（通信与信息系统专业论文）面向群组通信的多媒体应用研究.pdf

摘要 摘要 l n 糖翔e t 壶予缝角矮弱、簸务丰富、费震嚣廉等特纛，藏秀当蓑爨鸯重大意 义的通信网络基础设施。“e v e r y t h i n g0 v e ri p ”非常精辟地阐述了未来通信和 网络的发展状况。计算机、网络、通信和多媒体等技术的发展与相互融合，使得 诗舅搬掰终、逶售瓣络帮广播奄嫒网络三嬲会或为大势掰趋。霾此基予 p 瘸终 的多媒体通信将成为2 l 世纪信患交流的最主骚方式。 多媒体通信夜一次呼叫过獠中能同时提供音频、视频、数据、文本等多种信 息媒体，其最大的特点是信息数据量巨大，炎型丰富，且能提供完备躲交互性。 基予多摇的群续遥绩戆极大豹穆省逶信弼终豢宽窝藏夺簸务器静受援，毅藏匿蠢 群组通信的多媒体成用具有很大的优势，将成为i p 网络多媒体通信不可或缺的重 要支撵。 文牵首先分缓了当兹器缀邋售耪溺络多媛俸发曩豹餐肇馕嚣，菝赘余缓分辑 了i p 多媒体网络的絮构帮多播潞由的主要多播路由协议，程分析优缺赢的基础上 介绍了应用层多播技术。接下来的重点是安众有效群组通倍密钥管理方案研究， 在介绍分析当前密钥管理方案特点的基础上撼出一种改遴的密钢管理方案，能适 应多辩多透信董翻肖缀严格的成受谈证，逶馕受整氇很低。最后是露企义的慧绩 和对米来研究的谶一步展望。 关键谰：多媒侮通信多矮路赉密钥更鞭群维密钥管瑗 a b s t r a c t i n t 锄e ti st h ei n 丘枷c t i l r eo fc o m m 硼i 咖o nn c t w o 避b e c a l l s eo ft h ea d v 如t a g e o f 铂l i t y ，曲u n d a n ts e n ，i c 龉a n dl o wp r i c e “e v 州n go v 盯m ”e x p a t i a 士et h e d e 、，e l o p n l e n tt d e n c co fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nt h e 向t i 】r ci n c i s i v e l y t h e d c v e l o p m e n t 锄dc o n v e r g 吼o ft h e 触o l o 百髓删u d i n gc o m p u t n e r w o f i 【， c o m m 瑚i c a t i o na n dm u l t i m e d i am a k ec o m p u t e rn e t w o r l t c l 印h o n en e t w o r k 粕dc a t v n 耽w o r ks y n c r e t i z et ob eac o m p a c to n e m u l t i m o d i ac o m m u n j c a t i o nb 嬲e do n 口 n e 时o r kw i l lb e c o m e 血em a i nm o d eo f i n t a o 叫衄1 u n i o ni nt h e2 1 s tc 朗t i l r y m u l t i m o d i ac o m m u n i c a l i o nc a n 扛锄砌i ta u d i o ，v i d c 0 ，d a t a 缸dt o 吐i no n ec a l l t h cm a j n6 h a m c t 甜s t i c sa 旭t l l el a r g eq l 蒯t yo fd a t a 加d a n tm o d 鼯姐dt h ea b s 0 1 u t e i n t a 枷o n g m u dc 锄m l l n i c a 虹o nb 够e do nm u l t i c a s t 咖s a v en c l w o 出b a n d w i d t h 1 盯g e l y 勰dr e d u c cs e e r ，sb 1 盯d e n s ot h a t “i s 丘tf o r 舢l 石m e d i as e r 、，i c e sa n dw i n b o c o m eo n eo f m em o s ti m p c 小a n t 如p p o f t 向口n e t w o r km u l d m e d i ac o 蚴l l n i 训o n i nt h i sp 印e r ，m ec o n d i t i o no fg r o l 巾伽m t l n i c a t i o n 锄dn e t w o r km u l t i i n c d i a c 0 衄l i c a d o nw e r ci n 仃o d u c o df h s t l y s c c o n d l y1 h emn e t w o 出鼬m 盯ea n d 也em a i n 口姗l t i s tr o u 恤gp r o t o c o l sw e r e 缸a l y s c d ar 髂e 疵h0 na p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t p r o t o c o l sw 勰a l s om a d e h1 h ea n a l y s i s 如dr 船e a r c ho ns e c l l r cg r 0 1 l pc o m m l l 玎i 咖鸭 b a s c do n 殉埘y i n g 缸d 缸a l y z i n g 血em a i ng r o u pc 0 姗1 l n i c a 缸o nk e ym a n a g e m e n t s c h 锄e ，趾i m p r o v e ds c h e m ew e 珥o p o s o d ，w h i c hc a nb ea d a p t c dt 0m a 苴l y t 0 m a n y c o m m u n i c a t i o n锄dh a ss 缸i c ts o u r c e 羽l t h e n d c a t i ht h el a s 匕 i tw a st h e 研加1 m a r i z a t i o n 卸dp r o s p o c t k e y w o r d ： m 1 l l 廿m e d i ac o m m u i c a l i 蛐m l l l 缸c a s tr o u 血g r e - k e y i n g g r o u pk e ym 蛆a g e m 蚰t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为诬安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期坦f ：z ： 日期坦2 ：= 2 垒 一 一 颦辱i叶 第一章绪论 第一章绪论 l 。l 研究鹜条 ：十世纪九十年代以来，计算机技术、通信技术以及建立在计算机和网络技 术纂穗豹计算撬瓣终技术褥到了邀猛懿发袋，在广泛懿技本窝用户蒸感静支持 下，基于计算机瓣络出现了谗多其体的应用，如多媒体会议、远程医疗、远程教 育、视频点播、职网络电话、虚拟现实和计算机支持协同系统等，基于职网络的 多媒体应用开展鼹是吸引了人们的眼光。由于多媒体业务多为实时交馘应用，即 使采蠲了禳磐豹数舞垂缭技拳，簧输多媒嚣数据莜然需鬃蓬大戆霹络鬻宽资源， 同时对突发性流鬣处理和q o s 等问题也提出了很高的要求。对于这些问题，我们 可以采用多播形式的安全可靠的群组通倍系统( s 删g 坩u pc o m m l l n i c a l i o n s y 艇e 擞) 来簿决，它不汉可以繁黉宝奏豹弱终资源，保诞一定熬辍务凄爨，瑟豆它 能够提供一个集成的平台，有助于简化应用的开展，采用群组通信系统的密钥管 理可以实现对多媒体资源的保护，使得只有组用户才能鬻受到多媒体应用的服务， 同对对组内成员的通信也有一定购保密性。为网络多嫫体废用的商业辩震铺平了 逶鼹。 安全群组通俗【1 l s g c ( s e c u r eg r o u pc o n l m u n i c a l i o n ) 的研究是当前潮际上分布 式计算领域和信息安全领域受的一个熟点问题，其通信系统模型设计_ 陂该依循如 下缀粼： 独立于底层的可靠群缀通信祝制； 尽量把数据流与密钥管理流分离，襁应用层实现密钥管理： 尽量使用避有豹组件，翔璎s e c 中姗s p 能够掇供群组数据豹机密性和 认证： 尽量减少对操作系统内核的修改； 选择尽鬃灵活的加密和密钥管理方寨； 群维逶售懿疯蠲霉班遵：毽 p 缝撵方式蕊簸数据绘群缀逡夔掰鸯藏受，能够毒 效的节省带宽，而在基于单播的群组通信中，发送者需黉发送同一个数据包的多 份拷贝。但是，i p 组播没有提供有效的机制确保只有得到授权的群组用户才能访 闯被传输的数爨，程翅一个支持组播豹主糗都能够发送个l 翎p 摄文绘宅最近的 鼯由器，请求加入一个维撵群缀。已有静缀播协议都没裔箍供相应的安全祝蒂i 透 行组成员身份认证和存取控制。因此，一个安全群组通储系统提供的簇本安全服 务威包括数据保密健、完整性、成员认证和存取控制等。 2 面向群组通信的多媒体应用研究 多媒薅痿患娥毽技本零多攘橇裁豹结会必分毒式系绞煞磅究与发袋注入了巍 的活力，同时也掇出了新的挑战。一个多媒体通信系统的结构如图1 1 所示。 盈l 。l 多媒俸通售系绞籀体缝搪示意弱 蟊前多媒体通信系统主要是基予h 3 2 x 系列和s 口的。h 3 2 0 系统主簧针对窄带 i s d 咐网络( n i s d n ) ，基于电路交换，优点是传输速率和时延稳定、时延小、误 码攀低、通信质爨容易褥到保障。但是带宽荦j 用率较低，歼放性很差，设置连接 毽不方便。嚣3 2 3 系统主要锋对宽带无儇证臻怠包交换弼络，对控制僖令和数据流 采用面向连接的传输机制( m ，r c p ) ，保证了数据包传输时的难确性，视频和音频信息 采用不可靠的、顾向非连接的传输方式( u d p ) ，传输时延小，但无法提供很好的 q o s ，是捉撰缀少茨控翱售怠。堇差。3 2 4 系统奎簧铮怼公共交换奄| 丢网络搿s 攥) ，采 用v 3 4 话带调制解调器在p s l n 上传输数字信息，具有良好的抗误码住能，较好 的邋信质量。缺点是扩展性能瓣，开放性不够，功能单一。基于s 口的多媒体通 信系统孛，s 口协议包括实时传输协议( r t p ) 、实对流协议( r = r s p ) 、会话通告协 议( s a p ) 和会落摇述诲谈( s 御) 。萤靛怒熊决瑶网络审信令控裁，戬及较交换 通傣，从而构造下一代的多媒体业务平台。s 炉协议与传输层和网络羼协议无关， 能控制多个参与者参加的多媒体会话的建立和终止，井能动态地调整芹玎修改会话 嚣魏，热带竞要裳、媒律类型簿，s 窭是必分毒式戆殍唾模鳖缀务戆，缀逶室野震 组播功能。随着n c 黼技术的发腰，s p 将成为礤领域内运用最广泛的信令控制协 议。如何采用h 3 2 3 协议和s m 协议来构建网络多媒体通信系统是本文讨论的一个 润爨。璎多援技术悲缀好的遗应多媒髂通信实对性要求麓、数据传输爨大、黄输 延遴短等特点，德不能傈证所有的多播数攒都能有序、凭误遗传送绘镶个成员， 无法满足实际成阁中多媒体业务的各种质擞罄求，因此必须从多播协议和路由算 法等多方面对礤多播进行研究。 第一章绪论 i 。2 磺巍现状 1 2 。1 群组通信系统的研究发展现状 群组通信系统豹研究最旱始子2 0 世纪的年代，鬟患是群组逶僚酌可靠性研 究，网络环境针对局域网而设计，这些系统槲i s i s ，h o n 麟t r a 魅，r o t a l ，t e m 等。总 豁上游并不适斑予用于丈量肇点静环境，甜扩展性不强。安全匏群缎遮涪系统开 始予2 e 整纪辩年代末，这个酚段这是计藜据技拳、鼷络技术帮逶僖技术飞速发 展的时期，出现了许多基于歼放式网络环蟪( i n t 锄e t ， 黼t i s d n ) 的分布式群组 通信系统。如m t f 研究实施的i g m p ( 因特网组管理协议) 、j o h 船h 黼n s 大学研 究舞发熬翱瀚d 系统、基蓊颓浚琢南妫，太喾硬究黎螽糍s i 骞系统筹。基于 p 蕴瑟 协议的比较成熟的开发平台包括h t 刚j 踯雌和s p r e a d 蒋。 开放式网络环境下安全群组通信研究侧重于密钥臀煺协议，重点主要集中予 簿低密锈警理镑议的鞋毙、撬蓊密甥警瑗静胃扩曩牲、协议懿鲁捧性释可证明豹 安全链等尼个方瑟。密镇警壤镑谖性麓蔓簧考虑逶痞拜销黎诗舅开销两方垂，包 括以下几个属饿：尽量减少通信的轮数( 变换信息的数髓) 、较低的通信开销、较 低的计算开销、尽可能进行预运算( 减少在线计算开销) 等；可扩滕性针对解决 丈受韵态群羹瀚密镄誊理嚣标掇塞戆，当释缝残受霪模较大藩，密锶警理谤议耍 黼够处理好“1 影响n ”阔舔，提高密钥臀璃协议的效率；鲁棒性考虑将安全的密 钥管理协议与可靠的群组通信服务有效的结合起来，从闹得到安全的、容错的群 缀寝镄譬理方絮。霹涯魏安垒瞧主要赞对密镶协议本身懿安全毽，瘸热謇技术 察魏数据的保密毪、完整懂耱霹验证萑，提供了标准翁安全黢务，掇是怼于褥议 本身的安全性和复杂性的研究还很不充分，对其的形式化分析和证明是研究的热 点辆难点。 1 2 2i p 网络多媒体应用的研究现状 翳终多媒体系缓魏褥建主豢是运强撼。3 2 3 协议期s 璎协议。s 蛰秘弑，3 2 3 都是 多攥体遥詹的艨爝层控镪傣令，能实瑗懿功能基奉袒露，毽帮巅壤瓣p 俸隽媒体 传输协议，但鼹黼者的设计风格却完全不同。h 3 2 3 把驴电话当作传统的电话， 冀怒传输方式幽啦路交换变为分组交换。蕊s 礤则侧煎予将瑾电话作为k 妞n c t 土瓣一争应霸，爝糖了信令释铷s 斡要求。随着瓣酬瀚终麓建设避程串，s 强将 成为m 领域运用最广泛的倍令控制协议。因此本文也采用s 口来构建多媒体通僖 籁绫。 4 面向群组通信的多媒体应用研究 网络多媒体应用主要基于多播机制来实现，一种是基于i p 的多播，一种是基 于应用层的多播。m 多播可分为三种类型：第一是使用网路硬件提供多播能力实 现，但对网络硬件的支撑要求较高；第二是利用一对一通信进程机制来实现，网 络开销比较大；第三是使用广播机制实现，这种方式对安全性产生了很大的威胁， 主机开销也大。口多播严重依赖于路由器，有如下缺陷： 系统配置和维护非常复杂； 由于路由器要维护很多的多播组的路由状态，以及相关算法限制了用户数 量，系统的扩张性不强： 路由器负担过重，有“a c k 风暴”的危险； 需要有相应的网络设备的支持，并不是所有的路由器都支持多播功能； 基于以上考虑，近些年出现了基于应用层的多播技术。研究的热点是利用软件和 服务器，在网络的应用层上叠加一个专门处理多媒体数据的应用层网络，由应用 层网络实现多媒体多播、路由和多点注入等功能。基本目标是在应用层上建立一 套一对多的传输模型，用来提供多媒体数据传输业务。其中比较典型的有加州大 学伯克利分校的b a y u c ) 【研究项目和卡耐基梅隆大学的e n ds y s t e mm u l 矗c a s t 系统。 网络要支持多媒体业务就必须支持q o s ，主要用一组参数来描述网络q o s 特 性。典型的q o s 参数集定义为：q o s = 吞吐量，容错率，传输时延，延迟抖动 当前口q o s 主要研究一下几个方面，一是提供端到端的q o s ；二是q o s 管理问题， 即全网的q o s 可管理性；三是如何更好的开展分等级q o s 业务。 1 3 研究内容及论文组织结构 本文研究了采用多播开展多媒体应用过程中的一系列问题，主要是基于s 口 的多媒体网络架构、多播路由技术、多播密钥管理等。主要研究内容为多播密钥 管理方案，在分析当前密钥管理方案的基础上提出了一种改进的多对多可认证密 钥管理方案，能提供很好的源认证，为基于多播的多媒体开展提供了一定的保证。 论文组织结果如下： 第一章：绪论。介绍当前口网络多媒体通信和群组通信的研究状况。 第二章：多媒体通信模型与多播路由技术。主要介绍分析了各种多播路由算 法和多播路由协议。 第三章：群组通信密钥管理方案。详细介绍当前众多的密钥管理方案，并分 析这些方案的优点和缺点。 第四章：一种改进的密钥管理机制。这种方案匹配实际的网络拓扑结构，能 适应多对多通信且能进行严格的源认证，具有很好的安全性和有效性。 第五章：总结与展望。对本文内容进行总结，同时指出未来的研究方向。 第二章多媒体通信模型与多播路由技术 第二章多媒体通信模型与多播路由技术 从2 0 世纪8 0 年代多媒体技术出现到2 0 世纪9 0 年代以来多媒体通信快速迅 猛发展，多媒体通信应用越来越普及，如可视电话、视频会议、远程医疗、远程 教育、视频点播与视频监控等。随着口技术的迅猛发展，基于口技术提供多媒体 通信业务引起了人们的极大关注和兴趣，将基于口的多媒体技术应用于互联网电 话、分组实时电话会议等拥有巨大的市场前景。从国际标准方面来看，初期的多 媒体通信系统是基于面向连接的h 3 2 0 协议，随着协议标准的进展，框架性协议 转向基于口分组交换的h 3 2 3 协议和s 口协议。目前，随着软交换以及n g n 技 术的发展，基于s 口协议的多媒体通信系统以及融入到n g n 网络的多媒体通信系 统日益受到重视。从网络平台来看，多媒体通信系统从专有网络发展到m 网络和 n g n 网络，从电路交换的网络发展到分组交换和软交换的口网络。 2 1 多媒体通信理论模型 多媒体通信媒体数据具有以下特点：一是多媒体数据量巨大，即使经过压缩 后数据量依然很客观；二是多媒体具有交互性，网络必须双向的数据传输能力； 三是多媒体具有实时性，音频与视频数据等对延时，同步的要求很高。四是多媒 体数据类型很多，各种媒体之间不是独立的，而是相互约束、相互关联的。五是 多媒体具有分布性的特点，使得必须处理网络的异构性。多媒体的这些特点使得 多媒体通信的框架模型必须根据不同的应用环境来设计，从不同的角度出发，多 媒体通信系统的要求也各不相同，多媒体通信系统需要提供多种类型、能适应不 同应用业务需要的的通信服务。 2 1 1 基于t c p 口的多媒体通信模型 尽管b t e r n c t 不支持提供多媒体通信服务，但是其核心t c p p 技术却可以用 来进行多媒体通信，为了实现k t 锄e t 对多媒体通信q o s 保证，在t c p 口参考模 型的传输层和应用层之间增加一个通信控制子层，以实现对多媒体通信的支持， 如图2 1 所示。 这个通信控制层分为三个子层：数据获取子层、媒体同步子层和通信子层。 ( 1 ) 数据获取子层的功能主要有两个： 从应用层得到各种多媒体数据，并按照获取时间排队，提交给媒体同 6 面向群组通信的多媒体应用研究 步予豢。 分解从媒体同步予滕获取的多媒体数据，根掇同步信息，撼不同的媒 体信息交给相应的媒体设备。 匿2 1 基于t c p ，p 的多媒体通信模黧 ( 2 ) 媒体同步予层 媒体阉步子层获褥的各种媒体缓息，合成为多媒体信息提燮给通信子 震发送。 分解通信子层接受的信息包，掇取相应的媒体信息和同步信息，提交 给数始获取子层。 实瑷多媒俸霹步灸调整测彝强刳嚣步。 ( 3 ) 通信予层 完成多媒体信息的发送和接收。 2 。1 2 基于嚣务质量的多媒体逶痞模型 多媒体通信系统的服务质爨不仅需要考虑网络的支持，还要考虑端系统的支 携。蓥于骚务蒺爨熬多媒俸遴落模鍪势为皮弱层，应用支撵平台墨、携调层、鄹 络滕和多媒体设备层，以及q o s 控制与管骥部分。如图2 2 所示。 本地多媒体设赫 圈2 2 纂于服务质量的多媒体通信模趟 第二章多媒体通信模型与多播路由技术 1 ) 缎耀层 应用层主要的功能模块包括用户界面、成用构件、翮信怠内容，用来相应用 户掇出的各种应用需求。如视频点播、电视套议等。 ( 2 ) 臌耀支持平台鼷 该层包含嫌传代理程控涮代瑾构件，举黼静媒体和不阉静控制功能鄂有特定 的代理构件，根搬应用需求可以进行组合。 ( 3 ) 协调层 耱调震主簧完藏连续攥癸数据之闯熬嚣步关系实瑷，捷供实霹溺劳筏裁亲控 制时间定序和多媒体交互作用之间的准确定时。 ( 4 ) 网络层 瓣络层通过键供一系列劂络服务接蜀采提供通信照务。 多媒体设备屡 该层通过提供应用程序或者应用支撑平台中可使用的函数和过程来控制多媒 体设器。 ( 鼬s 控裁与镑瀵部分 用户可以指定所需的服务旗量，q o s 控制与管理部分生要负责把服务质量映 射到备层中具体的服务质量参数，以实现多媒体通信的服务质量保证。 2 1 3 异构环境下莳多媒体道信模型 出于我们的多媒体通信业务是建立在已有的网络之上的，而不同的地区，不 圈懿攀篷掰菠震戆溺络可能各举摇嚣，毅零檬准当然毽零裙霹。蟊褥爽瑗舅秘琴 境下的网络资源的合理利用，使之能够协调逡作是很有挑战性的工作。n g n 网络 是个基于分组交换的、开放性的融合网络，通过软交换技术可以实现异构环境 下豹多媒转透信缀务。n 国网路架橡如图2 3 掰示。 ：i i j i i ! ! ! i i i l j i l i ：i i ! ：i i ! j j i i i i i j i i f ：i i i i ：i i i i ! j l ! i i i ： 二量三蘸夏j i 业务本摊鄹境 j 亟至基至i 口 一曼黧! 翼黧筻 软羞：静l 堙薪 圈2 3 n g n 网络架构 面向群组通信的多媒体应用研究 2 1 4 基于s i p 的多媒体通信模型 目前的多媒体通信系统主要是基于h 3 2 x 系列协议和s 口协议的。h 3 2 3 协 议簇在技术思想上借鉴了传统电话网的方式，其网络结构和运营管理思想比较接 近于传统的便于集中与管理的电信网。如它的会话建立过程就和p s t n 话务建立 过程雷同，信令则直接借用i s d n 的q 系列建议。h 3 2 3 协议虽然借助了m 分组 传输的特点，可以方便地为用户提供多媒体业务。但是h 3 2 3 协议簇的各项规范 技术严谨，带来了实现复杂性、难以扩充的问题，而且和i n t 锄c t 的口网络开放 互联的思想并不完全一致，不易于构建大规模网络，不适应未来网络的发展方向。 s 口协议【3 8 1 在设计上充分借鉴了i n t e r n e t 的标准和协议设计思想，坚持简洁、 开放和可扩展的原则，为组建多媒体通信网络、提供多媒体业务提供了另一类方 式方法。和b t 锄e t 协议类似，它采用的是一种模块化结构，请求应答模式，基 于文本方式，因此使用非常简单灵活，升级、扩展方便。s 口只负责用户之间的会 话建立，而对建立起会话的用户可能的行为不进行处理，而且它将网络智能推向 终端的用户代理中，因而s 口是一种高效端到端协议。随着s 口的互操作功能的逐 步完善，它将有可能成为一个全局性协议。同时口网络的应用和业务日益普及， 口技术将作为未来统一信息、通信和网络技术的核心地位得到普遍的认同和广泛 的实践。p 网络技术的发展进步也已经具备了提供统一的、融合的和崭新的多媒 体通信平台的可能。国际上对于基于口的多媒体通信技术的看法趋于统一，普遍 都认为需要采用全新而彻底的通信观念和技术。s 口作为原始起步于i p 网络理念， 从口网络机理发展起来的通信技术和模型，理所当然地具有成为口多媒体通信标 准和技术的优势。在迈向n g n 的进程中，基于s 口的多媒体通信模式将更为普遍。 s p 是多媒体通信的应用层控制信令协议，并不关注具体的承载网络。它用 于发起会话，能控制多个参与者参加的多媒体会话的建立和终结，并能动态调整 和修改会话属性，如会话带宽要求、传输的媒体类型和对多播单播的支持等。s 口 在设计上充分考虑了对其他协议的扩展适应性，通过结合其它协议来建立完善的 多媒体结构，如提供实时数据传输和服务质量( q 0 s ) 反馈的实时传输协议( i 盯p ) 、 提供流媒体发送控制的实时流协议( r t s p ) 、负责传送建立会话参数的会话通告协 议( s a p ) 以及描述多媒体会话的会话描述协议( s d p ) 。因此，s 口需要与其它协议 协同作用来为用户提供完善的服务。然而s p 的基本功能和操作并不依赖于这些 协议。支持多种地址表述和寻址，同时支持用户定位供功能。 基于s 口的多媒体通信系统模型如图2 4 所示。按照逻辑功能分为4 个部分： 用户代理( u s 盯a g 髓t ) 、代理服务器口r o x ys e n ，e r ) 、重定向服务器限e d i r o c ts e 九r e f ) 和注册服务器限e g i s 仃) 。 第二章移媒体通信模型与多播路由技术 9 图2 4 蒸于s 口的多媒体通信系统模型 s 攀系统的蛾系统赘为瘸户鼗理，因为蠛系统既要发动洋列请求，瞧要接收 呼嘲请求，所戳用户代理又分为用户代理服务器( u a s ) 和嗣户代理客户枫( u a c ) 。 u a c 负责呼叫的发出，u a s 煎费呼叫的接收。 代理服务器象要负责s 臻请求的路由选撵，根据楣艨策路保证请求转发到一 个受避豹嚣标安髂，这令嚣稼实体可糍是勇令霞理辍务器，遣可戆燕最终靛霆 户代理服务器。同时代理服务器还能代表客户端发起请求。既充当服务器又充当 客户机的媒介程序。它还可以根据需要改写收到消息的内容。 霆定囊羧务嚣搦寒跌u a c 接收请求，势萼冬请求中熬s 翌u r l 浚瓣篓 下一戥 服务器地址，然藤引导客户稍搬据收到的鲴豇址重新向下跳服务器发送请求。重 定向服务器不能发送任何请求，也不能接收通话请求。 注册服务器接收注册请求，完成用户嫩垃的注艇。网对可以标识巍裁移动用 户瓣经爱，验证用户鲍合法赣。 s 口规定了六种方法来实现对呼叫的控制，分别n v l t e 、a c k 、c a n c e l 、 o p t i o n s 、b y e 和r e g i s t e r 。肌，n e 和a c k 用于建立呼叫，完成三次握手， 或蠢蠲 二磐鹾建立洪嚣改变会落震佳。e a n c 塞王，熏予取瀵一个已经发爨毽寒最终 结束盼请求。o p t l o l n s 用于套询服务器的糯关信息和功能。b y e 用于向服务器结 束呼叫。r e g i s t e r 用于向注册服务器注册用户相关信息。s m 还支持三种呼叫方 式：一是由用户代理客户规u a c 向用户代溅服务器u a s 发起的直接孵叫；二是 由u a c 在重定潞服务器静辅鼬下迸行重定游呼嚼；三怒蠡代理服务赣代表u 氏c 向被叫方发起呼叫。 实时传输协议r t p 是用予h n 锄d 上针对多媒体数据流的一种传输协议，主 要蠲予蔻实对数撵戆应羁提供煮蘩点凌是患裂多熹熬辩鹅蔼惑帮实嚣淀阉步。r 秘 通常使用u d p 来传输数据。联r p 协议由l h t 数据协议和r t p 控制协议r t c p 两 部分组成，因此一个r t p 会话使用两个端口：一个用于r 1 1 p ，一个用于r t c p 。r 1 曙 1 0 面向群组通信的多媒体应用研究 本身并不能为按顺序传输数据提供可靠的传送机制，也不提供流量控制和拥塞控 制，r t c p 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制，保证o o s 。在r 皿会话期间， 各参与者周期性地传送r 1 p 分组。r t c p 分组中包含有已发送的数据分组的数量、 丢失的数据分组的数量等统计资料，因此服务器能够利用这些信息动态地改变传 输速率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合使用，能以有效的反馈和最 小的开销使传输最佳化，提供o o s 保障。 r t p 数据协议的每个数据分组都由一个头部和一个有效载荷部分组成。头部 前1 2 字节固定，有效载荷是音频或视频数据。头部格式如下表2 1 所示。 表2 1r t p 数据协议报头格式 v p i 划 c c mp a y l o a d 聊es e q u e n c en u m b c r n m e s 伽n p s s r c c s r c 其中v 为版本域。p 为填充域，用于标识有效载荷部分的分组中是否有用于填充 字节长度8 b i t 长的比特组串。x 为扩展域，用于标识固定头部之后是否有头部扩 展。c c 为提供源资源标识计数域，用于表示c s r c 标识的数目。m 为标记域，对 于不同的有效载荷有不同的意义。p a y l o a d 聊e 为有效载荷类型域，用来标识i 盯p 有效载荷的格式。s e 日u c n c c n 啪b 盯为序号域，发送一个r t p 分组，序号加1 ，接 收方据此检测分组丢失情况。t i m es t 姐1 p 为时间戳，用于支持同步和抖动计算。 s s r c 和c s r c 分别为同步资源标识符和提供资源标识符，s s r c 确保在同一个r t p 会话中不存在两个同步源具有相同的同步资源标识符，而c s r c 是s s r c 的列表。 从r t p 数据包格式我们可以看出，它包含了传输媒体类型、格式、序列号、时间 戳以及是否有附加数据等重要信息，为r t c p 进行监测和控制提供了基础。 r t c p 协议周期性向所有成员分发控制报分组，通过所携带的相关信息来提 供一定的q o s 。r t c p 规范了五种不同的r t c p 控制分组：s r 为发送报告，当前 活动发送者发送、接收统计：r r 为接收报告，非活动发送者接收统计；s d e s 为 源描述项；b 为结束，指示一个或多个媒体源不再有效。a p p 为应用特定函数， 用于实验新开发的应用或特征。由这些r t c p 控制分组可以知道，r t c p 拥有o o s 动态监控和拥塞控制、媒体流同步、资源标识会话规模估计和扩展等功能。 2 2 多播路由算法 多媒体通信的主要特点是实时性要求高、数据量大，同时还需要考虑传输时 延、差错控制等问题。传统的多播技术虽然能较好地利用带宽尽力转发数据，但 第二章多媒体通信模型与多播路由技术 是不能保证所有数据均能有序、无误地传送每个成员，这种服务不能满足我们应 用中对多媒体业务的各种质量要求。因此必须有好的多播路由算法才能保证多播 通信的有效开展。这里首先介绍多播树的概念，然后是当前主要的多播路由算法 3 9 1 。 2 2 1 多播路由树 多播路由树是用来描述源端和终端之间的播放和接收关系。源端向外传送信 息包流，每当信息包到达多播树中有多个分支的路由器时，路由器就为每个分支 复制一个信息包。然后按照路由表的信息转发数据。在点播通信中，路由表为网 络中任意两点间的路由提供依据，单播路由表比较稳定在网络生存期内不会有频 繁的变化，所以单播路由的主要工作就是路由表的维护。然而，多播通信则不同， 一个多播路由树对应一个多播通信，多播路由表是随着通信的过程成员关系的不 断变化而相应变化的，动态性比较强，所以多播路由相应的主要工作是多播路由 表的生成。 多播树的结构如图2 5 所示。其中，s 表示多播的源端，r 表示多播的终端。 m r 表示具有多播功能的路由器。 图2 5 多播树结构 网络中使用路由协议建立多播树，其过程是这样的： ( 1 ) 多播源把数据或者广播通知发送给所有的路由器； ( 2 ) 不想参加多播的终端逆向发送一个删除消息； ( 3 ) 删除没有成员的分支和不在最短路径树上的分支； ( 4 ) 在多播源生成最短路径树； ( 5 ) 使用连接和删除功能改变成员之间的关系； 下面我们从加入、剪枝、嫁接、h e a r c b e a t 和k c e p a l i v e 等几方面来介绍多播树 的相关机制。 1 2 面向群组通信的多媒体应用研究 翔入辊裁圭豢雳予一个籀翡要参期多搔会话豹攒定籍由器d r 挚a 毫e d r 渊t 哟。该d r 避常是向多播树发送方d r 绒是临时会和淼r p 限髓d 龆v o u sp o i l l t ) 发邀加入消息。该消息在所经过的路由器中首先执行反向路径转发r p f ( r e v e r s e p 础f a 朋躲麸n 曲，并设置相应的转发状态( 输入端口和输出湍口) 以及棚臌的表项。 瓣予源耱貉谈要没麓鼯，s ，箕孛“g ”舞缀懿多撵逢泣，“s ”失经孛菜发送方楚 单播地址，也就憋对每个组中的每个源端都设置一个表项。而对于共攀树协议要 设鬣( g ，半) ，其中“”为所有发送方的单播地址，即对每个多播组的所有发送方 只设鬟一个表瑗。转发技态亵期虚豹表顼一照竣耋完毕，鸯窭入溃惠就渗饕输入壤 口继续向发送方d r 或r p 传送，这一过穗一誊持续封遁猁一个已经在多播树上的 路由器为止。 劈技机制主鼗用于多播组成员发生变化 l 寸多播路由协议所零要进行的维护操 作。薅寝操作逶鬻蔻递癌避露靛。当多疆瓣串豹多摇苓杰袄其所有豹下游多撵分 枝，即输出端口处都收到了其下游节点的剪枝消息时，此时该节点就知道它已经 没有下游分枝节点了，没有必要继续转发多播包了，它就通过输入端口向其上游 节轰毽发送葵技溱惠，劳擞溪肇患悫戆多攒妖态。摇定魏鑫器d r 豹剪裁操终有点 特别，d r 是通过l g m 咿协议了解它所服务的雾播组成员主机状态的，当d r 所在的子 网内没有多播组成员主机时，d r 就直接向麓上游节点发邀剪枝消息。 嫁接极铡主要爆予当多攒褥上的链路戏第点出现故障戤多播路由游议所需要 进行的维护操俸。当多播穗上的节点检测列岛箕直接福联豹上游节赢或链路失效 时，该节点重新执行r p f ，确定本节点新的输入端口，并通过输入端口顺此最短路 径向多播树的源溅临时会合点发送加入请求，当遇到一个多播树上节点，就在该 嚣土慧点设置穰褒瓣辕窭臻墨，使褥激本繁豢蔻棂戆子撼黧裁连接裂多撵褥上。 h e a r t b e a t 和k e a l i v e 机制主要用于定时更新多播树镳路状态以及梭测多播树 故障等，是一种软状态信令机制。h r f b 鼢t 消息通常是由发送方d r 或r p 以一定的 频搴趱多援包豹形式蹶藿多攘蜓向下转送，每个树上路囊器节点故到此消息后， 都受掰其定时器，并向其上游瓣上节点发送k e c p 碰v e 滂慧。当多播褥中的一条链 路失效时，其上下游节点都可以通过这一对信令消息检测到；当下游节点的定时 器怒时丽仍未收熬j e a 蛐l e a t 消息时，它就可以判断出其上游的链路或节点出现了 敌潞。爰之，警上游节熹发凄嚣黝攫 髓t 溪戆螽痘魂酌定辩器超嚣焉爨零狡虱下游 节点的k e ：c p a l i v e 消息，它就可以确定该下游节点或它们之间的链路出现了故障。 2 2 。2 泛洪算法( f l o 硝i n g ) 泛洪算法悬最简单的前向算法，也是一种将多播数据包发送到一个网络中所 有路囱器的最简单的算法。农该算法中，个路由器如果是第一次收到这种数据 第二章多媒体通信模型与多播路由技术 1 3 包，则转发到所有的端口上；如果不是第一次收到这种数据包，则丢弃该包。算 法已经用于开放最短路径优先( o s p f ) 协议。算法虽然简单，但是产生的大量的复 制包浪费了网络带宽，这一点在网络带宽有限的链路中会造成网络拥塞，同时对 大数据量传输的多媒体业务是不可接受的。而且每个路由器中都需要保留一张最 近有关检测到的数据分组表，使得算法对路由器存储资源利用的效率不高。 2 2 3 最短路径算法 最短路径算法的基本思想是从源端到多播组中的所有接收者之间的每条路径 链路的权重之和为最小。如果每条链路的权重是单位长度，则该树就是最少跳树。 如果链路的权重为延迟，那么该树就是最低时延树。当然，其他的链路权重也是 可能的，如距离、带宽、负荷和代价等。常用的最短路径算法有b e u m a n f o r d 和 d i j k 咖算法。 2 2 4 生成树算法和反向路径广播算法 生成树算法根据整个网络的拓扑结构来计算生成该网络的多播生成树，已经 成为数据链路层中的标准路由选择协议。生成树使一个较大的网络上的两端之间 形成一个简单的路径，为了避免构成一个环路，只标记网络中做为树的一部分的 链路。路由器所需要保存的信息是一个网络接口是否属于生成树，每当路由器收 到一个分组包时，它将此包转发到生成树中除去该包已经到达的网络之外的所有 其他链路上去，以保证多播包到达网络中所有的路由器。 该算法的改进就是反向路径广播算法。它并不构成一个含全网的生成树，而 是为每个源构造一个特定组的分布树。基于此算法，如果一个路由器收到从源端s 经过路径p 传送过来的多播分组，就查看p 是否是到源s 的最短路径，如果是则 前向转发，否则就丢弃。如果本地路由器不是处于源节点和临节点之间的最短路 径上，就会在相邻的路由器丢弃多播包。这种情况不需要转发信息到相邻的路由 器，使用链路状态协议可以得到该信息。该算法效率较高，易于实施。 2 2 5 剪裁的反向路径广播 这个算法要使用互联网组管理协议i g m p ( i n t 锄e tg r o u pm 锄a g ep r o t o l c 0 1 ) 来 测定每个子网上的组成员。如果叶子节点没有组成员，它就剪断此处的分布传递 树。同反向路径广播算法一样，如果本地路由器不在从邻近路由器到源端的最短 路径上，就不向邻近路由器转发分组。该算法中使用了多播成员信息。但未能消 1 4 面向群组通信的多媒体应用研究 除没有多播成员的非叶子子网的不必要的流量。 2 2 6 反向路径多播 该算法是对反向路径广播算法和剪裁的反向路径广播算法进行的改进。对一 给定的( 源，组) 对，路由器使用剪裁的反向路径广播算法传递第一个多播分组到所 有的路由器。如果叶子路由器收到一个( 源，组) 对的多播报文而无该组成员，它就 发送“修剪”信息给发送给它的多播报文路由器，该特定( 源，组) 对就不再向收到 “修剪”信息的链路转发多播报文。上游路由器保存“修剪”信息，如果它也无 接收者，则再向上传递“修剪”信息。通过这样的方式，最初剪裁的反向路径广 播树就会“修剪”成仅有多播成员的树。这个算法的问题是它必须周期性地广播 所有路由器之后才能对多播树进行“修剪”，广播的存在对带宽浪费很大而且不利 于扩展到大规模网络中去。 2 3 7s t e i n e r 树 在反向路径广播算法和剪裁的反向路径广播算法中，源节点和目的节点的最 短路径用来传输多播包，保证多播尽可能的传递。但是这些算法没有使用最小化 网络资源。s t e i n 盯树要在多播树的总代价最小的条件下，寻找一颗树来覆盖组中 的所有成员。如果多播组包括网络中的所有节点，s t e i n e r 树就变成求最小生成树 问题。算法的基本思想是对原始拓扑图g ，构造完全图g ，找到g 的最小生成树 u ，将u 中的边转换为g 的路径，就能得到问题的解。该算法使用最短路径，平 均延迟最小，但是树相当不稳定，计算起来比较困难，不太实用。 2 2 8 基于核心树的多播 源根树虽然能提供源到每一个潜在多播数据的接收者之间的最短路径，但是 当组规模变得很大时，每一个参与多拨转发的路由器所要维护的( 源，组) 转发条目 会变得相当庞大，路由器的负担会变得非常大。核心树则不同，它为每一个组构 造一个传递树，选择一个或多个路由器作为传递树的核心。每一个想接收多播分 组的主机必须显示地加入到核心树。所有发往一个特定分组的报文以单播方式发 送到核心路由器上，直到它们到达属于传递树的路由器，再转发到所有的端口上。 由于共享树无须为多播组及其成员维护状态信息，多播成员的数量、分布不会对 算法造成额外的负担，因此基于核心树的多播算法有很好的扩展性。但是可能会 导致通信量的集中造成核心树上的网络拥塞，核心路由器附近可能会成为瓶颈。 第二章茹媒体通信模型姆多播路由技术旦 蔹，冬耱多撵霎法瓣转发路径不爨最霞路由，蔟转茇过程分必：获发送畿爨核，基瓣 的最短路径；核心树上的传递；和从核心树别接收者的最短路径这三个阶段。 2 3 多播路出协议 多播路由协议从不同的角度可以有不同的分类，我们从成员分布情况把多播 路由协议分为两炎：一是密集型多播路由协议，即组成员密布在网络带宽丰富的 整令瓣络上，诲多芋翘至少存农一个藏员；= 是臻藐型多疆貉由捺议，维成员舔 疏地分布在带宽资源受限的整个闻络上，即成员散布得很广泛，但是成员总体数 量并不少。密集型协议使用数搬驱动方法来构造多播树，主要有距离必量多播路 由协议、多播开放最短路径优先协议亵协议独立多撵密集毽路由协议；两稀琉型 协议使角接牧端瘸瀚盼方法来稿逢多播薅，囊要有核心蘩予裙协议鞠协议独立多 播稀疏型路由协议。 2 。3 1 因特弱多攒管理势议( 瓣氧匿b 猩具体介绍上述协议之前，我们首先来介绍因特网多播管理协议i g m p ，因为 上述缀多协议都要借助于这个协议。i g m p 怒豳特网协议族中的一个组播协议，用 予糟圭税向 壬一令壹接耱邻豹鼹塞器报告群缝成员豹傍况。葺蓠为壹l g 焱偿有三 个版本：i g m p v l 、i g m p v 2 和l 掰皿v 3 。i g m p v l 只有成员加入操作而没有成员离 开操作，使用基予超时机制来确定成员是否憨组成员。i g m p v 2 协议包禽了离开信 惠，灸诲迅速淘爨鑫蛰议摄告黪组成买终囊壤嚣，这对窝豢宽缓援缀绒荔交鳌组 播组成员而言是非常重要的。l g m p v 3 中，来髓阏络中其它搬机的流量楚被隔离的， 该协议允许主机指定它要接收邋