《多媒体通信与网络》PPT课件

多媒体通信与网络 1分布式多媒体应用的通信需求 1 比特率可变性多媒体传输按其特点可以分为恒定比特率和可变比特率两种类型 2 时间依赖性连续媒体的传输必须是实时的 端到端的等待时间应当控制在一个很短的时间段内 3 信道对称性在端到端的传输系统中 传输信道是双向的 根据多媒体应用类型的不同 上行和下行信道的通信量可能是对称的 也可能是不对称的 10 1 1多媒体数据流的基本特征 10 1 2多媒体通信的性能需求 1 吞吐量需求网络吞吐量是指有效的网络带宽 通常定义成物理链路的传输速率减去各种传输开销 以及网络冲突 瓶颈 拥塞和差错等开销 它反映了网络的最大极限容量 视频 未压缩 140Mbps左右ITUH 26164K 2MbpsISO IECMPEG1 4Mbps 40Mbps 10 1 2多媒体通信的性能需求 2 可靠性需求差错率 ErrorRate 是一种重要的性能指标 反映了网络传输的可靠性 位差错率 帧差错率 分组差错率分别用于在不同的网络协议层次上计算差错率 控制差错的方法 ARQ 但对于时间要求严格的数据 ARQ没有意义FEC 10 1 2多媒体通信的性能需求 3 延迟需求延迟 Delay 是衡量网络性能的重要参数 延迟传播延迟 传输延迟 网络延迟 接口延迟等 与延迟有关的另一个性能参数是延迟抖动 传输延迟 含信源处 信宿处的采样 编码 解码 打包 拆包 传输延迟 端点系统的排队和播放延迟 对于端 端延迟 一般要求小于150ms 网络延迟 可分成固有延迟和随机延迟 固有延迟与传播延迟和链路比特率高低有关 而随机延迟则由网络故障 传输错误以及网络拥塞等引起 一般是不可预测的 10 1 2多媒体通信的性能需求 4 多点通信需求多媒体通信涉及音频和视频数据 在分布式多媒体应用中有广播和多播信息 因此 除常规的点对点通信外 多媒体通信需要支持多播通信方式 10 1 2多媒体通信的性能需求 5 同步需求流间同步流间同步是不同媒体间的同步 和具体应用有关 是一种端到端的服务 流内同步流内同步是保持单个媒体流内部的时间关系 即按照一定的延迟和抖动约束来传送媒体分组流 以满足感官上的需要 2多媒体通信的服务质量 10 2多媒体通信的服务质量 服务质量 QualityofService QoS 是一种抽象概念 用于说明网络服务的 好坏 程度 由于不同的应用对网络性能的要求不同 对网络所提供的服务质量期望值也不同 这种期望值可以用一种统一的QoS概念来描述 从支持QoS的角度 多媒体网络系统必须提供QoS参数定义和相应的管理机制 10 2 1QoS的基本概念 1 QoS参数QoS是分布式多媒体信息系统为了达到应用要求的能力所需要的一组定量的和定性的特性 它用一组参数表示 典型的有吞吐量 延迟 延迟抖动和可靠性等 10 2 1QoS的基本概念 QoS参数举例 10 2 1QoS的基本概念 2 压缩编码对QoS参数的影响多媒体数据压缩编码的方法影响QoS参数 尤其是视频编码 高优先级的数据流可以获得良好保障的QoS服务 而对较低优先级的数据流将用最大努力获得尽量高的QoS 10 2 1QoS的基本概念 3 QoS参数体系结构在QoS参数体系结构中 通信双方的对等层之间表现为一种对等协商关系 双方按所承诺的QoS参数提供相应的服务 同一端的不同层之间表现为一种映射关系 应用的QoS需求应当自顶向下地映射到各层相对应的QoS参数集 各层协议按其QoS参数提供相对应的服务 共同完成对应用的QoS承诺 10 2 1QoS的基本概念 QoS参数体系结构 10 2 2QoS的管理 1 QoS服务的分类确定型QoS 在数据传输过程中 网络提供 硬 的QoS保证 统计型QoS 在数据传输过程中 网络提供 软 的QoS保证 尽力型QoS 也称最佳效果传输 网络不提供任何QoS保证 网络性能将随着负载的增加而明显下降 为了保证端到端的QoS 在媒体流传输路径上的各个中间点 路由器 都必须支持和保证所承诺的QoS 并且按确定型 统计型及尽力型QoS的优先级次序为相应的媒体流分配和保留资源 10 2 2QoS的管理 2 QoS管理机制为了实现不同厂商设备之间互通 标准化的QoS参数定义是必需的 为此 有关国际组织制定了一系列相关的协议 QoS管理实质上反映了对网络资源的最佳配置和有效管理问题 QoS管理机制应当具有可配置性 可协商性以及动态自适应性等管理特性 10 2 2QoS的管理 802 1p是IEEE802 1标准系列中的子标准 它定义了在虚拟局域网 VLAN 中数据流优先级标记和动态多播 Multicast 过滤服务 与之相关的协议标准有IEEE802 1Q 有关VLAN协议标准 和802 1D 第二层交换和桥接协议 标准 它们构成了LAN交换机的技术基础和协议标准 IETF提出了两种QoS保证机制 一是由RSVP提供的保证型服务 二是在区分服务 DiffServ DS 中定义的区分型服务 由于保证型服务具有面向连接的特性 并通过QoS协商 接纳控制 保留带宽和实时调度等机制来实现 区分型服务具有无连接的特性 主要通过缓冲管理和优先级调度机制来实现 而无需进行QoS协商和保留带宽等控制 10 2 2QoS的管理 近年来 人们提出了一些QoS管理技术 其中比较有效的是基于策略的QoS管理技术 它通过预先定义的策略规则来解决网络资源的合理配置和有效管理问题 为特定的数据流提供特性化服务和资源保证 为了规范这一管理技术 IETF定义了策略管理框架和信息模型 它采用面向对象的信息模型来表示通用的策略信息 通过对象类的实例化来表示特定的策略 例如 QoS管理策略或网络安全管理策略 10 2 2QoS的管理 对于较低层的协议结构来说 如ATM和FDDI协议层 由低层QoS参数来管理通信过程 为多媒体通信提供足够的带宽和可接受的延迟 对于多路复用协议机制来说 由于每个单独的流可能具有不同的性质 复用带有不同QoS参数的几种流是很困难的 因此复用限制在最低可能层次上 对于网络和传送层 甚至会话层 来说 这些层次提供处理跨越异构网络的QoS机制 并把QoS参数从较高层映象到较低层 对于应用层协议来说 它支持在分布多媒体应用的所有成员之间进行整体QoS协商 10 2 2QoS的管理 从支持QoS的角度 多媒体网络系统必须提供QoS参数定义和相应的QoS管理机制 用户能够根据应用的需要使用QoS参数定义其QoS需求 网络系统要根据系统可用资源 如CPU 缓冲区 I O带宽以及网络带宽等 容量来确定是否能满足应用的QoS需求 经过双方协商最终达成一致的QoS参数值应该在数据传输过程中得到基本保证 或者在不能履行所承诺QoS时应能提供必要的指示信息 10 2 2QoS的管理 QoS管理机制应当提供如下QoS管理特性 QoS管理应是可配置的QoS管理应是可协商的QoS管理应是动态的QoS管理应是端到端的QoS管理应是层次化的 10 2 2QoS的管理 3 基于策略的QoS管理技术近年来 网络管理不再基于功能模型和信息类型 而是采用面向目标的基本概念 现在主要有3种面向目标的管理手段 一是由IETF开发的 主要用于管理TCP IP 二是OMG ObjectManagementGroup 开发的 支持分布式的客户 服务器应用 三是ISO 原CCITT开发的 称为OSI系统管理 适用于广泛的资源管理 10 2 2QoS的管理 基于策略的网络管理是指在一个管理策略集的控制下所实施的管理操作 为实现特性化 动态化管理提供了有效的手段 通常 作为一个策略管理系统应具有如下3种能力 允许一个用户定义和修改策略规则的能力存储和检索策略规则的能力解释和执行策略规则的能力 3多媒体通信网络环境 10 3多媒体通信网络环境 网络环境是指网络的硬件环境 也称网络基础结构 从网络体系结构的角度看 它对应于ISO的OSI参考模型的物理层和数据链路层 也是IEEE802标准定义的网络层 为了更好地支持多媒体通信 无论是局域网还是广域网都呈现出高速化的发展态势 目前 网络的传输速率已经达到10Gbit s 为多媒体通信提供了高带宽的保证 10 3 1局域网络 在局域网络中 根据所采用的网络构件 可以组成共享式网络和交换式网络两种网络类型 共享式网络 各个节点共享一段有冲突的介质 节点使用相应的介质访问控制方法来占用介质传送数据 任一时刻只能有一个节点发送数据 其它节点处于接收状态 并根据地址匹配规则确定是否接收数据 数据以广播方式沿着传输介质传输 必须遍历每个节点 10 3 1局域网络 交换式网络 节点分成两类 端点和中间节点 端点是用户站点 中间节点是交换机 所有端点都通过交换机连接起来 交换机为端点提供存储转发和路由选择功能 使端点间能沿着指定的路径传输数据 这相当于实现一个并行网络系统 通过交换机提供端点之间的并行的传送通道和独享的网络带宽 因而不会发生冲突 且大大降低了传输延迟 有效地保证了网络的QoS 10 3 1局域网络 1 100BASE T网络100BASE T是由快速以太网联盟开发的100Mb s以太网 也称快速以太网 IEEE已将100BASE T确定为IEEE802 3u标准 100BASE T标准主要定义了物理层规范 定义了新的信号收发标准 将传输速率提高到100Mb s 100BASE T定义三种物理层规范 100BASE T4 100BASE TX和100BASE FX 分别支持不同的传输介质 10 3 1局域网络 2 千兆位以太网千兆位以太网是由千兆位以太网联盟开发的1000Mb s以太网技术 IEEE已将它作为IEEE802 3z和802 3ab标准 成为802 3标准家族中的新成员 IEEE802 3z定义的传输介质为光纤和宽带同轴电缆 链路操作模式为全双工操作 其中光纤系统支持多模光纤和单模光纤系统 多模光纤的传输距离为500m 单模光纤的传输距离为2000m 宽带同轴电缆系统的传输距离为25m IEEE802 3ab定义的传输介质为5类UTP电缆 传输距离为100m 链路操作模式为半双工 10 3 1局域网络 3 100VG AnyLAN网络100VG AnyLAN是由100VG AnyLAN论坛开发的一种100Mb s高速网络 IEEE已将100VG AnyLAN确定为IEEE802 12标准 100VG AnyLAN的涵义是指在语音级的UTP电缆上进行100Mb s速率传输且支持IEEE802 3和802 5两种帧格式 不是同时支持 100VG AnyLAN技术规范主要定义了物理层和MAC层两层 其中 物理层由物理介质独立 PMI 子层和物理介质相关 PMD 子层组成 10 3 1局域网络 PMD子层的主要功能是信道复用 仅用于2对电缆或光纤系统 NRZ编码 链路操作模式和连接状态控制等 PMI子层的主要功能包括传输通道选择 5B6B编码和数据帧封装等 为PMD子层传输帧做好准备 MAC层定义了一种称为需求优先访问 DPA 的介质访问控制协议 10 3 1局域网络 4 FDDI网络FDDI 光纤分布式数据接口 是由美国国家标准化协会 ANSI 的X3T9 5委员会制定的一种以光纤为传输介质 传输速率为100Mb s的网络标准 IEEE已将FDDI确定为IEEE802 8标准 FDDI采用双环结构 主环进行正常的数据传输 次环为冗余的备用环 一旦主环链路发生故障 则备用环的相应链路就代行其工作 使FDDI具备较强的容错能力 FDDI网络的覆盖区域比较大 可达100km 可连接500多个站点 站点问的最大距离为2km 10 3 1局域网络 FDDI标准由物理层 MAC层以及站管理等协议组成 其中 物理层分成物理介质相关 PMD 和物理协议 PHY 两个子层 PMD子层定义了光纤介质以及光纤连接器 光纤收发器等连接设备的技术特性 定义了两种光纤 一种是多模光纤 另一种是单模光纤 对于多模光纤 链路长度可达4km 对于单模光纤 I型收发器所允许的链路长度可达10 15km 型收发器所允许的链路长度可达40 60km 并允许单模光纤和多模光纤混合使用 10 3 1局域网络 PHY子层规定了信号的编码 解码以及定时同步等方面的技术特性 MAC层主要定义了一种称为定时令牌循环协议的MAC协议 它是IEEE802 5MAC协议的改进型 是一种分布式确定型访问控制协议 在介质利用和带宽分配等方面具有更高的性能 10 3 2广域网络 由于局域网通过高速交换式网络技术能够较容易地解决网络带宽和延迟问题 对多媒体通信的支持比较充分 因此多媒体通信技术的重点是解决广域网支持多媒体流的综合传输和QoS问题 近几年 相继推出了一些以光纤为传输介质的广域网 如同步光纤网 SONET 同步数字序列 SDH 和密集波分复用 DWDM 等 其传输速率已达10Gb s 大大改善了广域网的拥挤状况 10 3 2广域网络 1 X 25网络分组交换网是一种采用分组交换方式的数据通信网 它所提供的网络功能相当于ISO OSI参考模型的低三层 即物理层 数据链路层和网络层功能 ITU的X 25建议就是针对分组交换网而制定的国际标准 因此 分组交换网有时也称为X 25网 分组交换网主要由分组交换机 传输线路和用户接入设备组成 分组交换机是分组交换网的核心 分组交换机之间以全互连方式连接 10 3 2广域网络 物理级对应于ISO OSI模型的物理层 利用物理的 电气的 功能的和规程的特性在DTE和DCE之间实现对物理链路的建立 保持和拆除功能 有两个物理层接口参考标准 X 21和X 21bis 分别定义了数字和模拟接口 链路级对应于ISO OSI模型的链路层 采用的是一种HDLC规程的变种 称为链路访问规程LAP或平衡链路访问规程LAPB 并以LAPB为主要模式 分组级对应于ISO OSI模型的网络层 它规定了DTE和DCE之间进行信息交换的分组格式 并规定了采用分组交换的方法 在一条逻辑信道上对分组流量 分组传送差错执行独立的控制 10 3 2广域网络 X 25建议的着重点是描述了分组级协议 该协议主要内容有 分组级DTE DCE接口的描述 虚电路规程 数据报规程 分组的格式 用户自选业务的规程与格式以及分组级DTE DCE接口状态变化等 传统的X 25分组交换网存在着传输速率低 网络延时大 吞吐量小以及通信费用高等缺陷 已难以满足今后通信业务质量的要求 这促使人们研究新的分组交换技术 于是 帧中继 ATM等快速分组交换技术便应运而生 10 3 2广域网络 2 帧中继网络为了给用户提供高质量 低成本的数据传输业务 在90年代初推出了一种新型的WAN技术 帧中继 FrameRelay 帧中继是一种支持HDLC规程的宽带数据业务标准 并已获得ANSI和ITU的批准 帧中继实质上是由X 25分组交换技术演变而来的 它一方面继承了X 25的优点 如提供统计复用功能 永久虚电路 交换虚电路等 另一方面又改进了X 25的性能 10 3 2广域网络 X 25的改进主要表现在两个方面 一是提高了网络传输速率 用户接入速率可在56 64kb s到1 544 2 048Mb s的范围内 而上限速率实际可达50Mb s 二是简化了大量的网络功能 网络不再提供流量控制 纠错和确认等功能 由用户终端根据需要自行解决 这样 就可以减少网络时延 降低通信费用 帧中继网由三个部分组成 帧中继接入设备 帧中继交换设备和帧中继服务 10 3 2广域网络 帧中继接入设备可以是具有帧中继接口的任何类型的接入设备 帧中继交换设备有T1 E1一次群复用器 分组交换机 专门设计的帧中继交换设备等几种类型 帧中继服务是由帧中继服务提供者通过帧中继网提供的 帧中继采用虚电路方式来传输数据帧 10 3 2广域网络 3 ISDN网络综合业务数字网ISDN IntegratedServicesDigitalNetwork 是一种由数字交换机和数字信道构成的 以传输数字信号为目的的综合数字网 并利用这个网提供话音 数据等各种业务 ISDN主要是依靠数字电话网的交换和接续功能提供话音和各种非话音业务的 是一种电路交换网络 传输速率一般为64kb s 这种通信速率很难满足不断增长的多媒体业务对带宽的要求 但随着Internet的发展 ISDN作为一种用户接入技术有了新的应用领域 10 3 2广域网络 用户是通过ISDN所提供的UNI接入ISDN的 在ISDN的UNI中提供了两种类型的信道 一种是信息信道 用于传送各种信息流 另一种是信令信道 用于传送对用户和网络实施控制的信令信息 ITU规定了两种UNI 即基本接口 BRI 和基群速率接口 PRI 目前 ISDN主要用于提供Internet用户接入业务 通过2B十D接口可以提供比64kb s的DDN专线高出1倍的接入速率 10 3 2广域网络 4 IP宽带网络宽带Internet骨干网是以宽带IP网络为基础 其物理网络采用ATM SONET SDH和DWDM等高速网络 通过IPOverATM IPOverSONET IPOverSDH以及IPOverDWDM等技术构成基于IP协议的集成平台 在网络基础结构上解决数据 话音和视频流的综合传输和网络带宽问题 实现各种应用的有机集成 再通过IPv6 RSVP和区分服务等协议协调网络资源 提供QoS保证和特性化服务 以满足应用对网络服务质量的需求 这种宽带IP网络也是下一代Internet 如Internet2 的核心技术 10 3 3ATM网络 1 ATM的特点面向连接的传输机制以信元 Cell 为信息传输单位基于ATM交换机的交换式网络多种速率接口多种服务类型高层进行差错控制和流量控制 10 3 3ATM网络 2 ATM网络参考模型 10 3 3ATM网络 用户平面 具有分层结构 提供用户所要求的应用 协议和服务 控制平面 也具有分层结构 包括呼叫建立 维护以及撤销连接等有关的功能 管理平面 提供层管理和平面管理二部分功能 层管理执行各层实体间的控制交互管理 平面管理则执行与系统整体有关的管理功能 协调各平面之间的关系 管理平面执行本地管理功能 无须分层 而用户和控制平面可分为物理层 ATM层 ATM适配层和用户层 高层 10 3 3ATM网络 1 物理层ATM物理层由两个子层组成 传输汇聚TC子层和物理介质PM子层 主要完成物理线路编码和信息传输的功能 2 ATM层ATM层主要定义了面向连接的信元传输服务机制和通信规程 对网络中的用户和用户应用提供一套公共的传输服务 3 ATM适配层ATM适配层AAL ATMAdaptationLayer 的作用是增强ATM层所提供的服务 负责适配从用户层来的信息 以形成ATM网可以利用的格式 10 3 3ATM网络 3 ATM网络结构ATM网可作为主干网构成城域网或广域网 以及应用于ATM局域网中 下图所示为ATM主干网络结构 10 3 3ATM网络 ATM网络结构 4多媒体通信协议 10 4 1IPv6协议 IPv6的一个重要设计目标是保证与Ipv4兼容 128位的地址空间允许更多的主机被寻址 并且允许地址层上有更多的层次 改进的多站点寻址方案允许将多站点路由限制在指定的范围内 组块头的新定义的 流标志字段 允许鉴别属于同一数据流的所有组块 用于真实性 完整性及数据加密性的新机制 10 4 1IPv6协议 IPv6目前定义了三种地址 单播 Unicast 多播 Multicast 和任播 Anycast 利用地址格式前缀表示各种类型 IPv6的路由选择是基于地址前缀概念实现的 这样可以很方便地建立层次化的路由选择关系 服务提供者可以根据网络规模来汇聚IP地址 充分利用IP地址空间 IPv6中的路由协议尽量保持了与IPv4相一致 当前Internet的路由协议稍加修改后便可用于IPv6路由 IPv6报头中的优先级和流标识字段提供了QoS支持机制 10 4 2ST 协议 ST 协议是面向发送方的 由发送方规定QoS和接收组 如果新成员要加入接收组 必须首先使用常规的IP数据报向发送方提出请求 然后由发送方重新定义接收组并发布出去 这种方法的优点是发送方总知道谁是接收者 并控制接收组新成员的加入 这对于某些需要限制多媒体信息传播范围的应用系统 如视频会议内容不便公开广播 仅限少数有关人员收看 来说是必要的 但也会带来一些不便之处 还会增加网络流量负担 此外 由于QoS是发送方规定的 对所有接收者都是相同的 这意味着每个接收者不能根