體系結構區分服務協議規定了一個網絡內部轉發報文分組的傳輸特性,可以用吞吐量、丟失率、延時及延時抖動等參數來表示；也可以用訪問網絡資源的優先級來表示區分服務體系結構定義了實現區分服務的系統模型和基本功能元素在一個網絡節點上,實現區分服務的基本功能元素包括一個逐跳行為(PHB)組、報文分類器以及網絡流量調節器等區分服務系統模型規定了一種DS域模型,該域由邊界節點和內部節點組成在邊界節點上，對進入網絡的流量進行分類和調節，從該域內部支持的PHB組中選擇一個PHB來標記該流量的每個報文分組在內部節點上,根據PHB來選擇對每個報文分組的轉發行為,并分配相應的緩沖區和帶寬資源

1.PHB定義區分服務重定義了IPv4報頭中的服務類型(TOS)字段以及IPv6報頭中的通信流類別(TC)字段，作為DS字段DS字段有8位，主要定義了PHB，用于規定各個網絡節點上轉發報文分組時所采用的轉發行為(如吞吐量、丟失率、延遲及抖動等)，而轉發行為則取決于當前網絡的負荷當多個DS行為同時競爭一個節點上的緩沖區和帶寬資源時，該節點將根據不同的PHB來分配網絡資源區分服務定義了3種PHB：

(1)快速轉發能夠充分滿足流量對帶寬、延遲與丟包的要求，嚴格保證所承諾的QoS快速轉發基于ATMCBR(恒定速率)業務的流量管理機制(漏桶/令牌桶算法)在入口處，丟棄違反流量合同的IP分組；在出口處，對IP分組流進行整形

(2)保證轉發容忍流量速率在一定范圍內波動，對突發速率和違反流量約定的流量進行標記,在發生網絡阻塞時,將丟棄這些分組對于突發的流量,可以使用統計多路復用技術進行處理。因此它不是嚴格意義上的端對端帶寬與延遲保證機制

(3)盡力服務缺省QoS服務,不提供任何QoS保證,只能使用其它PHB處理完成后剩余的帶寬2.DS域模型一個DS域由支持相同的服務策略和PHB組的相鄰DS節點組成,這些DS節點分成邊界節點和內部節點邊界節點構成了一個DS域的邊界，內部節點是該DS域的核心在邊界節點上，對進入網絡的流量進行分類和調節，從該域內部支持的PHB組中選擇一個PHB來標記該流量的每個報文分組在內部節點上，將根據IP報頭中的DS字段所定義的PHB來選擇該報文分組的轉發行為區分服務工作模型

3.流量分類一個DS域由相同管理部門的一個或多個網絡組成，如一個企業的內部網上游網絡和DS域之間通過建立服務級合同(SLA)將區分服務引入到DS域邊界上SLA定義報文分組的分類和重標記規則,為流量指定適當的轉發行為流量分類是實現區分服務的首要條件，它是根據IP報頭中某些字段的內容來選擇和標記流量中的報文分組流量分類可以采用兩種分類器來實現：BA分類器：只根據DS字段對報文分組進行分類MF分類器：根據多個字段的組合值(如源地址、目的地址、DS、協議號以及源和目的端口號等)對報文分組進行分類分類器可以由高層管理程序進行配置和管理4.流量調節流量調節將執行測量、整形、策略及重標記等操作，以確保進入DS域的流量與流量合同中的規則相一致一個流量調節器由下列元素組成：測量器：測量由分類器所選擇的分組流的時域特性，將狀態信息傳遞給其它的功能元素，為每個分組觸發一個特定的動作標記器：將一個分組的DS字段設置成一個特定的PHB，并將被標記的分組加入到特定的DS行為集整形器：對一個分組流中的部分或全部分組進行整形處理，使該分組流遵從于一個流量腳本

整形器只有有限空間的緩沖區,如果緩沖區沒有足夠的空間，則要丟棄被延遲的分組丟棄器：對一個分組流中的部分或全部分組進行丟棄處理，使該分組流遵從于一個流量腳本，它是整形器的特例，即整形器的緩沖區尺寸為0總之，區分服務基于簡單的域模型，在網絡邊界，對輸入的流量進行分類和調節，并指派給不同的行為集，而每個行為集則由單一的DS字段來標識；在網絡核心，將根據DS字段定義的PHB來轉發分組多協議標記交換(MultiProtocolLabelSwitching,MPLS)提供了第三層路由與第二層交換相結合的方法使IP協議可以在各種第二層協議(如幀中繼、ATM以及802.3局域網等)網絡基礎設施上實現數據快速交換四、MPLS協議MPLS最適合與ATM網絡結合起來應用,因為ATM具有很強的流量管理功能和QoS服務功能，與MPLS技術結合，能夠充分發揮ATM在流量管理和QoS等方面的作用MPLS是在第三層的IP數據流中加入一個特殊的標記，然后映射到第二層上，利用第二層交換技術進行快速地轉發在網絡邊界，每個IP數據報被加入一個標記，標記格式取決于網絡類型在基于路由器的網絡中，標記是單獨的32位報頭；在ATM網絡中，標記被置于信元頭的VCI/VPI標識符中在網絡核心，路由器或交換機只需根據標記來確定轉發路徑，而無需解析IP數據包由于標記只在兩個通信設備之間有意義，非常有利于MPLS的可擴展性MPLS的目標是通過簡單的標記來簡化數據報轉發過程，實現IP數據報的快速交換，其核心技術主要有：(1)流標記語義在每個IP數據流中加入一個特定含義的標記，一個標記與一個特殊的數據流相關聯(2)

轉發方法在轉發數據報時只需進行標記查找、標記替換以及其它簡單的操作，簡化了轉發操作，減少了處理延時在可能的情況下，還可以直接通過第二層交換技術進行快速轉發(3)標記分配由節點決定為特定數據流分配一個標記，可采用專用的控制協議或在路由協議中增加標記分配功能來實現這些標記可以用來表示逐跳式路由或顯式路由，并指明QoS、VPN及其它影響特定流量傳輸方式的信息MPLS將IP數據報封裝成MPLS數據包，由MPLS包頭標記來決定IP數據報的轉發路徑及優先順序支持MPLS的路由器在轉發IP數據包時只需按標記來選擇轉發路徑,無需讀取每個IP數據報的IP地址等信息，大大加快了IP數據報的轉發速度MPLS是一種改進現有IP核心網絡性能的技術，IP核心網絡主要有兩種架構：一是基于路由器的核心網絡；二是基于ATM的核心網絡MPLS對這兩種IP網絡架構采取不同的改進方法(1)基于路由器的網絡體系在IP數據報進入網絡核心前，由邊界路由器為它分配一個標記支持MPLS的核心路由器將按標記信息來確定IP數據報的轉發路徑及優先順序，直至達到目的地，減少了路由處理開銷和網絡延時MPLS協議還提供了QoS支持能力，在邊界路由器上，MPLS將根據IP數據報的源地址、目的地址、端口號、ToS(服務類型)等