（电路与系统专业论文）基于MPLS网络的自适应前向纠错编码传输机制的改进研究与仿真[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 网络发展目新月异，随着l p 网络上新应用的不断出现，人们对i p 网络的服 务质量也提出了新的要求。保证网络的服务质量( q o s ) 具体体现在保证网络应 用的带宽、延时、抖动和丢包率等参数在一个用户可以接受的范围内。 本文介绍了现有的保证网络q o s 的两种不同的解决策略：基于网络的解决 策略和基于终端的解决策略。这两种方法都有各自的优缺点，因此本文的目的在 于结合这两者的优点，提出一个全新的具有o o s 保证的网络结构。 在分析了f e c a r q 传输机制的基础上，为了提高f e c 编码在抖动参数上的 性能，在本文中提出了一种改进的自适应f b c ( a f e c ) 传输机制。它改进了发送 端与接收端之间的信息交互方式。旧机制中，发送端收到接收端反馈信息后才继 续发送数据，这样会影响抖动参数的性能。新机制中，发送端收到反馈信息后只 是调整数据的冗余度而且不会为了等待反馈信息而停止数据传送，同时该机制还 应用多协议标签交换技术( m p l s ) 来保证反馈信息能够及时准确的被发送端所 接收，从而保证发送端能够及时地了解最新的网络状况。 基于n s 2 平台，我们分别将f e c a r q 和a f e c 协议予以仿真实现，并且在 同等网络丢包率的条件下，进行了三组对比试验。试验结果证实新提出的a f e c 传输机制确实可以改善接收端在抖动参数上的性能，因此该机制为提高实时视频 传输的端到端的q o s 提供了一种新方法。 关键词：服务质量；网络模型；抖动：前向纠错；动态前向纠错编码；多协议标 签交换 a b s t r a c t c o m p u t e rn e t w o r ki sd e v e l o p i n gm p i d l y tw i c hn e wa p p l i c a t i o n sc o m i n gi n t o b e i n go v e r 也ei p - b a s e dn e t w o r kc e a s e l e s s l y ，p e o p l er c q u i r em o r eo n 也eq u a 王i t yo f s e r v i c e ( q o s ) o fi p b a s e dn e f w o r kt h ea i mo fq o sr e s e a r c hi s t ow o r ko u t 恤 s o l u t i o nt h a tc a l lg u a f a l l t e et h a tm ep e r f o r m a n c eo f n e 咐o r ka p p i i c a t i o n sc o u l ds a t i s 匆 m eu s e r s t 1 1 a t st os a yt h eb a n d “d m ，d e l a y ，j i t t e r ，p a c k e tl o s sa i l ds oo ns h o u l db e l i r i l i t e d m t oac e r t a i nr a n g e ，w h i c hc o u l db et o l e m t e db yu s e r s t 瞄sp 印e r1 i l le x p l a m 铆ok i n d so fs 0 1 u t i o n st l l a tc a ng u a 娜t e eq o sp r o v i s i o n t t l ew h 0 1 en e t w o r ka r c h i t e c t u r ei sm em 旬o rc o i l s i d e m t i o ni no n ek i i l do fs o l u t i o n t h eo t h e rk i n do fs o l u t i o nf - 0 c u s e so nt h et e m l i n a l so fn e “o r k b e c a u s eb o t ho f l e s o l u t i o n sh a v ea d v a l l t a 萨sa i l dd i s a d v a t l t a g e s ，t h ea i mo f o u rr e s e a r c hi st ow o r ko u ta n e ws o l u t i o 也a tc o m b i n e s 也e 王ra d v a n t a g e st oe n s u f eq o sp f o 讲s i o n a f t e ra n a l y z i n gf e c a r q 扛a n s m i s s i o ni n e c h a l l i s m ，w ep r o p o s ean o v c l 仃a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fa f e c ( a d a p t i v ef o 州a r de 玎d rc o r r e c t i o n ) c o d ei n 吐蛀s p a p e ri no r d e rt oi f n p f o v et h cj i 蛔p e f f o m a n c eo ff e cc o d i n g0 nm ec l i e n te n d t h e n e wm e c h a n i s m 锄e l i o r a t e st 1 1 em e l o do fi n f o m l a t i o ne x c h a n g i n gb e t w e e n 也e s e r v e re n da n dc l i e me n d i nn l eo l dm e c h a l l i s m t h e 州e re n dd o e si l o tt r a n s 主n i td a t a l l i l d l i tr e c e i v e st l l ef c e d b a c km e s s a g ea b o u tm ea c c e p t a n c es t a t l l so ft h ep r e v i o u s l y t r a i l s m i t t e dd a t a ，w h i c hb a m ya 髓c t sm ej i 他rp e r f 0 傩a n c eo nu l ec l i e n te n d n l en e w m e c h 枷s ma d o p 诒2 - l e v e la f e cc o d e ，h i c ha 1 1 0 w sn l es 啪e rt oa d j u s tt h ef e c i e d u n d a n 舒蠲ds e n d i n gm t ei na c c o r d 觚c e 诵t h 也ec o n 仰im e s s a g e sf e e db a c kb y t h ec l i e m t h es e r v e ru s i n gt h en e wm e c l 瑚i s md o e sn o ts o ps e n d i n gd a t af o rm e s a k eo f 协ei a c ko ft 1 1 ef e e d b a c km e s s a g e m e a n w h i l e 也en l e c h a n i s ma d o p t sm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h 访gt e c 岫q u et oe 玎s l l r em e t i m e l ya n dc o r r e c t l yt r 龇s m i s s i o no f f e e d b a c km e s s a g ef 如mt h ec l i e n tt ot h es e n r e r ，w h j c hc a l lm 出汜m es e r v e r 虹o wt l l e u p 如一d a t ew o f l ( i i 培c o n d i t i o n so f t h en e t w o r k b a s e do nt h en e t w o r ks i m u l a t o r2p l a t f 0 肿，w es i m u l a t ef e c ，a r qa f l da f e c 2 m e c h a i l i s mr e s p e c t i v e l y a n db o t hm e c h a n i s m sa r ee x p e r i m e n t e do nt l l es a m e w o r k i n gc o n d i t i o na n dt h e y a r et e s t e df o r3d i 虢r e n tc o n d i t i o n s t h ec o m p a r i s o n b e t w e e nm en s 2s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e s et w os c h e m e sp m v e st h a tt 1 1 en e w l y p r o p o s e da f e ct r a n s n l i s s i o nm e c h a n i s mc a ni i i l p r o v et h ej i t t e rp e r f o n n a l l c eo nt l l e c l i e n te n d t h e r e f o r e ，t h i sm e c h a i l i s mp r o v i d e san e wm e t l l o do fe n h a n c i n gm e e n d t o e n dq o so f r c a l t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：q o s ( q u a l i f yo fs e r v i c e ) ，n e 伽o r km o d e l ，j i t t e r ，f e c ( f o n a r de r r o r c o r r e c t i o n ) ，a f e c ( a d 印曲ef 嗍r d e o rc o r r e c t i o n ) ，m p l s ( m u l t ip r o t o c o ll a b e l s 、；l r i t c h i n 曲 1 1 引言 第一章引言 传统的分组交换网络，是面向非实时的数据通信( 如f t p 和e m a i l ) 而设 计的，采用的t c p 佃协议主要是为了优化整个网络的数据吞吐量并保证数据通 信的可靠性。网络中所有的i p 报文都被无区别的等同对待，每个路由器对所有 的报文均采用先入先出( f i f 0 ) 的策略进行处理。网络会尽最大的努力 ( b e s t e 丘b n ) 将报文送到目的地，但对报文传送的可靠性和传送延迟等性能不提 供任何保证。 网络发展日新月异，随着i p 网络上新应用的不断出现，人们对i p 网络的服 务质量也提出了新的要求，例如( v o i pv o i c eo v e ri p ， i p 语音) 等实时业务就 对报文的传输延迟提出了较高要求，如果报文传送延时太长将是用户所不能接受 的，相对而言e - m a i l 和f t p 业务对时间延迟并不敏感。为了支持具有不同服务 需求的语音、视频以及数据等业务，要求网络能够区分出不同的逯信进而为之提 供相应的服务。传统i p 网络的尽力服务不可能识别和区分出网络中的各种通信 类别，而具备通信类别的区分能力正是为不同的通信提供不同服务的前提，所以 说传统网络的尽力服务模式已不能满足应用的需要。q o s ( q u a l i t y o f s e i c e ) 服 务质量技术的出现便致力于解决这个问题1 。 q o s 旨 在针对各种应用的不同需求为其提供不同的服务质量，例如：提供专 用带宽、减少报文丢失率、降低报文传送时延及时延抖动等。为实现上述目的， q o s 提供了下述功能2 ： 报文分类 网络拥塞管理 网络拥塞避免 流量监管和流量整形 1 2 实时视频传输服务质量的研究现状概述 在i p 网络上进行实时视频传输，如果撇开传输的内容，从网络本身上看， 实际上是怎么样在i p 网络上建立一个具有q o s 保证的传输路径的问题，而由于 i p 网络本身的无连接性，这个问题的解决是比较复杂的。目前有两种解决思路， 一种是以网络为中心，提高网络带宽，提供q o s 保证，如根据综合服务( i n t s e r v ) 、 区分服务( d i f f s e r v ) 或者多协议标签交换( m p l s ) 等具有o o s 保证的网络体 系结构来构建网络；另外一种以终端系统为中心，让终端系统具备拥塞避免的能 力，尽可能地避免突发的丢失和过分的延迟，但分组丢失无法完全避免，因此还 必须结合使用差错恢复机制来改善视频传输的质量3 。 ( 1 ) 综合服务( i n t s e r v ) 根据申请q o s 请求进行资源分配，根据带宽资源进行管理。资源预留协议 ( r s v p ) 提供了这一种管理机制。但在当前i r 她r n e t 的永久虚电路( p v c ) 服务 运营模式下，r s v p 几乎不具备可行性。 ( 2 ) 区分服务( d i 妇f s e r v ) 对网络流量进行分类，根据带宽资源管理策略的准则进行资源分配。为了保 证q o s ，对于要求高的业务给与更高的优先级。但也只是在网络拥塞时为不同等 级的连接提供不同的传输优先级，无法保证定量的带宽、延迟等指标。 ( 3 ) 多协议标签交换( m p l s ) m p l s 融合了i p 路由技术、a t m 的q o s 及第二层的交换技术，使得流量 工程可以部署在基于i p 的网络。它允许为网络的数据流预先建立一条路径。这 些预留的路径占用特殊的网络资源，既可被手工设定为显式路径，也可根据需要 自动生成最佳的路径。 基本上讲，m p l s 类似于a t m 技术。它是专门为i p 设计的，但同时又支 持a t m 和p o s 等不同的传输媒体。标记交换路径( l s p ) 的路径建立，根据流量 需要和链路承载能力，数据流被映射到相应的路径上。数据流通过哪条路径转发 取决于该数据流被分配了什么样的标记。因此，不同于传统的1 p 目的地址，m p l s 中的标记被用于将数据包沿着选好的路径在网络中传送。目前，m p l s 可用两种 控制协议c r l d p 和r s v p 建立路径，在支持流量工程时具有同等的效力。另 外，这两种控制协议均支持隐式和显式路由。 上述方法都是基于网络的解决策略，另一种解决网络思路是在网络的终端系 统上做文章。因为i p 网络的实时视频数据包在网络中传输时，由于在每一个网 络节点中都要进行路由选择，而且数据包要进行排队导致包传输的时延，延时超 过一定时间后会采取丢包处理。这些都对实时视频数据传输的质量造成影响。针 对这些影响，基于终端的解决策略主要是拥塞控制和误码控制。前者致力于降低 时延和消除分组丢失；后者提高在有分组丢失的情况下的恢复质量。 ( 1 ) 拥塞控制 实时多媒体系统大多采用u d p 进行传输，u d p 由于没有拥塞控制，当基于t c p 的应用和基于u d p 的应用共享网络时，当t c p 检测到网络拥塞，根据a i m d 算法， t c p 的发送端会将发送的速率降低一半。如果t c p 不断检测到网络拥塞，t c p 发 送端会不停降低发送速率，直到停止数据的发送，此时基于u d p 的应用就会占尽 所有的带宽，使基于t c p 的瘟用产生拥塞4 。解决方法之一是在i n t e r n e t 路由器 中将先进先出( f i f o ) 调度算法用类似于随机早期检测( r e d ) 等算法代替，增 加对不同类别数据的分别服务，例如，在路由器中使用c b q 协议，可以为不同 类别的应用动态分配不同的带宽，以保证各种应用的q o s ；另一种方法是在基于 u d p 的应用程序中增加拥塞控制机制，并且该拥塞控制机制能够确保u d p 和t c p 数据流和平友好共处( t c p f r i e n d l y ) 。这种方法需要在u d p 的上层加上拥塞控 制的机制。这个过程主要是通过调整多媒体流编码的速度使其适应网络的带宽。 因为网络的带宽是时变而非固定的，而且是一个未知量，所以不能直接设定一个 发送速率来适应网络状态。通常采用两个方法实时调节：一是窗口法，通过逐渐 增大传送的速率，当发现网络上出现包的碰撞( 检测到了丢包) 时，再减小发送 的速率；另一个是基于速率的方法，先估计网络的带宽资源，再调整编码的目标 速率来适应网络的状态。 ( 2 ) 误码控制和差错恢复 对于实时的视频业务而言，视频质量可以降级，但是时延必须保证，对于视 频通信的这种特征有若干机制可以提供解决方案。比如说：纠错编码、重传、掩 错。其中掩错只在收端完成，其它都需要收端和发端共同完成。 我们先来看一看分组丢失对视频播放质量会有怎样的影响。下面两组图片给 出了在无丢包，1 和5 的丢包率情况下的m p e g 4 视频播放效果。 图1 1 发生分组丢失情况下的m p e g 4 视频播放效果 可见即使是少量的分组丢失，对于m p e g 4 的播放质量仍然有着很大的影响。 在保证时延的前提下，尽量降低分组丢失对播放质量的影响，有以下三种方法。 纠错编码以f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i d n ，前向纠错) 编码为例， f e c 和t c p 的重传相比引入的时延较少。发送端发送能纠正错误的编码。接收端 根据接收到的码字和编码规则，能自动纠正传输中的错误。其特点是不需要反馈 信道，实时性好，但是随着纠错能力的提高，编译码设备枢对复杂，f e c 的原理 就是在压缩图像流中增加冗余比特，当数据包丢失时利用冗余的比特恢复数据。 重传包在传送时出现误码或丢失，重传是一种最简单有效的途 径。如果判断重传后的包能够低于时延的阈值，就可重传。判断可以在收端或发 端进行。 误码掩盖 对多媒体应用来说，一定范围内的丢包率还是可以容忍的。 对视频来说可以采用错误掩盖技术来消除丢包引起的图像降级，得到更好的图象 质量。大致上可以分为空间上掩盖技术和时间上的掩盖技术，前者采用空问上的 相邻的宏块来取代出错的宏块。后者利用前一帧相同位置或运动矢量指向的位置 来取代。掩盖算法可以采用以下三种策略实现： 将出错的帧进行整帧替代 只用相同位置的块来取代 只用运动矢量指向的宏块来取代。 1 3 论文的任务和结构 基于网络和基于终端的解决策略都有各自的长处和缺点。基于阏络的解决策 略可以合理配置整个网络的资源和用户的接纳控制，但是需要改变或者升级大量 网络的软硬件设备，实际实现起来规模大，成本高：基于终端的解决策略较易实 现，在网络设备保持不变时能够做到一定的q o s 保证，提高视频流的质量5 。忽 略任何一者都不能获得满意的效果，所以我们打算结合这两者的优点来构建一个 全新的具有q o s 保证的网络结构。 本文的主要任务是研究在多协议标签交换( m p l s ) 网络上应用自适应前向纠 错编码( a f e c ) 技术来降低接收端收到的数据包的对间问隔的抖动频率和强度， 从而提高基于i p 的计算机网络上的实时视频传输的服务质量。 本文的主要结构如下： 第一章概述计算机网络上服务质量的研究现状。 第二章介绍基于网络的解决策略，包括i n t s e r v 和d i 船e r v 。 第三章介绍自适应前向纠错编码技术，我们将其应用到多协议标签交换 ( m p l s ) 网络上，提出了能够改进实时视频传输技术的自适应前向纠错编码 ( a d a p t i v ef o n a r de h d rc o r r e c t i o n ，a f e c ) 的传输协议。 第四章是对a f e c 协议的仿真分析，我们的方针是在基于n e t w o r ks i m u l a t o r 1 0 2 的j f 台上完成的。本章将会简要介绍用于计算机网络仿真的模拟软件n e t w o r k s i m u l a t o r2 的功能和构成，以及详细介绍如何实现a f e c 协议的仿真。 第五章是对仿真结果的分析，证明a f e c 协议确实能够降低接收端收到的数 据包的时间间隔的抖动频率和强度，从而可以提高端到端的实时视频传输的服务 质量。 第二章带有q o s 保证的网络服务模型 2 1i n t s e r v 服务模型 i n t s e r v 是一个综合服务模型，它可以满足多种o o s 需求。这种服务模型在 发送报文前，需要向网络申请特定的服务，这个请求是通过信令( s i 盟a 1 ) 来完 成的。应用程序首先通知网络它自己的流量参数和需要的特定服务质量请求，包 括带宽、时延等，应用程序一般在收到网络的确认信息，即确认网络已经为这个 应用程序的报文预留了资源后，才开始发送报文。同时应用程序发出的报文应该 控制在流量参数描述的范围以内。 网络在收到应用程序的资源请求后，执行资源分配检查( a d m i s s i o nc o n 仃0 1 ) ， 即基于应用程序的资源申请和网络现有的资源情况，判断是否为应用程序分配资 源。一旦网络确认为应用程序的报文分配了资源，则只要应用程序的报文控制在 流量参数描述的范围内，网络将承诺满足应用程序的q o s 需求。而网络将为每 个流( n o w ，由两端的i p 地址、端口号、协议号确定) 维护个状态，并基于 这个状态执行报文的分类、流量监管( p o l i c i n g ) 、排队及其调度，来实现对应用 程序的承诺。 在i n t s e r v 服务模型中负责传送q o s 请求的信令是r s v p ( r e s o u r c e r e s e n r a t i o np r o t o c 0 1 ，资源预留协议) ，它通知路由器应用程序的q o s 需求，是 在应用程序开始发送报文之前来为该应用申请网络资源的。 2 1 1 i n t s e r 、r 服务类型 除去i n t e m e t 普遍提供的尽力而为型服务( b e s t e m ) n ) 之外，i m s e r v 还提供 以下两种服务： ( 1 ) 质量保证型服务( g u a r a n t c c ds e 九r i c e ) 它提供保证的带宽、时延限制和丢包率来满足应用程序的要求。该业务不能 控制固定延迟( 传输延迟等，它们取决于由连接建立机制所选的路由) ，它所能 保证的是排队延迟的大小( 排队延迟是令牌桶大小和数据速率的函数) 。网络使 用加权公平排队( w f q ) 算法。 ( 2 )可控负载型服务( c o n t r o l l e d - l o a ds e r v i c e ) 它保证即使在网络过载( o v e r l o a d ) 的情况下，能对报文提供近似于网络未 过载类似的服务，即在网络拥塞的情况下保证某些应用程序的报文低时延和高通 过率。在轻载网络中这种业务类似于b e s t e 舶r c 业务。它能够提供最小的传输时 延，对于排队算法没有特别的要求。在支持可控负载型服务的网络中，应用程序 可以假设网络传输的数据包差错率近似于下层传输媒质的基本包差错率；数据包 平均传输延迟与网络绝对延迟( 包括传输延迟加路由器转发延迟) 差别不大。 2 1 2i n t s e r v 组成 为了实现上面的服务，i n t s e n ，定义了4 个功能部件，网络中的每个路由器都 需要实现这4 个部件7 。 ( 1 ) 资源预留协议8 ( r e s o u r c er e s e r v 撕o np r o t o c o i 。r s v p ) 通过r s v p ，用户可以给每个业务流( 或连接) 申请资源预留，要预留的资源可 能包括缓冲区及带宽的大小。这种预留需要在路径上的每一跳都要进行，这样才 能提供端到端的q o s 保证。r s v p 是单向的预留，适用于点到点以及点到多点的 通信环境。 ( 2 ) 访问控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 它基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访向进行一定的监视和控制， 有利于保证双方的共同利益。 ( 3 ) 分类器( c l a s s i f i e r ) 根据预置的一些规则，它对进入路由器的每一个分组进行分类。这可能需要 查看i p 分组里的某些域：i p 源地址、i p 目的地址、上层协议类型、源端口号、 目的端口号；分组经过分类以后被放到不同的队列中等待接收服务。 ( 4 ) 队伍调度器( s c h e d u l e r ) 它主要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务。 综合业务模型的结构如图2 1 所示： 滕由鞯 图2 1 综合服务模型 从上面的4 个部件来说，r s v p 是i n t s e r v 的核心所在。i n t s e r v 本质上就是端 到端的控制，即在i p 网络上选择一条固定路径，然后在这条路径上所有的网络 元素都能进行资源调配，这当然需要一种信令来实现。r s v p 就是这种在网络元 素上进行资源预留的机制。下面简单介绍一下r s v p 。 r f c 定义了三个r s v p 协议的对象，即f l o w s p e c ，a d s p e c 和s e n d e rt s p e c 。 f l o w s p e c 主要携带接收端产生的信息和网络的流量参数报告，它从接收端传送 到中间节点然后最后再到发送端，其中中间节点可以修改f l o w s p e c 的数据。 s e n d e r j s p e c 携带的是发送端产生的信息。它从发送端传送到中间节点最后到 接收端，中间节点不可更改s e n d e r j s p e c 的数据。a d s p e c 携带的是接收端在预 留带宽决策时需要用到的网络的参数，这些参数包括可以获取的服务，网络的延 迟，带宽的估计和从各个网络节点搜集流向接收端的参数。 2 1 3i n t s e r 、，优缺点 i n t s e r v 主要借鉴了窄带p s t n 领域的成功经验，通信前先通过信令协议建 立端到端的通信路径，解决q o s 问题，但同样的思想在i p 领域却没有获得成功。 其中个重要的原因在于i p 网络与p s l n 网络的流量模型和业务模型是不同的， 具体情况参见表2 1 。 由于i p 网络流量模型和业务模型的特点，使得i n t e m e t 骨干网瞬间要为成千 上万的业务流提供服务，因此粒度为单个流的路径预留的解决思路在i n t e m e t 骨 干网上无法扩展，这严重制约了i n t s e r v 在实际网络中的应用。当然还存在其他 一些限制i n t s e r v 应用的因素，包括r s v p 信令大规模的部署、不同厂商设备之 问的互通以及基于业务的管理( 认证、计费) 等。可以说基于r s v p 的i n t s e n r 解决方策足在i pq o s 方面一次失败的尝试，i n t s e r v 从1 9 9 4 年推出至今并没有获 得过任何规模的商用。 流量模型业务模型 以本地网范围内的业务( 市话)对于一个源电话号码和目的电 p s l n 网络 为主，少量的业务( 长话) 要 话号码对，只需提供一条6 4 k b p s 穿透本地网的电路交换路径 对于一个源i p 地址和目的i p 地 i p 网络 大量的业务都要穿透本地网 址对，可并发存在多种业务，如 f t p 、w w w 、e 。m a i l 、v o i p 等， 各类业务的q o s 要求也不相同 表2 1p s t n 网络与i p 网络流量模型与业务模型的比较 2 2d i f ! f s e r v 服务模型 为了寻求扩展性和简易性，i e t f 组织在1 9 9 8 年推出了基于d s c p 的d i 丘s e 解决方案。d i 船e r v 的实现途径是： ( 1 ) 简化网络内部节点的服务机制。在内部节点只进行简单的调度转发， 而流状态信息的保存与流监控机制的实现等只在边界节点进行，内部节点是状态 无关的。 ( 2 ) 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制，服务对象是流 聚集而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 具体而言，边界节点根据用户的流规定( p r o f i l e ) 和资源预留信息将进入网 络的单流分类、整形、聚合为不同的流聚集，这种聚集信息存储在每个i p 包头 的d s ( d i 牖r e n t i a t c ds e r v i c e s ) 标记域( f i e l d ) 9 中，称为d s 标记( d i 脑r e n t i a t e d s e “i c e sc o d 印o i n t ，d s c p ) ；内部节点在调度转发i p 包时根据包头的d s c p 选择 提供特定质量的调度转发服务，其外特性称为逐点行为( p e r h o p - b e h a v i o r ，p h b ) 。 网络边界对单流做分类聚合与网络内部对聚集流提供特定质量的调度转发服务， 这两个过程通过i p 包头内的d s c p 协同起来。 2 2 1d i f 舔e r v 的特点 除实现简单之外，d i 船e n ，体系还具有以下特点1 0 ： ( 1 )层次化结构。分为d s 区域( d sd o m a i n ) 与d s 区( d sr e g i o n ) 两 级。在d s 区域内，服务提供策略与p h b 的语义和实现要一致；但d s 区内的 各d s 区域可以支持不同的p h b 、有不同的服务提供策略，它们之间通过服务 层协议( s e n ，i c el e v e l a g r e e m e m ，s l a ) 与传输调节协议( t r a 撬cc o n d i t i o l l i n g a g r e e m e n t ，t c a ) 协调以提供跨区域服务，如图2 2 所示。这种结构适应了i m e m c t 中由各i s p 提供接入服务的商业模式。 ( 2 ) 总体集中控制策略( 与i n t s e r v 分布式控制相对照) 。网络资源的分 配由总体服务提供策略( s e n ，i c ep r o v i s i o n i n gp o l i c i e s ) 决定，包括在边界如何 分类聚合流，在内部如何调度转发流聚集。 ( 3 ) 利用面向对象的模块化思想与封装思想，增强了灵活性与通用性。 各逻辑模块相对独立，并有多种组合。少量模块可组合实现多种服务，并在发 展过程中保持模块的可重用性。例如，服务类型与边界调节器( c o n d i t i o n e r ) 和内部p h b 相对独立，使得较少种类的边界调节器和内部p 蛐可进行各种不 同的组合以实现多种服务类型：而且随着进一步研究发展可能有更多服务类型 出现但仍可以重用已有模块构造。 ( 4 ) 不影响路由。与一些以虚电路方式实现q o s 的方案( 删，m p l s ) 以及服务类型标记方案不同，区分服务节点处提供服务的手段仅限于队列调度 与缓冲管理，不涉及路由选择机制。 图2 2 区分服务模型结构图 2 2 2 逐点行为p h b 逐点行为p h b 是d s 节点调度转发特定流聚集这种行为的外特性描述。p h b 是针对具体的流聚集的，流聚集用i p 包头的d s c p 标识，因而实际上p 咖是 d s 节点调度转发处理包头标有特定d s c p 的i p 包流的外部行为描述。p h b 可以 用调度转发流聚集时的一些流特性参数( 如延迟、丢失率) 描述。当某个p h b 可能 与其它p h b 共存于一个节点时，还必须指出在分配资源( 如缓冲区、带宽) 时与其 它p h b 的相对优先级，事实上，也只有在多个流聚集竞争资源时，p h b 甚至整 个d i f s e “体系才有意义。p h b 本质上描述的就是单个节点为特定流聚集分配 资源的方式；d i f 瑁e r v 体系的整体资源分配策略也就通过这一个个单节点资源分 配实现的。 d i 船e r v 比h l t s e 更具可扩展性，它可用于企业的广域网中，并在运营商网 络中发挥重要的作用，因为它可以根据应用或服务类型排出不同的优先级别。口 包头的区分服务标记域( d s 缸e l d ) 是d s 区域的边界节点与内部节点间传递流聚 集信息的媒介，是连接边界的传输分类和调节机制与内部p 聃的桥梁。d s 标记 域定义为原i p v 4 包头的1 0 s 字节或者是i p v 6 包头的流类型字节( t r a m cc l a s s o c t e t ) 的前六位“，其余2 位未在区分服务体系中定义，具有其他用途，具体如 图2 3 所示。该字段可以按照预先确定好的规则加以定义，使下行节点通过识别 这个字段，获取足够的信息来处理到达输入端口的数据包并将他们正确地转发给 下一跳的路由器。这里需要注意的是在1 p v 4 网中所定义的r i o s 字段与在d i 自 s e r v 中的d s 字段是不同的。利用i p v 4 报头中t 0 s 字段来定义d sf i e l d ，充分考虑 了i p 网络本身灵活，可扩展性强的特点，将复杂的服务质量保证通过d s 字段 转换为先进的单跳行为，从而大大减少了信令的工作”。 二五圈 o5 67 d s c p ： d i f f e r e n t l a t e ds e r v i c ec o d e p o i n t c u ：c u r r e n tl yl m u s e d 图2 3i p 包头的区分服务标记域 1 7 目前已标准化的p h b 有缺省型b e ( b e s te 舶n ) “、加速型e f ( e x p e d i t e d f o r 、张r d i n g ) 、确保型a f ( a s s u r e df o n v a r d i n g ) 以及兼容i p 优先级的类选择型 c s ( c l a s ss e l e c t o r ) 4 种。 ( 1 ) 缺省p h b b e 是相当于传统尽力而为调度转发行为的p h b 。显然任何一个d s 节点都 应支持b e 。它的推荐d s c p 是“0 0 0 0 0 0 ”。此外，在d s c p 到p h b 的映射表中， 任何没有明确指出映射关系的d s c p 也都映到b e 。换言之，包头d s c p 无明确 意义的弹包都属于缺省p h b 对应的行为聚集，将接受通常的尽力而为服务。通 常情况下，缺省p h b 具有最低的优先级。b e 可以用如下方式实现：属于b e 的 押包仅在空闲带宽未被其它流聚集使用时发送。 ( 2 ) 加速型p h b e fp h b 定义为一种逐点行为，它保证任何时候接受此服务的流的离开速率 大于等于设定速率；而且这种保证不受其它传输流的影响。因而与其它p h b 共 存时，e f 总是优先级最高的。若e f 的实现机制是任意抢占式的，则必须设置 e f 流特性的上限( 如最高速率、最大突发量) ，超过上限的分组一律丢弃，以防l 匕 恶意的e f 流肆意凌略其它流。理论上似乎e f 的实现不需要缓冲区，因为任何 时候e f 流的入速率总是低于出速率。但考虑到以下情况，一定的缓冲区还是必 需的： 输出链路当前被其它流的分组占用； 在多个输入链路上同时到达多个e f 包。 ( 3 ) 确保型p h b h a f p h b 组族包含n 个相互独立的a f p h b 组，每组中m 个p h b 分居m 个 相对丢弃优先级。目前的定义n = 4 ，m = 3 。根据资源预留规格，各d s 节点为 每个a fp h b 组预留一定量资源，以保证a f 组对应的流在任何时候能获得预约 最小带宽。d s 节点还应保证，在同一a f 组内，低丢弃优先级流聚集的丢失率 应小于高丢弃优先级流；即拥塞时，d s 节点应尽量避免低丢弃优先级流中的分 组被丢弃，而更多地丢掉高丢弃优先级流中的分组。但无论属于哪个优先级，同 a f 组内不能改变流内分组的顺序。 目前关于a f 讨论的焦点集中在如何确定a f 组内的相对优先级数目。判断 的依据是，多少个优先级才能有效保证各微流问的公平性，尤其是t c p 与u d p 流间的公平性。此外，a f 组族定义中没有刻画各a f 组间的关系，只说相互独 立，却没有规范各组在分配资源上如何协调。 ( 4 1 类选择p h b c s 是d i f f s e f v 向后兼容r f c l 8 1 2 中的i p 优先级队列的产物。历史上i p v 4 t o s 字节的前3 位曾作为优先级队列调度的选择标志，已被广泛实现。为保持 兼容性，形如“x x x o o o ”的d s c p 都被保留为c sp h b 的标记值。c sp h b 组的 任何实现要保证：对应d s c p 较大的流聚集处理优先级要高于d s c p 较小的流聚 集，即d s c p 值较大的流在延迟、丢失率等参数上都要优于d s c p 较小的流。 2 2 3d i f 瑕e r v 服务类型 除了尽力而为的业务之外，d i 髑e r v 定义了两种典型服务类型： ( 1 ) 最优服务”( p r e m i u ms e r v i c e ) 最优服务为用户提供低延迟、低抖动、低丢失率、保证带宽的端到端或网络 边界到边界的传输服务，是目前所定义的服务级别最高的区分服务种类。“三低 一保证”的服务承诺使得用户可以享受类似专线的服务质量，因而最优服务也称 为“虚拟专线”服务。 ( 2 ) 确保服务( a s s u r c ds e r v i c e ) 确保服务的目的是在网络拥塞的情况下仍能保证用户拥有一定量的预约带 宽，使用户摆脱在单一尽力而为服务情况下无法把握自己实际占有带宽量的无奈 窘况。其着眼点是带宽与丢失率，不涉及延迟和抖动。其服务原则是：无论是否 拥塞，保证用户占有预约的最低限量的带宽；当网络负载较轻而有空闲资源时， 用户也可以使用更多的带宽。 在d i f f s e r v 体系中，服务类型与实现它的p h b 在定义上是相互分离的。这 种处理主要是基于灵活性的考虑：服务类型可能因i s p 而异，而且发展变化较快， 但实现模块p h b 却相对保持稳定。因此i e t f 的标准化工作仅仅针对p l i b ，而服 务类型则是完全开放的，由各i s p 自行确定。 1 9 2 2 4d i f 俗e r v 模型优缺点 伸缩性较好。d s 字段只是规定了有限数量的业务级别，状态信息的数量正 比于业务级别，而不是流的数量。便于实现。只在网络的边界上才需要复杂的分 类、标记、管制和整形操作。i s p 核心路由器只需要实现行为聚集( b a ) 的分类， 因此实现和部署区别型业务都比较容易”。 d i f r s e r v 为i pq o s 奠定了宝贵的基础，但还是没有办法完全依靠自己来提 供端到端的q o s 结构。d i f f s e r v 需要大量网络单元的协同动作，才能向用户提 供端到端的服务质量。鉴于这些组件高度分散的特点和对它们进行集中管理的需 要，必须有一个全局的带宽管理对全局资源进行动态管理”。 对于d i 行s e r v 的缺点，解决的方法有两个：一是用功能强大的全局策略管理 器来完成这一任务，这一点目前实现的难度还是很大；另外一种就是结合m p l s 技术将第三层的q o s 转换为第二层的q o s ，通过网络中第二层的交换机来实现 端到端的服务质量保证。但如果新的服务类型无法用已有p h b 实现时就需要定 义新的p 皿。 第三章自适应纠错编码技术 3 1r e e d s o l o m o n 纠错码 基于u d p 的多媒体流传输质量会由于i p 网络中不可避免的分组丢失率而严 重降低，而目前应用的视频图像标准( 如：i t u t 的h 2 6 l 、h 2 6 3 和i s o 的 m p e g ) 均采用压缩编码的方式，大大压缩了视频信息的所需的存储量大小，但 也由于编码中去掉了视频信息中的大量冗余信息，因此编码数据的抗干扰能力非 常的差，分组丢失将严重影响视频图像的传输质量。如何保证视频信息在分组交 换阿络中的服务质量是目前视频通信的研究重点。前向纠错( f e c ) 技术是一种 在目前通信系统中得到广泛应用的技术，它能够将网络传输层上的实际丢包率转 化在应用层较低的等效丢包率。前向纠错是指信息在被传输之前预先对其按一定 的格式进行编码，在接收端则按规定的算法进行解码以达到找出错误并纠正错误 的目的他。这种方法具有较精确的差错恢复能力，并且处理开销较低，因此，对 于实时性要求很强的视频数据通信来说，前向纠错技术是一种非常好的保证传输 服务质量的方法。 下面我们详细介绍f e c 编解码过程。 3 1 1 矩阵算法 f e c 的基本工作过程是，首先将k 个源数据包通过f e c 编码生成h ( h o ) 个冗余数