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m t v 测量系统的设计与实现 口t v 性能测量系统的设计与实现 摘要 互联网正在以一种前所未有的方式和力量影响着人们的生 活。其中，口t v ( 交互式网络电视) 迅速发展，离人们的生活越 来越近。要想提供优质的i p t v 服务，就需要借助相应的性能测 量系统对承载网和i p t v 业务系统进行监测和管理。 传统的网络测量技术因为没有考虑到i p t v 的特殊性，所以 存在一定的缺陷。本文提出一种嵌入了真实播放环境的i p t v 性 能测量系统的框架。由于测试使用真实的媒体流，所以测量结果 更准确；由于测量系统对解码的过程进行分析，所以测量指标更 全面。 系统的灵活性是设计i p t v 性能测量系统时考虑的主要问题。 分层的设计使系统在运行环境上有跨平台和跨i p 协议版本的特 性，这使系统非常容易部署和运行；松散的设计使系统在测量模 式上支持点对点测量、点对多点测量，并且对将来可能出现的新 模式比如多跳转发测量能够很好的适应；测量系统还充分利用现 有研究成果，使用编解码库f f m p e g 和绘图库s d l 一方面简化 了开发工作量，另一方面使系统得以支持多种视频编码方式。 本文首先对i p t v 应用的现状进行了分析，指出i p t v 性能测 量系统的重要意义。然后对i p t v 性能测量系统依赖的主要技术 进行了介绍，其中包括视频编解码技术和网络测量技术。接下来 对系统架构进行了分析，确定了i p t v 性能测量系统的实现目标、 性能测量指标和适用场景。随后对各个子系统及其交互和协作进 行了详细的设计。接着讨论了系统的实现，包括开发环境等细节 问题，以及各种测量指标的获取技术。最后，对i p t v 性能测量 系统进行了测试和试验分析，证明本系统功能完整、测量参数准 确，可靠性好。 关键词i p t v 性能测量流媒体马赛克f f m p e g i p t v 测量系统的设计与实现 t h ed e s i g na n 门di n l e n 匝n to fi p t vp e r f o r m a n c e m e a s l 瓜m e n ts y s t e m a b s t r a c t t h ei n t e r a c ti s m a k i n gi m p a c to np e o p l e s l i v e si na l l u n p r e c e d e n t e dm a n n e r a n ds t r e n g t h a m o n gt h e m ，i p t vi sa l l a t t r a c t i v et e c h n o l o g y t op r o v i d eg o o di p t vs e r v i c e s ，c o r r e s p o n d i n g p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mi sn e e d e dt om o n i t o ra n dm a n a g e t h ei p t vs y s t e ma n di t sc a r r y i n gn e t w o r k t h es p e c i a ln a t u r eo fi p t vi sn o tc o n s i d e r e di nt r a d i t i o n a l n e t w o r km e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e s ，s ot h e r ea r es o m ef l a w so ft h e s e m e a s u r e m e n t s t h i sp a p e rp r e s e n t sa ni p t vm e a s u r e m e n ts y s t e m f r a m e w o r ke m b e d d e dw i t har e a lp l a y i n ge n v i r o n m e n t b e c a u s er e a l s t r e a m i n gm e d i aa r ea p p l i e d ，m e a s u r e m e n tr e s u l t sb e c o m em o r e a c c u r a t e t 1 1 em e a s u r e m e n ts y s t e ma l s oa n a l y s i st h ed e c o d i n gp r o c e s s ， m a k e st h em e a s u r e m e n t p a r a m e t e r sm o r ec o m p r e h e n s i v e t h ef l e x i b i l i t yi sam a j o rc o n s i d e r a t i o ni nt h ed e s i g np h a s e s t r a t i f i e d s y s t e md e s i g ng i v e st h es y s t e mt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f c r o s s p l a t f o r ma n dc r o s s - i pp r o t o c o lv e r s i o n ，w h i c hm a k et h es y s t e m v e r ye a s yt od e p l o ya n do p e r a t i o n l o o s e dd e s i g ng i v e st h es y s t e mt h e a b i l i t yt os u p p o r tp e e r - t o - p e e rm o d em e a s u r e m e n t ，p o i n t - t o m u l t i p o i n t m e a s u r e m e n t ，a n dn e wm e a s u r e m e n tm o d e l ss u c ha sm u l t i j u m p m e a s u r e m e n t 砀eu s eo ff f m p e ga n ds d l l i b r a r yo nt h eo n eh a n d c a ns i m p l i f yt h ed e v e l o p m e n tw o r k l o a d ；o nt h eo t h e rh a n da l l o wt h e s y s t e m t os u p p o r tv a r i o u sv i d e oe n c o d i n g t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e dt h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h ea p p l i c a t i o no f i p t v ，i n d i c a t e st h a tt h ei p t vp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mi so f g r e a ti m p o r t a n c e t h e n ，t h em a i nt e c h n i q u e sr e l i e db yi p t vw e r e i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g v i d e oc o d e c t e c h n o l o g y a n dn e t w o r k m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y n e x t ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d a p p l i c a t i o n s c e n a r i o sa r e a n a l y z e d p e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n t i i i i p t v 测量系统的设计与实现 p a r a m e t e r sa r ea l s ol i s t e dh e r e s u b s e q u e n t l y ，a l lt h es u b s y s t e m sa n d t h ei n t e r a c t i v i t i e sa n dc o l l a b o r a t i o n so fs u b s y s t e m sa le c a r e f u l l y d e s i g n e d b a s e d o nt h e d e s i g n ，t h i s p a p e r d i s c u s s e dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gd e t a i l so ft h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n dt h ed e t a i l e dp a r a m e t e rf e t c h i n gt e c h n o l o g y f i n a l l y ， t h et e s t i n go ft h ei p r v p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mp r o v e st h a t t h es y s t e mh a sc o m p l e t ef u n c t i o n a l i t y , a c c u r a t em e a s u r i n gf a c i l i t y ， a n dg o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：i p t v p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ，s t r e a m i n gm e d i a ， m o s a i c ，f f m p e g i v i p t v 测量系统的设计与实现 图表目录 图3 1s p 口r e n tt e s t c e n t c rm t v 测量部署图1 2 图3 2 安捷伦三重播放分析和故障诊断解决方案。1 3 图4 1 口t v 性能测量系统架构图。1 8 图4 2 点对点传输部署图1 9 图4 3 点对多点传输部署图。1 9 图4 - 4 多跳转发部署图2 0 图5 1 口t v 性能测量系统结构图2 l 图5 2 媒体服务子系统结构图2 2 图5 3 媒体呈现子系统结构图2 3 图5 4 性能指标提取子系统结构图2 4 图5 5 服务端测量子系统结构图2 6 图5 6 客户端测量子系统结构图2 7 图5 7 网络通信子系统结构图一2 9 图5 8 服务端和客户端传输模型3 2 图5 9 口t v 性能测量系统时序图3 4 图5 1 0 代码依赖关系- 3 7 图5 1 1 媒体呈现子系统界面3 7 图6 1 系统功能测试图一服务器端。4 2 图6 2 系统功能测试图一客户端( 1 ) 4 3 图6 3 系统功能测试图一客户端( 2 ) 4 3 图6 _ 4 系统功能测试图一客户端( 3 ) 4 4 图6 5 系统功能测试图一客户端( 4 ) 4 4 图6 6 跨平台测试结果4 5 图6 7w m v 编码格式测试结果4 5 图6 8 口v 6 测试结果。4 6 图6 9 系统性能测试图一客户端。4 7 图6 1 0 系统性能测试图一服务器端。4 7 图6 1 1 试验网络拓扑4 8 图6 1 2 时延比较结果( 单位：毫秒) 4 9 图6 1 3 丢包率比较结果4 9 图6 1 4 最大连续丢包数比较结果4 9 图6 1 5r f c l 8 8 9 时延抖动比较结果( 单位：毫秒) 5 0 图6 1 6 视频连续率比较结果5 0 图6 1 7 视频缓冲时间比较结果5 0 图6 18 丢帧率比较结果51 图6 1 9 帧接收速率比较结果5 1 图6 2 0 宏块丢失率比较结果5 1 图6 2 1 频道切换时间比较结果5 2 表4 - 1p t v 性能测量系统客观评价指标1 5 表6 - 1 子系统测试方案。4 1 v i i i 声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：主坠袭兰聋日期：鲨! ! ：至：颦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：三叠凌鱼墅日期：逊：圣! 翌 导师签名： 日期至翌l 毕 i p t v 测量系统的设计与实现 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 自互联网诞生以来，其规模一直不断扩大。网络协议不断演进，网络应用层 出不穷，互联网正在以一种前所未有的方式和力量影响着人们的生活。 其中，口t v 的出现更是加速了这种影响。所谓i p t v ，即交互式网络电视， 是一种以宽带有线电视网为基础设施，使用i p 协议来控制和传输信号，集互联 网、多媒体、通讯等多种技术于一体，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种 交互式服务的崭新技术。 无论是传统的互联网还是p t v 网络，都是基于口协议进行互连的。m 协 议的自身特点造成了建构于其上的网络的变化性和复杂性，特别是难于对整个网 络进行有效的管理和监测。 网络测量可以帮助人们更好地理解、监测、设计和管理互联网。针对传统的 互联网，已经有很多成熟的网络测量的模型和方法。口t v 系统也是建立在传统 互联网技术的基础上的，所以可以通过传统的网络测量手段对p t v 系统进行评 测。但是口t v 系统在应用层有自己的特殊性。这些自身的特性在很大程度上影 响了d t v 系统的部署和实施。使用传统的网络层测量技术测量口t v 系统的性 能存在以下一些缺陷： 1 无法测量诸如缓冲时间等应用层指标； 2 参与测量的包特征和真实d t v 的流媒体包特征存在很大差异，导致测 量结果不准确； 3 无法收集并且融合主观评价指标和客观评价指标。 所以需要一种新的测量系统来指导m t v 系统的部署和实施，在这种系统中， 不仅能测量网络层的参数，而且能测量和口t v 应用相关的应用层参数；不仅能 测量客观指标，而且能收集主观指标。 1 2 课题内容及应用价值 本文主要研究嵌入真实播放环境的m t v 性能测量系统，该系统通过把测量 过程和口t v 播放过程相结合，能够更好的对口t v 系统进行测量和评估。相关 技术的研究主要包括： 1 i p t v 性能测量系统的体系结构。系统的体系结构影响了系统的可用性和 i p t v 测量系统的设计与实现 可扩展性。如何能够容纳不同的底层传输协议，能够适应不同的编解码 技术，能够方便地插接到其它测量控制系统中；如何能够方便地对系统 进行部署。这些问题是本文需要解决的体系结构方面的主要问题。 2 流媒体的保存和检索机制。 3 媒体流的传输和控制机制。 4 媒体流的播放。 5 主观评价指标的获取。主观评价指标通过人的视觉感性地获取。是对客 观评价指标的重要补充，通过主观客观评价指标的对比，可以协助分 析网络拓扑中存在的问题。 6 客观评价指标的提取及与解码器的交互。客观评价指标包括网络层和应 用层两个部分，其中的应用层指标提取涉及到如何深入解码器，以字节 为信息单元分析和收集信息。 7 i p t v 性能测量系统与其它系统的结合。研究口t v 性能测量系统如何才 能做为其它系统的子系统，与其它系统共同协作，构成更加强大的测量 系统。 口t v 性能测量系统具有如下的优点： 1 在网络层，能精确的模拟p t v 的实时流特性，从而更精确地测量给定 网络拓扑的网络层指标。 2 在应用层，深入图象帧和解码系统，得到比较接近主观感受的客观评价 指标。 3 易用的主观评价指标收集机制，使主客观评价指标可以在一起进行分 析。 i p t v 性能测量系统在评测口t v 系统性能、检查部署可行性等方面都有一 定的参考价值。 1 3 论文组织结构 本文后续部分的组织结构如下： 第二章介绍i p t v 系统及其依赖的视频编解码技术。 第三章介绍网络测量技术的概念、分类和主要实现手段。目前国内外对测量 技术相关方面的研究成果。 第四章讨论i p t v 系统的性能测量指标、以及p t v 性能测量系统的设计原 则和体系架构。 2 i p t v 测量系统的设计与实现 第五章给出一种口t v 性能测量系统的具体设计和实现。 第六章结合具体的网络环境对本测量系统进行全方面的测试和分析，以实例 证明其在实际应用中的价值。 第七章总结了p t v 性能测量系统的实践情况，对目前存在的一些问题进行 说明，并指出下一步研究工作的主要方向。 3 i p t v 测量系统的设计与实现 第二章i p t v 系统概述 p t v 也称为交互式网络电视，是一种基于i n t e m e t 的新兴技术，是一种个性 化、交互式的崭新的媒体形态。它是一种利用宽带网的设施，以家用电视机或计 算机作为主要终端设备，集i n t e m e t 、多媒体和通信等多种技术于一体，向家庭 用户提供包括数字电视在内的多种交互式数字媒体服务的崭新技术。正如移动电 话解放了在使用通信时空间对人们的限制一样，新兴的m t v 解放了在观赏电视 节目时播放时间对人们的限制。 2 1i p i v 的历史和未来 d t v 是随着视频压缩、数字版权管理、流媒体传输和分布式存储等一系列 的技术的成熟而产生的。1 9 9 9 年，英国v i d e on e t w o r k s 公司率先推出i p t v 业务， 随后国外的许多电信运营商相继进入了p t v 市场。到2 0 0 3 年上半年，全球就 已有3 0 多家电信运营商推出了口t v 业务。2 0 0 4 年，口t v 业务在国内才真正起 步。2 0 0 4 年5 月，中国网通与i d g 等合资组建的“天天在线”获准成为国内首 家播放视频节目的宽带门户网站。2 0 0 5 年，口t v 中国峰会召开，上海文广新闻 传媒集团获国内首张信息网络视听内容集成运营商牌照。随后，中央电视台、中 央人民广播电台、新华社等传统新闻媒体也相继进军口1 v 。到2 0 0 7 年，无论是 公开招标还是内部测试，国内基本上每个省都拥有或多或少的口t v 实验局，而 如上海、哈尔滨等省市，口1 v 的用户发展都突破了l o 万，形成了一定的规模。 截止至2 0 0 7 年9 月，中国电信运营商在m t v 业务上的累计收入是4 2 9 8 万，虽 然不多，但潜力很大。 i p t v 在国内的发展势头不小，参与其中有网络运营商、各大传统媒体、家 电生产商和网络游戏公司等。i p l v 正以其服务的个性化和超强的互动性，吸引 了越来越多的用户的关注。在p t v 领域，充满了机遇和挑战。 2 2l p t v ( 流媒体) 性能测量的重要意义 建立口1 v 系统是有风险的。影响d 1 v 发展的是用户，而用户最关注的就 是用户体验。在某些网络中组建的口t v 系统，可能并不能使用户达到一个满意 的程度。口t v 性能测量可以对口t v 系统的部署效果进行预测，从而有效地指 导d t v 系统的部署，把风险降到最低。 4 i p l v 测量系统的设计与实现 此外，前期的p t v 性能测量还可以为口t v 系统的各种决策提供足够的信 息。使系统能够以最优化，最完美的方式运行。 对已存在的口t v 系统进行的测量，可以帮助检查系统参数的合理性、进行 故障的分析和定位、寻找系统瓶径，从而保证口t v 系统的健康运行。 总之，口t v 性能测量对于m t v 系统的部置、实施和维护，都具有非常重 要的意义。 2 3 视频编解码技术 视频都是由一帧一帧的图像所构成的，图像按帧依次播放就形成了连续的画 面。但是原始视频是非常占用存储空间的，比如6 4 0 4 8 0 ，2 5 帧每秒的真彩色 影片，存储一分钟所需要的空间就高达1 g b 以上。要想让视频能够得到很好的 保存和传播，就需要对视频内容进行压缩。视频编解码就是指对视频进行压缩和 解压缩的过程。 图像压缩编码技术已有5 0 多年的历史。近1 0 年来，图像编码技术得到了迅 速发展和广泛应用，并且日臻成熟，出现了一系列的编码标准。其中，关于静止 图像的有j p e g j p e g 2 0 0 0 等；关于活动图像的有m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g - 4 、 h 2 6 1 、h 2 6 2 、h 2 6 3 、h 2 6 4 等。这些标准整合了各种性能优良的图像编码算 法，代表了目前图像编码技术的发展水平。 视频压缩分为无损压缩和有损压缩两种。视频的无损压缩是通过消除视频中 的冗余信息来实现的。视频经无损压缩再还原之后，还原的视频没有任何失真。 但是无损压缩只能得到一个一般的压缩效果。绝大多数实用的视频压缩技术比如 h 2 6 4 和m p e g 4 都是基于有损压缩的。有损压缩用一定限度内的失真为代价换 取了相当高的压缩率。下面分别从空间、时间和传输模型上介绍一下当前被普遍 应用的视频压缩思想。 2 3 1 空间模型 空间模型其中一个重要的思想就是保留人眼敏感的信息，消除人眼不敏感的 信息。这主要体现在两个方面： 1 y c b c ，颜色空间。每一帧图像都包含所有采样点处的颜色信息。因为红、 绿、蓝是色光三原色，所以r g b 颜色空间在电视和显示器中被广泛采用。 另外一种有同样强大表述能力的是y c b c ，颜色空间。y c b c ，颜色空间又 叫y u v 颜色空间，使用亮度和色度来表达颜色。其中y 代表亮度，c b 代表颜色的蓝色分量与y 的差值、c ，代表颜色的红色分量与y 的差值。 5 i p t v 测量系统的设计与实现 颜色空间和r g b 颜色空间的换算关系是： y = 0 。2 9 9 r + 0 5 8 7 6 0 1 1 4 b 棼o s s 4 ( b - 的 c f 蕾0 7 1 3 ( r y ) y c b c ，颜色空间的意义就在于：人眼的视觉系统对亮度的感知要明显敏 感于对色度的感知。这一点使得在y c b c ，颜色空间中三种分量的权重发 生了变化：只要保证y ，那么c b 和c ，在一定范围内的变化并不能被人 眼觉察( 一个直观的例子是：即使c b 和c ，全部丢失，仍然能用y 还原 出一幅有意义的黑白图片) 。编码理论利用了这一特性，在图像抽样时减 小c b 和c ，的抽样密度，从而大大减低了码率。 2 人眼的视觉系统还有一个特性就是对低频信号的感知要敏感于对高频信 号的感知。通过滤掉信号的高频部分，就可以大大减少存储图像所需要 的信息。把原始图片中的信息从空域转到频域，是通过离散余弦变换 ( d c t ) 或是离散小波变换( d w t ) 完成的。 空间模型还使用预测编码的概念。通过当前像素的左边和上边的像素对当前 像素进行预测，对实际值和预测值的差值进行编码，这样就能用较少的比特数来 表达帧内编码的像素块信息。在空间模型中的预测编码叫做帧内预测。 2 3 2 时间模型 时间模型中应用的主要思想就是预测编码和在此基础之上的运动补偿技术。 传统的预测编码是指比较当前图像帧和上一幅( 或几幅) 图像帧的整体差异， 并在编码时只保存这些差异。这样在编码静止或者缓慢运动的图像时压缩率非常 明显。 实际编码时还可以做得更好，这就是运动补偿技术。它把图像划分成一个一 个小的宏块( 典型的大小是1 6 1 6 或8 8 ) ，针对宏块进行预测编码。但是参 考宏块不再是前一帧中的对应位置上的宏块，而是前一帧中与待编码宏块最为匹 配的宏块，编码时不仅保存差异，还要保存与参考宏块之间的距离矢量( 运动矢 量) 。虽然多引入了距离矢量的概念，但是运动补偿技术特别适合于编码那种物 体运动的视频场景。 更进一步的优化还有更精细的非整像素( 比如1 4 像素) 的运动补偿、基 于区域而不是宏块的运动补偿等等。通过适当地选取参数，这些优化能够产生非 常好的压缩效果。 6 i p t v 测量系统的设计与实现 2 3 3 传输模型 传输模型是指在经过帧内预测和帧间预测之后，不考虑与图像或视频有关的 特性，而只是把信息做为单纯的连续数据流，以此做为原始数据而进行的压缩。 在这里应用的主要思想是熵编码。 熵编码把频域上的图像参数、运动向量、帧宏块序列参数等一系列信息 编码成可以在网络上传输或者本地存储的二迸制比特流。熵编码是变长编码，把 出现频率较高的数据单元赋予较短的编码，把出现频率较低的数据单元赋予较长 的编码，从而使平均编码长度变小。 2 4f f m p e g 库简介 f f m p e g 是一个开源的项目，它提供了对视频和音频转换和处理的支持。 f f m p e g 可以处理绝大多数的视频和音频格式，是对音视频进行转换处理的 首选。f f m p e g 在l i n u x 上进行开发，但是可以在包括w i n d o w s 等其它平 台上进行编译。 f f m p e g 中包含下面两个主要的库： l i b a v c o d e e 一个包含了所有f f m p e g 音视频编解码器的库。为了保证 最优性能和高可复用性，大多数编解码器是从头开发的。 l i b a v f o r m a t 一个包含了所有的普通音视频格式的解析器和产生器的库。 通过使用f f m p e g ，可以降低p t v 性能测量系统的复杂性，加快开发速度。 2 5 本章小结 本章介绍了p t v 系统在当前网络应用中占有的重要地位，继而引入了口1 v 性能测量系统并阐述了其重要意义。此外，对视频编解码技术中的时间、空间、 传输模型的掌握是开发口t v 相关产品的基础，所以相关内容也在本章被大概的 描述。 本章还介绍了f f m p e g 库的内容、作用和使用方法。f f m p e g 一方面可以 加快口t v 性能测量系统的开发进度，另一方面可以使口t v 性能测量系统继承 性地获得对多种编码方式的支持。 7 i p t v 测量系统的设计与实现 第三章网络测量技术 网络测量是指利用软件和硬件工具，通过收集网络中传送的数据的各方面特 征来显示和分析被测网络的特性。网络测量是获得第一手网络行为指标和参数的 最有效的手段。 网络测量可以帮助人们认识和理解现代互联网络的行为特征和性能表现，帮 助人们诊断网络故障，帮助人们建立高效、稳定、安全、互操作性强、可预测以 及可控制的网络，进而推动互联网络和信息基础结构的健康发展。 网络测量和网络行为分析是高性能协议设计、网络设备开发、网络规划与建 设、网络管理与操作的基础，同时也是开发高效能网络应用的基础。网络测量和 网络行为分析可以为互联网的科学管理和有效控制以及为互联网的发展与利用 提供科学的依据。 在2 0 世纪9 0 年代初期就有人开始研究互联网的测量。1 9 9 5 年美国科学基 金会( n s f ) 系统地进行了互联网通信量的较大规模测量。1 9 9 6 年初，美国应用网 络研究国家实验室( n l a n r ) 在n s f 支持下召开了有关互联网统计与分析的研讨 会i s m a 。此后，依托于美国加州大学圣地亚哥分校超级计算中心的互联网数 据分析合作组织( c a i d a ) ，对网络测量的相关理论和方法展开了系统性研究。 i e t f 也成立了专门的工作组i p p m 来制定p 网络的运行参数。1 9 9 7 年，vp a x s o n 的博士学位论文“因特网的端到端动态性能的测量与分析”成为网络测量领域中 的经典文献【z j 。 伴随飞速增加的带宽、实时和多媒体应用的普及、几乎持续的以指数规律增 长的规模，i n t e m e t 的控制机制和行为特征也日趋复杂和难以理解。网络测量的 意义也就变得越来越重要了。 3 1 网络测量的分类 从对现有网络的影响程度上来看，网络测量可以分为主动测量和被动测量。 被动测量是指测量工具只是观察和收集网络上的分组信息，通过分析这些收 集到的分组信息来计算网络指标和参数。因为不会主动向网络注入流量，所以被 动测量又被称为非侵扰式测量或非介入式测量。被动测量的优点是不对网络造成 影响，缺点是如果网络上没有流量就没法工作，有时还需要特殊的装置或改变协 议。被动测量的典型应用如t c p d u m p ，n e 仃a m e t 等。 主动测量主动向网络上注入有特殊目的的测试分组，然后再对网络进行探测 i p t v 测量系统的设计与实现 ( 比如跟踪这些分组，或者观测测试分组给网络带来的变化) ，从而达到测量的 目的。主动测量又被称为侵扰式测量或介入式测量。相比被动测量，主动测量可 以测出更多的网络参数。p i n g 、t r a c e r o u t e 等工具都是采用主动测量的方法。 从测量内容上来看，网络测量可以分为以下几类： 面向网络结构的测量：主要用来发现和显示网络基础设施，以及链路的 连接细节等网络拓扑信息。 面向网络业务及流向流量的测量：通过收集网络分组，分析和汇报网络 上运行的业务及各种业务流的流向和流量。 面向网络性能的测量：测量带宽、时延、丢包等网络层特性以及和具体 应用相关的应用层特性，还包括网络拥塞和其它故障的定位。 根据分类标准的不同，网络测量还存在其他的一些分类方式。如从被测对象 上来看，网络测量可以分成广域网测量和局域网测量。又如根据测量端口的不同， 网络测量可以分为点对点测量( 两个端点间的独立测量) 和多点测量( 多个端点间 的协作测量) 。 3 2 网络性能测量的主要技术思想和实现手段 网络性能测量主要思想是通过收集网络上的数据包并对它们进行提取和分 析来把网络的各项特性呈现出来。在具体实现时，需要充分利用网络协议和网络 设备的各种特点，对不同的测量目标分别找到各自的测量手段。 3 2 1 网络层测量 端到端双向网络时延测量是网络层性能测量中最简单的一种。它需要其中的 一端能够回送数据包，另一端通过比较发送数据包的时刻和接收到的回送数据包 的时刻就可以得到双向的时延。 端对端单向网络时延可以用类似的办法测得：发送端把发送时刻记录到数据 包中，接收方再比较接收时刻和数据包中记录的发送时刻。但是单向时延的测量 因为涉及到两台机器的时钟，涉及到时钟同步的问题。所以，单向网络时延在实 现上比双向网络时延要复杂得多。在现有的测量体系中使用的时钟同步技术，大 都是通过利用g p s 或p s t n 、c d m a 等网络借助外部时钟源的方式来实现测量 主机间的同步。这种技术精度高，但费用昂贵且在测量主机数量很大时难于实现， 无法满足大规模端到端测量的需要。n t p 协议解决的是时钟校准问题，而非时 9 i p t v 测量系统的设计与实现 钟同步问题，“时钟准确”不同于“时钟同步”。另外，也不能简单地把双向时延 的一半做为单向时延。i n t e m e t 路径不对称，往返路径可能穿过不同的i s p ，甚至 不同网络结构；双向链路性质不对称( 如a d s l ，卫星链路等) ；双向的拥塞排 队不同。这些都将导致两个方向上的时延不同。可以通过基于统计的分析来尽量 消除时钟行为对测量的影响。目前已经有一些研究采用凸集理论解决了时钟重置 调整问题【引。 可用带宽也是评价网络性能的重要指标。某段链路的可用带宽是指该链路的 物理带宽减掉背景业务流量所消耗的带宽后剩下的那一部分可以使用的带宽。由 于网络中的一条路径通常是由多段物理链路连接而成的，因此，端到端可用带宽 就是指一条网络路径中可用带宽最小的链路上的可用带宽。可用带宽会随着背景 业务流量的变化而实时变化。可用带宽测量工具p a t h l o a d 4 】利用时延抖动模型来 测量可用带宽。它发现并近似证明：如果固定速率的测量流( c b r ：c o n s t a n tb i t r a t e ) 的发送速率r 高于可用带宽，则测量流包序列之间的时延抖动将不断增大； 如果测量流发送速率r 小于等于可用带宽，则测量流的包序列之间的时延抖动 将变化不大。p a t h l o a d 利用k 个长度和间隔均相同的包序列的时延抖动情况来推 测可用带宽：先以某个速率r 0 发送测量包序列，如果，则减小发送速率；否则 增大速率；p a t h l o a d 使用类似折半查找的方法逐渐缩小测得的可用带宽范围，并 最终给出可用带宽的上下界。 拥塞定位是诊断网络性能瓶颈的重要手段。一种快速进行拥塞定位的算法是 通过让源端到目的端路过的所有路由器回复两个连续的i c m p 回送包来实现的， 如果从某个路由器开始，这两个连续的i c m p 回送包间的时间间隔明显增大，那 么说明在这个路由器上存在拥塞。 3 2 2 应用层测量 应用层性能测量是指对具体的应用层业务进行更加针对的测量。应用层测量 的指标和具体的应用相关。应用层的测量指标主要以用户的使用体验为依据制 定。例如对m t v 系统进行性能测量，可以以“频道切换时间 、“马赛克率”、“播 放连续率”等作为测量指标。 另外，应用层性能测量还应该包括在特定应用出现时的网络层性能指标。 应用层性能测量从用途上可以分为两大类：对现有应用平台的性能测量；对 现有网络环境进行测量以对某种特定的应用平台的部署进行指导。前者可以把测 量模块( 可以是硬件或者软件) 嵌入现有的应用平台，通过被动分析的方式进行 测量；后者可以事先模拟未来应用平台的网络特性，在此基础上进行一些预测和 分析，但无法获知详细的应用层指标。本文从用途上来说属于后者，通过实现一 l o 口t v 测量系统的设计与实现 个真正的流媒体传输系统，能够获取详细的应用层指标。 3 2 3 网络测量的现有研究成果 目前在国内外对网络性能测量技术及其测量平台都有一定的研究成果，也有 部分产品可以对网络性能状况进行评估。在本节中，对国内外关于测量平台方面 的研究情况做一些简单介绍。 a g i l e n tn 2 x 多服务测试仪：a g i l e n tn 2 xs o l u t i o n 是业内首款综合了最尖端 服务测试能力的具有运营商级基础设施测试和模拟功能的仪器。n 2 x 系列解决 方案能让网络设备供应商和服务提供商更全面地、端到端地测试新服务，从而提 高服务质量，降低网络运营成本。是安捷伦公司结合了r o u t e r t e s t e r9 0 0 、 q n i l i b e rx m 和s a n 测试仪并进行了重大改进，形成的一套集成的测试解决方 案。 认网络测试仪：i x i a1 6 0 0 是可用于多种网络设备性能测试的负载生成器 和分析仪，可测试的设备包括交换机、路由器、有线和无线m o d e m 等边缘和骨 干网络设备。i x i a 采用上行和下行f p g a 技术，在每个端口上实现限速的流量 发生和统计分析，包括时延的实时测试。利用f p g a ，可由硬件实时计算i p 、t c p 和u d p 的c h e c k s u m 。此外，通过i x i a 提供的t c l 应用编程接口，可以实现更 加灵活的测试应用。随着路由器的实现越来越复杂，路由性能也需要做更详尽的 分析检测。i x i a 提供了灵活的路由协议的仿真功能，可以满足广泛的测试应用 需求，包括：r i p 、i s i s 、m p l sr s v p t e 、o s p f 和b g p 。 s p i r e n t 数据通信测试测量仪表：s m a r t b i t s 数据网络测试平台提供了测试 x d s l 、电缆调制解调器、pq o s 、i p 、m p l s 、i p 多播、t c p i p 、i p v 6 、路由、 s a n 和v p n 的测试应用，从网络最初的设计到对最终网络的测试，s m a r t b i t s 提供了产品生命周期各个阶段的分析解决方案。a d t e c ha x 4 0 0 0 平台将m a xi p 与m a xi p e x 强力捆绑，它们所具有的灵活性为网络设备制造商( n e l v o 、电信运 营商和核心与城域边缘网络服务提供商提供了可伸缩的路由器测试解决方案。 c a i d a ( c o o p e r a t i v e a s s o c i a t i o nf o ri n t e r a c td a t aa n a l y s i s ) ：i n t e r a c t 数据分析 合作组织希望在工业界、科研机构和最终用户间相互合作，对网络性能测量的一 些问题达成共识。c a i d a 开发并维护了一系列测量工具，该项目利用多种测量 技术来完成网络性能测量。其中包括利用主动测量技术对路径的性能及其网络拓 扑情况的分析，还包括对高速链路上流的监控与分析等。 3 2 4i p t v 测量的现有产品和研究成果 s p i r e n t ( 思博伦) 的t r i p l ep l a y ( 三重播放) 测试方案是一个集成的测试 i p t v 测量系统的设计与实现 平台，可以通过模拟真实世界进行基于t r i p l ep l a y 的i p t v 系统的测试。s p i r e n t 的i p t v 测试包有如下特征： 每端口仿真数千个正在做频道切换的用户 夺可扩展到数百个端口 令利用仿真的传输流或真实的视频源进行测试 令创建用于不同类型行为的不同的客户配置文件 利用显示每用户最小最大平均值的详细统计来分析数据 确定没有传输流( 空隙) 和同时存在两条频道( 重叠) 的最小最大 平均时间 这一平台可以用来： 令确定数百或数千条频道对网络造成的影响 评估关键性能参数，如s t b 和其它组播设备的频道同隙和频道重叠 利用分布在数百端口上的数千位更换频道的客户，对边缘聚合设备的背 板进行压力测试 利用仿真真实环境中服务器传输流的测试设备，在理想环境下进行基准 测试 通过周密的报告和信道缓冲器分析频道故障或视频质量问题 这一平台还可以模拟网络损伤，并测试网络损伤对i p t v 系统的影响。但在 对视频质量的支持上，该平台目前只支持丢包检查，并不支持更细节的在解码层 次上的参数，如丢帧率，马赛克率等。 图3 1s p i r e n tt e s t c e n t e ri p t v 测量部署图 a g i l e n tj 6 9 0 0 a 三重播放分析仪在一个平台设备上提供了全面的分析和故障 诊断能力，能够对话音、数据和视频业务进行监测和故障诊断。该分析仪能够精 i p t v 测量系统的设计与实现 确测量v 0 口、口t v 和v o d 体验质量，还能进行实时频道切换分析。其中的视 频体验质量( q o e ) 测量通过在线测量方法( 包括视频质量测量技术，可精确预 测i p t v 和v o d 数据流的m o s ( 平均意见得分) ) ，可对媒体传输和服务质量 ( q o s ) 标准进行简单、精确的诊断。主要视频q o e 测量包括： 夺对r t p 和u d p 上的m p e g 2t s 视频流的自动检测和分析 令e t s it r1 0 12 9 0m p e g 传输数据流优先级事件和分析 夺不变和可变比特率数据流的r f c4 4 4 5 媒体传输系数(