完整第六章 多媒体通信网络技术1.ppt

第六章多媒体通信网络技术 Contents 6 1多媒体通信对传输网络的要求 6 2现有网络对多媒体通信的支撑情况 6 3宽带综合业务数字网 6 4基于IP的宽带多媒体通信网络 6 5多媒体通信的实时通信协议 6 1多媒体信息在网络中的传输特性 特征 1 需要实时传输连续媒体的信息 如A V信息 2 要交换的数据量特别大 媒体信息需要压缩编码 对于多媒体通信应用 有4个需要考虑的性能指标 1 比特率 网络在每单位时间内能接收和发送的二进制数字的数量 2 传输延迟 是由发送端发送的一个数据块的第1比特到接收端系统接收到该数据比特之间的时间 3 延迟抖动 一段时间内最长和最短传输延迟之间的差值 4 差错率 对于数据发送中改动 丢失 复制或失序这些行为的度量 也是网络对错误恢复能力的度量 6 2多媒体通信对通信网的要求 6 2 1概述多媒体信息传输时对网络提出很高的要求 原因如下 1 多媒体数据的海量性 2 多媒体数据的集成性 3 多媒体通信的实时性 4 多媒体通信的交互性 5 多媒体通信的同步性现阶段多媒体网络传输的努力方向 如何根据多媒体数据的特征来改造现有的网络 6 2 2多媒体传输网络的性能指标1 吞吐量 throughout 1 传输带宽要求大量的突发数据是多媒体信息传输的一大特点 常包括实时的AV信息 带宽的要求往往与通信质量有关 2 存储带宽要求接收端必须保证足够的缓冲空间来接收不断送来的信息 缓冲区的数据输入速率必须足够大 3 流量要求网络必须有足够的吞吐能力来确保大带宽信息在延长的时间段内的有效性 2 实时性和可靠性要求 1 传输延时在多媒体通信中 为了获得真实的临场感 一般对实时性的要求都很高 即对传输的时延要求越小越好 2 错误率多媒体应用在一定程度上是允许传输网络存在错误 在多媒体通信系统中对所传输的信息大都采取了压缩编码的措施 为了获得高的可靠性 对网络误码性能的要求也很高 3 时空约束要求在多媒体通信系统中同一对象的各种媒体之间是相互约束 相互关联的 它包括空间上和时间上的关联及约束 多媒体通信系统必须正确反映它们之间的这种约束关系 信息传输又具有串行性 这就要求采取延迟同步的方法进行再合成 包括时间合成 空间合成以及时空同步等三个方面 4 分布处理要求网络的发展是多网合一 业务综合和多媒体化是其发展重点 现状 多网共存 如电话网 计算机网广播电视网 媒体各异 声 图 文等 另外 1 由于多媒体应用的交互性 多媒体网络必须是双向的 2 针对不同的多媒体信息系统 传输网络还应当支持单播 多播和广播 5 服务质量要求服务质量QoS是多媒体网络中的一个重要概念 不同的多媒体应用对网络的性能有不同的要求 多媒体数据的特征决定了应用对网络提出了具体的要求 通过服务质量QoS参数对网络资源提出需求 网络对QoS的保障机制还未形成标准 尚处于发展和研究之中 6 3现有网络对多媒体通信的支撑情况 公用电话网 PSDN 分组交换网 PSPDN 电信网络数字数据网 DDN 窄带和宽带综合业务数字网局域网 LAN 通信网络计算机网络广域网 WAN 光纤分布式数据接口 FDDI 分布队列双总线 DQDB 有线电视网 CATV 电视传播网络混合光纤同轴网 HFC 卫星电视网 存在的问题 这些网络都是在一定历史条件下为了某种应用而建立的 1 网络本身的结构不适合传输多媒体信息 2 网络协议不能满足多媒体通信的要求 总体上说来 一个真正能为各种多媒体信息服务的通信网络必须满足 1 数据速率大于100Mbps 2 连接时间从秒级到几个小时 需要改进的其他方面 增加语音 数据图像 视频信息的检索服务 增加分布服务能力 增加网络控制能力以适应不同媒体传输的需要 提供多种网络服务以适应不同应用要求 提高网络交换能力以适应不同数据流的需要 1 公共交换电话网 PSTN PSTN是目前普及程度最高 成本最低的公用通信网络 它在网络互连中有广泛的应用 特点 1 电路交换 2 信道带宽较窄 且用户线是模拟的 现状 V9 0标准的Modem传输速率可达56kbps 可提供低速率的多媒体通信业务 低质量的可视电话和多媒体会议 2 分组交换公众数据网 PSPDN PSPDN是基于X 25协议的网络 特点 分组交换 可动态地对用户的信息流分配带宽 有效地解决突发性 大信息流的传输问题 存在问题 路由的不固定和线路繁忙程度的不同 造成各个数据包延时很不相同 网络由软件完成复杂的差错控制和流量控制 造成较大的延时 另外 1 光纤作为传输媒介 传输出错率越来越小 PSPDN运行的网络协议很大地浪费了带宽 并增加数据传输延迟 2 由于PSPDN是在早期低速 高出错率的物理链路基础上发展起来的 其特性已不再适应目前多媒体应用所需要的高速远程链接的要求 因此 PSPDN不适合于开放多媒体通信业务 3 数字数据网 DDN DDN利用电信数字网的数字通道进行数据传输 特点 1 电路交换 采用时分利用技术 提供固定或半永久连接的电路交换型链接 2 传输速率为n 64kbps n 1 31 或更高 3 它的延时低且固定 带宽较宽 存在问题 无论开放点对点 还是点对多点的通信 都需要网管中心来建立和释放连接 4 帧中继网络 FR FR是一种简化的帧交换模式 特点 1 信息转移仅在链路层处理 简化了交换过程和协议 具有较高的吞吐量和较低的延时 2 利用统计复用技术向用户动态提供网络资源 提高了网络资源的利用率 可靠性高 灵活性强 利用FR作为多媒体用户接入方式是经济有效的方案 帧中继网是开放会议电视业务的LAN远程互联的一种优选技术 5 交换多兆比特数据服务 SMDS SMDS是由远程通信运营者设计的服务 可满足对高性能无连接局域网互连日益增长的需要 SMDS是高速服务 用户利用它可通过交换SMDS数据报进行通信 特点 1 面向无连接的网络 被交换信息块长度可变 2 用户可借助路由器通过SMDS连接不同的局域网 3 SMDS提供了一个封闭的用户组服务 可提供多点广播服务 4 SMDS控制了用户接口输出的比特率 规定用户必须服从的速率从1 5 4 5Mbps 6 窄带综合业务数字网 N ISDN 特点 1 电路交换网络 延时低而固定 2 用户接入速率有 基本速率 BRI 144kb s 2B D 和基群速率 PRI 2 048kb s 30B D 现状 由于ISDN实现了端到端的数字连接 从而可以支持包括话音 数据 图像等各种多媒体业务 能够满足不同用户的要求 通过多点控制单元建立多点连接 在N ISDN上开放较高质量的可视电话会议和电视会议是目前最成熟的技术 7 计算机局域网 LAN LAN的应用范围最广 例如大的部门 系统及集团等 工作方式 1 利用一个单独的媒体将所有的端系统连接起来 2 以基带方式传输 在这种模式中 时间片被分给所有站和每个站的所有通信 3 之后 数据流被分成帧 利用帧进行传输 3种常见的共享媒体LAN 以太网 令牌环传送网和FDDI 1 100Base T快速以太网 使用常规以太网存取共享媒体的模式 CSMA CD 但它却运行于100Mbps工作段 现在100Base T快速以太网已有两种变形 一种是运行在优质的非屏蔽双绞线上 另一种则适合于低质的双绞线 这种仍在使用 并且可以重新加以利用 2 100VG AnyLAN 仅使用以太网的帧格式 而不是面向连接的CSMA CD媒体的存取方法 所有的段都被连接到一个集线器上 这种技术有一种支持基于服务的多媒体应用的潜能 其复杂点是内部集线器的连接容量有可能成为瓶颈 同步FDDI和令牌环是完全适合已有硬件的软件机制 它们提供对环的有界存取时间和每个站的平均比特率的保证 因此 提供了一个不错的对完全等时性机制的近似方法 3 FDDI II 又称等时FDDI FDDI不兼容 用来处理实时多媒体服务 在每信道6Mb s的16个宽带信道上支持完全的等时性机制 这是一种专用带宽技术 设计支持等时的固定位速率 CBR 应用 这些信道与线路类似而且完全适合要求固定比特率的多媒体应用 4 等时以太网和FDDI II共同的方面 提供一个10Mbps的常规以太网服务 提供一个运行于被分成96条线路的附加6Mbps的信道 每条这样的线路仿真一条ISDN的线路 于是一个连接于等时以太网上的站通过单一连接器可得到常规数据服务和ISDN服务 一个中心集线品可把局部的站点和外部的公用ISDN服务互连起来 并提供一个信关功能使每个站可以在无附加连线或装备的情况下实现存取功能 现状与问题 LAN在其通信机制下 实现多点连接不成问题 每个包的延迟时间不能保证相等 它与网络的拥塞程度有很大的关系 解决 ATM局域网仿真技术 LANE 将目前通信领域中较为先进的ATM交换技术引入LAN的主干网 解决了主干网的带宽 等待时间和延时抖动等问题 这种方法在允许现有应用软件在ATM局域网上运行 可采用不同的技术在ATM网上仿真局域网 LANE支持传统局域网数据帧结构以无连接模式传输 也支持局域网多点发送与广播发送功能 还允许ATM局域网通过标准网桥或路由器连接现有的局域网 LAN与LANE的区别 在概念上 这种方法较接近于100Mbps交换以太网 LAN成为集线器和交换设备的网状群体 每个站有一个对最近的集线器点的专用访问 LANE可提供的设备范围以及对某些多媒体服务有用的最大存取速度 LANE技术在用户端通过局域网仿真技术仍然使用原有的无连接方式的通信协议 同时采取对实时性有要求的数据包以高的传输优先级等措施 使改进后的LAN可以提供桌面多媒体会议和其它宽带多媒体业务 8 Internet网是由路由器和专线构成的数据网 它可以通过电话网 分组网和局域网接入 现状 1 Internet以其丰富的网上资源 方便的浏览工具和快捷的电子邮件等特点在世界范围内迅速发展与普及 2 Internet在发展初期并没有考虑在其网络中传输实时多媒体通信业务 它使用的通信协议为TCP IP 该协议难以保证多媒体业务所要求的实时性 解决 IETF Internet工程任务组 制定了一些新的补充协议 如RSVP和RTP 以解决在Internet网上连续媒体的同步和实时传输问题 9 有线电视网 CATV CATV是已经建立起来的伸展到千家万户的宽频带网络 存在的问题 CATV网是分配型的网络 不具备电信网的交换功能 难以开展非分配型 例如多媒体会议 的多媒体业务 解决方式 对CATV网络进行双向改造 当光纤铺设到小区后 结合经双向改造后的CATV网络 从小区到用户的短距离同轴电缆的带宽可以拓宽到750MHz以上 然后通过频分多路复用技术 可以实现电话 模拟电视广播和交互式数字点播电视 VOD 等业务共网传输 从而实现带宽多媒体业务 6 4宽带综合业务数字网 B ISDN 1 ISDN IntegratedServiceDigitalNetwork 综合业务数字网的概念ISND是一种数字化电话连接系统 ISDN是第一部定义数字化通信的协议 该协议支持标准线路上的语音 数据 视频 图形等的高速传输服务 ISDN的承载信道 B信道 负责同时传送各种媒体 占用带宽为64kb s 有些交换机将带宽限制为56kb s ISDN不仅限于公共电话网络 其传输还可以通过分组交换网络 电报网或有线电视网络等完成 根据带宽和服务分为窄带ISDN和宽带ISDN 2 B ISDN可以支持各种不同类型 不同速率的业务 不但包括连续型业务 还应包括突发型宽带业务 其业务分布范围极为广泛 包括速率不大于64kbit s的窄带业务 如语音 传真 宽带分配型业务 广播电视 高清晰度电视 宽带交互型通信业务 可视电话 会议电视 宽带突发型业务 高速数据 等 B ISDN采用ATM交换技术 其特点 传输通道带宽大 155Mbps 622Mbps 以固定长度 53字节 的信元进行高速交换 网络延时小 能够处理突发性信息 可以动态分配带宽 收发端通过虚电路VC进行连接 并保证提供网络和终端在连接建立时所商定的服务质量QoS 通过建立多亲虚电路可以实现多点连接等 ATM是面向连接的 也可模仿一个无连接服务 端系统可以同时与其他用户系统建立若干个虚通路 VC 其中一些VC可以合并为虚通道 VP ATM与X 25服务的主要区别是ATM的虚拟连接是同一个特定的服务类别相联系而建立的 6 5基于IP的宽带多媒体通信网络 基于IP的宽带网络是以光纤为传输介质 大容量的密集波分复用 DWDM 为传输通道 SDH SONET ATM或千兆以太网为组网模式 第三层 第四层路由交换机为交换平台 综合提供基于IP的各种多媒体业务的数据通信网络 目前实现宽带的IP网络的典型技术有 IPoverSDH IPoverATM IPoverWDM IPoverDWDM等 6 5 1IPoverATM技术1 ATM AsynchronousTransferMode 技术 1 ATM信元ATM信元是固定长度的分组 共有 个字节 分为 个部分 前面 个字节为信头 主要完成寻址的功能 后面的 个字节为信息段 用来装载来自不同用户 不同业务的信息 话音 数据 图像等所有的数字信息都要经过切割 封装成统一格式的信元在网中传递 并在接收端恢复成所需格式 2 ATM技术是一种全新的面向连接的快速分组交换技术 它综合了分组交换和电路交换的优点 采用异步时分复用的方法 将信息流分成固定长度的信元 CELL 进行高速交换 3 ATM的特点ATM采用了分组交换中统计复用 动态按需分配带宽的技术 采用短固定长度的信元 可用硬件逻辑完成对信元的接收 识别 分类和交换 保证155Mbps 622Mbps的高速通信 ATM网内不处理纠错重发 流量控制等一系列复杂的协议 减少网络开销 提高网络资源利用率 在ATM网中可承载不类同型的业务 如话音 数据 图象和视频等 这在其他的网络中是不可能实现的 ATM提供适配层 AAL 的功能 不通类型的业务在该层被转换成标准信元 ATM是面向连接的 ATM是目前唯一具有QOS 服务质量 特性的技术 ATM在专网 公网和LAN上都可以使用 2 IPoverATM技术的原理及工作方式将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元 以ATM信元形式在信道中传输 当网络中的交换机接收到一个IP数据包时 它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址处理 按路由转发 随后 按已计算的路由在ATM网上建立虚电路 以后的IP数据包将在此虚电路上以直通方式传输 再经过路由器 从而有效地解决了IP的路由器的瓶颈问题 并将IP包的转发速度提高到交换速度 IPoverATM分层模型与封装示意图 ATM支持IP业务的两个问题 1 ATM的通信方式是面向连接的 而IP是面向无连接的 2 ATM与IP地址的映射 ATM是以ATM地址寻址的 IP通信是以IP地址来寻址的 而IPoverATM是以ATM网络来承载IP数据包的 解决方案 迭加模式和集成模式 1 迭加模式IP寻址迭加在ATM寻址的基础上 迭加模式中ATM的寻址方式是不变的 IP地址在边缘设备中映射成ATM地址 IP包据此传向另一端边缘设备 优点 采用标准的ATMForum或ITU T的信令标准 与标准的ATM网络及业务兼容 缺点 传送IP包的效率较低 最典型的有局域网仿真 LANE 在ATM上传送传统的IP和ATM上的多协议等 但该技术对组播业务的支持仅限于逻辑子网内部 子网间的组播需要通过传统路由器 因而对广播和多发业务效率较低 2 集成模式集成模式是指将IP网设备和ATM网设备集成在一起 在集成模式中 ATM网的寻址已不现是独立的 ATM网中的寻址将要受到IP网设备的干预 集成模型的实现技术主要有 Ipsilon公司提出的IP交换技术 Cisco公司提出的标记交换技术和IETF推荐的多协议标签交换技术 IPoverATM的特点 优点 由于ATM技术本身能提供QoS保证 因此可利用此特点提高IP业务的服务质量 具有良好的流量控制均衡能力以及故障恢复能力 网络可靠性高 适应于多业务 具有良好的网络可扩展能力 对其他几种网络协议如IPX等能提供缺点 IPoverATM还不能提供完全的QoS保证 对IP路由的支持一般 IP数据包分割加入大量头信息 造成很大的带宽浪费 20 30 在复制多路广播方面缺乏高效率 6 5 2IPoverSDH技术1 SDH技术SDH SynchronousDigitalHierarchy 同步数字体系SDH是一种高速的光纤数据传输系统 他能以1 10Gb s以上的速度传输数据 主要应用于高速 大规模的骨干网络互联以及电信系统的骨架构造 2 SDH传输网SDH传输网是由一些SDH网络单元组成的 在光纤 微波或卫星上进行同步信息传送 融复接 传输 交换功能于一体 由统一网络管理操作的综合信息网 可实现网络有效管理 动态网络维护 对业务性能监视等功能 能有效地提高网络资源的利用率 3 IPoverSDH技术IPoverSDH以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络 它使用链路及PPP协议对IP数据包进行封装 把IP分组 根据RFC1662规范简单地插入到PPP帧中的信息段 再由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH的同步净荷中 然后向下 经过SDH传输层和段层 加上相应的开销 把净荷装入一个SDH帧中 最后到达光层 在光纤中传输 SDH是基于时分复用的 在网管的配置下完成半永久性连接的网 在IPoverSDH中 SDH只可能以链路方式来支持IP网 SDH的作用只是将路由器以点到点的方式连接起来 提高点到点之间的传送速率 SDH是依靠网管来完成端到端的半永久性连接的配置的 IPoverSDH分层模型与封装示意图 IPoverSDH的特点优点 对IP路由支持能力强 具有很高的IP传输效率符合Internet业务特点 有利实施多路广播方式能利用SDH技术本身环路 提高网络的稳定性省略了不必要的ATM层 简化了网络结构 降低了运行费用缺点 仅对IP业务提供好的支持 不适于多业务平台不能像IPoverATM技术那样提供较好的服务质量保障 QoS 对IPX等其他主要网络技术支持有限 4 IPoverWDM技术IPoverWDM也称光因特网 其基本原理和工作方式是 在发送端 将不同波长的光信号组合 复用 送入一根光纤中传输 在接收端 又将组合光信号分开 解复用 并送入不同终端 IPoverWDM是一个真正的链路层数据网 IPoverWDM的帧结构有两种形式 SDH帧格式和千兆以太网帧格式 IPoverWDM的特点 优点 充分利用光纤带宽 提高带宽和相对的传输速率 对传输码率 数据格式及调制方式透明 不仅可以与现有通信网络兼容 还可以支持未来的宽带业务网及网络升级 并具有可推广性 高度生存性等特点 缺点 波长标准化还没有实现 一般取193 1THz为参考频率 间隔取100GHz WDM系统的网络管理还不成熟 WDM系统的网络拓扑结构只是基于点对点的方式 还没有形成 光网 5 IPoverDWDM技术基于DWDM的IP网主要通过适当的数据链路层格式将IP包直接映射到密集波分复用光层中 省去了中间的ATM层和SDH层 消除了功能重复 由于该技术方案可充分利用DWDM通道巨大的传输带宽和G T比特路由交换机强大的交换能力 在IP层和光学层之间能合理配置流量工程 保护恢复 网管 QoS等功能 因而是目前最优的网络体系结构 从目前来年 宽带IP网络的业务架构应是一个混合结构 应综合汇聚以上技术方案的优点 核心层 应采用IPoverDWDM或IPoverSDH技术建骨干网 提供充足的主干带宽 提供全网的关键业务和运营管理 边缘汇聚层 可采用IPoverSDH技术来汇集各种业务 在网络的接入层 应采用吉比特以太网技术提供和局域网的平滑过渡 6 5多媒体通信的实时通信协议 1 RTP 实时传输协议RTP Real timeTransportProtocol 是Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议 工作在一对一或一对多的传输模式下 RTP在协议结构中的位置RTP作为应用层的一部分 RTP分组格式 由分组首部和净荷两部分组成 净荷通常为数字化的语音数据 它通过采样语音信号 量化采样信号 并对量化后的采样数据进行编码得到 RTP首部如图所示 经过编码的数字化语音数据加上RTP首部后 发送给UDP层 RTP首部扩展 RTP首部扩展 RTP首部的设计目标是为了满足绝大多数媒体信息流的一般要求 但不会是所有媒体信息流的所有要求 一些特殊的净荷格式可能要求一些额外的信息 这些信息可以作为净荷自身的一部分 也可以用RTP首部扩展提供特定净荷格式要求提供的额外信息 通过将RTP首部的X位置1 来指明RTP首部扩展的存在 RTP首部扩展位于提供源标识符列表和实际净荷数据之间 RTP只要求在首部扩展的规定位置给出首部扩展长度 以便在处理过程中能够找到RTP分组净荷区域 RTP并未对首部扩展的长度及包含的信息类型作出规定 2 RTCP 实时传输控制协议RTCP Real timeTransportControlProt