（计算机系统结构专业论文）多媒体数据包在网络中调度策略的研究.pdf

茁 ， 华中科技大学博士学位论文 摘要 【网络技术的发展和计算机处理能力的不断提高，使得i p t h 话、网络 b 规、视频会议等多媒体 府川e i 广泛。j ，传统的文本信息相比，多媒体数据、特别足连续媒体数据乓仃数据最人、数码 一爷商、实叶h ：强的特点。这种连续媒体的实时性要求网络系统提供服务质量保证，丽实现服务质 ； 的火键灶解决网络扪j 塞题，其根本方法是网络系统的资源预定技术，核心足数据包调度算法。 公p 、响鹿延时、算法复杂度和资源利用率是评价一个数据包调度算法的四个重要指标。数 掂也调度算法首先要达剑服务量公平，希望能够总是为再个任务提供与其预定速率成比率的服务 链。响应延州f l j 丁保n l ：许诺的端端延迟，只有当响应延时不与兆享输出连接的任务个数帮lj i ：往排 队等候传送的数据包个数有关时，才能够通过预定带宽资源来保证所需的延迟。算法复杂度显然 足反成数据包渊度算法效率的重要冈素，它也必须与j e 亭输出连接的任务个数和正在排队等候传 送f l j 数据包个数无关。为，避免浪费俯宽资源，必须往传送肖前数据包期间确定“j l i 一个要传送 的数槲包，如果算法复杂度与系统的状态有关，寻找f 个数据包的计算量就可能会成为高速多媒 体嘲络系统r f l 数据传输的一个瓶颈。从资源利川率角度考虑，总是希望有限的资源能够服务尽最 彩的仃务。总之适j jr 高速多媒体网络的数据包调度算法必须保证： 服务鼠公平分配 延迟界限与批孛连接的任务数或口：排队等候传送的数据包个数无关， 汁算复杂度与其享连接的任务数或正排队等候传送的数据包个数无关，以及 塔能高的资i 1 5 i 利i 率。， n ：m 人究成果的摩础i ，本文仆，以i 、研究i 4 1 。： 剥现仃的数据包悯度算法就9 一化服务公平系数、响应五正州、算法复杂度干资源利川率进行 r 综合l j 价。 运川具有零响j _ f i ! 延州的通川流调度算法的设计思想，提出最早结束标志优先算法。它是一个 完全的州j 节调度算法，以数据包为调度单位能哆保证响应延时与兆卓连接的任务数或n ：排队等 候传送的数据包个数无关，但是它的算法复杂度与，# 享连接的任务数或止排队等候传送的数据包 个数_ 仃天。r 。 通过引入轮转势函数的概念，提出势轮转调度算法。轮转势函数将服务口问划分为一系列的 服务轮转j 目埘，见沦扯周期内采取什么方式的服务过科部呵保证公平特性。但是，已有的轮转 服务方式，如赤字轮转算法的服务方式和加权轮转算法的服务方式，都不能够做到响应延时与连 接的任务数无关。提出的势轮转调度算法进一步将一个服务轮转周期细分为多个扫描周期，在各 l 椭周j j 之闸近似排序分陬：服务。它结合了最早结束标志优先算法和轮转调度的特点，能够在计 掉复杂腹、响席延j 时和公平特性之间进行很好的折叫1 ，毗保持了轮转算法的低复杂度优点，同时 义保证r 响、t 延州不与连接的任务数有关。 从州渊皮效率力l f 耐辨轮转算法进行仇化，指i 势轮转势法存在旋转异常现象通过对旋转 水文受闺防预i f j j = 项目“w 聃多媒体数据存墩峙交换方法的研究”( i584 ) 和“町护胜集成多姘件系统的建 髓1j 樊现”( 8 6 3 3 1 7 0 1 1 0 9 9 ) 们资助。 华中科技大学博士学位论文 异常成的分析，挺u 卜个能够获得尽可能高n q 资源利川率的势轮转钟法n 勺实川方案。f 理沦和试 验部表f 儿势轮转算法扫：狮保前述符项性能的基础上，能够尽母提高资源利j 率，适川：j 高速问。 锵的多姒体数据包调腹。 从仿真羊实验们腹、川【e 较，j 浊评价了最早绌束标忠优九算法和辨轮转贸_ 法算法。结粜表i 刿： ( 1 ) j w f 最甲 求* n 优先算法能够为并类1 j _ f = 务都保“预定n 勺带宽和均撕的延迟，而上l 保证的 服务质鼠小受其他任务的数据流特征影响；( 2 ) 势轮转算法和赤字轮转渊皮算法都能够侄响应 延f i j 和算法复j 度之问折中。但势轮转算法能够保证比赤字轮转调度算法更低的响应延删，且具 f j 巫娲的抗数据流特自j ：敏感特性。， 关键词： 多姒体网络资源坝定数据包凋度算法轮转凋度 确定阻服务许川控制线性有界到达过程 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t + t h e d e v e i o p m e n to fn e t w o r k i n gt e c h n o l o g ya n dp o w e ro fc o n l p u t e rp r o c e s s i n g m a k e sn e w m u l t in l e d i a i n t e n s i v e a p p l i c a l i o n s ，“k e i n i e r n e t p 1 1 0 n e ，n e t w o r k i n gv i d e oa n dv j d e oc o n r e r e n c i n g p o s s i b i e a 1 1 da v a i l a b l e t h e s ek i n d so fa p p l ；c a t ；o n sc o n f r o n t a u d i o ，v i d e o ，g r a p h i ca n di n l a g ed a t a ， c s p e c i a l l yc o l l t i m l o u sm e d j ad a t a ，w h i c l la r ea l w a y so fi a r g e rs i z e ，h i g l l e rb “r a t ea 1 1 dn l o r er e a i t 1 n e c o m p a r e dw i l l lt r a d i i i o n a li e x td a t a t 1 1 er e a | t i m ef e a t u r eo fc o n t i n u o u sm e d i ar e q u i r e sm i a l i t ys e r v i c e g u a r a n t e ei t o mi t sn e t w o r ks y s i e m t h ec “t i c a lp r o b l e mt op r o v i d es u c hs e r v i c eg u a r a n t e ei st op r e v e n t a n ds e 儿l en e t w o r kc o n g e s t i o l lw h e nm u l t i m e d i ad a t aa r et r a l l s l n 1 i e d t 1 1 ef u n d a m e l l t a l l n e t l l o df o rd a t a t r a n s n l i s s i o l li nn e t w o l ks y s i e mi st oi m p l e m e n tt h et e c h n o l o g i e so f r e s e r v i f l gt h en e t w o r kr e s o u r c e i t s e s s e n t i a l c o m p o n e n t ，p a c k e t - s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，i st 1 1 e c o r e t e c h n o l o g y f o rt h e q u a l i t y s e r v i c e n l o l l l i s e f a i r n e s s ，l a t e n c y ，c o m p u t a l i o n a lc o n l p l ex l t ya n ds c h e 山l l a b i l i t ye f n c i e n c ya r et 1 1 e r o u ri m p o 九a n t f h c t o r si oe v a i u a t eap a c k e t s c h e d u l i n ga 1 9 0r i t h m f a i m e s sm u s tb ea c l l i e v e ds ot h a ta i lt h ec o n n e c “n g s e s s i o n sc a l lb es e r v e dp r o p o l t i o n a l l ya c c o r d i n gt ot h e i rr e s e r v e dr a i e s l a t e n c yi sl i s e di og u a r a n l e et 1 1 e c n d l o 。e 1 1 dd e l a y o n l y 、v h e l ll a t e n c yf l ol o n g e rd e p e n d so n 1 en u m b e ro fc o n n e c t j n gs e s s i o n sa n dt h e nl t 1 b e r o i - p a c k e i sq u e u j n gi n t 1 1 e s y s t e n l ，i s i t p o s s b l et o m i n i m i z et h ee n d - t o - c n dd e l a yt h r o u g h c o l 卅o l l i n gr e s e r v e d 豫t e s c o m p u t a t j o n a lc o m p l ex i t y i sa no b v i o u sa n di m p o n a n ci n d e xl or e 玎e c t a l g o r i t h m s e m c i e n c i e s ，w h i c hs h o u l da l s ob ei r r e l e v a n tt ot 1 1 en u m b e ro fc o n n e c t n 2s e s s i o n so rt h e f 1 l 1 1 b e ro f p a c k e t sq u e u i n gi nt h es y s t e m i no r d e rt oa v o i dw a s t i n ga n yt h m u g h p u t c a p a c i t y ，t h es e a r c h m r1 1 1 en e x tp a c k e lm u s ib enn l s h e dd u r i n gt h e “m et h ec i l r r e n tp a c k e tj s b e i n gt r a n s m i t t e do v e rt 1 1 e o l i t g o n gi i n k o w e v e l _ ，i fi h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l ex i t yd e p e n d so nt h es y s t e ms t a t u s ，t h ep m c e s st o l m 【i1 1 1 e1 1 e x t p a c k e im j g l l tb e c o m eab o t t i e l l e c ki nh i g h s p e e dn e l w o r k i n gs y s t e mp a c k e t s c h e d l i l i n g n i g o m l l 1 sa p p l i c a b l ei oh i g l l _ s p e e dm u n l e d i an e t w o r k i n gs y s t e n ls h o l l i dg l i a r a n t e e ： f a yd i s t “h i t i n gs e r v i c e ， l - a t e l l c y 衙e l e v a l l lt ot h en u m b e ro fc o n n e c “n gs e s s i o n so rt 1 1 en u m b e ro fp a c k e t sq u e u i n gm t h es y s l e m ， c o l n p u t a “o n a lc o l n p l e x i t yj r r e j e v a n tt o1 1 1 en u n l b e ro rc o n n e c t i n gs e s s i o l l so rt h en u l l l b e ro f p a c k e t sq u e u i n gm t 1 1 es y s t e n l ，a n d t 1 1 eh i g l l e s lp o s s i b l es c h e d u l a b i i i t ye m c i e n c y b a s e do np r e v i o u sa c l l i e v e m e n t sb yo t h e rs c l l o i a r s ，f u r t l l e rr e s e a r c h e sa l ep r e s e n c e di nt h i sp a p e r a s r o l l o w s t h ee x i s m 曙a i g o r i i l l m sa r ee v a l u a t e do ns u c hp e r f o r m a n c e sa sn o r m a l i z e ds e r v j c ef a i r n e s s1 n d e x ， t 。a l e n cy ，c o m p u i a “o n a lc o l n p l e x i t ya n d e f n c i e n c v e a r i i c s if i n i s h t i i n e f j r s c ( e f f ) s c h e d u l l n ga i g o r i t h mi sd e n n e da n da n a l y z e db yu t i l i z j n gi h e g e n e r a l 门u i d s c l l e d u i i n gm o d e lw i t hz e r ol a l e n c ya s d e s i g n c o n c e p i w 1 1 1 p a c k e ts e r v i n gf o r i l s s c 1 e d u l i n gl l n 1 ，i t i sac o m p i e l es o r t e d p r i o r i t ya l g o “t h m ，p r o v j d m gt 1 1 eb e s ti a t e n c yp e r f o r m a n c e ，i e i i sl a i e n c yi s 叶e l e v a n tt ot h en u m b e r so fe j t h e rc o n n e c t i ”gs e s s i o n so rq u e u i “gp a c k e t s n e v e r t h e l e s s ， l 。? 博r c s 。野“w ? r k 喹卫1 1 1 7 ：a l l ys “p p o r l e db y1 1 1 en a “0 1 1 a id e f c f l s cp l e r e s e a r c hp r o j c c t ( ( j r a i i fn o l584 ) a i l d i l l c8 6 3i r o i e c i ( g r a l l l n o8 6 3 3 l7 0 l 1 0 9 9 1 华中科技大学博士学位论文 “sc o m p u t a t i o n a lc o n l p i e x i t ys t i 【l v a r i e sw i t l lt h en u m b e r so f c o n n e c t i n gs e s s i o n sa n dq u e u i n gp a c k e t s i n t h es y s l e m p o t e n t i a 【r o u n dr o b i n ( p r r ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sp r e s e n t e db yi n l m d u c j n gan e wc o n c e p t ， r o u n dp o e n c i a f u n c c i o n | 1 a fd i 衍d e ss e r v j c et ；m ei n t oan u m b e ro fs e r v i c er o m l dp e r i o d s t h u s ， r e g a r d l e s so fs e f v i “gt y p e s ，n om a t t e rs o 九e d p r i o r i t yo rr o u n dr o b j n ，a n yt w ob a c k f o g g e ds e s s j o n sc a n r e a c ht h em a x m a lf a j r n e s sw i t h mo n eo rm o f ec o n s e c u t i v es e r v i c er o u n dp e “o d s h o w e v e r ，i a t e n c j e so f e x i s t i n gr o u n dr o b j n sl i k ed r r - r o u n d p m c e s sa n dw r r r o u n d p m c e s ss t j l ld e p e n d0 1 1t h e i rn u n l b e r so r c o n n e c t i o n s a n a i y s i si n d i c a t e st h a tt h i si sd u et ot h es e r v i n gt y p e sa n dt h em e t h o dt om a i n t a i nt h e s y s i e l np o t e n t i a l i no r d e ri o s o 】v et h ep r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n a l g o r i t h m ，p r r ，r e s p l i t 村n g s e r v i c ef o u n dp e r i o di n t om u l t i p i es c a n n i n gc y c l e sa n dc o n d u c t n ga p p r o x i m a t es o n i n ga m o n gt h e s e c y c l e s 1 n h e r i t i n gt h ep r o p e r t j e s o fe f fa n dr o u n dr o b j 1 ，t h j s a l g o r j t l l l nb a l a n c e st h ep e f f o r m a n c e a m o n gf a i r n e s s ，i a t e n c y ，a n dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y i tp v e st h a ti t sl a t e n c yi si f r e l e v a l l tt ot h e n u m b e ro f c o n n e c t i o n sa n dm ec o n l p u l a t j o n a lc o l l l p l e x j t yi sk e p ll o w s c h e d u l a b i i i t ye m c i e 九c yl sf u n h e ra n a i y z e dt oo p t m i z et h ep r r s c h e d u l i n ga 1 9 0 r i t h m i ti sf o u n d t h a tt h e r ce x i s t sr o t a t i o na n o m a i y b yr e v e a l j n gi t s c a u s e s ，t h j sp a p e rp m p o s e sam e t h o df o rp r rl o a i i a i nl j l e h i g h e s tp o s s i b l es c h e d u a b i l i t ye 饿c i e n c y b o l h t h e o r e t i c a l i y a n d p r a c t i c a “y p r r d e m o n s t r a t e st h a ti tm a x j m a l l yi m p r o v e s t h e s c h e d u a b j i i t ye 蛳c i e n c y e s p e c i a l i ya p p l i c a b i e t o h i g h s p e e dm u i f i m e d i an e t w o r k i n gs y s t e m s e f fa n dp r ra r ee v a i u a t e db ys i m u l a t j o na n dt e s tt h er e s u i ti s ：( a ) o n i ye f fc a ng u a r a n t e ea 。 s e s s i o nt h ef e s e r v e db a n d w i d l ha n dp m p o r t i o n a l j a t e n c yt h a la r ei r r e i e v e r a n t t 0i h ec h a r a c t e ro fo t h e r 。 s e s s i o n s ( b ) l i k ed r r ，p r r c a nb a l a n c et h ep e r f o f m a n c ea m o n g f a i r 乜e s s ，l a t e n c y 。a n dc o m p u t a t i o n a l c o m p j “j i y h o w e v e p r rc a nr u f l b e rg u ，a r a n t e el d w e rj a t e n c ya n dj sm o f ej f 他j e w 谴小幻c h ec h a r a c l e r o f o t h e rs e s s i o n st h a np r r k e y w o r d s ： m u l t i m e d i an e t w o r k i n gr e s o u r c er e s e r v a c i o np a c k e i s c l l e d u i l “g r o u n dm b i n d e t e r m i n i s t cs e r v i c ea d m l s s i o nc o n t m ll i n e a rb o u n d e d a r f i v a ip r o c e s s ( l b a p ) 华中科技大学博士学位论文 l 绪论 随着计算机和网络技术的发展，越来越多的应j h 涉及到音频、视频、图形、图像等多媒体数 据。市场上已经山现了多种基j ：网络的多媒体应j h 产品如l p 电话、网络电视、视频会议、远程 教学等。预计在不久将来还会有分布仿真等其他领域的多媒体应刖产- i 。与传统的文本信息相 比，多媒体数据、尤其是以音频、视频为代表的连续媒体数据，传输率商、实时性强、数据餐人。 多媒体应川要求网络系统提供服务质量保证；保证服务质照的关键是解决网络拥塞问题：资源预 留是解决网络拥塞的根本方法：而数据包调度算法是网络系统兑现服务质肇承诺的核心构件。闪 此适合的数据包调度算法是使网络提供服务质量保证的关键。 1 1 多媒体应用系统 1 1 1 多媒体应用分类 不同多媒体应用有不同的特点。按照c c i t t 的建议，多媒体应川可以分为7 i 类： 1 ) 会话服务。与会双方或多方之间实时通讯。交换包揖音频、视频、图形、图像、文档等在内 的多媒体数据。典型应用如可视电话、i p 电话、视频会议、远程医疗等。这类应川除了同文 本数据一样要求保证多媒体数据的一致性外，还要求保证单个多媒体数据流的连续性、实时 性，以及多个多媒体数据流之间的同步。如视频会议系统的电子白板功能要求多媒体数据一 致，音频、视频要求连续、实时，音频和视频之问还要求唇音同步。 ( 2 ) 消息服务。点与点之间借助中间存储设备进行的非实时通讯。交换媒体已从单一的文本发展 到语音、图像、视频等。典型应用如语音邮件( v o j c em a i l ) 、电子贺 ( e c a r d ) 、视频邮什( v i d e o m a i l ) 等。 ( 3 ) 同取服务。朋户随机地请求多媒体数据库或信息q ，心的数据。典7 诅府川如数字图l5 馆【d l ) 、 视频点播( v 0 d ) 、新闻点播( n o d ) 等。 ( 4 ) 分发服务。一点对多点之间的实时单向通讯。服务提供者实时地将音频、视频等多媒体数据 以多点广播( m u l t i c a s t ) 或定点广播( u n i c a s t ) 的方式发送给多个接收者或单个接收者。典型应h j 如数字厂 番、网上直播等。 ( 5 ) 收集服务。多点对一点的通讯方式。多用于监控服务，典型如小监控系统等。 c c i t t 的分类方法清楚地反映了多媒体数据的流动方向和流动方式，但术能准确地反映山不 同多媒体府川对多媒体系统的要求。从共享资源调度角度( 网络中的数据包凋度或多媒体操作系统 中的处理器分时共享凋度) 可将多媒体应用分为四人类： ( 1 ) 硬实时应州( h a f dr e a l - t i m ea p p l j c a t i o n ) 。h j 户的每次请求都必须在其时限( d e a d i i n e ) 之前得 到响应，请求响应后的数据包序列都必须在各自的时限之前到达接收者，否则就有可能导 致灾难性后果、或者鹿用程序终l e 、或者完全破坏多媒体数据所表达的意义。这些应川要 求多媒体通讯系统保证确定性的服务质量。 华中科技大学博士学位论文 ( 2 ) 软实时麻川( s o nr e a l ，t j n l ea p p i i c a l ；o n ) 。这类应川j 以容许少鼍数据包a i 征其时限之前到达 接收者，馘至丢火。所导致的只是服务质摄的f 降，4 j 是灾难性厉果。这些应川要求多媒体 通讯系统保“ 统计性的服务质量，象最大延迟、吞吐率、统计数据包延迟率、数据包丢失率 等。火量的这类应用涉及到视频和音频数据等。 ( 3 ) 尽时麻j i j ( b e s t e f f o r t a p p l i c a t l o n ) 。用户的请求并无严格的时限要求，只是期望得到尽可能快 的响应，尽可能好的服务质最。如数字图_ s 馆的奁l j 等，川户期望响应时间尽可能短。而对 jl 、载查询结果，则圳望总的f 载时间尽可能短，至r 某寸刻的请求响应时间并不非常重要。 人部分的这类应川不需要性能保证，但从j e 享资源的使川角度考虑，希望在共享资源利j j j 率 高的怙况r 平均l 啊心时问也要短。 ( 4 ) 后台应川( b a c k g r o u n d a p p l i c a t i o l l ) 。这类应埘在兆享的资源空闲时插空使j l j 。 1 12 多媒体系统的服务质量 要满足多媒体数据的时间要求，多媒体系统必须将实时调度技术运j f j 到多媒体处理所涉及到 的犯个端到端数据通路的所有资源上。这些资源包括数据存储没备、输入输山设薪、内存、中央 处| l ! 器刷网络资源。实时过群就是必须任给定时间范围内给小结果的过程i ”。其 ：要特点足，结 粜的l i 二确性j i 仪仪依赖丁计算结果的1 1 三确无误，而且还依赖丁给出结果的时机。如多媒体应用中 的视频序列的同放，只有当视频图像回放得即不太快也不太慢才可接受，只有按照它们采样时的 速率f 1 放，才被认为处理得最好。时限就是处理结果的最迟可接受时间1 4j ，它给出了区分处理事 什的时机是l e 常( 正确) 还是异常( 错误) 的分水线。有硬时限和软时限两利，时限。 要挑述所需的服务请求，必须将服务参数化。i s o 标准将服务质最定义为提供的网络服务“好” 列f | 么科度。刑多媒体系统来说，服务质量的概念必须扩展j ，i 矧为许多其他的服务也对端端服 务质越有影响。如图l _ 1 所示，用层次型结构描述多媒体系统中的广义的服务质最概念。多媒体系 统r i ，的服务质量巾三层构成：虑用层、系统层和发备层，必须在三层都得到满足。 图1 - l多媒体系统服务质量层次模型 在席用层之上可有也可无用户层。应用层服务质量参数描述的是对应刚服务的要求，可用媒 体质嚣和媒体关系描述。媒体质量包括媒体特征、传输特征，如端端延迟等。媒体关系指山媒体 洲关系，如唇音同步等。系统层服务质最描述的是根据应h j 层服务质量确定的对通讯服务和系统 服务的要求，如系统吞吐率、延迟、响应时间、速率、缓冲区需求和媒体间同步等。网络服务质 最描述的是列网络服务的要求可川网络负荷和网络性能描述。网络负荷描述正在运行的网络流 茸，可 甲均，最小请求列返间隔、数据包，信元大小、服务时间等表述。网络性能描述的是网络 2 华中科技大学博士学位论文 服务必须做到的要求，如端端延迟、带宽、延迟抖动、优先级等。网络服务也取决。r 数据流模型 和模j 参数，如数据流的突发量、平均速率、最人速率等。 木文j j 稿：网络层进行研究。嘲络层的服务质量就是我们常说的服务质量概念，指不同的应j 目 u j 以向网络提吣一细复杂的需求，如带宽、延迟、延迟捌动、可靠性和传输费川等。司以分为确 定h ：保b e 、统计陛保证及尽州性保证： 1 1 1 确定性保证i d e t e r m l n cg u a r a n t e e 幻：为每一个往连接期问通过网络传输的数据包保证服务 质壤。例如，要求每个数据包的延迟不得超过3 0 0 毫秒就是确定性的保词：。它适1 二有严格要 求的麻_ j 。山丁是确定性的保证，所采j h 的数据到达模型出应该是确定性的。最简单的模型 足指定峰值速率年最人数据包的大小。不同的确定性服务质量保证方案采j 1 j 与先到先服务 ( f c f s ) 完全不同的调度策略，如虽早时限优先( e a r i j e s td e a d l j n ef i r s t ) 。 ( 2 ) 统计性保证( s t a t i s l i c a lg u a r a n t e e s ) ：与确定性保证不同的是，它不需要为每一个数据包都保 让服务质量。例如可能要9 9 的数据包满足不超过3 0 0 毫秒端端的延迟。这种服务类型尤其 适合卜音频、视频应h j ，网为这些应用可以容许少量的丢失而不会严重影响质量。 ( 3 ) 尽盱眺保h e ( b e s t - e f l j o r i ) ：尽力为应用提供最好的服务而不提供任何显式的质量保证。 2 1面临的挑战 1 2 支持多媒体应用的网络系统 传统包交换网络采川基f 窗r 的数据流控制技术和先到先服务的数据包服务规则，不能够提 供严格的服务质量保证，其原因为p j ： 第一，与传统的文本信息相比，多媒体应用数据摄大，要求更高的带宽。如典型的一段2 5 秒 的3 2 0 2 4 0 分辨率的电影片断大小为23 侣，相当于人约】0 0 0 屏文本数据量。 第二，人多数多媒体应川要求实时数据流。音频、视频数据必须以其采样时的速率连续回放， 如粜要州放的数据没有按时到达、同放过程被中断，就会感觉到听觉上的和视觉上的人【：痕迹。 别j 实叫响应也是如此，如l p 电话，人听觉上能够容忍的晟人延迟为2 5 0 j ，如果延迟超过这个 极限，川户就会抱怨电话的质蛀。除了延迟，网络拥塞也会严重影响实时数据传输。如果网络发 生拥察，实州数据不能按时到达，就成了过时数据，只有丢弃。如果不采取相应措施，丢失的数 据被厦传，汇聚后又会产生严重的网络拥塞。 第二，多媒体数据流具有一定的突发性。简单增加网络带宽不能够解决突发性问题，冈为对 j i 人多数多媒体麻川来说，接收方只有有限的缓冲区资源，如果不采取措施平滑数据流，戍川程 序的缓川i 就会浠出。1 ：沦足缓冲隧i 二浠还琏r 溢，戍川科序部缺乏数据。 一j 多媒体数据的离带宽、实州、突发特性相反，现实中的网络是由成干上万川户共享，而且 带宽何限、延迟利利川率不可预测。如何解决这些问题就是支持多媒体应必须面对的挑战。 有两种解决问题的方法。 多媒体数据流自适应方法。以前解决无服务质量网络上多媒体业务的问题的方法是将它归为 峙纯n 勺网络问题，如采川丢帧的方法来迪使高带宽的视频流经过窄带宽网络来传送 ”。现在提h j 的采川自适应技术、层次化编码方法产生一组不同码率的多媒体数据流，可以有效地改善资源竟 予的效果，使得质量i j 降不被察觉或在可容忍的范围之内。即扯网络不直接支持资源预留的情况 r ，尽可能地让多媒体数据流适应1 二当前的网络，自适应地调艳多媒体数据流的带宽要求。 3 华中科技大学博士学位论文 fl i f t f f a s il o s s vi n t er 1 1 e il n l a 鼬t r a n s m i s s i o n ) 技术h j 向前纠错方法来消除重传延迟许多冗 余7 r 损包传输利川图象的冗余来恢复丢失的数据包。所能容许的丢失包数高度依赖于图象本身。 这种披术简单、复杂度低，可在支持简单的数据报协议的网络上实现；它用子带压缩方法为子带 数据和前向纠错分配比特，分给图象数据的比特给出要估的图象，而分给f e c 的则增加了图象完 稚的可能性，从而使失真尽可能小。 尽时( b e s o e f f o r t ) 方法的传输控制方案是不预留资源、服务质最随当时实际可 j 网络资源而改 变。该方法剥1 ：特定数据的传送不提供任何保证，数据可能丢失、乱序或被损坏，剥所需时间也 没有限制。采川这种方法的在研或商，吊化的应用主要庄电话会议系统，如 内尔大学的 c u s e e m e ，x e r o xp a r c 的n v ，i b m 的p e r s o ni op e r s o n i n i e l 的p r o s h a r e 等。 北 罗来纳人学提出用一种传输控制框架来支持连续媒体的传输”l ，试图在网络性能由于拥 寡而f 阶刚，仍然保证可接受的延迟和真实度。它通过控制媒体流的生成、压缩、传输方法来实 现这一f 1 标。它从两个方面控制媒体流：调整压缩阶段的参数，增加或减少生成数据的比特率； 段变数据封装阶段的参数，控制多媒体帧的数目、类犁。 网络奉身的改进和发展。第二种观点认为同虑这种挑战只可能来自改变已有网络的软什结构 用i 颂什2 i 构p i 。t c p u d p l p 等网络基础协议可提供一定范同的多媒体应川服务。像千兆以太网、 f d d 啸1 a 1 、m 等高速网络则可为数字音频和数字视频提供高带宽资源。作为一种共享数据报( 自带 习州信息、独i 上地从数据源行走到终点的数据包) 网络，互联网络不太适合实时数据传输，目前主 要彳j 四种方法解决网络拥塞问题”。 ( 1 ) 提高网络带宽。由于局域网带宽非常便宜，所以这种方法在局域网是可行的。这种方案假 跛小会现网络设备争夺带宽资源的情况，但髓藉网络规模韵扩夫、网络终端私交换设备的增加， 要保h l 。网络。 】没仃资源瓶敛是极其凼难的。 ( 2 ) 为麻川保留静态资源。实际上，现在在p s t n 网络年- 域数据网中常j 的时分技术( t d m ) 就煌一种保圉静态资源的技术。这种技术是现在应用最为j “泛的一种服务质量保证技术。但这种 技术具有许多固有缺陷：首先，它一般仅用于广域网连接，不能用于局域网；其次，它浪费大罱 f 门带宽资源，大人增加网络带宽成本。这种技术将逐渐被动态保留带宽技术所取代。 ( 3 ) 显示地为戍用动态保留资源。简单地说，这种技术就是要求应用主动向网络申请所需的资 源。要实现动态分配资源，就要在终端系统中安装一种信号协议，以通知网络应剐所需的资源信 息。这一技术的优势在丁i ，对每个给定的应，终端系统可以得到最优化的服务质量。另外，网 络i 以为戍川动态分配合适的资源，以提高网络资源的利用率。但是，这种技术要求必须改变终 端系统和刚络协点以使用这种技术。另外，网络也并不是总能够满足应刚程序所提出的需求。 ( 4 ) j 强式地为庸刚动态保留资源。为了不改变应用而实现服务质量，网络中就必须具有智能设 备以u 删网络r p 数据流的类，他以此来为不同的戍刷分配不同的网络资源。就目前来说，这种技 术最适合在网络中实现多媒体应h ，闪为它具有两个显著的优点：不需修改现有终端系统和应川 软们域硬仲；其次网络中所传输的箨种数据流所需要的服务类刑可以存储在一个策略数据库中， 这样1 i 仅i j 以仡整个网络中提供一致的服务质量保证，而且还具需很好的可伸缩性。 1 22 网络技术的发展 网络n 0 可管理资源有两个：山口连接带宽和缓冲区。增加网络的带宽是1 常重要的。近年来， 随着高性能激光器、耦台器、掺饵光纤放大器技术的进步，密集波分复h ( d w d m ) 技术开始商品 4 华中科技大学博士学位论文 化，n 肾通标准中模光纤l 提供9 6 25 g 咖5 传输能力的系统已有商品。将密集波分复月 宽带传 输能力，占位路 交换能力结合起来就是i p 优化光网络。它是宽带i p 网技术的塘 i f f j 。这种系统狂 个波长通道内足包复h ，化光纤内是波分复用，在波长通道内和通道之间的包交换利路山选择、 发完全依靠叱f 的路由变换机来实现。i = i 前商品化蹬备可以达到儿十g 助5 的传输干交换速度， 小久川以达到1 7 b 删以上的传输和交换速度。 虽然这些新技术可以成百上千倍地提供带宽，为满足刚络服务需求提供了基础和可能，但这 仪仪解珧厂问题的一个侧面。随着宽带接入的廊刚和人最多媒体业务的应川，人们对带宽的需求 也将成自倍地增k ，依然需要剥网络资源的分配进行控制。凶此，即使在网络弈量获得长足增蚝 的将来，发展合理分配网络资源的技术仍然作常重要。 j 朕网】：样任务细( i e r f ) f 属的集成服务r 作小组开发了一个称作集成服务( i n t e r g r a t e d s er 、| i c e ) 的增强i 聪垃联网服务模型，包括尽时服务和实时服务( 参看r f c l 6 3 3 ) 。实时服务能够使得 l p 侧络可为多媒体应j j j 提供服务质量。实时服务的_ 作基刊j d l 资源预留协议( r s v p ) 、实时传输协 议( r t p ) 、实州控制协议( r t c p ) 和实时流化协议( r 1 s p ) 组成”l 。 资源预留坍议是传送所需资源信息、协商用户期望的服务质量的一种手段。资源预留协议一 般被嵌在多媒体臆用呼叫协议内，意味着网络上每个博点利主机都必须有一个资源管理器，负责 发送和接收控制信息，参与决定是否侄发送者象l 接收者之间建立有服务质晕保h l i 的多媒体应川n 乎 i l i | 蚍及资溅! 临挖( 如许可控制、服务质最解释、服务质量和所需资源的映射、路山等管理服锊) 等。 小论堪碌示地、还是隐式地为府j h 动态保留资源，部需要配置和预定资源。有三种资源坝留 枝川”l ：( 1 ) 孵发送者刘单接收者，如r c a p 胁议；( 2 ) 单发送者对多接收者，如s t i i 协议；( 3 ) 多 发送者剥多接收者，如r s v p 协议。图i 一2 示山由发送者发起的资源预留处理过稗1 4 j ： 发送者 网络 接收者 i l i ：许可预定接受 i ，r l ：一 i 许可预定请求 j i i 酬l - 2 经过确认响应的次资源预留过稗 第步，连接发起者使川一个预定消息发送服务质量规格明细； 第一步，通路上涉及的每个网络仃点收到该预定消息后，资源预留协议都将产生一条新资源 坝i ，f i l 占求送给资源符理器。资源管理器由许可控制例程( a d m i s s i o nc o n i r o lr o u t j n e ) 、包调度器 ( p a c k e ts c l l e d u l e r ) 年包分类器( p a c k