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四川大学硕士学位论文 亨7 7 8 7 1 5 流媒体在ip 网络中稳定传输的研究 计算机软件与理论专业 研究生邬明辉指导老师谢汶 摘要 实时传送视频、音频、多媒体动画等媒体文件的技术是当前网络 研究，特别是i p v 6 网络研究热点之一，这种传输技术称为流媒体传输 技术。简单地说，流媒体技术是指通过i p 网络实现用户间连续、实时 传输声音、影像、动画等多媒体文件，以实现数字娱乐和可视化通讯等 实时应用。 本文从i p v 4 网络中实际使用的流媒体系统出发，分析了流媒体系 统的原理和存在的缺陷，指出时间因素对流媒体系统运行品质的重要 性。 文章对如何在i p 网络中建立完整的流媒体系统做了详细的描述： 同时介绍了i p v 6 协议及其相对于i p v 4 的改进，特别是i p v 6 协议针对 流媒体应用的实时性改进。全文试图通过分析当前使用的实时传输协 议( r t p r t c p ) 和q o s 技术细节，使其成为i p v 6 网络环境下流媒体技术 研究的必要参考。 文章对流媒体系统时间参数的计算方式做了详细的介绍和补充， 可直接用于有关产品的开发设计。同时针对i p v 6 地址结构的特点，参 考目前的三层交换技术和m p l s 技术、i p v 6 路由技术；提出对i p v 6 流 标签标志实现采用分层的支持方式。对于广域网，将i p v 6 地址前缀和 标签交换技术相结合，在提高i p v 6 网络实时性的同时，使网络核心路 由器维持有限的标签映射表项。从而避免类似i p v 4 路由表爆炸的情况 四川i 大学硕士学位论文 出现。 关键词：新一代ip 标准、流媒体、运动图像、q o s 、ip v 6 四川大学硕士学位论文 a b s tr a c t n o w ，w e u s et h ep r o t o c o li p v 4 b u tn o w a d a y si n t e r n e ti s g r o w l n gq u i c k ly s o ，t h en e x tg e n e r a t i o l li pp r o t o c o lw a sb r o u g h t u pi n1 9 9 2 an ewc a p a b i i i t yisa d d e dt oe n a b l et h el a b e l i n go f p a c k e t sb e l o n g i n gt op a r t ic u l a r t r a f f i c ”f l o w s ”f o rw h i c ht h e s e n d e rr e q u e s t ss p e c i a lh a n d l i n g ，s u c h8 sn o n d e f a u l tq u a l i t y o fs e r r ic eo r r e a l t i m e “s e r v i c e t h et e c h n o i o g yo fs t r e a mm e d i ap r o v i d e se n d t o e n dd e l i v e r y s e r r i c e si ni pn e t w o r kw i t hr e a l t i m ec h a r a c t e r is t i c s ，s u c ha s i n t e r a c t i v ea u d i oa n dv i d e e a p p l i c a t i o n st y p i c a l l yr u n r t p r t c pp r o t o c o lo i lt o po fu d p i tisoneo ft h ef o c u sr e s e a r c h e s ， e s p e c i a l l yi n i p v 6 t h isa r t i c l eil l u s t r a t e st h ef r a m e w o r ko fs t r e a mm e d i ai n i p v 4 ：i n c l u d et h eh a s ict h e o r ya n dd is a d v a n t a g e i tise m p h a s i s t h e i m p o r t a n to f t i m e f a c ：t e rf o rq o s ；a n di n t r o d u c t i o nt h e i m p r o v e m e n t o fb e h a v i o ri n i p v 6 ，e s p e c i a l l y i nr e a lt i m e n e t w o r k i ti n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o n so f1 a b e le x c h a n g ei ni p v 4 n e t w o r k s ，s u c ha sm p l s ：a n dr e s e a r c h e st h ei m p r o v e m e n to ft h e r e l a t e dp r o t o c 0 1b a s e do nt h e ”r e a l t i m e ”s e r v i c e ：s p e c i a l l yt h e “f l o w ”a p p l i c a t i o ni ni p v 6n e t w o r k s k e y w or d s ：ip n g 、s tr e a mm e d la 、m p e g 、o o s 、ip v 6 3 四川大学颟士学位论文 第一章绪论 i p 阏络是指以t c p i p 协议为基础通信协议豹潮络，著名鹣 i n t e r n e t 是i p 网络的一种，是最具代表性的i p 网络。目前，i p 网络 正在向下一代网络演进。 i p v 6 怒在1 9 9 2 年疆凄来豹，藻主要莛爨怒由于w e b 静密瑷导致p 网的迅猛发展，i p 网的用户迅速增加，i p 地址空前紧张。由于i p v 4 只 用3 2 位二进制数来袭示地址，地址空间很小，i p 网将圜地址空间的 遮蛙耗尽露无法继续发震。因藤，i p v 6 酋先襄辫决懿翊熬是扩大遗耱 空闻。 同时，i p v 4 在设计之初，并未考虑实时网络传输应用：而在现实中 此类应用暖渐广泛。凝然晷前程网络q o s 技术中广泛采用资源预鼹 ( r s v p ，r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 、多谤议标记交换( m p l s ， m u l t i p r o t o c 0 1l a b e ls w i t c h i n g ) 等技术。但限于i p v 4 网络本身的 设计缺陷，并不能从根本上解决此菸问题。 联有这些闯题零嚣要枣囊一代i p 标准瓣决，i p v 6 基本巍谈是经避 多次改进蔚确定的。现在的i pv 6 协议是1 9 9 5 年由c is c o 公司的s t e v e d e e r i n g ；f nn o k i a 公司的r o b e r th i n d e n 宪成起草并定稿的( 即 r f c 2 4 6 0 ) 。1 9 9 8 年，i e t f ( t h ei n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，因 特两工程馁务组) 对r f c 2 4 6 0 进行了较大形成了现有的r f c 2 4 6 0 ( 1 9 9 8 版) 。i p v 6 的其它标凇也陆续由i e t f 的相关工作组制定出来，经过多 年的努力，已经制定出1 0 0 多项霄关i p v 6 的r f c 。 1 1lp v 6 国际标准现状 目前。国际上主癸是由i e t f 负责i p v 6 的标准制定工作。在i e t f 中，奏嚣个王馋组与制定i p v 6 标准有关。一个是i p n g ( i pn e x t g e n e r a t i o n ，下一代因特网协议) 工作组，或称i p v 6 工作缀，主要负责 与i p v 6 有关的基础协议的制定。另一个是v 6 0 p s ( 下一代网络演进，其 前赛是n g t r a n s 工作缀) 工作组，烹要受责演逡机制、工舆和部署方霹 戆标准豫工作。 四川大学硕士学位论文 ( 1 ) i p n g ( p v 6 ) 工作维： 该工作组的工作始于1 9 9 2 年。从接收最早的下一代互联网协议提 索，到1 9 9 5 年正式确定i p v 6 基础协议，历时3 年。这也是i p n g 割定豹 第一个协议。该协议的律者也是该工作鲤斡两稼主席，都c is c o 公司静 s t e v ed e e r i n g 和n o k i a 公司的r h i n d e n 。i p n g 是i e t f 中比较活跃 的工作组之一，每次会议都对许多标准提案进行讨论。到髓前为止，已 鸯5 3 矮标壤残麦r f c ，1 7 矮成为至焱阚摹案( i n t e r n e td r a f t ) 。 ( 2 ) v 6 0 p sm 作组： 该工撵缝豹任务有4 颂：对用予i p v 6 演进豹方法和工瑟进牙援范： 程i p v 6 演谶中，孀这黧方法和工基编翎文档：协诞6 b o n e 试验床，试验 地址分配和协调i e t f 与其它组织的i p v 6 活动。 i e t f 农鏊本诲议黉秘嚣络兹侮畚缝稳方甏遴行了大熬工作，并己 制定了相当数量的标准。 在网络的体系结构方面，i e t f 融经完成的工作有双栈演进机制、 漱筏臻由嚣技术、双筏圭凝鼓零、i p v 6 隧遂捩零、网络遗蛙熬译协 i p 网性能措标分配方两的工作刚开始进行。目前，i p 网性能指标分醚 方面的标凇主要是通过对a t m 网的性能指标分配标准进行类比得到 鹣，国际、毽内部已蠢相应标准。在性熊指标分配方面，i t u - t 正在 进行研究。 1 2 国内研究现状 嚣1 ；萋黧肉i p v 6 黪裁终还处予突验陵段，惑没畜开始大麓摸生产 i p v 6 的设备。尽管i p v 6 试验工作融在国内开媵，i p v 6 的设备也在试制 中，部分设备已可以商用，但总的来说，中国还处于i p v 6 发展的初期。 婺实现i p v 6 喇在国内豹巍韭纯运悖，韭务弱藏弱豹开发爨极为重要 的。为了顺翻完成由i p v 4 弼i p v 6 隧的平穗避渡，需要裔爱重视i p v 4 已成熟的波务在i p v 6 环境中的继续应用。目前，与第三代通信网络有 四川大掌戮士学谴论文 关的i p v 6 网际标准主臻是i p 多媒体领域。有关移动终端支持i p v 6 的 提案也即将成为国际标矬。 获国蠹豹实际谤獭出发，i p v 6 标准将从以下6 个方褥进萼亍研究： ( 1 ) 基本协议类：( 2 ) 网络的体系结构和性能指标分配：( 3 ) 网络的评 估标准和测试方法；( 4 ) 网络设备规范和网络设备的测试规范：( 5 ) 移 动逶莛类拣准：( 6 ) i p v 6 戆韭务嚣缴矮兹标准。 1 3 l p v 6 标准的发展趋势 从传统意义上来说，互联鼹秘移动透信是涎个不同的桴业。但是， 随着i p 控零的发震，这两个季亍盐静共同点将越来越多。笼箕是随着籀 三代移动通信”全i p ”解决方案的提出，i p v 6 已成为互联网和移动通信 网的公用基本协议。 因筵，p v 6 瓣不毽莛下一我i n t e r n e t 豹主俸瓣络( n g i ，n e x t o e n e r a t i o ni n t e r n e t ) ，也是下一代电信阐的主要承载网络。 目前，i p v 6 标准的发展趋势是，i e t f 是i p v 6 标准制定工作的主体。 在近赣，这葶孛状嚣不会改变。毽楚+ 篓子i p v 6 验重要性，掌孥别是鉴于怒 下一代两络的巨大彩响，将有越来越多豹国际标准纯组织加入i p v 6 标 准的制定行列。3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 和 i t u t ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i e a t i o nu n i o n ) 成立了相应的工佟 缀来裁定与i p v 6 葙哭豹标准。阉辩，i e t f 稻3 g p p 最近获台缝残了一 个工作组，以便协调i p v 6 标准在第三代通信系统中的应用。下面对这 些组织在i p v 6 标准开发方面的情况作一些扼瓣介绍： ( 1 ) i e t f ： 目前，i e t f 讨论的热门话题主要集中在流标签，寻址，d n s ，d n s 发现，多遘接子隧，多搂，源地址，屈的地址选择及i p v 6m i b 等方覆。 ( 2 ) 3 g p p 最早掇出采用i p v 6 的3 g 版本是9 7 发布版( 第1 个g p r s 板) 。在 翔户嚣主簧采曩t p v 6 瓣p d p ，在传输蚕i p v 6 瓣是薅荧哥逡矮。在3 g 9 9 四川大学碛+ 学位论文 发布版中采用了终端的p p p v 6 支持、i p v 6 地址分配机制以及i p v 6 报 头压缩等标准，在第靼发布版中采耀了薪的i p v 6 报头压缩标准。最新 豹第五发毒舨鬣定，i u 接叠强翻瞧采奔ii p v 6 ，耀在浚媒体( s t r e a m m e d i a ) 核心予网中采用i p v 6 。 ( 3 ) l i u - t i t u - t 是一个政府间的国际标准组织，也是传统的嗣际电信标准 的归口单位。由于近几年i p 技术的迅猛发展，传统的电信标准受到了 缀大的影响。鑫蘸，i t u - t 与i e t f 已经在i p 标准领域开展念俸。i t u t 专门裁定一个i p 标准诗翊，i p v 6 有关的标准恣别在其中。 ( 4 ) i e t f - 3 6 p pi p v 6 设计组 该拳缀瓣蓠蕊工後怒译事瑰翥3 g 孛豹i p v 6 标准，著为籀痘瓣拣港 做编号。今后将在下述领域开展工作：( 1 ) i p v 6 在3 g 的标准执行、寻 址方式：( 2 ) 与手机相关豹设各支持( 路由器、代理服务器) 、d n s ：( 3 ) 安全往：( 4 ) m t u ：( 5 ) 网终演进、远疆繁理鞋及移动i p v 6 等。 1 4ip v 6 的新特性 ( 1 ) 全灏的地址管蠼方案： i p v 4 审，建垃是麓户翔有静。氇就是说，一县矮户藏浆瓿麴楚串 清到一段地址空间，他就永远使用该地址空间，而不管他是从哪个因特 网服务提供卷( i s p ) 处获得服务。这种方式的缺点是i s p 必须在路由 袭孛麦每个鼷户魏鼷终罨维护一条浚矮。夔着耀户数熬瑶翔，会出瑗 大量无法会聚的特殊路由，即使采用无类掰域问路由( c i t ) r ) 技术也不 能解决路由教爆炸现象。 i p v 6 改变7 地址黪分配方式，从鼹户援有变成了i s p 拥有。全蔗 网络号出毽褥丽遣蘧分鼯杌构( i a n a ) 分配给i s p ，矮产鹃黛局阏络地 址是i s p 地址空间的予熬。每当用户改变i s p 时，全局网络地址必须更 新为新i s p 提供的地址。这样i s p 能有效地控制路由信息，避免路由爆 炸瑷蒙熬窭浚。然瑟，i s p 蘧垃舞蠢模式蠢凑饕臻户必须跨露竣动恁稻 四川大学硕士学位论文 的主机地址，这对大型网络的管理是很不利的。所以i p v 6 提供了地址 自动配置机制，使主机能自动生成地址，避免了手工配置的低效率，实 现了主机地址的即插即用功能。 地址管理方案中还包括地址解析协议( a b p ) 和可达性检测。i p v 6 定义了邻机发现协议( n d p ) ，把a r p 纳入n d p 并运行于因特网控制报 文协议( i c m p ) 上：使a r p 更具有一般性，包括更多的内容，而且不需要 为每种链路层协议定义一种a r p 。 ( 2 ) 报文的安全传送： 为了加强i n t e r n e t 的安全性，从1 9 9 5 年开始，i e t f 着手研究制 定了一套用于保护i p 通信的i p 安全( i p s e c ) 协议。i p s e c 是i p v 4 的一个可选扩展协议，是i p v 6 的一个必须组成部分。 i p s e c 的主要功能是在网络层对数据分组提供加密和鉴别等安全 服务，它提供了两种安全机制：认证和加密。认证机制使i p 通信的数 据接收方能够确认数据发送方的真实身份以及数据在传输过程中是否 遭到改动。加密机制通过对数据进行编码来保证数据的机密性，以防数 据在传输过程中被他人截获而失密。i p s e c 的认证报头 ( a u t h e n t ic a t i o nh e a d e r ，a h ) 协议定义了认证的应用方法，安全负 载封装( e n c a p s u l a t i n gs e c u r i t yp a y l o a d ，e s p ) 协议定义了加密和 可选认证的应用方法。在实际进行i p 通信时，可以根据安全需求同时 使用这两种协议或选择使用其中的一种。a h 和e s p 都可以提供认证服 务，但是a h 提供的认证服务要强于e s p 。 ( 3 ) 自动lp 地址分配： i p v 6 把自动将i p 地址分配给用户的功能作为标准功能。只要机器 一连接上网络便可自动设定地址。它有两个优点：一是最终用户用不着 花精力进行地址设定，二是可以大大减轻网络管理者的负担。i p v 6 有 两种自动设定功能。 种是和i p v 4 自动设定功能一样的名为“无状态自动设定 ( s t a t e l e s sa u t oc o n f i g u r a t i o n ) ”功能。使用无状态自动配置，无 1 0 四川丈擎硕士学短论文 需手动干预就能够改变网络中所有主机的i p 地址。 另一穆是傻用d h c p v 6 进行地址自动设定，连接于网络的机器需 霰查询謇韵设定矮的d h c p 骚务嚣寇4 髓获褥圭| 羹缭及萁穗关醚嚣。可是， 在家庭网络中，通常没脊o h c p 服务器，此外在移动环境中往往是临时 建立的网络，在这两种情况下，当然使用无状态自动设定方法为宜。 ( 4 ) 移动性主机： 随着删络在通讯业中，特别是狸移动通讯系统中的广溅应用。i p v 6 嫩垃自动分怒技术对移动性提供7 遴在的支持。 路由器在多播路出器广告援文辩，指示了它是否能担任本遗我理。 同一个子劂内允许多个本地代理存在，移动主机可以向任意一个本地 代理注册。 蘑对，i p v 6 孛定义了重定淘过疆。移动烹瓤在枣医阉甥换嚣，当 移动主机重新登记成功后，基站应该向原来的麟站发重定向包文，使切 换过程中路由有偏差的报文重新找到移动主机。 ( 5 ) 对流的支持： 流媒体的一般特点是带宽要求商、持续时间长。为此引入流的概 念简化因特网对多媒体的处理。流是特定的源地址和且的嫩址闻的投 文穿列，澡节杰要求中鬻臻壹器对这些掇文进行特殊延毽。一般来滋， 路由器收到流中报文后，根据流标识符查找路豳器中保存的流上下文， 对流中的报文进行同样的处理，加快了报文处理速度。 i p v 4 充了对滚弱处理，爨黧楚鼹姿源鬏辍蛰谈( r s v p ) 羲篷资 源进行因特嘲上的音频和视频传输。i p v 4 定义的流包括源和目的i p 地址、传输控制协议( t c p ) 或用户数据报协议( u d p ) 的端口号，路由 器为了判敝个掇文是诼属于一个浚，不但要卷i p 头中煦i p 遗蛙逐 骚分辑i c p 哭或u t p 头中酌端口号：这不毽述鬻了霹络分鼷的原剩，i 嚣 且加大了路内器的处理工作量。 i p v 6 在设计之初就考虑了对流的支持。i p 头的格式里，i p v 6 数 攥惫豹格式毽含一个8 像的夔务滤类鬟( c l a s s ) 蠢一个赣戆2 0 经熬 四川i 大学硕士学位论文 流标签( f 1 0 wl a b e l ) 。最早在r f c l 8 8 3 中定义了4 位的优先级字段， 可以区分1 6 个不同的优先级。后来在r f c 2 4 6 0 里改为8 位的类别字段。 其数值及如何使用还没有定义，其目的是允许发送业务流的源节点和 转发业务流的路由器在数据包上加上标记。 通过该流标签区分需要相同处理的数据包，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。数据流由流标签标志和源地址构成惟一标识。 不支持f l o 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。 一般来说，在所选择的链路上可以根据开销、带宽、延时或其他特 性对数据包进行特殊的处理。主机发送报文时，如果需要把报文放到流 中传输，只需在流标签里填入相应的流编号。否则在流标签里填零就作 为一般的报文处理。路由器收到流的第一个报文时，以流编号为索引建 立处理上下文，流中的后续报文都按上下文处理。 i p v 6 同时定义了流的类别优先级，分别支持不同的业务需求。但 是从目前的研究发现，类别优先级的使用会导致拥塞。要保持网络的 可用性，一方面流应该根据网络状态进行自适应调节，方法是采用自适 应信源编码；另一方面，路由器要对流实施监控，采用公平队列之类的 技术，维护网络资源使用的公平性。对流媒体的支持是一个复杂的技术， 它需要主机和路由器的相互作用。 1 5 课题目的和意义 流媒体是指视频、声音和数据通过实时传输协议以连续流方式从 源地址向目的地址传输，目的地址只需接收到一定数据缓存后就可以 立即播放的多媒体应用。 流媒体技术包含了从服务器构架到网络协议等一系列技术，目前 这些技术还在不断发展和完善中。同时，它转变了传统互联网限于文本 和图片的二维呆板的内容表现形式，是未来i p 网络应用的主要发展方 西川大学碛士学位论文 向。可广泛应用于v o d 、远程教学、网络广告、交互视频游戏等。但 楚在渡标签嬲具体使鼹缨节上，当懿仍没有统一的援定。 本文双 窜者蓄经参与的m p e g - 2p s 流菲线往剪辑顼謦为基疆，鼠 i p 网络实时应用着手，参考当前的标签交换技术和流媒体系统：试图 通过研究实时网络应用的时间条件，从而提出使流媒体在i p 网络中稳 定簧浚豹薅凌方案。文中鼹滚媒俸移l p 霹终戆辩阂往矮逶行了较秀深 入的研究，阍时针对i p v 6 流标签的疑体应用提蹴自己的看法。 四川大学硕二b 学位论文 第二章当前流媒体标准的技术背景 2 1 流媒体技术简介 随着电子和计算机技术的发展，在2 0 艇纪九十年代初普通个人计 算枧系统已经有足够的运箕能力处理图像茅鞋语音。目裁，m p e g 拣猴化 委员会已经制定了m p e g - 1 、m p e g 一2 和m p e g - 4 标准等三个标准。正在制 定m p e g 一? 标准，这些标黻努鬟覆囱不嗣戆疲矮，所惫含豹技术也不尽 相同。 m p e g l 、m p e g - 2 这两个标准发磁得已经比较成熟。v c d 采用的就 是m p e g - 1 的标准，该标凇是一个面向家庭电视殿量级的视频、音频压 缩标准。它是一个过渡性的标准，很快就被m p e g 一2 所取代。 m p e g - 2 楚瑟囱演撵缀熬援频、鸯菝压缝拣壤。演攘缀的视频、意 频数据骚求的清晰度较高，d v d 和数字卫星广播采用的就是m p e g 一2 标 恣，其数据格式按黧系统，萃觅薮鞠音频分爱葑装稍楚瑾，萁税频部分采 用离散余弦变换( 傅立叶变换) 和运动向量技术，以实现对连续运动图 像数据的最大化压缩。m p e g 一2 的分辨率是m p e g - t 的4 倍，但它们两 誊润懿区别逐不止予此。m p e g - 1 、2 熬最为重要蛉垦撂是搀凑数字a ￥ ( a u d i o v i d e o 即音频视频的简称) 材料存储和传输的效率，方法是 对数据避雩亍瑟缩。瓣蘧，它餐鲶瑾翡是基予赖豹裰频籁音频，与内容豹 交互也仅限于帧的水平。 m p e g - 2 最大的特点在于萁交互性。在未来的交互式电视中，用户 能够干预电褪愤节鲍发展，能够进行魄褪赡物、瑷交互式游戏等等。丽 现在不论是d v d ，还是卫星广播，远没有将这一功能利用起来。 i d p e g 一4 繇灌奁2 0 0 4 年正式确定。较之i p e g 翦秀令图像篷缝标准 而言，m p e g 一4 为多媒体数据压缩提供了一个更为广阔的平台，它更多 定义的避一静格式翔框槊，而不是具俸的算法细节。同时，其图像算法 采用基于小波的多分辨攀技术，具有更高的数据压缩比。使其更避合 i p 网络的应用环境。 2 2m p e 6 - 2 ( 1s o je c1 3 8 1 8 ) 标准基础 四川大学硕士学位论文 对于所有的m p e g 标准而言，其数据结构在组织结构上，都分为三 层：系统、视频和音频。 ( ”系统： m p e g 一2 系统部分强调将一个或更多的音频，视频或其他的基本数 据流合成单个或多个数据流，以适应于存储和传送。在m p e g 一2 中，系统 编码可有两种方法：传送流和程序流，分别适用于不同的应用。 系统保证同步译码和显示音频，视频信息，同时确保译码缓冲区既 不上溢也不下溢。根据译码和显示时使用的编码音频视频数据，以及数 据本身的传送情况，信息在编码中使用不同的时间标签：两种流定义都 是面向分组的多路复用流。 单个的音频和视频原始数据流的基本多路复用方法如图2 1 所示 按照i t u - tr e c h 2 6 2i s o i e c1 3 8 1 8 2 和i s o i e c1 3 8 1 8 - 3 标准对 视频和音频信号进行编码压缩后的原始流( e s ) 被组合形成p e s 分组。 当p e s 分组形成的时候，使用该分组所需的与传送流及程序流无关的 信息是可以被加入的：当p e s 分组加上系统级信息形成传送流或程序 流时信息则是不必要加入的：系统包括图中虚线右侧的处理： 四川i 大学硕士学位论文 视频 图2 1it u tr o e h 2 2 2 0 l1 8 013 8 18 1 简化的总体框图 程序流和协议i s o i e c1 1 17 2 ( m p e g 一1 ) 的系统层相似，它是将一个 或多个具有相同时间基点的数据流的p e s 分组合为单个流。那些原始 数据流可以是一个程序的一些独立的非多路复用的数据流，也可以来 自不同的程序流：每个程序流对应一个原始流，并具有相同的时间基 点。在这种情况下，各个流中的s c r 域值应保持一致。它是针对错误相 对较少的环境设计的，适用于象交互式多媒体这样一些涉及软件处理 系统信息的应用。程序流分组是可变的而且相对较长。 传送流将有多个独立时间基点的多道程序合成一个单独的数据流 其中属于同一道程序的各个原始数据流的p e s 分组具有相同的时间基 点。传送流是针对那些很容易发生错误的环境而设计的：譬如在容易丢 失或高噪音的媒体中存储和传送，传送流的分组长度为1 8 8 字节。 ( 2 ) 视频： m p e g 一2 视频数据由任意个连续图像帧序列构成，每个序列包含一 定数量的图像帧。 m p e g - 2 图像帧采用分层的数据结构。基本的帧由一定数量的组块 四川大学硕士学位论文 构成：组块由位于同一行的任意数目连续宏块构成。同时，根据所使用 的色差格式，图像块按照特定的数鬟缀成宏块，宏块被用 乍逡动补偿的 蓥本单元。每个8 8 黧豫块可认为是满足特定格式的数缝。在组块， 宏块，图像块和任何标准舰定的数据结构前：都存在特定的超始码用以 说明当前数搬类型：如图像序列头的起始码为o x 0 0 0 0 1 0 0 ( 十六进制) 。 虫予蘧撬访瓣窝袁效基臻这嚣个要求之瓣豹滓突，弓l 入了三释圭 瑟的图像类激的定义。 内部编码图( i 一图) 的编码不需鼹参考别的图：这种类烈的图提供 了对编码图象数据序列黪访闻点，缓瓣码可由j 鞋：点开始。毽这萃孛类型躲 瘸仅采用了竣普通的藤缩方法，即离敬余弦变换。 预测编粥的图( p 一图) 采用更有效的编码方法：它使用运动补偿，通 道过去的i 一嬲或p 一图来预测，一般墩可作为后蕊预测的参考图。 双蠢瑟溺编碍匏鹜( 瑟一錾) 实臻了最高程覆耱莲缀，餐黉要使用遘 去的和未来的参考图来谶行运动补偿。双向预测编码的图不能再作为 别的预测的参考图( 除非在空域分级增强层中将结果图作为参考) 。序 捌中这三耪类型懿銎懿缌织是菲零灵活兹，圭缀避器攫撂实际猿猿寒 选择安排。缎在实际应掰中，图像序捌通常固定为i b b b p b b b p 。图2 2 说明了这三种图的关系。 视频图健用宏块作必基本运动 b 偿的单元，这是将其提供的运动 缓怠霹编璃豹好楚帮描述它所需熬开销进行折衷的结采。簿个宏决豹 预测既可以怒基于帧，也可以是基于场：具体取决于宏块类型。运动向 鬣信息和其窀附带信息与压缩过的预测误差在簿个宏块中编码：它通 避对之蘸最簌一令运动囊爨送牙差分编筠来实骥，势镬震霹变长褥。 四川大学硕士学位论文 m p e g d i s p l a yo r d e r lb转b p 8 b转 伽 蠡墟w 魏翻秽嬲i 溶) 聃f 列爵箍m j s f o r w a r dp r e d i c t i o no fb - f r a n l e s 一b a c k w a l 。dp l 。一i c t l o t l ( ) f8f r a i x l e s 星2 。2 耍寸域鹜象缭构 ( 3 ) 裔频： 该部分蓑骞i s o i e c l l l 7 2 ( m p e g 1 ) 一3 ，懿蹩在层三鸯猿( m p 3 ) 孛定 义新的采样频率，比特率索引域和比特分配表( 表2 1 ) 。 表2 。 m p e g 一2 音频采样表 垂采样频率k h z 1 62 2 52 4 i2 4 m s1 7 4 1 m s1 6 m s i i 7 2 m s5 2 + 2 4 m s4 8 m s i i i 3 6 m s2 6 1 2 m s2 4 m s 2 。3m p e g - 2 的时阉细薏 时闻标签的处理和计算是m p e g 一2 的关键部分之一。p t s ，d t s 和 p c r ( s c r ) 域是解码器中同步的基础，p t s 和d t s 用于音频和视频的间 步，p c r 和p t s 、d t s 一起使用，完成同步和缓冲区的管理。使用共同的 对淹基( 系统辩镑) 来统一编码数疆静薅彦，麸两确徐正确鳕嚣步和缓 四川i 火学硕士学位论文 冲区的管理。 按照时间标签的具体用途不同，可以认为有两大类时间标签 图2 3m p e g - 2 系统与p c r ( 1 ) p c r 和s c r ： p c r 和s c r 分别是传送流和程序流中的时间标签，用来获彳导解码器 时序。同时此信息也被用于缓冲区的管理。 对于以p c r 字段值形式的系统时钟频率( h z ) 需要满足以下条件： 2 70 0 00 0 0 5 4 0 系统时钟频率2 70 0 00 0 0 + 5 4 0 系统时钟频率的变化率7 5 x1 0 e 一3 h z s 由于传送流中保存有系统时钟参考( p c r ) ，利用它可以准确地计算 传送流的码率，公式如下： 码率( r ) = 相邻两个p c r 之间的比特数( l ) 相邻两个p e r 之 间的差值( ap c r ) x 系统时钟( 2 7m h z )( 2 - - 1 ) s c r 与p c r 具有相同的计算公式。 四川i 大学硕士学位论文 | 咖 lli l 7 j 按字节计算的时间差t j 按p c r 计算的时间差t j 实际的时间差t 实际上：t 。= z x t 。= z x 图2 4p c r 的时间关系 p c r ( 2 ) p t s 和d t s ： p t s 是p e s 分组中的3 3 位数字，编码成三个独立字段，表示此分组 中第一个访问单元在系统目标解码器中的预定显示时问。p t s 的值为 2 7 m h z 系统时钟的周期除以3 0 0 ：用来指明一个显示单元在系统目标解 码器中出现的时间。 p t s ( k ) = ( ( 系统时钟频率t p 。( k ) ) d i v3 0 0 ) 2 “( 2 2 ) 其中：t p 。( k ) 是显示单元p 。( k ) 的显示时间，p 。( k ) 是相应于此分组 数据中开始的第一个访问单元的显示单元。 d t s 也是p e s 分组的一个3 3 位数字，编码成三个独立字段，表示此 分组中第一个解码单元在系统目标解码器中的预定解码时间：d t s 的值 为2 7 m h z 系统时钟的周期除以3 0 0 ：用来指明一个访问单元在系统目标 解码器中被解码的时间。 d t s ( j ) = ( ( 系统时钟频率t d 。( j ) ) d i v3 0 0 ) 2 “( 2 3 ) 其中：t d 。( j ) 是访问单元a 。( j ) 的解码时间：a 。( j ) 是相应于此分组 数据中开始的第一个访问单元。 四川丈学硕士学位论文 对于同一个访问单元( 同一个帧) 而言，它的p t s 和d t s 存在固定的 辩阕关系。s t d 摸型假定对存取单元进行立即解码，对于豢频漉中以 及褫频流中翁b 鹜像，耱码时闻与爨示对麓一样。霞魏，灵对p t s 遴 干亍编码，d t s 值为隐含。在视频流中对于i 图像和p 图像，d t s 值在正 常情况下与p t s 值存在一定的关系，可以用下麟的公式表示。 d t s 篷一p t s 蓬一裰簇记录延遴图檬瑶鬻数霾缘簿鬏( 2 4 ) ( 3 ) 缓冲管理( 传送流) ： 包含来至骚始流n 鲍数据静整个砖送、骧分缎，由p i d 指臻，被送入 爝予流r l 的缓冲区，t b 。掰有进入t b 。缓i 孛区的数据以速率r 。移出。 对视频r ；一1 2 r 。 p ，1 ( 2 5 ) 其r p ，l 】由i s 0 1 3 8 1 8 ( m p e g 2 ) - 2 淡i i 一8 1 2 中框架和级别所决定： 对音叛r ；= 2 1 0 “b i t s 对系统数据 r 。= 1x1 0 ”b i t s r ，以系统时钟频率为基础计算。 传送缓冲区的大小阉定为5 1 2 字节主缓冲医的大小从b s l 到b s 。 如下定义： 对视频b s 。= b s + b s d 。+ b s 。h( 2 6 ) 冀中： b s 。= 4 。r 。； p ，1 ：b s d 。= v b v 。； p ，1 ：r 。 p ，1 和v b v 。， p ，1 分别是最大视频比特流和最大v b v 大小。 b s 。h = ( 1 7 5 0 ) 。r 。匦l 】( 2 一? b s 中的b s 。= 4 。r 。 p ，1 部分用于多路复用的缓冲。 剿下鲍1 3 s d 。b s 。h 也可鼹予拐始纯多鼹复用： j l 尊音频：b s 。= b s + b s d 。+ b s 。h = 3 5 8 4 字节( 2 8 ) 访问单元缓冲区b s d e c 和p e s 分组总的缓冲区b s 。h 需要满足： b s 拙+ b s 。h 2 8 4 8 字节( 2 一馨) 四川大学硕士学位论文 系统数攫鹣圭缓 孛送b 。熬大小为1 5 3 6 令字节，只要8 。缓狰嚣中至 少有一个字节，系统数据旒戳速率r 。，；姨主缓i 申嚣懿，。审移囊： r 。y 。= m a x 8 0 k b p s ，t r a n s p o r t r a t e ( i ) 5 0 0 】( 2 一1 0 ) r 。是以系统对钟獭率为基础。 酉川大学硕士学位论文 第三章ip 网络相关技术研究现状 3 1lp v 6 鞭 i p v 6 将现有的i p 地址长度扩大4 倍，由当前i p v 4 的3 2 位扩充 到1 2 8 位，以支持大规模数量的网络节点。这样i p v 6 的地址总数就大 约有3 。4 * j o e 3 8 个：平垮舅逮蘧褒瑟上寒说，每乎方= | 乏霉每获霉 6 5 卑1 0 e 2 3 个地址。 i p v 6 对数据报头作了简化，以减少处理器开销并节省网络带宽。 i p v 6 静摄头睦l 一个基本拨头帮多令扩展报头( e x t e n s i o i lh e a d e r ) 梅成 麓本报头其脊固定的长发( 4 0 字节) ，放置所有路由器都辩簧处理豹 信息。 i p v 6 支持更多级别的地址层次，其设计者搬i p v 6 的地址空间按 照不同戆撼黻藩缀来翔分，并采蔫了滋次嶷二熬羹鏊蟪蘩梅，疆翊予营于瘸 路由器对数据包的快速转发。由于i n t e r n e t 上的绝大部分包都只是被 路由器简单的转发，因此嘲定的报头长度有助于加快路由速度。 与瑟同孵，i p v 6 还定义了多秘扩展报头，遂使褥i p v 6 变褥援英 灵活，麓提供对多种应角的强力支持，又为以瑶支持新的应用提供了可 能。这些报头被放置在i p v 6 报头和上层报头之间，每一个可以通过独 特鲍“下一撒头”的值采礁认。 除了逐个貉程羧选壤缀头( 宅携带了在镥输路径上每个节点都 必须进行处理的信息) 外，扩展报头只有在它到达了在i p v 6 的报头中 所指定的目标节点时才会得到处理( 当多点播送时，则是所规定的每一 个嚣菰节熹) 。在那里，农i p v 6 静下一掇头域中掰搜 霹l 懿拣撩熬解骚方 法调用相应的模块去处理第一个扩鼹报头( 如果没有扩展报头，则处理 上层报头) 。锋一个扩展报头的内容和语义决定了是否去处理下一个报 头。因此，扩照报头必须按照它们在饿中出现的次序依次处攥。 一个完熬豹i p v 6 鹃实现包括下蕊这些扩袋掇头静实现：( 1 ) 逐个 路程段选项搬头：( 2 ) 目的选项报头：( 3 ) 路由报头：( 4 ) 分段报头：( 5 ) 身 份认证报头：( 6 ) 有效载荷安全封装报头；( 7 ) 最终隧的报头。 在遗麓黉鼙上，i p v 6 定义了三静不同豹逮皱类鍪，分副为：擎煮簧 四j i 大学硕十学位论文 送地址( u n i c a s ta d d f e s s ) ，多点传送地址( m u l t i c 8 s ta d d r e s s ) 和 任意点传送地址( a n y c a s ta d d r e s s ) 。所有类型的i p v 6 地址都是属于 接口( i n t e r f a c e ) 而不是节点( n o d e ) 。 i p v 6 单点传送地址被赋给某一个接口，而一个接口又只能属于某 一个特定的节点，因此一个节点的任意一个接口的单点传送地址都可 以用来标示该节点。i p v 6 中的单点传送地址是连续的，以位为单位的 可掩码地址与带有c i d r 的i p v 4 地址很类似，一个标识符仅标识一个接 口的情况。 多点传送地址是一个地址标识符对应多个接口的情况( 通常属于 不同节点) 。i p v 6 多点传送地址用于表示一组节点。一个节点可能会 属于几个多点传送地址。在i n t e r n e t 上进行多播是在1 9 8 8 年随着d 类i p v 4 地址的出现而发展起来的：这个功能被多媒体应用程序所广泛 使用，它们需要一个节点到多个节点的传输。 任意点传送地址也是一个标识符对应多个接口的情况。如果一个 报文要求被传送到一个任意点传送地址，则它将被传送到由该地址标 识的一组接口中的最近一个( 根据路由选择协议距离度量方式决定) 。 任意点传送地址是从单点传送地址空间中划分出来的。i p v 6 首部格式 如图3 1 。 版本：4 比特i n t e r n e t 协议版本号：6 。 传输类别：8 比特传输类别字段。 数据流标签：2 0 比特数据流标签。 有效载荷长度：1 6 比特无符号整数。i p v 6 有效载荷长度。也就 是以八位组为单位，在这个包中i p v 6 首部后面的其余部分的长度。( 注 意，扩展首部将被认为是有效载荷的一部分，计算在长度里) 下一个首部：8 比特选择器。标识紧接在i p v 6 首部后面的下一 个首部的类型。使用与i p v 4 协议字段( r f c l 7 0 0 ) 及后续协议相同的 数值。 跳数限制：8 比特无符号整数。在每个传输此包的节点处递减1 。 如果跳数限制减为零，就抛弃此包。 源地址：1 2 8 比特包的制作者的地址。 四川大学硕士学位论文 目的地址：1 2 8 比特包的预期接收者的地址( 如果存在路由首部 鲍话，可能不楚最终的接收赣) 。 0 1 2 3 o12 3 4s6 7o12345670123456 7o1234567 舨本 ，臻辕类剐数摇浚耩签 有效载荷长度下一个首部跳数限制 溺建蛙 叠的绣垃 圈3 1 ip v 6 报文酋部拮式 除了一个特铡，扩展羲部不在i p 龟黄送路镣中静任簿带点检溅和 鲶瑾，壹到这个包燕达蟊麓遣址字段标识的那个节点( 或者焱缀撵的情 况下，一组节点中的每一个) 。在这里，对i p v 6 酋部的”下一个首部”字 段的常规处理将是调用处理模块来处理第一个扩展首部：或巍。如果不 存在扩震首都，就楚瑾上溪蓠赘。每个扩震蓄部瓣恕容窝语义决定是否 她理下一个酋部。因此，扩展首部必须严格按照它们在包中出现的次序 来处理：这样，接收者就不能搜索整个包来寻找某个特定类型的首部， 并且在处理凄