（通信与信息系统专业论文）多媒体信息实时传输qos的实现研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 多媒体通信是未来的热点之一。但多媒体实时传输的q o s 一直是一个难 点。本文对其中的一些问题进行研究。 要想对多媒体进行实时传输，必须了解多媒体数据f i 勺特点，其中多媒体 数据的数据量大和实时性要求高是它不同于其他数据的最主要特点，也是多 媒体实时通信的难点：服务质量的概念、多媒体应用对网络的需求、音频 和视频的网络需求、多媒体数据实时通信时对网络的各项要求也需要了 解。 在路由器中，存在各种路由器的包调度算法，例如先进先出( f i f o ) ， 优先级排队，用户排队等算法，论文对它们进行分析比较，了解其工作原理 和优势和不足之处：并在本文的最后提出一种新型的调度算法。 ， f 为保证多媒体数据流的实时传输，进行资源预留是必不可少的一个环节， 因为网络上的数据存在突发性。资源预留协议( r s v p ) 是一种发信号协议， 工作过程包括建立资源预留的通路，周期性地发送刷新消息( 包括p a t h 和 r e s v 刷 留链路。 ) ，在已建立的预留链路上传输数据，数据传输结束后撤消预 路由器的处理速度小于端口输入数据的速度时，会不可避免地出现缓冲 区满并丢包。当缓冲区满时的丢包策略，最常用的方法是采用尾丢包的方式， 丽尾丢包的方式和t c p i p 协议的慢启动管理策略会导致全局同步化，给网络 带来不良影响，线路利用率不高。对此提出随机预检测，避免全局同步化的 发生。 为了提供有保证的q o s ，必须在服务模式上对传统的i n t e r n e t 进行改变。 i pq o s 的体系结构生要有子带宽管理( s b m ，s u bb a n d w i t hm a n a g e m e n t ) 、综 合业务体系结构( i n t s e r v ) 和分类业务体系交换( d i 髓e n ，) 、多协议标记交 换( 姗p l s ) 等模型和机制。 关静多媒派时嘉资源赢眼务 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g yo fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o no f m u l t i m e d i ad a t ai sd i s c u s s e di nt h i s p a p e rt h eq u a l i t yo fs e r v e ro fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o no f m u l t i m e d i ad a t ai sn o t e a s yt ob em e e t e d t h ei 、ea l u 】co t m tj l l i ；】) e d i ad a t ai sm l j s fi ob ek n ox 、ni bjf l s 】e aj - i i n x - “，m j ： j c ：i n ) j 1 t h em a i nd i f f e r e n tf e a t u r ef r o mo t h e r si sd a t aq u a n t i t yi sl a r g ea n dr e a l - t i m er e q u i r e ， i ti sa l s od i f f i c u l t p o i n tf o rr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o no fm u l t i m e d i ad a t af h e c o n c e p t i o no fq u a l i t yo fs e r v e r 、t h er e q u i r eo ft h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o no f m u l t i m e d i ad a t af o fn e t w o r ki sa l s on e e dt ob ek n o w n t h ec o m p a r eo ft h ed i f f e r e n ts c h e d u l ea l g o r i t h mo ft h e1 p p a c k e ti nb u f f e ri s p r o g r e s s e dt ok n o wt h e i ra d v a n t a g ea n ds h o r t c o m i n g an e ws c h e d u l ea l g o r i t h mi s c o m eo u to f t h e ma tt h ee n do f t h ep a p e r t h es o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ( r s v p ) i sn e e df o rr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o no f m u l t i m e d i ad a t ar s v pi so n eo ft h es e n ds i g n a lp r o t o c o l st h ep r o c e s so fr s v p i n c l u d e st h eb u i l do fl i n k ，t h ei n f o r m a t i o no fp e r i o ds e n da n dt h et e a r d o w no fl i n k t h eb u f f e ri nr o u t e ri sf u l lw i t ht h e1 pp a c k e t sw h e nr o u t e r sp r o c e s sr a t ei sl o w e r t h a nt h ei n p u tr a t eo ft h ea l lp o r t so ft h er o u t e rr o u t e rw i l la b o r ti pp a c k e tw h e n b u f f e ri sf u l la n dt h ei pp a c k e ti sc o m i n gi nt h et a i ld r o pd on o tu s et h el i n ke n o u g h w i t ht c p i p ss l o ws t a r tt h er a n d o me a r l yd e t e c t ( r e d ) i sp u tf o r w a r dt oa v o i d t h eg e n e r a ls y n c h r o n i z a t i o n t h ei pq o s ( q u a l i t yo f s e r v e r ) s y s t e ms t r u c t u r ei sd i s c u s s e di nt h i sp a p e lt h ek n o w n s y s t e ms t r u c t u r ei n c l u d e ss u bb a n d w i d t hm a n a g e m e n t ( s b m ) ，i n t e g r a t e ds e r v e r s y s t e ms t r u c t u r e ( i n t s e r v ) ，d i f f e r e n ts e r v e rs y s t e ms t r u c t u r e ( d i t t s e r v ) ， m u t i l p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ( m p l s ) , e d c k e yw o r d ：m u l t i m e d i a ，r e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n ，s c h e d u l e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c o l ，q o s ( q u a l i t yo f s e r v e r ) i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 金墨盎 日期：瑚z 年月j 工日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔叁聋 导师签名： 电子科技大学硕士学位论文 第一章前言 计算机和网络是当今两大热点而计算机技术和通信技术和结合就构成 了今天的i n t e r n e t ，几乎是我们生活中所不可缺少的大工具，比如e m a i l ， 看新闻，奄资料，网j 二娱乐等等。i 酊多媒体在网络卜的应用在今天和在未来 的岁月里都是个很重要的应用，例如远程医疗，其传输的质量和实时性都 关系到人的生命；网上娱乐，使我们的生活更加丰富多彩。 随着电信业务市场的逐步放开，以i n t e r n e t 、数据通信及l p 电话为主的 多媒体通信业务逐渐成为信息服务业的发展主流。由于政府上网、企业上网、 教育上网、家庭上网等各种工程的启动，多媒体业务需求十分旺盛，多媒体 业务会成为网络的主要业务之一，因为它给我们的生活和工作带来了方便和 乐趣。而现在的网络大多不支持或传输质量较差的实时的多媒体业务。现在 在网上的多媒体应用大多是在单p c 机上的应用，例如把网上的电影下载到 计算机上后再播放，如果在线播放的话，多数会发生视频质量不好、断线等 问题。 要想使多媒体业务得到广泛的使用，必须首要解决多媒体数据流实时传 输的质量问题。在多媒体数据流实时传输问题上有很多方面需要解决。高速 的处理器芯片，宽带网的建设，路由器等中间节点的支持，终端的处理速度 等等。 q o s 的研究有多方面，包括流量整形、包调度算法、路由算法、资源预 留、接入控制等的研究。 本文主要涉及路由器方面的研究。路由器所涉及的问题也很多，高速的 处理芯片，实时嵌入式的操作系统，i p 包的如何缓冲，缓冲区大小的设置， 路由的快速查找等等。布文侧重路由器缓冲区中包的调度算法。 电子科技天攀壤墨攀短荟夏一 2 1 应用背景 第二章多媒体通信韵特征 在二十世纪，计算机和网络是两大发明。计算机技术的发展水平是一个 国家技术水平的标志之一，对计算机基本应用的掌握已经是个人发展的基本 一技能。计算机和计算机网络给人们的生活带来 焉便和快捷的服务。网络迅 猛发展，网络技术也发展很快。随着时间的推移，用户对网络服务的质量提 出了更高的要求。多媒体技术是未来的热点之一多媒体技术和通信技术结 合形成了新韵应用领域，如视频会议、可视电话、双向电视、电子商务、远 程教学、远程医疗等。 视频会议让人们可以在世界的任何地方通过显示器或电视屏幕来“面对 面”地讨论、交谈、传送文件等，使人们的活动范围扩大而物理距离缩小， 进一步提高工作效率和质量。 可视电话系统一般由语言处理、图像信号输入、图像信号输出及图像信 号处理四部分组成。图文电视机是普通电视机与图文解码器二合一体机。目 前，世界上许多先进国家图文电视的普及率已超过9 0 。 远程教学可通过因特网让学员自己选择教学计划、教学进度及教学地点， 聆听远方教授的教学指导。 远程医疗可通过因特网传送病人的各种化验单、c t 及x 射线图像：还 可传送手术镜头以便使远方的专家对手术进行指导。 多媒体通信技术使计算机的交互性、通信的分布性及电视的真实性融为 一体多媒体通信技术的广泛应用将能极大地提高人们的工作效率，减轻社 会的交通负担，改变人们传统的教育和娱乐方式。 课题来源于横向项目：低端路由器。该路由器主要用于数据业务，但在 其以后的升级产品中也要传输多媒体数据鉴于路由器的性能和网络的带 宽，只在其上传输一路语音数据，没有视频数据，其余的带宽仍用于传统的 数据业务。 图2 1 示出了路由器的连接图。， 2 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 路由器连接模 2 2 多媒体数据的特点 多媒体数据有不同于其他数据类型的特点。主要如下： 1 数据类型复杂 多媒体数据实际上是由多种不同类型的数据组成的，通常包括文本、图 形、图像、声音、视频图像、动画等不同数据类型，而且同一类型数据可以 有不同的表示方法。例如，可以用编码形式表示，也可以用二进制非编码形 式表示；可以用内部数据结构( 如图形数据常用图段、层次、边界、几何结 构等多种不同数据结构) 表示，也可以采用无结构的位图形式来表示。特别 是，这些内部数据结构随具体应用而变化。多媒体数据这一复杂性不仅使多 媒体数据的建立、存储、检索以及数据处理技术各不相同，而且使多媒体计 算机系统的功能较普通微机、丁作站的功能要复杂得多。 2 数据信息量， 现以声音和视频甾像奴据为例加以说明。对声音数据进行采样并量化时， 通常采用4 4 i k i - i z 的采样频率，而为了达到较大的动态范围和信噪比，每一 样本需用1 6 位二进制数表示，这样对一路双声道立体声而言，信息量为每 秒1 7 6 k b 或每分钟1 0 6 m b 。图像和视频图像的信息量与屏幕分辨率( x 方 向像素数+ v 方向像素数) 、表示每一像素的数据的位数、帧刷新频率以及是 否压缩等因素有关。多媒体数据的人价息最的特点导致一系列技术难点需要 。i t j 站? ， 电子科技大学硕 解决，主要包括：高速处理器技术( 包括内存、帧存和外存) 、具有高压缩 比的实时图像数据压缩和解压缩技术以及高速疆倍网络技术等。 j 3 数据的实时性要求高： 多媒体数据中的声音和视频图像都是与时间有关的信息，很多场合要求 实时处理，如声音和视频图像信息的实时压缩与解压缩、传输与同步等。另 外，在编辑、检索、显示等交互操作方面都要求有实时操作系统支持。因此。 多媒体计算机系统要有很高的运算速度，除通用的高速处理芯片外，很多算 法均需要专用硬件如声卡、视频卡等的支持。因而，高速集成电路是多媒体 计算机的重要组成部分，它们的应用不仅增强了多媒体数据处理的实时性， 还使系统软件的实时性设计得到简化。 4 数据的分布性广 由于多媒体数据的多样性，多媒体应用的开发工作要求各种专业人员介 入，包括计算机开发、文字写作、影视制作、广告宣传以及动画设计等方面 人员的协同工作，因而原始素材往往分布在不同的空间和时间里，这使得分 布式多媒体数据库的建立和管理以及多媒体通信的应用成为多媒体计算机系 统的关键技术。 5 擞据的交互性要求强 多媒体技术的特点之一就是有很强的人机交互性，这也就是它有别于传 统声像技术之处。在多媒体技术的实际应用中，主要方法是“选择和视听”。 例如，应用鼠标单击屏幕上的文字、图像或视频图像上的某一区域，调用文 字、图像、声音、实物图片或解释性的视频图像片断，或调用其他背景材料 供用户观看和决策，按用户所希望的顺序重新组织有关材料等，这些应用方 法的基础是人机交互技术，这种交互是一种实时操作，要求整个系统的软件、 硬件系统都能实时响应。 2 3 多媒体数据库的关键技术 1 ) 多媒体数据模型 多媒体数据模型主要采用关系数据模型的扩充及面向对象的实际方法。 ， 目前，在关系模型扩充方面除了引入抽象数据外，较多地采用语义模型的方 法。关系模型主要描述数据的结构，而语义模型则主要表达数据的语义。语 4 电子科技大学硕士学位论文 义模型的层次高于关系模型。 2 ) 数据的压缩和解压 由于多媒体数据库中的数据特别是声音、图像及视频等数据的量很大， 存储和传输需要很大的空间和时间；因而，必须对多媒体数据库中的数据进 行压缩解码。 3 ) 多媒体数据的存储管理羽i 仃收力法 除了常用的数据储存管理和存取疗法外，在多媒体数据库中还要引入基 于内容的检索方法、矢量空间模掣信息索引检索技术、超位检索技术及智能 索引技术等。 _ 4 ) 多媒体信息的再现及良好的用户界面 多媒体数据库中应提供多媒体宿主语言应用，还应提供对声音、图像和 视频的多种编辑及变换功能。 5 ) 分布式技术 多媒体数据通信对网络的带宽有较高的要求，需要相应的高速网络，此 外，还要解决数据集成和异构，多媒体数据语言查询、调度和共享等问题。 2 4 服务质量( q o s ) 服务质量( q o s ) 的概念己用于定量和定性描述服务的提供者与接受者之间 协商的服务性能。服务性能可由一些特定的参数描述，服务的提供者允许服 务的使用者在建立连接时对各种服务参数指定希望的、可接受的最低限度 值，有些参数还可以用于无连接的传输服务。服务的提供者根据网络服务的 种类或它能获得的服务来检查这些参数。决定能否提供所要求的服务。典型 的参数包括网络带宽、传输时延、时延抖动和差错率等在i n t e r n e t 上对网 络服务的质量的要求越来越高( 视频会议、网络电话的实时和带宽要求，大 数据量数据备份的完成时间要求等) 。网络服务质量对于多媒体应用特别重 要，这是因为多媒体应用涉及实时音频、视频通信，对网络的性能有较高的 要求。 电子科技大学硕士学位论文 服务质量基于这样的概念： ( 1 ) 不同的网络提供不同的性能。同网络也可以为不同的应用提供不 同的性能服务。 ( 2 ) 不同的应用一般需要网络提供的性能也不同。应用程序在开始进 行传送信息数据之前就应该表示对网络性能的要求。 ( 3 ) 当用户提出某一性能的服务，网络也接受了这一服务，则这一性 能应能得到保证。 服务质量这个概念最早起源于邮政网，用来指不同质量的邮递服务，如 平邮、航空、挂号、快递、保险等。x2 5 公用分组交换网出现后，主要是从 吞吐量等级和不能满足性能要求时拒绝建立服务等方面补充了q o s 的概念。 i s d n 和b i s d n 由于旨在提供综合的业务，所以对q o s 提出了更多的内容。 i t u 针对b i s d n 给出的q o s 概念为“一个决定给用户满意程度的服务质量 的总效果”。由欧委会r a c e 项目给出的q o s 定义为：q o s 是展示给用户时， 服务好坏程度的衡量，它以用户可以理解的语言来表达，并通过一系列主观 或客观的参数值来显示。按i s 0 的概念q o s 是用来规定所提供的网络服务的 好坏程度的。q o s 可用一些规定的参数来表征。 2 4 2q o s 的分层 传统的q o s ( i s o ) 只是由通信系统的网络层提供的。而对于多媒体通信 系统( m c s ) q o s 被扩展为与m c s 的4 个层次，即用户层、应用层、系统 层、设备及网络层对应的q o s 。 图2 2 表示了q o s 的分层模型。 电子科技大学硕士学位论文 2 4 3q o s 参数 图2 2q o s 的分层模型 m c s 各层可能的q o s 参数如下： 应用q o s 参数应用q o s 参数描述对应用服务的要求。有关的参数可能 是媒体质量( 媒体特性，媒体传输特性) 和媒体关系( 媒体间的关系，如媒 体传输或媒体间或媒体内部同步) 。 系统q o s 参数系统q o s 参数描述由应用q o s 引入的对通信服务和操作 系统服务的要求。它们可能以定性或定量的条件来表示。有关的参数包括系 统级的吞吐量、延迟、响应时间、数据流间、数据的有序传送、出错恢复机、 调度机制等。 阿络q o s 参数网络q o s 参数描述对网络服务的要求。它们可能用网络 负荷和网络性能来表示。网络负荷可通过网络上的平均，最小到达间隔时间、 包，信元大小、包，信元的节点服务时间等表示网络性能可用端到端的延迟 界限、延迟抖动、包的丢失率表示。 设备q o s 参数设备q o s 参数规定媒体数据装置的定时和吞吐量。 后面的部分仅按传统的q o s 概念，即网络层的q o s 来讨论。具有q o s 概念的网络应能用一些参数或语言表达它能提供的服务质量，而应用程序在 7 电子科技大学硕士学位论文 请求服务时也应提出q o s 要求。 2 4 4 性能保证 当某个应用提出q o s 的参数时，希望网络一旦接受了通信服务，能保证 按要求的质量来完成服务。这就是性能保证。由于网络的运行情况是十分复 杂的，而且有些性能并不能用一个明确的值来表示或者原来是建立在统计的 基础上的，所以性能保证也是很复杂的。 性能保证有两种类型： ( 1 ) 确定保证为参数提供一个极值，例如延迟不超过l o o m s 。 ( 2 ) 统计保证参数用一段时间内的平均值或事件发生概率来表示。 2 4 5 服务类型 根据q o s 的参数值和性能保证，可将服务分为3 种不同的类型。 保证服务提供用q o s 参数的值或界限( 可以是确定的也可以是统计的) 规定的q o s 保证。 可预测服务基于网络过去的表现，q o s 参数是过去相应服务表现的估 计。 最佳尝试服务这类服务没有保证，或者部分没有保证。这里或者不需 要有q o s 参数规定，或者给出某种形式的界限。 以上只是服务的一种分类方法。不少系统有自己更详细的服务分类。 具有q o s 的网络应能根据应用程序请求的服务要求确定是接受还是拒绝 服务，对内部资源进行分配和优化，为通信提供保护。 2 5 多媒体应用对网络的需求 多媒体应用可分为单机多媒体系统和分布式多媒体应用系统两大类。许 多多媒体应用，如视频点播、音频，视频会议、交互电视远程教学以及计算机 支持的协同工作( c s c w ) 等，都建立在网络环境上。事实上多媒体技术和 电子科技大学硕士学位论文 网络技术是当前两个发展和应用极为迅速的技术领域。而这两个领域又相互 联系，相互渗透，相互促进。随着因特网和信息高速公路的普及和性能提高， 网络多媒体应用正在成为多媒体应刚发展的主要方向。多媒体应用对网络通 信的需求与其他网络应用有许多共同之处，但也有一些特殊方面。这是由多 媒体应用的一些特征决定的。o j 彩媒体应用关系密切的网络性能和概念包 括：吞吐量：传输延迟：延迟变化；謦错率：等时性。 2 5 2 吞i d ：量 吞吐量是用单位时间内传送数据量的大小丧衡量网络传输能力的一个 量，所以吞吐量也称数据速率当数据量用二进制的位数表示时数据率也称 比特率。 两个通信端系统问的数据速率被定义为网络在单位时间内能接收和发送 的二进制数位的数量。数据速率的单位可取为“位秒”，记为b p s ，也可用“千 位秒”、“兆位秒”、“亿位，秒”，相应记为k b p s ，m b p s ，g b p s 。这时的数据速 率被称为比特率或位率。在网络处理固定大小的数据块或包时，也可用“包， 秒”、“信元，秒”为单位。 表示网络传递数据能力的另一个术语是带宽。带宽一词来自模拟通信技 术。严格地说，带宽指网络有效地传递模拟信号媒体的频率范围但网络的 带宽与网络传送数字信号的位率有着密切的关系，所以人们常把带宽作为吞 吐量或速率的同义词。人们已习惯于把高速率的数字网也称为宽带网，甚至 用数据速率的单位来表征带宽。 事实上两个端系统之间传送数掘的速度取决于网络的传输速度和端系统 本身的存取速度。当我们谈到网络的数据率时，一般假设网络连接的是一对 理想的端系统，也就是说，指的是网络的传输速度。另外，人们在网络环境 下说到带宽时，一般是指网络的带宽，或网络的数据传输能力 多媒体应用涉及音频、视频数据流，要求的数据率很高，如一般的数字 语音要求6 4 k b p s ，m p e g - 1 数据要求1 5 m b p s ，m p e g - 2 的常用模式票求 6 m b p s 。所以网络的吞吐量对于多媒体应用来说是一个重要的、也是基本的 性能要求。 对于音频、视频这样的连续多媒体来说，系统不仅能提供相应的比特率 或带宽，而且应在应用通信的过程q 保i 正这一比特率或带宽。由于网络的通 9 电子科技大学硕士学位论文 信能力或带宽一般是为多个端系统或多个应用共事的，所以保证每个应用和 每个端系统的通信就成了一个较复杂的问题，这涉及到带宽的有效利用，以 及带宽的预留分配等。 2 5 3 传输延迟 网络传输延迟对同步应用来说是一个十分重要的网络参数。网络传输延 迟也称为网络等待时间。网络传输延迟定义为由发送端系统发送的一个数据 块的第一位到接收者端系统接收到该数据之间的时间( 如图2 - 3 所示) 。 源 图2 - 3 网络传送延迟 显然，线路交换的网络的传输延迟一般很短，远距离传输情况下一般也 只在毫秒级，而那些基于存储转发的分组交换网络的传输延迟会较长， 甚至达到秒级。 在实际应用中，有一个更为重要的参数：端到端总延迟。这是在发送端， 准备好发送信息直到接收端接收完信息块所用的总的时间。端到端的总延迟 包含3 个部分： 第一部分：存取延迟等待可用媒体或网络准备好接收信息块所需要的 时间。 第二部分：位传输延迟当网络准备好，一个接一个地传递位序列所用 的时间。 第三部分：网络传输延迟即上面定义的网络传输延迟。 端到端延迟的组成表示在图2 - 4 中。 1 0 电子科技大学硕士学位论文 数窜备网罗蔷髫攀腿 歹“ 磺警竺是最 f ：块嗨第。位被传输 ： ：r 一 ： 访问 h 络传送延迟 ：位传输延： 2 5 4 延迟变化 图2 4 端到端的延迟 几乎所有网络的传输延迟都会髓时间变化，这称之为延迟变化。而端到 端的延迟也会随时间变化这称之为端到端的延迟变化。端到端的延迟变化是 由其延迟的3 个组成部分的变化引起的。 ： 在涉及视频和音频这样的连续媒体流传送的应用中，延迟时间变化有时 比延迟时问更为关键。例如，一个视频点播系统，视频节目的连续数据流被 从视频服务器发往用户端，传输延迟的作用只是使用户端的节目比服务器滞 后很短一个时间，可能是几个毫秒，在有些网络中可能会达到零点几秒。这 种延迟较大时，可能会在开始点播或进行交互式控制时被觉察出来，影响到 播放质量。对于音频传输也是这样，细微的延迟变化也会被察觉出来。 表示传输延迟变化的另一个术语是“抖动”，这是源于传播技术的一个术 语。在传播技术中，抖动指的是由传播装置产生的延迟变化，被称为物理抖 动。在网络技术中我们把“抖动”这个术语的含义扩展到延迟变化和端到端 的延迟变化。而我们仍用“物理抖动”这个术语来描述网络的传播介质和装 置产生的延迟变化。物理抖动依赖于网络所使用的技术以及网络覆盖的距 离。物理抖动产生的原因是多种多样的。例如在金属导体中的传送延迟会随 温度的变化而有微小的变化。又如，中继器性能的变化、电缆中的串扰等也 有可能导致物理抖动。 电子科技大学硕士学位论文 物理抖动通常是十分微小的，在远距离传送时一般也只是微秒级。而一 般光纤网络中的物理抖动大约在毫微秒级。但物理抖动只是整个总延迟变化 的几个组成部分之一，而且是最小的部分。 在应用中，我们关心的是端到端的总延迟变化或抖动如前所述，这一 延迟变化是由组成端到端延迟的几个部分的变化引起的。 不同类型的网络中，端到端延迟变化的组成情况有很大区别。 对付抖动的办法除了选用高质量的线路和交换及接口设备外，一个常用 的办法是在接收端增加数据缓冲环节。例如将接收到的视频数据流先入缓冲 器，而显示部分从缓冲器提取数据流。同样也有在网络节点上增加缓冲器环 节的。但这一措施要付出两个代价：第一要增添缓冲器件；第二增加缓冲器 环节会使延迟时间加长。 2 5 5 等时性 等时性的概念是为了描述传送诸如实时音频和视频这样的连续媒体流的 网络性能而引入的。如果能保证建立在连接线上的比特率并保证网络中的延 迟抖动有一个较小的界限值的话，这样的端到端的网络连接称为等时的。等 时性要求当源以某个速率发送位流时，网络上的节点能以同一速率接收它。 等时性可解释为关于数据速率和延迟变化的综合指标。等时性实质是对 网络数据速率的要求，因为延迟变化也反映为瞬时速率的变化。 等时性要求速率得到保证，这要保证的是发送端发送数据速率，它可能 是一个有变化的速率，这速率有一个网络决定的上限。对于速率，如果考虑 连续媒体数据的传输，不能用平均速率来衡量，而瞬时速率的计算和测量很 复杂的，所以要用延迟抖动来衡量，而且对抖动也只能用“保证在一个很小 的限度内”来描述。 对于线路交换的网络，其线路本身的性能决定了它们是等耐的。而其他 网络的性能在接近线路网络时也被称为等时的。 2 5 6 差错率 差错率是对网络传送过程中数据发生改动、丢失，重复或失序现象的度 量，也是对网络正确传送数据和出错恢复能力的度量。 电子科技大学硕士学位论文 1 ) 差错 网络传送过程中发生的差错包括以下几种可能： ( 1 ) 数据改动网络可能会改动传送的数据，从而导致传送的数据与发 送的数据不同。最常见的改动是位的转换以及数据块或信息包的末尾、题头 部分的丢失。 ( 2 ) 数捌丢失例络也可能会丢失数据。其原因之一是由于改动后导致 位序列减少了位数：原因之二是有的检测错误的机构在检测到错误时，把有 错误的信息块或信息包丢弃。分组交换网络中也有可能因受节点或传送线路 的内部网络拥挤的影响造成数据包的丢失，而并非传送错误导致信息包的丢 失。 ( 3 ) 数据复制复制意味着同一数据块被接收端多次收到。 ( 4 ) 数据传送失序数据传送失序指信息包以不同于它们发送的次序被 传送和接收。数据传送失序较为常见。特别是在远距离分组交换网络中，两 个端系统问常常需要改变路径。当差错或拥挤时，就会涉及到可选择的路由， 这样就可能发生路由振荡。由于并非所有的路线都有同样的传送延迟，因此 信息包就可能以与它们被发送时不同的次序传送。 2 ) 差错率的度量 主要有以下几种方法来表示和测量数据网络的差错率： ( 1 ) 误码率( b e r )误码率指的是网络在进行传送和可能的内部纠正 之后的两点之间残余错误比特的频率。误码率常作为表示传播介质质量的一 个度量。它也可以用来表示端到端连接的质量。 ( 2 ) 包差错率( p e r ) 或信元差错率( c e r )它们是相对应于分组交 换网络和信元网络的差错率，指的是包或信元丢失、复制、乱序的频率： ( 3 ) 包丢失率( p l r ) 或信元丢失率( c l r )这与p e r 和c e r 有些 类似，但它们只涉及丢失数据包或信元的度量 1 3 ) 错误处理 有3 个不同的但又有重叠的出错处理概念：错误检测、出错通知和出错 纠正。在网络本身和端系统中都可以采用这些出错处理中的任何一种。以下 简要的描述只论及网络向身所进干j ：的错误处理。 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 出错检测网络中有若干种检查错误的技术。c r c ( 循环冗余校验) 是常用的一种检测方法。这种方法是在发送时计算出比特序列的校验位，将 它追加到数据块，然后在接收设备上对接收到的比特序列再计算一次，以比 较结果是否一致。c r c 不能校验错误，它只能进行错误检测。 ( 2 ) 出错通知当网络中的内部设备检测到一个错误时，有3 种处理方 法：丢弃出错的块且不通知端系统；丢弃出错的块并通知端系统；试图校正 错误。这第二种方法就称为出错通知。 ( 3 ) 出错校正网络可以使用许多技术来校正错误。一种是通过网络中 的内部段再次发送信息块，为出错的块提供一个拷贝。x 2 5 网络就是采用这 种方法。另一种技术像增加c r c 位那样增加控制位。但这些位序列也称为位 矩阵，它们不仅能检测出传送后的错误改动，而且还能确定哪一位发生了改 动。一旦知道了是哪一位发生了改动，就能很容易地校正这个错误，因为这 一位只有两个值，即1 和0 。这种技术被称为正向错误校正( f e c ) 。f e c 有 好几种算法，采用合适的编码方案就能提供恢复力更强的传送。检错、纠错 能力是衡量网络优劣的一个因素。但是检错、纠错是要付出代价的。一个错 误恢复能力强的网络往往不是一个最快、最廉价、最有效的网络从应用的 角度来看，不同的应用，不同类型的数据在差错率方面的要求是不同的。计 算机程序代码、数值数据、控制数据等不允许在传输过程中出错对差错率 要求很高，必须采用有效的检错纠错措施。而对于多媒体应用中的音频视频 数据流，个别的、偶尔的错误一般不致造成严重的后果，甚至不一定能察觉 出来，这里主要要求速度、实时性，对差错率的要求可以降低一些。 2 6 音频和视频的网络需求 2 6 1 概述 音频和视频是对多媒体系统特别重要的两种媒体类型。对音频和视频信 息的处理能力也是多媒体系统区别子一般计算机系统的主要方面。音频和视 频信息对网络通信有其特殊要求。 所有媒体类型，包括音频和视频，都可以用两种方式传送下载方式 和实时传送方式。下载方式是一个异步过程。下载方式下对待多媒体数据和 其他类型的数据几乎没有什么不同。多媒体数据只因数据置大，需要传送的 1 4 电子科技大学硕士学位论文 数据量大，在接收端存储量大l f | il 。但在实时传送方式下，音频和视频作为 连续媒体，在速率、同步等方面对网络有特殊的要求。 对于音频和视频的实时传送应沣意以下几点： 与一般数据信息和控制信息幸h 比实时音频和视频系统对网络传输在速 率、延迟、延迟变化、同步等乃篮求更高，而在差错率方面要求较低。 音频和视频信息均可在非m 缩力式下和压缩方式下传送。在压缩方式 下，对差错率要求应高一些。这是网为考虑到有些数据作为参考值而多次使 用，它们的差错会造成较大的影响。， 对于音频和视频信息的差错的容忍度还有人听觉的生理和心理的因素。 入耳的听觉可以被模型化为一个“微分器”，它对微小的变化十分敏感。而 人的视觉机构可以模型化为一个“积分器”，它对短暂的变化不敏感，因而 音频信息对网络的抖动、差错率的要求要比视频信息高。 2 6 2 音频流的网络需求 计算机系统产生的声音质量差别很大，它可以是p c 机上低档扬声器产 生的声音，也可以是广播质量的三维立体声。从音频质量分类，可以从电话 音频质量到c d 音频质量。音频数据可以是压缩的也可以是不压缩的。不同 质量、不同类型的音频信息对网络的要求也不同。 1 ) 音频流需要的比特率 ( 1 ) 非压缩音频流所需要的比特率： 电话质量：6 4 k b p s 。g7 1 1 规定在非压缩的情况下，模拟信号每秒采 样8 0 0 0 次并且每个样本用8 位编码。因而电话质量音频流的最终比特率是 6 4 k b p s 。 o c d 质量( 立体声) ：1 4 m b p s 。c d 音频标准是基于模拟信息以4 4 1 k h z 的频率采样，每个样本使用1 6 位编码，对单声道的结果是7 0 5 6 k b p s 由于 c d 是立体声的，因而以c d 质量从网络传送完整的立体声所需要的比特率是 1 4 1 1 2 k b p s 。 ( 2 ) 压缩音频流所需要的比特率： 电话质量：3 2 k b p s ，1 6k b p s ，4k b p s 。在8 0 年代发展了许多编码和 电子科技大学硕士学位论文 压缩技术，它们采用这些技术，电话质量音频可用3 2k b p s ，稍低一些的质 量能以1 6 k b p s 的速率提供，最近的算法产生了低到4 k b p s 的比特率。 q c d 质量( 立体声) 1 9 2 k b p s 。c d 质量的声音处理有许多压缩技术。 m p e g 采用m u s i c a m 方法压缩的立体声，c d 质量的声音需要1 9 2 k b p s 。 注意这个数据流中两个立体声通道都被编码。m p e g 更高的层次对单声道， 在6 4 k b p s 可达到近似c d 质量。 2 ) 音频流对传送延迟的要求 音频流的实时传送对传送延迟的要求取决于具体的应用。交互式的应用 对传送延迟有较高的要求。音频流的交互方式可能包括； 人们之间的交谈对于人们之间的交谈，过长的延迟时间会使人感觉 到应答的滞后。而且，如果端到端的回程延迟时间超过某一特定的值，且没 有采用特别的措施来限制回声，则可能会听得见回声。i t u t s 已将2 4 m s 定 义为单向传输延迟的上限，超过它就要使用回声消除技术。 声控对于声音输入后需要系统响应的应用，为了有实时的效果，单 向传输延迟应低于1 0 0 m s 5 0 0 m s ，往返延迟一般应为2 0 0 m s 1 0 0 0 m s 。在 实际应用中，希望在输入后小于l o o m s 的时间内得到反馈，这要求网络传输 延迟在4 0 m s 的数量级。 3 ) 音频流对延迟抖动的要求 延迟抖动指标是支持实时声音的一个重要性能参数。实际上，在所有信 息类型中，实时音频对抖动最敏感。所以，网络上的音频实时传送对延迟变 化要求很高。为了克服延迟变化，需要在终端上使用一个缓冲环节来进行延 迟均衡。这个技术自然有两个结果：首先，在终端引入了一个附加延迟；其 次，必须有足够的缓冲存储区。 在以典型的p c 机或工作站作为端系统的情况下，网络传送延迟变化对 电话质量音频不应超过4 0 0 m s ，而对压缩的c d 质量的音频贝| j 一般不应超过 l o o m s ，对传送延迟严格有限制的多媒体应用，如虚拟现实，抖动不应超过 2 0 m s 3 0 m s 。 4 ) 音频流对差错率的要求 在仅需对用户播放( 不需要为进一步的处理而作记录) 的情况下，电话 质量音额流的残余误码率应低于1 0 。2 ，c d 质量音频流的残余误码率在不压 1 6 电子科技大学硕士学位论文 缩格式下应低于l o 一，而在压缩格式下应低于1 0 - 4 。 5 ) 媒体间的同步 多媒体信息在传输之后，不仅在单个数据流如音频流中的时间关系必须 恢复，有时在不同的流或各部分问的时间关系也必须恢复，这称为恢复同步。 这是媒体间同步的问题。 媒体间同步的个典型情况是肯频和视频流之间的同步。一个严格的同 步要求发生在播放语言的同时显示说话者的图像。这个特殊同步要求被称为 唇同步。在这种情况下，声音的播放和图像的显示之间的时间差不应超过 】0 0 m s 。 2 6 3 视频流的网络需求 计算机系统产生的运动视频的质量差别也很大。有5 类视频质量：h d t v ( 高清晰度电视) 、演播室质量的数字电视、广播质量的电视、v c r ( 录像 机) 质量以及低速视频会议质量。对于h d t v ，建议使用某些分辨率等级、 帧率方式。我们提出这些组合中的3 种：高分辨率高帧率( 1 9 2 0 x 1 0 8 0 6 0 f p s ) 、高分辨率，常规帧率( 1 9 2 0 1 0 8 0 3 0 或2 4 f p s ) 、增强分辨率脯 规帧率( 1 2 8 0 7 2 0 3 0 或2 4 昂s ) 。一般情况下，所指的都是第种、 常规广播电视使用隔行扫描，每帧被分为两个场。每一个场只处理奇数 行或偶数行。计算机显示器常采用逐行扫描。在相当的比特率下，逐行扫描 能给出更好的感觉质量。 。 在i t u - r 推荐的6 0 1 标准中定义了演播室质量的数字电视o 、帧的格式是 每行7 2 0 个像素，并且根据n t s c 或p a l i s e c a m 制式，每一帧为5 2 5 或6 2 5 行。每个像素用2 4 位编码。n t s c 的帧速为3 0 f p s ，而p a l z e c a m 为2 5 f p s 。 v c r 比广播电视的分辨率更低 电视会议质量指的是c i f 格式( 3 5 2 x 2 8 8 ) 以及在5 1 0 f p s 数器级的帧 速率 、 不同类型的视频的实时传送对网络的要求也不同。 1 ) 实时非压缩视频需要的比特率 由于视频会议质量实际上只运行于压缩情况下，故只提供h d t v 和寅播 室质量电视的比特率。 电子科技大学硕士学位论文 非压缩h d t v2 g b p s 。非压缩h d t v 采用高清晰度格式。因为高分辨 率高帧率( 1 9 2 0 1 0 8 0 6 0 f p s ) 和每个像素2 4 位的分辨率，h d t v 的数据流 需要的非压缩比特率是2 g b p s 。 非压缩演播室质量电视1 6 6 m b p s 。非压缩演播室质量电视的帧为7 2 0 5 7 0 个像素( p a l s c a n ) ，标准帧速率2 5 f p s ( 对p a l s e c a m ) ，每个像 素2 4 位，其数据流需要的非压缩比特率是1 6 6 m b p s 。 2 ) 实时压缩视频所需的比特率 采用m p e g 2 压缩，高分辨率高帧速率的i - i d t v 所需的比特率：2 0 m b p s 到3 4 m b p s ，高分辨率，常规帧速率i - i d t v 所需的比特率：1 5 m b p s 。2 5 m b p s 。 广播质量的电视：3 m b p s 到6 m b p s 。执行现有的m p e g - 2 压缩标准， 大约为6 m b p s ，人们期望对于n t s c 广播质量能达到2 m b p s 3 m b p s ，而对于 p a i j s e c a m 广播质量可为4 m b p s 。 o v e r 质量：l2 m 。采用m p e g 1 或d v i 压缩方法，可达1 2 m b p s 。可 另用2 0 0 k b p s 于声音，形成总计1 4 m b p s 的数据流。 视频会议质量：典型的为11 2 k b p s 。h 2 6 1 视频会议标准产生的视频数 据流的比特率为9 8 k b p s 或1 1 2 k b p s ( 被定义为视频会议的质量) 。在这种方式 下，一般另分配1 6 k b p s 给音频流。h 2 6 3 标准产生的比特率可为6 4 k b p s 或小 于6 4 k b p s l ( 也可大于6 4 k b p s ) 。 m p e g - 4 定义的方案能够压