（电力系统及其自动化专业论文）低速数据网与局域网实时数据传输研究.pdf

耀矧大学磋圭学载论文( 2 0 0 5 1 的熬础上，提出了用软件实现数据网关，达到两个异构网络相互间实时数据通 信的目的的设计模型。 关键词：实时传输r t pr t c ps l i p 网关 叫川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) r e s e a r c ho fr e a l t i m ed a t a t r a n s p o r t b e t w e e nl o wr a t ed a t an e t w o r ka n dl a n m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：x ny o u n gs u p e r v i s o r ：h o n g g u a n gh u a n g 弘 斤 w i mt h ef a s td e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n i q u e t h er e s e a r c h o nt h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r km u l t i m e d i ah a sb e c o m eo n eo ft h eh o t s p o to ft h e c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n i q u er e s e a r c h o n et r a i t o ft h en e t w o r km u l t i m e d i a a p p l i c a t i o ni sh i g h e rr e q u i r e m e n to nt h er e a l t i m er e a l i t y m e a n w h i l e ，t h et r a d i t i o n a l p r o t o c o lo ft h et r a n s p o r tl a y e r , f o re x a m p l e ，t c p u d pc a n 2m a t c ht h en e e do f r u n n i n gar e a l t i m eb a s e da p p l i c a t i o n t h i sp a p e rm a k e ss o m ea n a l y s i sa n d r e s e a r c h a b o u tr t p r t c r d e s i g n s a g a t e w a y m o d e lt h a tc o u l d p r o c e s s r e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o nt h r o u g hd i f f e r e n ta r c h i t e c t u r en e t w o r k s ，a n da l s od e s c r i b e st h ef l o w o f t h em o d e l sf i m c t i o n s a st h e o r e t i c a l b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rf i r s t i n t r o d u c e st h es t r e a mu a n s p o r t p r o c e s si n c l u d i n gt h ec a t e g o r y , t e c h n o l o g i c a lt h e o r ya n dt h em a i nw a y st op l a yt h e s t r e a mm e d i a a f t e rt h a t ，t h ep a p e ra n a l y s i st h er e q u i r e m e n tf o rt h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r kt or u nar e a l - t i m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，b e s i d e st h a t ，a l s oa n a l y s i st h e c a p a b i l i t i e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt os u p p o r t r e a l t i m et r a n s p o r t t h ep a p e rg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h eg a t e w a yt e c h n o l o g y , a n dt h e n d e s c r i b e st h r e ec a t e g o r i e sa n dt h e i rs u b c a t e g o r i e so fg m e w a yi nd e t a i l s t h e n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo ft h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 i n t r o d u c e st h eo s i7l a y e rm o d e la n dt c p s pp r o t o c o ls t a c k ，e x p l a i n sw h y t h ec u r r e n tt r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o l s u d p t c pd o n tq u a l i f i e df o rr e a l - t i m ed a t a 耀翊大学碗圭学往论文( 2 0 0 5 ， t r a n s p o r t s o ，t h er t p r t c pc o m e so u tc o n s e q u e n t l y t h ep a p e re m p h a s i so nt h e c o n t e n to fr t p r t c p , d e s c r i b e st h em a i nf u n c t i o n s ，f l a m ef o r m a t ，p a r a m e t e r so f r t p r t c rt h e r ea r et w ot y p e so fr t p l e v e lr e l a y , c a l l e dm i x e ra n dt r a n s l a t o r , t h e r t p s u p p o r t st h e s et w oa p p l i c a t i o n s a tt h el a s tp a r to fr t p r t c pt h e o r y , t h ep a p e r s h o w sh o wt or e s o l v et h es s r ci d e n t i f i e rc o l l i s i o na n dh o wt od e t e c tl o o p t or n nt c w i pp r o t o c o ls t a c ko v e rs e r i a ll i n k s ，t h ep a p e ri m p o r t st h ec o n c e p to f s l i pw h i c hc a l l e n c a p s u l a t es t a n d a r dt pp a c k e to v e rs e r i a ll i n k m e a n w h i l e ，t h e p a p e ra l s op o i m so u ts e v e r a ll i m i t a t i o n so ft h es l i e a tl a s t ，t h ep a p e r g i v e st h er t p r t c pp a c k a g e sd a t as t r u c t u r ei nc 十十l a n g u a g e ， a n da l s ot h ei m p l e m e n tf l o w so fr t p r t c eb a s e do ns l l 技t h ep a p e rm a k e ss o m e m o d i f i c a t i o na n d i m p r o v e st h es l i p t oa d a p tt or t p r t c rt h e p a p e r d e s c r i b e sh o w t h ee n h a n c e ds l i pt oe n c a p s u l a t e ，s e n d ，r e c e i v ea n dd e e n c a p s u l a t ed a t a b a s e do nt h ef o r e g o i n gr e s e a r c h e sa n dw o r k s ，t h ep a p e rd e s i g n sam o d e lt o i m p l e m e n td a t ag a t e w a yi ns o f t w a r e ，w h i c hc a l lc o m m u n i c a t e sr e a l t i m ed a t a b e t w e e nt w od i f f e r e n ta r c h i t e c t u r en e t w o r k s k e y w o r d s ：r e a l t i m et r a n s p o r t r t pr t c ps l i p g a t e w a y 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 1 绪论 1 1 课题背景 i n t e r n e t 连接着网络中的各种的资源，包括计算机、数据库、各类智能设备 和存储设备等，提供了资源共享和信息交换的基础。i n t e r n e t 将全世界各种网络 连接到一起成为最大的网际网。i n t e r n e t 的方便和快捷，为人们的生产生活带来 了便利，使得i m e m e t 的应用日益广泛，并且还在不断地向纵深发展。i m e m e t 成为了信息时代来临的标志之- - ”。 近年来，随着i n t e r n e t 的发展和普及，通信技术的发展和进步，网络带宽的 不断增加，除了传统的h t t p 、f t p 和e m a i l 等应用之外，人们同样对更高级的 i n t e r n e t 应用提出了更多的需求，例如语音、图像方面的应用服务。i n t e m e t 己经 可以提供越来越多的多媒体通信业务，如：多媒体会议型业务、多媒体会话型 业务、多媒体分配型业务、多媒体检索型业务、多媒体消息型业务和多媒体采 集型业务【3 】。实现上述业务的核心技术是通过i n t e m e t 进行文字、声音、图像等 多媒体信息的传输，核心思想是“e v e r y t h i n go v e ri p ”，其显著特点是数据量大， 并且许多应用对实时性都有比较高的要求 2 1 。例如，一个多媒体会议系统，我 们总是希望发言者的发言能够尽快地被收听者昕到，即延迟尽量短；另外就是 收听者在收听语音时，希望听到的一句话是平滑的，中间没有断点，即实时性。 这些都是实时多媒体系统应该达到的要求【3 7 l 。 为了满足实时多媒体业务的需要，i t u t 针对不同的通信环境提出了相应 的协议标准，例如基于p s t n 的h 3 2 4 ，基于i s d n 的h 3 2 0 ，基于分组交换网 的h 3 2 3 等1 2 引。专为实时数据流传输而设计的r t p 协议( r e a l t i m et r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) 与r t c p 协议( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 也就应运而生了 4 9 1 or t p 主要实现实时数据的传输，它在包头提供编码类型，包中数据的采样 时刻和数据包的顺序号等相关信息，根据这些信息，发端和收端可以协商编码 类型，可以对收到的数据包进行排序等工作；r t c p 主要负责传输质量的监控以 及传送发端的一些标志信息【5 0 。 在另一方面，网络化是计算机通信领域的发展趋势8 1 。实现各种非e t h e m e t 网络( 例如串行线路网络) 与以e t h e r n e t 及t c p h p 技术为基础的i n t e r n e t 的连 接，使已经存在的大量的非e t l l e m e t 网络能够利用i n t e r n e t 网络的高速，实现异 构网络间的信息共享，是网络化的发展方向。整个计算机领域将是各种网络的 器川大学硪士攀靛渔文( 2 0 0 5 ) 臻会，宅雷 夏勰运接，鞠成一个无缝的餐戆体系。婀终只被麓擎的器嫠是嬲 络，丽不管它传递的内容如何( 数据或控制) ，这种发展趋势是不可避免的。 1 2 当前阁内外发展现状 随着基予分缀的无线业务、多媒体娩务、i n t e m e t 等数据韭务的俊遴增长， 传统电信网( p s l n ) 、计算机网络和电缆电视网等锫类网络逐步向统一的分组 阏方国演变瑟”。酴传统静语音、数据、巍颓等、监务井，许多网络新遭努( 如嚼 # 中心、瘸终酱，浚频点援影撵、各耪缕息罐值l 受务等) 媳褥至l 大力发袋。魏暴 将用户信息传送和处理、网络传送控制簿功能集中在单个网络设备( 交换机、 藏出瓣、阚关等) 中实觋，势怒潮终韭努摸块或骚努爨与这些瓣终设备缀定， 拙会产生网络利用率低、不易扩充、可靠性蓑、难以提供日益增多蚋新业务等 缺陷，为此霞际上出现了将刚络信息的传送及处理、网络呼口q 连接控制、网络 业务提供等功能采胡不同网络郝 牛实现姻技术，即网络功能的分布式实现【4 ”。 滔前存在的各种通倍阚络多种多样，不可能很快地游这些已存圈络进行鬻 巍靛涤汰受麟，潮子不嗣瓣溺绦，其与i n t e r n e t 稻恣羧静羧入方案氇虢有辑畜不 同，需要因地制宽地加以合理选择【9 1 。q # e t h e m e t 的网络接入h a t e m e t ，基本可 戮分为硬佟实魏帮较 孛实现涎类，应该考惑熬阖繇主菱鬣鼓下咒点骆5 】：性麓、 成本、鄂署、升级。对于硬转实现来讲，其性能较奎孑，憾是，成本媚对较裹， 部署祁升级都不很灵活和方便，尤其鼹对于某些有特殊保密需求、野外需要、 瓣络糖羚多变款场合，硬件实现都存衣着不足之处，无法缀努地满足要求【3 ”。 软件实现则没有硬件实现的种种不足。成用网关邋过“硬件软律化”，在使 粥不黼数据格式润翻译数据，实现异褐鲻络鹩互遥剐1 。为了提离应鲻两关莳髓 能，可以采取简化胁议的方法1 2 9 ，根据不同的网络及应用的特点，在已有的协 议的鏊磕上，尽可雏缝糖篱葳改善密酃分褶关协议，设计个改进黧豹协议， 在庞羯弼关上实飘，鼓i 蠹搜褥嚣令暴橡潮终稳辏议在都分功链上糖互藏容筘6 j 。 这样既可以实现所需要的功能，又可以减轻系统的负担，降低维护的复杂度， 瞧可以簿低趱户在疆 孚投入上瓣藏本。 软件实现婀关有以下几种主要的方式1 1 2 j ： 将输入瓣络数据包酶格式疆接转换成输出网络数据包的格式。如飚1 1 骈 示。如果零要豆联n 种异构网络，则需要实现n + ( n l y 2 种网关，显然这零中方 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 法适合于互联网络数目较少，协议简单的情况。 网 图1 1 直接进行相互转换的数据网关实现方式 d 也可以将输入网络数据包的格式转换成- s o 统一的标准网间数据包的格 式，然后在输出端再将这种统一的数据格式按需要，转换为输出网络的数据格 式，如图1 2 所示。如果需要互联n 种异构网络，则需要实现n 种网关，这种 方法适合于互联网络数目较大，协议复杂的情况。 图1 2问接进行相互转换的数据网关实现方式 实时多媒体数据传输是当前网络应用的一个研究热点和方向16 1 。其诸多应 用，例如远程教育、视频会议、远程会议、远程监控等，都具有广泛的应用前 景和市场 1 8 】。而再考虑到如果在异构网络之间实现这一应用，尤其是在计算机 及工业领域业已被广泛采用的串行线路与最流行的以太网之间，必将带来很好 的经济和社会效益，具有一定的现实意义和实际价值。 汹川a = 学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 基本理论基础 2 1流式传输通信过稷 2 ，1 流式健输黎穑 在嬲络上健赣啬，视频繁多媒体基惑基翦主要畜下载帮滚式传埝嚣秘方寒。 a ；w 文转一般都较大，黪以嚣要驰存鼹容量也较大；阉对由于网络带宽蕊限制， 下载常常要花数分钟甚至数小时，所以这种处理方法延迟也很大【2 “。流式传输 时，声音、影像或渤画等时基媒体由音视频服务器向用户计算讥的连续、实时 传邀，黼户不必等劐整个文俘全部下载完毕，落只霰经避凡秒菠十鼗秒豹痿淤 延时即可进 予蕊番。当声蠢等时基媒体在嚣户枫上援放时，文传的剩余部分燎 在后台从服务器内继续下裴【2 ”。流式不仅使扇动延时成十倍、酉倍地缩短，丽 且不需要太大的缓存容赣。流式传输避免了用户必须等待憨个文件全部从 i n t e r n e t 上下载才能观看的缺点郾】。 滚媒髂搬在i n t e m e t i n t r a n e t 中使蠲滚式健埝技术弱逡续黪基媒蒋，翔：费 频、褪频或多媒体文件。流式媒体在撼放前并不下载整个文 牛，只将开始都分 内容存入内存，流式媒体韵数撂流随时传送随时播放，只是在开始时有一些延 迟。流媒体实现的关键技术就是流式佟输。 流式传输的定义狠j “泛，现在主要指逶过潮络来传送媒体( 鲡，辛霓菝、音频) 兹技术慧称u 9 1 。英特定含义为通过i n t e m e t 将影褪节题接送到p c 戡。实现滚式 传输有两种方法；实时流式传输( r e a l 。t i m es t r e a m i n g ) 和顺序流式传输 ( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 。一般说来，如视频为实时广播，或使用流式传输媒体 服务器，或应用搬r t s p 的实时协议，郎为实时流式传输。如使丽h t t p 服务 器，文件瑟逶过颓净滚发送。采翔臻释传输方法取抉于实际需求。当然，滚式 文l 牛也支持在援放麓完全下载到硬盘。 2 1 1 1 顺序流式传输 顺侉流式传输蹩顺序下载，在下载文佟游靖时馐户可褒餐在线媒体，在给 定辩亥l ，雳产只鼹蕊番已下载静鄹部分，甏不靛跷爨还未下载弱秘头部分，糇 序溅式传输不像实时流式传输在传输期间根据用户连接的速度做调整口3 1 。由于 标准的h t t p 服务器可发送这种形式的文件，也不需要其他特殊协议，它经常 被称作h t t p 流式传输。顺序流式簧输 e 较透合高硬量盼短片段，如片头、片 鳃川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 尾和广告，由于该文件在播放前观看的部分是无损下栽的，这种方法保证电影 播放的最终质墩。这意味精用户在观看前，必须经历延迟，对较慢的连接尤其 瓤此。 对遂过调割解调器发布缒片段，颓序流式传输显褥穰实震，它允许蘑配调 制解调器更高的数据速率创建视频片段。尽管有延迟，毕竟可以使用户发布较 高质量的视频片段。 颓序滚式文件是教在菰漆h t t p 或f 释骚务器上，荔予管理，麓本土与貔 火墙无关。顺序流式传输不适合长片段和肖随机访问爱求的视频，如：讲座、 演说与演示。它也不支持现场广播，严格说来，它是一种点播技术。 2 1 。1 2 实静漉式传输 实时流式传输是指保证媒体信号带宽与网络连接桷匹配，使媒体可被实时 观餐或使用j 。实时流与h t t p 流式传输不同，它需骤专用的流媒体服务器与 蕊羧协议。实拜誊滚式黄辕慧楚实簿转送，褥剐逶台褒场攀传，也支特夔裰访凌， 用户可快进或后退以观看前两或后面的内容。理论上，实时流一缀播放就可不 停止，但实际上，可能发生周期暂停。 实薅沆式传输必须配题遴接豢宽，这懑睫著在以调制鳃调器速溲连接对图 象质量较差。而且，由于出错丢失的信恩被忽略捧，阔络拥挤或出现阎题时， 视频质量很差。如欲保证视频质量，顺序流式传输也许更好。实时流式传输需 要特定服务器，如q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 、r e a l s e r v e r 与w i n d o w sm e d i a s e r v e r 。这些骚务器允许你黠嫘俸发送逡行更多级裁鹃控镄，菡露器绕设置、警 璁比标准h t i p 服务器更复杂。实时流式传输还需要特殊网络协议，如：r t s p ( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 或m m s ( m i c r o s o f tm e d i as e r v e r ) 。这些协议在 京耱火墙露毒时会出魂趣嚣，导致爱户不缝看弱一些熄熹兹实薅肉餐。 2 1 2 流媒体技术原理 滚式传输的实现需要缓毒。因为i n t e r a c t 以包传输为基础进行断续约异步传 输，对一个实时恕v 源或存储的a 文件，在蒋赣中它们要被分解为许多包， 由于网络是动态变化的，各个包所选择的路由可能不尽相同，所以到达客户端 的时间延迟也就不同，甚至先发的数据包也有可能会后到。为此，需要使用缓 勰川大学硬士学饿论文( 2 0 0 5 ) 存系统来弥补时间延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体 数据能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓存所 需容量著不大，因为高速缓存使用环形镳袭结构来存镶数据：通过甚弃已经播 敖沟内容，流可以重纛弱嗣黧爨豹高速缓存空间来缓存后续滏未播放懿内容【翻。 流式传输的实现需要合邋的传输协议。由于t c p 需要较多的开销，因此不 太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用h t t p t c p 来传输 羧翻信息，恧趱r t p u d p 寒传辕实霹声音数据网。 流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，w e b 测览器 与w e b 服务器之间使用h t t p t c p 交换控制信息，以便把需要传输的实时数据 从娠始信息中检索出来；然后客户机上豹w e b 测览器爨动a v h e l p e r 程序，使 翊 黼p 腻w e b 鼹务器裣索稿关参数对h e l p e r 程序秘始纯。这些参数霹龟撬 目泶信息、a p e 数据的编码类型或与a j v 检索相关的服务器地址。 a vh e l p e r 程序及a v 服务器运行实时流控制协议( r t s p ) ，以交换a 月 终浚襞翥魏控铡信惠。与c d 疆放援或v c r s 掰提豢豹功程毂，r t s p 提供了 操纵播放、快谶、快倒、暂停及录制等命令的方法。a v 服务器使用r t p u d p 协议将a ，v 数据传输给a v 客户程序( 般可认为客户程序等同于h e l p e r 程 摩) ，一旦a v 数疆抵达客户璇，a 客户程序邵可搔放输出。 需要说鞠的是，在流式传输中，使簿r t p r j d p 和r t s p t c p 两种不同静通 信协议与a v 服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向到一个不同 于运幸亍a vh e l p e r 程序所在客户机的目的地址。实现流式传输一般都需要专用 擞务器帮撵藏器，萁基本藩懋弼图2 1 联示鞋6 1 。 圈2 1 流式传输基本原理 四j i 大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 1 3 流媒体播放方式 2 1 3 1 单播 在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的数据通道，从一台服务器 送出的每个数据包只能传送给一个客户机，这种传送方式称为单播。每个用户 必须分别对媒体服务器发送单独的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所 申请的数据包拷贝。这种巨大冗余首先造成服务器沉重的负担，响应需要很长 时间，甚至停止播放；而管理人员也要被迫购买硬件和带宽来保证一定的服务 质量【1 5 】。 2 1 3 2 组播 i p 组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制 到多个通道上。采用组播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连 续数据流而无延时。媒体服务器只需要发送一个信息包，而不是多个，所有发 出请求的客户端将会共享同一个信息包。信息包可以发送到任意地址的客户机， 从而减少网络上传输的信息包的总量，这样，网络利用效率大大提高，成本将 会大大地降低u 。 2 1 3 3 点播与广播 点播连接是客户端与服务器之间的主动的连接。在点播连接中，用户通过 选择内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、停止、后退、快进或暂停 流。点播连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自连接服 务器，会迅速耗尽网络带宽【l ”。 广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制 流【1 7 】。例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中数据包的单独一个 拷贝将发送给网络上的所有用户。使用单播发送时，需要将数据包复制多个拷 贝，以多个点对点的方式分别发送到需要它的那些用户，而使用广播方式发送， 数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，而不管用户是否需要。 点播与广播这两种传输方式会非常浪费网络带科”】。组播吸收了上述两种 发送方式的长处，克服了上述两种发送方式的弱点，将数据包的单独一个拷贝 发送给需要的那些客户。组播不会复制数据包的多个拷贝传输到网络上，也不 强川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 会将数据包发送给不需要它的那些客户，保证了网络上多媒体应用占用黼络的 最小带宽。 2 。2 蕊关技术基碲 从一个房间走到另一个房间，必然臻经过一扇门，同样，从一个网络向另 一个网络发送信息，也必须经过一道“关口”，这道从一个网络连接到另一个网 终豹“关口”羧建溺关( g a t e w a y ) 1 8 1 o 网关这种说法本身，早在计算机网络技术刚刚开始发展的2 0 僦纪7 0 年代 就已经开始使用了。当时各家计算机生产商用于交换数据的通信程序( 协议) 秘数据接述格式各不相嗣，因此裁把用予相互转换这然按议和格式的专用计算 梳称为阐关。霞裁把连接不黼网络斡设备统称为网关驿6 1 。 作为两个不同的域或系统间中介的网关，要克服的差异本质决定了需要的 网关类型。目前，网关类型主要有三种：协议网关、应用网关、安全网关。 2 2 1 协议网荚 协议网关通常在使用不同协议的网络区域问做协议转换。这一转换过程可 以发生在o s i 参考摸型静麓2 层、第3 艨或2 、3 层之闽。协议网关主要进李亍兹 怒物理上的协议转换。 2 2 1 。t 管道阚关 管道是透过不兼容静溺络莲域簧稔数撰豹巍较运籍翡技术。数据分盔被葑 装在可以被传输网络识别的帧中，到达目的地时，接收主机解开封装，把封装 信息丢弃，这样分组就被恢复到了原先的格式。 管遂技术只能瘸子3 滚携议。虽然鹜遂技术有黥够交蔓转定网络羟釜跟割 的优点，它也有缺点。管邋的本质可以隐藏不该接受的分组，简单来说，管邋 可以通过封装来攻破防火墒，把本该过滤掉的数据传给私有的网络区域。 2 2 1 2 专用秘关 很多的专用网关能够在传统的大型机系统和迅速发展的分布式处理系统问 建立桥梁。典型的专用网关用子把基于p c 的客户端遴到局域网边缘的转换器。 e lj l l 火学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 这些网关通常是需要安装在连接到局域网的计算机上的便宜、单功能的电路板 这使其价格很低且很容易升级。 2 2 1 32 层协议网关 2 层协议网关提供了局域网到局域网的转换，它们通常被称为翻译网桥而不 是协议网关。在使用不同帧类型或时钟频率的局域网之间互连可能就需要这种 转换。 l 、帧格式差异 i e e e8 0 2 兼容的局域网共享公共的介质访问层，但是它们的帧结构和介质 访问机制使它们不能直接互通。例如8 0 2 3 以太网与8 0 2 5 令牌网。 翻译网桥利用了2 层的共同点，如m a c 地址，提供帧结构不同部分的动 态翻译，使它们的互通成为了可能。现在的多功能交换集线器已经可以当成翻 译网桥来使用，不再需要独立的翻译设备。 替代使用仅涉及2 层的设备，如翻译网桥或多协议交换集线器的另一种选 择是使用3 层设备：路由器。路由器经过适当的配置，很容易提供不同帧类型 的翻译。这种方案的缺点是如果使用3 层设备路由器，则需要表查询，这是软 件功能，而像交换机和集线器等2 层设备的功能都是由硬件来实现的，从而可 以运行得更快。 2 、传输率差异 很多过去的局域网技术已经提升了传输速率，例如，i e e e8 0 2 3 以太网现 在有1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 等版本，它们的帧结构是相同的，主要的区别在于物理 层以及介质访问机制，在各种区别中，传输速率是最明显的差异。这种仅有时 钟频率不同的局域网技术需要一种机制在两个其它方面都兼容的局域网间提供 缓冲的接口。 2 2 2 应用网关 应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。典型的应用网关接收 一种格式的输入，将之翻译为新的格式后发送出去，如图2 2 所示。输入和输出 接口可以是分离的，也可以使用同一网络连接。 艘川大学硕士学谯论文( 2 0 0 5 ) 阁2 2 应用网荚的功能 应用网关也可以用于将墒域网客户机与外部数据源相连。应用网关为本地 主机提供了与远程交互式应用的连接。将应用的逻辑和执行代码置于局域网中 的寥户薅可以藏l 羹低萤宽、悉延迟斡广域瓣戆缺点，这藏使褥客户淡豹响应霹 闻燮短。应嗣网关将请求发送给相应的计算机，获取数据，如果需瑟就把数据 格式转换成客户机所要求的格式。 应用网关邋常位于网络数据的交汇点，为了充分地支持这样的交汇点，需 要龟捂弱域网、广域鼹在雨黪多秘弼络技零懿结合。 2 ，2 3 安全网荧 羧来讲，安全露关选裁蹩零说懿网终骑灾蘧。烹溪有三类：键过滤、链 路阏关、应用网关。这三种机制通常结合使用，每种方法都有各自的能力和局 限性。 2 2 3 。l 包过滤器 包过滤是安全映射最基本的形式，可以区分合法包与欺骗包。路由软件可 根据包的源地虹| = 、目的地址溅端口号进行道滤。过滤器可以对进入波流出的数 据搽俸，在网终豢实褒过滤纛踩羞路壹嚣哥；奠为瑟毒森羯搓供安全浚麓珐笺。 包过滤可在任何可路由的网络中使用。 包过滤最好与其它更复杂的过滤机制联合使用，而不是单独使用。 2 2 3 2 链路璃关 链路级网蓑对于保护源于私有、安全的网络环境的请求是很理想的。这种 网关拦截t c p 请求，甚至菜些u d p 请求，然后代表数据源来获取赝请求的信 惑。该代理琵务器接寝对i n t e r n e t 上豹售纛翡请求，著代表数摇源宠戏请求。链 路网关就像一条将源与目的涟在一起的线，但使源避免了穿过不安全的网络区 域所带来的风险。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 】 2 2 3 3 应用网关 应用网关与包过滤方式恰恰相反。包过滤实现的是对所有穿过网络层包过 滤设备的数据的一般性保护，而应用网关在每个需要保护的主机上放置高度专 用的应用软件，它防止了包过滤的陷阱，实现了每个主机的坚固的安全。 2 2 3 4 组合过滤网关 使用组合过滤方案的网关通过冗余、重叠的过滤器提供相当坚固的访问控 制，可以包括包、链路和应用级的过滤机制。这样的安全网关最普通的实现是 保护私有网段边缘的出入点，通常称为边缘网关或防火墙。这一重要的责任通 常需要多种过滤技术以提供足够的防卫。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 3 协议分析 3 1 0 s l 参考模型与t c p l p 协议栈 协议是定义了对数据在计算机之间传输时的表示方法和描述的标准，规定 如何进行传输、如何检测以及如何传输确认信息。 为了减少协议设计的复杂性，大多数网络都按层( l a y e r ) 或级( l e v e l ) 的 方式来组织，层通常都具有某几个相关联、易处理和管理的通信功能。每一层 都建立在它的下层之上，每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而 把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。层和协议的集合被称为网络体 系结构( n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) 。计算机网络中最有影响力的网络体系结构有两 个：o s i 参考模型和t c p i p 协议栈 4 0 】。 3 1 1o s i 参考模型 i s oo s i 开放系统互联参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c e m o d e l ) 由国际标准化组织( i s o ) 制定。这种模型提供了一种描述整个通信系 统的框架，方便了标准的开发州1 。 o s i 参考模型将基本通信功能分成7 层，如图3 1 所示。 应用a应用b 图3 10 s i 参考模型 在o s i 七层模型下，当源端有数据要发送给目的源时，由源端的发送进程 四j i i 大学硕= b 学位论文( 2 0 0 5 ) 把数据交给应用层，应用程序在数据前面加上应用报头，即a h ( 也可以为空) ， 再把结果交给表示层。 表示层可以有多种方式对此加以变换，也可以在前面加报头，然后把结果 交给会话层。与此同时，表示层并不知道也不应该知道应用层传递下来的数据 中哪一个部分是a h ( 如果有的话) ，哪一部分是真正的用户原始数据。 这一过程重复进行，直到数据抵达物理层，然后被实际传输到目的端。在 目的端，当信息向上传递时，各种报头被一层一层地剥去。最后数据到达目的 端的接收进程，完成整个通信的过程。 在这一传输过程中，最关键的概念是，虽然数据的实际传输方向是垂直的， 但每一层在编程时却好像数据一直是水平传输的。例如，当源端的传输层从会 话层得到报文时，它加上了一个传输层报头，并把报文发送给目的端的传输层。 从源端传输层的观点来看，实际上它必须把报文传给本机内的网络层【4 2 。 数据在o s i 模型下传输示意图如图3 2 所示。 发送进程 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 l 数据 a hl 数据 p h数据 s h数据 t h 数据 n h数据 d h数据d t b i t 。 图3 20 s i 模型下数据传输示例 接收进程 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 3 1 2t c p i p 参考模型 t c p i p 网络体系结构是一组允许经多个异构网络进行通信的协议【4 2 1 。它规 范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格 式以及传送方式，是i n t e m e t 的基础。t c p i p 参考模型大致分为四层，从上到 姻川大学硕+ 学位论文( 2 0 0 5 ) 下分别是：应糟朦( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 、传输聪( t r a n s p o r tl a y e r ) 、互联网层( i n t e r a c t l a y e r ) 、网络接口层( n e t w o r k i n t e r f a c el a y e r ) 。和o s i 的7 层协议比较，t c p i p 参考模型中没有会话层和表示层。 t c p i p 穰麓的震次结鞠翅銎3 3 掰示。 主机a 豳3 3t c p i p 网络体系结榆 主桃b 下嚣对t c p i p 的主要功能谗篱单分缓 4 3 1 ： 应用层：皮雳程序阈沟通的层，包含所有的高菇协议。如篱零自g 侔传输协 议( s m t p ) 、文件传输协议( f t p ) 、远程登录协议( i m n e t ) 等。 传输层：提供了源端和鞠的端主机上的对等实体间的数据传送服务。这里 定义了嚣个端翻鲻静谤议。鬻传赣控螽l 渗议t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和用户数据报协议u d p ( u s e r d a t a g r a m p r o t o c 0 1 ) 。t c p 提供可靠服务、面向连 接的协议；u d p 所提供的则是不可靠、无连接的协议。t c p 和u d p 给数据包 鸯馨入簧簸数餐莠疆它传递绘下一层。铸竣蒺受责蕊邀数据，著量确定数据已羧 送达并接收。 互联网络朦：负责提供基本的数据封包传送功能。互联网络屎使主机可以 掇分组发往任何工使分组独立地传向目的端( 可能经l 翅不同的网终) 。这些分组 鲻运静顺序窝发送的颓序巧麓不阂。本鼷让每一个数疆包都够经过蚕达西的 主机( 但不检落是否被正确接收) 。互联网络层定义了正式的分组格式和协议， 即互联网协议i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 。 虱 芩 萸 芩 蓍 薅川大学颈。k 学位论文( 2 0 0 5 ) 网络接口层：对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络( 如 e t h e m e t 、s e r i a ll i n e 等) 来传送数据。 t c p i p 参考模型中各晨及各震波的典型协议魉露3 4 所示。 围困圈围困回 匣回 l t p l j e t h e m 。t ll s m l1 冲pif x 2 5 ii n 胁胁s l 瓣3 4t c p i p 模型豹各屡疑典鼙秘滚 应用层 传输层 网际互联层 网络接口层 3 1 3 传输实时数据时所选用的传输层协议 3 + 1 。3 1t c p 不适合安跨数据载侍输 t c p i p 最初是为提供非实时数据业务而设计的。i p 协议负责主机之间的数 据传输，不进行检错和纠错。因此缀常发生数据丢失或失序现藩。为保证数据 的可靠传埝，设计了t c p 协议用于婵数据的传输，以提高接收端的检错和纠链 髭力。当捡渊至数据镪丢失或错误辩，就要求发送溻重薪发送，但是，这梯不 可避免就引起了传输的延时和耗用网络带宽，而延时对于实时效据传输是无法 接受的，因此传统的t c p i p 协议在传输实时音频、视频数据时的能力较差。屡 然当溪锌畜足够大兹缓冲嚣，黄虽套充足潞霹终锩宽豹嚣楚一f ，在t c p 魏议上 实现接近实时的数据传输也是可能的。但是，如果在丢包率较高、网络状况不 好的情况下，使用t c p 协议进行实时数据的传输几乎是不可能的。下面对t c p 协议不逶会实时数据传输酶原因进行了足点归纳【2 6 l ： l 、t c p 的重传枫湖 在t c p i p 协议中，当发送端发现数据丢失时，它将重传强失的数据包，然 丽这将需疆一个甚至羹多的周期( 根据t c p p ! p 的快速重传机制，这将需要三个 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 额井的顿延迟) 。这种羹传对于实时帔舞求较高酾多嫘体实时数据传输来说怒灾 难性的，因为接收端不得不等待重传数据的到来，从而造成了数据回放的越避 和断点( 音频的不连续绒视频的凝固游) 。而在实际中，视频与诲频对传输的可 靠。整敬要求并不缀葛，它翻可班承受一定程序懿惫丢失，黍蘧运才是致命豹。 2 、t c p 的拥塞控制机制 t c p 拥塞控制机制在探测到有数据包丢失时，就会减小它的拥塞窗口，另 一方覆，音频、视频在黪定的编码方式下，产生豹缡码数量是不可能突然敬变 的。铡如，标准的p c m 辫频需要6 4 k b s ，再热上一些额外的控粼信息，它不能 在低于这个带宽要求的网络上传输。正确的拥塞撩制应该是变换音频、视频信 息的编码方式，调节视频信息的帧频，或图像的大小。 3 、报文头鹣大小 t c p 另外一个不适合实时传输的缺陷是：它们的报文头都比u d p 的报文头 大( t c p 的报文头为4 0 字节，而r t p 的报文头仅为1 2 字节) 。并且，这些可 靠懿黄竣爨谤议不能攥供薅润戳( t i m e s t a m p ) 秘壤鼹璐接患( e n c o d i n g i n f o r m a t i o n ) ，而这些信息是接收端疲附程序在保障q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 时 所必需的。因此，t c p 并不适合进行多媒体信息传输。 4 、启渤速度慢 郯癯怒在网络菰况遮行良好，没有丢包静情况下，由于t c p 豹癌动需要建 立连接，因而在初始化的工程中，需疆较多的时间，而在一个嶷时多媒体的应 用中，尽墩少的延迟是我们所期望的。 5 、t c p 不支持多点广撵 t c p 怒面向端对端提供连接可靠的传输协议，不支持多点广播。而在很多 场合下，实时多媒体信息传输都要求支持多点通信，例如远程多媒体教学、视 频会议等。 由魏可见，虽然t c p 是目前成蹋最广泛、应麓效果菲常理想的传输协议， 但随着人们对网络应用的需求的不断提高，要求冀能较理想地传输多媒体实时 信息，t c p 还是并不适合用来进行实时多媒体数摄的传输的。 3 1 3 20 d p 更适于实时数据的传输 相对于t c p 而言，同样位于传输屡的u d p 协议就更适合二f 传输实时数据。