（计算机软件与理论专业论文）基于ip网络的自适应qos保证研究.pdf

中国科 技大 学博少 学位论文摘贾 了一种具有终值预报的时延抖动自适应控制算法。该算法除了自动整定时延抖动的 于 值以 外， 也会n 动调整数 据发 送 速率、 峰值带宽等q o s 参数。 ( 4 )提出了 一 种缓冲区白 适应设置模型 恤 源 管 理 的 前 提 是 以 保 证 q o s 为 前 提 的 。 关 于 资 源 管 理 ， 本 文 重 点 研 究 了 基 于 ，p 网络的缓冲区资源管理，提出一种基于 i p的提高音频质量的接受区缓冲区模型，并 应 用p e t r i 网 描 述 和 分 析; 研究 了 缪 冲区自 适 应 控制 方 法， 提出一 种自 适 应 控 制 的 动 态设置缓冲区算法，并且设计了一个模拟程序，结果表明该方法在提高声音的平滑 度上有很强的效果。该方法也相似地可应用到对视频信号的平滑上。 ( 5 )实现了一种基于i p 网 络的多媒体会议系统 介了 进 行 基 于 ip 网 络 的 自 适 应 q o s 实 验 ， 实 现 了 一 种 桌 面 多 媒 体 会 议 系 统 g u t . 以g u t为实验平台， 我们进行了 优先级调 度、 q o s 映射、 q o s 协商、 q o s 接入、 传 输过程q o s自 适应整定和缓冲区自 适应设置等实验。 编程基于w i n d o w s s o c k e t 2 和 g q o s ，实验数据收集在以 太网 上进行。 实验数据表明可以正确反映网 络拥塞状况， 并作出调整q o s 和改 变缓冲区 大小的 控制决 策， 提高了i p网 络上分布式多媒 体的 服 务 质 量 a l- 1 , 又 / 关键词:服务质量，i p 向 络 ， 自 适 应 控 制 ， 区 芬 服 务 ， 集 成 服 务 ， 分 布 式 多 媒 体 ， 资 源 算 理 中1 1科技 尺 学m 1 i 位论 文w ab s t r a c t a t p r e s e n t , a p p l ic a t i o n s o f r e a l - t i m e a u d i o a n d v i d e o m u l t i m e d i a h a v e c o m e i n t o t h e i p n e t w o r k , b u t s o f a r m a n y p r o b l e m s h a v e n o t b e e n s o l v e d y e t . o n e o f t h e p r o b l e m s is t h e q o s m a n a g e m e n t o f m u l t i m e d i a s e r v i c e s . b e c a u s e t c p / i p p r o t o c o l p r o v i d e s o n l y s e r v i c e s o n b e s t - e ff o rt le v e l, l a c k i n g o f q o s s u p p o r t i n g , b e s t - e ff o r t s e r v ic e a l w a y s c a u s e s l a t e n c y j i tt e r in g , h i g h p a c k e t l o s s i n r e a l - t i m e m u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s , th u s g r e a t l y a ff e c t i n g t h e q u a l it y o f r e a l - t im e a p p l ic a t i o n s . s o i t i s n e c e s s a ry t o s t u d y t h e f e a s i b l e a n d h i g h l y e ff e c t i v e q o s m a n a g e m e n t m e c h a n i s m w h i c h i s b a s e d o n i p n e t w o r k . i p q o s h a s b e c o m e o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t a n d m o s t d i f f i c u l t r e s e a r c h s u b j e c t s i n d i s t r i b u t e d m u lt i m e d i a a p p l i c a t i o n s a n d n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n t h e a d v a n t a g e o f a d a p t i v e q o s m a n a g e m e n t i s v e ry o b r i o u s . i t c a n r a i s e t h e u t i l i z a t i o n r a t e o f n e t w o r k s . w e a p p l y t h e a d a p t i v e q o s t o t h e i p n e t w o r k . o u r p r o j e c t i s f o c u s e d o n t h e i p n e t w o r k a r c h i t e c t u r e w i t h a d a p t i v e q o s g u a r a n t e e , a d a p t i v e q o s n e g o t i a t i o n m e c h a n i s m a n d a d m i s s i o n c o n t r o l , q o s t r a n s m i tt i n g c o n t r o l m o d e l , a n d a d a p t i v e b u ff e r s a r r a n g e m e n t . w e a l s o m a d e a s e r i e s o f e x p e r i m e n t s o n a d a p t i v e q o s b a s e d o n a t e s t i n g p l a t f o r m g u t , w h i c h i s a m u lt i m e d i a c o n f e r e n c i n g s y s t e m d e v e l o p e d b y u s . t h e ma i n c o n t r i b u t i o n s o f t h i s t h e s i s c a n b e s u mma r i z e d a s f o l l o w s : ( 1 ) p u tt i n g f o r w a r d a n e t w o r k a r c h i t e c t u r e o f e n d - t o - e n d a d a p t i v e q o s b a s e d o n di f s e r v a n d i n t s e r v . a ft e r s t u d y in g a n d a n a l y z i n g t h e q o s a r c h it e c t u r e m o d e l s , a n d o n t h e b a s i s o f t h e c o m b i n i n g m o d e l o f i n t e g r a t e d s e r v i c e s ( i n t s e r v ) a n d d i ff e r e n t i a t e d s e r v i c e s ( d i ff s e r v ) o f i e t f , t h e t h e s i s p u t s f o r w a r d a n a d a p t i v e q o s m a n a g e m e n t fr a m e w o r k , w h i c h f i t s t o i p n e t w o r k . a n d t h e t h e s i s a l s o p r o p o s e s t h e m e t h o d s o f q o s g u a r a n t e e b o t h o n t h e e d g e r o u t e r a n d i n t e r io r r o u t e r o f d i f fs e r v . b y a d o p t i n g m u lt i m e d i a p r i o r i t y s e s s i o n , t h e t h e s i s p r o p o s e s a s o ft w a r e i m p l e m e n t a t i o n f r a m e w o r k o f a d a p t i v e q o s g u a r a n t e e b a s e d o n i p . ( 2 ) p u tt i n g f o r w a r d a n a d a p t i v e q o s n e g o t i a t i o n a n d a d m i s s i o n m e c h a n i s m . t h e t h e s is a t f ir s t d i s c u s s e s t h e b a s i c c o n c e p t s a n d f u n c t i o n s , s u c h a s t h e m u l t i m e d i a p r i o r i t y s e s s i o n , a d a p t a b i l i t y f u n c t i o n , c a l l a d m i s s i o n f u n c t i o n , a n d r e s o u r c e m a n a g e m e n t f u n c t i o n , a n d t h e n p r o p o s e a p r io r it y s c h e d u l e a n d a d a p t i v e q o s a d m i s s i o n fl o w b a s e d o n m u lt i m e d i a p r io r i t y s e s s i o n . t h e a d a p t i v e q o s n e g o t i a t i o n m e c h a n i s m r e l i e s o n r e s o u r c e r e s e r v a t io n p r o t o c o l 万 r s v p ) , c a r r ie s o u t q o s m a p p i n g , s ta rt s th e a d a p ta b il it y fu n c t i o n w h i l e q o s r e q u e s t in g , s t a rt s t h e r e s o u r c e m a n a g e m e n t f u n c t io n w h i l e q o s a c c e p t i n g , a n d c o n t i n u e s t o n e g o t i a t e b e t w e e n b o t h s i d e s u n t i l a g r o u p o f q o s v a l u e s h a v e b e e n a c h i e v e d . a n d t h e q o s m a n a g e m e n t m e c h a n i s m s e ff e c t i v e n e s s h a s b e e n d i s c u s s e d i n t h e t h e s i s . ( 3 ) p u t t i n g f o r w a r d a t r a n s m i t t i n g p r o c e d u r e a d a p t iv e q o s c o n t r o l m o d e l i n t h e a d a p t iv e q o s c o n t r o l l in g p r o c e d u r e a d a p t i v e l y s h a p i n g t h e q o s v a l u e s i s th e i n 中国科技人学博 i 学位论文摘r k e y o f a l g o r i t h m . t h e t h e s i s a n a l y z e s t h e m a i n f a c t o r s w h i c h e ff e c t t h e q o s o f a u d i o a n d v i d e o m e s s a g e w h e n t h e y a r e t r a n s m i t t i n g a n d s t u d i e s t h e b a s i c m e t h o d s o f a d a p t i v e c o n t r o l a n d t h e a d a p t i v e q o s c o n t r o l m o d e l o f t r a n s m i tt in g p r o c e d u r e . t h e t h e s is p r o p o s e s a l a t e n c y j i t t e r i n g a d a p t i v e c o n t r o l l i n g a l g o r i t h m w i t h t h e e n d - v a l u e f o r e c a s t i n g f u n c t i o n . b e s i d e s a u t o m a t i c a l l y a d j u s t i n g t h e l a t e n c y j i tt e r i n g v a l u e , t h e a lg o r i t h m c a n a l s o a u t o m a t i c a l ly a d j u s t t h e v a l u e o f t o k b n r a t e , p e a k b a n d w i d t h a n d o t h e r q o s v a lu e s . ( 4 ) p u tt i n g f o r w a r d a n a d a p t i v e b u ff e r m a n a g e m e n t m o d e l . r e s o u r c e m a n a g e m e n t i s t h e p r e m i s e o f q o s g u a r a n t e e . c o n c e rn i n g t h e r e s o u r c e m a n a g e m e n t , t h e t h e s i s m a i n l y s t u d i e s t h e i p - b a s e d b u ff e r m a n a g e m e n t , p r o p o s e s a r e c e i v e - b u ff e r m o d e l t o i m p r o v e t h e a u d i o q o s b as e d i p n e t w o r k , a n d a n a l y z e s i t 场 a p e t r i - n e t m o d e l . t h e t h e s i s p u t s f o r w a r d a n a d a p t i v e b u ff e r s - s e tt i n g a l g o r i t h m , d e s ig n s a s i m u l a t i o n p r o g r a m . t h e re s u l t s o f t h e s i m u l a t i v e e x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h e m o d e l i s v e r y u s e f u l i n e n h a n c i n g t h e q o s o f a u d i o . a l t h o u g h t h i s m o d e l i s i n i t ia l ly f o c u s e d o n t h e q o s f o r a u d i o , i t s h o u l d a l s o b e a p p l i c a b l e t o t h e v i d e o i n t h e n e x t s t e p . ( 5 ) i m p l e m e n t a t io n o f a d e s k t o p m u l t i m e d i a c o n f e r e n c i n g s y s t e m b a s e d . w e h a v e d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d a d e s k t o p m u lt i m e d i a c o n f e r e n c i n g s y s t e m g u t , w h i c h p r o v id e s a n e x p e r i m e n t p l a t f o r m f o r q o s m a n a g e m e n t . m e a n w h i l e , w e h a v e i m p r o v e d a n d u p g r a d e d t h e v e r s i o n o f g u t b y a p p l y i n g t h e a c h i e v e m e n t s o f t h i s p r o j e c t . o n t h e e x p e r im e n t p la t f o r m , w e h a v e m a d e a s e r i e s o f e x p e r im e n t s a b o u t p r i o r i t y s c h e d u l e , q o s m a p p i n g , a d a p t i v e q o s n e g o t i a t i o n , a d a p t i v e q o s a d m i s s io n , q o s a d a p t i v e a d j u s t a n d b u ff e r s a rr a n g e m e n t . t h e e x p e r i m e n t p r o g r a m s a r e i m p l e m e n t e d o n wi n d o w s s c o c k e t 2 a n d g q o s , t h e e x p e r i m e n t d a t a a re c o l l e c t e d e x p e r i m e n t s s h o w e d t h a t b y a p p l ic a t i o n o f 。 仆。r e s u l t s o f t h e r e me n t c a n b e a d j u s t e d a d a p t i v e l y w h e n t h e n e t w o r k c h a n g e d k e y w o r d s : q u a l it y o f s e r v i c e ( q o s ) , i p n e t w o r k , a d a p t i v e c o n t r o l , d i f s e r v , i m s e r v , d i s t r i b u t e d m u l t i m e d i a s y s t e m , r e s o u r c e m a n a g e m e n t w 弟带结论 第一章绪 论 11 前i p网正发生深刻变化，i p网上分布式多媒体系统己获得了极大的应用。但 是i n t e r n e t 上 的主要协议是丁 c p / i p协议，只提供所谓 b e s t - e ff o rt ” 级别的服务， 其 主要思想是当有用户提出服务请求时，网络不会拒绝用户的服务请求。但是，服务 的质量要依据当时网络的状况而定，报文的丢失率、出错率和延迟是不能保证的。 对于传统的数据传输， b e s t - e ff o rt ”的服务是足够了，但实时音频、视频等多媒体应 用有其不同于传统的数据通信的特点，主要表现为:( 1 )交互性、( 2 )实时性、( 3 ) 突发性和 ( 4 )数据量大。因此，t c p / i p协议的 “ b e s t - e ff o rt ” 服务往往导致实时应 用出现延迟抖动、分组丢失率高，从而极大地影响了实时应用的运行效果。尽管目 前网络基础设施的建设情况在不断提高，但网络可提供带宽对于近似于无限的用户 带宽需求总是不够用的，不能适应日益增长的实时多媒体应用的需要。因此必须研 究可行的、高效的 基于丁 c p / i p协议的q o s接入 控制和q o s管理方案， 能依据网络 当前 状态动态地调整多媒体实时应用的q o s需求，山 网络提供相应的 服务。基于i p 网 络的q o s 问题己 成为当前分布式多媒休应用与网络通信的热点研究和难点课题。 本章首 先简要介绍q o s的概念，从分布式多 媒体应用和网 络发展的 需要论述了 研究q o s保证的 意义，分析了 提出自 适应 q o s保证研究的原因。 然后重要针对 1 p 网 络讨论q o s 技术 进展，分析国内 外q o s 研究现状。 最后介绍本文工作的背景、主 要工作以及本文的组织结构。 川q o s 研究意义 i p 服务 质量 ( i p q u a l i t y o f s e r v i c e )是伴随分布式多 媒体系统和i n t e r n e t 网 络的 发展而提出和不断发展的。 、便利的信息传输手段。 i n t e rn e t 在全球范围的出 现和迅猛发展使得人们获得了快 随着网络传输信息内容的不断变化，特别是对于多媒体 、视频信息的需求不断增加，些新的网络技术如 v o w, i p组播、 捷众曰 i1,?i j z 而生。这些应用往往要求对特定的数据包进行特殊的处理，然而， 共享协作等 当前的因特 网提供的是尽吊做4 ( b e s t e ff o rt ) 服务，不能保证 q o s ，没有对数据流进行分类或标 记优先级等机制这 i 传输时，没有f 王 何带宽 要是由于传统的 i n t e r n e t 基于丁 c p / i p协议，数据包在网络中 、延迟等方面的保阶，如有差错则重传数据包。 路山 器也 没有 提供对数据流分 类传输和动态拥塞控制等 q o s保证机制。 另外，核心 这对 于 传统 第一章绪论 的h t t p , f t p , e - m a i l 等应用是 足够的， 但是却不 适合多媒体数据的传输。 i p q o s 概念的出 现使得这种局面得以 改 变。 近年来， i p q o s 正 在展示其巨大的 商业潜力，使得基于 i p的高速传输、服务质量保证等研究方向倍受关注，i n t e me t 2 正是适应这样的要求而提出的。i p q o s是分布式多媒体系统的关键技术，也是下一 代网络急需解决的问题。 本节首先简要介绍 q o s概念，然后从分布式多媒体和网络 发 展 的 需 要 讨 论 研究q o s 保 证的 意 只， 最 后 论 述 提出自 适应q o s 保证的 原因 和意 义。 1 . 1 . 1什么是 q o s ? q o s 至今还没有严格的定义，c c i t t曾 给q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e )一个简明 的定义: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。 在网 络环境中， q o s是一组服务需求，网络必须满足这些需求a 能确保适当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。 i p q o s 可以 根据以 下可 度量的 参 数 来描 述【 1 - 2 1 : . 业务可用性用户业务在网络传输的可靠性。 . 延迟 亦称为时延 ( l a t e n c y ) ，指两个参照点之间发送和接收数据包的时 间间隔。 . 可变延迟 亦称为抖动 ( j i tt e r ) ， 指在同 一条路由上发送的一组数据流中 数据包之间的时间差异。 . 吞吐量网络中发送数据包的 速率;可用平均速率或峰值速率表示。 . 丢包率在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率;数据包丢失一 般是由网络拥塞引起的。 . 优先级该参数为用户提供了一种用来表明哪些连接更为重要的方法。 当发生拥塞事件时，确保高优先级的连接比较低优先级的连接优先获得服 务。 这些服务参数是用户在请求建立连接时设定的。如果系统通过检查参数发现其 中的一些值是无法达到的，会直接通知用户连接请求失败。 q o s的实施可以 使实时 程序最有效地使用网络带宽。由于它可以确保某个保证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 . 1 . 2分布式多媒体应用的需要 随着多媒体技术和网络技术的迅猛发展，分布式系统已不再是简单地传送一些 静止的图片或文本了，而是要传送实时的多媒体信息，对计算机网络的性能也越来 第一 i l l 绪论 越高 对分布式多媒体系统比较正式的定义如下 :一个分布式多媒体系统是一个集 成了通信、计算及信息的系统，它对同步信息的处理、v理、传播、表示的实现其 有服务质量 ( q o s )保证il l 。分布式多媒体系统的主要特征是:i )多媒体综合性 ( m u lt i m e d i a i n t e g r a t i o n ) , 2 )运行 实时 性( r e a l t i m e r u n ) , 3 ) 操作交互性( o p e r a t io n i n t e r a c t i v e ) ,资源分散性 ( r e s o u r c e d e c e n t r a l i z a t i o n )和 5 )系统透明性( s y s t e m t r a n s p a r e n c y ) . 目前分布式多媒体系统已得到极大的应用，例如视频点播 ( v o d ) 、电子商务、 多媒体会议系统、网络教育、远程医疗等。但是，应该看到这门学科是一门新兴学 科，仍存在大量问题急待解决。其中一个关键问题就是分布式多媒体通信的服务质 量 ( q o s )问 题。 在分 布式多 媒体系 统中， 用 户一 般 都要 求有一定 程度的 服务 质量q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) .要求对网 络带宽、吞吐量、端到端延迟、端到端延迟抖动、分组出 错率等 q o s参 数有相 应的 保证， 因 此 对分 布 式多 媒体系统来说需要有 一定的q o s 管 理 来 满 足用户的需求。不同的媒体对网络的需求不同，例如在视频会议系统中，对端到端 的延迟要求相当严格，一般要求在 2 5 0 m s以下，视频信号和音频信号对带宽需求差 别也很大。如一个电 话质量的 音频信号只需6 4 k b p s的带宽， 但经过压缩的活动图 象 要求的带宽在2 - 1 0 0 m b p s 。 表1 . 1 是几种媒体对网络传输的典型要求。 表卜 不同 媒体对通信网的 要求 最 大 时延 ( s) 最大时延 抖动 ( m s ) 平均吞吐童 ( mb i t s / s ) 可接受的误 码率 可接受的误分 组率 语音 0 . 2 51 00 . 0 6 4 1 0 - 1 1 0 - 1 活动图像 0 . 2 51 01 0 0 1 0 - z 1 0 - 1 压缩活动图像 0.2 31 2 - 1 0 0 1 0 1 0 9 数据文件传送 1 2- 1 0 0 00 实时数据 0 . 0 0 1 - 11 0 00 静1 卜 图像 1 2 - 1 0 1 0 4 1 0 . e 综上所述，由于分布式多媒体系统的实时性，每种应用都有自己 特定的 q o s要 求，低于一定的阀值就回导致系统不可用性 ( 例如，画面抖动、图象错位、声音颤 抖不清等) 。可以说，q o s是一个分布式多媒体系统能否从理论和实验走向市场化、 产品化的关键因素。 只,甲: ( t 匕 一-一一一-一- -一一一一. . -一 一-一一_ 飞 . 3 i p网络发展的需要 ( 1 )现有 i ii 网络应用 i 勺 而要 分布式多媒体对网络提出了新的要求，因为分布式多媒体通常需要足够的带宽 和i 格的h i 延、 时延抖动需 求。 但是 现有的网络对 q o s概念的支 持还t l: 较弱。多 数 网络丛然允许 用户说 明其 对q o s 的要求， 但足通常j 3 不保证 满足用户的q o s 要求。 例如， i p 协议只允许用户通过i p 分组头部中的服务类型进行简单的定性q o s 说明( 如 优先级等) ， 而不能 严格地对q o s 进行定w . 说明。并且下层机制也不 提供q o s 保证。 传统的 i n t e r n e t不提供 q o s保证，它们都通常提供 “ b e s t - e f f o r t ” 级别的服 务，即尽最大的努力来满足多媒体通信的需求，当网络上的多媒体应用越来越多的 时候，网络传输的延迟，画面的抖动，声音的不连续、音频和视频的不同步等就会 非常严重，甚至到了 无法容忍的地步。因此，必须研究现有网络上多媒体通信的q o s 保证。 ( 2 )未来的1 p 网络的需要 a t m技术的出 现使得在主干网的 q o s保障问题得以较好地解决，但是由于其高 复杂性、高投入、面向连接以及非主干网 a t m接入等问题。已逐渐让位于更高速度 且容易升级的千兆以太网和全光纤网络。 近年来，随着网络技术的飞速发展，各种宽带高速网络不断出现。千兆以太网 和个光r 连网的推出， 密集波分复用技术 ( d w d m ) 和宽带码分多址复用技术( w - c d m a ) 的应用带动网络带宽向 g比 特. r比 特发展。新一代宽带 i p网络建立在当前最先进 的网络传输技术的基础上。线速路山交换机与密集波分复用技术结合产生 i p优化光 学网络，在单摸光 纤卜 传 送速度可 达 1 6 0 g b p s .由于省去s d h和a t m设备 ， 用它 h : 做必节i p 骨于网可以降低成本9 5 %以l .典型技术有i p o v e r a t m. i p o v e r s d h 和i 1 o x e r r d m等 i p o v e r a t m融合了i p 和a t m技术特点，发 挥a t m支持多 业 务、提洪q o s( 服务质量保证) 的技术优势。i p o v e r s d h直接在s d h上传 送i p 业 务，利i p 业务提供了完善支持，提高了效率而1 p o v e r wd m，采用高速线速路由 交换机设备和d wd m ( 密集波分复用) 技术，极大地提高了网络带宽，对不同码率、 数据帧洛式的业务提供全面支持。 未来的宽带i p网络将以i p优化光学网络为骨干网。 i p网络的迅猛发展带来了 分布式多媒体应用的蓬勃发展之势，为分布式多媒体 系统提供的更多的发展空间，带动了越来越多的多媒体应用产生和发展。但是，网 络带宽的增加并不意味着多媒体传输问题的根木解决事实 l ，单纯带宽的提高已 经尤法满足人们对分布式多媒体应用的h 益增长的需要。所以，q o s保证的研究也 是未来网络研究的关键课题之 一 。例如在 i n t e r n e t 2当中， 工 g t f提出了 d i f f s e r v 第一帝绪论 服务模型，它正是针对传统因特网q o s 保证的特点和不足而设计的。 1 . 1 . 4自适应q o s 的提出 对多媒体q o s的管理还要求在整个应用过程中可以动态地改变q o s参数。 特别 是在视频会议系统中，随着开会的进展，用户可根据网络的拥塞情况、对声音或视 频质量的不同需求，而动态地改变 q o s参数。所谓自 适应，就是多媒体通信的双方 或多方，能够根据资 源变化状况或资 源当 前状况动态地调整 q o s需求，资源管理机 构确认此q o s 需求并提供相应的 服务。 自 适应的q o s 管理方案的 优越性是很明 显的， 它可以提高网络资源利用率，更重要的是，它可以保证多媒体应用的服务质量，因 为网络资源的节省意味着可以为多媒体应用预留更多的资源，从而保证服务，减少 冲突。在q o s 控制中引入自 适应控制，主要是基于以下几个因素: ( 1 ) v b r( 可变比 特速率) 业务 特性 压缩的音频/ 视频传输是一种 v b r( 可变比特速率)业务，数据流的不均匀性， 导致数据发送速率也不是恒定的。因此， v b r业务可能在某一时间段需要占用较多 网络带宽，而在另一时刻则可能占用很少带宽。 v b r业务在传统的固定时分复用传 输中是在固定速率的信道上传输可变比 特速率的数据流，因此，如果网络带宽预留 到 v b r的峰值带宽，就会导致网络带宽的浪费:如果网络带宽预留到一个较小的比 特速率，则对 v b r业务的服务质量产生影响。因此通常 v b r业务通常以平均比 特 速率来预留网络带宽。 如果能动态地调整这类业务的资源占用状态，当v b r业务以 低速率发送时，占 用较少的网络带宽，而当比特速率突然增大时，动态地在空闲资 源中为v b r业务分配额外的带宽， 这样， 既保证了服务质量， 又充分利用网 络资源. ( 2 )可用资源动态变化 在分布式多媒体应用中，可用资源是动态变化的。例如，当前多媒体应用开启或 关闭了一个视频传播， 或者某个用户改变了 他的q o s需求。从而导 致应用对c p u , 内存、v 0带宽、网络带宽等可用资源的状态和数目发生变化。这样就能为适应可用 资源的动态变化，获得更好的服务质量提供了前提条件。比如，一个实时话音传输， 在突然开启了一个视频传播后网络可能变得拥塞，使话音传输的服务质量受到影响。 此时， 话音传输可以 降低它的q o s需求，以 适应网 络资源缺少的状态;当 视频传播 关闭后，网络变得比 较畅顺， 此时，话 音传输可以 提高它的 q o s需求，以 较高的服 务质量通话，因为网络目前有额外的带宽可以分配给话音传输。 ( 3 )分布式多媒体应用使用多种资源 分布式多媒体应用通常需要多种资源的保留。例如一次视频传播必须有足够的 c p u 、内存、1 / o带宽及网络带宽等资源。对一 种资源的占 用会导致对其他资源的间 第一 4绪论 接的占用，比如，网络传输需要一定的缓冲区、c p u周期等。为了处理资源的彼此 依赖性，必须具有完备的资源管理机制。 ( 4 )分布式多媒体应用具有适应性 分布式多媒体应用 ( 音频、视频等) 在不同的 q o s下 可以 通过改变媒体的 特点 来适应不同的服务质量， 这样，当资 源变得缺乏时，多媒体应用降 低其 q o s ，降 低 媒 体的 质 量 特 性， 保 证 基 本 质 量的 数据传 输; 当资 源 变得 可用时， 多 媒体 应 用 提高 其 q o s ，增强媒体的质量 特性。 例如，视频应用能通过改变帧率， 帧大小， 和象素 的深度三个正交的参数来改变对资源需求。 ( 5 ) 应用相对的优先级动态地改变 业务的优先关系在接入新的业务时可能发生变化，例如一个非强实时的应用， 在一个强实时应用接入的时候，系统将优先为强实时应用分配资源，如果当前资源 不足，就需要改变优先级低的业务 ( 非强实时应用)的资源占用来满足高优先级的 业务 ( 强实时应用) 。 基于以 上几点，如果在q o s中引入自 适应控制， 对适应不同的网 络环境或网 络 拥塞状况、提高资源利用率、保证服务质量方面都有很大好处. 1 . 2 i p q o s 研究进展 最初q o s 是与a t m的 核心技术紧密联系起来的。 随后i e t f ( i n t e rn e t t a s k f o r c e ) 开始研究q o s 在i p 上的 映射问 题， i e t f 的 许多q o s 研究工作都源于r s v p ( r e s o u r c e r e s e r v a t i o n p ro t o c o l )的发展。i e t f的解决方法，包括在最近的 c o p s ( c o m m o n o p e n p o l i c y s e r v i c e ) 草案 在内， 都与a t m论坛中的a t m标 准下 对 服务 级别和资源定位进行区分的多协议非常类似。 直到最近i e t f 制定d i ff s e r v 标准以 前， a t m技 术 还是唯 一能 提 供q o s 的网 络技术。 i e t f正 是借用了a t m的q o s 概 念， 将q o s 引 入i p 所有业务。 在实施i p q o s 的过程中，目 前的看法是吸取a t m发 展中 的 一些教训， 不要为了 追求q o s而使得i p变得过度复杂和臃肿， 使i p网 络失去 简 单、灵活和开放的优点。 i p q o s是目 前较为活跃的一个研究领域，还存在诸多有待解决的问 题。下面从 q o s 模型与体系结构、 传输过程q o s 保证预支持q o s 保证的网 络协议、 资 源管理 等 方面分析国内 外 研究 现状， 最 后分析自 适应q o s 保证研究进展。 1 . 2 . 1 q o s 模型与体系结构 到目 前为止，已有一些组织或单位提出了一些不同的 q o s体系结构。 例如，由 第一 帝绪论 i b m欧洲网 络中 提出的h e i d e l b e r g q o s 模型包括一个 连续媒体传 输层( h e i t s / t p ) 负责 q o s 映 射和 媒体 伸 缩， 基于s t - i i 的网 络层支 持确 保型 和 统计 型 两 种自 定义 服 务， 提 供一定程度的端到端的q o s保证! i= i宾夕法尼亚大学提出了o m e g a模型，该模型 假定网 络子系 统提供延时、误码率、带宽的捆绑要 求， 依靠一个q o s b r o k e r 进行应 用和系统、 系统和网 络之间的q o s 协商、 q o s 监视和q o s 重协 商， 提供端到端资 源 预留 和管理 16 1 1 。由s r e e n a n 提出的e q u u s q o s 体系结构目 标是支 持终端系统和模块化 设 计1s o 1 o j a r d e t z k y 为了 在a t m网 络上 解决分布式连续媒体的 存储和同步提出了 连续 媒体的文 件服务器结构c m f s i o b l e s s 在高性能网 络上提出了 为 特定q o s 管理的结 构 c o s i m a ，提出了 q o s的三层结构:端到端 ( e n d - t o - e n d ) 区域管理 ( a r e a m a n a g e m e n t ) 资 源管理 ( r e s o u r c e m a n a g e m e n t ) 16 o 1 . 对于i p 网 络，目 前主要有i e t f的两个工作组提出的 两种q o s 体系结构:集成 服务体系结构 ( i n t e g r a t e d s e r v i c e s a r c h i t e c t u r e , i n t s e r v )和区分服务体系结构 ( di ff e r e n t i a t e d s e r v i c e s a r c h i t e c t u r e , d i f f s e r v ) e i m s e 。是i e t f 1 9 9 4 年提出的 具有q o s 保证的网 络体系结构 ( r f c 1 6 3 3 ) ，在传 统 i p网络 “ 尽量做好”型服务的基础上定义了一组服务扩充， 提供端到端 ( e n d - t o - e n d ) 的q o s 保证。 i n t s e r v 尽