（通信与信息系统专业论文）internet多媒体通信差错控制技术研究.pdf

摘要 差错控制是i n t e r n e t 多媒体通信的关键问题之一。本文根据国家科技部技术创新基金项目 ( n o 0 0 c 2 6 2 2 4 2 1 0 6 4 1 ) “远程教学协同群件产品”和国家教育部重点科学技术项目( n o 2 0 0 0 1 7 5 ) “现代远程教育关键技术：交互式实时教学工具软件”的需求，从信源容错编 码算法、i n t e r a c t 多媒体可靠通信协议、信道可靠性编码算法、以及i n t e r a c t 环境下不同应用 类型等几个方面出发，对i n t e m e t 多媒体通信中的差错控制技术进行了研究。 ，i n t e m e t 多媒体传输差错是本文研究工作的出发点。本文首先通过对i n t e m e t 服务模式和 l 传输技术以及多媒体信息传输的服务质量要求进行分析，论证了传输差错是i n t e m e t 多媒体通 信中难以避免的现象以及差错控制对多媒体通信的重要意义，并对i n t e m e t 容错多媒体通信系 统的基本框架进行了描述。 在大量阅读相关文献的基础上，本文按照i n t e r a c t 多媒体通信系统结构，从差错检测、容 错多媒体编码、信道可靠性控制、差错隐藏以及交互式差错控制等几个主要方面，对i n t e m e t 多媒体通信差错控制技术进行了综述。由于对i n t e m e t 多媒体传输差错建立正确的模型是研究 差错控制技术的前提，在广泛收集国外相关文献从多种角度描述的i n t e m e t 传输实验数据的基 础上，本文还结合研究工作的主要内容，对i n t e r a c t 多媒体传输差错模型进行了分析。 论文的研究工作按照i n t e r a c t 多媒体通信系统结构和i n t e r a c t 环境下不同类型的应用两条 线索展开。按照多媒体通信系统结构，本文研究工作包括容错多媒体编码和信道可靠性控制 两个方面；针对i n t e m e t 环境下不同类型的应用，本文研究工作涵盖了单播通信和组播通信中 的差错控制技术。 在容错多媒体编码方面，本文提出了一种基于小波变换和h 2 6 3 标准的复合容错低码率 视频编码方法小波变换在图像编码领域具有重要应用价值，对静态图像编码具有压缩率高、 编码质量好的特点本文将小波变换引入视频编码。实验证明在保证视频信号质量和编码效 率要求的前提下有效增强了h 2 6 3 视频传输的容错能力。 提高i n t e m e t 传输信道可靠性可以更加直接、有效地实现差错控制。本文提出了一种实时 信道差错控制协议m a r q 。m a r q 协议是对传统的a r q 差错控制方法的改进。协议的基本 蓬鍪敞纛溘j 螽蠡落。潼赫0 k蠹鬈溶传 ， i童誓$ 华中科技大学博士学位论文 思想是在满足多媒体信息传输实时性要求的前提下，通过对可用时延充分利用来提高数据包 丢失恢复效率。m a r q 协议对传输差错反应迅速，而且具有状态信息和重传控制信息少、差 错恢复代价低的特点。m a r q 协议还对网络状态具有自适应性，容易实现和推广应用。 f e c 是提高传输信道可靠性的另一类重要方法。本文将f e c 方法应用到t c p i p 包交换 网络的数据包层，并提出一种基于g a l o i s 域r e e d - s o l o m o n 码的数据包层f e c 编码软件实现 r 方法。本文通过查找表实现f e c 编码中的多项式运算，有效地降低多项式运算的复杂度，提 高了软件f e c 编码的效率。实验表明其编码速率能够满足大多数网络应用的要求。 由于i n t c m e t 传输网络的差异性，相对于单播通信，群组通信中的差错控制更加复杂。针 对国内外相关工作对群组通信差错控制技术的研究主要依赖于实验验证而缺乏理论依据的状 况，本文通过对基于本地重传的i n t e r a c t 多媒体组播通信差错控制建立概率模型并进行理论分 析，揭示了i n t e m e t 多媒体组播中多媒体流接收主机的回放特性与差错控制实施条件( 重传者 选择) 之间的自适应约束关系，为多媒体流回放特性自适应选择和重传者的选择提供了理论 依据。 针对i n t e m e t 多媒体群组通信中同时存在带宽差异性和包丢失率差异性，本文还提出一种 分层f e c 组播差错控制方法l m - f e c 。l m f e c 将分层组播和接收者驱动的思想扩展到f e c 差错控制中，通过将分层的源数据包和各层的f e c 校验数据包以不同的组播组发送，为接收 者进行差错控制提供更加灵活的选择。接收者根据信道可用带宽和数据包丢失率，通过j s c c 率失真优化计算，确定编码层内和编码层间的速率分配。l m f e c 统一地解决了i n t e r a c t 多媒 体群组通信中的带宽差异性和包丢失率差异性问题。实验表明，l m - f e c 能够有效改善i n t e m e t 分层组播通信中的多媒体信号质量。 本文最后对主要研究成果进行了概括，并指出了本领域需要进一步研究的问题和探索方 向炒 ： 关键词：i n t e m e t ，多媒体通信，差错控制，可靠通信协议。自动请求重传，前向纠错。分层 编码，联合信源信道编码 * $ “m 。、；女a i 醯i ；鑫数，。琵丞。纛 。 ， a b s t r a c t e r r o rc o n t r o li so n eo ft h ek e yp r o b l e m si ni n t e r a c tm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s i no r d e rt o m e e t t h en e e d so f i n n o v a t i o n f o u n d a t i o no f c h i n a n a t i o n a l m i n i s t r yo f s c i e n c e a n d t e c h n o l o 盱f o r t h ep r o j e c t “c o o p e r a t i o nd i s t a n c el e a r n i n gg r o u p w a r e ”o q o 0 0 c 2 6 2 2 4 2 1 0 6 4 1 1a n dk e ys c i e n c e a n dt e c h n o l o g yi t e mf o u n d a t i o no fc h i n an a t i o n a le d u c a t i o nm i n i s t r yf o rt h ep r o j e c t k e y t e c h n o l o g i e si nm o d e m d i s t a n c el e a r n i n g ：i n t e r a c t i v er e a l - t i m ee d u c a t i o ns o f t w a r et o o l s ”( n o 2 0 0 0 1 7 5 ) ，t h ew o r ki m r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a sr e s e a r c h e de r r o rc o n t r o lt e c h n o l o g i e si nt h e m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n so v e ri n t e r a c t ， f r o mt h e a s p e c t s o fi n t e r a c tm u l t i m e d i ar e l i a b l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，e r r o r - r e s i l i e n ts o u r c ec o d i n ga l g o r i t h m ，r e l i a b l ec h a n n e lc o d i n ga l g o r i t h m a n dt h ee r r o rc o n t r o li m p l e m e n tf o rd i f f e r e n tt y p e so f i n t e r a c t a p p l i c a t i o n s t h ei n v e s t i g a t i o no ft r a n s m i s s i o ne r r o ri nt h ei n t e m e tm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n si st h e s p r i n g b o a r do ft h er e s e a r c hw o r k s ot h i sd i s s e r t a t i o nf i r s td e m o n s t r a t e st h a tt r a n s m i s s i o ne r r o ri s a l m o s tu n a v o i d a b l ei ni n t e r a c tm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n sa n de r r o rc o n t r o li sv e r yi m p o r t a n tf o r t h em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s b ya n a l y z i n gt h e i n t e r n e ts e r v i c em o d e la n dt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g i e s a n dt h e r e q u i r e m e n t t o t h e q u a l i t y o fs e r v i c ef r o mm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n t h ef r a m e w o r ko fe r r o r - r e s i l i e n ti n t e r a c tm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi sa l s o d e s c r i b e d b a s e do nt h es t u d y i n go fam a s so fr e l a t e dp a p e r s ，t h ei n t e r a c tm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n e r r o rc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa r e s u m m a r i z e d ，a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fi n t e r n e tm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，i n c l u d i n g e n o r d e t e c t i o n ，e r r o r - r e s i l i e n tm u l t i m e d i ac o d i n g , c h a n n e l r e l i a b i l i t yc o n t r o l ，e l o rc o n c e a l m e n ta n di n t e r a c t i v ee r o rc o n t r 0 1 r e s e a r c h i n gt h ee l r o rc o n t r o l t h n o l o g ym u s tb eo nt h ep r e m i s eo fe s t a b l i s h i n ga p p r o p r i a t em o d e lf o rt h eh r o ri ni n t e r a c t m u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n b a s e do nt h ew i d e l yc o l l e c t e de x p e r i m e n td a t a p r o v i d e db yr e l a t e dp a p e r s m 女l 鸶| i i 囊h 。j l ；瀣，巍l 疹烈巍 t h a t 他s e a r c ht h ei n t e l l l e td a t at r a n s m i s s i o nf r o mm u l t i a s p e c t sa n d t h ef o c u so f t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e m o d e io f i n t e r n e tm u l t i m e d i a t r a n s m i s s i o ne r r o ri sd e d u c e d t h er 懿e a r c hw o r kd e s c r i b e di nt h i sd i s s e r t a t i o ng o e sa l o n gt w op a t h so f t h ef r a m e w o r ko f i n t e m e tm u i t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ss y s t e ma n dd i f f e r e n tt y p eo f i n t e m e ta p p l i c a t i o n s a c c o r d i n g t ot i l em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ss y s t e mf r a m e w o r k ，t h ew o r k i n c l u d e se r r o r - r e s i l i e n tm u l t i m e d i a c o d i n g a n dc h a n n e lr e l i a b i l i t yc o n t r 0 1 a l o n gt h eo t h e rp a t h ，t h ew o r k c o v e r st h eu n i c a s ta p p l i c a t i o n a n dm u l t i c a s ta p p l i c a t i o n a ne r r o r - r e s i l i e n tm u l t i m e d i as o u r c ec o d i n g ，w h i c hi s ah y b r i dv i d e oc o d e c ，i sp r o p o s e db y c o m b i n i n gw a v e l e tz e r o - t r e ea p p r o a c ha n dh 2 6 3v i d e oc o d e c w a v e l e tc o d i n gc o u n t sf o ri m a g e c o d i n gw i t hh i g hc o m p r e s s i o n t a t i oa n dp e r f e c tc o m p r e s s i o nq u a l i t y t h eh y b r i dc o d e ci n t r o d u c e si t i n t ot h ev i d e oc o d i n ga n de n h a n c e de f f e c t i v e l yt h ee r r o r - r e s i l i e n tc a p a c i t yo fh 2 6 3v i d e os w c a m w h i l et h ev i d e oq u a l i t yi s g u a r a n t e e du n d e rg i v e nr a t e l i m i t a t i o nw h i c hi sd e m o n s t r a t e db y e x p e r i m e n tr e s u l t s i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fi n t e m a tc h a n n e li s ad i r e c tw a yo fe r r o rc o n t r 0 1 ar e a l - t i m e c h a n u a le r r o rc o n t r o lp r o t o c o lm a r qi sp r o p o s e d , w h i c he n h a n c e st h et r a d i t i o n a la r q t y p ee r r o r c o n t r o lt e c h n o l o g y t h ee s s e n t i a li d e ao fm a r qi st oi n c r e a s et h er e c o v e r ye f f i c i e n c yo f m i s s i n g p a c k e t sb yf u l l ym a k i n gu s eo f a v a i l a b l ed e l a yu n d e rt h er e q u i r e m e n to fr e a l - t i m eo fm u l t i m e d i a i n f o r m a t i o n e x p e r i m e n t ss h o wt h a tm a r qr e s p o n s e sq u i c k l yt ot r a n s m i s s i o ne r r o ra n dn e e df e w s t a t ei n f o r m a t i o na n dc o n t r o li n f o r m a t i o n ，s ot h ec o s to fe r r o rr e c o v e r yi s v e r yl o w m o r e o v e r ， m a r q i sa d a p t i v et ot h ed y n a m i cn e t w o r ks t a t ea n d e a s yf o ri m p l e m e n t a t i o n ! f e ci sa n o t h e ri m p o r t a n tm e t h o df o ri m p r o v i n gc h a n n e lr e l i a b i l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , f e ci s 、 a p p l i e do np a c k e tl e v e li nt c p i pp a c l 【a ts w i t c hn e t w o r k as o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fp a c k e t l e v e lf e cb a s e do nr e e d - s o l o m o nc o d eo v c ro a l o i sf i e l di sp r o p o s e d b yi n t r o d u c i n gl o o k u p t a b l e ， t h ec o m p l e x i t yo f p o l y n o m i a lo p e r a t i o ni nf e cc o d i n gi sg r e a t l yd e c r e a s e da n dt h es o f t w a r ef e c c o d i n ge f f i c i e n c yi si m p r o v e da d e q u a t e l yt om e a tt h er e q u i r e m e n to fm o s tn e t w o r ka p p l i c a t i o n s e x p e r i m e n ts h o w st h a ti tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n tf r o mm o s to f a p p l i c a t i o n s 1 v 赫懑漱麟潮镰j 鞫懿瓣蕊。硒魄蕊枞 c o m p a r e d w i t hu n i c a s te r r o rc o n t r o l ，e r r o rc o n t r o li nm u l t i c a s ti sm o r ec o m p l i c a t e d b e c a u s eo f t h eh e t e r o g e n e i po f i m m e t c u r r e n t l ym o s t k n o w nr e s e a r c hw o r ki nt h i sf i e l dr e l i e so ne x p e r i m e n t v a l i d a t i o na n dl a c k so fa n a l y s i sf r o mt h ea s p e c to ft h e o r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b ye s t a b l i s h i n ga p r o b a b i l i t ym o d e l f o rt h er e t r a n s m i s s i o n b a s e de r r o rc o n t r o li ni n t e r a c tm u l t i m e d i am u l t i c a s t c o m m u n i c a t i o n s ，t h ea d a p t a b l er e l a t i o n s h i p b e t w e e nr e c e i v e r sp l a y b a c kc h a r a c t e r i s t i ca n de r r o r c o n t r o lc o n d i t i o n ( r e t r a n s m i t t e rs e l e c t i o n ) i sd i s c o v e r e d t h e r e f o r et h er e c e i v e r c a ns e l e c tt h e p l a y b a c kp e r f o r m a n c ea n d r e t r a u s m i t t e rm o r ea c c u r a t e l y a i ma tt h ec o n c u r r e n c eo fb a n d w i d t hh e t e r o g e n e i t ya n dp a c k e tl o s sr a t eh e t e r o g e n e i t yi n m u l t i m e d i ag r o u pc o m m u n i c a t i o n s ，a nn e we r r o rc o n t r o ls c h e m el m - f e ci sp r e s e n t e d ，w h i m c o m b i n e st h ei d e ao f l a y e r e dm u l f i c a s ta n dr e c e i v e r d r i v e ni n t of e c - b a s e de r r o rc o n t r o lt e c h n o l o g y i nl m f e c ，l a y e r e ds o u r c ep a c k e t sa n df e c v e r i f y i n gp a c k e t so f e a c hs o u s el a y e ra r em u l t i c a s ti n d i f f e r e n tg r o u p ，h e n c et h er e c e i v e rc a r li m p l e m e n te r r o rc o n t r o lf l e x i b l y a c c o r d i n gt ot h ea v a i l a b l e b a n d w i d t ha n dp a c k e tl o s sr a t eo ft h ec h a n n e l ，t h er e c e i v e rd e t e r m i n e st h ei n t e r h n t r al a y e r sr a t e a l l o c a t i o nb yj s c cr a t e - d i s t o r t i o no p t i m i z a t i o n i nt h i sw a y , l m - f e cd e a lw i t ht h eb a n d w i d t h h e t e r o g e n e i t ya n dp a c k c tl o s sr a t eh e t e r o g e n e i t yi nm u l t i m e d i ag r o u pc o m m u n i c a t i o n su n i t i v e l y e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wc o n s i d e r a b l eg a i n so i lr e c o n s t r u c t e dv i d e oq u a l i t yc a nb eo b t a i n e dw i t h l m - f e c f h 试l y ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n ds o m es u g g e s t i o n sa n d d i r e c t i o n sf o rt h ef u r u - ew o r ki nt h i sf i e l da r c g i v e n k e y w o r d s ：i n t e r a c t , m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s ， p r o t o c o l ，a r q ，f e c ，l a y e rc o d i n g , j s c c v 。s l 懿女。玉，。k 懿c 毫k ， 鞑撩“ 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 1 1引言 随着人类文明的发展。经历了漫长的农业时代和工业时代的人类社会已经迅速进入全球 化的信息时代。i n t e m e t 、电子邮件、w e b 浏览、c s c w ( 计算机支持的协同工作) 、视频点 播、多媒体会议、远程教育、远程诊断等等新名词、新技术和新应用的不断涌现，使得人们 不得不用“信息爆炸”来描述现代社会特征。 i n t e m e t 1 】o 屿多媒体信息处理p 心分别是支撑信息时代的重要技术之一。计算机网络嘲互 联形成的覆盖世界各地的i n t e r n e t 是人们进行信息传输和交流的载体，它是人类社会进入信息 时代的前提和标志，因为没有交互就无所谓“信息”；而多媒体则将多种包含有限信息的单一 媒体集成起来，成为信息量最为车富的信息存在的一种重要形式。这两项技术分别以不同形 式走进千家万户，不断融入并改变着人们的生活方式。 i n t e m e t 技术与多媒体信息处理技术有着各自不同的起源和历史，它们即各自飞速发展， 又迅速走向融合。在i n t e r a c t 技术方面，尽管电路交换网络因其历史原因及其本身具备一些优 势，而且电路交换与包交换的争论也依然在继续，但i n t e m e t 的迅速发展和普及却是不争的事 实( 1 ”专家普遍预言，1 pi so v e re v e r y t h i n ga n de v e r y t h i n gi so v e ri p 是未来不可阻挡的发展趋 势。据统计1 6 i ，在1 9 9 9 年已有超过5 0 的网络流量是以包交换方式传输的，可以想象，这一 数字在近两年内必然不断被大幅刷新现在，随着以砰v 6 1 7 1 为代表的协议体系的推出，下一 代包交换网络嗍将提供d i f f s e r v t g 和i n t * s e r v f l o l 等q o s 服务4 净，为传输实时信息提供条件 另一方面，数字多媒体应用也从家庭v c r 、c d 、v c d 迅速向着i n t e m e t 网络点攉、数字 电视、视频会议等方向发展，多媒体已经成为一类重要的网络应用”。目前已经有大量的多 媒体编码技术1 2 - i | i 被提出并得到广泛应用，如图像压缩方面的预测编码、查换编码、予带编 码、分形编码、模型基编码、矢量量化、运动估计等，音频压缩方面的自适应差分编码、线 性预测编码、子带编码、熵编码、矢量量化等纵观已经制定的各种多媒体编码国际标准。 绶j o 、：描戳薹谶溢歉讼 华中科技大学博士学位论文 包括视频编码的m p e g i 2 1 4 及h 2 6 1 3 l ，音频编码的g 7 1 1 、g 7 2 2 、g 7 2 3 、g 7 2 8 、g 7 2 9 等，可以发现多媒体信息处理技术也从以尽可能去掉冗余的压缩为根本目的，向着将压缩与 传输综合考虑的方向发展。由于多媒体信息传输对网络资源要求较高而计算机网络传输成本 低。因此计算机网络成为多媒体信息传输的首选载体。 ， 但是，i n t e m e t 技术与多媒体信息处理技术的融合并非先天性的。在计算机互联网络发展 初期，其业务以文本文件、e m m l 等非实时数据传输为主l 。统计复用、路由选择和存储转 发等是计算机网络采用的主要技术f “。这些技术能够显著提高应用灵活性及资源利用效率， 降低传输成本，但应用带宽、时延、数据包丢失等参数是随着网络状况而动态变化的。因此 包交换网络只提供尽力服务( b e s t e f f o r ts e r v i c e ) 不提供服务质量( q o s ) 保证。尽管下一 代 n t e m e t 技术在服务质量方面将得到改进，但其实现及普及需要一个长期的过程。而另一方 面，多媒体信息传输对网络服务质量具有较高要求【3 j ：带宽要求远高于普通网络应用，而且 流量突发性强：实时性要求严格；而且。经过压缩的多媒体数据流内部各数据段彼此具有依 赖性，部分数据的丢失会影响到其它相关数据的解压，对多媒体流的回放质量有很大影响。 因此，尽管多媒体信息在 n t e m e t 上的传输是将来必然的发展趋势，有着广泛的应用需求 和乐观的发展前景，但由于多媒体信息处理技术和计算机包交换网络技术的根本属性存在着 上述矛盾，而且这些属性在短期内不可能被摒弃或取代，因此i n t e m e t 上的多媒体信息传输还 有许多问题需要解决，如协议体系的改进、新的编码技术、流量控制、差错控制、实时与非 实时流的友好性、同步机制以及如群组通信等新的应用类型等等，这些都是当前i n t e m e t 多媒 体通信领域的研究热点。 在这种背景下，基于近年来一直致力于多媒体通信技术的研究和完成多项国家部委科研 ： 项目所取得的丰富研究成果和经验，本人参与的课题组分别于2 0 0 0 年9 月和2 0 0 0 年1 1 月开 始。承担国家科技部技术创新基金项目( n o 0 0 c 2 6 2 2 4 2 1 0 6 4 1 ) “远程教学协同群件产 品”和陶家教育部重点科学技术项目( n o 2 0 0 0 1 7 5 ) “现代远程教育关键技术；交互式 实时教学工具软件”两个项目的科研工作，以解决现代远程教育工程实施过程中的关键技术 及应用技术等问题现代远程教育技术和应用中基于i n t e r a c t 的多媒体通信是不可或缺的重要 组成部分，属于i n t e m e t 多媒体通信的典型应用本文结合上述两个项目的科研工作，针对 l n “甚照轴m 精。“盛& ；j 办。 删搞， 华中科技大学博士学位论文 i n t e m e t 服务模式和多媒体信息实时传输要求之间的矛盾，以i n t a r n e t 多媒体通信中的关键问 题之一差错控制技术为主要研究内容，从计算机网络多媒体可靠通信协议、信源容错编 码算法、信道可靠性编码算法、以及针对i n t e r n e t 环境下不同应用类型的具体实现等几个方面 出发，开展博士论文研究工作。 1 2i n t e r n e t 传输方式及差错 1 2 1i n t e m e t 技术及传输方式 i n t e m e t 最初以只有很少的硬件资源和通信容量的a 砌) a n e t 的形式出现。然而自诞生以 来，i n t e m e t 便以惊人的速度发展。i n t e m c t 产生于计算机技术革命时代，它的产生激起了网 络技术革命，最终导致通信技术革命。革命的产物就是i n t e m e t 将各种各样的计算机终端设备、 交换节点和网络链路无缝地连接成一个整体，可以传输包括声音、图像、视频和文本、文件 等各种数据，将世界各地的人们方便快捷地联系到一起。 传统的电路交换网络( 电信网络) 采用面向连接和时分复用( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , t d m ) 技术，为每个会话建立一个连接，提供独立的、带宽固定的通信链路。电信网络曾经 取得巨大的成功，其线路遍布世界各地，以至于时至今日电信网络依然是数据传输的部分主 干。但电路交换网络所存在的问题限制了它的进一步发展：为每个会话( 特别是距离十分遥 远的会话) 建立一个独占资源的连接代价过于昂贵，资源利用率低；电路交换网络节点设备 复杂；无法包容多种通信设施；不能灵活适应多种应用的需求。 包交换网络埘的设计者认为应该摒弃由传输网络保证完全可靠通信的要求，增加终端设 备处理通信过程的智能，降低网络交换节点的复杂度。这样，通信网络就能够建立在结构简 单、成本较低的通信设施基础之上，具有广泛包容多种通信设施的能力，能够提供更加灵活 的服务模式，使得在同一通信网络上提供多种应用成为可能。i n t e m e t 采用了基于数据包的存 储转发( s t o r e a n d f o r w a r d ) 和路由( r o u t i n g ) 技术：每个数据包携带目的地址( s e l f m u t i n g ) ： 交换节点将到达的数据包进行缓存( b u f f e r i n g ) ；交换节点按照数据包的目的地址和路由表 ( m u t i n g t a b l e ) 将数据包转发( f o r w a r d ) 到下一交换节点。存储转发技术不仅提高了通信链 3 ，鑫翥麓谶滴+ 蠹蕊瓢霭裁陵臻。l 华中科技大学博士学位论文 路资源的利用率，而且传输控制协议网络互联协议( t c p i p ，i n t e m e t 技术的核心) 将具有 不同性能的终端设备、通信链路透明地连接起来，其灵活性更是电路交换网络所无法比拟。 因此通过包交换网络传输的网络流量很快就超过电路交换网络流量，而且这个趋势还在迅速 发展。 一 由于采用面向非连接的存储转发技术，i n t e r a c t 包交换网络只提供b e s t - e f f o r t 服务模式， 不提供q o s 保证。b e s t e f f o r t 服务模式允许多种不同性质的各类应用共享网络资源，能够灵 - 活高效地传输非实时性应用，但对于实时性应用而言却存在服务质量难以保证的不足。另外， i n t e m e t 可以通过i p 协议架构在多种通信技术和不同类型的网络之上【1 9 】，因此在具有包容性 和灵活性的同时，差异性( h e t e r o g e n e i t y ) 也是i n t e m e t 的本质特征之一。i n t e r a c t 差异性表现 在多个方面：1 ) i n t e m e t 的链路差异性：不同的链路( 如拨号接入、无线接入和光纤传输) 在带宽容量、可靠性( 传输差错率) 、时延及抖动上差异非常之大。i n t e r n e t 通信链路带宽的 变化能够达到三个甚至更多数量级，从数k b s 到数百甚至数千m b s ；不同信道的丢包率的 变化也可达到几个数量级，从几乎为0 到百分之几十；不同信道的时延和抖动也会有几个数 量级的变化。2 ) 终端设备差异性：连接到i m e m e t 上的终端设备具有不同网络接口速度、计 算速度、存储容量等。3 ) 网络技术差异性：如前文所述，i n t e m e t 能够架构在不同类型、采 用不同协议的网络之上，如令牌环网、a t m 网、无线网、x 2 5 等。此外，在会话过程中，由 于通信网络资源共享与竞争，上述参数还会随时间变化。而且，未来可变带宽通信、移动通 信和趣高速宽带通信接入i n t e r a c t 网，会进一步增加i n t e r a c t 的差异性。 i n t e m e t 不仅可以传输包括实时或非实时的多种类型的数据，其应用灵活性还体现在通信 规模方面，即参与通信的成员数量。i n t e m e t 可以提供多种类型的通信方式，包括0 n et oo n e 9 的单播( u n i e a s t ) 通信方式，即传统的点到点通信，如文件传输( f t p ) 、多媒体电话等；o n e t om a n y 或m a n yt om a n y 的组播通信( m u l t i c a s t ) 口o 】方式，如文件分发、软件更新以及多媒 体会议辞应用采用这种通信方式；以及包含任意接收者的o n et oa n y 广播( b r o a d c a s t ) 通信 方式。 华中科技大学博士学位论文 1 2 2 多媒体传输网络 由于i n t e m e t 技术的开放性，在当今的互联通信领域里有很多种网络同时并存，任何一种 网络都可以接入i n t e m e t 并成为i n t e r n e t 的一部分。各种网络采用不同的技术支持多媒体通信， 使用的协议也各不相同。不同的网络技术和各自的通信协议相结合最终表现出的传输性能也 各不相同。 多媒体通信标准也有许多种类。国际电信联盟电信标准组织i t u - t ( i n t e r n a t i o n a l t e l e m m u n i c a t i o nu n i o nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 制定了一系列实时数字多 媒体通信标准，表示为h 系列。另一个国际标准委员会m p e g ( m o t i o n p i c t u r e e x p e r t g r o u p ) 也定义了一系列的音频和视频压缩标准，分别表示为m p e g 系列和g 系列。 表1 1 列举了现代通信领域里主要使用的几种多媒体通信网络技术，以及各自使用的编 码标准和复用协议、传输速率、数据包大小以及差错概率等传输特性。从表中可以看出，目 前主要使用的多媒体传输网络及其协议体系有以下几种： 1 ) i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a l n e t w o r k ) ，使用1 1 u t h 3 2 0 协议。h 3 2 0 协议目 前是多媒体会议和可视电话主要采用的通信协议。h 3 2 0 系统采用h 2 2 1 复用协议【“，提供 面向比特、速率固定、无错的多媒体传输信道。 2 ) 有线电视，卫星多媒体通信系统，复用协议为h 2 2 2 ，采用m p e g 2 视频编码标准。绝 大多数数字电视采用这种通信方式，是目前使用最为广泛的数字多媒体通信方式。信道编码 器和m p e ( 3 2 协议的传输控制提供了几乎无错的传输信道。 3 ) 基于网络互联协议用户数据报协议实时传输协议( i p u d p r t p ) 体系的实时多 媒体传输阱1 1 2 4 1 是多媒体通信的一种重要发展方向多媒体信息以数据包的形式传输，每个 数据色包括4 0 字节长度的额外负载，而多媒体数据包通常具有1 5 0 0 字节左右的长度，使额 外负载占用较小的合理的比例由于数据链