第6章多媒体应用网络技术

第六章多媒体通信网络技术•多媒体不但要解决单机上的问题，也要解决多媒体网络通信问题。多媒体信息的传输对网络基础设施提出了较高的要求•学习重点：–分布式多媒体应用对通信网络的需求–多媒体通信的服务质量－QOS–多媒体通信网络环境–多媒体通信协议,IPv6、RTP、RTCP、RTSP、RSVP等–因特网的改造方案–流媒体技术–组播技术–下一代网络NGN及软交换6.1多媒体网络需求和性能•高网络带宽•低传输延迟•网络带宽稳定•对传输可靠性要求相对较低•支持组播技术•支持服务质量（QualityofService）机制6.1.1分布式多媒体应用近年来，数字化和网络化技术都日益向分布式信息领域发展，如图所示列举了几个这方面的例子。自然的自然的电子的电子的网络化网络化内容数字网络办公室工作方式户外游戏图书馆检索商店购物家庭PC工作方式电子游戏CD检索CD购物远程工作台合作方式多对手交互式游戏在线服务形式的检索因特网上购物方式6.1.2对等(peer-to-peer)及不对等(multipeer)通信多媒体通信涉及两种基本模式：单站点传送：有两个对等通信方，或称对手(peers)，因而把这种通信方式称作是一对一的。多站点传送：一对多或一对全部，或者称作为广播方式(broadcast)。支持可用的广播技术和多站点传送技术。单站点方式的应用涉及客户/服务应用系统，诸如电子购物在线(电子)银行点播电视(video-on-demand)多媒体电子邮件之类的应用……多站点传送方式一对多的远程教学(distancelearning)或电视报告会多对多的电视会议多对手通信模式，称作MIM(MultipartyInteractiveMultimedia)即群体交互式多媒体。CSCW即计算机支持的协同工作(ComputerSupportedCollaborativeWork)。MIM交互式有两种：•动态交互：允许所有参加者在任何时刻都能进行信息交流。•静态交互：只允许事先指定好的一部份人发表意见。多站点方式中，信息是从中心源站点传送给多个接收者监控场合(MonitoringScenario)，其中从多个源点来的信息被传送给同一个接收者。动态交互的应用实例：多媒体电视会议CSCWVirtualCafe(虚拟咖啡厅)CSCW与VirtualCafe的不同在于，对CSCW的访问是受控制，而VirtralCafe则不同。类型说明交互方式数据流向访问控制CSCW所有人动态多对多可控制VirtualCafe所有人动态多对多不可控制Broadcasting一发多收静态1对多可控制Monitoring一接多发静态多对1可控制6.1.3适用于多媒体的网络性能参数1.吞吐量网络的吞吐量：有效比特率或有效带宽-------网络的吞吐量随时间变化而变化吞吐量=物理链路的比特率—各种传输技术带来的额外开销多媒体通信对网络环境要求较高，除了传输速率，还有其他一些关键性的网络性能参数影响吞吐量的其他因素:网络拥塞、瓶颈、线路故障、缓冲区容量和流量控制等许多情况下，直接把吞吐量看成与系统的比特率相等。如：ISDN系统的基本速率64kbps(尽管由于额外开销的缘故，实际吞吐量可能多少要比这个值小一些)例，某高速网在SONET(同步光缆)光纤传输系统上使用ATM技术，其网络载波所提供的比特率为155.52Mbps。相关的主要开销有：约3%开销用于SONET约9.5%的开销用于ATM实际的最大吞吐量为:136Mbps=155.52x(1-3%-9.5%)2.差错率（errorrate）现今许多网络的位差错率极低光纤传输网：它的BER取值范围在10-9至10-12之间卫星传输网：它的BER取值为10-7不同应用对差错率的要求不一样------音频比视频的可靠性要求要高一些，这是因为人类的听觉比视觉更敏感一些，容忍的程度要相对低一些。视频传输，一帧图出了一点小错，人眼可能感觉不出来银行间电子转帐业务，10000.15元=00000.15元有时仅仅一个二进制位(bit)出错就可能引起整个系统的崩溃是一重要的性能指标，反映网络传输的可靠性，用三种方法定义:位差错率(BER):出错的平均比特数与所传输的bit总数之比。分组差错率(PER):出错或损坏的平均packet数与所传输的packet总数之比。帧差错率(适用于ATM网络):出错帧数与所传输的总帧数之比。-----分别用于不同的网络协议层次上计算差错率。3.延迟(delay)发送方接口端到端延迟接口接收方接口延迟传输延迟转发延迟接口延迟网络延迟Time端到端延迟(end-to-enddelay)：从发送端发送一数据块到接收端所花的时间包含四部分：转送(发)延迟、(块)传输延迟、网络延迟、接口延迟（1）.转送(发)延迟(transitdelay)：用来表示两地这间发送一个二进制位(bit)所需的传播时间，该时间受光速限制。该参数仅仅与所经过的距离有关，同时在使卫星链路时该参数意义重大。（2）.(块)传输延迟(transmissiondelay)：定义成端到端之间传输一个数据块所需的时间。该参数与网络的比特率和中继节点的处理延迟有关。中继点的处理延迟包括路由延迟及缓冲延迟。（3）.网络延迟(networkdelay)：由转送延迟及传输延迟组件组成。（4）.接口延迟(interfacedelay)：定义成发送方开始准备发送数据块和网络准备传输该数据块这段时间内出现的延迟。发送方接口端到端延迟接口接收方接口延迟传输延迟转发延迟接口延迟网络延迟Time4往返(round-trip)延迟往返延迟指发送方经网络发送一数据块并且收到该数块已被正确接收的答复后所花的全部时间。往返延迟也可出现在无连接IP网上层的TCP网中。当网络极度拥塞时，这个参数有时比端到端延迟更能描述网络性能。5.延迟波动(delayjitter)或延迟抖动(delayvariation)•延迟波动：如果网络能在相同的执行时间内传送所有这些数据块，而各数据块不能在相同的延迟后到达目的地。•延迟抖动－是指网络传输延时的变化量，即端到端延迟的最大值与最小值之差。。6.1.4多媒体数据流的基本特征多媒体信息由五种信息形式组成：•音频•视频•数据•位映像图•图形音频和视频信息源实际上多半是连续的，而其他信息源通常是离散的。1.比特率的可变性(throughputvaritionwithtime)2.时间依赖性(timedependency)3.双向对称(bidirectionalsymmetry),信道的对称性1.比特率的可变性(时变吞吐)多媒体传输按特点分类为：（1）.恒定比特率传输(constantbit-ratetraffic)•CD-ROM应用，以恒定比特率产生输出。•一些涉及CBR数据流的实时应用，也必须按恒定比特率来传送这些数据流。•许多像ISDN之类的网络必须采用CBR数据传输方式。否则，各个端系统就需要大量的缓冲开销。（2）.可变比特率传输指数据速率随时间变化而变化，这种传输常常以突变或跳变的形式出现。这种突变传输的特点是在相对空闲的随机时段中散布着突变数据。突变信息源在各个不同的时间周期内产生数目不定的数据。测量突变的一种好方法是求出给定周期内最大传输率与平均传输率比。VBR视频流由两种主要因素引起：压缩算法画面内容在慢速移动的场景中，对于其中的静态部分，比如背景，各帧之间几乎不需要重复传送这部分内容。而在一运动的视频画面里，压缩算法将为各帧产生新数据用来表示物体的运动。VBR既可用来节省传输又可用于控制显示质量。2.时间依赖性(timedependency)在视频会议之类的应用里，所传输的信息是实时的。所以必须把端到端的等待控制在很短的时间片内。–视频会议经验表明，为了使会议参加者不受影响，延迟最多只能为150ms。–其他应用中，如多媒体电子邮件，所传输的信息不要求是实时的。3.双向对称(bidirectionalsymmetry)•视频点播(video-on-demand)：当二个端系统通过网络连接起来时，该网络的传输量本身是不对称的。•对等性(peer-to-peer)电视会议：信息流是双向对称的。6.1.5多媒体传输的网络需求1.吞吐需求高传输带宽需求大存储带宽的需求流(量)需求两个视频压缩标准:ISOMPEG吞吐量定在1.2Mbps到80Mbps之间ITUH.261其吞吐量定在64kbps到2Mbps之间多媒体应用的吞吐量需求大约在0.4到1.4Mbps之间(单工通信)：音频和视频合用1.4Mbps的吞吐量广域传输开销，H.261使用6×64kbps，即384kbps的吞吐能力2.可靠性(reliability，差错控制)需求容许错误存在的原因是源于人类感知能力的局限。音频流中的组块被节流比视频流中的组块被节流更容易被发觉。文本流中的节流组块又比视频或音频流中的节流组块更容易发觉。3.延迟需求端到端延迟必须低于0.3s，交互视频应用的端到端最大总延迟不得大于150ms。具有延迟上限的通信属于同步通信的范畴。4.同步需求多媒体技术需要同时处理声音、文字、图像等多种媒体信息，在多媒体系统所处理的信息中，各个媒体都与时间有着或多或少的关系。例如：语音是时间的函数，声音和视频图像要求实时处理同步进行，使得声音和视频具有协同性.多媒体通信的两种类型：流内同步：是保持单个媒体流内部时间关系，即按照一定的延迟和抖动约束传送媒体分组流，以满足感观上的需要流间同步：是不同媒体间的同步，当音频和视频以及其他数据流经过不同的路径或不同信源传送过来时，需要在目的地对媒体进行同步，才能达到媒体的正确表现。5.多点通信6.信道同步性同步化技术：–时间戳技术(timestamping)–播放缓冲技术除了点对点通信外，还需支持：广播（Broadcast）：是把相同的数据传送到其他所有站点多播：即当群体中的一个成员传送数据时，群体中的每一个成员都收到该份数据，而不属于这个群体成员的则不能收到该数据，使用的是组地址，是网络上与多个站点相关的多目的地址。6.2多媒体通信的服务质量服务质量(QualityofService，Qos)用来衡量涉及多媒体应用时网络的工作质量。•服务质量：用于说明网络服务的“好坏”程度。•在开放系统互连模型OSI中，用一组QoS参数来描述传输速率和可靠性等特性•不同的分布式多媒体应用对网络性能的要求不同，对网络能提供的服务质量的期望值也不同，可以用统一的QoS参数来描述这种不同的期望值1.QoS的基本概念QoS参数：用一组网络性能参数来表示，典型的有吞吐量，延迟，延迟抖动和可靠性，即QoS={吞吐量，差错率，端到端延迟，延迟抖动}不同的多媒体应用系统，QoS参数集的定义方法可能是不同的，如下图所示的五种类型的QOS参数分类方法举例参数按性能分端到端延迟，比特率等按格式分视频分辨率，帧率，存储格式，压缩方法等按同步分音频和视频序列起始点之间的时滞按费用分连接和数据传输的费用和版权费按用户可接受性分主观视觉和听觉质量–对于交互式多媒体应用来说，对延迟有严格的限制，不能超过人所能容忍的限度。否则会严重影响对语言和图像的理解和识别。多媒体对象最大延迟/ms最大延迟抖动/ms平均吞吐量Mb/s可接受的比特差错率语音0.25100.06410-1视频（TV）0.251010010-2压缩视频0.2512〜1010-6数据1-1〜1000实时数据0.001-1-100图像1-2〜1010-92.常见媒体的QoS参数要求资源预订和规划如果某个应用事先“知道”它需要从网络获得哪些资源，比如要求某种具体的带宽分布，那么网络和应用就可以为此作相应的预订。网络要么否认这一请求要么进行资源规划并执行相应的资源预订资源协商如果网络管理器觉得所要求的资源可能超出了网络自身的能力，那么它就可以与请求方协商而提供较低的QoS参数。通过协商获得双方都能接收的QoS参数。进入控制如果具体应用QoS要求过高，以致网络不可能满足这些需