（通信与信息系统专业论文）远程教学系统中会话控制及数据传输的设计.pdf

s e s s i o n co n t r o l p l a n a n d da t a tr a n s mi s s i o n p r o c e d u r e o f r e m o t e l e a r n i n g s y s t e m ab s t r a c t th i s b i s dn , re s e a r c h t h e s i s wh i c h l s i s f r o m t h e p r o j e c t o f i n t e r a c t i v e r e m o t e l e a r n i n g s y s t e m b a s e d o n a s u b - p r o j e c t o f n a t i o n a l n a t u r e s c ie n c e f o u n d a t i o n k e y p r o j e c t - o n k e y t e c h n o l o g y i n h i g h - s p e e d i n f o r m a t i o n n e t w o r k . i n t h i s p a p e r , t h e s e s s i o n c o n t r o l p la n a n d d a t a t r a n s m i s s io n p r o c e d u r e o f t h e r e m o t e l e a r n i n g s y s t e m i s i n t r o d u c e d . o n t h e o n e h a n d , i n t h e s e s s i o n c o n t r o l p l a n , s o m e t e c h n o l o g i e s a n d m e t h o d s a p p l ie d t o g e n e r a l v i d e o c o n f e r e n c e s y s t e m a r e u s e d f o r r e f e r e n c e . a n d a t t h e s a m e t i m e , t h e d e s i g n o f t h e m c u ( m u lt ip o i n t c o n t r o l u n it ) o f t h e r e m o t e le a r n in g s y s t e m is s im p l if ie d b a s e d o n t h e d iff e r e n c e b e t w e e n t h e r e m o t e le a r n i n g s y s t e m a n d g e n e r a l v i d e o c o n f e r e n c e s y s t e m . t h e s i m p l if i e d mc u p e r f o r m s c o n n e c t i o n r e l a y s o n l y o n t h e o t h e r h a n d , t h e t r a n s m i s s io n o f r e m o t e d a t a i n t h e r e m o t e l e a r n i n g s y s t e m i s b y n a t i v e a t m m o d e . i n t h e d e s i g n o f t h e d a t a t r a n s m i s s i o n p r o c e d u r e , w e t a k e a d v a n t a g e o f t h e m u lt i c a s t i n g a b i l it y o f a t m n e t w o r k a n d m a k e t h e d a t a o f t e a c h e r r o o m b r o a d c a s t e d t o a l l s t u d e n t r o o m s t h r o u g h a s i n g l e m u lt i p o i n t c o n n e c t i o n k e y w o r d s : r e mo t e l e a r n i n g s y s t e m s e s s i o n c o n t r o l d a t a t r a n s mi s s i o n 艳 半 六 沦生 第一章绪论 1 . 1 b - i s d n和 i n t e r n e t 的发展现状 . 宽带综合业务数字网 在综合业务数字网提出之前，不同的业务是由不同的网络提供的，如电报网 提供电报业务，电话网提供电话业务，数据通信网提供数据通信业务，电缆电视 网提供有线电视业务。这些网络是十分专门化的，它们有很多的缺点，其中最主 要的是i i i : 令 业务依赖性:每个网络仅能传递原设计的一种特定业务，只有在非常有 限的情况下，利用附加设备，牺牲部分资源利用率，网络才能适用于其它业务。 如只有在引入mo d e m 的条件下，现有p s t n才可以用来传递数据业务。 今 不灵活:技术的进步 ( 如编码和压缩算法的改进会影响到某些业务产生 的l 匕 特率)和新业务的出现.将会改变对网络的要求。一个专门的网络很难适应 这些改变了的要求 令 低效率:一力面，当专门网络原来设计的特定业务对网络的要求改变时， 将有可能使得网络内部的可用资源得不到高效利用:另一方面，一个网络的呵用 资源也很难被其它业务使用。 考虑到以上所述的业务依赖性、灵活性及资源利用率方面的问题，很自然地 就会想到理想的情况下只应该有一个网络存在，这个网络独立于业务，它能够传 递所有的业务，能够使不同的业务共享可用的资源。这就要求这个网络应该具有 大的灵活性、宽的带宽和强的业务综合能力。正是这些要求指引着宽带综合业务 数字网 ( b r o a d b a n d i n t e g r a t e d s e rv ic e d ig it a l n e t w o r k b - i s d n )的发展方i, ij 另- 力面，技术和系统概念的进步也推动了 b - i s d n 的发展。这些进步使得宽带练台 业务数睁 : 网 ( b - i s d n)从设想成为现实。 汀先，技术方而，自8 0年代以来，限制宽带通信网发展的一些相关技术，如 半e y 休技术、光技术等取得厂屹 速的发展。其次，而向分组的网络系统的概念发 i了 很人的变化。这种变化的从本思想是:某些功能如果在网络边界处只执行 次就能保证所需的业务质员，就不应该在网络中重复多次。这种变化将在终端系 统中能够实现的一些功能从原来网络交换传输设备中转移出来，相对减小了原来 非常复杂的网络交换传输设备的熨杂度，使得整个通信系统的复杂度在系统中更 为平均的分配。这样有利于提高通信网络的整体性能;也有利于更好地满足前面 z三 l 程教学系统中会话抓 ， 制峙数 , v, 于 r . 输的1 件 计 提到的刘网络高灵活性的要求和对传递纯数据以外的其它业务的要求。当 然所有 这些都要基刁 “ 技术进步所带来的廉价开发高速率、高质量、高复杂度终端系统的 ; )j 能性 总之，il i 场需求 ( 对新业务的需求和对现有业务更高服务质量的需求)的牵 引和技术进步的推动是 b - i s d n 产生的两个重要的原因。不断变化的市场需求使 得b - i s d n的产生变得必要:而技术的不断进步使得b - i s d n的产生成为可能。 异步传输模式 ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e a t m) 是1 9 8 8 年由c c i t t ( i t u - t 前身)确定作为核心技术实现 b - i s d n 的。关于 a t m 的构思和相关技术最初是 价 : 1 9 8 3年由两个研究中心 ( 法国c n e t和美国a t j 1 j 1 有。 i n t e r n e t 是ii i a r p a i )( ( a r p a n e t )逐渐演变而来子 内 7 0年代 i ) 期，美1 1=1 i k-i 防部高级iii f 究j i i i ! b y( d e f e n s e a d v a n c e d r e s e a r c h p r o j e c t a g e n c y d a r p a)为 j 实现异利 ， ig %j 络之in 的1 1. 连1 1 通人) j 资助i n t e r n e t j 支 术的fil l 究1 y 发， ; 补 汁 致j 丁 c p / i p 的出现与发展。 1 9 8 0 年前) 1i , d a r p a开始将 a r p a n e t土i勺 月 于 有机器转i d t c p / i p t b 、议，j 朴 以 a r p a n e t为 1- : ! 几 建业 : 起 i n t e r n e t 美w f b i 家科学基金会 ( n a t io n a l s c ie n c e f o u n d a t io n n s f ) j 几1 9 8 5 t 几 始涉足 t c p / i p的f il l 究 ， ) 飞 发，i i 逐渐n k 为其中个重要角色。它i f 先卜 同 绕土 i : 6个超级计算机 i ， 心建立 r 从 j 几 t c p / 1 p的 访问网，并于 1 9 8 6年资助建ii 远程1卜 网n s f n e t 0 n s f n e t联通 n s f的全部 超级计算机r l 心) p -j a r p a n e t f 1 ! 联。1 9 8 6 年，n s f使全美主要的科研机构联入 n s f n e t , n s f资助的所有网络均采f l l t c p / i p 9 、议。 1 9 9 0 年， n s f n e t成为i n t e r n e t 的主千。 i n t e r n e t 的发展归功于两个技术:t c p / i p和 w e b技术。目前业界流行两个短 语 e v e r y t h i n g o n i p , i p o v e r e v e r y t h i n g , 其， ， i p o v e r e v e r y t h i n g 是已 被实践 证明的，也正是 i p的精髓。即通过统一的 i p层对上层协议屏蔽各种物理网络技 术 ( 如 x. 2 5 , d d n、以太网、令牌环、帧中继、a t m. s d h. wd m)的差异 来实现异种n 1 互 联。而“ e v e r y t h i n g o n i p ” 的“ e v e r y t h i n g ” 是指所有业务， 包括数 据、图像和话音，实时的和非实时的。这样的要求，对于目前的 i p技术来说仍是 心有余而力不足，需要新技术来帮助解决。 由于i n t e r n e t 的超乎预想的快速发展， i t u - t为确保其在通信领域的领导地位， 于 1 9 9 8年重新考虑其研究战略，暂停了对 a t m 的研究，成立了第 1 3研究组， 致力于i p 技术的研究。 令 i p与a t m 的融合 a t m 技术是电信界为实现 b - i s d n 的理想提出的，它集 ， 了 电路交换 川全 组 交换的优点。具有端到端的连接特性，可以保id : 语音、数据、图像友多 媒1 1 、 信息 传输中的服务 质量 ( q u a l it y o f s e r v i c e q o s ) ,只有无级带宽分配、i i 愈能力强、 统计复用、安个等优点，是11 前真1 l 实现多业务综合、q o s保证的技术，心 的缺 点是终端设备系统和川户网络接f 7 协议复杂，这导致 j a t m 网 、 价格去 己 贵 _ 日 前还没有良 好标准化的a t m应用编程接f l ( a p i ) . i p协议是计算机界提倡的计算机通信中的网络层协议，具有简单、灵活，in 向无连接、应用广泛等特点，虽然安全可tip . 性不高，但在 w a n . l a n得j 一 泛的应用，价格低廉。 i p与 a t m 技术特点的差异本质上是由电信界和计算机界在根本思想，如标 准产生过程、网络智能与用户终端智能思想等的差异造成的闭 。这些差异也导致 p l 程, w 学系统, i i 介话井制及数v u 下 r : a n :, 的设训 了i p ! j a t m的技术之“ 争” 。目前i p的优势在于提供了统一的数据应用平台( 尽 管曾企图用 i p路由器来构筑统一的网络平台) ，而 a t m 的优势在于提供了统一 的网络平台 ( 尽管 a t m 曾企图实现端到端的桌面应用) ，且支持从现有电信网的 演变r 由1 - i n t e r n e t 既成事实的巨额投资、网 卜 庞大而丰富的信息资源、以及潜在的 巨大商机，使得其还会持续蓬勃发展。而庞大、成熟的现有电信网络也不可能一 夜之间消失，为其它的网络 ( 如 i n t e r n e t )取代。因此，1p和 a t m 是一 中 卜 合作竞 争的关系，将走向融合。目前，对于 a t m 而言，则是如何更有效地支持 i p来发 展自己。在相当长的一段时间内两者将共存，它们未来的发展取决于消费者的消 费观念以及技术发展的走向。 i p与a t m的结合技术包括两种类型: 一种是重叠模式的， 如a t m论坛的l a n e ( 局域网仿真) . mp o a ( 多协议o v e r a t m) 和 i e t f 的c i p o a ( 经典i p o v e r a t m) : 另一 种是集成模式的，如i p s il o n 公司 ( 己 被n o k ia 收购)的i p交换、 a s c e n d 公 司 ( 己被l u c e n t 收购)的i p导航器、c i s c 。公司的标记交换 ( 后两者都向mp l s 靠拢)和 i e t f 提出的正在标准化的mp l s( 多协议标记交换) 。i t u - t第 1 3 研究 组已决定采用 m p l s 作为a t m支持 i p的技术。 1 . 2 本文所做的工作及使用的设计思想 . 作者所做的工作 作者所做工作的内容来源于国家自 然科学基金委员会( n a t i o n a l n a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a ) 重大课题“ 高速信息网中的关键基础问题研究” 的子课题“ 基 于b - i s d n的多媒体交互式远程教学演示系统” 。作者自该子课题启动以来，一直 参加了课题组的研究工作。 本文的仔务有两个部分:一部分是完成语音、图像、白板数据、控制消l l 等 信息在各个计算机系统 ( 包括学生机、教师机、学生教室控制平台和教师教室控 制平台)之间的传输设计;另一部分是完成教学系统的会话控制设计，其中包括 学生教室和学生的加入/ 退出、教师授课过程中学生向教师或教师向学生提问等的 设计。这两部分共产生四个可执行程序:教师教室的代理程序 ( 它运行于教师教 室_ 作站上) ，学生教室的代理程序 ( 它运行于学生教室工作站上) ，教师机控制 板程序 ( 它运行于教师机上)和学生机控制板程序 ( 它运行于学生机上) 。 . 本文的设计思想 本文的任务最终是一个软件设计的问题，因此，在这个软件设计过程中，理 所当然的要用到软件工程思想.另外，作者还尽量的运用面向对象思想来研究、 第堵1 仑全 解决 i _ 作中遇到的问题。在论文研究设计阶段，作者i i 始i s 终都贯彻 了 以 卜 的 此原则: 4 眨川11 勺 i!; i 则 i i o u 1 9 i 述，作者的 i _ 作将i : . : i i 四个， 11 执t i # i i 二 :教师教室的代f t 程 i牛 教室的代t 1! 程i j : 、教师机t ell 制板f i _ l ,学, i .: 机招 制板平 r . 序这此程l j ,n l, 只有某此 i i i i1 11 功能。1 鲜 ， ， 1月 个代p uy ) i 之i i1 . 1k ! 个招 制板f f) ) i 之i ii 的相il l 功能il i f , a f l - 若尽员将相i 司 的功能或是写入一个单独i均程序模块，或足将其封装乙 : 个 c + 十 乡 二 中，以实现代码的复用。 令 均衡的原则 远程教学系统中存在着多个可执行程序，系统中不i司 的计算机根据其不同的 功能要运行不同的程序。这里的均衡包括这些程序规模 i泊勺 均衡和它们占用计算 机运算能力 ( 或 c p u时h l )的均衡。 我们知道，程序的规模越大，对其编写、调试和维护的代价也越人:i f 且随 着程序规模的增长，这种代价是以非线性的规律增长的，也就是说代价的增长 快 j 几 规模的增长。在满足fi ll 求的条件下 ，如果一项系统的功能在两个程序的任f 可 个 ， 都可以实现，那么选择规模小的一个来实现所付出的代价可能要小一 些。同 样，如果一项功能既可以山一个规模较人的程序实现，也可以由它与另一个规n , 较小的程序分担实现，那么选择分担实现也 可能会减小付出的代价程序规模 几 的均衡正是出于以上的考虑 计算机系统的运算能力存在着极限。而即使在这个极限以内，1p _i i 机能力的 提高与计算机成本增长之ilij 也是一种非线性的关系。计算机成a 的增长速度要快 得z,o如果将某些既可以在运算能力高的计算机系统 i _ 实现，-z iil l ), f t 运算能力 低的计算机系统上实现的功能放在后者土实现，那么1 叮 能不但会降低系统的总体 成木，而且还优化了系 统的性能。程序d 川川一 算机运算能力的均衡i i : 是从p 1 - 述 的考虑。 e 1 方 i 1 1 + 运川均衡的l ; : 则114 , 4 ,1 要综合考虑 几 述的f y i i: 规模不 1 1 i 1 f 机运s 7 能) 两)j山的情况。如果从这两方i f l i 的考虑有所川 ， 突时，则击要在这两种均衡 一 i h 进 行折 ， 不 i i 均衡。 令 其己的原则 除 了1 几 述的原则外，还有其它的 一 些原则，例如系统设计时要充分考虑网络 资源的利用率、实时数据的时延、控制消息的差错控制等;例如程序代码编写时 要坚持固定的风格;再例如程序的测试分为同步测试和总测试两个部分，等等。 第 几 夺还程教学i si ; 小系统简介 第二章远程教学演示系统简介 2 . 1 系统结构 作者所作的作内容来源 j . 国家自然科学纂金课题 “ 幕j 几 b - i s d n fl勺 多媒体 交互式远程教学演示系统 ( 以下 简称远程教学系统) ” 。一 卜 面首先对该远程教学系 统作简要介绍。图 2 . 1所示为远程 教学系统的结构图。 如图所示，远程教学系统中要 有一个 ( 且只能有一个) 教师教室， 它是教师讲课时的主讲教室。该教 室中，包括教师教室工作站和教师 机。工作站与 a t m 网络连接，它 完成以下功能:1 、主讲教师讲课 时的语音图像信息的采集和编码; 2 、将这些编码后的信息和从教师 机接收到的电子白板消息、控制信 息等通过 a t m 网传递给学生教 室;3 、将从 a t m 网中接收到的学 生教室的相关信息通过局域网转发 给教师机，并将其中的语音、图像 信息转发给所有的学生教室:4 , 接if ( 到的学生教室的语音、图像信 图2 . 1远程教学系统的结构 息的解码和回放。其中 2 , 3是由教师教室7 _ 作站代理程序完成的，j 创乍 者要做 的 ! _ 作。教师机是一 1 :. 订 教师的l _ 作川机，在i 亥 计算机 卜 ，- 1 以 卜 教少 ii l i j 以利川共享 的， 匕j 性 自板程序进行通常的授课:也; !丁 以利川一个视频板程序看到某个学 几 教室 的图像，听到该学生教室的声音;还可以利川 t 个控制板程1 1= 进4不卜 ij “ ; 介 ! 教家 及不同学生语音图像信息的切换和对学生进行课堂提问以及接受或扣绝学 卜 的提 问请求等。此外，教师机的电子白 板程序还要完成将从学4 1 . 教室f 专 来的自 板消l , 向其它学生教室转发，同样控制板程序也要完成某些控制信息向其它学 i : 教室的 转发。图 2 .2所示为教师教室功能框图，其中实线代表数据流传输线，虚线代表 控制流传输线;箭头表示它们的方向。 远程教学系统中介1 i, ; s i. 9 及数抓传输的设训 远程教学系统中可以有一个或多个学生教室。与教师教室类似，学生教室有 一台c作站与 a t m 网络连接，该工作站完成如下功能:1 、学生教室语音、图像 信息的采集和编码:2 、将这些编码后的信息 ( 如需要的话)和从学生机接收的 电 i1- 白板消息、控制信息等通过 a t m 网传递给教师教室;3 、将从 a t m 网中接 收到的由教师教室发送来的相关信息通过局域网转发给学生机;4 、接收到的 - 路语音、图像信息的解码和回放。其中 2 , 3是由学生教室工作站代理程序完成 的，是作者要做的工作。学生机是学生听课时的工作用机，在该计算机上，学生 川以利用共享电子白板和一个视频板程序进行听课:也可以利用一个控制程序对 老师进行提问请教。图 2 .3所示为学生教室功能框图，与图 2 .2类似，实线代表 数据流传输线，虚线代表控制流传输线;箭头表示它们的方向。 工作站是提供教室的a t m接入服务的服务器，它们可以由小型机或高计算能 力的p c机来充当。工作站与工作站之间通过a t m网连接;教师教室工作站与教 师机之间和学生教室工作站与学生机之间通过局域网连接。在图 2 . 1中局域网使 nui月口u杖 视 熊 码 a a l s a t m 适 ir a 徐 理 音 视 频 输 入 设 备2 i 口 视 频 输 出 设 备 万 共 f e 口双们山 以. f i ? 控 制 模 块t以 大 网 适 配 器 恤 理 枯 物 理 接 0 以 太 网 适 配 器 i f t c p 音 频 视 频 模 y h 1 c p l i l p u d p 电 子 白 板 音 频 视 颐 输 a ip 备l视 颇 编 码 a a l 5 a 丁 m . a yo 理 j 去 音 频 视 频 输 入 设 备 n 麟垠块 1 个 肠 韶 d1 项“的” ! 1 伙 城屏肖 口 3 为异地的学生机之( 的 通信r ;1 况。图， 卜 学生机 i， _ 作站 i在本 地，学 i s 机 2 ， 、i 作乌 ， 2 在远端。学生机 i ， 、 学1 1 :. 机 z之 0 的通信必须 要经过 1 _ 作站 不 1 1 1 一 作1 n 2 的转接。从学生机 i到 i _ 作 驹胆 工 作 m i i 作 i6 :学 生 机2 t t 。 通 信 域t t ip 通 信 域 t 专 0 7 0 0 + o i p数据包a t m 信元 i p数据包 图2 . 1 i t 地学i i 机之、 月 的通佑过程 好 ; 1 的局域网中数据通过 i p分组传送，工作站 1 接收到数据后以a t m 分组的万 式输送到工作站 2 ，工作站 2收到后，再将数据通过 i p分组输送到学生机 2 由 此，补充说明一下， 远程教学系统中， 对 a t m网络的应用是n a t i v e 模式的， a t m 与t c p / i p 的互连和互通是在应用层实现的 2 .2系统软硬件环境及遵循的协议 今系统遵循的协议 农2!远程教学系统遵循的一些协议。 音频视 拐 ) 的编 码解码 i tu- t g. 7 2 3 . 1 d u a l r a t e s p e e c h c o d e r f o r mu l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s t r a n s m i t t i n g a t 5 . 3 a n d 6 .3 k b / s mp e g- 4 c o d i n g o f a u d i o - v i s u a l o b j e c t s i tu- t h. 2 6 3 v id e o c o d i n g f o r l o w b i t r a t e c o m m u n i c a t io n 1 l i = 1 1 板 i tu- t t . 1 2 0 d a t a p r o t o c o l s f o r m u l t i m e d i a c o n f e r e n c in g 八丁m 1 1 1 1 网 络接i i i tu- t q. 2 9 3 1 b - i s d n 一d ig i t a l s u b s c r i b e r s i g n a l l i n g s y s t e m n o t ( d s s 2 ) 一u s e r - n e t w o r k i n t e r f a c e l a y e r 3 s p e c i f i c a t i o n f o r b a s i c c a l l / c o n n e c t i o n c o n t r o l a r m 论坛 un1 3 . 1 a t m u s e r - n e t w o r k i n t e r f a c e s p e c i f i c a t io n v e r s i o n 3 i 八 丁m i f ， 的传 输艾f l l i tu- t h. 2 2 1 f r ame s t r uc t ur e f or a 6 4 t o 1 9 2 0 k b i t / s c ha nne l i n audi ovi s ual t e l e s e r vi c e s i tu- t h. 2 2 2 . 1 mul t i me di a mu l t i p l e x a nd s ynch r oni z a t i on f or audi ovi s u al ommuni ca t i o n i n a t m e nvi r on ment s i ( ) w . 学系统中会i i 拧制及数a r e, 传输的1呈 训 . 系统的软硬件环境 硬件 环境 a】 m 网 接入 使用f o r e l e i 5 5 网卜 : 1 5 5 m b p s ， 支持wi n d o ws 9 x / n t , 支持u n 1 3 .0 / 3 . 1 ，支持 1 0 2 4条虚电路;多模光纤接1 1 局域v aj 网络 局域网采用i o m b p s 以 太网， 网络中计算机的接入采用普通以太网卡 其它微机、摄像仪 ( 或摄像头) 、麦克风、投影仪、扬声器 ( 或 耳机) 、视频切换器等 软件 环境 操作 系统 wi n d o w s 9 x ，若运行在 wi n d o w s 9 5 / 9 7 ，则需事先安装 wi n s o c k 2 . 0 协议栈 开发 环境 mi c r o s o ft v i s u a l c + + 5 .0 / 6 .0 , ms d n l i b r a r y , wi n s o c k 2 s d k等 第草些相关的校/ 、 第三章一些相关的技术 3 . 1 i p 一， j a t m及两者的结合 . 训算机网络的从木概念 通信网络的功能，归根到底说来，是用来协调人类群体的行为的为达到这 一 的，对通信网络提出了如下两个基本要求: i 、及时 ( 包括实时但不一定实时)有效地将数据从网络的一端传至另一端飞 2 、保证信息经网络到达目的用户后从语法和语义土能为接收用户识别。 根据这两个要求，我们可以从概念上将计算机网络划分为两部分:通信子网 和用户子网。 1 述第一个要求直接与通信传输有关，它牵涉到网络的低层协议， 这一要求山通信 了网和用户子网来共同满足:第二个要求 ( 7 中 雕)涉及到的是高 层协议，它仅 i 1 k l j 户 j 网来满足。 现代计算机通信网的设计是以高度结构化的方式进行的。低层协议和高层协 议的划分，是将计算机通信网看作了一个具有两个基本层次的分层通信体系结 构。这样的划分是很粗略的，实际土还应该把它们进一步细分，使得体系结构 1 的每一层只完成某些特定的功能。 早在 1 9 7 7年，i s o ( 国际标准化组织)就认识到了迫切需要制定出 j -. 异种计算机信息网络的国际标准，于 几 是成立了一个分委员会 s c 1 6 , 1 1 1 1 - 放系统互连”的有关标准。儿年后，s c 1 6开发 f一个标准的通信 结构模型，这就是开放系统互连 型。图 3 . 1 所示为 o s i 参考 模型的七 层结构。1 9 8 3年， o s i 参考模型得到 j i s o不 i i c c i t t的批1 1 i i i 以 i s 0 7 4 9 8 ( o p e n s y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n os i) 系列关 着手制定 网络分层 参 考 模 应用层 表示层 会晤层 传送层 网络层 和 x . 2 0 0文州 一 公布 4 n in i7 1 l ; , 一i l 算机 的第n 层可与另一计 算机的 第 n层进行 “ 对话” 。这种 对话中使用的规则称为第 n 数据链路层 物理层 互连物理传输介质 图i o s l 参考模i ， 的 七 层结构 层协议。在图示的 七 层结构中，不同计算机对应层的 实体使用相应层的协议进行通信。 o r七层模型中各层的主要功能如下: 1 2, r r = 教学系统巾会i lk 拧制q数州传愉的i 如 令 应川层 端应用软件。 令 表示层: 完成面向应用的功能和管理功能。该层包括面向川户的所有终 提供一套格式化服务。如数据的编解码，主机数据格式与网络 数据格式的转换等。这一层关心的是信总的语法和语义。 会晤层 传送层 提供在两个通信进程间建立、维护和中止 “ 会话”连接的功能。 实现主机与主机问的连接，为主机间通信提供透明的数据传输 令令 通路 冷 网络层:分组的路由，网络的拥塞控制和记帐功能等。 令 数据链路层;通过一定格式及误码控制来保证数据以帧为单位在链路上 的可靠传送。 令 物理层: 提供一个 “ 比特管道” ，正确地在物理介质上传输二进制比 特。 实际上，除了最下面的物理层外，没有任何数据从一个计算机的第 n层直接 传至另一计算机的第 n层。上面说的通信是虚通信，因此图 3 . 1中用虚线表示。 除了 物理层之间外，数据和控制信息只在同一台计算机的相邻层实体之间传递。 图 3 2 表明数据在七层模型中的流动情况。 图3 . 2 o s i七 层模型中各层数据单元的形成及流动 图示表明，对于发送方，每一层都从其土层接收数据块 ( 上一层的协议数据 单元，即本层的服务数据单元) ，然后在其 卜 附加上本层控制信息 ( 服务头和/ 或 尾) ，形成本层的协议数据单元，再将它送给其 卜 一层。在接收方，其传递力向 恰恰相反。接收方的某一层从其下一层接收到的本层协议数据单元后，处理发送 力同层实体加上去的控制信息，并将其从数据单元中剥离，形成上一层的协议数 据单元，并将它送给_ f二 一层。 上述做法保证了同层实体自 成体系，各层相对独立，从而给日后更新、修改 和改变实现力 一 法带来了很大的灵活性。下面介绍的i n t e r n e t 和 a t m的网络体系结 第_ 户此十 i ! 翔i勺 技术 构虽然 ，i s o的 匕 层参考模型y i a 人的a : l ij , f l l f f : 这利 ， 分层协议的思想 是丰 同的。 它们 i n t e r n e t 体系结构 i n t e r n e t 是 ih v个网络f a a fk- 构成的“ ia aj n d l 之ii aj 0 ( n e t w o r k o f n e t w o r k s ) , i n t e r n e t 采 川 统 一 的 t c p / i p ) 、 议 族。w图 3 . 3 1 ) 了刁 、为 t c p / i p 协 议 族的层次模型 和依赖关系。 其中 三 s n 二 盯 p snmp cmotashi 1 rlo g mr ht e l n e t d n s一 二 p ib c o t p i r p c smtp i-,- -p熬 禹 iparp and rarpethernet arpanet pdn辛 others 立 佣 层 传转 亩 层 网间 网层 图3 . 3 t c p / i p 协议族及其依赖关系 o t h e r s 表示mi l n e t . i e e e 8 0 2 .3 c s ma / c d . i e e e 8 0 2 .4 t o k e n b u s 和 i e e e 8 0 2 . 5 t o k e n r i n g等协议。 在图 3 .3所示的分层结构中有两个重要的边界:一个是协议地址边界，它将 高级地址和低级地址分开。该边界出现在网络接口层和网间网层之间。网间网层 及以上各层均使用i p 地址，网络接i i 层则使川物理地址 ( 子网的n e t w o r k 地址) 。 另个边界是操作系统边界，将操作系统和应用程序分开。值得注意的是:对不 同的操作系统，这个边界可以不同，上图给出了常见的情形。影响操作系统边界 的最重要的因素是效率，操作系统内核实现的数据传递效率要比应用程序实现的 高得多。 t c p / i p技术是为包容物理网络技术的多牛 朴 卜 日 衍 设计的。而这种包容性主要体 现在 i p层当中。各种网络技术的帧格式、地址格式等的差别很大，i p技术的币 要思想就是通过 i p数据报和 i p地址将它们统 一 起来，达到屏蔽低层细 i y .提供 致性的 1 i7 7 1 y ii 高达 4 ; ， : 节，1 (i 1 1_ 仅 1 j 1 0 b i t s c r c来 . t 测被破坏的段，用 4 b it s序号来检测段的丢失和误捅，是不足以保护很长数据的 传送的。因此a t m 论坛规定了一类新的 a a l ，叫做 a a l 5 , f 作者的 一 - 中数据的传输用的是a a l 5协议，所以这里对a a l 5 作一 介绍， a a l 5 s a r子层功能:s a r子层接受来自c p c s的可变长度 ( 4 8 字节的 整数倍)的 s a r s d u 。产生包含4 8字节 s a r数据的 s a r p d u ，及 a t m 川) ” 信元。s a r s d u的保护和定界由 一 个s a r s d u结束指示来完成，这个指 1 ; 就是 用户信息信元的 p t i 中的一个比特，a t m 论坛称之为 a t m 层用厂 ， 到 a t m 层川 f 的指示比特。当这个比特为 “ 1 ”时，就是s a r s d u的结束指示 值得注意的是:这里a a l层用到了a t m信头的字段，这是不符合 i s o o s i 参考模型的分层思想的类似的情况还有物理层信元定界时用到了 a t m 信头的 】 i e c字段。 a a l s c s 子层功能:提供会聚子层公共部分 ( c o m m o n p a rt c o n v e r g e n c e s u b l a y e r c p c s ) s d u f11 定界f 1透明性; 差错检测和处理: 被破坏的c p c s s d u 可以被丢弃，也可以被递交到业务特定会; y, 子层。 如图 3 .8所示为 a a l s c p c s p d u 的格式。其中 c p c s - p d u p a y lo a d域包括用厂 信息; p a d( 填充) 域使得协议数据单元的总长度为 4 8字节的较数倍; c p c s - u u ( u s e r - t o - u s e r i n d i c a t i o n j i j 户到用户指 i j )域用来透明地传送 c p c s) u 户到fl 户信息;c p i ( c o m m o n p a rt i n d i c a t o r ) 域使得 c p c s - p d u尾长 度为 6 4 6 it s 对齐，这个 域的f i i. -iz , 须是 0 x 0 0 ; l e n g t h 域指示p a y lo a d 域的长 度: c r c域对整个c p c s p d u 进行 3 2位的循环兀余校验 c p c s - p d u p a y l o a d ( 即t o 2 1 6 - 1 o c t e t s ) p a c ( 0一 4 7 o c t e t s ) c pcs - uu ( 1 o c t e t i c p i( 1 o c t e t ) l e n g t h ( 2 o c t e t s ) c r c ( 4 o c t e t s ) , 图 3 . 8 a al 5 c p c s p d u洛式 o a t m 的多点通信 在多媒体通信服务， ，多播 ( m u l t ic a s t )技术是简便而有效地实现带宽等资 源3 11; 享的重要技术。多播是指信息在发送端点与多个接收端点之间传输。传统的 通信服务通常仅限于两个端点间点到点的单播通信，i s o o s 1参考模型定义的就 是点到点通信方式。随着多点电视会议、群组通信应用等需求的增长，多点通信 s远程教学系 统中会话拧制及v f 拟了 4 4 a e , ; , 所需的名目 传输能力日益成为多媒体通信系统中不可缺少的重要功能。 i p多播方式利用d类编址方式，采用多播地址。与i p无连接路由方式不同， a t m 是面向连接的，a t m 控制面信令支持点到多点连接的建立。a t m 编址方式 ， ， 没有多播地址的概念。 多 播机制存在三种应用方式d i, 1 ) o n e - w a y :在群 ( g r o u p )中 仅允许一个源向 其它节点发送信息 : 2 ) t w o - w a y :在o n e - w a y 基础上允许 其它节点向单一的源节点发送信息; 3 ) n - w a y : 在群中的每一个节点都 可以向 其它节点发送数据。 在a t m论 坛定义的u n i 3 . 1 规范中对于多 播的 机制局限于o n e - w a y ，如果要 实现n - w a y 方式，则必须构建n个o n e - w a y多 播连接。 . a t m支持l p的技术 把i p 技术和a t m技术融合起来，发展所谓的i p o v e r a t m技术，利用a t m 网来支持 i p ，是目前网络技术发展的重要方向。a t m论坛和 i e t f分别提出了各 自的i p o v e r a t m方案。 其中较有代表性的有: c i p o a , l a n e , m p o a和 mp l s o 其中mp l s是被普遍看好的适合于骨干网和广域网的e p o v e r a t m技术，它已经 被 i t u 一 丁第 1 3研究组决定采用作为 a t m 支持 i p的技术。下面就先简要介绍 c i p o a , l a n e和m p o a的特点， 然后再着重说明m p l s 的原理和体系结构。 p c i p o a ( 经典 i p o v e r a t m) c i p o a 是由 i e t f定义的。顾名思义，它基本上是原有经典 i p o v e r x ( e t h e r n e t , t o k e n r i n g等)技术的线性扩展。它在 a t m 网中建立逻辑的 i p子网 ( l i s ) ，通过 i p地址和 a t m地址的映射，来解决 i p包的传输问题。在 梅 一 个l i s中，需要一个a t m地址解析服务器。负责本l i s内的e p 地址和 a t m 地址的解析。对于子网间数据的传输，地址解析服务器返回缺省路由器的 a t m 地址。这样，考虑一个 a t m 网络中存在多个 l i s时，对于这些 l i s之间数据的 传输，要通过最少一个路由器转发。这不但增加了传输时延，也造成了网络资源 的浪费。所以这种技术如应用于i - 域a t m网和骨干a t m网，则并不能保持a t m 网络原来的高效、低时延的特点。 4 l a n e( 局域网仿真) l a n e是由a t m 论坛定义的。它是为将 a t m局域网接入 i n t e r n e t 而设计的。 它对局域网的ma c子层进行仿真， 在ma c地址和a t m地址之间建立映射关系