（计算机软件与理论专业论文）ieee+80211b无线局域网中流媒体性能的研究.pdf

中文摘要 无线网络技术和流媒体应用技术是现今最流行、发展最迅猛的两项因特网技 术，它们的出现为信息的传播与交流带来革命性的变化，也对人们的生活产生了 深远的影响。随着3 g 时代的即将到来，无线的流媒体应用显示出巨大潜在的市 场前景，无线流媒体技术的研究也成为近年来学术界和工业广泛关注的焦点。 由于无线网络天然的丢包、延迟和带宽、缓存限制等因素以及流媒体在传输 过程中对带宽、实时性和可靠性等方面的较高要求，使得无线流媒体应用面临了 诸多挑战。本文主要结合无线信道的特点，引入一种新型的网络模拟器e m u l a t o r ， 对8 0 2 1 i b 无线局域网中的流媒体传输性能进行了一个综合的评价。 利用n i s t n e t 这种流行的e m u l a t o r 工具对带宽、丢包率、传输时延等网络 条件的精确控制，本文首先研究了w i n d o w ss t r e a m i n gm e d i a ( w s m ) 和r e a l s t r e a m i n gm e d i a ( r s m ) 在竞争时的行为特点。实验结果表明，w s m 与r s m 对带宽、丢包率和传输时延等网络因素的敏感程度是不同的，而且资源分配的公 平性较差。这些研究对于设计、配置以及完善更大规模的无线局域网提供了资源 分配的参考。 接着，本文分析了节点移动性对流媒体传输性能的影响，寻求了无线信道特 征( 例如，信道出错率、丢包率、重传、延迟) 与用户级播放质量之间的内在关 系。实验结果表明，无线流媒体性能可能由于节点的移动受到剧烈的影响：不仅 使移动的客户机的性能大大降低，而且还会降低局域网内所有其他客户端的传输 性能。解决方法之一是在a p 处对单个队列进行速率控制，并提供合理的缓冲区 管理机制和调度以保证各个流之间的相对公平性。 最后，本文讨论了无线信号质量对流媒体性能的影响，从m a c 层及应用层 的角度对实验结果进行的分析表明，m a c 层重传策略可以修复大多数丢失的包， 在一定程度上弥补了由于信号质量较差对流媒体播放造成的影响。但是，尽管 8 0 2 1 l bm a c 层向商层隐藏了无线链路的大部分出错，一些错误仍待应用层解 决，从而触发了应用层的重传。一种可行的解决方法是对数据包进行动态分片以 减少无线信道出错对流媒体性能的影响。 关键词：流媒体1 e e e8 0 2 1 l b 无线局域网e m u l a t o rw s mr s m a b s t r a c t s t r e a m i n gm e d i aa n dw i r e l e s sn e t w o r k sa r et w oo ft h em o s tp o p u l a ra n d f a s t g r o w i n gi n t e r n e tt e c h n o l o g i e s 皿e yh a v eb e e nb r i n g i n gr e v o l u t i o n a r yc h a n g e st o t h ep r o m u l g a t i o na n dc o m m u n i c a t i o no fi n f o r m a t i o n ，a n dm a k i n gf u n d a m e n t a li m p a c t o np e o p l e sl i f e w i t ht h e3 g sc o m i n ga g e ，a p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss t r e a m i n gw i l lf i n d h u g ep o t e n t i a lm a r k e tf o r e g r o u n d s t h er e s e a r c ho f w i r e l e s ss t r e a m i n gt e c h n o l o g yh a s d r a w nt r e m e n d o u sa t t e n t i o nf r o mb o t ha c a d e m i aa n di n d u s t r y h o w e r v e r , n o to n l ya r eb a n d w i d t ha n db u f f e ro f t h ew i r e l e s ss y s t e m su s u a l l ym o r e e o n s t r m n e dt h a nt h e i rw i r e l i n ec o u n t e r p a r t s ，b u ta l s ot h ew i r e l e s sc h a n n e lh a sh i 曲e r i n h e r e n tl o s sa n dd e l a y t h e r e f o r e ，s t r e a m i n ga p p l i c a t i o nf a c e ss e v e r a l c h a l l e n g e s w h e ni tc o m e st ow i r e l e s se n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r ，w i t han o v e le m u l a t o rb e i n g i n t r o d u c e d ，w ew i l lp r o v i d es o m ei n s i g h tt ot h ep e r f o r m a n c eo fs t r e a m i n gm e d i ai n i e e e8 0 2 1 1 bw l a n u s i n gn i s tn e t ，ap o p u l a rn e t w o r ke m u l a t i o nt o o lt of i n e l yc o n t r o l lt h en e t w o r k c o n d i t i o n ss u c ha sc a p a c i t y , l o s sr a t ea n dl a t e n c y , w ef i r s t l ye x a m i n e dt h eb e h a v i o ro f w i n d o w ss t r e a m i n gm e d i a ( w s m ) a n dr e a ls t r e a m i n gm e d i a ( r s m ) u n d e raw i d e r a n g eo f n e t w o r kc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw s m a n dr s mh a v e d i f f e n r e n ts e n s i b i l i t yt od i f f e r e n tn e t w o r kf a c t o r sa n dt h e r ei sg r e a tu n f a i r n e s si n c a p a c i t ya l l o c a t i o n s u c hac h a r a c t e r i z a t i o ni su s e f u li nc a p a c i t yp l a n n i n gs t u d i e sf o r t h ed e s i g n ，d e p l o y m e n t ，a n de v o l u t i o no f l a r g e rw l a n s t h e n ，t h ea u t h o ra n a l y s i z e dt h ee f f e c to fn o d em o b i l i t yo ns t r e a m i n gm e d i a p e r f o r m a n c ea n ds e e k t ou n d e r s t a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i r e l e s sc h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s ( i e ，c h a n n e le r r o rm t e ，p a c k e tl o s s ，r e t r a n s m i s s i o n ，d e l a y ) a n dt h e u s e r - p e r c e i v e dq u a l i t yo fav i d e os t r e a m o u re x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et w om a i n p o i n t s ：f i r s t ，w i r e l e s sm e d i as t r e a m i n gp e r f o r m a n c ec a nd e g r a d es i g n i f i c a n t l yi nt h e p r e s e n c eo fu s e rm o b i l i t y s e c o n d t h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o na f f e c t s 出lo t h e r c l i e n t si nw l a n ，n o t j u s tt h ec l i e n t sw h oa r em o b i l e o n ep o s s i b l es o l u t i o ni st ou s e p e r - f l o wq u e u e i n ga tt h ea pa n dt ou t i l i z eab u f f e rm a n a g e m e n ts c h e m et h a tp r o v i d e s f a i m e s sb e t w e e nf l o w s l a s t l y , w es t u d i e dt h ep e r f o r m a n c eo fw s ms t r e a m i n go v e ri e e e8 0 2 1l b w l a nu n d e rd i f f e r e n tc h a u n e lc o n d i t i o n s t h e8 0 2 1l bm a c l a y e rr e t r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mi sa b l et oh i d em o s tp h y s i c a l l a y e rc h a n n e le r r o r sf r o mh i g h e r - l a y e r p r o t o c o l s w h e nn e e d e d ，s o m ee r r o r sa r es t i l l l e f tt ot h ea p p l i c a t i o nl a y e rt os o l v e ， w h i c hc a l lt r i g g e ra p p l i c a t i o n l a y e rr e t r a n s m i s s i o n o n eo fs o l u t i o n si st ou s ed y n a m i c p a c k e tf r a g m e n t a t i o ni no r d e rt or e d u c et h ei m p a c t so fw i r e l e s sc h a n n e le r r o r so n m e d i as t r e a m i n gp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s t r e a m i n gm e d i a ，i e e e8 0 2 1 l b ，w i r e l e s sl a n ，e m u l a t o r , w s m ， r s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加咀标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘堂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。 学位论文作者签名：王彰山 签字日期：以r 年月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蠢鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王酗 导师签名：受岛刚 签字日期：乒卯厂年f 月p 日签字日期：埘年工月 日 天律大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 本文选题的背景 第一章绪论 1 1 1 流媒体领域的研究现状 随着计算机硬件技术和宽带网络的快速发展，人们希望互联网不再只有简单 的网页浏览、文件下载等功能，更能承载实时的视、音频信息。因此，能满足“边 下载边播放”的流媒体技术应运而生并且得到快速发展，流媒体业务也被认为是 未来高速宽带网的主流业务。其中视频点播、远程教育、视频会议、i n t e m e t 直 播、网上新闻发布、电子商务、网络广告等方面的应用空前广泛，方便了人们全 球范围内的信息、情感交流。流媒体技术将对i n t e m e t 的信息广播与信息交流带 来革命性的变化，对人们的工作、学习、娱乐、生活等方面必将产生深远的影响。 流媒体技术的广泛应用，给研究工作者提出了新的挑战。近年来，研究者对 流媒体的技术和应用研究开展了大量的工作。下面简要介绍跟本文工作相关的流 媒体领域研究动态。 对于流媒体的研究，以往的工作涉及的领域很广泛，有的通过测量的方法来 观察流媒体的各种特性【2 ”5 1 ，有的寻求对流媒体的业务流或者平均流量的特征描 述1 2 ”，还有一些针对流的码率自适应和速率控制方法等展开了其它方面的研究 2 9 , 3 0 1 。 2 3 】是引述最多的一篇关于流媒体测量的早期文章。作者对r e a l 音频流进行 了测量，提出一个重要结论：音频的码率通常是低于可提供带宽的。2 2 的研究 者则对r e a l 视频流进行了细致的研究，他们还开发了一种客户端工具，用于传 输过程中对流的特性进行测量：将测量工具与播放列表绑定，安装在一些分散的 节点上，于是这些点的流式传输的性能可以被测量出来。作者的主要贡献在于将 帧率这个重要的质量度量标准与码率这个网络条件度量标准相关联起来。 此外，【2 4 描述了w i n d o w s 流媒体的网络特性，并与r e a l 的流特性相比较。 研究中，他们同时播放同一内容的两种格式的流，从应用层和网络层的角度对他 们进行了比较。但是，由于因特网上公共的流媒体服务器只提供2 6 个分片的共 享媒体内容，所以在一定程度上限制了测量的范围。通过对于两种媒体流包长的 测量，作者还提出了几个有意义的结果。他们发现由于w i n d o w s 流媒体( w s m ) 的包长往往大于网络传输单元m t u ，造成了许多i p 包分片，降低了传输的性能， 天律大学硕士学位论文 第一章绪论 影响了流播放的质量。然而，流媒体服务器管理员可以在媒体文件的编码期间指 定包长大小参数，新版本的w i n d o w s 媒体服务器软件中也可以设定这项参数。 通过分析包的到达间隔时间，他们发现w i n d o w s 流媒体的包以一个恒定的时间 间隔到达，而r e a l p l a y 的业务流则不规则的多。 w i n d o w s 流媒体( 8 0 版) 和r e a l p l a y e r 在缓冲策略上有所不同，r e a l p l a y e r 缓冲的速率远大于回放速率，而w i n d o w sm e d i ap l a y e r 缓冲速率等于回放速率， 从而减少了突发的行为的发生。最新的研究表明，最新版本的w i n d o w sm e d i a s e r v e r 使用的缓冲策略类似于r e a l p l a y e r 。同时，他们还发现，相对于w i n d o w s m e d i a 分片，同样码率的r e a l 的分片的帧率要高得多。总的来说，他们的工作 提出了流媒体领域许多值得关注的的研究方向，但是分片的选择，缺少可访问的 服务器等许多限制以及网络条件的不确定性使研究结果较局限。 3 1 中，作者比较了基于u d p 和t c p 两种传输协议的端到端r e a l 视频传输 的性能。类似于 2 4 1 ，依然选择的是来自公共网服务器上的媒体分片，同时以 u d p 和t c p 作为传输协议进行流的点播。作者在最后一跳路由器上设置了一个 令牌桶过滤装置来引入拥塞。他们发现，通常两种传输协议下接收端的接收速率 是相同的。然而，极度拥塞的状况下，u d p 可获得比应有带宽更多的可用带宽。 在特定的时段，u d p 流仍然具有一定的t c p 友好性，但占用的带宽比t c p 流多 许多，并且这种情况随拥塞程度的增加而加剧。他们发现3 5 的服务器不能依 实际情况改变媒体内容的码率，可能是因为媒体内容中只存在一种编码级别，从 而使这些分片似乎对拥塞不太敏感。最后，作者还进行了r e a l p l a y e r 流缓冲阶段 的测量。 2 0 ，2 1 的研究者还做了其它方面的一些测量工作，研究了如何在低带宽连接 下传输视频，以提供一个良好的低端流媒体网络应用。他们首先在全美范围内的 多个接入点处拨号进入i s p ，然后通过拨号连接传输视频流，并分析他们的性能， 讨论了启动延迟以及缓冲等方面的问题。测得结果显示，平均丢包率仅为o 5 ， 大多情况下，重传丢失的包是修复的有效方法之一，大约9 4 的重传包及时到 达了接受端。据粗略估计，大约4 0 的连接没有丢包，7 5 的连接丢包少于o 3 ，9 1 的连接丢包少于2 ，只有2 的连接丢包率大于6 。f 2 0 的研究者发 现，平均往返时问为7 0 0 m s ，在调制解调器上消耗最小时间为1 2 0 m s 。7 5 的连 接往返时间小于6 0 0 m s 。他们还发现，很少出现较大的延迟抖动，数据包重排率 ( r e o r d e r i n gr a t e ) 也只有6 5 。工作的最后，他们还分析了包突发长度和往返 时间的重尾分布问题，但是只做了一些简单的实验，而缺乏正规的统计测试( 推 荐使用d o w n e yc a l w a t l l r e 测试法) 。f 2 0 中还指出，突发数据长度和往返时间的 分布服从长尾分布，实际上可以模拟为一个a l p h a 参数为1 1 6 的p a r e t o 分布。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 而且，他们测量的7 2 的会话具有非对称路径。 对视频流业务和平均流量的研究是另一个关于流媒体研究成果较多的领域 【2 8 , 3 2 。【3 2 】分析了一些流行的、真实的互联网的流式传输的日志，测量了一个 月内进行的5 ，0 0 0 ，0 0 0 次的请求。研究者主要从客户端，会话和应用的角度分析 了请求到达，会话时间，码率等实际情况。【2 6 通过分析大量的日志文件更进一 步地描绘了流媒体的到达率和到达过程。研究最大的价值在于他们处理了来自 t r a c e 文件和路由器日志中的大量的数据，探讨了流媒体带来的潜在的经济影响， 这种影响随着宽带连接用户的增长而增长。简单地说，他们从终端系统的角度， 在网络层收集和分析了大量数据。【2 6 】主要从以下三方面影响了这个领域的研 究。首先，他们认为在与r e a l 并存的流媒体世界，微软的w s m 技术决定了终 端用户的主导选择。其次，高码率的分片的普及率大大超过了那些低码率类型的 内容。再次，同样用于点播，流媒体和网络传输协议是可变的，可以在u d p ， t c p 之上支持各自的流媒体协议，也可以在t c p 之上支持h t t p 协议。对于实 时的媒体内容的传输，大多( 5 0 ) 使用h t t p 协议，其余的则使用t c p 和u d p ， 这是因为大部分防火墙允许使用h t t p 协议进行传输的w e b 业务流。当然，由 于商业利益的关系，r e a l 和微软都各自倡导用户使用他们公司各自的流媒体传输 协议，而非h t t p 协议。 1 1 2 无线流媒体研究动态 流媒体是很吸引人的业务，它不仅在有线的互连网行业引发了激烈的技术竞 争，而且在无线网络从2 g 向3 g 的发展过程中表现出很强的技术适应性。随着 3 g 网络的不断延伸及最新无线通信协议的进展和先进3 g 通信设备的研制成功， 在实际的流媒体应用中，已经有一些流客户程序装配在高级无线通讯设备当中， 随之带来了广阔的市场前景和丰厚的商业效益。排在前列的互联网视频网站，如 美国在线、r e a ln e t w o r k s 和w w e c o m 等网站，去年2 月份播出的视频节目有 1 4 3 亿小时。像r e a ln e t w o r k s 、y a h o ob r o a d c a s t 和m u s i e m a t c h 等主要的广播网 站单一个月的播出的广播内容达6 4 0 0 多万小时。如果以现有与流相关的互联网 业务为基点，那么8 0 的固网流技术可以直接原样用于无线终端。无线流媒体 被某些研究者和评论家誉为“无线运营商潜在的金矿”。近年来，无线技术与流 媒体技术的结合开始成为学术界和工业广泛关注的焦点。 对于无线流媒体技术的研究，国外的成果相对丰富一些： 1 5 】的研究者对 于无线信道中图像以及视频流传输的问题进行了研究，提出了一种适合于高速无 线信道图象传输的方案，指出实时多媒体的解码和传输性能可以通过带有鲁棒源 天津大学硕士学位论文第一章绪论 解码，信道解码，打包和一些错误修复技术的整合系统而得到较大的改善。【1 6 】 中主要关注无线网络实时视频传输的两个问题：1 提出了在应用层使用决策树进 行丢包后的错误修复；2 对传输层的端到端拥塞和丢包分解l d a 算法进行分析， 从现实的角度评价了算法的性能。【1 5 ，1 6 ，1 7 】等文献都紧密地结合了媒体的编解 码技术，对如何提高无线信道中流媒体传输的质量进行了研究，提出了一些有价 值的算法、策略和方案，并通过仿真的方法进行了性能评价。1 8 1 阐述了无线网 络天然的丢包、延迟和缓存限制等因素给流媒体应用带来的挑战，指出无线流媒 体应用中妒层和传输层存在的很多亟待解决的问题。 9 】对8 0 2 1 1 b 无线局域网 的r e a lm e d i a 的性能进行了研究。从国内来看： 1 9 】设计了一种无线i n t e r n e t 中 跨层支持服务质量的媒体传输架构，将应用层，传输层和链路层控制结合起来， 以获得对不同媒体类型有效的q o s 支持。此外，还有对无线网络视频传输中功 率控制和带宽最优分配策略进行的研究等等。 由以上论述可以看出，无线流媒体的研究主要集中在以下几方面：1 流媒 体在无线传输中的编解码方法；2 在无线传输中提供流媒体应用的q o s 保证的 算法，协议和架构：3 特定格式流媒体性能的研究。 l - 2 本文选题的意义 随着互联网的发展和流媒体编解码技术的不断完善，有线流媒体技术逐渐趋 于成熟化，然而由于网络环境之间的差异，无线网络要比有线网络存在更多的问 题“，因此面向无线网络的流媒体应用为我们提出了许多新的挑战： 首先，带宽的要求。与固定的i p 接入的发展相比，无线业务的带宽差距越 来越大。而对于流媒体传输，特别是视频的传输信息的数据量比普通其它类型的 数据要大，一般需要较高的带宽。 其次，时效性的要求。同没有严格的时延限制的数据传输相比，实时流媒体 业务是对时延敏感的。但是无线网络的拥塞以及链路的不稳定性往往造成不可预 测的网络时延。 再次，可靠性的要求。无线信道的环境也要比有线信道恶劣的多，数据的误 码率也要高许多，而高压缩的码流对传输错误非常敏感，还会造成错误向后面的 图像扩散。 通过上节中的论述也可以看到，大量的研究关注于如何改善流媒体在无线网 络中的传输质量，并且多数研究结论都采用仿真的方法进行评价。而结合无线信 道的特点，通过网络测量的方法，对特定流媒体技术如w i n d o w ss t r e a m i n gm e d i a 、 天津大学硕士学位论文第一章绪论 解码，信道解码，打包和一些错误修复技术的整合系统而得到较大的改善。 1 6 中主要关注无线网络实时视频传输的两个问题：1 提出了在应用层使用决策树进 行丢包后的错误修复；2 对传输层的端到端拥塞和丢包分解l d a 算法进行分析， 从现实的角度评价了算法的性能。1 5 ，1 6 ，1 7 1 等文献都紧密地结合了媒体的编解 码技术，对如何提高无线信道中流媒体传输的质量进行了研究，提出了一些有价 值的算法、策略和方案，并通过仿真的方法进行了性能评价。 1 8 阐述了无线网 络天然的丢包、延迟和缓存限制等因素给流媒体应用带来的挑战，指出无线流媒 体应用中妒层和传输层存在的很多亟待解决的问题。【9 】对8 0 2 1 1 b 无线局域网 的r e a lm e d i a 的性能进行了研究。从国内来看： 1 9 设计了一种无线i n t e r n e t 中 跨层支持服务质量的媒体传输架构，将应用层，传输层和链路层控制结合起来， 以获得对不同媒体类型有效的q o s 支持。此外，还有对无线网络视频传输中功 率控制和带宽最优分配策略进行的研究等等。 由以上论述可以看出，无线流媒体的研究主要集中在以下几方面：1 流媒 体在无线传输中的编解码方法；2 在无线传输中提供流媒体应用的q o s 保证的 算法，协议和架构：3 特定格式流媒体性能的研究。 1 2 本文选题的意义 随着互联网的发展和流媒体编解码技术的不断完善，有线流媒体技术逐渐趋 于成熟化，然而由于网络环境之间的差异，无线网络要比有线网络存在更多的问 题”“，因此面向无线网络的流媒体应用为我们提出了许多新的挑战： 首先，带宽的要求。与固定的i p 接入的发展相比，无线业务的带宽差距越 来越大。而对于流媒体传输，特别是视频的传输信息的数据量比普通其它类型的 数据要大，一般需要较高的带宽。 其次，时效性的要求。同投有严格的时延限制的数据传输相比，实时流媒体 业务是对时延敏感的。但是无线网络的拥塞以及链路的不稳定性往往造成不可预 测的网络时延。 再次，可靠性的要求。无线信道的环境也要比有线信道恶劣的多，数据的误 码率也要高许多，而高压缩的码流对传输错误非常敏感，还会造成错误向后面的 图像扩散。 通过上节中的论述也u j 以看到，大量的研究关注于如何改善流媒体在无线阏 络中的传输质量，并且多数研究结论都采用仿真的方法进行评价。而结合无线信 道的特点，通过网络测量的方法，对特定流媒体技术如w i n d o w ss t r e a m i n gm e d i a 、 道的特点，通过网络测量的方法，对特定流媒体技术如w i n d o w ss t r e a m i , l gm e d i a 、 天津大学硕士学位论文第一章绪论 r e a ls t r e a m i n gm e d i a 等进行研究的著作还不是很多。 1 3 本文的主要工作 本课题的研究目的是利用一种新型的网络模拟测量的方法对无线局域网中 的流媒体传输性能做一个综合的评价。无线局域网的组网方式采用的是技术上较 为成熟的8 0 2 1 l b 标准的无线局域网，而流媒体研究对象选用的是现今最为流行 的w i n d o w ss t r e a m i n gm e d i a ( w s m ) 和r e a ls t r e a m i n gm e d i a ( r s m ) 。如前所 述，由于无线信道自身的特点以及流媒体在传输过程中对带宽、实时性和可靠性 等方面的较高要求，使得无线流媒体技术存在着诸多矛盾需要解决，本文的研究 工作就是围绕着这些矛盾进行展开的，并力求为现实的无线流媒体应用提供些 指导意义。 以下是本文的主要工作和章节安排的简要介绍： 第一章是本文的绪论。简要概括了与本文工作相关的流媒体领域研究的现状 和选题意义，提出需要解决的问题，然后简要介绍本文的主要工作。 第二章介绍流媒体传输与控制协议、质量控制技术，以及无线i e e e8 0 2 1 l b 协议和8 0 2 1 l b 不规则性理论等，为后文的实验研究打下理论基础。 第三章将阐述本文的研究方法，包括一种新型研究手段- - e m u l a t i o n 的选取、 实验床的设计与实现、流媒体文件的选取和编码等，为后文中进行可控、可重现 的实验研究提供研究手段和实验环境。 第四章通过实验研究带宽、丢包率、传输时延等网络层参数以及节点移动性 和无线信号质量对无线流媒体传输性能的影响，并进行分析与讨论。 第五章对本文的工作进行了概括和总结，并对今后更进一步的研究内容给予 展望。 天津大学硕士学位论文第二章无线流媒体技术 2 1 流媒体技术 2 1 1 流媒体的概念 第二章无线流媒体技术 随着现代网络技术的发展，网络开始带给人们形式多样的信息。从在网络上 出现第张图片到现在各种形式的网络视频、三维动画，人们的视听觉在网络上 得到了很大的满足。但人们又面临着另外一种不可避免的尴尬：在网络上看到生 动清晰的媒体演示的同时，不得不为等待传输文件而花费大量时间。为了解决这 个矛盾，一种新的媒体技术应运而生，这就是流媒体技术。 流媒体是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体，如音频、视频或多 媒体文件。而流式传输技术就是把连续的声音和图像信息经过压缩处理后放到网 站服务器上，让用户一边下载一边收听观看，而不需要等待整个文件下载到自己 的机器后才可以观看的网络传输技术。 流媒体是一种基于宽带技术的视频、音频实时传输技术。人们在网页上看到 的不再是文字或者静止的图像，而是类似电视播放的活动图像信息。它的出现使 网络成为集电视、报纸、广播于一体的新的媒体，并将我们刚刚熟悉的“网络一 第4 媒体”的概念推向辉煌。 目前在我国，流媒体技术在网络上的应用已经迅速的展开，企业事业单位， 网吧，个人网站，校园中的局域网等拥有网络环境的地区，纷纷开展了流媒体应 用浪潮，流媒体技术给我们的生活带来巨大的改观已是不争的事实。随着宽带网 络的建设不断向纵深发展，用户对宽带网络的使用开始向娱乐、影视欣赏等方向 转移，对流媒体的应用需求也从简单的了解信息向视听欣赏转变。沿着流媒体技 术的指引，人们看到未来宽带的发展方向，多媒体互动成了人们对宽带网络未来 发展的寄托。声音图像互动交流方式，让商务会议、学习培训、甚至家庭生活在 屏幕中得以延续。 2 1 2 流媒体传输与控制协议 流媒体业务由于其数据量大、实时等特点，对网络传输也提出相应的要求， 主要表现在高带宽、低传输时延、同步和高可靠性几方面。为了保证较好的q o s ， 天津大学硕士学位论文第二章无线流媒体技术 必须考虑传输模式、协议栈和应用体系控制等问题。以下章节主要讨论了应用于 流媒体实时控制和传输的几种协议。图2 1 所示是流媒体传输协议在t c p i p 协 议族的层次结构中的位置以及客观存在与其它协议的配合关系。 町p 册( 3 pr t s p s d p r s v p u d pt c p b e a r e rl a y e r 图2 - 1 流媒体传输协议 实时传输与控制协设( r t p r t c p ) 实时传输协议r t p ( r e a l - 1 f m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 是i e t fa u d i oa n dv i d e o t r a n s p o r tp r o t o c o l 小组专门为声音、视频等实时数据提供的端到端的传输服务而 设计的，作为r f c l 8 8 9 发布。r t p 协议由两个相关的协议组成：承载具有实时 属性的数据流业务的r t p 实时传输协议；承载网络服务质量监控信息的r t c p 实时传输控制协议。 实时传输协议( r t p ) 提供具有实时特征的、端到端的数据传送服务，可以 用来传送声音和运动图像数据。r t p 协议可以在其它网络层或协议层上使用，通 常r t p 的协议元是用u d p 协议元来装载的，并利用u d p 的复用和校验和来实 现r t p 的复用。r t p 协议不是作为一个独立的协议层次来完成的，而是集成到 应用处理进程中，倾向于可变化的，根据具体应用的需要提供所需提供的信息。 本质上，r t p 协议主要位于o s i 七层模型的会话层。用u d p 来装载r t p 协议元 如图2 2 所示。 图2 2 用u d p 来装载r t p 协议元 r t p 协议的目的是提供实时数据( 如交互式的音频和视频) 的端到端传输服 务，因此在r t p 中没有连接的概念，它可以建立在底层的面向连接或面向非连 接的传输协议之上；r t p 也不依赖于特别的网络地址格式，而仅仅只需要底层传 输协议支持组帧( f r a m i n g ) 和分段( s e g m e n t a t i o n ) 就足够了；另外r t p 本身 还不提供任何可靠性机制。在典型的应用场合下，r t p 般是在传输协议之上作 天津大学硕士学位论文第二章无线流媒体技术 为应用程序的一部分加以实现的。 实时传输控制协议r t c p ( r e a l 砸m et r a n s p o r fc o n t r o lp r o w c 0 1 ) 用于统计、 管理和控制r t p 传输，两者协同工作，提供流量控制和拥塞控制服务，能显著 提高网络实时数据的传输效率。在r t p 会话期间，各参与者周期性的传送r t c p 包。r t c p 包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料， 因此，服务器可以利用这些信息动态改变传输速率，甚至改变有效的载荷类型。 r t p 和r t c p 配合使用，能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，故特 别适合传送网上的实时数据。 总的来说，r t c p 主要提供4 大功能： 用反馈信息的方法来提供分配数据的传送质量，这种反馈可以用来进行流量 的拥塞控制，也可以用来监视网络和用来诊断网络中的问题： 为r t p 源提供一个永久性的c n a m e ( 规范性名字) 的传送层标志，因为在 发现冲突或者程序更新重启时s s r c ( 同步源标识) 会变，需要一个运作痕迹， 在一组相关的会话中接收方也要用c n a m e 来从一个指定的与会者得到相联 系的数据流( 如音频和视频) ； 根据与会者的数量来调整i 玎c p 包的发送率： 传送会话控制信息，如可在用户接口显示与会者的标识，这是可选功能。 在r t p r t c p 协议基础上，不同的媒体类型需要不同的封装和管理技术。目 前国际上正在研究基于r t p r t c p 的媒体流化技术，包括m p e g 1 2 4 的媒体流 化技术。另外，r f c 中还从高层讨论了协议的分段问题，指出r t p 最大包长是 受网络最大传输单元m t u 和协议的潜在限制i 这就解释了较早版本的w i n d o w s m e s a 如何传送相对较大的r t p 数据包，而后将其分成3 段甚至更多段的问题1 2 4 1 。 实时流协议( r t s p ) 实时流协议r t s p ( r e m n ”s t r e a m i n gp r o t o e 0 1 ) 是由r e a l n e t w o r k s 和 n e t s c 印e 共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过i p 网络传 送多媒体数据。r t s p 被定义在r f c 2 3 2 6 中 3 3 1 , 其定义是在h t t p 的基础上进 行的，借用了大量的h t t p 语法和操作。r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用t c p 或r t p 完成数据传输。使用r t s p 时，客户机和服务器都可 以发出请求，即r t s p 可以是双向的。 r t s p 是应用级协议，控制实时数据的发送，它提供了一个可扩展框架，使 实时数据，如音频与视频的受控、点播成为可能。数据源包括现场数据与存储在 剪辑中数据。该协议目的在于控制多个数据发送连接，为选择发送通道，如u d p 、 天津大学硕士学位论文第二章无线流媒体技术 组播u d p 与t c p ，提供途径，并为选择基于r t p 上发送机制提供方法。r t s p 能够与资源保留协议一起使用，用来设置和管理保留带宽的流式会话或者广播。 图2 - 3 经w i l d p a c k e t 截包工具解码后的t r a c e 片断 不同于h t t p ，r t s p 以一个独立的信道发送数据，对流本身进行独立控制， 从而使得数据实际上可以基于多种传输层协议进行发送，包括u d p 和t c p 传输 协议，并且数据能分别通过单播和组播的发送信道进行发送。控制信息也可以在 u d p 和t c p 传输协议之上发送。拥有独立的信道进行通信使客户端和服务器都 能发出请求，从而大大方便了对流的控制。 r f c 3 3 1 也描述了在实验测量t r a c e 中可以看到的会话标志位( 如图2 - 3 ) 以及 时间戳的格式和许多选项。其中包括正常播放时间，用它可以定义流的绝对时间 以达到同步的目的，另外也可以通过它判断网络条件。多个细小的流数据包可以 组合成更大的传输层数据包，以减小信息包的资源消耗，从而可能获得更佳的传 输性能。 r t s p 有多种消息类型，其中某些消息类型可以触发服务器的状态改变，如 p l a y ( 播放) ，另外一些消息则用于检索流的信息。r t s p 有以下的消息类型： d e s c r i b e a n n o u n c e g e t p a r a m e t e r o p t l 0 n s 天律大学硕士学位论文第二章无线流媒体技术 p a u s e p l a y r e c o r d r e d i r e c t s e m s e t _ p a r a m e t e r t e a r d o w n d e s c r i b e 消息是由客户端发往服务器的，表明客户端所能接受的数据格 式，并请求获取服务器发送流的具体信息，比如编码率的数量或软件要求。 心州o u n c e 消息则由服务器发送，通知客户端将有些流要到达。r e d i 砌! d c t 消息将指引客户端到另一台服务器获取媒体内容。g e tp a r a m e t e r 和 s e tp a r a m e t e r 消息是用来设置不同的流选项的，其中大部分描述的是操作 细节。 s e t u p 消息由客户端发往服务器以初始化用于传输媒体流的传输协议。通 过发送另外一个s e t u p 消息可以在流传输过程中修改s e t u p 的原先设置，例如 将传输协议u d p 修改为t c p ，由客户端提供特定的协议和端口号。这种动态处 理使得利用网络协议分析工具i c p d u m p 3 4 1 的方式分析流媒体变得困难。一些研究 者试图以t c p d u m p 软件为基础设计用于分析r t s p 和h 2 6 1 协谢3 5 1 的其它分析工 具。然而，他们没有在网上共享这个软件，一时间也没有文献资料提及使用过这 个软件。在后章关于软件说明的那节将有进一步的说明。 服务器首先对s e t u p 消息作出一个o k 消息的回应，其中包括帧的编号、 会话标识、服务器端口号和日期。然后p l a y 消息通知服务器以指定的端口号及 s e t u p 消息中设置的传输协议传输数据。 由于数据流被定义为流的形式，所以p l a y 消息就以一种十分有意义的方式 进行处理。p l a y 消息包括播放特定内容的时间范围，p l a y 的请求在服务器里 形成队列，并按照实际的接受顺序播放相应的内容。服务器不会为响应新的 p l a y 消息而停止当前传输的流，而是试图记录每次被请求传输的时间，使各项 传输尽可能无缝过渡。换句话说，对新的流进行缓冲时不能够有停顿。r f c 指 出，这样做是为了对流进行更细致的处理，甚至使来自不同媒体源的流能够达到 基于u t c 的同步精确；同时它也有利于在流服务器和播放器端能实旖的精确速 率控制算法。 例如，流传输出去后，客户端判断出由服务器发送的信息有1 0 的丢失， 接受到的信息平均有3 5 m s 的延迟抖动。客户端认为这是由网络拥塞造成的，于 是发送另外的p l a y 消息给服务器，要求其以更低的码率进行流传输。由于客户 天滓大学硕士学位论文第二章无线流媒体技术 端仍然在播放原先的p l a y 消息的流，所以客户端需要发送t e a r d o w m 消息 请求停止正在发送的数据流，并释放相关的资源。之后，需要发送另外一条 s e t u p 消息重新发起新的流传输。然而，由于第二条p l a y 消息已经发出，于 是转向这条新的p l a y 消息指定的传输。 【3 3 中还描述的r t s p 中有许多错误消息。例如，如果服务器探测到没有足 够的资源来接受请求，就会发出代码为4 5 3 的“带宽不