第8章多媒体通信网络技术

计算机网络第八章多媒体通信网络技术计算机网络教学目标•掌握QoS的概念，了解多媒体网络系统必须提供QoS参数定义和相应的QoS管理机制。•理解多媒体通信的体系结构和各种多媒体通信协议的概念、格式和原理。•了解分布式多媒体应用系统，包括多媒体会议系统、远程教育系统、远程医疗系统。•理解多媒体信息在Internet网上的传输技术。计算机网络引言•多媒体通信的网络技术是实现多媒体通信的重要基础，无论哪种多媒体应用系统都必须利用网络技术将处于不同地理位置的多媒体终端、服务器等设备连接起来，并使得这些设备相互之间能够进行所需要的多媒体信息的传输。•由于多媒体通信的集成性，使网络所传输的信息由传统的单一媒体信息(如语音、图象、数据等)转变成多种媒体信息。这些信息是语音、图象和数据等多种信息组成的综合信息，而且这些信息不是简单地组合在一起，它们之间存在着内在的联系，因此多媒体通信网络必须能够将这种有机结合于一体的多媒体信息进行有效的传输和交换，才能达到通信的目的。•在多媒体通信网中，网络的带宽、信息的交换方式以及高层协议直接决定着信息传输和通信服务的质量。•多媒体通信网并不是一个新建的专门用于多媒体通信的网络，目前绝大部分的多媒体业务都是在现有的各种网络上运行，多媒体通信网是按照多媒体通信的要求对现有的网络进行改造和重组后的网络。计算机网络8.1网络服务质量服务质量（QualityofService,QoS）是一种抽象概念,用于说明网络服务的“良好”程度。由于不同的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。这种期望值可以用一种统一的QoS概念来描述。在不同应用系统中,QoS参数集的定义方法可能是不同的,经常使用吞吐量、差错率、端到端延迟、延迟抖动等网络性能参数来定义QoS。对连续媒体传输来说,端到端延迟和延迟抖动是两个关键的性能参数。多媒体应用,特别是交互式多媒体应用对延迟有严格的限制,不能超过人所能容忍的极限,否则将会严重地影响服务质量。同样,延迟抖动也必须维持在严格的界限内,否则将会严重地影响人对语音和图像信息的识别。计算机网络8.1.1QoS参数体系结构图8.1QoS参数体系结构应用层QOS传输层网络层数据链路层计算机网络1.应用层QoS级视频帧传输速率/(帧/秒)分辨率/%主观评价损害程度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较差很难忍受11～21～9差不可忍受表8.2一个视频QoS分级的例子计算机网络2.传输层传输层协议主要提供端到端的、面向连接的数据传输服务。通常,这种面向连接的服务能够保证数据传输的正确性和顺序性,但以较大的网络带宽和延迟开销为代价。传输层QoS必须由支持QoS的传输层协议提供可选择和定义的QoS参数。传输层QoS参数主要有: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。国际标准化组织(ISO)在1986年颁布的ISO/OSI8072标准中明确地定义了传输层QoS参数:计算机网络·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:在数据传输阶段因各种原因所造成失败的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。·保护:用于说明建立安全连接需求的参数,如没有窃听或修改。·优先级:规定在该连接上传输的优先级。·弹性:用于说明传输层自动终结的可能性。计算机网络3.网络层网络层协议主要提供路由选择和数据报转发服务。通常,这种服务是无连接的,通过中间点（路由器）的“存储-转发”机制来实现。在数据报转发过程中,路由器将会产生延迟（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同样也要由支持QoS的网络层协议提供可选择和定义的QoS参数,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可以通过报头中优先级和流标识字段支持QoS。一些连接型网络层协议,如RSVP和STⅡ等可以较好地支持QoS,其QoS参数通过保证服务(GS)和被控负载服务(CLS)两个QoS类来定义。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）。计算机网络4.数据链路层数据链路层协议主要实现对物理介质的访问控制功能,也就是解决如何利用介质传输数据问题,与网络类型密切相关,并不是所有网络都支持QoS,即使支持QoS的网络其支持程度也不尽相同。各种Ethernet都不支持QoS。TokenRing、FDDI和100VG-AnyLAN等是通过介质访问优先级定义QoS参数的。ATM网络能够较充分地支持QoS,它是一种面向连接的网络,在建立虚连接时可以使用一组QoS参数来定义QoS。国际电信联合会(ITU)制定了有关ATM网络QoS参数,它允许用户指定如下的参数:·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。计算机网络8.1.2QoS管理机制QoS管理机制应当提供如下QoS管理特性:①QoS管理应是可配置的。②QoS管理应是可协商的。③QoS管理应是动态的。④QoS管理应是端到端的。⑤QoS管理应是层次化的。计算机网络8.2因特网的多媒体体系结构为了实现多媒体通信，需要使用一些新的协议。图8-2是因特网的多媒体体系结构。这些协议可分为三类，即直接传送声音或视频数据的协议、与服务质量有关的协议以及与信令有关的协议。按层次来看，应用层新增RSVP、DiffServ、RTP等协议，网络层新增MPLS等协议.计算机网络8.3RSVP协议8.3.1RSVP的基本概念RSVP(ResourceReserveProtocol)是一个资源预约协议。提供一种有效的资源预约方式，可以有效地描述应用程序对资源的需求。流(flow)：以单播或多播方式在源宿间传输的数据码流，它为不同服务提供类似连接的逻辑通道。路径消息(Pathmessage)：路径消息由源端定时发出，并沿流的方向传输，其主要目的是保证系统沿正确的路径预留资源。预留消息：预留消息由接收端点定时发出，并沿路径消息建立的路由反向传输，其主要目的是接收端为保障通信服务质量，请求各级节点预留资源。计算机网络RSVP协议的特点：⑴RSVP为单播和多点到多点组播应用进行资源预留，对多播组员关系的变化及路由的变更进行动态地适应。⑵RSVP是单工的，即数据流的接收器为单向数据流进行预留。⑶RSVP是面向接收器的，即由数据流接收器发起和维护用于该流的资源预留。⑷RSVP在路由器和主机中维持软状态以对多播组员关系的变化提供合适的支持，并对路由器的变更进行自动的适应。⑸RSVP本身不是路由协议，要通过现有的路由协议来工作，RSVP通过查询路由来获取信息的变化。⑹RSVP传送和维护不透明的业务控制参数。⑺RSVP提供几种预留模式或“类型”以适应各种应用。⑻RSVP能够透明地通过不支持RSVP的节点，无须采用额外的隧道技术。不支持RSVP的路由器将通信信息包当作普通的信息包传送给接收方。⑼RSVP对IPv4和IPv6均支持。计算机网络8.3.2RSVP报文格式版本号标志报文类型报文校验和报文生存期保留报文长度图8-3RSVP报文公共首部格式版本号：说明RSVP协议的版本号，占用4bit。标志：目前尚未定义标志位，占用4bit。报文类型：目前定义了7种报文：1=Path，2=Resv，3=PathErr，4=ResvErr，5=PathTear，6=ResvTear，7=ResvConf，占用8bit。报文校验和：用于保证报文传输的正确性，占用16bit。报文生存期：发送报文所使用的IP生存时间值，占用8bit。报文长度：以字节表示的RSVP报文总长度，占用16bit。计算机网络对象长度：以字节表示的对象长度，且必须是4的倍数，占用16bit。对象类编号：标识对象类，每个对象类有一个对象名，且必须是大写，常用的对象类有：SEESION(会话)、RSVP_HOP(RSVP字段)、TIME_VALUES(时间值)、STYLE(风格)、FLOWSPEC(流说明)、FILTER(过滤器说明)、SENDER_TSPEC(发送者传送说明)、ERROR_SPEC(差错说明)、INTEGRITY(完整性)、SCOPE(作用范围)、RESV_CONFIRM(保留确认)等，占用8bit。对象类型：通常和对象类编号一起使用，定义了对象类型，占用8bit。对象内容：定义了对象的内容，最大长度为65528字节。对象长度对象类编号对象类型对象内容图8-4RSVP对象格式计算机网络8.3.3RSVP协议原理1．RSVP协议基本框架数据RSVP主机应用分类控制分组调度接纳控制决策控制RSVP处理节点应用分类控制分组调度接纳控制决策控制RSVP处理图8-5RSVP协议的相关组成计算机网络2．RSVP协议工作原理RSVP协议就是通过在中间节点间传输预留信息来创建和维护多播传输路径网的分布预留状态，从而实现资源的预约和释放的请求、最终依赖节点的资源管理机制，实现资源的配置和释放。3．RSVP协议设计原则⑴服务分类的原则⑵面向无连接的原则⑶面向接收端的预留思想⑷软状态的原则⑸分组过滤的原则计算机网络8.4DiffServ协议IETF提出了两种QoS保证机制，一是由RSVP提供的保证型服务；二是在区分服务(DiffServ，DS)中定义的区分型服务。保证型服务具有面向连接的特性，并通过QoS协商、接纳控制、保留带宽的实时调度等机制来实现。区分型服务具有无连接的特性，主要通过缓冲管理和优先级调度等机制来实现，而无需进行QoS协商和保留带宽等控制。IETF提出了两种QoS保证机制，一是由RSVP提供的保证型服务；二是在区分服务(DiffServ，DS)中定义的区分型服务。保证型服务具有面向连接的特性，并通过QoS协商、接纳控制、保留带宽的实时调度等机制来实现。区分型服务具有无连接的特性，主要通过缓冲管理和优先级调度等机制来实现，而无需进行QoS协商和保留带宽等控制。区分服务规定了一个网络内部转发报文组的传输特性，这些特性可以用定时或静态项来指定，如吞吐量、丢失率、延时及延时抖动等；也可以用访问网络资源的相对优先级项来指定。实现一种区分服务的要素是：该服务是提供给一个流量聚集的；调节功能和PHB用于实现服务；DS字段用于标记报文分组，以选择一个PHB；特定节点实现PHB机制。计算机网络1．DS字段定义DSCodePointCU图8-6DS字段DSCodePoint(DSCP)占6位，用于指定该报文分组在各个节点上的PHB；CU(CurrentlyUnused)占2位，为系统保留，支持DS的节点将忽略CU值。DSCP字段的基本特征：从DSCP到PHB的映射是可配置的，每个支持DS的节点都要实现这种可配置的映射；PHB规范空间必须包含一个推荐的缺省DSCP，且是唯一的，在节点所实现的缺省配置中应支持缺省DSCP到PHB的映射；如果一个报文分组使用了不可识别的DSCP值，则节点应当原样转发该报文分组，无需改变DSCP值，并且不会引起节点故障；DSCP字段必须与当前惯有方法保持向后兼容。计算机网络2．PHB一个PHB是一个节点为一个特定的DS行为集而采取的转发行为(如吞吐量、丢失率、延迟及抖动等)，一个D