多媒体网络应用及交换技术

多媒体网络应用及交换技术因特网上已经开发了很多应用，归纳起来大致可分成两类，一类是以文本为主的数据通信，包括文件传输、电子邮件、远程登录、网络新闻和Web等，另一类是以声音和电视图像为主的通信。通常把任何一种声音通信和图像通信的网络应用称为多媒体网络应用(multimedianetworkingapplication)。网络上的多媒体通信应用和数据通信应用有比较大的差别，多媒体应用要求在客户端播放声音和图像时要流畅，声音和图像要同步，因此对网络的时延和带宽要求很高。而数据通信应用则把可靠性放在第一位，对网络的时延和带宽的要求不那么苛刻。14.1多媒体网络应用(1)现场声音和电视广播或者预录制内容的广播：这种应用类似于普通的无线电广播和电视广播，不同的是在因特网上广播，用户可以接收世界上任何一个角落里发出的声音和电视广播。这种广播可使用单目标广播(unicast)传输，也可使用更有效的多目标广播(multicast)传输。现在市场上有许多因特网广播产品，包括RealNetworks公司的广播软件——广播器(broadcasters)[3]。2)声音点播(audioondemand)：在这一类应用中，客户请求传送经过压缩并存放在服务机上的声音文件，这些文件可以包含任何类型的声音内容。客户在任何时间和任何地方都可以从声音点播服务器中读声音文件。使用因特网点播软件时，在用户启动播放器几秒钟之后就开始播放，一边播放一边从服务机上接收文件，而不是在整个文件下载之后开始播放。边接收文件边播放的特性叫做流放(streaming)。许多这样的产品也为用户提供交互功能。例如，暂停/重新开始播放，跳转等功能。现在已经有许多因特网声音点播产品，包括RealNetworks公司的RealPlayer和Vocaltec公司的InternetWave。(3)影视点播(videoondemand)，也称交互电视(InteractiveTelevision)：这种应用与声音点播应用完全类似。存储和播放影视文件比声音文件需要大得多的存储空间和传输带宽。现在，已经有很多因特网影视点播产品，包括RealNetworks公司的产品。(4)因特网电话(Internettelephony)：这种应用是人们在因特网上进行通话，就像人们在传统的线路交换电话网络上相互通信一样，可以近距离通信，也可以长途通信，而费用却非常低。5)分组实时电视会议(groupreal-timevideoconferencing)：这类多媒体应用产品与因特网电话类似，但可允许许多人参加。在会议期间，你可为你所想看到的人打开一个窗口。现在也已经有许多在因特网上召开分组实时电视会议的产品，包括CornellUniversity开发的CU-SeeMe电视会议产品，14.1.2应用分类1.现场交互应用(liveinteractiveapplications)：因特网电话和实时电视会议是频繁交互的应用例子。在这种应用场合下，与会者在任何时候都可能说话或者移动。从与会者说话或者移动的动作到达接收端的时延应该小于几百毫秒才能为用户接受。人的听觉系统对延迟小于150毫秒的声音感觉不到有时延，在150毫秒～400毫秒之间的时延可以接受，时延超过400毫秒的会话就令人甚感别扭。2.交互应用(interactiveapplications)：声音点播、影视点播是交互应用的例子。在这种应用场合下，用户仅仅是要求服务器开始传输文件、暂停、从头开始播放或者是跳转而已。从用户发出请求播放到在客户机上开始播放之间的时延大约在1～5秒钟就可以接受。对信息包时延和抖动的要求不像因特网电话和实时会议那样高。3.非实时交互应用(non-interactiveapplications)：现场声音广播和电视广播或者预录内容的广播是非实时交互应用的例子。在这些应用场合下，发送端连续发出声音和电视数据，而用户只是简单地调用播放器播放，如同普通的无线电广播或者电视广播。从源端发出声音或者电视信号到接收端播放之间的时延在10秒或者更多一些都可以接受。对信号的抖动要求也可以比交互应用的要求低。14.1.3应用开发面临的问题因特网为所有应用提供两种类型的服务：①可靠的面向连接服务(reliableconnection-orientedservice)：使用TCP(TransferControlProtocol)协议提供的服务属于可靠服务，可靠的TCP服务保证把信息包传送到对方，对信息包的时延要求并不高。②不可靠的无连接服务(unreliableconnectionlessservice)：使用UDP(UserDatagramProtocol)协议提供的服务属于不可靠服务，不可靠的UDP服务不作任何担保，既不保证传送过程中不丢信息包，也不保证时延满足应用要求。此外，因特网现在提供的服务对所有信息包的传送都是平等的，像对时延要求很高的声音信息包和电视信息包在路由器的队列中都没有任何的优先权，在因特网上任何人都要排队等待。目前多媒体网络应用要集中解决个问题是：①提高网络带宽，②减少时延(delay)，③减少抖动(jitter)。因特网上存取声音和电视的方法WEB服务器和流式服务器客户机读取声音和影视文件的方式通过WEB浏览器把声音/电视从WEB服务器传给媒体播放器直接把声音/电视从WEB服务器送给媒体播放器直接把声音/电视从多媒体流放服务器传送给媒体播放器14.1.4改善服务质量目前我们不得不忍受因特网的这种可靠性服务：无论你的信息包多么重要，也无论你的信息包多么有价值，它们都必须要参加排队和等待才能得到服务。在这种条件的限制下，人们已经作出了种种努力来改进设计以提高多媒体网络应用的质量。例如，使用UDP协议而不使用TCP；了种种努力来改进设计以提高多媒体网络应用的质量。例如，使用UDP协议而不使用TCP；在接收端增加延迟播放时间(例如100毫秒或者更多)来减少网络引入的延迟抖动。14.1.5多媒体网络应用的争论现在有许许多多的有关因特网应该如何发展的争论，而且有时争论得很激烈，争论的焦点是如何更好地安排对时间要求非常苛刻的多媒体的交通。一个极端是某些研究人员主张对最佳服务和底层的因特网协议不作任何改变，用扩大链路带宽的办法来解决；反对这种观点的研究人员认为，加大带宽费用太大，扩大的带宽也会很快被对带宽贪得无厌的多媒体应用吃掉。另一个极端是某些研究人员主张应该对因特网做基本变更，为各种应用保留端－端的带宽。例如，某些研究人员觉得，如果用户想从主机A给主机B打因特网电话，就应该给由A到B路途上的每个链路明确保留带宽。在这两个极端之间，某些研究人员不主张对因特网作比较多的更改，而是在网沿(edgeofnetwork)，即在用户和ISP之间的接口上添加简单的定价和监视措施，根据用户冲浪使用的速率和时间来收费。14.2因特网上存取声音和电视的方法经过压缩的声音或者电视文件可以放在Web服务器上，或者放在声音/电视流放服务器(streamingserver)上。对于前一种情况，由Web服务器通过HTTP协议把文件传送给客户。对于后一种情况，由流放服务器通过非HTTP协议把文件传送给客户。由于声音点播和影视点播应用还没有完全直接集成到现在的Web浏览器中，就需要一个单独的应用程序——帮助器(helper)，通常叫做媒体播放器(mediaplayer)来播放声音和影视。解压缩去抖动：加缓冲存储器错误处理：用户交互通过Web浏览器把声音/电视从Web服务器传送给媒体播放器对客户机读取多媒体的最简方法是把声音/电视文件放到HTTP服务器上，然后通过浏览器把文件传送给媒体播放器，见图14-02，过程如下：Web浏览器与Web服务器建立TCP连接，然后提交HTTP请求消息请求传送声音/电视文件。Web服务器给Web浏览器发送响应消息和请求的声音/电视文件。Web浏览器检查HTTP响应消息中的内容的类型，调用相应的媒体播放器，然后把声音/电视文件或者是指向文件的指针递送给媒体播放器。媒体播放器播放声音/电视文件。这种方法虽然简单，但存在比较大的时延问题。因为媒体播放器必须通过第三者——Web浏览器才能从Web服务器上得到声音/电视文件，而且浏览器需要把整个文件从Web服务器下载到浏览器之后才把它传送给媒体播放器。这样做的结果是，即使对中等大小的文件，在这传输过程中引入的播放时延也是很难接受的。由此想到的改进方法是去掉中间环节，设法让媒体播放器与Web服务器直接建立链接，直接把声音/电视从Web服务器传送给媒体播放器为把声音/电视文件直接传输给媒体播放器，须要在Web服务器和媒体播放器之间建立直接的TCP连接(TCPconnection)，见图14-03，这可通过下面的方法来实现：(1)用户点击超级链接以请求传送声音/电视文件。(2)这个超级链接不直接指向声音/电视文件，而是指向一个播放说明文件(presentationdescriptionfile)，这个文件包含有实际的声音/电视文件的地址(URL)。播放说明文件被封装在HTTP响应消息中。(3)Web浏览器接收到HTTP响应消息之后就检查响应消息中的内容的类型，调用相应的媒体播放器，然后把响应消息中的播放说明文件传送给媒体播放器。(4)媒体播放器直接与Web服务器建立TCP连接，然后把传送声音/电视文件的HTTP请求消息发送到TCP连接上。(5)在HTTP响应消息中把声音/电视文件传送该媒体播放器并开始播放。使用这种方法传送声音/电视文件的中间环节，但这种方法依然使用HTTP传送文件，不容易使用户获得与Web服务器的满意的交互性能，如暂停、从头开始重放等功能。虽然在市场上有这种产品出售，但一般不推荐这种结构。直接把声音/电视从多媒体流放服务器传送给媒体播放器第三种方法是可考虑从独立的多媒体服务器(如声音服务器、电视服务器)把多媒体文件传送给媒体播放器。这种策略允许应用开发人员为多媒体点播(multimedia-on-demand)设计一种流(式播)放协议(streamingprotocol)。这种方案需要两个服务器：一个是HTTP服务器，用于Web页面服务；另一个是流放服务器，用于声音/电视文件服务，如图14-04所示。两个服务器可以运行在同一服务机上，也可以运行在不同的服务机上。如果Web服务器非常繁忙，使用两台服务机是有利的。使用这种结构，媒体播放器就向流放服务器请求传送文件，而不是向Web服务器请求传送文件，媒体播放器和流放服务器之间可以使用它们自己的协议进行通信，声音/电视文件可以使用UDP而不是TCP直接从流放服务器传送给媒体播放器。14.3网络上的信息交换技术远程通信网络可分成两类网络：线路交换网络(circuit-switchednetworks)和信息包交换网络(packet-switchednetworks)。信息包交换网络也称数据网络(datanetworks)。在线路交换网络中，双方交换消息期间通道上的全部资源(如链路带宽等)都被租用，而在信息包交换网络中双方交换消息期间不租用通道上的资源，也就是不保留资源，而是根据需要来使用资源，交换的信息包往往需要等待可用资源。14.3.2线路交换线路交换(circuitswitching)的特点是，在开始通信之前通信双方由线路交换中心建立物理连接，维持连接的时间长短取决于消息交换的需要。许多人认为，线路交换网络建立链接是使用专用线路，因此在通信处于空闲时浪费了宝贵的通信资源。例如打电话，在对话期间出现长时间停顿时，沿着链接线路上的网络资源(频带或者时间槽)不能由其他链接利用。14.3.3信息包交换通常人们把任何一个应用数据块称为消息(message)。在现代的信息包交换(packetswitching)网络中，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。发送到网络上的这种数据包裹称为信息包(packet)，信息包是