（计算机科学与技术专业论文）rsvp协议在mpeg4流式传输中的应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 随着互联网的飞速发展，流媒体技术的应用越来越普及，在流媒体技术的应用过程中， mp e g - 4 标准取得了革命性的进步，成为高质量音视频流式传输的主要选择。 流媒体的应用和对网络拥塞并不敏感的非实时应用不同，它们大都要求能在网络上以实 时的性能传递或交换数据，需要从网络得到带宽和延迟的保证。 但目 前的i n t e rn e t 所提供的 仅仅是“ 尽力 传送 ( b e s t - e f f o r t t r a ffi c ) ” 业务。 在资 源有限， 拥塞不可避免的 情况下， 一视同 仁的对业务不加区别的进行处理，势必影响实时业务的性能。为了实现在互联网上同时支持 “ 尽力传 送” 服务和q o s 要求的 服务， 一个重要的 改进就是采用资 源预留 协议， 将应用所要 求的q o s 在数据流经过的 路径上传播， 使得路径上的每个节点 可以为即 将发送的数据保留 其 所需的资 源。目 前最常用的资源预留 协议就是r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o t o c o l ) 协议。 本文主要针对mp e g - 4 视频流式传输中的资源保留技术进行研究，首先介绍了流媒体技 术的基本概念， 分析研究了m p e g - 4 视频编码的特性，并说明了r s v p 协议; 然后针对几种 不同的流式传输方式进行r s v p 协议的应用实验， 验证了r s v p 协议在流式传输中应用的性 能并提出了r s v p 协议存在的不足; 接着， 详细阐述了本文提出的使用r s v p 协议为m p e g - 4 视频传输提供等级服务的模型和所采用的具体方法;并在分析己有的资源提前保留方法的基 础上， 提出了 本文对其进行的改进。 其中， 介绍了需要对现存协议进行改动的内 容及方法， 并通过实验证明本文提出的mp e g - 4 视频流式传输中的资源提前保留控制是有效的。 论文的 最后总结全文，并指出下一步的研究工作和主要方向。 关键词:服务质量、流式传输、 mp e g - 4 . r s v p 、提前保留 - 一x iv ri 国防科学技术大学研究生院学位论文 abs tract wi t h th e f a s t d e v e lo p m e n t o f i n t e rn e t , th e e x t e n s i o n o f t h e a p p l i c a t i o n b a s e d o n th e s t r e a m i n g m e d i a t e c h n o l o g y h a s b e e n e n l a r g e d a l o t . i n t h i s i n s t a n c e , t h e s t a n d a r d o f mp e g - 4 g e t s r e v o l u t i o n a ry a c h i e v e m e n t , a n d i t b e c o m e s t h e f i r s t c h o i c e f o r t h e h i - fi a u d i o / v i d e o s t r e a m t r a n s p o rt a t i o n . t h e a p p l i c a t i o n s o f t h e s t r e a m i n g m e d i a d i f f e r fr o m t h e n o n - r e a l t im e a p p l i c a t i o n s , t h e y n e e d th e r e a l t i m e t r a n s p o rt a t i o n a n d d a t a e x c h a n g i n g m o s t l y , a n d n e e d t o g e t t h e g u a r a n t e e o f b a n d w i d t h a n d t h e t i m e d e l a y fr o m t h e i n t e rn e t . b u t a t p r e s e n t , t h e i n t e m e t c a n o f f e r o n ly t h e b e s t - e f f o rt t r a ff ic s e r v i c e . u n d e r t h e c i r c u m s t a n c e s o f t h e l im i t e d r e s o u r c e a n d u n a v o i d a b l e c o n g e s t i o n , it w i l l c a u s e n e g a t i v e e ff e c ts o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e r e a l t im e s e r v i c e b y h a n d l in g h e t e r o g e n e o u s s e r v i c e s i n th e s a m e w a y . i n o r d e r t o s u p p o rt t h e b e s t - e ff o rt t r a f f i c s e r v i c e a n d t h e q u a l i t y o f s e r v i c e s i m u l t a n e o u s l y , o n e i m p o rt a n t im p r o v e m e n t h as b e e n a c h ie v e d i s u s in g t h e r e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o t o c o l , i t d e l iv e r s th e r e q u i r e d q o s o f t h e a p p l i c a t i o n o n t o t h e p a th w h i c h t h e d a t a fl o w w i l l p a s s b y , s o t h e r e s o u r c e s a r e b e i n g r e s e r v e d f o r t h e d a t a i n e a c h n o d e a l o n g t h e d a t a p a t h . t h e p a p e r a i m s a t t h e r e s o u r c e r e s e r v a t i o n t e c h n o l o g y in t h e mp e g - 4 v i d e o s t r e a m i n g t r a n s p o rt a t i o n . a t t h e b e g in n in g o f t h e p a p e r , w e i n t r o d u c e t h e b as i c c o n c e p t o f t h e s t r e a m i n g m e d i a t e c lu i o lo g y , a n a l y z e t h e c h a r a c t e r i s t ic o f t h e m p e g - 4 e n c o d i n g t e c h n o lo g y , a n d e x p l a i n th e r s v p p r o t o c o l . t h e n w e c a r ry o u t s e v e r a l t e s t s u n d e r d i f f e r e n t s t r e a m i n g t r a n s p o rt a t i o n m o d e s , a n d p r o v e th e c a p a b i l i t y o f t h e r s v p p r o t o c o l , a n d fi n d i t s s h o rt a g e s . i n t h e n e x t p a r t o f t h e p a p e r , w e e x p a t i a t e t h e m o d e l w h i c h p r o v i d i n g le v e l o f q u a l i t y s e r v i c e s f o r mp e g - 4 v i d e o t r a n s p o rt a t i o n b y u s in g r s v p p r o t o c o l , a n d t h e n b ri n g f o r w a r d o u r m a n n e r b as e d o n t h e a n a ly z e o f t h e r e s o u r c e r e s e r v a t i o n i n a d v a n c e , a n d p r o v e t h e i r e ff e c t iv e n e s s b y e x p e r i m e n t s . i n t h e l as t p a r t w e g iv e a s u m m a ry o f t h e p a p e r a n d p o i n t o u t t h e d i r e c ti o n s o f f u t u r e re s e a r c h w o r k s . k e y wo r d s : q o s , s t r e a m in g t r a n s p o rt a ti o n , mp e g - 4 , r s v p , r e s o u r c e r e s e r v a t io n i n ad v a n c e 一0v页 一- .一一一 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 标注和致谢的 地方外， 论文中 不 包含 其 他人已 经发表和撰写过的 研究 成 果， 也不 包含为 获得国防 科学 技术大学 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。 学 位论文 题目 : 坦 y e 协 议 在m p e g - 4 流式 传输中 的 应 用 研究 学位论文作者签名: 日 期 二 2 价;年i ! 月么日 学位论文版权使用授权书 本人完 全了 解国防 科学技术大 学有关 保留、 使用学位论文的 规定。 本人 授权 国防 科学技术大学可以 保留 并向国 家有关部门 或机构送交论文的复印 件和电 子 文 档， 允许 论文 被查阅 和借阅 ; 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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。 ) 学 位 论 文 题目 :r s v p 协 议 在m p e g - 4 流式 传 输中 的 应 用 研究 学位论文作者签名: 作者指导教师签名: 一 卑k 众言 竹 日 期 : i f o 3年/l 月l日 日 期 :州; 年 ， 1 月3 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章 绪论 1 . 1 课题背景与意义 1 . 1 . 1 流媒体的优势及必要性 近年来，随着互联网技术的发展和多媒体技术的进步，作为第四媒体的网络的应用越来 越复杂， 并且开始带给人们更多形式的 信息模式。 i n t e rn e t 不再局限于传统的电 子邮件、 w w w i 文件传输等服务类型，而是向视频音频等多媒体服务方向发展，如远程医疗，网络教室以 及 各种形式的网络视频点播等等。人们常说互联网 是一场革命，实际上在网 络多媒体应用的 全 面发展之前，这场革命是不彻底的。没有多媒体的互联网无声无影，所谓 “ 虚拟的世界”的 说 法名与实相去甚远。 在网络上传输音频视频等多媒体信息，以 前的主要方案是采用下载的方式。在这种方案 下， 用户必须考虑两个因素:对客户端的 存储需求和播放启动延时。因为音频视频文件一般 都较大， 所以需要的存储容量也较大;同时由 于网 络带宽的限制，下载常常要花数分钟甚至 数小时。比如用户使用5 6 k的调制解调器连接网络，将一个3 0 秒的视频文件下载到本地播 放， 就至少需要2 0 分钟左右的时间。 这种方式大大限制了 人们在互联网上进行多 媒体信息的 交流。 而目 前新兴流式传输方案则把声音、影像或动画等信息由音频视频服务器向用户计算机 进行连续、实时的 传送。 在采用流式传输的系统中，用户不必等到整个文件全部下载完毕， 而只需经过几秒或十数秒的启动延时即可进行观看。当音频、视频等媒体文件在客户机上播 放时，文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。流式传输不仅使启动延时成十倍、百 倍地缩短，而且并不需要太大的缓存容量和网络带宽，使得人们在各种不同带宽的网络环境 下都可以获得完美的实时多媒体信息的服务。这种在i n t e m e t / i n t r a n e t 中使用流式传输技术的 连续时 基 媒体 就 称为 流媒 体 ( s t r e a m i n g m e d i a ) . 自 从互联网从2 0世纪9 0年代中期在全球兴起之后，用户数量一路走高。据n u a 2 0 0 2 年2 月的统计资料显示， 全球上网 人口 将近5 亿5 千万人。 根据i d c研究报告的预估， 2 0 0 5 年全球上网人口将达9 亿4 1 8 0 万人。 据i s c ( i n t e m e t s o ft w a r e c o n s o r d u m) 2 0 0 2 年1 月的统 计资料显示， 全球接入互联网的主机数已 高达1 亿4 千7 百多万台，而且还在不断地成长当 中。同时，据国外进行的一项调查，目 前互联网上8 0 % 的用户希望在今后几年内从网上获得 实时的多媒体数据服务，并且还有越来越多的企业用户也将使用流媒体技术。 这样， i n t e m e t 用户的激增就为视频服务在更广阔领域的应用奠定了基础，随着互联网用户的快速增长，基 于互联网的音频视频等流媒体应用必将发生质的飞跃。 第 1 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 . 1 . 2 视频编码的研究现状 由于视频的数据过于庞大，而目 前的网络带宽又远远无法以足够的速度传输如此巨大的 数据量。所以必须首先对视频进行压缩处理才能够在网络上进行流式传输，因此必须采用高 效的压缩算法，把原始视频转化为适合流式传输的文件格式。编码方式的选择可以是多种多 样的。 到目 前为 止， i n t e r n e t 上 使 用较多 的 流媒 体 格式 主 要 有r e a ln e t w o r k s 公司的r e a l s y s t e m , m i c r o s o ft 公司的w i n d o w s m e d i a t e c h n o l o g y 和a p p l e 公司的q u i c k t im e 。 这 三种主流技术中 采用的媒体压缩标准都是厂家自 行制定的，享有专用权。 如win d o w s me d i a 中的w m8 压缩 标 准、 r e a l m e d i a 中 的r a 8 压缩 标 准以 及a p p l e 公 司 提出 的q u i c k t i m e 压 缩 标 准。 这 样， 关 于压缩算法的核心技术都掌握在他们的手中，不利于我们开发拥有自己版权的软件。从某种 意义上来说， 使用他们的技术是要付版权费的。另外， 如果我们自己 对于压缩算法有所改进 的 话，却无法得到实现，因为不可能拿到他们的 核心代码。 所以， 我们所研究的对象是标准 的压缩方法一一m p e g系列压缩标准。与前面提到的压缩算法相比， mp e g标准系列由于不 存在专利权的问题，所以更符合软件开发模式中的开放性原则。 m p e g 的 原 文 是m o v i n g p ic tu r e s e x p e rt s g r o u p ， 即 运 动图 像专 家 小 组， m p e g 委员 会 的 活动开始于1 9 8 8 年， 其成员均为视频、 音频及系统领域的技术专家。 今天我们所泛指的mp e g - x版本，是指一组由i t u ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n s u n i o n )和 i s o ( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d s o r g a n iz a ti o n ) 制定 发 布的 视 频、 音 频 数 据的 压 缩 标 准。 目 前现存的m p e g版本有m p e g - 1 , m p e g 一以 及m p e g - 4 。 为适应现有i n t e rn e t 传输率 低、传输性能不稳定的特点，我们采用国际上比 较先进的压缩标准 m p e g - 4 a m p e g - 4与 mp e g - 1 1 2相比，在低比特率环境下的流式视频方面占 有极大的优势。m p e g - 1 和 mp e g - 2 标准是为比 特率远远高于w e b的v c d和d v d等设备而制订的，不能提供有限带宽条 件下 高 质 量的 流式 传输 所需要的 压缩比 。 而m p e g 一编 码的比 特率范围为5 k b p s - 1 o m b p s ， 其 制 定的初衷就是主要针对低比特率压缩编码的需求。 mp e g - 4的新的目 标定义为:支持多种媒 体的应用，可根据不同的应用需求， 现场配置解码器。编码系统也是开放的， 可随时 加入新 的有效的算法模块。 m p e g - 4 标准的 产生， 取得了 革命性的 进步。 它 集交互性、高 压缩率、高 质量、 通用可 存取、高 度的灵活性和可扩展性于一身， 一出 现就获得了 普遍的接受，成为高质量音视频流 式传输的主要选择。 研究 适合m p e g - 4 的 流式传输技术， 提高 流式传输的 质量， 能 够使现有系统 应用面更 广， 该技术也能带动其他多 媒体应用技术的发展和多 媒体网 络产品应用范围的增大。 除了 传统的 流 媒 体软 件公司r e a l s e t w o r k s , m i c r o s o ft , a p p l e 公司 外， c i s c o , p h i li p : 等公司 也 投 入巨 资 对m p e g - 4 的流式传输应用进行开发。 因此 现在 抓住机遇研究m p e g - 4 流式 传输 技术， 使 得我国能 在多媒体领域的世界 舞台 上占 有一 席之地， 不会受制于其他国 家的 技术封锁， 将是 很有意义的。 一 一一一 s0 r 万x一一.一一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 妇. 1 . 3 资源预留 研究的重要性 流媒体的 应用和w w w服务、 e m a i l 服务、 即服务等对网 络拥塞并不敏感的 非实时 应用不 同，它们大都包含多种成分的数据，并且要求能在网络上以实时的性能传递或交换数据，需 要从网络得到带宽和延迟的保证，甚至需要更进一步的保证，如对延时抖动等方面的限制。 对用户来说，在电路交换的情况下，因为每个连接都有一个物理通道，每个通道都有固 定的带宽和延时， q o s 不会成为问 题。 但在互联网 这样的分组交换的情况下， 各个连接的 数 据包流是逻辑上而不是物理上连接在一起的，它允许不同 带宽要求的服务共享同 一资源。 ip 包经过的路由 器等中间节点只是负责将包转发到目的地址。如果某些节点上的队列溢出，则 丢掉一些不重要或不紧急的包。 t c p 切 叹 义 支持一种 “ 优美地”降级，即从不拒绝连接， 但在 网络负载增加时，每个连接的性能就会下降。这也就是目 前的 i n t e r n e t 所提供的“ 尽力传送 ( b e s t - e f f o r t t r a ffic ) ” 业务。 在资源有限， 拥塞不可避免的情况下，一视同 仁的对业务不加区 别的进行处理，势必影响实时业务的性能。因此，在这种情况下要保证流媒体等实时业务的 q o s 就十分复杂; 为了 实 现在互联网 上同 时支持“ 尽力传 送” 服务和q o s 要求的 服务， 对互联网的 结构有 三个主 要改 变。 首先互联网的 服务模型从单纯的 尽力 传送服务扩展到支持 有一定q o s 要求的 服务。 其方 案之一就是i e t f 提出的 综合业务( i n t e g r a t e d s e r v i c e s ) 模型。 第二个改 变体现在 路由器上，为了提供这些新的服务，需要路由器提供比传统的f i f o复杂的多的队列管理机 制 和 调 度 算 法。 第 三 个 改 变 就 是 通 过 使 用 资 源 预 留 协 议 : 将 应 用 所 要 求的q o s 在 数 据 流 经 过 的路径上传播， 使得路径上的每个节点可以 为即 将发送的数据保留 其所需的资源。目 前最常 用的资源预留协议就是r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a ti o n p r o t o c o l )协议。 r s v p 协议是i e t f 为了 解决使用i n t e r n e t 传输多媒体数据的问 题而 提出的， 它通过为 特 定类型的实时媒体流预留相应的网络资源， 从而实现了i n t e r n e t 综合业务的设想。 但是， r s v p 协议还存在一些不足，主要体现在以下几个方面: 1 . r s v p 协议是面向 接收者的， 也就是说， 数据流所需的资源预留 请求是由 数据流的 接 收者来初始化并维持的。 在这种方式下， 接收者可能不是很清楚整个路径上的资源分布状况， 因此可能会做出 超要求， 从而使得请求被拒绝的机会变大;而且可能造成发送者多次反复进 行预留请求，才能找到适合的值而成功进行资源的预留。 2 .由于 r s v p协议需要在数据流沿途的每一个中间节点上保留每个流的信息，这样就 造成了 在骨干网 上为了 传输r s v p 控制信息 所需要的 带宽 过大; 在骨干路由 器上为了 保 存大 量的数据流资源预留信息所占用的存储空间也太大。 因此， 为了 将来开发在i n t e m e t / i n t r a n e t 上使用的网络多媒体系统提供支持， 对 r s v p 协 议进行研究并进行适当的改进是非常有必要的。 第 3页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ; 1 . 2 完成的工作 本文研究的重点是mp e g - 4 视频流式传输中的资源预留控制技术。 在详细分析r s v p 协 议体系结构及mp e g - 4 视频编码标准的基础上， 结合一些学者有关r s v p 协议的研究， 通过 使用并改进l i n u x 操作系统环境下的n s 2 ( n e t w o r k s im u l a t o r 2 ) 模拟器， 对多媒体数据在互 联网上的传输过程中资源保留协议的实际应用进行了模拟和研究，并得到了一些实用数据， 提出了一些改进措施。主要工作体现在以下几个方面: ( 一) 、针对不同的流式传输方式进行了r s v p 协议的应用实验; ( 二) 、提出了通过增加对象用以标记不同等级的数据包，用以为 mp e g - 4视频流提供 等级服务的方法。 ( 三) 、对基于r s v p 协议的资源提前保留方法进行了研究和改进。 ( 四) 、通过实验证明本文提出的资源提前保留算法是有效的。 1 . 3 论文的组织结构 论文共分七章，具体内容组织如下: 第一章阐述课题背景、意义、研究现状及完成的工作。 第二章简述对r s v p 协议原理和m p e g - 4 视频编码特性的研究和分析。 第三章针对几种不同的流式传输方式进行r s v p 协议的应用实验。 第四 章介绍本文提出的使用r s v p 协议为m p e g - 4 流式传输提供等级服务的模型和所采 用的具体方法。 第五章在分析已有的资源提前保留算法的基础上对其进行改进， 提出mp e g - 4 流式传输 中的资源提前保留控制方法，并通过实验证明该方法是有效的。 第六章介绍本文实验平台n s 2以 及对其进行的修改。 第七章总结全文，并指出下一步的研究工作和主要方向。 第 a页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章 资源预留协议与mp e g - 4 标准的研究与分析 2 . 1 资源预留协议 随着近年来互联网上实时应用的需求不断增加，互联网的服务模型必须要从单纯的尽力 传 送 服务 ( b e s t - e f f o r t t r a f fi c ) 扩展到 支持 有 一 定q o s 要 求的 服务。 实 现方 案 之一 就是i e t f 提出 的 综 合 服 务( in t e g r a t e d s e r v i c e s ) 模 型 i tlz 3 1 。 综 合 服 务 将实 时 应 用 看 成 是 一 个 个“ 流” ( fl o w ) .所谓流是指源于某一用户的特定行为的一串彼此相关的 i p数据包，这些包具有相 同 的q o s 需 求， 并且可能有多 个接收者。 综合 服务的 基本思想是: 首先对网 络所使用的 共享 链路进行一定的资源控制; 同时， 考虑将网 络应用按其q o s 要求分成不同的种类， 并将它们 统一实现在对上层应用的服务接口中。 目 前， i e t f 定义的服务类别有可保证服务 g u a r a n t e e d s e r v i c e s ) 、 负载可控服务 ( c o n t r o l l e d - l o a d s e r v i c e s ) 和传统的 尽力而为服务。 综合服务所采 用的主要技术包括:先进的冲撞管理、限制延迟抖动以及网络内带宽消耗的排队算法、还有 能 够为 特定 应用 预留 带 宽的 资 源 预留 协 议。 通 过 使 用资 源 预留 协 议， 可以 将 应用 所 要 求 的q o s 在数据流经过的路径上传播， 使得路径上的 每个节点可以为即 将发送的数据保留其所需的资 源，从而实现对服务质量要求的保证。目 前最常用的资源预留协议就是 r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o n p r o to c o l )协议。 2 . 1 . 1 r s v p 协议简介 r s v p协议是一个为综合服务设计的资 源预留 协议。它主要用于主机为了 特定的应用数 据流， 从网 络中 请求 特定的服务质量。 r s v p 也 被用于路由 器沿着数据流路径传递q o s 需求 到所有的节点，并且建立和保持状态以 提供对需求的服务。r s v p需求将导致沿着数据流的 路径上的每一个节点的资源均被预留。 r s v p需求资 源是单工的流，也就是它仅仅在一个方向上请求资源。 因此， r s v p认为 发送者和接收者在逻辑上是不同的，尽管有的应用进程同时担当发送者和接收者。 r s v p工 作在i p v 4 和i p v 6 的 顶部， 属于o s i 协议栈中 的传输层。 然而， r s v p 并不负责 传输应用数 据， 也不是像i c m p ( i n t e rn e t c o n t r o l m e s s a g e p r o t o c o l 互联网 控制信息 协议) ， i g m p ( i n t e rn e t g r o u p m a n a g e m e n t p r o t o c o l 互 联网 组 管 理 协 议) 以 及路 由 协 议 这 样的 互 联 控 制 协 议。 就 像 路 由 管理协议的实现一样， 一个典型的r s v p 的实现也是在后台 执行，而不是在数据传送的 路 径上，如图2 . 1 所示。 - 一 一一一一一不薪燕r一一一一一， 一- 国防科学技术大学研究生院学位论文 主 机 路由器 应用 断rsvp 一 处 理 策略控制 p o l i c y co n t r o l 路由 处 理 处理 策略控制 p o l i c y co n t r o l 数据 准入控制 ad r n i s s i o n 准入控制 vi-据 rs一-数 分级器 cl a s s i f i e r 包调度器 p a c k e t s c h e d u l e r 分级器包调度器 c la s s if ie r一p a c k e t s c h e d u le r 一 数 据 图2 . 1在主机和路由器中的r s v p r s v p本身并不是路由协议，它被设计用于和目 前以 及将来的单播或组播路由 协议一起 工 作 。 一 个r s v p 进 程 参 考 本 地 的 路 由 致 据 库 以 得 到 路 由 信 息 。 举 个 例 子 来 说 : 在 组 播 的 情 况下， 一个主机发送i g m p 信息以 加入一个组播组， 然后发送r s v p 信息并沿着组的 传递路 径预留资源。由路由协议来决定如何发送数据包， 而r s v p 协议仅仅关心依照路由协议所确 定的被发送的数据包的服务质量。 为了 有效地适应庞大的组、 动态的组成员以 及不同的复杂的接受需求， r s v p需要接收 者 对请 求一 个 特定的q o s 做出 响 应。 从 接 收 者 主 机的 应用 程 序发出 的q o s 请求 首 先 被 转 到 其自 身的r s v p 处理进程， 然后r s v p 协议 将沿 着由 接收者到数据源的 路径， 将该 请求发 送 到路径上的所有节点 路由器和主机) ， 直到接收者的数据路径加入了组播分布树的路由 器为 止。这样的结果就是，r s v p的预定开支随着接收者的数量的增长而呈对数增加，而不是线 性的。 对 特定 数 据流的q o s 是 通过一 组 称 之 为“ 流 量 控制 ( t r a ff i c c o n t r o l ) ” 的 机制实 现的 。 这些机制包括: 包分类器 ( p a c k e t c l as s i fi e r ) 、 准入 控制 ( a d m i s s i o n c o n t r o l ) 以 及包调 度程序 ( p a c k e t s c h e d u l e r ) 或 者 一 些 在 链 路 层的 用 于 决 定 什 么 时 候 该 发 送 特 定 的 数 据 包 的 机 制 。 包 分 类 器 为 每一 个 数 据 包 决 定q o s 种 类( 或 者 是 路由 ) 。 对 于 每 一 个出口( o u t g o in g in t e r f a c e ) . 包 调 度 程 序 或 者 其 它 链 路 层的 机 制 完 成 所 承 诺 的q o s 。 流 量 控 制由i s w g ( in t e g r a t e d s e r v ic e s w o r k in g g r o u p 综 合 业 务 工 作 组) 定 义 的q o s 服 务 模 型 实 现。 在预留建立过程中，一个 r s v p的 q o s请求经过两个本地的决定模块:准入控制 ( a d m i s s i o n c o n t r o l ) 和策略控制 ( p o l i c y c o n t r o l ) ， 准入控制决定 节点 是否有充足可用的资 源 一菊了贡 一 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 二=二=二二二二二二=二二二 以 支 持 所 需 求 的q o s 。 策 略 控 制 决 定 用 户 是 否 有 进 行 资 源 预留 的 许 可 权限 。 如 果 两 个 检 查 都 通 过了 ， 那 么 在包分 类器 和链 路 层界 面 ( 比 如 包 调 度 程序) 中 就 建立了 参 数 用以 获 取所 需的 q o s 。 如 果 其 中 任 何 一 个 检 查 失 败了 ， r s v p程 序 将向 发出 预留 请 求的 应用 程 序 进 程 返回 一 个错误通知。 r s v p协议机制提供一个通用功能用以 在由 组播或单播的路径组成的网 络上建立和保持 分 布式的预留 状态。 r s v p 本身将q o s 及策略控制的 参数作为不透明的 数据传输并 操控， 把 它们传递给合适的流量控制和策略控制模块进行解释。 由于一个组播组的成员随时在变化，组播树的拓扑也随之而改变，r s v p的设计假设: r s v p状态及流量控制的状态可以在主机和路由器中增量地建立和删除。为了这个目的， r s v p 协议会建立一种 “ 软状态 ( s o f t s t a t e ) ;也就是说， r s v p 定时发送刷新信息，以在资 源预留路径上维持状态。如果没有了刷新信息，状态超时后将自 动解除。 概括地说，r s v p有如下属性: . r s v p为单播和组播创建资源预留，动态地适应成员组的改变和路由的改变。 . r s v p 是单工的，它仅仅为单向数据流做预留。 . r s v p 是面向接收者的，数据流的接收者初始化并维持数据流所需的资源预留。 . r s v p 在路由器和主机上维持 “ 软状态” ，能够自动适应路由的改变和组播应用中的 组成员动态改变。 . r s v p 不是路由协议，但依赖于目 前的和未来的路由协议。 . r s v p传输并维持流量控制参数和策略控制参数，这些参数对r s v p来说是不透明 的。 r s v p为适应不同的应用， 提供了几种预留模型和 “ 风格”( 在后面定义) 。 r s v p为不支持其的路由 器提供了 透明操作。 r s v p 支持1 p v 4 和 i m . 2 . 1 . 2 r s v p 数据流及资源预留模型 r s v p 将每一个有特定目 标及传输层协议的 数据流定义为一个会话 ( s e s s i o n ) . r s v p 独 立地对待每一个会话，下文中描述的情况如没有特别说明，则表明是在同一个会话中。 一个 r s v p的 会话由 三元组构成: ( d e s t a d d r e s s . p ro t o c o l i d , d s t p o rt ) o d e s t a d d r e s s 是数据包发送的目 标i p地址，可能是一个单播或组播地址。 p r o t o c o u d 是i p协议的i d 。可 选参数d s t p o rt是一 个通用目 的 端口 ， 也 就是说， 是在传输或应用协议 层中 的 一些多路分 解 复 用的 端点。 d s t p o r t 可以 被一个u d p i t c p目 标端口 字段定义， 也可以 被其它传输协议中 等 效的 字段或 应用程序中 特定的信息定义。 要 注意的 是，当d e s t a d d r e s s 为组播地址时， 会话 的 定 义中 并不严格需要包含d s t p o rt ， 因为不同的 会话经常具有不同的组播地址。 然而， 当 某 一个接收者需要同时处理多个单播对话的时候， d s t p o rt就是必须的。 图2 .2说明了在单一会话中的数据流的组播地址分发。箭头指示数据流从发送者 s l 和 s 2 发出， 到 达接收 者r 1 , r 2 和r 3 ， 云 表示由 组播路由 创建的分发网。 组播分发为 每个从 - 一一 x 7 a一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 一 个 发 送者s i 发出 到 达一 个 接收 者r j 的 数 据 包 创建 一 个拷贝; 一 个 单播 会 话只 有 单 独的 接 收者r 。多个发送者s i 可能运行于不同的单独i n t e rne t 主机中，或者同一个主机可能包含由 通用源端口区分的多个发送者。 单播传输中只有一个目的主机， 但可能有多个发送者; r s v p 可以为多点到单点传输建立资源预留。 发送者 图2 .2组播会话 一 个 基 本 的 r s v p 资 琴 预 留 请 求 包 含 一 个fl o w s p e c 和 一 个f ilt e r s p e c ; 此 两 项 称 之 为 流 描 述符( fl o w d e s c r ip t o r ) . fl o w s p e c 指定了 希望得到的q o s ， 用于 在节点中的 包调度程序或者其 它的 链路层机制中设置参数。 f i l t e r s p e c 和会话规范定义了 需要按照fl o w s p e c 定 义的q o s 接 收的 数据 流; f i l t e r s p e c 用于 在包分类器中 设置参数。 发送到一个 特定会话但不与该 会话中 任 何一个f i l t e r s p e c 匹 配的 数据包， 将被作为尽力传送 ( b e s t - e f f o rt tr a f f i c ) 处理。 在一 个资 源预定请求中的fl o w s p e c 通常包含一 个服务类和两组数值型参数: ( 1 ) r s p e c ( r代表r e s e r v e ) 定义了 希望得到的q o s ; ( 2 ) t s p e c ( t 代表t r a f f ic ) 描述t 数据流。 t s p e c 和r s p e c 的 格 式 和内 容由 综 合 服 务 模型 4 1确 定， 通 常 对于r s v p 来 说 是 不 透明 的 。 f i l t e r s p e c 的 具 体 格式依 赖于 是使 用i p v 4 还 是i p v 6 。 在多 数 情 况下， f i l t e r s p e c 会 在 一 个 给定的会话中选择数据包的任意子集。 这些子集可能由发送者定义( 如通过发送者的1p地址 和通用源端口 定义) ， 也可以由一个高 层的 协议， 或者是数据包中 任何协议头部的 任何字段定 义。比 如， f i l t e r s p e c 可能 在一 个应用层的头 部字段被定 义，以 用于 对一个分层 ( 等级) 编 码 的视频流中的子流进行选择。为了尽量简单化和避免层的冲突，目 前的r s v p 规范定义的基 本的fi l t e r s p e c 格式是非常有限的 形式: 发 送者的i p 地址和 可选的u p d i i c p 端口 号s r c p o r t o r s v p消息携带着预留请求， 起源于接收者， 并向 上游传递到发送者。 注意: 本文中 所 提到的 “ 上游方向”和 “ 下游方向” 、 “ 前一跳”和 “ 下一跳”以及 “ 入口”和 “ 出口” ，是 按照数据流的方向 ( 从发送者到接收者的方向)来描述的。 在每一个中间节点上，一个预留请求会引发两个动作，描述如下: 1 .在连接上进行预定 r s v p 过程将请求交给准入控制和策略控制。如果其中 任何一个失败了， 预留 请 求被拒绝， r s v p过程返回一个错误信息给接收者 ( 可能有多个接收者) 。 如果两者 都 成功了，节点的 包分类器 选择由fi lt e r s p e c 定义的 数据包， 并 且通过链接层的 作用 获得由fl o w s p e c 定义的q o s . 一-一vs 贾一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 满足r s v p的q o s 请求的 细节规则， 取决于每个接口 所使 用的 具体的 链路层技 术 ( 将预留请求映射到流行的链路层技术的规范正在由i s s l l工作组开发) 。 例如在 简单的 租用线路上， 请求的q o s将从链路层中的 包调 度器获得。 如果链路层技术执 行其自 身的q o s 管理性能， r s v p 就必须同 链路层协商以 获得请求的q o s 。 注意这 个控制q o s 的 动作发生在数据进入链接层媒介的地方， 就是说， 尽管r s v p 预留 请 求来自 于下游的接收者，但动作发生于上游的逻辑或物理连接的末端。 2 .将请求向前传递 一个预留 请求向上游传播直到合适的发送者。 一个指定的请求被传播到的发送者 主 机组 成的 集合， 被称之为该请求的 范围 ( s c 叩e ) . 一个节点向 上游传递的预留 请求可能 会和它从下游接收到的请求不同， 有两个原 因。 首先， 流量控制机制可能 会在每一跳改变fl o w s p e c 。 更重要的是， 从下 游组 播分 支来的对于同一个发送者( 或同一组发送者) 的预留 请求， 必须被合并后向上游传送。 当 接收者发出 一个预留请求的时候， 它可以同时要求返回一条确认信息以 指示它的 请求 是否 ( 可能) 被安装在网络上。一个成功的预留 请求向 上游传递， 直到在某一个节点遇到 一 个已 经存在的， 等于或大于它的相同的 请求为 止。 在该点上， 到达的请求于原来的 请求合并， 并不再向 上游继续传递:该节点可以 发送一条预留 确认信息给接收者。 注意这个确认信息只 是一个很高可能性的指示( 而不