多媒體技術(shù)原理及應(yīng)用(馬華東第二版)第十章.ppt

第十章基于Internet的多媒體技術(shù),概念與問題 IP組播 IP QoS保障機制 IP多媒體網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)問題,10.1 概念與問題,Internet網(wǎng)起源于1969年美國國防部高級研究計劃署研制的ARPANET網(wǎng); 1975年ARPANET從實驗網(wǎng)絡(luò)變成可運行的網(wǎng)絡(luò); 1983年,TCP/IP成為ARPANET標準通信協(xié)議,并在UNIX實現(xiàn); 1985年,美國NSF采用TCP/IP組建新的Internet骨干網(wǎng)即NSFNET, 來連接當時的6個超級計算中心和高校與科研機構(gòu); 1987年, NSFNET實現(xiàn), 采用T1線路(1.54Mbps); 1989年, ARPANET退役, NSFNET對公眾開放, 成為Internet最重要的通信骨干網(wǎng)絡(luò);,1991年,采用T3線路(45Mbps)； 1995年,NSF宣布與MCI合作建設(shè)高速數(shù)據(jù)通道計劃,提供155Mbps的主干網(wǎng)絡(luò)服務(wù),取代原來的NSFNET,Internet網(wǎng)開始大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。 到2001年,高速通信網(wǎng)絡(luò)將150多個國家3000多萬臺計算機連入Internet,幾億用戶每天在使用Internet網(wǎng)提供的服務(wù)。 目前,Internet主要業(yè)務(wù)仍是正文和靜態(tài)圖象方式發(fā)布信息、傳遞電子郵件以實現(xiàn)通信和資源共享 以IP電話、音樂點播、視頻點播、實時視頻廣播等多媒體業(yè)務(wù)在Internet網(wǎng)業(yè)務(wù)中逐漸上升,并將成為其主要的業(yè)務(wù)。 Internet網(wǎng)由許多子網(wǎng)連接在一起,通信協(xié)議TCP/IP協(xié)議。,TCP/IP是一個協(xié)議組, 主要包括TCP、UDP和IP, 其制定的是傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的標準。其中： (1) TCP 稱為傳輸控制協(xié)議, 其作用是保證命令或數(shù)據(jù)能正確無誤地到達目的地。TCP是可靠的; (2) UDP 稱為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議,它和TCP一樣都是傳輸層協(xié)議。與TCP不同,它是不可靠的,不對發(fā)出的報文進行跟蹤,也就不能保證每個UDP報文達到目的地址。但由于它減少了網(wǎng)絡(luò)開銷, 因此效率很高; (3) IP稱為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議, 它位于TCP的下一層, 負責完成互聯(lián)網(wǎng)中包的路由選擇, 并跟蹤這些包到達不同目的端的路徑。IP還要對一些可能出現(xiàn)的情形, 如不同傳輸介質(zhì)間的不一致性等進行處理。,現(xiàn)場聲音和視頻廣播 這類似于普通的無線電和電視廣播，不同的是傳輸網(wǎng)絡(luò)為Internet網(wǎng)。 目前產(chǎn)品如RealNetworks Broadcasters; 聲音點播 客戶在任何時間任何地點從聲音點播服務(wù)器讀聲音文件。許多產(chǎn)品也為用戶提供交互功能。 典型產(chǎn)品RealNetworks RealPlayer和VocalTec的Internet Wave; 視頻點播 這是一類典型的交互式多媒體服務(wù)系統(tǒng)。視頻點播系統(tǒng)一般運行在寬帶網(wǎng)中。 目前已有很多運行于Internet網(wǎng)上的視頻點播產(chǎn)品; IP電話 是在IP網(wǎng)絡(luò)上進行呼叫和通話, 這種應(yīng)用支持人們在Internet網(wǎng)上進行通話。目前IP電話價格便宜, 但質(zhì)量較差。,Internet網(wǎng)上的典型多媒體應(yīng)用,分組實時視頻會議 這類應(yīng)用系統(tǒng)與IP電話類似，但可傳輸視頻圖象并允許多人參加。目前已有許多此類產(chǎn)品。 從多媒體信息傳輸來講, Internet提供兩種類型的服務(wù)： (1)可靠的面向連接服務(wù), 用TCP協(xié)議,對信息包時延要求不高; (2)不可靠的無連接服務(wù), 使用UDP協(xié)議,不保證不丟包也不保證時延滿足需求。 Internet網(wǎng)現(xiàn)在對多媒體包的傳送中,各包平等,無優(yōu)先之分,是盡力傳輸機制，難以保證多媒體實時應(yīng)用的需求。 目前應(yīng)該解決問題：提高網(wǎng)絡(luò)帶寬,減少時延;減少抖動。,解決問題的思路一般從2個方面考慮： (1)擴大鏈路帶寬 費用太大,且易被多媒體業(yè)務(wù)吃掉; (2)改進Internet協(xié)議 采用這種方法對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)做較大的變更,對多媒體應(yīng)用保證端對端帶寬,如對IP電話途中每個鏈路預(yù)留帶寬。,10.2 IP組播,10.2.1 基本概念,IP地址分5類： (1) A類、B類、C類是基本的因特網(wǎng)地址； (2) D類(-55)用于組播的地址; (3) E類是保留地址。 發(fā)送端和接收端及其之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施都必須具備多播功能。 對本地的IP組播, 主機節(jié)點所需要的環(huán)境是: TCP/IP協(xié)議棧中可支持IP組播； 軟件支持Internet組管理協(xié)議(IGMP), 這樣就可以申請參加組播組和接收組播； 要有IP組播應(yīng)用軟件。,10.2.2 組播路由選擇算法,目標建立一個組播樹使組播包傳送到目標站點。 1. 泛洪法(Flooding) 當路由器收到一個組播包時它首先會檢查是否是第一次收到此包, 若是把該包轉(zhuǎn)發(fā)給所有相連節(jié)點; 否則簡單地丟棄該包。利用這種方式我們可保證所有互連的路由器會至少接到包的一個拷貝。 該算法已經(jīng)用在OSPF協(xié)議中。 簡單, 但效率不高。,2.支撐樹(Spanning Tree)算法。 這個算法已被IEEE-820 MAC采用,它有效且容易實現(xiàn)。 該算法利用求圖的最優(yōu)支撐樹算法, 選擇一個互連鏈路的集合組成一個樹結(jié)構(gòu)使任何兩個路由器之間只有一條路徑。因為樹連接了網(wǎng)中所有節(jié)點,所以被稱為支撐樹。 支撐樹算法的缺點是: 它把所有流量集中在一個小的鏈路集合, 且沒有考慮組成員特點。,3.反向路徑廣播（Reverse Path Broadcasting, RPB ） 該方法不是建立一個全網(wǎng)絡(luò)的支撐樹,而是為每個源節(jié)點構(gòu)造一個隱含的支撐樹。,4. 修剪的反向路徑廣播(Truncated Reverse Path Broadcasting, TRPB) 算法克服了RPB算法的局限性。我們知道通過使用IGMP協(xié)議, 路由器可決定一個已知的組播組的成員是否在該路由器子網(wǎng)中。如果這個子網(wǎng)是一個葉子子網(wǎng)(不存在連到它的任何其它路由器),該路由器將從支撐樹中剪除。這個過程一直到多余的分支被剪除掉為止。,5. Steiner樹 在RPB和TRPB算法中, 源節(jié)點和每個目的節(jié)點的最短路徑被用來傳輸組播包, 保證組播包盡可能快地傳遞。 然而, 它們沒有最小化網(wǎng)絡(luò)資源的使用。 利用Steiner樹可以為構(gòu)造傳輸樹最優(yōu)地使用鏈路的數(shù)目。 Steiner樹是不穩(wěn)定的。,6. 基于核心樹的組播(Core-Based Tree, CBT) CBT為每個組建立單一的傳輸樹。一個路由器或一組路由器被選做傳輸樹的核心。 所有到指定組的信息被作為單播信息向核心路由器轉(zhuǎn)發(fā)直到它們到達屬于相應(yīng)傳輸樹的某個路由器。然后, 信息包被轉(zhuǎn)發(fā)到除了進入接口之外屬于傳輸樹的所有接口。 上述幾種算法被用來開發(fā)組播路由選擇協(xié)議。,10.2.3 組播路由選擇協(xié)議,距離矢量組播路由協(xié)議(DVMRP) 最初是在IETF RFC1075中定義, 它已廣泛用在MBone網(wǎng)絡(luò)上。其早期版本中基于TRPB算法構(gòu)造傳輸樹。后來被使用加強TRPB算法(稱為反向路徑組播算法RPM)來改進。 組播開放最短路徑路由優(yōu)先協(xié)議(OSPF) OSPF在RFC1583中定義。MOSPF建立在OSPF的基礎(chǔ)上,它沿最低成本路徑傳遞信息, 而最低成本則使用鏈路狀態(tài)來衡量。 協(xié)議獨立的組播路由協(xié)議 由IETF IDMR工作組開發(fā)的。IDMR計劃開發(fā)一系列組播路由協(xié)議, 能提供可伸縮的Internet范圍的組播路由選擇。 PIM采用2種協(xié)議,即PIM-DM (Dense Mode)和PIM-SM(Sparse Mode), 它們分別在組成員密集分布和稀疏分布時更有效。DM類似于DVMRP也使用RPM算法來構(gòu)造傳輸樹. SM基于CBT方法。,10.3 流媒體技術(shù),所謂流媒體是指采用流式傳輸?shù)姆绞皆诰W(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)拿襟w格式。 流媒體在播放前并不下載整個文件，只將開始部分內(nèi)容存入內(nèi)存，流媒體的數(shù)據(jù)流隨時傳送隨時播放,10.3.1 流式傳輸協(xié)議,(1) 實時傳輸協(xié)議RTP 提供實時信息和實現(xiàn)流同步。RTP通常使用UDP, 不能提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP 提供這些服務(wù)。 (2) 實時傳輸控制協(xié)議RTCP RTCP和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務(wù),它們能以有效反饋和最小開銷使傳輸效率最佳化, 特別適合實時數(shù)據(jù)。 (3) 實時流協(xié)議RTSP RTSP位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成數(shù)據(jù)傳輸。使用RTSP時，客戶機和服務(wù)器都可以發(fā)出請求，即RTSP可以是雙向的。,10.3.2 流媒體的傳輸過程,流媒體的傳輸過程主要分下述幾個步驟。 (1) 預(yù)處理 主要采用先進高效的壓縮算法，將多媒體信息進行壓縮。 (2)緩存 流式傳輸?shù)膶崿F(xiàn)需要緩存。來彌補延遲和抖動的影響，并保證數(shù)據(jù)包的順序正確，使媒體數(shù)據(jù)能連續(xù)輸出。 (3)傳輸 用戶選擇流媒體服務(wù)后，Web瀏覽器與服務(wù)器間使用HTTP/TCP交換控制信息，以便把需要傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)從原始信息中檢索出來; 然后客戶機上瀏覽器啟動客戶程序. 客戶程序及服務(wù)器運行實時流協(xié)議RTSP, 提供操縱播放、快進、快倒、暫停及錄制等命令的方法。服務(wù)器使用RTP/UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給客戶程序播放輸出。,10.3.3 流媒體系統(tǒng)的主要解決方案,Real System。由Real Producer、Real Server、客戶端軟件組成。其流媒體文件包括Real Audio (RA)、Real Video(RM)、Real Presentation和Real Flash四類文件。采用SureStream技術(shù)，自動地并持續(xù)地調(diào)整數(shù)據(jù)流量以適應(yīng)各種不同網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，客戶端可通過Real Player實現(xiàn)音頻、視頻和三維動畫回放。 Windows Media Technology。Microsoft方案,其核心ASF是一種包含音頻、視頻、圖像以及控制命令、腳本等在內(nèi)數(shù)據(jù)格式，通過分成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸，實現(xiàn)流式多媒體內(nèi)容發(fā)布. 由Media Tools、Media Server和Media Player工具構(gòu)成 QuickTime。Apple發(fā)布. 幾乎支持所有格式的靜態(tài)圖像文件、視頻和動畫格式，具有內(nèi)置Web瀏覽器插件技術(shù),支持IETF流標準以及RTP、RTSP、SDP、FTP和HTTP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。,10.4 IP QoS保障機制,10.4.1 QoS路由選擇,選擇一條符合QoS需求的路由。 常用QoS參數(shù): 帶寬、時延、錯誤率、費用等 多播QoS路由選擇(單播是其特例) 路徑P(u,v)=(u,i,j,.,k,v)三類約束: (1) 可加的樹約束 m(u,v)=m(u,i)+m(i,j)+.+m(k,v) (端到端的時延) (2) 可乘的樹約束 m(u,v)=m(u,i)*m(i,j)*.*m(k,v) (錯誤率) (3) 凸約束 m(u,v)=minm(u,i), m(i,j), .,m(k,v) (帶寬),針對單個約束的多播QoS路由選擇可以用圖論的算法解決。 基本算法: (1) Dijkstra最短路徑算法; (2) 最小支撐樹算法; (3) Steiner樹 最小化多播樹總的網(wǎng)絡(luò)費用.,Internet一種有效的QoS保障機制是為應(yīng)用預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源(主要指網(wǎng)絡(luò)帶寬), 其核心是一個資源預(yù)留協(xié)議RSVP, 它定義在IETF RFC2205中。 RSVP允許應(yīng)用程序為它們數(shù)據(jù)流保留帶寬。主機根據(jù)數(shù)據(jù)流的特性使用這個協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)請求保留一個特定量的帶寬, 路由器也使用RSVP轉(zhuǎn)發(fā)帶寬請求。 為執(zhí)行RSVP, 在接收端、發(fā)送端和路由器中都必須要有執(zhí)行RSVP的軟件。 RSVP的2個主要特征是: 保留組播樹的帶寬, 單播是一特殊情況; 接收端驅(qū)動, 即接收端啟動和維護資源的保留。,10.4.2 資源預(yù)留協(xié)議,當應(yīng)用需要QoS保證的服務(wù)時,發(fā)送端要向接收端發(fā)送一個稱之為路徑的組播包說明所要求的服務(wù)類型和業(yè)務(wù)流特點,沿途的路由器將路徑消息逐段傳遞至接收端, 接收端返回一個稱之為預(yù)留的消息來請求資源, 在此消息中給出接收端所要求的服務(wù)質(zhì)量。 網(wǎng)絡(luò)在回傳這消息時,沿途的每個路由器可接受或拒絕預(yù)留消息的請求。如果拒絕,則返回一個錯誤給接收端,呼叫被終止; 如果接受,則為該業(yè)務(wù)流分配帶寬資源,并將該流的狀態(tài)信息記錄下來。接收端驅(qū)動的方式適合無連接的網(wǎng)絡(luò)。 另外, 在組播中由各終端聲明自己所要求的服務(wù)質(zhì)量,比由發(fā)送端來向網(wǎng)絡(luò)提出QoS要求更為合理一些。,10.4.3 區(qū)分服務(wù),由于RSVP實現(xiàn)起來比較復(fù)雜, IETF建議另一種QoS的保障機制即區(qū)分服務(wù)(DS)。 DS通過IP數(shù)據(jù)報中的服務(wù)類型域來區(qū)別服務(wù)類型, 在IPv4中, 位于報頭中該域可由用戶設(shè)定。DS中服務(wù)類型域稱為DS域, 根據(jù)DS域不同類型, 將數(shù)據(jù)報以不同方式傳遞, 這便是區(qū)分服務(wù)由來, 其實際上是一種相對優(yōu)先級的服務(wù)。 DS域中可定義的服務(wù)有: 低延時低抖動的最高服務(wù); 比盡力服務(wù)有更高可靠性的確保服務(wù); 具有金、銀、銅3種質(zhì)量的奧林匹克服務(wù)。,用戶要獲得區(qū)分服務(wù)須先與ISP協(xié)商取得服務(wù)水平協(xié)定(SLA), 規(guī)定給用戶的服務(wù)等級和每個等級所允許的流量。 SLA可是靜態(tài)或動態(tài)的。靜態(tài)SLA是用戶和ISP協(xié)商好的,在一定期限有效的協(xié)定, 用戶在此期間可隨時享受區(qū)分服務(wù); 而動態(tài)SLA是用戶需要區(qū)分服務(wù)時, 通過信令協(xié)議(如RSVP)建立起來的。 如果鏈路上有的路由器不支持區(qū)分服務(wù), 它會忽視數(shù)據(jù)報中DS域的內(nèi)容而給予盡力服務(wù)。由于支持區(qū)分服務(wù)的路由器對確保服務(wù)的包會給予應(yīng)有的服務(wù), 因此從整體性能上, 用戶得到了比盡力服務(wù)更好的服務(wù)。,多協(xié)議標識交換(MPLS)是一種新的QoS保障機制, 它是在標簽交換技術(shù)上發(fā)展的一種包傳遞機制。 MPLS通過一個協(xié)議來建立標識交換路徑(LSP)。一個LSP是一個從發(fā)送者到接收者的單向邏輯通道, 具有相同服務(wù)等級的多個數(shù)據(jù)流可以會聚一起使用一個LSP。 LSP的建立可以是控制驅(qū)動的, 例如由尋徑更新信號所激發(fā);也可以是數(shù)據(jù)驅(qū)動的, 例如由要傳輸某個數(shù)據(jù)流的請求所激發(fā)。當建立LSP的過程激發(fā)起來之后, 支持MPLS的標識交換路由器(LSR)之間利用協(xié)議對每個標識的語義進行進行協(xié)商,即協(xié)商對帶有某種標識的包的處理方法, LSR中就形成了一張以標識為索引的傳送表說明每種包的處理方法。,10.4.4 多協(xié)議標識交換,10.5 SIP協(xié)議,SIP（Session Initial Protocol，會話初始化協(xié)議）是由IETF于1999年提出的一個基于IP網(wǎng)絡(luò)的實時通信應(yīng)用信令協(xié)議； 是下一代網(wǎng)絡(luò)中的核心協(xié)議之一，用來解決IP網(wǎng)上的信令控制； 是端到端的、基于請求/響應(yīng)事務(wù)模型的應(yīng)用層控制協(xié)議。,10.5.1 SIP協(xié)議框架,SIP協(xié)議相當于一個組件，可以與IETF的其它協(xié)議一起構(gòu)建一個完整的通信系統(tǒng)，這些協(xié)議如： 會話描述協(xié)議(SDP)：描述終端設(shè)備的特點； 實時傳輸協(xié)議(RTP/RTCP)：實時傳輸媒體數(shù)據(jù)； 資源保留設(shè)置協(xié)議(RSVP)：提供服務(wù)質(zhì)量； 輕型目錄訪問協(xié)議(LDAP)：負責定位用戶的確切地址； 遠程身份驗證撥入用戶服務(wù)(RADIUS)：進行身份驗證。,10.5.2 SIP實體,按邏輯功能區(qū)分，SIP系統(tǒng)由四種元素組成： SIP用戶代理,又稱SIP終端。可分為用戶代理客戶端(UAC)和用戶代理服務(wù)器(UAS)兩種。其中前者用于發(fā)起呼叫請求，后者用于響應(yīng)呼叫請求。 SIP代理服務(wù)器, 中間元素,它既是客戶機又是服務(wù)器，具有解析名字的能力, 能夠代理前面的用戶向下一跳服務(wù)器發(fā)出呼叫請求, 然后服務(wù)器決定下一跳的地址。 重定向服務(wù)器, 是規(guī)劃SIP呼叫路徑的服務(wù)器，在獲得了下一跳的地址后, 立刻告訴前面的用戶, 讓該用戶直接向下一跳地址發(fā)出請求而自己則退出對這個呼叫的控制。 SIP注冊服務(wù)器, 用來完成對UAS的登錄.,10.6 IP多媒體網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)問題,10.6.1 寬帶IP多媒體技術(shù),1. IP在ATM網(wǎng)上的傳輸 ATM為傳輸模式的B-ISDN曾被認為是下一代通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。但由于其交換設(shè)備、傳輸機制和接入方式等,與舊的網(wǎng)絡(luò)有較大不同,B-ISDN沒得到較大的發(fā)展。ATM作為一種交換和傳輸技術(shù)主要用在干線傳輸上。 IP在ATM網(wǎng)上的傳輸業(yè)務(wù)通常采用IETF RFC1483和RFC15772定義的IPOA (classical IP over ATM)規(guī)范,它將ATM網(wǎng)絡(luò)看作是一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),為IP提供鏈路連接。,2. IP在SDH上的傳輸 在IPOA中,IP數(shù)據(jù)包被分割成短的數(shù)據(jù)段,然后封裝進ATM信元。每個信元要加信元頭, 這就增加了開銷(稱信元稅),有人估計大約增加25%。 我們知道ATM的底層傳輸系統(tǒng)是SDH, 為何不在SDH上直接傳輸IP來減少開銷？IP over SDH正是這樣一種技術(shù),它的信元稅僅為5%。,3. IP在波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)上的傳輸 傳統(tǒng)的增加信道容量的方法一是增鋪新的光纜, 二是提高原有光纜的時分復(fù)用速率。前一種方法價格昂貴,后一種方法規(guī)模的伸縮性差,如使用新的高速復(fù)接設(shè)備,原有的低速率的設(shè)備就作廢了。 密集波分復(fù)用(DWDM)是近年來出現(xiàn)的一種經(jīng)濟、靈活地擴展信道容量的技術(shù)。 波長1200-1600nm范圍內(nèi)的光波在單模光纜中的傳輸損耗都比較小,即可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓鈳捰?0THz。同一光纜中利用該范圍內(nèi)