（计算机科学与技术专业论文）面向视频传输的网络性能测量技术研究.pdf

里堕型兰垫垄奎兰堑塑竺堕竺篁丝苎 摘要 随着i n t e r n e t 带宽的不断增长和视频压缩技术的日趋完善，数字视频监控产品逐渐 成为了市场的主流。为了能够充分的利用网络，视频服务器所发布视频的质量需要根据网 络的实时性能进行实时调整，这就需要实时地测量网络性能。然而现有的测量网络性能的 方法为了提高其测量准度，多以增加测量时间、增加网络负载为代价。本文针对解决测量 的准确度与测量的低负载这一矛盾进行了探讨。 本文首先对国内外网络测量方法的研究现状进行分析描述，然后，根据应用于视频传 输系统的网络性能测量的特殊要求，提出了视频传输前与视频传输时测量的算法应不完全 相同这一思想。视频传输前，测量的首要目标是准确，及时，而视频传输时的首要目标则 是快速、低负载，依据这两种不同的目标，针对测量时间的不同，本文分别设计了a s l o p s 算法和a s p 算法。本文对测量数据包的构成、发送规律提出了自己的见解。 最后，设计和实现了依据这两种算法的网络性能测量系统，并根据设计的实际需要， 设计了一种通讯协议，用于各测量节点之间的消息传递。 关键词：网络性能测量视频传输 第i 页 里堕登兰垫查奎堂堡壅生堕兰垡丝茎 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fi n t e m e tb a n d w i d t ha n dt h ed e v e l o p m e n to fv i d e o - c o m p a c t t e c h n o l o g y , d i 醇a lv i d e om o n i t o rp r o d u c t sb e c o m et h em a i n s t r 锄t ou s et h en e t w o r k a d e q u a t e l y , t h ev i d e o s e r v e rs h o u l da d j u s tt h ev i d e oq l l a l i t ya l o n gw i t ht h en e t w o r kr c a l - t h n e l 斌o r m a n c e ，t h e n , m e a s u r i n gt h en e t w o r kr e a l - t i m ep e r f o r m a n c ei sn e c e s s a r y b u tt h ec u r r e n t m 嗣聪m e t h o du s u a l l yi n c r e a s et h em e a s u r i n gt i m eo ra d dt h en e t w o r kl o a dt oi m p r o v et h e v e r a c i t y s o 甜si n c o n s i s t e n tb e t w e e nh i g hv e r a c i t ya n dl o wl o a d , t of i n dt h es o l u t i o no f t h a t p r o b l e mi st h em a i nt a s ko f t h ep a p e r a t 矗峨t h i sp a p e rd e s c r i b e sa n da n a l y z e st h er e s e a r c h 删畸o ft h em e t h o df o r m e a s n i n gn e t w o r kp e r f o r m a n c 圮t on k 蜕t h es p e c i a lr e q u i r e m e n to fm e a s u r i n gn e t w o r k p e r f o r m a n c eu s e di nt h ev i d e o - t i o ns y s t e m , t h et h o u g h ti si n t r o d u c e dt h a tt h em e a s i 】h r i n g m e t h o ds h o u l db ed i f f e r e n tb e t 3 v e e nb e f o r e - t r a n s m i ta n dw a n s m i t t i n g b e f o r et r a n s m i tv i d e o d a t a , t h em a i n a i mo f m e a s u r i n ga r eh i g hv e r a c i 锣a n dt i m e l y , a n dw h e n 订羽l 锄i n i n g t h ef o c u s o fm e a s u r i n gb e c a 3 m es p e e d i n e s sa n dl o wl o a d b a s e do nt h o s et w od i f f e r e n ta i m s ，t h ep a p e r p r o v i d e st w oa l g o r i t h m s ：a s l o p sa l g o r i t h ma n da s pa l g o r i t h m e a r g , ar e s e a r c ho nt h e m e a s u r i n gp k e f sc o m p o s i n ga n d t h es e n d i n gr u l ei si n t r o d u c e d a tl a s t , an e t w o r kl 础o r m a n c em e a 鳓h 啪e n ls y s t e mb a s e do nt h o s et w oa l g o r i t h m si s d e s i g n e d t om e e tt h ea c t u a lu s er e q u i r e m e n t , at r a n s m i t t i n gp r o t o c o li sd e s i g n e d t h a tp r o t o c o l i su s e do nt h e 订舡龇i t c i n gb e t w e e nt h em e a s u r i n gp o i n t s k e y w o r d s ：n e t w o r kp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t , v i d e ot r a n s m i t t i n g 第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1m p e g 压缩视频流示例3 图1 2q o s 参数体系结构4 图2 1 单数据包技术原理图1 5 图2 2 数据包对技术原理图1 6 图2 3m u l t i - p a c k e t1 4 0 d e l 原理图1 7 图2 4s l o p s 方法测量模型原理图1 8 图2 5r ( a 时的延迟曲线1 9 图2 6r ) a 时的延迟曲线1 9 图2 7r 近似等于a 时的延迟曲线图2 0 图3 1r m a x m a x = 4 m b p s 时的测量图2 8 图3 2r m a x m a x = 2 m b p s 时的测量图2 9 图3 3r m a x m a x = o 5 m b p s 时的测量图2 9 图3 4r m a x m a x = o 1 2 5 l i b p s 时的测量图2 9 图4 1 视频传输系统结构图3 7 图4 2 网络性能测量模块逻辑图3 8 图4 3 测量子模块的工作流程图3 9 图4 4 测量系统的逻辑构成3 9 图4 5a s l o p s 子模块m s 端程序流程图4 0 图4 6a s l o p s 子模块腿端的程序流程图4 3 图4 7a s p 子模块峪端程序流程图4 4 图4 8a s p 子模块撒端程序流程图4 6 图4 9 接收时间间隔曲线( r 小于a ) 5 0 图4 1 0 单向延迟曲线( r 小于a ) 5 0 图4 1 l 接收时间间隔曲线( r 大于a ) 5 1 图4 1 2 单向延迟曲线( r 大于a ) 5 1 图4 1 3 接收时间间隔曲线( r 近似等于a ) 5 2 图4 1 4 单向延迟曲线( r 近似等于a ) 5 2 第1 v 页 里堕型堂垫查奎兰堡茎圭堕堂堡堡苎 表目录 表1 1 几种压缩标准对带宽的要求2 表3 1 不同分辨率占用带宽略图2 7 表3 2 不同带宽下的测量时间表( 一) 3 6 表3 3 不同带宽下的测量时间表( 二) 3 6 表4 1m k l p 协议的操作命令4 7 第v 页 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：壹鱼垫勉焦蛰的囤缢蝗触捌量整鲞鸳盎。 学位论文作者签名： 裂超日期：a 年r 月易口日 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： 学位论文作者鐾名：邀丝 懒撇獬：斜 日期：怠d 0 6 年岁月枷日 日期：) 刀占年j 月弓口日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着i n t e r n e t 带宽的不断增长和视频压缩技术的日趋完善，数字视频监控产品逐渐 成为了市场的主流，人们迫切希望网络技术能够成功地应用于数字视频监控领域，以使人 们能够通过网络实现异地监控。正是在这种背景下，应用于数字视频传输的网络性能课题 研究日益重要。 进入二十一世纪以来，视频监控产品在市场和技术两个方面都呈现快速发展。在市场 方面，多种因素刺激了需求，其中包括：产品售价的快速下降，新技术的不断出现，宽带 网络的普及，恐怖活动的增加，企业和政府部门对业务管理的要求的提高，等等。在技术 方面，数字化使得i t 技术得以迅速应用于传统的监控系统。信息技术正在给视频传输带 来翻天覆地的变化。 视频监控产品可以分为三个阶段。上个世纪7 0 年代开始流行的闭路电视系统c c t v ( c l o s e dc i r c u i tt e l e v i s i o n ) 是第一阶段，9 0 年代开始普及的硬盘录像机系统d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 是第二阶段，本世纪开始普及的数字视频监控系统d v s ( d i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c e ) 是第三阶段。 典型的d v s 是现在比较普遍的网络摄像机，又称为i p 摄像机。这种摄像机采集的视 频是数字的，通过一个内置的w e b 服务器接收客户端的控制信号，并利用h t t p 协议在i p 网络( 例如。i n t e r n e t ) 上传输视频图像。网络摄像机接入i n t e r n e t 后，用户只需通过 浏览器就可以方便地访问它。 如今，随着i n t e r n e t 带宽的不断增长和视频压缩技术的日趋完善。数字监控传输产 品逐渐成为了市场的主流，人们迫切希望网络技术能够成功地应用于数字视频监控领域。 正是在这种背景下，应用于数字视频传输的网络性能课题研究日益重要。 然而，用户对网络资源的需求空前增长，也使得网络变得越来越复杂。不断增加的网 络用户和应用，导致网络负担沉重，网络设备超负荷运转，从而引起网络性能下降。这就 需要对网络的性能指标进行提取与分析，对网络性能进行改善和提高。因此网络性能测量 便应运而生。发现网络瓶颈，优化网络配置，并进一步发现网络中可能存在的潜在危险，更 加有效地进行网络性能管理，提供视频发布服务质量的验证和控制，对视频服务器的服务 质量指标进行量化、比较和验证，是网络性能测量的主要目的 视频传输系统应用具有如下特点： 数据量大。监控系统通常需要处理图形、图像、视频、音频等信息。这些信息需 要较大的数据量来进行表示。以视频数据为例。如果每秒采样3 0 帧分辨率为 第l 页 里堕塑堂垫查盔兰堑塞竺堕兰垡丝苎 3 5 2 ) c 2 8 8 的视频数据，象素格式为y u v 4 ：2 ：2 ，则每秒钟产生的数据量将是 4 5 6 m b s 。因此视频服务器在发布视频之前一般需要先进行压缩处理再进行传 输。然而即使经过压缩，数据量仍然较大。例如，采用m p e g - 1 标准压缩的v t t s 质量和h d t v 质量的视频流数据量分别为约1 2 m b p s 和2 0 m b p s 。表1 1 给出了几 种视频压缩标准压缩后媒体的带宽要求： 表1 1 几种压缩标准对带宽的要求 压缩标准压缩比压缩后的带宽要求 ( m b p s ) m o t i o nj p e g7 - 2 7 ：11 0 2 0 h 2 6 12 4 ：1o 0 6 4 2 m p e g l1 0 0 - 11 2 2 加e g 23 0 1 0 0 ：l4 矗o d v i1 6 0 ；11 2 l5 c d i1 0 0 ：11 2 1 5 实时性要求。多媒体应用需要处理的数据中，音频和视频信息都是与时间相关的 连续媒体，这就对系统提出实时要求。另外，分布式多媒体应用的交互性也给系 统带来实时性要求。这种实时性要求体现在对端到端延迟、延迟抖动等指标的量 化要求。例如，i t u 标准建议交互式视频应用的端到端延时不超过1 5 0 m s ，音频 视频到达的时间差应小于8 0 m s ；而对于视频来说，端到端延时由源端压缩和打 包延时、传输延时、宿端排队及播放同步延时及宿端解包和解压缩延时组成，视 频流一般要求每秒处理2 5 3 0 帧，则实时压缩或解压时间不应超过3 0 4 0 m s ， 如果使帧的排队和播放时间与下一帧的周期重叠，则允许的最大传输延时为 6 0 m s 。不失一般性，考虑传输网络为l a n w a n l a n 结构，由于网络互连部件也 产生延时，则每个网络中的最大延时仅允许为1 0 b 1 5 m s 。 资源分散性。资源分散性是分布式多媒体系统的一个基本特征。分布式多媒体系 统的资源分散性指的是系统中各种物理资源和逻辑资源，在其功能和地理上都是 分散的。一般这种系统是基于客户服务器模型( c l i e n t s e r v e r ) ，采用开放模 式，系统中很多节点的用户共享服务器上的资源。 数据突发性。由于多媒体数据都需要先压缩后再进行传输，而压缩后的数据流量 与待压缩数据的序列有关，因此发生数据流量随时间发生变化的现象。以衄p g 视频压缩标准为例，压缩后的视频流由三种类型的帧组成：i 帧、p 帧和b 帧。i 帧为帧内压缩帧，数据量最大；p 帧为前向预测压缩帧，数据量次之；b 帧为双向 预测压缩帧，数据量最小。三种帧组成一定模式的图组( 如i b b p b b p 邮p 陷i ) ，再 以图组为单位组成m p e g 压缩视频流。从整体上看，压缩视频流的数据量的变化与 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图组的模式相关，呈现一定的规律性：但由于各个画面的压缩比不同，即使相同 的帧类型，压缩后的数据量也相差很大，再加上场景变换、影片内容等因素的影 响，其突发性更是难以预测。如图1 1 所示； 图1 1m p e g 压缩视频流示例 上述特点使得视频传输系统在应用于实际时对现有设备和技术提出了前所未有的挑 战。尤其是数据量大的特点对网络带宽及数据压缩技术提出了较高的要求，监控系统实时 性的特点也对视频服务器的相关技术( 如更改视频发布速度、改变图象质量、同步技术等) 提出了较高的要求。在这种情况下，设计出一种适用于视频传输的网络性能测量系统是有 必要的。 1 2 服务质量q o $ 简介 1 2 1 服务质量q o s 的定义 c c i t t ( 后改名为i t u - t ) 给q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的定义如下：q o s 是一个综 合指标，用于衡量使用一个服务的满意程度。因此在简单意义上，有服务质量的服务就是 能够满足用户的应用需求的服务，或者说，可提供一致的、可预计的数据交付服务。q o s 的进一步定义可以在r a c e ( r e s e a r c hi n t oa d v a n c e dc o 岫i u n i c a t i o nf o re u r o p e ) 中找 到：“q o s 描述了关于一个服务的某些性能特点。这些性能特点是用户可见的，它以用户 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 可理解的语言表示一组参数。这些参数具有客观值或主观值。客观值刻画了系统的行为性 能，如时延、时延抖动、包丢失率、吞吐量，主观值刻画了系统的其它服务性能，如安全 性、优先级。” 在网络环境中，q o s 是一组服务要求，网络必须满足这些要求才能适应不同服务级别 的数据传输。不同的多媒体应用要求具有不同的服务需求，所以必须将这些服务需求参数 化，i s o 用q o s 定义服务需求的一组参数，使得不同的多媒体应用可以使用同一套服务需 求参数。q o s 的实施可以使多媒体应用最有效地使用网络带宽。由于它可以确保某个使用 级别有充足的网络资源，所以它为共享网络提供了与专用网络类似的服务级别。 1 2 2 服务质量o o s 参数 用户使用q o s 参数来定量或定性地说明各自所需的服务质量。定量的描述方法有多 种，如确定性描述方法和统计描述方法： 确定性描述方法 q o s _ p a r a m e t e rsu p p eb o u n d ( 1 ) q o s _ p a r a m e m r l o w e rb o u n d ( 2 ) 统计描述方法p r o b q o s _ p a r a n m m s u p p eb o u n d p r o bb o u n d ( 3 ) p r o b q o s _ p a r a m c t e r u p p e rb o u n d sp r o b _ b o u n d ( 4 ) 除了定量描述外，q o s 还可以用服务等级的形式定性地描述【1 1 。在一个多媒体通信系 统中，通常采用层次化的o o s 参数体系结构来定义q o s 参数，如图1 2 所示。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 提供对应的服务，同一端的不同层之间表示为一种映射关系，应用的q o s 需求应当从上向 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。q o s 参数的协商与映射由q o s 机制来完成。 用户层用户层 癌觉好，流畅感觉好，流畅 应用层应用层 码率、图像分辨率、帧率码率、图像分辨率、帧率 丢包率，延迟抖动 系统层1卜系统层 c p u 时问片、i o 带宽、内存容量c p u 时间片、i o 带宽，内存容量 服务器端网络客户端 图1 2q o s 参数体系结构 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 3 视频传输系统的q o s 性能参数 在多媒体传输系统中，o o s 的保障不只是多媒体信息传输对网络的要求，而且是一个 端到端的问题，即从一个终端的应用层到另一个终端的应用层的整个流程中的各个环节均 应该具备q o s 的保障。从用户角度讲，一个视频传输系统的q o s 性能参数包括以下几个方 面( 在此仅简单介绍，在第二章将有详细的说明) ： 媒体数据质量指标指在对媒体数据进行采样、处理时确定的媒体数据固有属性， 如采样率、压缩率、量化等级等。以视频数据为例，其数据质量指标包括帧率， 分辨率、压缩率、压缩算法等。不同的媒体类型具有不同的质量指标。这些指标 有的可由用户和服务提供商协调确定，有的可在提供服务期间根据网络状况等动 态调整。一个视频传输系统由于各种设备的物理特性的约束，其所能提供的服务 质量指标只能在一定范围内变化。 时延时延指从媒体数据开始采样到其被呈现给用户之间的时间，由三部分组成 伫】：第一部分为对数据进行采样、处理的时间；第二部分为数据通过网络传输到 远程所需时间，包括网络设备( 交换机、路由器) 排队调度时间和信号传播时间； 第三部分为数据在远程被接收、缓冲、还原所需时间。时延要求一般以时延上界 ( 最大时延) 的形式给出。不同多媒体应用对时延有不同的要求。对视频点播系 统，视频流从视频服务器传送到用户的机顶盒，其时延的大小对用户观看节目没 有多大影响。但是，对于交互式多媒体系统( 如视频传输、视频会议) ，时延是一 项重要的指标，时延过大将影响交互效果。 时延抖动时延抖动对时间相关媒体来说是一项极其重要的性能参数。时延抖动 指相邻的两次采样数据到达接收者的时间间隔相对于两次采样的时间间隔之间的 差异。例如，数字声音采样时间问隔为1 2 5 u s ，通过网络传输后，如果它们之间 的时问在1 l o u s - 1 4 0u s 之间，那么时延抖动为1 5 u s 。时延抖动可在输出端设置 缓冲区来消除，抖动越大，缓冲区要求越多。用这种方法消除时延抖动将增加媒 体端到端的时延，因此，较好的方法是由网络通过服务质量控制来最大可能地抑 制时延抖动。 可用带宽可用带宽是指在网络路径( 通路) 存在背景流量的情况下，能够提供给 某个业务的最大吞吐量。可用带宽也是一项非常重要的性能参数，它真正反映了 在某一段时间内链路的实际通信能力，如果某时刻的可用带宽比较低，那么视频 数据就无法及时的到达客户端，会造成比较严重的网络拥塞及丢包。 差错率差错率是指传输过程中丢失或出错的数据占全部数据的比率。相对于二 进制的数据传输来说，音频和视频对差错率的要求比较低，话音最大可接受的数 据差错率为1 0 ，而视频可达1 。造成数据错误或丢失的原因很多，首先 i n t e r n e t 本身是不可靠的，数据包可能在传输过程中发生错误( 如校验错误) ； 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 此外网络节点的拥塞也可能丢包。 上述指标是用户能够感受到的，也是用户唯一关心的q o s 需求。为了满足上述q o s 需求，视频传输系统的设计人员需要对整个系统有宏观上的把握，通过对网络性能的准确 测量，建立一套完整的q o s 保证体系，合理地分配各种资源，协同地保证系统的q o s 。 1 3 视频传输系统的设计 1 3 1 视频传输系统的运行环境和网络性能要求 视频传输系统并不是孤立地运行，而是需要与外界交互，包括网络、用户及相关设备 等，通称为其运行环境。对于一个视频传输系统，客户所关心的是其提供的服务质量如何， 称为其外部行为。正如在1 2 节中所述，系统的服务质量应当满足一定的要求，具体到网 络传输这一方面，体现在当网络的状况改变的时候，系统能够比较实时的更改视频发布的 质量，最大程度的提供高质量的视频数据。 一个设计成功的视频传输系统不但要求其能够传送音视频数据，而且要求其能够针对 不同的网络环境提供给用户特定的服务质量的数据，因此，在发布视频数据之前，以及发 布数据的同时，均需不断测量网络性能，为改交视频质量提供可靠的参考数据。 1 3 2 视频传输遇到的难题 由于中国大陆的i p 数量有限( i p v 4 只有5 9 9 4 5 7 2 8 个i p ) ，而据文献 3 可知中国大 陆将近7 0 的计算机使用拨号上网或者专线上网的方式连接i n t e r n e t ，另外还有多数的计 算机使通过内网连接i n t e r n e t 。出于节约成本的考虑，一般不会给网络摄像机申请一个 固定的i p ，因此网络摄像机的i p 若不固定，用户查找到服务器有一定困难，如果视频服 务器处于内网当中，用户想得到服务器的地址就更困难。 前文提到，可用带宽是指在网络路径( 通路) 存在背景流量的情况下，能够提供给某 个业务的最大吞吐量。无论在传输视频数据之前还是之中，网络上都会有不同的背景流量， 当监控系统运行的时候，网络中的背景流量分为两种，一种是传播视频数据本身带来的网 络占用，一种是其它的随机出现的背景流量，正因如此，可用带宽的测量比较困难，首先， 测量结果要基本准确，要能够成为视频传输调节的参考，第二，测量时要尽量降低给网络 带来的影响，不能因为测量而导致网络性能变差，得不偿失；最后，要考虑到背景流量对 测量的影响，要选用合适的算法把不符合要求的结果过滤掉。 1 3 3 国内外研究现状 考虑到网络性能测量的重要性，许多大型研究项目和研究人员在网络测量领域已经做 出了很多成果，也有大量针对网络性能测量的分析和研究，简单介绍如下： 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 测量网络性能特性通常要使用多种测量技术，这些技术根据测量方式不同可分为主动 测量和被动测量，文献 4 5 介绍了被动测量的一些常用方法，文献 6 7 8 则介绍了 主动测量的概念以及常用方法； 在主动测量当中，文献 9 1 0 3 介绍了主动测量中的组播探针类型，文献 1 1 1 2 则 介绍了单播探针类型； 传输视频数据最关心的网络性能指标是带宽，v a nj a c o b s o n 于1 9 9 7 年4 月份在m s r i ( m a t h e m a t i c a ls c i e n c e sr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 中介绍了p a t h c h a r 这种方法来测量链 路带宽的原理 1 3 3 ：利用i p 包的t t l ( t i m e t o - l i v e ) 特性，通过发送一系列大小不同、 t t l 值不同的探测包来推断链路上的延迟、带宽等网络性能。但是这种测量方法忽略了许 多现实世界中的许多细节【1 4 l ，比如，忽略错误测量包的假定导致了测量结果有一点偏高， 发送数据包和接收数据包的路径很有可能不一样导致了延迟的测量很有可能是错误的。 文献 1 5 中所提到的c p r o b e 可以说是首个用于测量可用带宽的工具；文献 1 6 介绍 了如何通过n e t t i m e r 来测量瓶颈带宽；文献 1 7 提出了包对模型，并加以阐述；文献 1 8 在分析了前面几种测量技术之后，提出了在i n t e r n e t 中如何使用p a c k e tt a i l g a t i n g 技 术来测量一条通路的链路带宽，p a c k e tt a i l g a t i n g 技术在理论上可以测量多通道链路的 带宽，而且不依赖路由器处理1 0 4 p 数据包是否一致，也不依赖回复包是否实时的发送， 只要路由器的工作原理是存储转发模式( s t o r e - a n d - f o r w a r d ) ，并且使用了i p 数据包的 t t l 机制即可。 文献 1 9 提出了一种可调地测量可用带宽的方法；文献 2 0 介绍了实时测量端到端 网络性能的一些方法，选择这些方法的首要前提是实时。 文献 2 1 中提出的i g i ( i n i t i a lg a pi n c r e a s i n g ) 和p t r ( p a c k e tt r a n s m i s s i o n r a t e ) 通过发送一系列报文间隔逐渐增大的包队列，并探测输出间隔和初始间隔的差别来确定可 以用来计算可用带宽的包队列。 1 4 研究内容及文章结构 1 4 1 研究内容 从上节的分析中可以看出，现有的关于网络性能主动测量研究的不足之处在于，这些 研究的目的是尽量得到比较精确的网络性能参数值，为此不惜增加网络负载，尽管已有学 者提出多种算法来降低对网络的影响，但是对于视频传输应用来说，这种干扰仍是不可忍 受的。另外，由于视频数据的突发性，发送测量数据包的时间也有特殊要求，因此，上述 研究不能完全的应用于视频传输系统。 针对这种情况，本文提出了一种视频传输时网络性能测量的方法，该方法将测量的准 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 确性和降低对网络的影响视为同等重要，因此，无论是测量包的构成还是测量的时间、次 数均在满足要求的情况下尽量降低对网络的影响。 另外，针对中国大陆的互联网现状，在视频传输系统中，增加了一个中转服务器，网 络摄像机给用户分发的视频数据须经过此服务器中转。这样，用户就可以不用关心网络摄 像机地址及端口的变化。 1 4 2 文章结构 本文分为五章，各章内容如下： 第一章介绍了研究工作的背景，讨论了视频传输系统的特点及服务质量需求，分析 了网络性能测量的重要性以及现有工作的不足，并在此基础上指出了本文的研究内容和方 法。 第二章介绍了本文研究内容的基础，即网络性能测量的各种方法。这些是对目前已 有的一部分相关工作的总结。 第三章提出了应用于视频传输系统的网络性能测量办法。在确定了视频传输系统所 关心的性能参数后，确定了测量的算法。并结合视频传输的特点，针对不同时间、不同位 置改进了原有的测量算法，并对测量数据包的构成、发送规律提出了自己的见解。 第四章视频传输控制系统的设计及实现，并涉及了一种用于各测量节点之间传输测 量数据的传输协议删p 协议。 第五章总结了所做的工作，并指出了下一步的研究方向。 本文的最后列出了参考文献。 第s 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章网络性能测量方法综述 2 1 网络性能测量的概念 2 1 i 网络性能的概念 网络性能可以采用以下方式定义：网络性能是对一系列对于运营商有意义的，并可用 于系统设计、配置、操作和维护的参数进行测量所得到的结果。可见，网络性能是与终端 性能以及用户的操作无关的，是网络本身特性的体现，可以由一系列的性能参数来测量和 描述。 2 1 2 网络性能参数的概念 对于不同的网络业务或应用，其涉及的性能指标也不尽相同。以下介绍的是几个与视 频传输相关的性能指标： 2 1 2 1 带宽( b a n d w i d t h ) 网络的带宽是在一段特定的时间内网络所能传送的比特数瞄1 。带宽一般分为 瓶颈带宽和可用带宽。瓶颈带宽是指当一条路径( 通路) 中没有其它背景流量时， 网络能够提供的最大的吞吐量。可用带宽是指在网络路径( 通路) 存在背景流量 的情况下。能够提供给某个业务的最大吞吐量。因为背景流量的出现与否及其占 用的带宽都是随机的，所以可用带宽的测量比较困难。 可以将带宽作为一个整体来讨论，但是具体到视频传输系统来说，我们考虑 的重点是一条逻辑的进程到进程的信道的带宽，而不是物理链路的带宽。此时， 带宽也受到其它因素的影响，比如延迟和t c p 窗口大小与t c p 性能参数之间存在 很大的关联，因此，更大的带宽并不定总意味着更高的数据传输速率，在本文 中，我们关心的是可用带宽，即应用程序实际发送数据的速率。 2 1 2 z 延迟( l a t e n c y ) 延迟的定义在第一章中已有所说明，但对于视频传输系统而言，如果视频传 输采用t c p 协议，一个数据包( 或一组数据包) 一旦从视频服务器发送到一台客 户机，就必须等待收到一个应答包。网络延迟的确定通常需测量往返时间 ( r o u n d - t r i pt i m e ：r t t ) ，即一个数据包自视频服务器到客户机往返所需的时间 间隔。 通常不测量网络上每个路由器上每一跳的延迟，而是分别测量延迟的每一部 分。例如： ( 1 ) 前向延迟。即数据包从视频服务器到客户机过程中的传输时间和排队时 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 间的和； ( 2 ) 服务器延迟； ( 3 ) 反向延迟，即数据包从客户机到视频服务器的传输时间和排队时间的和。 p i n g 常用于测量延迟。i s p 们通常用p i n g 来测量响应时间，并假定服务器延 迟与前向和反向延迟相比很小。因此，其响应时间的测量结果只是大致表示了网 络的性能。虽然如此，这仍然是一种广泛使用的性能指标。但需注意的是p i n g 使用的是i c m p 协议，用p i n g 得出的测量结果并不能准确地反映使用其它协议的 业务性能。 2 1 2 3 丢包率( p a c k e tl o s s ) i p 网上的传输基本是一种“尽力而为”的工作方式。路由器尽力而为的转发 数据包，但也可能根据即时情况而将一些包丢弃。数据包经过网络时可能因路由 器排队而延迟，如果队列满了，路由器将由于没有足够的空间而丢弃一些包，其 它的网络故障也可能引起丢包，但不那么普遍。 丢包率是指在一特定时间间隔，从客户机到服务器问往返过程中丢失的数据 包占所发送数据包的百分比数。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的，一般在 0 1 5 ( 严重拥塞) 问变化，更高的丢包率可能导致网络不可用。 为了评估网络的丢包率，一般采用直接发送测量包来进行测量。对丢包率进 行准确的评估与预测则需要一定的数学模型。目前评估网络丢包率的模型主要有 贝努利模型、马尔可夫模型和隐马尔可夫模型等等。贝努利模型是基于独立同分 布的，即假定每个数据包在网络上传输时被丢弃的概率是不相关的，因此它比较 简单但预测的准确度以及可靠性都不太理想。但是，由于先进先出的排队方式的 采用，使得包丢失之间有很强的相关性，即在传输过程中，包被丢失受上一个包 丢失的影响相当大假定用随机变量x i 代表包的丢失事件，x i = 0 表示包丢失， 而x i = 1 表示包未丢失。则第i 个包丢失的概率为p x ix i l ，x i - 2 ，x i n ， x i - i ，x i - 2 x i - n 取所有的组合情况。当n = 2 时，该m a r k o v 链退化为著名的 g i l b e r t 模型。隐马尔可夫模型是对马尔可夫模型的改进。 m a y ay a j n i k 等人所作的1 7 2 小时的测量试验结果表明，在不同的数据采样 间隔下( 2 0 m s ，4 0 m s ，8 0 m s ，1 6 0 m s ) 采用三种不同的丢包率分析模型进行分析得到 的结果完全不同，在不同的估计精确度的要求下实验结果也各有不同。 少量的丢包率并不一定表示网络故障，视频传输系统在少量丢包的情况下也 能继续进行，因此在适当情况下，为了图像的连续性、实时性网络摄像机会进行 主动的丢包。 2 1 2 4 可用性( a v a i l a b i l i t y ) 可用性是指在某特定时间段内，系统正常工作的时间段占总时间段的百分比。 例如以下情况： 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 业务的可用性：对一特定业务，能够发包并收到响应包； ( 2 ) 主机的可用性：能发包( p i n g ) 到某一主机，并收到相应包； ( 3 ) 网络的可用性：能从该网络发包到互联网，并收到相应包。 对于上述情况，都可以通过发送相应的数据包并检测相应包来测试，还可以 根据确定系统正常进行所能容忍的最大延迟和丢包率，当超过这些限值时，就认 为该网络或业务是不可用的。 2 1 3 网络性能结构模型 从空间的角度来看，网络整体性能可以分为两种结构：立体结构模型和水平 结构模型。 2 1 3 1 立体结构模型 i p 网络就其协议栈来说是一个层次化的网络，因此，对i p 网络性能的研究也 可以按照一种自上而下的方法进行。可以以i p 层的性能为基础，来研究i p 层不 同性能与上层不同应用性能之间的映射关系。 2 1 3 2 水平结构模型 对于网络的性能，用户主要关心的是端到端的性能，因此从用户的角度来看， 可以利用水平结构模型来对i p 网络的端到端性能进行分析 2 2 网络性能测量类型和测量系统 2 2 1 网络测量类型 要了解网络的运行状态，就需要对相关的对象进行测量。测量数据可显示网络性 能及其变化；有了这些测量数据，才能对网络性能作进一步的评估。对于网络性能的 测量，基本上有以下几种分类。 2 2 1 1 主动测量与被动测量 1 ) 主动测量 主动测量是指在选定的测量点上用测量工具有目的地主动产生测量流量，注 入网络，并根据测量数据流的传送情况来分析网络的性能。例如，可以向网络发 送数据包并不断提高发送速率，直至网络饱和，以此来测量网络的最大负载能力。 主动测量的优点是对测量过程的可控性比较高，灵活、机动，易于进行端到 端的性能测量；缺点是需要注入新的流量 2 3 1 ，而注入的测量流量会改变网络本身 的运行情况，使得测量的结果与实际情况存在一定的偏差，而且测量流量还会增 加网络负担。尤其是对于路由( t r a c e r o u t e 瞄1 ) ，吞吐量( t r e n o 【2 习) ，带宽( p a t h c h a r ) 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 等参数而言，完成一次测量需注入的流量更大。主动测量在性能参数的测量中应 用十分广泛，目前大多数测量系统都涉及到主动测量。 2 ) 被动测量 被动测量是指在链路或设备( 如路由器，交换机等) 上利用测量设备对网络进 行监测，而不需要产生多余流量的测量方法。被动测量通常用于测量通信流量， 即经过指定源和目的地址之问路由器或链路的数据包或字节数，也可用于获取网 络节点的资源使用状况的信息。被动测量可以通过以下三种方式获得： a ) 服务器端测量：通常是在服务器端安装测试代理，实时监测服务器的性能、 资源使用等状况。 b ) 用户端测量：将检测功能封装到客户应用中，从特定用户的角度实时监测 相关的业务性能。 c ) 利用网络探针；网络探针可用于检测网络传输状态，分析捕获的数据包， 以实现对网络及相关业务的测量。 被动测量的优点在于理论上它不产生多余流量，不会增加网络负担；其缺点 在于被动测量基本上是基于对单个设备的监测，很难对网络端到端的性能进行分 析，并且可能实时采集的数据量过大，另外还存在用户数据泄漏等安全性和隐私 问题。 被动测量非常适合用来进行流量测量。 3 ) 主动损4 量与被动测量的结合 主动测量与被动测量各有其优、缺点，而且对于不同的性能参数来说，主动测 量和被动测量也都有其各自的用途。因此，将主动测量与被动测量相结合将会给网 络性能测量带来新的发展。 2 2 1 2 单点测量与多点测量 网络测量的另一个方面在于测量所处的位置。一些测量依赖于在网络的多个点上 进行检测。例如要测量一个数据包从主机a 到主机b 所需的时间，则需使用准确、同 步的时钟记录数据包离开主机a 和到达主机b 的时间。 对于大型网络上通信流量的测量，也可考虑在多点检测流量，以收集到数据包通 过该网络的详细信息。但这并不是个理想的办法，因为要使不同测量点上同一时问的 测量值彼此关联是很难的，更简单的方法是检测网络的入口和出口链路的通信流量， 以避免对单个数据包经过网络的详细路径信息进行跟踪。 2 2 1 3 网络层测量与应用层测量 应用层测量可以使我们对整个应用的性能有一个清楚的认识，二者是很难从低层 测量数据综合得到的。同时应用层测量也能提供客户机和服务器之间客户机和服务器 之间、网络链路之间的性能参考比如，w e b 下载是一种网络业务，但测量其性能也 能间接反映网络层的性能。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 采用应用层测量的另一个原因是一些i s p 在其网络内使用通信过滤( t r a f f i c f i l t e r i n g ) 技术，比如阻止i c m p 相应包或限制其传送速率。虽然用p i n g 做一些网 络测量还是有用的，但通信过滤技术的使用日益广泛，在一定程度上减少了此类测量 的使用。 因此，对于i s p 提供的骨干网一般采用网络层测量，以评估其提供的网络链路或 路由器、服务器等网络节点的性能；而对于基于网络平台的各种业务，其应用层性能 的测量正变得越来越重要。 2 2 1 4 测量中的抽样 为了提高测量的速度，在处理测量结果时，多采用基于抽样的方法嘲。 抽样，也叫采样，抽样的特性是由抽样过程所服从的分布函数所决定的。研究抽 样，主要就是研究其分布函数。对于主动测量，其抽样是指发送测量数据包的过程； 对于被动测量来说，抽样则是指从业务流量中采集测量数据的过程。 依据抽样时间间隔所服从的分布，抽样方法可分为很多种，目前比较常用的抽样 方法是周期抽样、随机附加抽样和泊松抽样