（教育技术学专业论文）点对点视频教学模型设计及其qos研究.pdf

摘要 点对点视频教学模型设计及其q o s 研究 摘要 远程教育历经三代的发展，从函授教育起步，经历多种媒体教学 的远程教育，再到现在开发灵活的远程学习。信息技术在其中起着不 可估量的作用，网络使得真正意义上的远程教学成为现实。但网络并 不完美，虽然促进了远程教育的发展，对于远程教学中所遇到的问题， 很多都和媒体以及网络中的传输质量有关，网络教学中的音频和视频 质量得不到很好的保障，就无法顺利地完成远程教学。 本文首先对当前的流媒体发展状况进行分析，分析各种协议的功 能和用途，同时针对视频教学的模型，选取当前最合适和最稳定的传 输技术，主要集中在现在流行的m p e g 一4 和新推出的h 2 6 4 协议，由于 视频采集的数据源文件很大，通过这些算法可以减小网络传输量，同 时保证了相应的传输质量。 其次通过对应用层的q o s 研究，运用相关的协议来辅助网络传输 中的音视频质量，具体为应用协议报头和反馈机制对视频传输实现端 到端的q o s 策略，通过在两端采取必要的拥塞控制策略可以预防和避 免延迟和丢包等等。 最后在以上分析的基础上，对视频教学模型提出探讨，同时设计 并完善视频教学系统，不仅使视频的传输质量得到保证，而且功能方 面更加适合远程教学，如计费系统，教学评分等，使其更加实用。 【关键词】m p e g 一4 ，h 2 6 4 ，i pq o s ，i p v 6 ，拥塞控制， 视频教学 a b s 舡a c d e s i g nap o i n t - t o - p o i n tv i d e ot e a c h i n gs y s t e m a b s t r a c t f r o m w i t h a n di t sq o sr e s e a r c h d i s t a n c ee d u c a t i o nh a sg o n et h r o u g ht h r e e p h a s e s ，i ts t a r t e d c o r r e s p o n d e n c ec o u r s e s ，c o m i n gt h r o u g hd i s t a n c ee d u c a t i o n m u l t i m e d i a n o wt o o p e n d i s t a n c e s t u d y i n f o r m t i o n t e c h n o l o g yg i v e sas t r o n gp o w e rt oi t sd e v e l o p m e n t ，i tm a k e sa r e a ld i s t a n c ee d u c a t i o nc o m et r u e b u tt h en e t w o r ki sn o t p e r f e c t ，m a n yf a c t o r sw h i c hh a s1 0 t s o fr e l a t i o n s h i p sw j t h t r a n s p o r ts t r e a | 1 l e d i ai nn e t w o r kr e s t r a i nt h ed e v e l o p m e n to f d i s t a n c ee d u c a t i o n ，v i d e oa n da u d i oc a nn o tg e t q u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s )d u r i n gt r a n s p o r t i n gi ni n t e r n e t d i s t a n c e e d u c a t i o ni ss t a g n a n tn o w t h isp a p e ra n a l y s e ss t r e a 哪e d i a sp r e s e n tsit u a ti o na t f i r s t ，p o i n to u tt h a tp r o t o c 0 1 sh a v ed i f f e r e n tf u n c t i o n sa n d a p p l i c a t i o n s ，c h o o s i n gt h eb e s tt r a n s p o r tt e c h n o l o g yw h i c ha r e m a i1 ym p e g 一4a n dh 2 6 4f o rap o i n t t o p o i n tv i d e ot e a c h i n g s y s t e m ( p p v t s ) isv e r yi 】p o r t a n t s e c o n d ，r e s e a r c hq o si na p p l i c a t i o nl a y e ro fn e t w o r k ，u s e r e l a t e dp r o t o c o l st oa s s i s tv i d e ot r a n s p o r t i n gq u a li t yi n n e t w o r k ，u s ee n d t o e n dq o sc o n g e s t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a p p l ya l o a d c o n t r 0 1a l g o r i t h m st op r e v e n td a l a yo r1 0 s ep a c k e t si n p p v t s o nb a s i co ft h ea n a l y s i sa b o v e ，d e s i g nap p v t s ，w h i c hi s a b s t m c t s u i t a b l ef o re d u a t i o n ，a d ds o m es p e c i a lt e a c h i n gf u n c t i o n si n i ta n dm a k ei td i f f e r n tf r o man e t m e e t i n gs y s t e m ，i tw i l lb em o r e s u i t a b l ef o rt e a c h i n go n l i n et h a nb e f o r e 【k e yw o r d s 】m p e g 一4 ，h 2 6 4 ，i pq o s ，i p v 6 ，l o a d c o n t r o l ， v i d e ot e a c h i n g 独创性声明 y 8 7 9 82 5 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北 京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：差也 日期：刃彩年弓月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北京交通大学计算机与信息技 术学院所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 本人签名： 箩也 、 日期：型年三月上日 绪论 1 绪论啪1 1 1 视频教学模型产生的背景和现状 随着i n t e r n e t 网络的不断发展，通信技术越来越先进，推动了远 程教育的发展，同时也面临新的挑战和革新，远程视频教学可以为远 程教育加入新的活力和带动一场新的教育革命，但是传统的视频软件 因为技术限制，有很多不足之处，并不适用远程教学。例如没有明确 的服务质量要求，编码技术较老，视频不清晰，教学功能欠缺等。因 此需要根据现在的新技术基础而重新设计。 对于目前市场上有很多视频聊天软件和视频会议软件，勉强可以 用于视频教学，但由于它们并不是为视频教学良身定做的，所以多多 少少都存在这样或那样的不足，在设计视频教学模型时，除了考虑当 前技术上的问题，也要对它的适用范围一一远程教学而做适当调整和 改进。 1 2 存在的要解决的问题 现在有三个问题需要解决： ( 1 ) 如何处理现有采集来的庞大视频文件，摒弃传统的编码方 式，是用现在的稳定的m p e g 一4 编码技术还是最新的h 2 6 4 技术。 ( 2 ) 何保障网络中视频传输的质量问题，对于现有的各种协议 和端到端的q o s 控制策略，应该做何种选择或者改进。 ( 3 ) 如何设计更实用的视频教学系统。视频教学系统除了实现 基本的文字，视频对话，是否还有其它的需求要考虑。 1 3 本文的主要工作 本论文首先对现在流行的流媒体技术和协议以及其使用范围做 北京交通大学硕士学位论文 介绍，其次阐述现有的采集技术和视频编解码技术，选择合适的编码 技术，对于视频传输质量，通过研究应用层的q o s ，针对视频教学的 特点做相应的改进，采取必要的控制策略。最后根据这些策略设计更 实用的视频教学平台。 流媒体传输协议和q 0 s 控制技术 2 流媒体传输协议和q o s 控制技术n 儿5 儿8 掬1 2 1 传输协议简介 媒体在i n t e r n e t 上的传输必然涉及到网络传输协议，i p 协议之上 的传输层有两种通信协议：t c p 和u d p t c p 协议是一种面向连接的传输 协议，提供端到端可靠、有序的信息传输机制。但t c p 协议速率减半的 拥塞退避机制容易引起多媒体流过大的速率波动，其每包确认、超时 重发机制会引入较大的时延，同时由于t c p 是面向连接的可靠传输协 议，存在建立和关闭连接的开销，所以t c p 协议不适合用于多媒体传 输u d p 协议提供无连接、不可靠的数据报服务。不具备拥塞退避机制 的u d p 流在拥塞的网络环境中将大量抢占具有拥塞退避机制的协议流 的带宽，同时自身的丢包也迅速增加，并带来系统拥塞崩溃的潜在危 险。因此没有拥塞控制的u d p 协议也不适合用于多媒体流的传输。只有 采用合适的协议才能更好地发挥流媒体的效用，保证传输的q o s 质量。 i e t f ( i n t e r n e t 工程任务组) 是i n t e r n e t 规划与发展的主要标准化组 织，已经设计出几种支持流媒体传输的协议。主要有用于i n t e r n e t 上 针对多媒体数据流的实时传输协议r t p ( r e a 卜t i m et r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) 、与r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务的实时传输控制 协议r t c p ( r e a 卜ti m et r a n s p o r tc o n t r 0 1p r o t o c 0 1 ) 、定义了一对多 的应用程序如何有效地通过i p 网络传送多媒体数据的实时流协议 r t s p ( r e a l t i es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 2 1 1r t p 与r t c p 协议 r t p 眦p ( 实时传输协议实时传输控制协议) 都是基于u d p 派生 出的协议，并增加了对实时传输的控制。一般用于网上传输实时视频 数据，比如远程视频监控，视频点播等。它包括两个紧密相关的部分： 3 北京交通大学硕士学位论文 实时传输协议( r t p ) ，传输有实时特性的信息；实时传输控制协议 ( r t c p ) ，监视业务质量和传输对话中成员的信息。 ar t p 协议”“ r t p ( r e a 卜t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 提供了实时信息的端对端 传输业务，利用它能够在1 对l ( u n i c a s t ，单播) 或者l 对多( m u l t i c a s t ， 多播) 的网络环境中实现流媒体数据的实时传输。如交互的语音和图 象：这些业务包括负载类型识别、序列编号、加入时间标志、传输监视。 典型的应用是在u d p 层上传输r t p 包，以利用它的复用和总和检测业务。 r t p 头格式如下： o2348 91 63 1 v = 2p xc cmp t s e q u e n c e n u m b e r t i m e s t a j n p ( 3 2 b i t ) s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ( s s r c ) i d e n t i f i e r ( 3 2 b i t ) c o n t r i b u t i n gs o u r c e ( c s r c )i d e n t i f i e r( 3 2 b i t ) 图2 1r t p 分组固定头部格式 v ：v e r s i o n ，版本号； p ：p a d d i n g ，是否还有补丁数据的标志位； x ：e x t e n s i o n 头信息是否还需扩展； c c ：c s r cc o u n t ，c s r c 计数，表示固定头后有多少个c s r c 标识 符； m ：m a r k e r ，标记； p t ：p a y l o a dt y p e ，载荷数据的类型； s e q u e n c en u m b e r ：发送包的序列号： t i m e s t a 叩：数据包发送的时间戳； 流媒体传输协议和q o s 控制技术 s s r c ：同步源标记，用以识别同步源； c s r c ：对载荷数据有作用的源标记。 r t p 本身并不提供任何保证按时传送和其他的服务质量( q o s ) ，它 依赖于底层来实现这些功能。它不保证传送，不阻止乱序传送，也不 假设底层是可靠的并按照顺序传送数据。在r t p 分组格式中，与实时传 输密切相关的字段是：序列号( s e q u e n c en u m b e r ) ，时戮( t i m e s t a m p ) 和 同步源标识( s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ( s s r c ) i d e n t i f i e r ) r t p 提供的时间戳( t i m e s t a m p ) 信息是多媒体实时数据传输的重要 信息，它既可用于数据的流内同步，也可用于流间同步。时间戮记录 了发送方数据块( 如视频帧) 第一个字节的创建时间。接收方利用时间 戳可维持数据接收的实时性，实现数据流的同步，完成r t p 包的重组， 并按照正常的速率回放数据。 对于一些大的数据块，如视频帧，一个数据块被分成多个包，它 们使用相同的时间戳，仅靠时问戳不足以恢复数据包的顺序，并且u d p 等传输方式也不保证数据包传输的顺序性。因此，r t p 提供了序列号 ( s e q u e n c en u m b e r ) 以恢复数据包的顺序，实现丢包检测，为实时传输 提供网络拥塞等信息。 为了确保实时数据的接收方能够识别数据负载格式、回放数据， r t p 提供了负载类型( p a y l o a dt y p e ) 标识。负载类型标识指定了r t p 数 据包的负载格式及编码压缩方法。r f c1 8 9 0 中定义了一些常见的负载 类型( 如：m p e g ，j p e g 视频，h 2 6 l 视频流等) ，用户可以根据需要定义更 多的负载类型。在实时数据传输过程中，根据网络的拥塞情况( 如在拥 塞时牺牲图像质量，采用高压缩比视频编码) 或r t p 数据接收方的网络 信道( 如新加入低速拨号网络用户) 可及时调整负载类型，避免实时数 据传输的中断。 北京交通大学硕士学位论文 为增强数据传输的交互性，r t p 还提供了信源标识( s o u r c e i d e n t i f i c a t i o n ) ，使接收方有可能获得有关发送方的信息。 实时数据传输对于传输实时性的要求远高于传输可靠性，因此r t p 数据通常采用u d p i p 封装，以利用u d p 提供的复用和校验功能，共同完 成网络的传输层功能。 br t c p 协议 r t c p 是与r t p 协同工作的传输控制协议。 r t c p 报文格式如下： o2 381 53 1 vpr cp t = s r l e n g t h s s r co fs e n d e r s s r c 一1 ( s s r co ff i r s ts o u r c e ) f r a c t i o nl o s tc u m u l a t i v en u m b e ro fp a c k e t sl o s t e x t e n d e dh i g h e s ts e q u e n c en u m b e rr e c e i v e d i n t e r a r r i v a lj i t t e r l a s ts r ( l s r ) d e l a ys i n c el a s ts r ( d l s r ) s s r c 2( s s r co fs e c o n ds o u r c e ) p r o f i l e s p e c i f i ce x t e n s i o n s 图2 2r t c p 分组固定头部格式 v ：v e r s i o n ，版本号： p ：p a d d i n g ，是否还有补丁数据的标志位； r c ：r e c e p t i o nr e p o r tc o u n t ，本报文中的接收报告数量； 流媒体传输协议和q 0 s 控制技术 p t ：p a y l o a dt y p e ，载荷数据的类型； l e n g t h ：报文长度： s s r c ：发送者的同步源标记； s s r c n ：本报文所保持的同步源标记； f r a c t i o n1 0 s t ：丢失率； c u m u l a t i v en u m b e ro fp a c k e t s1 0 s t ：累计的丢失包数； e x t e n d e dh i 曲e s ts e q u e n c en u m b e rr e c e i v e d ：最高接受到的包 顺序号； i n t e r a r r i v a lj i t t e r ：到达时间间隔的抖动； l a s ts rt i m es ta i i l p ( l s r ) ：最后到达s r 时间戳； d e l a ys i n c el a s ts r ( d l s r ) ：从晟后到达s r 至今发送r r 的延迟。 在r t p 会话期问，各参与者周期性地传送r t c p 报文，传递实时数据 传输质量的反馈信息及各参与者的相关信息，r f c1 8 9 0 定义了r r s r ， s d e s ，b y e ，a p p 等五类r t c p 控制报文： ( 1 ) r t c pr r ( r e c e i v e rr e p o r t ) 报文：由实时数据接收方发送， r r 报文针对每个信源都提供报文丢失数、已收报文的最大序列号、到 达时问抖动、接收最后一个s r 的时间、接收最后一个s r 的延迟等信息。 ( 2 ) r t c ps r ( s e n d e rr e p o r t ) 报文：由处于活跃状态的信源发送 方发送，s r 报文不仅提供该端系统作为接收方的数据接收质量反馈信 息( 与r t c pr r 报文相同) ，而且还提供s s r c ( 同步源) 标识符、n t p 时间 戳、r t p 时间戳、发送包数以及发送字节数等与发送有关的信息。 ( 3 ) r t c ps d e s ( s o u r c ed e s c r i p t i o ni t e m s ) 报文：提供信源的描 述信息。包括c n a m e ( 信源端系统标识) 、n a m e ( 用户名) 、e m a i l ( 电子邮 件地址) 、p h o n e ( 电话号码) 、l o c ( 地理位置) 、t o o l ( 应用程序或工具 名) 、n o t e ( 通知袱态) 等s d e s 报文项。 北京交通大学硕士学位论文 ( 4 ) r t c pb y e 报文：将某参与者退出信息通知会话。 ( 5 ) r 代pa p 时艮文：用户自己定义报文。 利用上述五类r t c p 控制报文，可趴实现如下服务： ( 1 ) 媒体同步：r t c ps r 报文包含与r t p 时间戳相对应的实时信息， 可以象视频帧同步一样实现媒体同步。 ( 2 ) 信源标识：在r t p 数据包中，信源采用不直观的3 2 位s s r c 进行 标识，而r t c ps d e s 包可提供具有文本信息的c n a m e 项来标识信源端系 统、n a m e 项来标识用户名、e m a i l 项来标识电子邮件地址、p h o n e 项来 标识电话号码、l 0 c 项来标识信源的地理位置，方便实时数据传输的接 收方获得发送信源的有关信息。 ( 3 ) 拥塞控制和q o s 监控：这是r t c p 的一个重要功能。封装质量信 息的r t c p 报文可以利用r r 和s r 报文中一些相关字段来形成质量消息， 达到控制回放质量的目的。这些字段包括： 丢失率：从上一个s r 或r r 报文至今为止，r t p 数据报文的丢失率。 累计的丢失包数：从上一个s r 或r r 报文至今为止，r t p 数据报文 的丢失计数。 最高接收到的包顺序号：从接收者接收到的r t p 数据报文最高顺 序号。 到达时间间隔的抖动：两个连续的包之间不同的到达时间间隔。 最后到达s r 时间戳：最后到达的s r 报文的时间戮。 从最后到达s r 至今发送r r 的延迟：接收到最后一个s r 报文之后， 到发送本r r 报文之间的时间间隔。 上面这些字段可以实时反馈网络的状况，无论对发送方、接收方 还是网络管理员，r t c p 提供的数据传输反馈信息都是非常有用的：发送 方可根据r t c pr r 报文调整数据实时传输方式，保障视频流的稳定性和 流媒体传输协议和q 0 s 控制技术 健壮性，使端系统能够正常接收：接收方可确定网络拥塞的范围是在本 地、本区域还是全局，有的放矢地采取对策：网络管理员可及时监视网 络实时传输的性能。 由于r t c p 报文是周期发送的，随着实时传输的参与者不断增加， r t c p 报文的频繁发送对网络传输非常不利，为防止r t c p 报文占用过多 的网络资源，协议规定报文最多占用实时传输带宽的5 ，根据参与者数 量可自动调节r t c p 报文的发送频率，及时避免报文过多占用网络资源。 2 1 2r s v p 协议 由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网 络中传输高质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需其他更多 的条件。r s v p ( r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c 0 1 ) 是i n t e r n e t 上的资源预留 协议，使用r s v p 预留一部分网络资源( 即带宽) ，能在一定程度上为流 媒体的传输提供q o s 。在某些应用系统如网络视频会议工具v i c 中就集 成了r s v p 。 它是一种可以提供音频、视频、数据等混合服务的互联网络综合 服务( i i si n t e r n e ti n t e g r a t e ds e r v i c e ) r s v p 9 7 ，r f c l 6 3 3 。通 过它，主机端可以向网络申请特定的q o s ，为特定的应用程序提供有保 障的数据流服务。路由器也使用r s v p 发送服务质量( q o s ) 请求给所 有节点( 沿着流路径) 并建立和维持这种状态以提供请求服务。通常 r s v p 请求将会引起每个路由器节点数据路径上的资源预留，并维持该 状态直到应用程序释放这些资源。 r s v p 对资源的申请是单向的，所以r s v p 在申请资源的过程中发送 端和接受端是逻辑上完全不同的两个部分。( 虽然发送端和接受端可以 运行在同一个进程下) 。r s v p 工作在i p v 4 或i p v 6 上，处于0 s i 七层协议 北京交通大学硕士学位论文 中的传送层。但是r s v p 并不处理传送层的数据，从本质上看，r s v p 更 象是网络控制协议，如i c m p ( i n t e r n e tc o n t r 0 1m e s s a g ep r o t o c 0 1 ) ， i g m p ( i n t e r n e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 或是路由协议。和路 由协议及管理协议的实现相同，r s v p 的实现通常在后台执行，而不是 出现在数据传送的路径上。 r s v p 本质上并不属于路由选择协议，r s v p 的设计目标是与单播 ( u n i c a s t ) 和组播( m u l t i c a s t ) 路由选择协议一起工作。r s v p 进程 参照本地路由选择数据库以获得传送路径。以组播为例，主机发送 i g 忡信息以加入组播组，然后沿着组播组传送路径，发送r s v p 信息 以预留资源。路由选择协议决定发送的数据包的走向。r s v p 仅关心这 些报文在它将走的路径上能否获得满意的服务质量。为了有效适应大 型组、动态组成员以及不同机种的接收端需求，通过r s v p ，接收端 可以请求一个特定的q o s 。q o s 请求从接收端主机应用程序被传送至本 地r s v p 进程，然后r s v p 协议沿着相反的数据路径，将此请求传送到 所有节点( 路由器和主机) ，但是只到达接收端数据路径加入到组播分 配树中时的路由器。所以，r s v p 预留开销是和接受端的数量成对数关 系，而非线性关系。 2 1 3i c m p 协议 网际控制报文协议i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g cp r o t o c 0 1 ) 是一个辅助协议，能在不同主机间传递简短消息。在t c p i p 参考模型 中，与i p 协议同属网际层。当i p 数据报在传送途中出错时，i p 总是 和i c 归配置在一起，向源主机发回出错的消息。i c m p 提供有3 类消息， 如请求消息、差错消息和控制消息，它们辅助i p 进行主机探测、路由 维护、路由选择和流量控制等，使得利用u d p 传输的视频流有了差错 流媒体传输协议羊uq o s 控制技术 处理功能。 i c m p 报文封装格式如下： o1 63 1 4 为版本4 为首部8 为服务类1 6 为长度 长度型( t o s ) 1 6 位标识3 位标志1 3 位偏位置 8 位生存时间8 位协议1 6 位首部检验和 ( t t l ) 3 2 位源i p 地址 3 2 位目的i p 地址 i c m p 报文类型i c m p 报文代码i c m 时艮文校验和 其他信息和数据 圈2 3i c m p 报文封装 i c m p 报文通常封装在i p 报文之后，在i p 头的“8 位协议”字段， 其值应为“l ”或“i c m p ”。i c m p 的报文类型是由“报文类型”( t y p e ) 和“报文代码”( c o d e ) 字段共同决定的，比如t y p e 取值8 ，c o d e 取值 0 ，表示e c h or e q u c s t 消息，而t y p e 取值0 ，c o d e 取值o ，则表示e c h o r e p l y 消息。 i c m p 首部检验和的算法与i p 首部检验和算法一致，它不对首部后 面的数据进行计算。首先把检验和字段置为0 ，然后对首部中每个1 6 位进行反码求和( 比如将t y p e 和c o d e 字段组成一串1 6 位) ，结果存在 检验和字段中。当收到一份i c m p 数据报后，f 司样对首部每个l6 位进 行二进制反码求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部 中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么 接收方计算的结果应该全为l 。如果不是全1 ，则检验和出错。 北京交通大学硕士学位论文 i c m p 报文中，“其他信息”字段内容随着类型和代码的不同而不 同。，比如e c h or e q u e s t 类型，就有“1 6 位标识符”和“1 6 位顺序号” 字段，而时间戳t i m e s t 硼p 类型，除“1 6 位标识符”和“1 6 位顺序号” 字段外，还有“发送时间戳”、“接收时间戳”、“传输所用时间戳”宁 段内容。由于i c m p 报文在网络中起查询和控制作用，因此其数据部分 为o ，即不携带任何视频数据。 i c m p 是一个辅助协议，它只有和口封装在一起，作为数据报 的一部分向外发送，才能被i p 层或更高层协议口c p 或u d p ) 使用。它 不是一种高层协议，只是口的一部分，它为i p 提供差错报告功能，当 源主机收到i c m p 差错报告之后，还需要与应用程序联系起来，才能决 定相应的差错处理方式。 2 1 4l p v 6 协议乜“ i p v 6 是“i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ”的缩写，它是i e t f 设 计的用于替代现行版本i p 协议一i p v 4 一的下一代i p 协议。 目前i n t e r n e t 中广泛使用的i p v 4 协议，也就是人们常说的i p 协 议，已经有近2 0 年的历史了。随着i n t e r n e t 技术的迅猛发展和规模 的不断扩大，i p v 4 已经暴露出了许多问题，而其中最重要的一个问题 就是i p 地址资源的短缺。有预测表明，以目前i n t e r n e t 发展的速度 来计算，在未来的5 到1 0 年间，所有的i p v 4 地址将分配完毕。尽管 目前已经采取了一些措施来保护i p v 4 地址资源的合理利用，如非传统 网络区域路由和网络地址翻译，但是都不能从根本上解决问题。 为了彻底解决i p v 4 存在的问题，i e t f 从1 9 9 5 年开始就着手研究开 发下一代i p 协议，即i p v 6 。i p v 6 具有长达1 2 8 位的地址空间，可以彻底 解决i p v 4 地址不足的问题，除此之外，i p v 6 还采用了分级地址模式、 流媒体传输协议和q o s 控制技术 高效i p 包头、服务质量、主机地址自动配置、认证和加密等许多技术。 2 2q o s 控制技术 2 2 1q o s 的基本概念和发展 aq o s 定义 一般来说，基于存储转发机制的i n t e r n e t ( i p v 4 标准) 只为用户提 供了“尽力而为( b e s t e f f o r t ) ”的服务，不能保证数据包传输的实时 性、完整性以及到达的顺序性，不能保证服务的质量，所以主要应用 在文件传送和电子邮件服务。随着i n t e r n e t 的飞速发展，人们对于在 i n t e r n e t 上传输分布式多媒体应用的需求越来越大，一般说来，用户 对不同的分布式多媒体应用有着不同的服务质量要求，这就要求网络 应能根据用户的要求分配和调度资源，因此，传统的所采用的“尽力 而为”转发机制，已经不能满足用户的要求。为了解决在i n t e r n e t 等 计算机网上高质量地传输多媒体信息的问题，美国于1 9 9 6 年底，开始 了以提高网络服务质量研究为核心底i n t e r n e ti i 以及n g i ( 下一代 i n t e r n e t ) 等研究项目。i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 也成立了专门的工作小组来研究多媒体服务质量的定义和相关的标 准。 网络服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，简称q o s ) 是网络于用户之 间，以及网络上互相通信的用户之间，关于信息传输与共享的质的约 定，例如，传输延迟允许时间、最小传输画面失真度以及声像同步等。 北京交通大学硕士学位论文 几i 丌 1一 用户q o s 广_ 设备q o s 上网络q o s _ 由应 i 1 图2 - 4q o s 分层结构图 q o s 有几个定义的版本，在i n t e r n e t 等计算机网络上为用户提供高 质量的q o s 必须解决以下问题： ( 1 ) q o s 的分类与定义。对q o s 进行分类和定义的目的是使网络 可以根据不同类型的q o s 进行管理和分配资源。例如，给实时服务分配 较大的带宽和较度的c p u 处理时间等，另一方面，对q o s 进行分类定义 也方便用户根据不同的应用提出q o s 需求。 ( 2 ) 准入控制和协商。即根据网络中资源的使用情况，允许用 户进入网络进行多媒体信息传输并协商其q o s 。 ( 3 ) 资源预约。为了给用户提供满意的q o s ，必须对端系统、路 由器以及传输带宽等相应的资源进行预约，以确保这些资源不被其他 应用所强用。 ( 4 ) 资源调度与管理。对资源进行预约之后，是否能得到这些 资源，还依赖于相应的资源调度与管理系统。 章一 流媒体传输协议和q o s 控制技术 q o s 是一种抽象的概念，它用于说明网络提供服务的质量程度。和 其他网络传输相比，视频传输在延迟和丢失方面有特别的限制。同时 目前的i n t e r n e t 并没有广泛使用q o s 保证机制，如i n t s e r v ( t h e 工n t e g r a t e ds e r v i c e ) 和d i f s e r v ( t h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 等。 而且网络可用的带宽不仅存在不确定性，同时会随时间而改变，不可 避免地发生网络拥塞现象，造成视频流的延迟和丢包。因此在视频传 输框架中要有网络q o s 探测机制来实时衡量网络传输品质，使得编码器 可以依据网络状况而改变编码速率，达到最大限度利用带宽，给终端 用户提供较好的视频质量。影响网络q o s 的因素可用公式表达 q o s = f ( t u ，e r ，d e ，d e ，) 其中t u 为吞吐量，e r 为差错率，d e 为端到 端延迟，4 d e ，为延迟抖动。 bq o s 现状及相关技术 当前主要的i pq o s 技术有集成服务( i n t s e r v ) 、区分服务 ( d i f f s e r v ) 、q o s 路由和m p l s 。 ( 1 ) 集成服务( i n t s e r v ) 集成服务的体系结构和参考框架见文献 5 。集成服务的基本思想 是在传送数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络资源预留，从而为该 数据流提供端到端的q o s 保证。 资源预留协议r s v p 是集成服务的核心。这是一种信令协议，用来 通知网络节点预留资源。如果资源预留失败，r s v p 协议会向主机发回 拒绝消息。 集成服务能够在i p 网上提供端到端的q o s 保证。但是，集成服务对 路由器的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，路由器的存储和 处理能力会遇到很大的压力。因此，集成服务可扩展性很差，难以在 i n t e r n e t 核心网络实施，目前业界普遍认为集成服务有可能会应用在 北京交通大学硕士学位论文 网络的边缘上。 ( 2 ) 区分服务( d i f f s e r v ) 区分服务的基本思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分 等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞 时，级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的 优先权。区分服只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺具体的 服务质量指标。i e t f 定义了区分服务的体系结构。 在区分服务机制下，用户和网络管理部门之间需要预先商定服务 等级合约( s l a ) ，根据s l a ，用户的数据流被赋予一个特定的优先等级， 当数据流通过网络时，路由器会采用相应的方式来处理流内的分组。 区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息的数量少，因此 实现简单，扩展性较好。它的不足之处是很难提供基于流的端到端的 质量保证。目前，区分服务是业界认同的i p 骨干网的q o s 解决方案，但 是由于标准还不够详尽，不同运营商的d i f f s e r v 网络之间的互通还存 在困难。 ( 3 ) q o s 路由 现在的i n t e r n e t 路由协议( o s p f 、r i p 等) 都采用单个测度( 如跳 数、成本) 来计算最短路由，没有考虑多个q o s 参数的要求。q o s 路由 根据多种不同的度量参数( 如带宽、成本、每一跳开销、时延、可靠 性等) 来选择路由。q o s 路由包括三个主要功能：链路状态信息发布， 路由计算和路由表存储。 q o s 路由能够满足业务的q o s 要求，同时提高网络的资源利用率。 但是q o s 路由的计算十分复杂，增加了网络的开销，目前实用的q o s 路 由算法还不多见。 ( 4 ) m p l s 流媒体传输协议和q 0 s 控制技术 多协议标签交换m p l s 并不是主要的q o s 机制，也不是q o s 的体系结 构，但m p l s 的显式路由功能大大增强了在i p 网络中实施流量工程的能 力。对于骨干网业务提供者来说，这是目前使用最普遍，可实现性最 强的一种q o s 机制。 以上四种q o s 技术可以结合使用。例如i n t s e r v 和d i f f s e r v 结合， 在核心网采用d i f f s e r v ，在接入网采用i n t s e r v 。又如m p l s 和d i f f s e r v 结合，或m p l s 和q o s 路由结合。目前m p l s + d i f f s e r v 技术最有可能成为 i p 网络运营商首选的q o s 方案。 2 2 2r s v p 协议与q o s 支持 按照i e t f 的服务分类，r s v p 协议无疑可提供b e s te f f o r t 和c o n t r o l l o a d 等级的q o s 支持能力。由于g u a r a n t e e d 等级的q o s 要求在数据传输 之前应预留好资源，而r s v p 协议不含数据传输、路由选择和资源配置功 能，与传输和路由等配合协议之间也无直接联系，只能通过节点的资源 管理来实现，因此在数据传输过程中，某些原因可能引起路由改变，这 就意味着在节点得到更新的路径预留信息来调整新路径上各节点的 资源配置之前，数据可能沿未预留资源的路径传输，同时实际网络中可 能有某些路由器不支持r s v p 协议，因而使用r s v p 协议不能提供 g u a r a n t e e d 等级的q o s 支持。因此在数据传输过程中使用的r t p r t c p 协 议中，加入一种动态的q o s 控制的资源管理方法，以加强流媒体的传输 q o s 保证。 r s v p 服务器、r s v p 客户端模块和网络上的各个节点( 主机和路由器) 对特定的媒体流预留资源，保证一定的q o s 。r s v p 客户端读取s d p 文件， 获得流媒体文件组播地址、端口和流的描述信息。为了初始化r s v p 组 播连接，r s v p 客户端首先使用i n t e r n e t 组管理协议( i g m p ) 加入流媒体 北京交通大学硕士学位论文 文件组播组。对单播连接，i g m p 协议视为组播的一种特殊情况处理。然 后r s v p 服务器发送p a t h 消息经网络上各路由器给r s v p 客户端，保证沿 正确路径预留资源。r s v p 客户端收到资源预定，开始发送相应的资源预 定请求r e s v ，r e s v 请求使用s d p 文件中欲点播的流的描述信息，请求中 包含了对带宽、c p u 、i 0 、内存等资源的预定请求。r e s v 消息经p a t h 路径建立的反向路径传输至r s v p 服务器，在沿途各节点( 主机和路由器) 预留资源，保证流的q o s 。为适应路由、q o s 要求等的变化，r s v p 客户端 和r s v p 服务器定期地发送p a t h 和r e s v 刷新消息来刷新各节点上的软状 态信息表。在现有的i p 网中，某些路由器可能不支持r s 、，p 协议，r s v p 协 议使用隧道技术通过不支持r s v p 协议的网络。隧道技术要求r s v p 路由 器和非r s v p 路由器用本地路由表转发到目的地址的p a t h 消息。当p a t h 消息通过非r s v p 网络时，p a t h 消息携带前面最后一个支持r s v p 的路由 器的i p 地址。r e s v 消息转发给下一个上游支持r s v p 的路由器。所以资 源预留请求可以通过不支持r s v p 协议的网络。 2 2 3 资源管理与q o s 支持 在服务器端，实际的资源预留工作由r s v p 服务器交给资源管理模 块完成，与预留协议无关。这就是说，r s v p 协议本身不实现通信所需资 源的预留和配置，真正的实现由节点中的资源管理模块完成。资源管理 模块管理用户指定的q