05多媒体通信与网络

多媒体通信与网络国林多媒体数据流的基本特征„比特率可变性多媒体传输按其特点可以分为恒定比特率和可变比特率两种类型。„时间依赖性连续媒体的传输必须是实时的，端到端的等待时间应当控制在一个很短的时间段内„信道对称性在端到端的传输系统中，传输信道是双向的。根据多媒体应用类型的不同，上行和下行信道的通信量可能是对称的，也可能是不对称的多媒体通信的性能需求吞吐量需求网络吞吐量是指有效的网络带宽，通常定义成物理链路的传输速率减去各种传输开销，以及网络冲突、瓶颈、拥塞和差错等开销，它反映了网络的最大极限容量。„视频（未压缩）：140Mbps左右„ITUH.26164K－2Mbps„ISO/IECMPEG1.4Mbps－40Mbps多媒体通信的性能需求可靠性需求差错率（ErrorRate）是一种重要的性能指标，反映了网络传输的可靠性。位差错率、帧差错率、分组差错率分别用于在不同的网络协议层次上计算差错率。控制差错的方法：„ARQ，但对于时间要求严格的数据，ARQ没有意义„FEC多媒体通信的性能需求延迟需求延迟（Delay）是衡量网络性能的重要参数。主要有传播延迟、传输延迟、网络延迟、接口延迟等。与延迟有关的另一个性能参数是延迟抖动。传输延迟：含信源处、信宿处的采样、编码、解码、打包、拆包；传输延迟；端点系统的排队和播放延迟。对于端－端延迟，一般要求小于150ms。网络延迟：可分成固有延迟和随机延迟。固有延迟与传播延迟和链路比特率高低有关，而随机延迟则由网络故障、传输错误以及网络拥塞等引起，一般是不可预测的。多媒体通信的性能需求多点通信需求多媒体通信涉及音频和视频数据，在分布式多媒体应用中有广播和多播信息。因此，除常规的点对点通信外，多媒体通信需要支持多播通信方式。多媒体通信的性能需求同步需求„流间同步流间同步是不同媒体间的同步，和具体应用有关，是一种端到端的服务。„流内同步流内同步是保持单个媒体流内部的时间关系，即按照一定的延迟和抖动约束来传送媒体分组流，以满足感官上的需要。多媒体通信的服务质量多媒体通信的服务质量多媒体通信的服务质量服务质量(QualityofService，QoS)是一种抽象概念，用于说明网络服务的“好坏”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。从支持QoS的角度，多媒体网络系统必须提供QoS参数定义和相应的管理机制。QoS的基本概念1．QoS参数QoS是分布式多媒体信息系统为了达到应用要求的能力所需要的一组定量的和定性的特性，它用一组参数表示，典型的有吞吐量、延迟、延迟抖动和可靠性等。QoS的基本概念QoS参数举例多媒体对象最大延迟/ms最大延迟抖动/ms平均吞吐量/(Mb/s)可接受的位出错率语音0.25100.06410-1视频（TV质量）0.251010010-2压缩视频0.2512～1010-6QoS的基本概念2．压缩编码对QoS参数的影响多媒体数据压缩编码的方法影响QoS参数，尤其是视频编码。高优先级的数据流可以获得良好保障的QoS服务，而对较低优先级的数据流将用最大努力获得尽量高的QoS。QoS的基本概念3．QoS参数体系结构在QoS参数体系结构中，通信双方的对等层之间表现为一种对等协商关系，双方按所承诺的QoS参数提供相应的服务。同一端的不同层之间表现为一种映射关系，应用的QoS需求应当自顶向下地映射到各层相对应的QoS参数集，各层协议按其QoS参数提供相对应的服务，共同完成对应用的QoS承诺。QoS的基本概念应用层传输层网络层数据链路层QoSQoS参数体系结构QoS的管理1．QoS服务的分类确定型QoS。在数据传输过程中，网络提供“硬”的QoS保证。统计型QoS。在数据传输过程中，网络提供“软”的QoS保证。尽力型QoS。也称最佳效果传输，网络不提供任何QoS保证，网络性能将随着负载的增加而明显下降。为了保证端到端的QoS，在媒体流传输路径上的各个中间点（路由器）都必须支持和保证所承诺的QoS，并且按确定型、统计型及尽力型QoS的优先级次序为相应的媒体流分配和保留资源。QoS的管理2．QoS管理机制为了实现不同厂商设备之间互通，标准化的QoS参数定义是必需的。为此，有关国际组织制定了一系列相关的协议。QoS管理实质上反映了对网络资源的最佳配置和有效管理问题。QoS管理机制应当具有可配置性、可协商性以及动态自适应性等管理特性。QoS的管理802.1p是IEEE802.1标准系列中的子标准，它定义了在虚拟局域网（VLAN）中数据流优先级标记和动态多播（Multicast）过滤服务。与之相关的协议标准有IEEE802.1Q（有关VLAN协议标准）和802.1D（第二层交换和桥接协议）标准，它们构成了LAN交换机的技术基础和协议标准。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。由于保证型服务具有面向连接的特性，并通过QoS协商、接纳控制、保留带宽和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机制来实现，而无需进行QoS协商和保留带宽等控制。QoS的管理近年来，人们提出了一些QoS管理技术，其中比较有效的是基于策略的QoS管理技术，它通过预先定义的策略规则来解决网络资源的合理配置和有效管理问题，为特定的数据流提供特性化服务和资源保证。为了规范这一管理技术，IETF定义了策略管理框架和信息模型，它采用面向对象的信息模型来表示通用的策略信息，通过对象类的实例化来表示特定的策略，例如，QoS管理策略或网络安全管理策略。QoS的管理对于较低层的协议结构来说，如ATM和FDDI协议层，由低层QoS参数来管理通信过程，为多媒体通信提供足够的带宽和可接受的延迟。对于多路复用协议机制来说，由于每个单独的流可能具有不同的性质，复用带有不同QoS参数的几种流是很困难的。因此复用限制在最低可能层次上。对于网络和传送层（甚至会话层）来说，这些层次提供处理跨越异构网络的QoS机制，并把QoS参数从较高层映象到较低层。对于应用层协议来说，它支持在分布多媒体应用的所有成员之间进行整体QoS协商。QoS的管理从支持QoS的角度，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。用户能够根据应用的需要使用QoS参数定义其QoS需求，网络系统要根据系统可用资源（如CPU、缓冲区、I/O带宽以及网络带宽等）容量来确定是否能满足应用的QoS需求。经过双方协商最终达成一致的QoS参数值应该在数据传输过程中得到基本保证，或者在不能履行所承诺QoS时应能提供必要的指示信息。QoS的管理QoS管理机制应当提供如下QoS管理特性：™QoS管理应是可配置的™QoS管理应是可协商的™QoS管理应是动态的™QoS管理应是端到端的™QoS管理应是层次化的QoS的管理3．基于策略的QoS管理技术近年来，网络管理不再基于功能模型和信息类型，而是采用面向目标的基本概念。现在主要有3种面向目标的管理手段：一是由IETF开发的，主要用于管理TCP/IP；二是OMG（ObjectManagementGroup）开发的，支持分布式的客户/服务器应用；三是ISO/原CCITT开发的，称为OSI系统管理，适用于广泛的资源管理。QoS的管理基于策略的网络管理是指在一个管理策略集的控制下所实施的管理操作，为实现特性化、动态化管理提供了有效的手段。通常，作为一个策略管理系统应具有如下3种能力：™允许一个用户定义和修改策略规则的能力™存储和检索策略规则的能力™解释和执行策略规则的能力多媒体通信网络环境多媒体通信网络环境多媒体通信网络环境网络环境是指网络的硬件环境，也称网络基础结构。从网络体系结构的角度看，它对应于ISO的OSI参考模型的物理层和数据链路层，也是IEEE802标准定义的网络层。为了更好地支持多媒体通信，无论是局域网还是广域网都呈现出高速化的发展态势。目前，网络的传输速率已经达到10Gbit/s，为多媒体通信提供了高带宽的保证。局域网络在局域网络中，根据所采用的网络构件，可以组成共享式网络和交换式网络两种网络类型。共享式网络：各个节点共享一段有冲突的介质，节点使用相应的介质访问控制方法来占用介质传送数据。任一时刻只能有一个节点发送数据，其它节点处于接收状态，并根据地址匹配规则确定是否接收数据。数据以广播方式沿着传输介质传输，必须遍历每个节点。局域网络交换式网络：节点分成两类－－端点和中间节点。端点是用户站点，中间节点是交换机，所有端点都通过交换机连接起来，交换机为端点提供存储转发和路由选择功能，使端点间能沿着指定的路径传输数据，这相当于实现一个并行网络系统，通过交换机提供端点之间的并行的传送通道和独享的网络带宽，因而不会发生冲突，且大大降低了传输延迟，有效地保证了网络的QoS。局域网络1.100BASE－T网络100BASE－T是由快速以太网联盟开发的100Mb/s以太网，也称快速以太网。IEEE已将100BASE－T确定为IEEE802.3u标准。100BASE－T标准主要定义了物理层规范，定义了新的信号收发标准，将传输速率提高到100Mb/s。100BASE－T定义三种物理层规范：100BASE－T4、100BASE－TX和100BASE－FX，分别支持不同的传输介质。局域网络2.千兆位以太网千兆位以太网是由千兆位以太网联盟开发的1000Mb/s以太网技术，IEEE已将它作为IEEE802.3z和802.3ab标准，成为802.3标准家族中的新成员。IEEE802.3z定义的传输介质为光纤和宽带同轴电缆，链路操作模式为全双工操作。其中光纤系统支持多模光纤和单模光纤系统，多模光纤的传输距离为500m；单模光纤的传输距离为2000m。宽带同轴电缆系统的传输距离为25m。IEEE802.3ab定义的传输介质为5类UTP电缆，传输距离为100m，链路操作模式为半双工。局域网络3.100VG-AnyLAN网络100VG-AnyLAN是由100VG-AnyLAN论坛开发的一种100Mb/s高速网络。IEEE已将100VG-AnyLAN确定为IEEE802.12标准。100VG-AnyLAN的涵义是指在语音级的UTP电缆上进行100Mb/s速率传输且支持IEEE802.3和802.5两种帧格式（不是同时支持）。100VG-AnyLAN技术规范主要定义了物理层和MAC层两层。其中，物理层由物理介质独立（PMI）子层和物理介质相关（PMD）子层组成。局域网络4.FDDI网络FDDI（光纤分布式数据接口）是由美国国家标准化协会（ANSI）的X3T9.5委员会制定的一种以光纤为传输介质、传输速率为100Mb/s的网络标准，IEEE已将FDDI确定为IEEE802.8标准。FDDI采用双环结构，主环进行正常的数据传输，次环为冗余的备用环，一旦主环链路发生故障，则备用环的相应链路就代行其工作，使FDDI具备较强的容错能力。FDDI网络的覆盖区域比较大，可达100km，可连接500多个站点，站点问的最大距离为2km。局域网络FDDI标准由物理层、MAC层以及站管理等协议组成。其中，物理层分成物理介质相关（PMD）和物理协议（PHY）两个子层。PMD子层定义了光纤介质以及光纤连接器、光纤收发器等连接设备的技术特性。定义了两种光纤：一种是多模光纤；另一种是单模光纤。对于多模光纤，链路长度可达4km；对于单模光纤，I型收发器所允许的链路长度可达10—15km，Ⅱ型收发器所允许的链路长度可达40—60km，并允许单模光纤和多模光纤混合使用。局域网络PMD子层的主要功能是信道复用(仅用于2对电缆或光纤系统)、NRZ编码、链路操作模式和连接状态控制等。PMI子层的主要功能包括传输通道选择、5B6B编码和数据帧封装等，为PMD子层传输帧做好准备。MAC层定义了一种称为需求优先访问（DPA）的介质访问控制协议。局域网络PHY子层规定了信号的编码、解码以及定时同步等方面的技术特性。MAC层主要定义了一种