（通信与信息系统专业论文）连续媒体应用QoS保证机制及接入控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 服务质量( q o s ) 保证是因特网和移动互联网上连续媒体应用必须考虑的关键问题 之一。本文在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”的资助下，从端到端的角度，对因特网和移动互联网上连 续媒体应用的q o s 保证机制和q o s 按入控制算法进行了研究。 本文首先简要介绍了连续媒体的特点和多媒体应用q o s 的基本知识，然后深入探 讨了目前广泛研究的三种i n t e m e t 多媒体应用q o s 保证机制：集成服务资源预留 f i n t s e r v r s v p ) 、区分服务( d i f f s e r v ) 和多协议标签交换( m p l s ) 。研咒了其各自的基 本思想，实现q o s 保证的方法及优缺点，对三种方案进行了对比分析，指出只有综合 应用三种机制才能真正实现大规模网络环境下数据报流的可预测性传输，并在上述研 究的基础上，提出了一种多种机制协作提供端到端q o s 保证的体系结构框架。接下来 本文研究了基于上述体系结构的连续应用自适应q o s 管理机制，引入了新的q o s 参一， 数；采用了自适应的q o s 映射，给出了q o s 接入控制的算法公式和详细描述。实验 表明，该方法充分考虑了连续媒体流的自适应性，在实现单个请求的q o s 控制的同时， 尽量保证所有媒体流的服务质量，提高了系统的整体性能。接着讨论了移动i p 上的 q o s 保证问题。在前面提出的因特网q o s 体系结构的基础上，提出了一种移动i p 上 端到端q o s 保证机制的框架。然后，参考集成服务模型对服务进行了分类，引入了一 种准入控制和资源预留相结合的策略来保证移动接入因特网情况下连续媒体业务的 端到端q o s 。分析表明我们的策略对于保证移动接入因特网的端到端q o s 是有效的。 本文最后介绍了因特网上实时多媒体远程教学系统和非实时课件制作及点播系 统的结构及主要功能模块，描述了接入控制在非实时课件制作和点播系统中的初步实 、 7 现。t j ，p 、， ? ， 关键词：因特网? 连续媒体 服务质量( 砭o s ) 接入控制、远程教育 华中科技大学硕士学。位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = 目= = = = a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) i so n eo ft h ek e yp r o b l e m sw h i c hm u s tb et a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o ni nc o n t i n u o u sm e d i as e r v i c e si ni n t e m e ta n dw i r e l e s si n t e m e t t h ep a p e r s t u d i e st h eq o sg u a r a n t e em e c h a n i s m sa n dq o sa d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h m o ft h e c o n t i n u o u sm e d i as e r v i c ei ni n t e m e ta n dw i r e l e s si n t e m e ti nt h ep o i n to f e n d t o - - e n du n d e r t h e s u p p o r t f r o mi n n o v a t i o nf o u n d a t i o no fc h i n an a t i o n a lm i n i s t r yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y f o rt h e p r o j e c t “c o o p e r a t i o n d i s t a n c e l e a r n i n gg r p u p w a r e ”( n o 0 0 c 2 6 2 2 4 2 1 0 6 4 1 ) a n dk e y s c i e n c ea 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 l e d u c a t i o nm i n i s t r yf o rt h e p r o j e c t “k e yt e c h n o l o g i e s i nm o d e md i s t a n c e l 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 ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ec h a r a c t e ro ft h ec o n t i n u o u sm e d i aa n dt h eb a s i c k n o w l e d g eo n t h eq o so f t h em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，t h e np r o b e si n t ot h eb a s i ci d e a sa n d r e s p e c t i v em e t h o d so ft h er e a l i z a t i o no f t h eq o sg u a r a n t e eo ft h r e ew i d e l ys t u d i e dq o s g u a r a n t e em e c h a n i s m so ft h ei n t e m e tm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ：i n t s e r v r s v p 、d i f f s e r v a n dm p l s t h ep a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e t h r e es c h e m e sa n dp o i n t so u tt h a tt h ep r e d i c t a b l et r a n s m i s s i o ni nt h ec o s m i c a li n t e m e tc a n b e i m p l e m e n t e do n l yb yc o m b i n i n g t h et h r e em e c h a n i s m s t h e p a p e rp r o p o s e s a f r a m e w o r ko ft h ee n d - t o e n dq o sg u a r a n t e ea r c h i t e c t u r ep r o v i d e db yt h ec o o p e r a t i o no f v a r i o u sm e c h a n i s m s b yc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so f v a r i o u sm e c h a n i s m s ，t h ea r c h i t e c t u r e c a np r o v i d e se n d t o e n dq o sg u a r a n t e ef o rt h ec o n t i n u o u sm e d i as e r v i c e s t h e nt h ep a p e r i m p o r t sn e wq o sp a r a m e t e r s ，a d o p t ss e l f - a d a p t i v eq o sm a p p i n g m e c h a n i s ma n dp r o p o s e s t h ea l g o r i t h m i cf o r m u l a sa n dd e t a i l so fq o sa d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h mo nt h eb a s i so f s e l f - a d a p t i v em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o nq o sm a n a g e m e n tf r a m e w o r kb a s e do n et h ef o r m e r q o sa r c h i t e c t u r e t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s ，t h em e t h o dt a k e sf u l l yc o n s i d e r a t i o no f t h e s e l f - a d a p t i v i t yo ft h ec o n t i n u o u sm e d i a w h i l ei m p l e m e n t i n gt h eq o sc o n t r o lo fas i n g l e i i 华中科技大学硕士学位论文 r e q u e s t ，i te n s u r e st h eq o s o fa l lm e d i af l o wt ot h eb e s to fi t sc a p a b i l i t ya n d i m p r o v e st h e p e r f o r m a n c e o f t h ew h o l e s y s t e m t h eq o sg u a r a n t e e o f fm o b i l ei ph a sa l s ob e e nd i s c u s s e d af r a m e w o r ko ft h ee n d t o e n dq o sg u a r a n t e em e c h a n i s mo nm o b i l ei po nt h eb a s i so f i n t e m e tq o sa r c h i t e c t u r ew a s p r o p o s e d t h e na c c o r d i n gt ot h es e r v i c ec l a s s i n gi ni n t s e r v , a m e t h o dc o m b i n i n ga d m i s s i o nc o n t r o la n dr e s o u r c er e s e r v a t i o nt oe n s u r et h ee n d t o e n d q o so fc o n t i n u o u sm e d i as e r v i c ei n t h ec a s eo fw i r e l e s si n t e m e tw a sp r o p o s e d n e a n a l y s i s i n d i c a t e st h a to u rm e t h o di sv a l i dt oe n s u r et h ee n d t o e n d q o so fm o b i l e a c c e s s i n g t ot l ei n t e r a c t f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dm a i nf u n c t i o nm o d u l e so fr e a l t i m e r e m o t ee d u c a t i o ns y s t e ma n dn o nr e a l t i m ec o u r s e w a r em a k i n ga n dv o d s y s t e m t h e p r i m a r yi m p l e m e n t a t i o no f t h ea d m i s s i o nc o n t r o li nt h en o nr e a l t i m ec o u r s e w a r em a k i n g a n dv o d s y s t e mw a sd e s c r i b e d k e y w o r d s ：i n t e m e t ，c o n t i n u o u sm e d i a , q u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) ，a d m i s s i o nc o n t r o l d i s t a n c ee d u c a t i o n m 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 计算机与通信的结合深刻地改变着人类的生产和生活方式，大大促进了人类文明 的进步，使人类步入信息社会。在网络应用的初始阶段，人们通常只是通过网络发送 电子邮件、进行文件传输或远程登录等。随着网络技术与多媒体技术的发展，计算机 网络已逐渐演变成丰富多彩的多媒体信息网。越来越多的多媒体信息可通过网络进行 传输与发布，一大批方便实用的多媒体应用，例如i p 电话、远程教学、音视频多媒 体会议、电子商务等异军突起，特别是流媒体应用必将深刻的改变着人们欣赏视频的 方式。尽管目前大多数人仍然坐在电视机前欣赏视频，但是i n t e m e t 的高质量的流视 频传输能力将促使i n t e m e t 和传统的视频传输模式展开激烈的竞争。与此同时，随着 移动通信技术和因特网技术的迅猛发展以及因特网信息资源的日益丰富，人们不再满 足在固定地点从i n t e m e t 检索、传输信息，希望在任何时候、任何地点都能方便地访 问i n t e m e t 。随着第三代移动通信系统全i p 化的趋势目渐明朗，在i n t e m e t w i r e l e s s i n t e r n e t 上传输视音频等多媒体内容具有极其诱人的市场空间和应用前景。 但是，i n t e r n e t ，、i r e l e s si 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。 i n t e m e t 作为实时交互式视频的传输平台仍然是一个挑战性问题。i n t e m e t 的简单性， 开放性和互连性使其在全球迅速得到广泛的普及并成为众多网络应用的首选平台。但 是i n t e r n e t 天生是为传输数据而设计的，它的i p 交换体现的是“尽力丽为”的原则， 因此它不能对实时的视频应用提供q o s 服务。虽然新的i p v 6 协议提供了一些q o s 保 证机制，它主要是通过使用i p v 6 包头中流标记域和优先级域进行q o s 控制的。虽然 这种能力对多媒体应用非常重要，但是目前i p v 6 的发展还只限于实验阶段，从i p v 4 到i p v 6 的过渡尚待时日。在w i r e l e s si n t e m e t 中，由于无线i n t e m e t 移动接入资源匮 乏、信道不可靠及用户终端频繁移动的特点，造成网络资源的波动较大，数据容易丢 失，保证端到端i n t e m e t 移动接入的q o s ，是实现移动终端设备与i n t e m e t “无缝”通 信的关键技术之一。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 连续媒体的特点及多媒体应用q o s 要求 1 ，2 1 连续媒体的特点 由于计算技术、压缩技术、海量存储设备以及宽带网络等技术的发展，人类的信息 交流已从单一媒体过渡到多媒体的形式。多媒体按其时间特性可分为离散媒体和连续 媒体两类【1 。离散媒体是指那些信息值与时间无关的媒体，如文本、图形和图像等； 而连续媒体则是指那些信息值与时间有关，并随时间变化的媒体，如语音和视频等， 表现为一个连续的媒体流川。连续媒体可以非正式地定义为一个有关信息单元的时间 序列( 例如，一个视频流是一个视频帧的时间序列) ，每个信息单元都有其在连续媒 体中的时间坐标和时段( 也就是表现时间长度) ，信息单元之间也具有严格的时间联 系，并在语义上相关。连续媒体般具有以下特点：1 ) 实时性。实时性意味着连续媒 体传输中存在一个给定的时延上限，即一条信息必须在特定时限( d e a d l i n e ) 内收到 2 f f 引。2 ) 等时性。等时性是指连续媒体传输过程中必须保证一定的数码率和很小的时 延抖动【4 1 。 3 ) 数据量大【5 1 。众所周知，视频信号的数码率可以高达几十兆b p s ，即使压 缩后数据量也相当可观。4 ) 容忍定的丢包率与误码率。连续媒体的数字化数据是从 模拟信号经过模数转换得到的。由于测不准原理决定了转换过程是有误差的，因此， 数字化数据的压缩允许有误差，但问题是允许有多大的误差。一种观点认为，只要压 缩产生的误差不超过数模转换误差量级就可以了；另一种则认为，只要人的眼睛或耳 朵察觉不出来有误差就可以【6 j 。同时由于连续媒体有定相关特性，在发生接收错误 或丢包的情况下，可以充分利用这些相关性来进行错误恢复。本文所讨论的连续媒体 主要关注的是可变比特率的视频流( v b rv i d e o ) ，因为视频的大数据量( h i g hd a t a v o l u m e ) 和高突发性( b u r s t i n e s s ) 使其在i n t e r n e t 上的传输具有更大的挑战性【5 j 。关 于视频的研究成果可以很方便的应用到其他的连续媒体对象，如音频等。 1 2 2 多媒体应用q o s 要求 随着网络带宽增长，通讯成本下降，多媒体网络通信逐渐成为i n t e m e t 并将成为 w i r e l e s si n t e m e t 的一类重要应用，如远程教育( d i s t a n c el e a r n i n g ) 、c s c w t 7 1 1 8 1 、实时 监控( r e a l - t i m em o n i t o r ) 、可视电话( v i d e op h o n e ) 、多媒体会议( v i d e oc o n f e r e n c e ) 、 华中科技大学硕士学位论文 网络视频点播( v o d ) 、多媒体流化播放( r e a l p l a y ) 、新闻视频片段( n e w sv i d e oc l i p s ) 等。 多媒体n - 络n 信应用可分为交互( i n t e r a c t i v e ) 式和存储( s t o r e d ) 式两种。交互 多媒体通信包括可视电话和多媒体会议等。“交互”意味着通信是双向的r 因此交互 多媒体通信除了要保证多媒体流本身的实时性要求外，还要求多媒体流生成后几乎即 刻的传输，以避免过多的时延影响交互的实时性，即还具有即时性要求。这类应用在 传输时延上要求非常严格，通常要求传输时延不超过5 0 0 m s j 。 视频点播、多媒体流化播放和新闻视频片段等属于存储多媒体通信。这类应用也 具有多媒体流的实时性要求，但在多媒体回放时刻上具有更大的灵活性。而且这类应 用往往是单向的，交互性要求低。因此往往允许相对较大的回放缓冲( p l a y o u t b u f f e r ) ， 即将到达的多媒体数据缓存一段时间后再播放。回放缓冲不仅有利于吸收时延抖动， 而且也有利于差错恢复。对于现在的i n t e m e t ，几秒的回放时延是正常的，如r e a l p l a y 的视频流化播放应用缓冲时间甚至可以达到数十秒以上。因此相对于交互多媒体通 信，存储多媒体通信中的差错控制要相对容易。 多媒体信息包含信息量大，内容丰富。与电子邮件、文件传输等其它网络应用相 比。多媒体信息具有独特的特征【1 0 i ：1 ) 多媒体信息所要求的传输带宽通常较高，从 数十k b p s 到数十m b p s 不等；2 ) 多媒体信息具有周期性( 如要求每秒1 0 - 3 0 帧的视 频传输帧率) ，传输持续时间长( 几分钟到数小时不等) ；3 ) 多媒体流具有严格的实 时传输要求，当数据包的到达由于传输时延超过回放时刻，该包无效，等同于丢失； 4 ) 多媒体信息往往经过压缩处理，压缩后的多媒体流具有变比特( v b r ) 性，其流 量突发性强：5 ) 多媒体流( 特别是视频流) 压缩通常从时间维和空间维两个方面进 行，压缩后的多媒体信息由于存在不同数据段( 或片、帧) 之间的依赖性，使得多媒 体流的解压对数据包丢失非常敏感。即一个数据包的丢失不仅影响该数据包包含的多 媒体信息的正确解压，还将影响其它的数据包的正确解压：一帧的数据包丢失不仅影 响该帧的正确解压，还会影响到其后的多媒体帧的正确解压。即数据包丢失对多媒体 流同时存在空间维和时间维上的不良影响i o6 ) 另一方面，由于入的生理特征，多 媒体通信能够容忍一定的包丢失率。e e 较低的包丢失率可以通过错误隐藏( e r r o r 华中科技大学硕士学位论文 c o n c e a l m e n t ) 技术进行处理，使得肉眼无法察觉或影响不大。 图卜l 和图l ，2 分别从时间和空i 剖上描述了传输差错对采用h 2 6 3 协议2 j 压缩的 f 已频流的影响。图i 1 反映了传输差错在视频图像空问上的扩展。可以看出，当包丢 失率为3 时，几乎看不出数据包丢失对视频回放质量的影响：当数据包丢失率达到 5 时。已经可以明显感觉到视频回放质量的失真：而当数据包丢失率达到1 0 时， 视频回放质量已经令人无法接受。图1 2 描述了传输差错在对间维上的扩展。从臀中 可以看出，即使传输差错只发生在第一帧，其后的视频数据即使正确收到，视频序列 解码依然受到影响，其影响范围还同时存在空间上的扩展。 图1 ii - t 2 6 3 视频帧中传输差错在空间维上的扩展 l - 左：无丢失；上右：3 的包丢失； f 左：5 的包丢失； 下右：1 0 的包丢失 1 3 多媒体应用q o s 的预备知识 图1 - 2h 2 6 3 视频流中传输差错在时间维上的扩展 上左：帧1 ( 有丢失) ：上右：帧5 ( 无丢失) ： f 左：帧1 0 ( 无丢失) ；下右：帧1 5 ( 无丢失) 1 3 1q o s 参数体系结构 通常，不同的应用对q o s 要求是不同的，不同的q o s 应当通过q o s 参数来描述、 并且用户能够使用这些q o s 参数来定量或定性地说明各自所需的q o s 。在一个分稚 式多媒体系统中，通常采用层次化的q o s 参数体系结构来定义q o s 参数，参见图1 3 。 4 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = 2 = = ；= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = ；= = ；= = 图1 3 q o s 参数体系结构 应用层 应用层q o s 参数是面向端用户的，应当采用直观、形象的表达方式来描述不同 的q o s ，供端用户选择。例如，通过播放不同演示质量的音频或视频片断作为可选择 的q o s 参数，或者将音频或视频的传输速率分成若干等级每个等级代表不同的q o s 参数，并通过可视化方式提供给用户选择。 传输层 传输层协议主要提供端到端的、面向连接的数据传输服务。通常，这种面向连 接的服务能够保证数据传输的正确性和顺序性，但以较大的网络带宽和延迟开销为代 价。传输层q o s 必须由支持q o s 的传输层协议提供可选择和定义的q o s 参数。传输 层q o s 参数主要有：吞吐量、端到端延迟、端到端延迟抖动、分组差错载相传输优 先级等。 网络层 网络层协议主要提供路由选择和数据报转发服务。通常，这种服务是无连接的。 通过中间点( 路由器) 的“存储- 转发”机制来实现。在数据报转发过程中，路由器会产 生延迟( 如排队等待转发) 、延迟抖动( 选择不同的路由) 、分组丢失及差错等。网络层 q o s 同样也要由支持q o s 的网络层协议提供可选择和定义的q o s 参数。如吞吐量、 延迟、延迟抖动、分组丢失串和差错率等。 网络层协议主要是i p 协议，其中i p v 6 可以通过报头中优先级和流标识字段支持 q o s 。一些连接型网络层协议，如资源预约协议( r s v p ，r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 等可以较好地支持q o s ，其q o s 参数通过保证服务( g s ) 和被控负载服务( c l s ) 两个 q o s 类来定义。它们都要求路由器也必须具有相应的支持能力，为所承诺的q o s 保 留资源( 如带宽、缓冲区等) 。 数据链路层 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = ；= = = = = = ；= = = = = = ；= ； 数据链路层协议主要实现对物理介质的访问控制功能，也就是解决如何利用介质 传输数据问题，与网络类型密切相关，并不是所有网络都支持q o s ，即使支持q o s 的网络其支持程度也不尽相同。各种e t h e m e t 都不支持q o s 。t o k e n r i n g 、f d d l 和 1 0 0 v g a n y l a n 等是通过介质访问优先级定义q o s 参数的。a t m 网络能够较充分地 支持q o s ，它是一种面向连接的网络，在建立虚连接时可以使用一组q o s 参数来定 义q o s 。 在q o s 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q o s 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q o s 需求应当自顶向下地映射到各层相对应的q o s 参数集，各层协议按其q o s 参数提供相对应的服务，共同完成对应用的q o s 承诺。 1 3 ，2q o s 管理杌制 在多媒体通信中，仅在建立连接时说明q o s 参数值并且要求它们在整个连接生 命期内保持不变是不够的，在实际应用中也不易实现。系统应提供一种较灵活的机制 和界面，允许用户可根据实际情况在连接活跃的时候动态地变更连接的q o s 参数值。 例如，当连接出现q o s 降级时，系统应通知用户传送有关q o s 降级的必要信息。用 户可以主动地采用一些措施，如关闭某条相对次要的连接以释放必要的资源，将发生 q o s 降级的连接回升到原来的级别，而不是简单地关闭该条连接或者被动地接受q o s 降级。 为了支持这种q o s 协商和动态控制能力网络基本设施和传输协议内部必须提 供必要的支持机制，以实现对链路级带宽的动态变更、对中间节点资源的控制和动态 调整。因此，q o s 管理机制应当提供如下q o s 管理特性： 1 ) q o s 管理应是可配置的。分布式多媒体应用是多样化的，不同应用的q o s 要求 是不同的，q o s 参数及其定义方法也不同。例如异步通信和等时通信对q o s 要求 就有很大的差异。因此，应允许用户对系统的q o s 管理功能进行适当剪裁，以便建 立与应用相适应的q o s 级。 2 ) q o s 管理应是可协商的。一个应用在初始启动时，首先以适当的方式提出q o s 请求。系统根据其可用资源容量计算和分配应用所需的资源。在该应用运行时系统 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = ；= = ；= = = ；= = = = = = = ；= # 目= = ；= = = = = = = 动态监测应用的资源需求和实际的q o s 。当网络负载发生变化而导致q o s 改变时用 户与系统需要更新协商，使之在可用资源约束内自适应于该应用的q o s 需求。 3 ) q o s 管理应是动态的。个分布式多媒体应用在运行过程中，应用的资源需求 和系统的可用资源都是动态变化的，只是在初始时说明q o s 参数并要求它们在整个 会话期间都保持不变是不现实的。因此，系统应具有自适应管理能力，在可用资源约 束内进行动态调节，以满足该应用的q o s 需求，或者提供一种可视化界面，允许用 户在会话期间根据应用实际情况动态地改变q o s 参数值，提供动态q o s 控制能力。 4 ) q o s 管理应是端到端的。分布式多媒体应用是一种端到端的活动，源端获取媒 体数据并经过压缩后通过网络传输系统传送到目的端，目的端进行解压并播放媒体数 据。在端到端的传输路径上，任何一个中间节点未履行其q o s 承诺都会影响媒体播 放的一致性。因此，允许用户对各个环节所支持的q o s 进行抽象，在会话的两端来 配置和控制q o s 。 5 ) q o s 管理应是层次化的。一个端系统的q o s 管理任务应按q o s 参数体系结构 分解在系统的各个层次上，每个层次都承担各自的管理任务，并且应充分考虑网络链 路层对q o s 支持能力的影响，对于q o s 主动链路层( 如a t m 或某些l a n ) ，高层负责 与链路层协商，使链路层能够设置合适的q o s ，以充分发挥这种链路层对q o s 的支 持能力。 关于q o s 管理层次化的观点已被人们普遍接受，但在如何划分层次、划分为几 个层次以及各个层次的管理功能定义等问题上还没有达成共识，至今还没有种被公 认的分布式多媒体系统体系结构参考模型。 1 3 3q o s 分类和保证机制 在多媒体网络系统中，端用户和网络之间必须经过协商最终达成一致的q o s 。 在数据传输过程中，网络应当按所承诺q o s 提供相应的服务。由于网络负载是动态 变化鞠，可能会引起q o s 的波动。网络是否能够履行所承诺q o s 主要取决于q o s 类 型。q o s 总体上可分成三类： f 1 1 确定型( d e t e r m i n i s t i c ) q o s 在数据传输过程中，网络提供“硬”的q o s 保证，即对所承诺的q o s 必须严格 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= i ；= = = = = ；= = = ；= = = = = = = = = = = = = ；= = ；= 目 保证，否则可能会造成严重的后果。这类服务一般用于硬实时应用，如在远程医疗系 统中，x 光照片数据必须采用实时无差错的传输。i n t e m e t 综合服务中的保证服务( g s ) 和区分服务中的快速转发均属于这一类q o s 。 f 2 ) 统计型( s t a t i s t i c a l ) q o s 在数据传输过程中，网络提供“软”的q o s 保证、即对所承诺的q o s 允许一定 范围的波动，并且不会造成不良的后果。这类服务一般用于软实时应用，如远程多媒 体点播( v o d ) 系统。i n t e m e t 综合服务中的被控负载服务( c l s ) 年i i n 分服务中的保证转 发均属于这一类q o s 。 ( 3 1 尽力型( b e s - e f f o r t ) q o s 尽力型q o s 也称最佳效果传输，网络不提供任何q o s 保证，网络性能将随着负 载的增加而明显下降。由于受到带宽的限制，现有i n t e m e t 上的分布式多媒体应用大 多提供这类服务。 为了保证端到端的q o s ，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q o s ，并且按确定型、统计型及尽力型q o s 的优先级次序为相应的 媒体流分配和保留资源。网络对q o s 支持和保证实际上反映了网络中间节点( 如路由 器、交换机等) 的资源分配策略。目前，主要采用为特定媒体流保留资源( 如带宽、缓 存及排队时间等) 的资源分配策略来保证其q o s 。为了提供标准化的q o s 定义、分类 和保证机制，有关国际组织相机构提出了一系列q o s 相关协议，如美国电气和电子 工程师协会( i e e e ) 的8 0 2 1 p 以及互联网工程组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ， i e 7 r f ) 的资源保留协议( r s v p ) 和区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，d i f t s e r v ) 等。关于 r s v p 请参阅2 2 2 节，区分服务请参阅2 - 3 节。 1 3 4q o s 管理协议 随着网络规模的扩大和用户对网络服务质量要求的提高，网络管理越来越重要。 网络q o s 管理实质上反映了网络资源的最佳配置和有效管理问题。近年来，网络管 理技术引起业界的普遍关注，并研究和开发了一些网络管理协议和网络管理系统。通 常，网络管理系统提供了基于标准网络管理协议的配置管理、性能管理、故障管理、 计费管理和安全管理等管理功能，由于采用标准的网络管理协议，可以实现与厂商设 华中科技大学硕士学位论文 2 = = ；= = = = = = = = = = = = = = = ；= ；= = = = = = = ；= 一 备的无关性。 目前，网络管理协议主要有i s o 的公共信息管理协议和i e t f 的简单网络管理协 议f s n m p ) 。近年来，为了解决网络q o s 管理问题，一些研究机构和厂商提出了基于 策略的网络管理技术，i e t f 也对此进行了标准化工作。 14 论文的研究背景与意义 本论文的主要研究内容是国家教育部重点科学技术项目( n o 2 0 0 0 1 7 5 ) 一“现代远 程教育关键技术：交互式实时教学工具软件”、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 ) 一“远程教学协同群件产品”和国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题：数字视音频编码、传输、测试与应用示范。这三个项目的重点之一都是连续媒 体服务的q o s 保证问题。 远程教育是未来教育发展的方向，远程教育关键技术的研究及产品化对构建现代 远程教育平台有关键性的影响。远程教育关键技术研究项目的顺利完成对于改善和提 高我国教育事业的水平，提高全民文化素质，对于促进国民经济的迅速发展，加强国 际交流与合作，具有广阔和深远的意义。 在现代远程教学系统中，包括视频流、音频流和文本流在内的多媒体流是主要在 网上传输的数据流。因特网上连续媒体应用的q o s 保证机制的研究要达到的目标是 减少丢包和时延，尽量避免拥塞，使多媒体流的传输质量更有保障，满足多媒体通信 的q o s 要求。将本课题的研究成果应用于实际的多媒体远程教学系统将有效提高媒 体流传输的质量，从而提高整个网络的鲁棒性。与此同时，随着第三代移动通信系统 全i p 化的趋势日渐明朗，如何在无线移动环境中实现q o s 保证，也已经成为最为关 键的问题之一。因此，因特网及无线互联网上连续媒体应用q o s 保证机制和接入控 制的研究具有相当的实际价值。 1 5 本文贡献与内容安排 论文共分为六章，主要结构和内容如下： 第一章为绪论，主要介绍了论文所要涉及的内容及其背景知识。 华中科技大学硕士学位论文 第二章首先讨论了目前大家广泛研究的三种因特网上连续媒体应用q o s 保证机制： 集成服务资源预留( i n t s e r v r s v p ) 、区分服务( d i f f s e r v ) 和多协议标签交换( m p l s ) 。深 探讨了三种机制的基本思想、实现q o s 保证的方法及各自的优缺点，并对三种方案进 行了对比分析。然后，在上述研究的基础上，我们提出了种多机制协作提供端到端 q o s 保证的体系结构，该体系结构综合了不同机制的优点，能够为连续媒体应用提供可 靠的端到端q o s 保证。 第三章在已有的连续媒体服务自适应q o s 管理框架的基础上，深入讨论t q o s 参 数，q o s 映射和q o s 接入控制算法。我们引入了新的q o s 参数指标，采用了分级映射的 自适应q o s 映射方法，并在此基础上提出t q o s 接入控制算法，给出了算法公式和具体 描述。最后给出了实验结果，并对实验结果进行了分析。 第四章主要研究了移动i p 上连续媒体服务的q o s 保证问题。我们首先简要介绍了移 动i p 协议，然后，在2 6 节提出的因特网q o s 体系结构框架的基础上，提出了一种移动i p 上的端到端q o s 保证机制的框架。接着，我们参考集成服务的服务类型对服务进行了分 类，引入了一种准入控制和资源预留相结合的策略来保证移动接入因特网情况下多媒 体业务的端到端q o s 。分析表明我们的策略是有效的。 第五章简要介绍了本人参与开发的实时非实时多媒体远程教学系统的结构及主 要功能模块，讨论了接入控制在易点非实时课件制作和点播系统中的初步实现。 第六章为全文总结。概括了本文的主要研究成果及后续研究内容。 o 华中科技大学硕士学位论文 = = 4 = = = = ；= 口= = = ；= = = = = = = 2 = = = = = = = = 一 2i n t e m e t 网上连续媒体应用的端到端q o s 保证机制 21 引言 目前实时音频、视频多媒体应用已经进入i p 网络，但还有许多问题没有得到很好 地解决，其中一个关键问题是多媒体服务的q o s 问题。t c p i p 协议本身只提供一种 “b e s t e f f o r t ”级别的服务，对q o s 支持很少。“b e s t e f f o r t ”级别的服务往往会导致实 时应用出现延迟抖动、分组丢失率高，从而极大地影响了实时应用的运行效果，因此 必须研究可行的、高效的基于i p 网络的q o s 控制机制。i p 网络q o s 已成为分布式多 媒体和网络通信的重要研究热点和难点课题。 为了满足用户的应用对i p 网q o s 的要求，互联网工程组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ，i e t f ) 提出了三种端到端i pq o s 保障技术：集成服务模型( i n t e g r a t e ds e r v i c e ， i n t s e r v ，区分服务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，d i f l s e r v ) ，多协议标签交换技术 ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) 。下面我们将深入探讨三种机制的基本思想和 实现q o s 保证的方法，分析三种方案各自的优缺点，并对三种方案进行对比分析。 2 2 集成服务模型与r s v p 2 2 1 集成服务模型( i n t s ；e r r ) 集成服务模型是从端到端的行为开始、到网络中各元素如何控制和实现这些行 为、为用户提供满意服务质量的方法的总称。i e t f 考虑集成服务模型时的主要出发 点是延迟因素，报文延迟时间是当前衡量q o s 好坏的主要标准。在i n t e m e t 的集成服 务模型中，延迟分为传输延迟和等待延迟两大部分：传输延迟是指传输介质以及路由 和转发处理所带来的延迟，这部分延迟是固有的，它由传输和交换设备、计算机的c p u 处理能力等决定，无法进行控制；等待延迟是指报文组成的流在交换设备、路由器以 及端主机等网络元素的缓冲区中排队等待所带来的延迟。i e t f 所讨论的服务质量控 制技术主要集中在如何处理等待延迟上。 i e t f 根据对时间延迟的要求，把i n t e r n e t 提供的服务分为与传输时间无关的尽力 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = ；= = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = ； 而为型服务、保证型服务和控制负载型服务3 种模型，并定义了资源共享方式和为了 保证服务质量而采取的相应策略。 1 ) 控制负载型服务( r f c 2 2 1 1 ) ：把控制负载型服务定义为一种端到端的行为，其 意义是让用户感到网络是在很轻的负载或很大容量的条件下运行，用户感觉不到不可 忍受的延迟。为了保证实现控制负载型服务的条件得到满足，用户须首先给提供控制 负载型服务的网络元素一个所需要的数据流量估值( 用t s p e c 描述) ，然后网络元素验 旺自己是否具有足够的资源提供用户的t s p e c 所要求的流量，如果有的网络元素不具 备相应的能力，系统就会反馈给用户相应的过载信息( 包括可能造成的大量报文丢失 或延迟) 。 2 ) 保证型服务( r f c 2 2 1 2 ) ：要求网络中各元素保证用户所要求的最小延迟时间。 提供保证型服务的各个网络元素必须先对各个服务参数所要求的资源进行计算，然后 给出这些网络元素可能带来的最大延迟。 无论是保证型服务还是控制负载型服务，都需要网络元素为其提供相应的资源， 这些资源包括带宽、c p u 和缓冲区等。在用户提出q o s 要求后，系统检查各网络元 素的资源情况，在网络资源足够的情况下，为了防止其他服务、协议和链路用户占用 其网络资源，i e