（计算机软件与理论专业论文）远程教学系统中实时媒体信息传输技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着信息传播技术的迅猛发展，人类现有的教育内容、教育手段和教 育方法等正受到极大的挑战。网络以其丰富的信息资源、友好的交互性能 以及优良的开放性等特点而越来越受到人们的青睐。因此解决多媒体信息 在网络中传输技术的问题就成为网络应用研究的课题，但需要解决的问题 很多，其中拥塞控制策略的研究成为现在多媒体技术研究的一个热点。本 文对网络拥塞控制策略进行了分析和研究，并取得了阶段性的成果。 首先，文中论述了网络的拥塞控制策略，分析了网络中拥塞产生的原 因，同时引入了r c c m p 协议，利用控制理论思想，提出了完善该协议的 拥塞控制的调度算法，并且对修改调度算法后的协议进行了分析和研究。 其次，对实时传输与控制协议进行了论述，根据远程教学系统中的实 际问题，对延时估计和实时数据同步进行了研究，并且利用延时估计和多 媒体同步控制的模型在n s 系统中进行了仿真测试和分析。 最后，在n s 测试系统中，对所修改后的调度算法及协议进行了仿真 测试，证明修改后的调度算法及协议能够改善网络的拥塞情况，从而为网 络中实时媒体信息的传输提供了保障。 本文的工作为解决网络中实时媒体信息传输的问题引入了新的思路， 对网络拥塞控制策略的研究拓展了新的路径。 关键词远程教育；媒体信息：实时； r t p ；r t c p ；视音频；拥塞控制 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es w i f td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o nt e c h n o l o g y ， h u m a ne x i s t i n ge d u c a t i o nc o n t e n t ，e d u c a t i o n a lm e a n sa n de d u c a t i o n a lm e t h o d ， a n ds oo n , a r ef a c i n gg r e a tc h a l l e n g e t h en e t w o r kf a v o r sm o r ea n dm o r e p e o p l ew i t hi t sc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sa b u n d a n ti n f o r m a t i o nr e s o u r c e s ，f r i e n d l y m u t u a lp e r f o r m a n c ea n df i n eo p e n i n g ，e t c t h e r e f o r e ，s o l v i n gt h em u l t i m e d i a i n f o r m a t i o nq u e s t i o n st h a te x i s ti nt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nb e c o m e st h et o p i c i nn e t w o r ka p p l i c a t i o n ss t u d i e s ，b u tt h e r e a r em a n yq u e s t i o n st os o l v ei n n e t w o r k ，a n dr e s e a r c ho nt h en e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi sb e c o m i n ga h o tt o p i co f s e a r c h i n gi nm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya tp r e s e n t t l i sp a p e ra n a l y z e d a n ds t u d i e dt h en e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g y , a n do b t a i n e ds t a g e a c h i e v e m e n t f k s t ，t h ep a p e re x p o u n d e dc o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi nt h en e t w o r k ， a n a l y z e dt h er e a s o no fn e t w o r kc o n g e s t i o n ，b r o u g h ti nt h er c c m pp r o t o c o l , u s e dt h ec o n t r o lt h e o r yt h o u g h t t h e nc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m t op e r f e c tt h ep r o t o c o li sp u tf o r w a r da n dt h em o d i f i e dc o n g e s t i o nc o n t r o l s c h e d u l ea l g o r i t h mt ot h ep r o t o c o li sa n a l y z e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h er e a l - t i m et r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lp r o t o c o lw a sd i s c u s s e d ； b e s i d e st h et i m ed e l a ye s t i m a t e da n dt h er e a l - t i m ed a t as y n c h r o n i z a t i o nw a s s t u d i e d ，a c c o r d i n gt ot h ed i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e ma c t u a lp r o b l e m ，a n dt h e p a p e rc a r r i e do nt h es i m u l a t e dt e s ta n a l y s i sb yt h em o d e lo ft h et i m ed e l a y e s t i m a t e da n dt h em u l t i m e d i as y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o li nn ss y s t e m t h k d l y ，i nt h en st e s ts y s t e m ，t h ep a p e rc a r r i e do nt h es i m u l a t e dt e s t a n a l y s i st ot h em o d i f i e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dt h ep r o t o c 0 1 t h u st h ep a p e r p r o v e dt h em o d i f i e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dt h ep r o t o c o lc o u l di m p r o v et h e n e t w o r ks i t u a t i o n , a n dp r o v i d e dt h e s a f e g u a r df o r t h er e a l - t i m em e d i a i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nt h en e t w o r k 1 i a b s 仃a c t f i n a l l y ，i nt h i sp a p e r ，an e wi d e aw a si n t r o d u c e dt os o l v et h er e a l - t i m e m e d i ai n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nq u e s t i o ni nt h en e t w o r k ，a n dt h es a m et i m e ，a n e ww a yw a sd e v e l o p e df o rn e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g yr e s e a r c h k e y w o r d sd i s t a n c ee d u c a t i o n ；m e d i ai n f o r m a t i o n ；r e a l - t i m e ；r t p ；r t c p ； v i d e o a u d i o ；c o n g e s t i o nc o n t r o l 1 1 1 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文远程教学系统中实时媒 体信息传输技术的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全 由本人承担。 作者签字 ，醇往 日期：7 裤月，d 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 远程教学系统中实时媒体信息传输技术的研究系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第完成单位及相关人 员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密醋。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 引氡及收 吼w 6 撕旧 导师签名 磐哼唧 日期：加年乒月口目 第1 章绪论 第1 章绪论 随着信息传播技术的迅猛发展，人类现有的教育内容、教育手段和教 育方法等正受到极大的挑战。网络以其丰富的信息资源、友好的交互性能 以及优良的开放性等特点而越来越受到人们的青睐，在网上开展远程教学 己成为现代教育的发展趋势【1 】。 现在，集音频、视频和共享数据于一身的多媒体应用己成为新型应用 的热点。在线远程教学活动中，需要解决两个基本问题：音频、视频流信 息的实时传送以及数据之间的同步，也就是实时媒体信息在网络中传输机 制技术；二是网络拥塞控制策略。本论文所研究的内容正是为了解决这两 个基本问题丽展开的。 奉课题是来自于河北省教育厅下达的科研项目媒体信息传输平台的 构建与实现( z 2 0 0 5 3 0 8 ) 的部分内容：远程教学系统中实时媒体信息传输 技术的研究。 1 1 研究的意义 在“计算机就是网络”的时代，多媒体应用基本上就是网络环境的应 用，随着计算机网络技术和多媒体技术的发展，多媒体应用将变得越来越 丰富，越来越贴近并服务于人们的生活。想象以下情景：如果你坐在家里， 不用出国门就能享受哈佛大学顶尖教授的“面对面”的指导，那是多么美 妙的事情，远程教学就可以帮你实现这一梦想；如果你是某个公司的总裁， 由于碰巧发生了一些意想不到的事情而不能及时现场参加会议，这时你最 想要的大概就是一个视频会议系统。现代科学技术发展的今天，这些都将 可以成为现实。 然而，一个完整地集远程教育、现代教学和会议系统于一体的信息平 台的实现，还有许多需要解决的问题。例如，如何解决不同地理位置的视 音频的延时、网络媒体信息的拥塞控制策略、视频信息的抖变、信息传送 的方式等问题。 燕山大学工学硕士学位论文 在国内外都已不同程度实现了网络教学，师生可以通过校园网，或 i n t e r n e t 完成课程教学、做练习、交作业甚至参加考试等教学环节。然而目 前大多数多媒体教学都只是异地学生通过网络与远程服务器“打交道”，这 种“人与机”的教学模式称作异步多媒体远程教学。真正的“人与人”之 间，也就是学生和教师之间在异地实现“实时交互”的多媒体远程教学， 称之为同步实时远程教学，目前由于受到网络带宽、多媒体数据压缩技术、 q o s 等技术的限制【2 】，还未能真正实现。同样，时至今日，视频会议系统 的效果也不令人满意，除了要用专用网络外，价格当然也不菲。 随着互联网进一步发展，人们已不再满足i n t e r n e t 上的文件传输和w e b 浏览，开始向互联网提出了更高的要求：在互联网上实现多媒体信息的实 时交互。远程教学、视频会议系统都是它的应用，虽然基本上能达到目的， 但是费用极其昂贵，效果未能达到理想状态，经常出现影像扭曲、抖动、 声音与视像无法同步。 多媒体信息的实时传输技术的研究早已是计算机通信技术和多媒体技 术研究的前沿课题。根据实时媒体信息在网络中传输的特点，针对不同的 问题，提出了不同地解决方案，而对网络拥塞控制策略的研究是目前研究 的一个热点。 1 2 国内外研究现状 随着视频会议系统( 技术) 的研究和发展，国外远程教学发展非常迅速， 在国内远程教育尽管是刚刚起步，但发展势头十分迅猛。我国人口数量巨 大，教育资源相对贫乏，而发展远程教育可以充分利用有限的教育资源为 更多国人服务，具有重大的意义，因此，教育主管部门非常重视远程教育 的发展，已经先后确定了两批高校参与远程教育建设试点。可以预见，在 不远的将来，远程教育将会得到更大的发展【3 】。 早在上个世纪九十年代初，如何在i p 网上进行语音的实时传输就是一 个很活跃的研究方向。在1 9 9 2 年3 月，i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) t 4 j 在s a nd i e g o 召开的会议就是实时地把会议语音用多播的方式传到三个洲 的2 0 个地点的参与者那里。这是l p 网上第一次如此大规模的音频多播应用。 第1 苹绪论 而且这次会议不像一般的语音广播，它的远端参与者还能够发言并加入会 议中讨论。这次会议使用的音频传输软件主要是v a t ( v i s u a la u d i ot 0 0 1 ) p j 。 v a t 是i 虫l b n l ( l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 的网络研究小组开 发的个音频会议工具。这个小组还开发了视频传输工具v i e 和白板工具 w b 。该小组在多媒体实时传输方面作了大量的富有成效的研究工作，参 与了很多相关协议的制定。 英国u c l ( u m v e r s i t yc o l l e g el o n d o n ) 的网络与多媒体研究小组也在实 时语音传输、多播会议的控制和同步、多媒体服务器和v o d ( v i d e oo n d e m a n d ) 等方面做了很多的研究。他们开发出来了音频会议工具r a t 、会 话目录工具s d r 等软件f 6 。 在国内，清华大学电子工程系网络研究所多媒体通信课题组也在这个 方面做了大量的研究，并开发出c 0 0 1 a u d i o ，c 0 0 1 v i d e o ，c o o l - m e e t m g 等一系列软件。另外，国内的东南大学计算机系、北京邮电大学电信工程 学院和华中科技大学等科研机构也在这方面进行了大量的研究。 但是不管从发表文章的质量和数量，还是从开发出来的产品水平来说， 国内的研究水平和深度远远落后于国外。设在中国北京的微软亚洲研究所 具有国内甚至世界一流的研究人员和资金支持，现已研发了很多的成果， 有些已被应用于微软的产品中，而且他们在国外著名杂志上发表了很多的 文章。 多媒体信息的实时传输研究在国内外蓬勃的开展着，许多研究成果已 经转化成产品，许多相关的传输协议也被制定，如：r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) 和r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) l7 ”，r t s p ( r e a lt i m e s t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 1 9 1 、s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) i 1 0 1 等等，这些都是构 建当前多媒体实时传输的主要协议，在这些协议中，r t p 和r t c p 协议主要 负责传输多媒体数据以及实现最基本的传输控制，它们也是本文要分析的 协议。 1 3实时媒体信息传输的特点 一个基于r t p r t c p 协议的实时信息传输系统流程图，如图1 - 1 所示。 3 燕山大学工学硕士学位论文 音频或视频实时信息通过采样、信息压缩、封装和打包，经过网络传输， 最后由接收端重组包、解压缩、还原实时信息，从而完成实时信息传输的 整个过程。 图1 - 1基于r t p r t c p 协议实时信息传输系统流程 f i g 1 1f l o wo f r t p r t c p r e a l - t i m ei n f o r m a t i o nt r a n s p o r ts y s t e m 多媒体信息传输研究涉及的内容非常广泛。但以下几项是最关键的技 术：多媒体技术。数据压缩技术，计算机通信技术l i l j 。 尽管数据压缩技术已经取得了长足的进步，但仍需继续完善和补充， 比如分形压缩方法就还有许多值得完善的东西。计算机通信技术是通信技 术和计算机技术的结合物。网络中多媒体信息的传输就是基于此项技术才 能够完成的，网络协议是其中的研究关键点，比如，实时传输r t p 协议， r t s p ( 实时流协议) ，r s v p ( 资源预留协议) 【1 2 1 等等都是实时传输研究的重点 对象。 1 4 课题研究的内容 根据远程教学系统的实际情况，本文就当前研究的热点对拥塞控制策 略进行了相关的分析和研究。概括起来，本文的研究对象与内容主要体现 在以下几个方面。 ( 1 ) 网络拥塞控制策略的分析与研究该部分首先对r c c m p 协议进行 了分析，提出了完善该协议的拥塞控制的调度算法，并对修改调度算法后 的协议进行了分析。 ( 2 ) r t p r t c p 协议的研究该部分在r t p r t c p 协议的基础上，对实 时媒体信息在网络传输中的延时估计和实时数据的同步机制进行了研究， 并采用延时估计和多媒体同步控制模型对延时估计和数据同步进行了测试 分析。 4 第1 章绪论 f 3 1 对该修改后的调度算法及协议进行了相关的仿真测试和分析。 1 5 论文结构 本文由六部分组成。 第1 章是全文的绪论，叙述了本文的研究背景、研究意义、国内外研 究现状、实时信息传输系统特点以及论文研究的内容。 第2 章主要介绍实时媒体信息传输的相关理论基础。 第3 章对网络中拥塞控制策略进行了相关分析与研究。 第4 章主要对实时控制与传输协议，以及延时估计和实时数据的同步 进行了分析和研究。 第5 章对修改后的调度算法及协议进行了相关的仿真测试和分析。 最后是本文的结论，总结了全文的工作，指出了下一步要研究的工作。 燕山人学工学硕士学位论文 第2 章相关的理论基础 多媒体数据是由内容上相关的文本、图形、图像、音频或视频等数据 成份构成的，其最具明显的特点就是数据类型复杂和数据信息量大。实时 多媒体信息除了多媒体本身的基本特点之外，还具有数据传输率高，延时 抖动小、实时交互、同步等重要特性。由于i n t e r n e t 是一个“力求最好” ( b e s t e 肋r t ) 的网络【1 3 】，而且i n t e r n e t 上主机的处理速度和网络带宽各不相 同，工作负载变化不定并且各种应用之间共享资源，不提供任何机制来预 留资源或保证服务质量，可用带宽、服务质量、延迟以及延迟抖动等动态 特征严重影响了网络的实时高效传输，因此解决多媒体信息在网络中传输 技术的问题就成为网络应用研究的课蹶，而网络媒体传输过程中要解决的 问题很多，其中，拥塞控制策略的研究成为现在多媒体技术研究的一个热 点。目前在这个问题的研究主要集中在网络通信协议”4 1 、拥塞控制策略 5 a 6 1 和流媒体技术 1 7 1 等方面的研究。 2 1 网络通信协议 随着i n t e r n e t 及多媒体技术的飞速发展，在i n t e r a c t 上传输的数据越来 越多的是对传输时间有严格限制的多媒体实时数据，多媒体数据的传输往 往要求高带宽、低时延和低抖动。带宽的问题可以通过升级硬件得到一定 程度的解决。但代价太大而且无法满足不断膨胀的多媒体信息量，所以一 定要从“软”的方向去解决问题0 s a 9 。高效的压缩算法是解决问题的一个 方面，目前压缩算法不管是在压缩比还是在压缩效果上都取得了非常大的 进步。但仅靠压缩算法还不足以解决全部的问题，高效的网络传输机制也 是解决多媒体数据实时传输的一个关键【2 0 1 。 当前的i n t e r n e t 网络是建立在t c p i p 基础上的网络。由于建立在t c p 协 议基础上的网络是一个基于“力求最好”( b e s t e f f o r t ) 策略的传输系统，位 于传输层的t c p 提供的是可靠的递送服务，t c p 使用的g o b a c k n 重传机 制，这样的网络的特点就是求“稳”而不求“陕”，这是由于网络建立之初 6 第2 章相关的理论基础 的主要目标是传输文件，而不是大容量的多媒体信息【2 ”。在包丢失率较高 或传输时延很大的场合下，t c p 传输数据的效率极其低下，为保证可靠递 送而使用的重传使得对数据传输的延时和抖动要求更加无法满足，由于 t c p 是面向连接的可靠传输协议，无法满足需求，同时由于t c p 不适于对 可靠性要求不是很高的实时多媒体数据的传输。传输层上的另外一个协议 是u d p 协议，它是面向无连接的协议，在传输大宗量的数据时，效率比t c p 协议高。所以一般基于t c p f i p 的多媒体实时传送采用u d p 协议，但u d p 协 议不能很好地解决i p 网络环境中传输实时数据存在的延时、抖动、包丢失 等问题。 基于此，h s c h u l z r i n n e 等人提出了一种适合于实时信息传输的实时传 输协议( r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ，r t p ) 以及实时传输控制协议( r e a l - t i m e t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l , r t c p ) 来传输实时数据m 】，它们的运行机制很好 的解决了t c p 协议的不足。 2 1 1r t p 协议 r t p 是一个轻量级的协议，它建立在u d p 之上。该协议提供了一种端 到端的强制性同步控制机制，为满足多媒体流内和流间的同步控制需求。 r t p 数据报头部中的序号、时间戳、同步源标识等信息为错误恢复、丢包 率估计、传输复用等手段提供了可能性。目前，r t p 已在许多大公司的产 品中得到了应用。但r t p 本身没有提供任何有关错误恢复、时延控制、抖 动平抑、流量和拥塞控制等操作，这些操作是由应用程序利用r t p 协议提 供的数据信息来实现。 2 1 2r t c p 协议 r t c p 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务。在r t p 会话期间， 各参与者周期性地传送r t c p 包，而且占用较少的通信带宽。r t c p 包中 含有己发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服 务器可以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2 2 1 。 r t p 和r t c p 配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最 7 燕山大学工学硕士学位论文 佳化，因而特别适合传送网上的实时媒体信息。 2 2 r t p r t c p 协议在实时信息传输中的作用 t c p 通过一系列的机制( 重传、滑动窗口等) 有效的保证了数据的可靠 传输，但带来的结果却是不利于海量的多媒体信息传输的不可预测的延迟， r t p 在这种背景下产生，为的就是解决多媒体信息的实时传输产生的问题。 r t p 包头中的时间戳和顺序号是该协议的精华之处，它使得在出现网络拥 塞或延时时，丢弃数据包，而数据的接收方却仍然能够根据时间戳和顺序 号对丢失的或已混乱失序的数据包进行重新组合，使得传输得以延续而不 过会产生过分的延迟。 r t p 协议采用了应用层分帧( a p p l i c a t i o nl e v e lf r a m i n g ，a l f ) 的设计思 剁”，该协议有别于传统的数据传输协议，允许其用户了解、调整甚至制 定连续媒体的打包方案( p a c k e t i z a t i o ns c h e m e ) ，这样虽然r t p 协议本身对 于报文丢失、次序颠倒等数据传输过程中的差错不做任何处理，也不提供 维持实时数据内部时域约束关系的同步机制，而且r t p 协议也不要求底层 网络具有实时数据传输所需的q o s 服务，但由于该协议能够确保具体应用 对于每一个r t p 报文所携带的数据内容有足够的了解，因而使得应用程序 可以根据r t p 报文头中的次序号、时间戳等内容及连续媒体的编码方式的 特点，有效地判断各种差错以及网络流量的变化对于实时数据的传输质量 的影响程度，并在考虑具体应用特点、网络环境等因素的基础上，选用最 为恰当的方法灵活地完成差错控制、同步控制等任务以更好地满足实时应 用的要求。 2 3 拥塞控制策略 随着网络用户的不断增长，网络拥塞也日趋严重。对流媒体信息也产 生两方面的影响。其一由于流媒体应用所消耗的带宽可能对网络造成影响： 另一方面带宽波动也会影响到用户通讯质量口”。用户接收多媒体的质量是 受端对端延时及变化( 抖动) 和包丢失的制约影响。为了抵消这些影响接收 端通常采用一个播出缓冲区和一个丢包恢复机制。然而，这增加多媒体的 8 第2 章相关的理论基础 网络信息量，多媒体传输协议应用应该获得一个拥塞控制机制来确保与 t c p 链接竞争分享网络资源( 链接容量、路由等) 的兼容性，以及一个流控 制能提供与吞吐量相关的多媒体通信的理想q o s t 2 4 1 。基于远程教学的实际 问题，本文引用控制理论思想，对已有的传输协议进行修改其调度算法， 此方案实现一个t c p 1 i k e 的拥塞控制机制通过一个非线性函数控制多重减 少拥塞窗口。 2 3 1 拥塞控制多播协议 随着互联网的发展、流媒体应用的日益丰富，这些面向视音频的应用以 其大数据量、实时性要求高等特性对网络的可用资源提出了巨大的挑战。 本文应用的是可靠的拥塞控制多播协议，拥塞控制是该协议的核心，其中 在一个t c p 1 i k e 样式中的接收者反馈是用来控制一个传输窗e l t 2 5 - 2 7 1 。可扩 缩性问题是一个指数计数器调度，这也用来估计在通信中接收者的数目。 修改后的协议即不需要来自于网络元素的支持，也不需要维持依靠接收者 数目的状态信息。 2 3 2 拥塞控制调度算法 多媒体应用程序如数字图书馆、远程教学、v o d ( 视频点播1 和v c ( 视 讯会议) 正得到广泛的应用。不同于传统文本图像应用程序，端对端的服务 质量是多媒体的应用程序提供必需的声音和视频的无跳动回放。在这时间 临界的应用程序中，实时通信是从服务器传送媒体数据到客户端的最重要 的部份之一 2 耻3 0 】。现代网络环境是开放的和不可预知的。在考虑性能价格 比之下，通过各种申请达到统计的多倍增益的公众主干网络的带宽被共享。 在工作量和资源需求中，引入相当多的不定性，为保证高效地通信，实时 协议和实时网络是必需的。 本文中主要是对拥塞控制多播协议的调度算法进行了修改，用来解决 实时媒体信息通信的问题。注意到调度程序在操作系统中通常是内嵌在内 核空间中，调度程序应用于c p u ，缓存存储器和磁盘中以达到全面的最优 性能。该修改后的调度算法能容忍不同系统的状态而提供可靠的多媒体实 燕山大学工学硕士学位论文 时通信以及回放质量。 2 4 流媒体技术 所谓流( s t r e a m i n g ) ，也称“流式”或“串流”，是一种传输数据信息的 方式口”。流式传输表示声音、影响或动画等媒体由视音频向用户计算机的 连续、实时传送。由于数据在发送过程中几乎即时开始播放，因此解决了 多媒体播放时数据下载过程中时间延迟问题。从广义上讲，流技术是使音 频和视频形成稳定和连续的传输流和回放流的一系列技术、方法和协议的 总称。 所谓流媒体，是指在i n t e r n e t i n t r a n e t 中使用流式传输技术的连续媒体， 例如音频、视频或其他多媒体文件 3 2 , 3 3 】。流媒体实现的关键技术是流式传 输。流媒体传输技术是一种基于时间的连续实时传输技术，其关键在于网 络数据传输和客户端播放的并行性。 远程教学的网络环境中，利用流媒体传输多媒体文件有如下优点9 2 1 。 ( 1 1 实时传输和实时播放流式多媒体可以使用户可以立即播放音频 和视频信号，无须等待文件传输结束，这对获取存储在服务器上的流式音 频、视频文件，现场回放音频和视频流都具有十分重要的意义。 ( 2 ) 节省存储空间 采用流媒体技术，可以节省客户端的大量存储空 间，不需要把所需要的信息存储在客户端，而在客户端只需由播放器对流 式音、视频信息进行回放即可。 ( 3 ) 信息数据量较小现场流都比原始信息的数据量要小，并且用户不 必将所有下载的数据都同时存储在本地存储器上，可以边下载边回放，从 而不仅节省了大量的磁盘空间，而且也不占用很高的带宽，减少网络的负 载，节省资源。 2 4 1流式传输 在采用流式传输的系统中，多媒体数据文件不是一次读取、发送所有 的数据，而是首先在网络中发送音频或视频剪辑的一部分数据。在一部分 开始播放的同时，数据的其余部分源源不断地流出，及时到达目的地以供 1 0 第2 章相关的理论基础 播放。为保证在阻塞造成网络速度下降的情况下播放不会发生中断，播放 器在开始播放前先采集一小部分所谓“缓冲”的预备数据。如果数据流动 速度保持足够快的话，播放是连续的。无论文件长3 0 秒还是长3 0 分钟， 用户只用在观看文件前等上几秒钟生成这个缓冲数据即可。流式传输不仅 使多媒体播放的启动延时成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容 量。流媒体实现的关键技术就是流式传输1 3 4 i 。 流式传输定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒体( 如视频、音频) 的技术总称。实现流式传输有两种方法：实时流式传输( r e a l t i m es t r e a m i n g ) 和顺式流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 。一般来说，如视频为实时广播， 或使用流式传输媒体服务器，或应用如r t s p 的实时协议，即为实时流式 传输。 ( 1 ) 顺序流式传输顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户 可观看在线媒体，在给定时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳 到还未下载的部分，顺序流式传输和实时流式传输不同，在传输期间不会 根据用户的连续速度做调整。顺序流式传输比较适合高质量的短片段，如 片头、片尾和广告，由于该文件在播放前的部分是无损下载的，这种方法 保证了视频播放的最终质量。顺序流式文件放在标准的h t t p 或f t p 服务 器上，易于管理。 ( 2 ) 实时流式传输远程播放系统中的实时授课的功能就要用到实时 流式传输。实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可 被实时观看到。实时流与h t t p 流传输方式不同，它需要专用的流媒体服 务器与传输协议。实时流式传输一般是实时传送，特别适合现场事件，如 现场转播、实时授课等。理论上，实时流一经播放就可不停止，但实际上， 如果带宽不够则可能发生暂停。 实时流式传输还需要特殊的网络协议，在远程教学系统中要用到这些 协议，如实时传输协议r t p ，实时传输控制协议r t c p ，实时流协议r t s p 及常用的应用层协议h t t p 等。r t p 是针对网络上传输多媒体数据流的传 输协议，适用于在一对一或一对多的传输情况下工作，可以提供时间信息 并实现流同步；实时传输控制协议r t c p 和r 1 p 配合工作，提供流量控制 l l 燕山大学工学硕士学位论文 和拥塞控制；r t s p 是由r e a ln e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的口5 1 ，r t s p 定义了一对多应用程序如何应用1 p 网络传输多媒体数据，r t s p 在协议体 系结构上位于r t p 和r t c p 之上【3 6 】，与h t t p 相比，r t s p 是双向的，使 用r t s p 时，客户端和服务器都可以发出请求。 2 4 2 传输原理 在流式传输的实现方案中，一般采用h t t p t c p 协议来传输控制信息， 而用r t p u d p 来传输实时声音数据。流式传输的过程一般是这样的【3 7 1 ： 用户选择某一流媒体服务后，w e b 浏览器与w e b 服务器之间使用 h t t p t c p 交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索 出来；然后客户机上的w e b 浏览器启动a ，vh e l p e r 程序，使用h t t p 从 w e b 服务器检索相关参数对h e l p e r 程序初始化。a vh e p e r 程序及音、视 频( w ) 服务器运行r t s p ，以交换a v 传输所需要的控制信息【3 8 枷l 。a v 服务器使用r t p u d p 协议将a v 数据传输给客户程序，一旦a v 数据抵 达客户端，客户程序即可播放输出。实现流式传输一般都需要专用服务器 和播放器，其基本过程如图2 1 所示，可以看出，在流媒体服务器和流媒 体播放器之间是由控制信息来完成数据流r t p u d p 的传输，这主要是为 了保证在播放器中数据的顺畅。 图2 - 1 流式传输基本原理 f i g 2 - 1b a s i cv i n c i p l eo fs t r e a m i n g 扛a n s m i t 需要说明的是，在流式传输中，使用r t p u d p 和r t s p t c p 两种不同 1 2 第2 章相关的理论基础 的通信协议与a f v 服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向到 一个不同于a h e l p e r 程序所在客户机的目的地址。 2 5n s 系统 对于协议的优化和改进常常需对其进行性能测试和评价，一般有两种 方法：构建测试床在实际网络环境中进行测试；或者就是在仿真环境下测 试。在实际环境下测试往往由于测试床的构造过于复杂或造价过高，并且 对于大规模的测试几乎是不可能的，而且其测试结果往往难于重视，因而 一般将其作为辅助手段。仿真软件由于其可控制性、可重现性、可扩展性 等优点而在网络研究界得到广泛的应用【4 l 】。 目前使用最广泛的仿真软件n s 是由伯克利实验室研制开发的，n s 全 称是n e t w o r k s i m u l a t o r ，现用的版本为v 2 ，它是一个离散事件驱动的网络 环境模拟器，开发于u cb e r k e l e y ，它可以模拟各种i p 网络环境，它的源 代码完全公开，并提供了开放的用户接口，使之成为可扩展、可编程的网 络仿真平台【4 。 n s 采用了开放的体系结构，允许将实际网络流量导入到网络仿真环 境，支持的协议基本上包括了t c p i p 协议域的所有协议：t c p 、u d p 、r t p 、 m u l t i c a s t 、无线、移动等，在某种程度上起到了类似测试床的作用，从而 可以在一个接近真实的环境中测试协议的性能。 n s 所用的仿真语言是t c l ( t o o l c o m m a n d l a n g u a g e ) 语言的一个扩展， t c l 语言是一个简单的脚本语言，它有解释器可与任何c + + 、o t c l 语言相 链接，以满足仿真的特殊需要，t c l 最强大的功能是它的工具包，该工具 包可以让用户开发具有图形用户界面的脚本【4 ”。利用n s 命令编写脚本来 定义网络拓扑结构、配置网络信息流量的产生和接收以及收集统计信息。 软件配有仿真过程动态观察器，可以在仿真运行结束后，动态查看仿真的 运行过程，观察跟踪数据。软件还有图形显示器，显示从仿真中得到的结 果数据，直观而清晰。 本文对于所提出的修改算法及修改后的协议性能、延时估计及实时数 据同步机制都利用n s 系统进行了局域网内的仿真测试，该仿真测试是网 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 络性能分析的关键。 2 6 本章小结 本章主要介绍了实时媒体信息传输系统实现的理论基础，包括网络通 信协议、网络拥塞控制策略、流媒体技术，并介绍了n s 仿真测试系统。 1 4 第3 章网络中拥塞控制技术的研究 第3 章网络中拥塞控制技术的研究 随着网络规模的不断扩大以及多媒体技术的不断发展，互联网在过去 的十几年经历了爆炸式的增长，已经从一个提供单一数据传输的实体变成 一个能提供音频、视频等多种业务的传输环境。由于网络中不同的数据流 在路由器处交汇，因而给网络的路由节点造成很大的负担，越来越严重的 拥塞问题逐渐暴露出来。当网络中存在过多的报文时，网络的性能会下降， 这种现象称为拥塞。拥塞容易造成延迟、吞吐量等性能指标下降，是影响 带宽、缓存等网络资源利用率的关键因素，也影响i n t e m e t 鲁棒性的关键 因素。在远程教学中，视频和音频的网络传输直接关系到教学效果，因此 有效解决拥塞问题对于提高网络性能具有非常重要的意义。 3 1 网络产生拥塞的原因 当大量数据涌入网络节点( 交换机、路由器等) 时，因为网络节点没有 足够的缓冲区而造成网络节点被大量数据“淹没”，这种情况叫做拥塞【4 5 1 ， 该症状的描述如图3 - 1 所示。 囊 套 嚣 倒 掣 完美的 子网的最大传输容量 每理焉塞的 v 发送的分组 图3 - 1 拥塞示例图 f i g 3 - 1s k e t c hm a po f c o n g e s t i o n 当主机转储到通信子网中的分组数量在其传输容量之内时，它们将全 部传达目的地( 除了因传输错误而不能正确发送的少数分组外) ，且收到的 数量与发送的数量成比例。然而，当通信量增加太快时，路由器不在能够 应付，开始丢失分组，并会导致情况恶化。在通信量非常高的情况下，网 1s 燕山大学工学硕士学位论文 络完全瘫痪，几乎没有分组能够传送。所以，可以看出，互联网产生拥塞 的根本原因在于需求大于供给，即发送端提供的负载大于网络资源容量和 处理能力，表现为数据包延时增加、丢弃概率增大、上层应用系统性能下 降等。 网络拥塞包括瞬时拥塞和长期拥塞。瞬时拥塞主要是由流量的突发造 成，网络节点应该允许其存在；对于长期拥塞，应该进行控制。网络的拥 塞产生的原因众多，但拥塞产生的直接原因有以下几点。 ( 1 ) 存储空间不足几个输入数据流共同需要同一个输出端口，在这个 端口就会建立排队。如果没有足够的存储空间，则数据包就会丢弃，对突 发数据流更是如此。增加存储空间在某种程度上可以缓解这一矛盾，但如 果路由器有无限存储量时拥塞只会变得更坏，而不是更好，因为在网络里 数据包经过长时间排队完成转发时，它们早己超时，而原发送端却认为它 们没有被丢弃，这些数据包还会继续向下一路由器转发，从而浪费网络资 源，加重网络拥塞。 ( 2 ) 带宽容量不足网络中低速链路对高速数据流的输入也会产生拥 塞。根据香农( s h a n n o n ) 信息理论【46 1 ，任何信道带宽的最大值既信道容量 c = h x l o g ：( 1 + 剐n ) ，其中，h 为信道带宽，为信道噪声的平均功率， s 为信源的平均功率，所有信源发送的速率月必须小于或等于信道容量c 。 如果r c ，则理论上无差错传输是不可能的，所以在网络低速链路处就 会形成带瓶颈，当其满足不了通过它的所有源端带宽需求时，网络就会发 生拥塞。 ( 3 ) 处理器处理能力不足速度慢也能引起拥塞，如果路由器的c p u 在执行排队缓存、更新路由表等功能时，处理速度跟不上高速链路也会产 生拥塞，同样，低速链路对高速c p u 也会产生拥塞。 ( 4 ) 网络节点处理能力低网络节点接收到分组后需要进行一些必要 的转发处理。如封装和解封装、分组头检查、数据效验、查找路由等，同 时还要处理一些网络信息和路由信息。当网络节点没有足够的能力处理到 达的分组时，就不得不丢弃分组造成网络拥塞。目前广泛研究的吉比特路 由器和交换机( 如c i s c o 的1 2 0 0 系列路由器) 暂时可以解决网络节点处理能 1 6 第3 章网络中拥塞控制技术的研究 力低的问题。 3 2 实时媒体通信的拥塞控制策略 根据网络中拥塞产生的原因可知，要避免拥塞的发生，需对以上几点 原因综合考虑。例如，低速链路对高速c p u 也会产生拥塞；提高链路速率 而不改变处理器，只会转移网络瓶颈，而不能避免拥塞。为了能够实现拥 塞控制