（计算机系统结构专业论文）嵌入式ipv6实时通信技术的研究.pdf

摘要 摘要 本文首先从4 的地址枯竭、路由选择效率不高、缺乏q o s 保证等局限性 以及口v 6 提供q o s 支持的技术优势，来分析i p v 6q o s 机制。在此基础上详细分 析了当前使用的实时传输与控制协议r t p r t c p 和有关q o s 技术细节以及应用层 对脚6 报头中流量类别和流标签字段的访问机制，实现了嵌入式n 6 的 r t p i i t c p 协议栈，满足了多媒体应用在应用层面的实时需求，并为网络层提供 q o s 支持，使其成为m v 6 网络环境下流媒体实时传输技术研究的参考。同时通过 研究嵌入式l i n u x 操作系统以及i j n u x 2 6 的新特性，研究了嵌入式i j n u x 下的m v 6 实现技术。 多媒体应用不仅需要在应用层解决实时通信问题，而且必须在网络层中流媒 体传输时解决q o s 问题，才能真正满足各种不同应用要求。这些服务要求能够找 到满足多个q o s 参数( 如带宽、延迟、延迟抖动、丢包率以及费用等) 约束的可 行路径，在职v 4 和6 现有的路由协议中，相关的技术非常薄弱，必须采用q o s 路由技术实现。q o s 路由是解决互联网q o s 服务支持的不可缺少的日益重要的技 术。 本文提出了基于口v 6 的多约束q o s 路由算法，该算法在经典算法hm c 0 p 的基础上进行了改进，首先用d i j k s t m 算法搜索路径并计算其最小规格化极限， 同时删除路径上不满足要求的最小性q o s 度量，再利用改进的d i j k s 仃a 算法找出 多约束q o s 的可行路径。该算法性能优异，具有较好的稳定性。 最后对r 1 1 p r t c p 协议栈分别在 v 4 和i p v 6 网络环境下进行了性能测试， 得出了有关q o s 的统计信息，并对这些信息进行了数据分析，验证了r t p 协议 的功能和特性。然后对本课题的工作进行了总结和展望，指出了今后基于口v 6 网络环境下实时通信的研究方向，对今后从事于多媒体和、，6 研究的技术人员提 供了有益的参考。 关键词：i p v 60 0 s0 0 s 路由r t p r t c p 嵌入式多参数约束路径选择 a b s t m c t a b s t r a c t f i r s t ，t h i sp a p e ra l l a l y z e st h em e c h a n i s mo f 口、，6q o sb yi m r o d u d n gt h el i m i t a t i o no f i p v 4 ( s u c h 鹤a d d r e s ss c 盯c i t y ，i n e f f i c i e mr o u t c rs e l e c t i o n 卸dq o sl a c i 【，e t c ) 强dt h e t c c t i l l i c a la d v a i l t a g co f i p v 6 ( s u c h 勰q o ss u p p o r t ，e t c ) b yd e t a i l e d l y 柚a l y z i i i gt h e r 硎r t i 四，q o s 姐dt h cm c c h a l l i s mo fv i s i t i n gt h et f a 匝cd a s s 强df 1 0 wl a b e lo f i p v 6h e a d e r ，t h ea n i d ei m p l e m e n t s 融瞪瓜t c pp r o t o c o li n 啪b e d d c di p 、r 6 ，柚d p m v i d e st h em e c h 姐i s mo fq o so fn e t w o r k nw i l lb et l l er c f c r c n c co fs t f e a mm e d i a t e c l l l l o l o g yi l li p v 6n e 晰o f k b y 纽a l y z i i l gt h ee m b e d d c d “n u x 卸dt t l en e w c h a r a c t e 塔 o f 删x 2 6 ，t h ei l p l e m c n tt c c h n o l o g yo fi p 、，6i sr c s e a f c h e db 勰c do ne m b e d d e d i j n u x n ef l t j n l ep f o b l 锄o fm u l t i _ m e d i aa p p l i c a t i o n sm u s tb e 酬v e dj na p p l j c a t j 彻a n d n e t w o r kl a y e r ，锄dt om e e t t h ea l ll 【i n d so fa p p i i c a t i o n sr c q u i r c m e n t s t h es e r v i c e su s e a c c e p t e dp a t h sw i t hm u l t i p l eq o sp 盯a m e t e 娼( s u c ha sb a n d w i d t l l ，d e l a y ，d e l a yj i t t e r l o s sm t i o ，c o s t ，c t c ) i l li p v 4 姐di p v 6 ，蛐c ht c c h n o l o 百e sa 佗v e r yi i i s u f f i c i e n c y q o s r o u t i n gm u s tb ei n t m d u c c dt op r o v i d eq o ss e r v i c e s i ti si m p o n 鲫tb 舔i cn e t 、v o r k t e c l l l l o l o g y ht h i sp a p c r ，i t i sp r o v i d e dt h em u l t i c o n s t r a i l i t so o sr o u t i n ga l g o r i t l 吼sb 嬲e do n 6 1 1 l ea l g o r i t h mu p d a t 韶h _ m c o pa l g o 删| l l l l d i j k s t m sa l g o r i t h mi s 峭e dt os e i e d p o s t p a t h sa tt h ef i r s ts t 印o fr o u t i i l gp 撇d u r c ，a l l dc o m p u t e st h em i n i m 哪n o m a l i z e d m 盯酉n ，锄dd e l e t e st h el i i i i 【s t h a td o e s n tm e c tm i n i m u m0 1 0 sp 缸a m c t e 玛f o re v e r y n o d e ns e a r c h e sf o raf e 猫i b l ep a t l lu s i n gam o d i f i e dd i j k s t m sa l g o r i t h mw i t ha m i n i m u mn o 咖a l i z e dm a f 舀n t h ea i g o r i t l l mh a sg i d o dp e r f o 册a n c ca n da c h i e v e sg o o d s t a b i l i t y f i n a l l yt h i sp 印e ri m p l e m e n t st h ec a p a b i l i t yt e s t i n g0 fr t pp r o t o c o l ，a i i d 姐a l y z 鹊t h e t e s t i n gr c s u hi n 也ei p v 4 柚di p v 6n e t w o r k 1 m es t a t i s t i c a ld a t 弱o fq o sa 托o b t a i n e d 劬mt h i st c s t i n g nt e s t st h cf i i n c t i o n s 柚dc h a r a c t e r i s t i c so fr t p p r o t o c o l ，蛆dt h 雠t h e c o n c l l l s i o na n de x p e c t a t i o no ft h ew h o l ew o r ko ft h et 船ki ss h o w na tl 硒t ni n d i c a t e s t l l er c s e a r c hw a yo f ”a l t i m ec o m m u n i c a t i b 醛e d 衄m v 6f o rt h ef i l t l l r e ，a i l da t 恤e s a m et i l c ，m u l t i i i l e d i a 锄d 珏6r e s e a r c h e 硌m a yd i a wt h e i ri n s p i f a t i h d mt l i i s p a p e r k e y w o r d s ： i p v 6 q o sq o sm u n gr 1 门哪江c p e m b e d d e dm u l t i p a r a i n e t e r sc 蛐s t l 氇i n e dp a t hs e i e c t i o n 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 i i l 请。位论义1 资料特f r 小实之处 本人签私： 本人承担一切的法律责任。 闩期2 巫z 童：i 关于论文使用授权的说明 本人完令了解西安r 乜予科技火学有关保留和使用学位 仑文的规定，即：研究 ， i 住校攻读学位期1 1 i j 论义丁：作的知i = 产：权m 亿属西安也予科技大学。学校有权保 引送交论义的复印f ，f ：，允许r i ! i ；目年借蒯沦义：学校t 叮以公巾论文的全挪或翻j 分内 容，一叮以允以：采川影l = i j 、缯i e f j 或j 它复；蜘丁段保存论文。唰时本人保征，毕业后 结合学位论文研究i ! ! 题m 攥- ；的义章律署名单位为西安电子科技火学。 本人签名：亘尘丝 导师签名： f 1 期趁堡：! 闩期2 生2 ：2 ：董 ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着多媒体技术和计算机网络技术的发展，多媒体通信技术已成为当前研究 的热点。各种网络多媒体应用的不断出现的同时，也对多媒体通信技术提出了更 高的要求。其中，由应用程序指定通信服务质量( q o s ) 是主要要求。特别是电视 会议系统中的音频和视频实时传输，对q o s 有较高要求。流媒体有以下特点： 数据量大，传输持续时间长，占用的网络资源多； 对网络的带宽、延迟、抖动、丢包率等要求高。 当前的因特网( 简称i p v 4 ) 是为传输突发性数据而设计的，是基于“尽力而 为”的无连接转发机制的网络，并不提供对实时应用的有效支持，如实时传输、 服务质量保证等，在传输过程中不可避免的出现时延、时延抖动、分组丢失等现 象。 针对这些问题，i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 和其它一些组织 开展了一系列的研究工作和标准化工作，以弥补i p v 4 网在承载实时数据方面的不 足，如h 3 2 3 。r t p ( r e a 卜t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 等协议、综合服务和区分 服务模型，为实现实时多媒体的传输质量提供了基础。但所有这些措施没有从根 本上真正解决q o s 问题。i p v 6 是在i p v 4 的基础之上形成的下一代网络系统，由 于其提供了支持q o s 的机制，因此，在i p v 6 网络上如何提供实时通信成为未来应 用研究的重点。 嵌入式系统经过近几年的迅猛发展，其应用已经深入到千家万户，涵盖社会 生活的各个角落。今天的嵌入式系统己普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自 动化、汽车电子、医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统、航空航天等国民 经济的主要行业。随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统将更广泛地应用于人类生 活的方方面面。嵌入式技术是2 l 世纪计算机技术发展的一个重要方向，有着广阔 的市场发展前景。因此，嵌入式技术是继i t 、网络技术之后，又一个新的技术 发展方向。 因此，研究嵌入式设备中的i p v 6 的实现技术和嵌入式设备上支持i p v 6 的实 时通信技术具有极其重要的理论意义和应用前景。 2 嵌入式口v 6 实时通信技术的研究 1 - 2i p v 6q o s 简述 i p v 6 是”i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ”的缩写【1 1 ，也被称作下一代互联网协 议，它是由i e t f 设计的用来替代现行的i p v 4 协议的一种新的i p 协议。 i p v 6 的提出首先是由于口v 4 的地址空间不足引起的，而其所涉及的领域远不 止于此。越来越多的应用加载在口网络之上，而对更高的质量保证等要求是网络 应用的一个关键因素，对q o s 问题认识的深刻程度将直接影响坤v 6 在今后网络 中的实际应用效果。 视频应用为时间灵敏性特别高的应用，其要求实时性和q o s 管理，但是网上 众多的应用多为尽力而为类数据。此类数据的特点是突发性强，这种突发性严重 影响时问灵敏性特别高的应用，使这些应用的时延加大，同时出现抖动，从而产 生严重的后果。例如，视频会议无法正常进行，产生图像马赛克效应，声音时断 时续，甚至没有图像和声音。 1 9 8 1 年制定的m v 4 协议正面临许多挑战：地址空间匮乏；网络安全漏洞多； 服务质量难以保证；不易开展新业务；移动性支持有限，难以满足3 g 网络发展 需求等等。因此，为了解决上述问题，下一代互联网协议口v 6 的发展应运而生。 i p v 6 以其超大地址容量可以轻松解决这个问题。解决了地址问题，实现端到 端的实时通信基本上就不会有什么瓶颈了。而除了地址问题，m v 6 对网络服务质 量的作用也作了重大改进，将很大程度上改善服务质量。 1 2 1i p v 4 的主要局限性 到目前为止，i p v 4 由于其简单、灵活和开放性等方面取得了瞩目的成绩。但 是，新应用的不断涌现使互联网呈现出新的特征，传统的i p v 4 ，已经难于支持互 联网的进一步扩张和新业务的特性，比如实时应用和服务质量保证。i p v 4 的不足 主要体现在以下方面【3 3 】【划： 1 2 1 1 地址空间匮乏 i p v 4 协议将每个网络接口长度设定为3 2 位i p 地址标识，这决定了i p v 4 的地 址空间理论上大约可以容纳4 3 亿个主机，这一地址空间难以满足未来移动设备和 消费电子设备对i p 地址的巨大需求量。i p v 4 地址分配初期采用基于类别的方式， 有三类主要方式：a 、b 和c 以及2 种特殊的网络地址d 和e 。 类型a 地址：其中前7 位用于网络标识，后2 4 位用于主机标识。 类型b 地址：其中前1 4 位用于网络标识，后1 6 位用于主机标识。 第一章绪论 3 类型c 地址：其中前2 1 位用于网络标识，后8 位用于主机标识。 a 、b 、c 类地址用于标识某一网络节点的接口，称为单播地址，d 类地址不是 用于标识单一的接口，而是用于标识多个网络节点的集合。e 类地址是预留地址。 a 类网络地址是用于标识世界上最大型的网络，除了其中少量的预留和可重新 分配的地址外，a 类地址目前已经分配完毕。b 类地址也将使用殆尽。 为了解决这种地址分配方式的弱点，i e t f 通过了无类域间路由选择( c i d r ， c 1 a s s i n t e r d o m a i nr o u t i n g ) 方案。c i d r 方案取消了i p v 4 协议中地址类别分配 方式，可以任意设定网络号和地址号的边界，即根据网络规模的需要重新定义地 址掩码，这样可以为用户提供聚合多个c 类的地址。但是c i d r 方案的不足之处是 必须知道网络的掩码后才能确定地址中网络编号和主机编号。 c i d r 虽然在一定程度上缓解了地址空间被耗尽的危机，但为基于i p 的网络增 加了复杂性，并且破坏了一些i p 协议的核心特性，比如端到端原则，因此不能从 根本上解决i p v 4 面对的困难。 1 2 1 2 路由选择效率不高 i p v 4 的地址由网络和主机地址两部分构成，以支持层次型的路由结构。子网 和c i d r 的引入提高了路由层次结构的灵活性。但由于i p v 4 地址的层次结构缺乏 统一的分配和管理，并且大多数i p 地址空间的拓扑结构只有两层或者三层，这导 致主干路由器中存在大量的路由表项。庞大的路由表增加了路由查找和存储的开 销，成为目前影响提高互联网效率的一个瓶颈。同时，i p v 4 数据包的报头长度不 固定，因此难以利用硬件来提取和分析路由信息，这对进一步提高路由器的数据 吞吐率也是不利。 1 2 1 3 缺乏服务质量( q o s ) 保证 i p v 4 由于其本身设计的原因，只能提供尽力而为的发送服务，网络层无法区 分用户业务的种类，而将网络资源公平地提供给各类业务，在对分组丢失率、延 迟等方面公平地处理各类业务。这种机制使网络层无法控制传输的质量。这样不 能满足各种不同实时性( 即q o s ) 的需求，无法满足用户的需要。因此它对互联 网涌现的新的业务类型缺乏有效的支持，比如实时和多媒体应用，而这些应用要 求一定的服务质量的保证，比如带宽、延迟和抖动等。 研究人员提出了新的协议在i p v 4 网络中支持以上应用，如执行资源预留的 r s v p ( r e s o u c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议、集成服务( i n t s e r v ) 和区分服务 ( d i f f s e r v ) 等。这些协议同样提高了规划、构造i p 网络的成本和复杂性。 4 嵌入式i p v 6 实时通信技术的研究 r s v p 协议：它是现有i p 网络上为实时性语音和视频业务保留必须的带宽， 并设置队列进行管理的方法。r s v p 是第一个标准q o s 的信令协议，是基于 i p 协议的资源预留协议，用于端到端之间传递q o s 请求。它本身不完成 q o s ，而是通过其它队列管理等技术来实现的。必须注意的是，r s v p 不是 一个路由协议，它只是按照报文流的路径为报文申请资源预留。 集成服务( i n t s e r v ) 是为了实现网络服务质量最早提出的框架，它具有面 向连接和资源预留的特点。面向连接的机制会导致核心路由器所维护的信 息量爆炸而降低可扩展性；资源预留机制会引起网络使用率的下降和代价 的增加。 区分服务( d i f f s e r v ) 框架，通过聚类解决了集成服务所面临的可扩展性问 题。但是，区分服务框架无法区分参数类型，并不能从根本上提供服务质 量。 1 2 2i p v 6 的优势 i p v 6 继承了i p v 4 的许多优点，抛弃其弊端，其优势主要体现在以下几方面： 1 2 2 1 地址管理 地址空间扩大 i p v 6 的地址大小由i p v 4 的3 2 位增加到1 2 8 位，解决了i p v 4 地址空间不 足的问题。按保守方法估算i p v 6 实际可分配的地址，整个地球的每平方米面 积上仍可分配1 0 0 0 多个地址。这样几乎可以不受限制地提供i p 地址，从而 确保端到端连接的可能性。 地址分配合理 i p v 6 地址分成单播、组播和任意播三类。在单播地址中又划分出全球可 聚类地址、站点本地地址、兼容i p v 4 的地址等。它取消了i p v 4 地址类的概 念，6 4 位作为网络号，6 4 位作为主机号，网络号可根据需要进一步划分，方 便了聚类和路由，预留了一定地址位数以应付未能预见的问题。同时i p v 6 地 址为i s p ( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r s ) 所有，避免了i p v 4 地址用户所带 来的地址消费和i s p 路由聚类困难。 1 2 2 2 高效的路由选择效率 为了显著减少路由器必须维护的路由表项，i p v 6 为点对点通信设计了一种具 有分级结构地址的改进路由结构，这种地址称为可聚合全局单播地址 第一章绪论 ( a g g r e g a t a b l eg l o b a lu n i c a s ta d d r e s s ) ，其结构如图1 1 所示。 f p ( 3 b i t ) i t l a i d ( 1 3 b n ) lr e s ( 8 b j t ) i n l a l d ( 2 4 b i t ) is l a d ( 1 6 b i t ) 1 接叫d ( 6 4 b i t ) 网络部分 主机部分 5 图1 1 聚合全局单播地址结构 第一个字段为格式前缀( f o n i l a tp r e f i x ) 字段。其值为0 0 1 ，表示它是聚合 全局单播地址。第三字段r e s ( r e s e r v e df o rf u t u r eu s e ) 为预留。第二字段t l a ( t o pl e v e la g g r e g a t o r ，顶级聚合体) 和第四字段n l a ( n e x tl e v e la g g r e g a t o r ， 下级聚合体) 是了解i p v 6 对聚合寻址分层结构支持的关键。t l ai d 是顶级聚合 体标识符。i p v 6 全局地址被分配给服务提供商或t l a 组织，然后t l a 组织向下级 聚合体n l ai d 组织分配地址空间。这种分配地址的分层方法鼓励地址聚合，以此 减少核心路由器的大小。s l ai d ( s i t el e v e la 鹤r e g a t o r ) 是站点级聚合体，其 通常不会授予下级组织一个预先分配的值，但允许组织定义自己的本地子网和寻 址分层结构。s l ai d 所提供的1 6 位子网标识符能够支持6 5 5 3 5 个子网，对于大 多数大型组织来说已经足够了。按照1 3 比特的t l a 计算，理想情况下一个核心主 干网络路由器只需维护不超过8 1 9 2 个表项，这大大降低了路由器的寻路和存储开 销。另外，由于i p v 6 的数据包可以远远超过6 4 k 字节，应用程序可以利用最大传 输单元( m t u ) 获得更快、更可靠的数据传输，同时在设计上改进了选路结构，采 用简化的报头定长结构和更合理的分段方法，使路由器加快数据包的处理速度， 提高了转发效率，从而提高了网络的整体吞吐量。 1 2 2 3 改进报头 i p v 6 是对i p v 4 彻底改革而不是修补的重要体现，是对数据报头的改进，这也 是i p v 6 其它重大改进的基础。其改进主要体现在以下几个方面： 改进的扩展和选项支持 对于i p v 4 ，选项集成于基本的i p v 4 报头中。而对于i p v 6 ，这些选项被作为 扩展报头( e x t e n s i o nh e a d e r ) 来处理。扩展报头是可选项，如果有必要，可以 插入到i p v 6 报头和实际数据之间。这样，i p v 6 数据包的生成变得很灵活且高效。 i p v 6 数据包的转发效率要高很多。将来，要定义的新选项能够很容易地进行集成。 流标签功能 i p v 6 协议不仅保留了i p v 4 报头中的业务类别字段，而且新增了流标签字段， 使得业务可以根据不同的数据流进行更细的分类，实现优先级控制和q o s 保障， 极大地改善了i p v 6 的q o s 。 更简洁的报头 6 嵌入式i p v 6 实时通信技术的研究 i p v 6 省去了i p v 4 报头中的部分字段以简化结构，其基本头部为固定长4 0 字 节。i p v 4 和i p v 6 的报头格式如图1 2 所示。 版本业务量等级流标签 有效载荷k 度下一标火跳数 信源地址 目的地址 a ) i p v 6 报头格式 图1 2i p v 6 和i p v 4 报头格式 版本头标长度 服务类型 分组总长度 标识符 标志|段偏移 生成时间协议 头标校验和 信源地址 目的地址 选项 填充域 b ) i p v 4 报头格式 数据包的报头越简单，处理过程就越快。从而提高了网络的吞吐量，使信息 传输更加快速。 1 2 2 4 路由方面的改进 i c i p v 6 ( i p v 6 多播回放控制消息机制) 【2 】 i p v 6 对i c m p 做了大量的改进，升级为i c m p v 6 。i c m p v 6 中最重要的功能 是邻居发现协议( n d p ) 【射。n d p 是i p v 6 协议的一个基本组成部分，用来管理 同一链路节点上节点间通信。n d p 取代了数据链路层的a r p ( 地址解析协议) ， 抑制了广播风暴，提高了安全性。它能够完成邻居发现和路经舭u ，为i p v 6 的源主机分段提供信息。路由器通过n d p 向邻居路由器转发数据报文，通知 发送端重定向，实现最佳路由。 从b g p 一4 至0i d r p i p v 6 域间路由最大的改进在于i d r p ( 域间路由选择协议) 替代了b g p 一4 ( 边 界网关路由协议) 。i d r p 和b g p 一4 的主要区别是： ( 1 ) b g p 报文通过t c p 交换，i d r p 协议单元直接通过数据报服务来传递。 ( 2 ) b g p 是一个单地址族协议，i d r p 可以使用多种类型地址。 ( 3 ) b g p 使用1 6 位的自治系统编号，i d r p 使用变长前缀标识一个域。 ( 4 ) b g p 描述的是路经所通过的自治系统编号的完整列表，而i d r p 能对 这个信息进行聚集。 1 2 3 与q o s 直接相关的元素 i p v 6 协议在基本和扩展报头中包含了与特定q o s 相关的服务元素。i p v 6 基本 报头中与q o s 直接有关的服务元素包括流量类别和相应的流标签【4 l 【5 】。 t r a f f i cc 1 a s s ( 流量类别) 该节段代替了i p v 4 中的t y p eo fs e r v i c e 字段，它有助于处理实时数据以及 第一章绪论 7 任何需要特别处理的数据。发送节点和转发路由器可以使用该字段来识别和分辨 i p v 6 数据包的类别和优先级。 f 1 0 wl a b e l ( 流标签) 该字段可以标识数据包，同一流数据包具有相同的流标签，以此来促进实时 性流量的处理。发送主机能够用一组选项标记数据包的顺序。路由器跟踪数据流 并更有效地处理属于相同数据流的数据包，因为他们无须重新处理每个数据包的 报头。数据流由流标签和源节点的地址惟一标识，不属于流的数据包的流标签为 全零。不支持f 1 0 wl a b e l 字段功能的节点需要在转发数据包时不加改变地传递该 字段，并在接收数据包时忽略该字段。属于同一数据流的所有数据包必须具有相 同的源i p 地址和目的i p 地址。 因此，i p v 6 报头中包含了一些关于控制q o s 的信息( 流类别和流标记) ，通过 路由器的配置可以实现优先级控制和q o s 保证，将很大程度上改善服务质量，保 障从v o i p 到视频流的高质量传输。 1 3 实时通信的q o s 需求 随着网络多媒体技术的飞速发展，i n t e r n e t 上的多媒体应用层出不穷，如i p 电话、视频会议、视频点播、远程教育等多媒体实时业务等。i n t e r n e t 已逐步从 单一的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。这些不 同的应用需要有不同的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求，q o s 通常用带宽、时延、 时延抖动和分组丢失率来衡量。 q o s 的关键指标主要包括：吞吐量、时延、时延抖动和丢失。 吞吐量 是在一定时间段内对网上流量( 或带宽) 的度量。根据应用和服务类型，服务 水平协议( s l a ) 可以规定承诺信息速率( c i r ) 、突发信息速率( b i r ) 和最大突发信号 长度。承诺信息速率是应该予以严格保证的，对突发信息速率可以有所限定，以 在容纳预定长度突发信号的同时容纳从话音到视频以及一般数据的各种服务。一 般讲，吞吐量越大越好。 时延 指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多服务，特别是话音和视 频等实时服务都是高度不能容忍时延的。当时延超过2 0 0 2 5 0 毫秒时，交互式会 话是非常麻烦的。为了提供高质量话音和会议电视，网络设备必须能保证低的时 延。产生时延的因素很多，包括分组时延、排队时延、交换时延和传播时延。传 播时延是信息通过铜线、光纤或无线链路所需的时间，它是光速的函数。在任何 系统中，包括同步数字系列( s d h ) 、异步传输模式( a t m ) 和弹性分组环路( r p r ) ， 8 嵌入式l p v 6 实时通信技术的研究 传播时延总是存在的。 时延抖动 抖动主要是由于业务流中相继分组的排队等候时间不同引起的，是对服务质 量影响最大的一个问题。某些业务类型，特别是话音和视频等实时业务是极不容 忍抖动的。分组到达时间的差异将在话音或视频中造成断续。所有传送系统都有 抖动，只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务质量。利用缓存可以克服过量 的抖动，但这将增加时延，造成其它问题。 丢包率 丢失的原因可能是线路或网络路由故障，更常见的原因是传输时延过长或网 络拥塞导致分组被丢失。如果对时延要求不高则丢失的分组可以重新发送；而对 于实时业务来说则没有时间重新发送，如对音频可以采用插值方法来补偿，这个 技术虽然能掩盖一个分组的丢失，但不能用于多个丢失分组。另一种分组丢失补 偿方法是发送冗余帧，这种方法能够准确地恢复一个丢失分组的信息，但要求更 多的带宽，同时增加了时延。 1 4i pq o s 的分类 不同的实时业务具有不同的q o s 要求，国际电信联盟i t u ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o 唧u n i c a t i o nu n i o n ) 组织对i pq o s 的参数制定y 1 5 4 1 标准，具体如表 1 1 所示。 表1 1 ：1 1 1 jy 1 5 4 1 对i pq o s 的分类 级别业务 i p t di p d vi p e r 实例 o 实时、高交互式、抖动敏感 1 0 0 m s5 0 m s 1 0 3 v o i p v i d 1 实时、交互式、抖动敏感 4 0 0 m s5 0 m s1 0 。3v o i p v i d e o 2 高交互式数据传输 1 0 0 m s1 0 3信令 3 交互式数据传输 4 0 0 m s1 0 。3信令 4 低丢失 l s 1 0 。3短传送等 5 传统应用传统l p 网络 6 对丢失高敏感兰l o o m s 兰5 0 m s s l o 5 电视传送、高容量t c p 传 7 对丢失高敏感三- 4 0 0 m s1 5 0 m s兰l o 一5 输、t d m 电路竞争 其中：i p t d 表示i p 包传输时延，i p d v 表示i p 包时延变化，i p e r 表示i p 包 误差率。 第一章绪论 1 5 研究内容 9 本论文的主要研究内容如下： 研究嵌入式设备的i p v 6 实现技术。 基本思想就是利用l i n u x 源码的开放性和对i p v 6 支持的特性，特别是 l i n u x 2 6 对嵌入式系统支持的新特性，作为嵌入式操作系统，实现l i n u x 2 6 的移植，使嵌入式设备能够实现i p v 6 通信。 研究嵌入式i p v 6 实时通信技术。 基本思想是研究i p v 6q o s ，在此基础上研究流媒体中的实时传输与控制 技术，即实时传输与控制协议( r t p r t c p ) ，最后利用l i n u xc + + 实现了基于 嵌入式i p v 6 的r t p r t c p 协议栈。该协议栈不仅实现了i p v 6 通信，而且实现 了应用层对i p v 6 报头中的优先级和流标签的访问，为网络层提供q o s 支持， 从而满足多媒体应用层面上的实时通信的要求。 研究支持i p v 6q o s 的实时路由技术。 基本思想是利用i p v 6 在路由技术上的优势，研究满足q o s 需求的路由算 法。在本课题中由于条件限制，没有支持i p v 6 的路由器，因此从理论上提出 了基于i p v 6 的多约束q o s 的路由算法，为今后多媒体通信中在网络层面上提 供理论参考。 1 6 本论文的结构 本论文的结构安排如下： 第一章主要介绍了本论文的研究背景、i p v 4 的局限性、i p v 6 的技术优势 以及实时通信所要求的q o s 需求，最后介绍了本论文的研究内容。 第二章对嵌入式l i n u x 进行了简单概述，并对l i n u x 2 6 新特性进行了介 绍，然后详细描述了l i n u x 2 6 内核的移植过程以及嵌入式i p v 6 的实现。 第三章首先详细分析了实时传输与控制协议( r t p r t c p ) 及其功能，研 究了r t p 应用中的服务质量的动态监测以及动态反馈控制机制，也研究 了应用层对i p v 6 报头中的优先级和流标签的访问机制。 第四章实现了基于i p v 6 的r t p r t c p 协议栈，并将该协议栈移植到嵌入 式设备中，使得嵌入式设备能够支持i p v 6 实时通信。 第五章首先对q o s 路由进行了简单描述，然后根据经典算法h _ m c o p 进行 了改进，并从理论上提出了基于i p v 6 的多约束q o s 路由算法。通过其性 能分析，该算法优于州c 0 p 。 第六章对r t p 协议栈在嵌入式设备上进行了i p v 4 和i p v 6 两种网络的测 1 0 嵌入式i p v 6 实时通信技术的研究 试，并对其测试结果进行了分析。 第七章对本论文进行的工作进行了总结，并对今后的研究工作以及需要 改进的地方进行了展望。 第二章基于l p v 6 嵌入式l i n u x 系统构建旦 第二章基于i p v 6 嵌入式l i n u x 系统构建 2 1 嵌入式l i n u x 概述 嵌入式操作系统【3 2 】主要有p a l m0 s 、w i n d o w sc e 、e p 0 c 、l i n u x 、q n x 、e c o s 、 l y n x 等。高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持。很 多高端r t 0 s 供应商已经提供了这些功能，但其价格也很高，一般人难以接受。微 软的w i n d o w sc e 也有此类功能，却不具备大多数嵌入式系统要求的实时性能，而 且难以移植。现在需要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所必须具有 的特性的操作系统，嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而 正在被广泛采用，成为新兴的力量，所以众多商家纷纷转向了嵌入式1 i n u x 。 l i n u x 为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，和u n i x 相似、是以核 心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机硬件， 包括x 8 6 、a 1 p h a 、s p a r c 、m i p s 、p p c 、a r m 、n e c 、m 0 r r o r o l a 等现有的大部分芯片。 程序源码全部公开，任何人都可以获取并修改，用之开发自己的产品。l i n u x 不 但成熟完善，而且使用方便。 l i n u x 系统的特点： 可应用于多种硬件平台。l i n u x 已经被移植到多种硬件平台，这对受开销、 时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台上开 发，然后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 l i n u x 可以随意地配置，不需要任何的许可证或商家的合作关系。 它是免费的，源代码可以得到。 它本身内置网络支持。 l i n u x 的高度模块化使添加部件非常容易。 2 2l i 删x 2 6 新特征 实时、可靠性是嵌入式应用较为普遍的要求，尽管l i 叫x2 6 并不是一个 真正的实时操作系统，但其改进的特性能够满足响应需求。l i n u x 2 6 已经在内 核主体中加入了提高中断性能和调度响应时间的改进，其中有三个最显著的改 进：采用可抢占内核、更加有效的调度算法以及同步性的提高。在嵌入式领域， l i n u x2 6 除了提高实时性外，系统的移植更加方便，同时添加了新的体系结 构和处理器类型，可以支持大容量内存模型、微控制器，同时还改善了i 0 子 系统，增添更多的多媒体应用功能。 可抢占内核 嵌入式i p v 6 实时通信技术的研究 l i n u x2 6 中，内核是可以被抢占的，也就是说，内核允许自身在执行任 务时被打断，这样，即使内核正在做一些复杂的事情，用户任务也可以继续运 行。同时，为了避免由此而可能带来的竞态，内核中设有一个抢占锁，运行加 锁的代码段时，内核不能被抢占。这个新特性带来的主要好处是系统的可交互 性有了很大的提升，这无疑对嵌入式应用具有很重要的意义。 有效的调度程序 2 6 版本的l i n u x 内核使用了由i n g om 0 1 n a r 开发的新的调度器算法，称 为o ( 1 ) 算法。过去的调度程序需要查找整个r e a d yt a s k 队列，并且计算它们 的重要性以决定下一步调用的t a s k ，5 需要的时间随t a s k 数量而改变。0 ( 1 ) 算 法则不再每次扫描所有的任务，当t a s k 就绪时被放入一个活动队列中，调度程 序每次从中调度适合的t a s k ，因而每次调度都是一个固定的时间。任务运行时 分配一个时间片，当时间片结束，该任务将放弃处理器并根据其优先级转到过 期队列中。活动队列中任务全部调度结束后，两个队列指针互换，过期队列成 为当前队列，调度程序继续以简单的算法调度当前队列中的任务。这在多处理 器的情况更能提高效率，平衡处理器的负载，避免进程在处理器问的跳跃。 同步原型与共享内存 多进程应用程序需要共享内存和外设资源，为避免竞争采用了互斥的方法 保证资源在同一时刻只被一个任务访问。l i n u x 内核用一个系统调用来决定一 个线程阻塞或是继续执行来实现互斥。l i n u x 2 6 所支持的f a s tu s e r s p a c e m u t e x e s 可以从用户空间检测是不是需要阻塞线程，只在需要时执行系统调用 终止线程。它同样采用调度优先级来确定将要执行的进程。多处理器嵌入式系 统各处理器之间需要共享内存，对称多处理技术对内存访问采用同等优先级， 在很大程度上限制了系统的可量测性和处理效率。l i n u x 2 6 则提供了新的管理 方法州u m a ( n o nu n i f o r mm e m o r ya c c e s s ) 。n u m a 根据处理器和内存的拓扑 布局，在发生内存竞争时，给予不同处理器不同级别权限以解决内存抢占瓶颈， 提高吞吐量。 p o s i x 线程及n p t l 新的线程模型基于一个1 ：1 的线程模型( 一个内核线程对应一个用户线程) 包括内核对新的n p t l ( n a t i v ep o s i xt h r e a d i n gl i b r a r y ) 的支持，这是对以前 内核线程方法的明显改进。2 6 内核同时还提供p 0 s i xs i g n a l s 和p o s i x h i g h r e s o l u t i o nt i m e r s 。p o s i xs i g n a l s 不会丢失，并且可以携带线程间或 处理器间的通信信息。嵌入式系统要求系统按时间表执行任务，p o s i xt i m e r 可以提供l k h z 的触发器使这一切变得简单，从而可以有效地控制进度。 微控制器的支持 第二章基于i p v 6 嵌入式l i n u x 系统构建 l i n u x 2 6 内核加入了多种微控制器的支持。无m 删的处理器以前只能利用 一些改进的分支版本，如u c l i n u x ，而2 6 内核已经将其整合进了新的内核中， 开始支持多种流行的无m 舢微控制器，如d r a g o n b a n 、c 0 1 d f i r e 、h i t a c h i h 8 3 0 0 。l i n u x 在无删u 控制器上仍旧支持多任务处理，但没有内存保护功能。 同时也加入了许多流行的控制器的支持，如s 3 c