多媒体技术原理及应用(马华东第二版)第十章.ppt

第十章基于Internet的多媒体技术,概念与问题 IP组播 IP QoS保障机制 IP多媒体网络的相关问题,10.1 概念与问题,Internet网起源于1969年美国国防部高级研究计划署研制的ARPANET网; 1975年ARPANET从实验网络变成可运行的网络; 1983年,TCP/IP成为ARPANET标准通信协议,并在UNIX实现; 1985年,美国NSF采用TCP/IP组建新的Internet骨干网即NSFNET, 来连接当时的6个超级计算中心和高校与科研机构; 1987年, NSFNET实现, 采用T1线路(1.54Mbps); 1989年, ARPANET退役, NSFNET对公众开放, 成为Internet最重要的通信骨干网络;,1991年,采用T3线路(45Mbps)； 1995年,NSF宣布与MCI合作建设高速数据通道计划,提供155Mbps的主干网络服务,取代原来的NSFNET,Internet网开始大规模商业应用。 到2001年,高速通信网络将150多个国家3000多万台计算机连入Internet,几亿用户每天在使用Internet网提供的服务。 目前,Internet主要业务仍是正文和静态图象方式发布信息、传递电子邮件以实现通信和资源共享 以IP电话、音乐点播、视频点播、实时视频广播等多媒体业务在Internet网业务中逐渐上升,并将成为其主要的业务。 Internet网由许多子网连接在一起,通信协议TCP/IP协议。,TCP/IP是一个协议组, 主要包括TCP、UDP和IP, 其制定的是传输层和网络层的标准。其中： (1) TCP 称为传输控制协议, 其作用是保证命令或数据能正确无误地到达目的地。TCP是可靠的; (2) UDP 称为用户数据报协议,它和TCP一样都是传输层协议。与TCP不同,它是不可靠的,不对发出的报文进行跟踪,也就不能保证每个UDP报文达到目的地址。但由于它减少了网络开销, 因此效率很高; (3) IP称为互联网协议, 它位于TCP的下一层, 负责完成互联网中包的路由选择, 并跟踪这些包到达不同目的端的路径。IP还要对一些可能出现的情形, 如不同传输介质间的不一致性等进行处理。,现场声音和视频广播 这类似于普通的无线电和电视广播，不同的是传输网络为Internet网。 目前产品如RealNetworks Broadcasters; 声音点播 客户在任何时间任何地点从声音点播服务器读声音文件。许多产品也为用户提供交互功能。 典型产品RealNetworks RealPlayer和VocalTec的Internet Wave; 视频点播 这是一类典型的交互式多媒体服务系统。视频点播系统一般运行在宽带网中。 目前已有很多运行于Internet网上的视频点播产品; IP电话 是在IP网络上进行呼叫和通话, 这种应用支持人们在Internet网上进行通话。目前IP电话价格便宜, 但质量较差。,Internet网上的典型多媒体应用,分组实时视频会议 这类应用系统与IP电话类似，但可传输视频图象并允许多人参加。目前已有许多此类产品。 从多媒体信息传输来讲, Internet提供两种类型的服务： (1)可靠的面向连接服务, 用TCP协议,对信息包时延要求不高; (2)不可靠的无连接服务, 使用UDP协议,不保证不丢包也不保证时延满足需求。 Internet网现在对多媒体包的传送中,各包平等,无优先之分,是尽力传输机制，难以保证多媒体实时应用的需求。 目前应该解决问题：提高网络带宽,减少时延;减少抖动。,解决问题的思路一般从2个方面考虑： (1)扩大链路带宽 费用太大,且易被多媒体业务吃掉; (2)改进Internet协议 采用这种方法对网络系统做较大的变更,对多媒体应用保证端对端带宽,如对IP电话途中每个链路预留带宽。,10.2 IP组播,10.2.1 基本概念,IP地址分5类： (1) A类、B类、C类是基本的因特网地址； (2) D类(-55)用于组播的地址; (3) E类是保留地址。 发送端和接收端及其之间的网络设施都必须具备多播功能。 对本地的IP组播, 主机节点所需要的环境是: TCP/IP协议栈中可支持IP组播； 软件支持Internet组管理协议(IGMP), 这样就可以申请参加组播组和接收组播； 要有IP组播应用软件。,10.2.2 组播路由选择算法,目标建立一个组播树使组播包传送到目标站点。 1. 泛洪法(Flooding) 当路由器收到一个组播包时它首先会检查是否是第一次收到此包, 若是把该包转发给所有相连节点; 否则简单地丢弃该包。利用这种方式我们可保证所有互连的路由器会至少接到包的一个拷贝。 该算法已经用在OSPF协议中。 简单, 但效率不高。,2.支撑树(Spanning Tree)算法。 这个算法已被IEEE-820 MAC采用,它有效且容易实现。 该算法利用求图的最优支撑树算法, 选择一个互连链路的集合组成一个树结构使任何两个路由器之间只有一条路径。因为树连接了网中所有节点,所以被称为支撑树。 支撑树算法的缺点是: 它把所有流量集中在一个小的链路集合, 且没有考虑组成员特点。,3.反向路径广播（Reverse Path Broadcasting, RPB ） 该方法不是建立一个全网络的支撑树,而是为每个源节点构造一个隐含的支撑树。,4. 修剪的反向路径广播(Truncated Reverse Path Broadcasting, TRPB) 算法克服了RPB算法的局限性。我们知道通过使用IGMP协议, 路由器可决定一个已知的组播组的成员是否在该路由器子网中。如果这个子网是一个叶子子网(不存在连到它的任何其它路由器),该路由器将从支撑树中剪除。这个过程一直到多余的分支被剪除掉为止。,5. Steiner树 在RPB和TRPB算法中, 源节点和每个目的节点的最短路径被用来传输组播包, 保证组播包尽可能快地传递。 然而, 它们没有最小化网络资源的使用。 利用Steiner树可以为构造传输树最优地使用链路的数目。 Steiner树是不稳定的。,6. 基于核心树的组播(Core-Based Tree, CBT) CBT为每个组建立单一的传输树。一个路由器或一组路由器被选做传输树的核心。 所有到指定组的信息被作为单播信息向核心路由器转发直到它们到达属于相应传输树的某个路由器。然后, 信息包被转发到除了进入接口之外属于传输树的所有接口。 上述几种算法被用来开发组播路由选择协议。,10.2.3 组播路由选择协议,距离矢量组播路由协议(DVMRP) 最初是在IETF RFC1075中定义, 它已广泛用在MBone网络上。其早期版本中基于TRPB算法构造传输树。后来被使用加强TRPB算法(称为反向路径组播算法RPM)来改进。 组播开放最短路径路由优先协议(OSPF) OSPF在RFC1583中定义。MOSPF建立在OSPF的基础上,它沿最低成本路径传递信息, 而最低成本则使用链路状态来衡量。 协议独立的组播路由协议 由IETF IDMR工作组开发的。IDMR计划开发一系列组播路由协议, 能提供可伸缩的Internet范围的组播路由选择。 PIM采用2种协议,即PIM-DM (Dense Mode)和PIM-SM(Sparse Mode), 它们分别在组成员密集分布和稀疏分布时更有效。DM类似于DVMRP也使用RPM算法来构造传输树. SM基于CBT方法。,10.3 流媒体技术,所谓流媒体是指采用流式传输的方式在网络上传输的媒体格式。 流媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入内存，流媒体的数据流随时传送随时播放,10.3.1 流式传输协议,(1) 实时传输协议RTP 提供实时信息和实现流同步。RTP通常使用UDP, 不能提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP 提供这些服务。 (2) 实时传输控制协议RTCP RTCP和RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务,它们能以有效反馈和最小开销使传输效率最佳化, 特别适合实时数据。 (3) 实时流协议RTSP RTSP位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成数据传输。使用RTSP时，客户机和服务器都可以发出请求，即RTSP可以是双向的。,10.3.2 流媒体的传输过程,流媒体的传输过程主要分下述几个步骤。 (1) 预处理 主要采用先进高效的压缩算法，将多媒体信息进行压缩。 (2)缓存 流式传输的实现需要缓存。来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，使媒体数据能连续输出。 (3)传输 用户选择流媒体服务后，Web浏览器与服务器间使用HTTP/TCP交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来; 然后客户机上浏览器启动客户程序. 客户程序及服务器运行实时流协议RTSP, 提供操纵播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法。服务器使用RTP/UDP协议将数据传输给客户程序播放输出。,10.3.3 流媒体系统的主要解决方案,Real System。由Real Producer、Real Server、客户端软件组成。其流媒体文件包括Real Audio (RA)、Real Video(RM)、Real Presentation和Real Flash四类文件。采用SureStream技术，自动地并持续地调整数据流量以适应各种不同网络带宽需求，客户端可通过Real Player实现音频、视频和三维动画回放。 Windows Media Technology。Microsoft方案,其核心ASF是一种包含音频、视频、图像以及控制命令、脚本等在内数据格式，通过分成网络数据包传输，实现流式多媒体内容发布. 由Media Tools、Media Server和Media Player工具构成 QuickTime。Apple发布. 几乎支持所有格式的静态图像文件、视频和动画格式，具有内置Web浏览器插件技术,支持IETF流标准以及RTP、RTSP、SDP、FTP和HTTP等网络协议。,10.4 IP QoS保障机制,10.4.1 QoS路由选择,选择一条符合QoS需求的路由。 常用QoS参数: 带宽、时延、错误率、费用等 多播QoS路由选择(单播是其特例) 路径P(u,v)=(u,i,j,.,k,v)三类约束: (1) 可加的树约束 m(u,v)=m(u,i)+m(i,j)+.+m(k,v) (端到端的时延) (2) 可乘的树约束 m(u,v)=m(u,i)*m(i,j)*.*m(k,v) (错误率) (3) 凸约束 m(u,v)=minm(u,i), m(i,j), .,m(k,v) (带宽),针对单个约束的多播QoS路由选择可以用图论的算法解决。 基本算法: (1) Dijkstra最短路径算法; (2) 最小支撑树算法; (3) Steiner树 最小化多播树总的网络费用.,Internet一种有效的QoS保障机制是为应用预留网络资源(主要指网络带宽), 其核心是一个资源预留协议RSVP, 它定义在IETF RFC2205中。 RSVP允许应用程序为它们数据流保留带宽。主机根据数据流的特性使用这个协议向网络请求保留一个特定量的带宽, 路由器也使用RSVP转发带宽请求。 为执行RSVP, 在接收端、发送端和路由器中都必须要有执行RSVP的软件。 RSVP的2个主要特征是: 保留组播树的带宽, 单播是一特殊情况; 接收端驱动, 即接收端启动和维护资源的保留。,10.4.2 资源预留协议,当应用需要QoS保证的服务时,发送端要向接收端发送一个称之为路径的组播包说明所要求的服务类型和业务流特点,沿途的路由器将路径消息逐段传递至接收端, 接收端返回一个称之为预留的消息来请求资源, 在此消息中给出接收端所要求的服务质量。 网络在回传这消息时,沿途的每个路由器可接受或拒绝预留消息的请求。如果拒绝,则返回一个错误给接收端,呼叫被终止; 如果接受,则为该业务流分配带宽资源,并将该流的状态信息记录下来。接收端驱动的方式适合无连接的网络。 另外, 在组播中由各终端声明自己所要求的服务质量,比由发送端来向网络提出QoS要求更为合理一些。,10.4.3 区分服务,由于RSVP实现起来比较复杂, IETF建议另一种QoS的保障机制即区分服务(DS)。 DS通过IP数据报中的服务类型域来区别服务类型, 在IPv4中, 位于报头中该域可由用户设定。DS中服务类型域称为DS域, 根据DS域不同类型, 将数据报以不同方式传递, 这便是区分服务由来, 其实际上是一种相对优先级的服务。 DS域中可定义的服务有: 低延时低抖动的最高服务; 比尽力服务有更高可靠性的确保服务; 具有金、银、铜3种质量的奥林匹克服务。,用户要获得区分服务须先与ISP协商取得服务水平协定(SLA), 规定给用户的服务等级和每个等级所允许的流量。 SLA可是静态或动态的。静态SLA是用户和ISP协商好的,在一定期限有效的协定, 用户在此期间可随时享受区分服务; 而动态SLA是用户需要区分服务时, 通过信令协议(如RSVP)建立起来的。 如果链路上有的路由器不支持区分服务, 它会忽视数据报中DS域的内容而给予尽力服务。由于支持区分服务的路由器对确保服务的包会给予应有的服务, 因此从整体性能上, 用户得到了比尽力服务更好的服务。,多协议标识交换(MPLS)是一种新的QoS保障机制, 它是在标签交换技术上发展的一种包传递机制。 MPLS通过一个协议来建立标识交换路径(LSP)。一个LSP是一个从发送者到接收者的单向逻辑通道, 具有相同服务等级的多个数据流可以会聚一起使用一个LSP。 LSP的建立可以是控制驱动的, 例如由寻径更新信号所激发;也可以是数据驱动的, 例如由要传输某个数据流的请求所激发。当建立LSP的过程激发起来之后, 支持MPLS的标识交换路由器(LSR)之间利用协议对每个标识的语义进行进行协商,即协商对带有某种标识的包的处理方法, LSR中就形成了一张以标识为索引的传送表说明每种包的处理方法。,10.4.4 多协议标识交换,10.5 SIP协议,SIP（Session Initial Protocol，会话初始化协议）是由IETF于1999年提出的一个基于IP网络的实时通信应用信令协议； 是下一代网络中的核心协议之一，用来解决IP网上的信令控制； 是端到端的、基于请求/响应事务模型的应用层控制协议。,10.5.1 SIP协议框架,SIP协议相当于一个组件，可以与IETF的其它协议一起构建一个完整的通信系统，这些协议如： 会话描述协议(SDP)：描述终端设备的特点； 实时传输协议(RTP/RTCP)：实时传输媒体数据； 资源保留设置协议(RSVP)：提供服务质量； 轻型目录访问协议(LDAP)：负责定位用户的确切地址； 远程身份验证拨入用户服务(RADIUS)：进行身份验证。,10.5.2 SIP实体,按逻辑功能区分，SIP系统由四种元素组成： SIP用户代理,又称SIP终端。可分为用户代理客户端(UAC)和用户代理服务器(UAS)两种。其中前者用于发起呼叫请求，后者用于响应呼叫请求。 SIP代理服务器, 中间元素,它既是客户机又是服务器，具有解析名字的能力, 能够代理前面的用户向下一跳服务器发出呼叫请求, 然后服务器决定下一跳的地址。 重定向服务器, 是规划SIP呼叫路径的服务器，在获得了下一跳的地址后, 立刻告诉前面的用户, 让该用户直接向下一跳地址发出请求而自己则退出对这个呼叫的控制。 SIP注册服务器, 用来完成对UAS的登录.,10.6 IP多媒体网络的相关问题,10.6.1 宽带IP多媒体技术,1. IP在ATM网上的传输 ATM为传输模式的B-ISDN曾被认为是下一代通信网络的基础。但由于其交换设备、传输机制和接入方式等,与旧的网络有较大不同,B-ISDN没得到较大的发展。ATM作为一种交换和传输技术主要用在干线传输上。 IP在ATM网上的传输业务通常采用IETF RFC1483和RFC15772定义的IPOA (classical IP over ATM)规范,它将ATM网络看作是一种异构网络,为IP提供链路连接。,2. IP在SDH上的传输 在IPOA中,IP数据包被分割成短的数据段,然后封装进ATM信元。每个信元要加信元头, 这就增加了开销(称信元税),有人估计大约增加25%。 我们知道ATM的底层传输系统是SDH, 为何不在SDH上直接传输IP来减少开销？IP over SDH正是这样一种技术,它的信元税仅为5%。,3. IP在波分复用光纤网络上的传输 传统的增加信道容量的方法一是增铺新的光缆, 二是提高原有光缆的时分复用速率。前一种方法价格昂贵,后一种方法规模的伸缩性差,如使用新的高速复接设备,原有的低速率的设备就作废了。 密集波分复用(DWDM)是近年来出现的一种经济、灵活地扩展信道容量的技术。 波长1200-1600nm范围内的光波在单模光缆中的传输损耗都比较小,即可用于数据传输的光带宽有30THz。同一光缆中利用该范围内