流煤体及下一代IP技术

1、流媒体及下一代IP网络技术张晋豫北京交通大学计算机学院前言-环境随着信息技术的高速发展，流媒体业务在所有的网络形式上出现，并日益成为发展的焦点。随着三大网络向数字化和IP化的快速演进，流媒体业务在三大网络上同时出现。在Internet/Intranet网络流媒体技术得到突破性进展，Internet网络上视频直播、交互式实时视频聊天等日益普及，校园网和小区的局域网上的电视节目直播和VOD业务快速开展。H.264视频压缩编码格式和因特网流媒体联盟(ISMA)宣布的应用规范ISMA1.0都可以使Internet网络环境下成功传输高质量的流媒体视频业务。第三代移动通信源于对交互式实时视频的需要，它的日

2、益市场化标志着流媒体业务主导移动通信新纪元的开始。在广播电视网络上数字电视技术的日益成熟和普及标志着交互式流媒体业务正逐步主导电视业务。流媒体的关键技术流媒体业务的最大的特点是其具有较高的信息量和实时性，表现为对网络带宽、时延、时延抖动和误码率和包丢失率严格的要求，它要求网络必须提供端到端的定量QoS保证等。流媒体网络是一个和电信网络一样具有严格实时性和QoS要求的网络，它又是一个和Internet一样具有交互要求的数字网络，同时也是一个和广播电视网络一样具有广播特性的非对称网络，因此，流媒体网络是一个综合性网络，是一个比当前的电信网、IP网络和广播电视网络更复杂的网络。 流媒体的关键技术由于

3、当前Internet网络还存在低带宽、时延、时延抖动和包丢失率无法保证等诸多缺点，还主要提供尽力而为服务，因此流媒体业务除了对流媒体技术，如视频压缩、信源编码、信道编码等，提出了很高的要求外，对网络管理系统也提出了很高的要求。流媒体网络往往由不同厂家的不同设备组成，它们也往往使用不同的流媒体技术，为了实现对不同厂家的设备和不同技术组成的流媒体网络的管理，需要定义统一的网络接口标准。流媒体业务和其它的网络业务一样具有全球性和全网性，它对带宽与QoS的严格需求要通过全网内多个运营商的多个网络相互协调来保证，因此需要定义一个统一的流媒体网网络管理接口标准来实现这些网络管理系统之间的互连互通。 关键问

4、题由于流媒体业务刚刚兴起并飞速发展，因而流媒体网络标准的制订具有迫切要求。流媒体应用的特点是数据是以流的形式出现的，需要进行大量的数据处理，而且这些数据处理之间有很强的并行性，从而增加了管理的复杂性。流媒体网网络管理接口标准的制订是一个集各种网络技术、各种网络管理技术以及各种网络运营技术为一体的综合学科研究，具有较高的学术性、工程性和管理性。多种流媒体技术并存，目前还没有统一的标准。流媒体系统的主要形式交互式数字电视系统，当前仍存在三个主要的行业标准，难于统一，因此流媒体网络管理系统接口标准的制订存在较大的难度 流媒体及下一代互联网络管理技术流媒体技术下一代互连网络技术流媒体技术流媒体是指在网

5、络中使用流式传输技术的连续时基媒体，流媒体技术是指在网络中使用流式传输技术传送音频、视频和多媒体文件等。流式传输技术的特点是把连续的音频和视频信息经过压缩后放到流媒体服务器上，网络用户实时下载收听或观看，而不必等到把整个文件下载完毕。与传统Internet/Intranet的单纯下载相比较，流媒体具有明显的优点：由于不需要将全部数据下载，因此等待时间可以大大缩短；由于流文件往往小于原始文件的数据量，并且用户也不需要将全部流文件下载到硬盘，从而节省了大量的磁盘空间由于采用了RSTP等实时传输协议，更加适合动画、视频音频在网上的实时传输。流媒体不同于传统的多媒体，它的主要特点就是运用可变带宽技术，

6、以流的形式进行数字媒体的传送，使人们在从28Kb/s到1200Kb/s的带宽环境下都可以在线欣赏到连续不断的高品质的音频和视频节目。流媒体的构架流媒体系统包括：流媒体内容提供者系统(CPS)服务提供者系统(SPS)服务消费者系统(SCS)CPS-SPS传输系统SPS-SCS传输系统流媒体逻辑构架图CPSSPS编辑器视频业务管理媒体发布系统媒体存储系统DRM视频、音频、图像媒体采集制作端系统编码器解码器播放器媒体内容检索系统客户端系统SCSCPS-SPS传输系统SPS-SCS传输系统流媒体系统原理当前在不同的网络中存在多种不同的流媒体技术，但无论是哪一种技术，它们的基本原理都是一样的：首先通过采

7、用高效的压缩编码算法，在减少流媒体文件的大小的同时，让流媒体数据适合流式传输。然后通过流媒体服务器，修改TIME标识，按照多种实时协议在流媒体网络中传输流数据。一般而言，流媒体系统大致包括几个部件：编码器，用于压缩转档服务器，管理并传送大量多媒体内容编辑器，可整合多媒体，并以互动方式呈现流媒体网络，通过实时传输协议传输流媒体业务播放器，在用户端的设备上呈现串流的内容流媒体技术一个完整的流媒体平台还包括：流服务应用软件视频业务管理媒体发布系统视频采集制作端系统媒体内容检索系统数字版权管理(DRM)媒体存储系统客户端系统。流媒体技术的重要因素流媒体技术的发展依赖于网络的传输条件、媒体文件的传输控制

8、、媒体文件的编码压缩效率及客户端的解码效率等几个重要因素。视频压缩编码技术流媒体技术的核心是视频压缩技术，目前宽带IP网上的流媒体尚无统一的视频编码方案, 主要是各厂家通过市场手段来推广符合自己商业利益的编码方案。较有影响力的有:MPEG2MPEG4日本NIT标准Nancy CodecCorona和微软的Windows Media 9RealNetworks的 RealideoH.264压缩标准总评论上述技术中：除MPEG-4和H.264为标准技术外其余均为非标准技术。从压缩性能看, H.264无疑是最好的 从编解码算法简单性看, Nancy Codec 和MPEG-4有一定优势从市场占有率看

9、, 微软和RealNetworks占据了全球90%左右的IP流媒体市场ITU-T和ISO/IEC JTC1是目前国际上制定视频编码标准的正式组织ITU-T的标准称之为建议，并命名为H.26x系列，比如H.261、H.263等ISO/IEC的标准称为MPEG-x，比如MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等H.26x系列标准主要用于实时视频通信，比如视频会议、可视电话等MPEG系列标准主要用于视频存储(DVD) 、视频广播和视频流媒体（如基于Internet、 DSL的视频，无线视频等等）除了联合开发H.262/MPEG-2标准外，大多数情况下，这两个组织独立制定相关标准自1997年，ITU-

10、T VCEG与ISO/IEC MPEG再次合作，成立了Joint Video Team (JVT)，致力于开发新一代的视频编码标准H.2641998年1月，开始草案征集；1999年9月，完成了第一个草案；2001年5月，制定了其测试模式TML-8；2002年6月，JVT第5次会议通过了H.264的FCD板；2002年12月，ITU-T在日本的会议上正式通过了H.264标准，并于2003年5月正式公布了该标准。国际电信联盟将该系统命名为H.264/AVC，国际标准化组织和国际电工委员会将其称为14496-10/MPEG-4 AVC。MPEG4原理视频编解码过程通常包括：视频预处理：转换到编码器识

11、别的输入格式而对采集数据的预处理。如YUV4:2:0格式的视频输入，根据视频输入要求应用需要进行视频输入的预处理，即对YUV4:2:2隔行扫描(例如从摄像机)到YUV 4:2:0非隔行扫描转换，仅抽取但不过滤UV分量。实际的视频编码解码以及视频后处理：转换到视频显示屏要求格式的数据后处理。将解码的YUV 4:2:0数据转换为RGB进行显示，包括：YUV 4:2:0到RGB转换；16位或12位RGB显示格式；0到90度旋转，实现横向或纵向显示 视频编码压缩编码标准：如3G TS26.110、3G TS26.111以及3G TR26.911 离散余弦变换(DCT)：DCT变换对每个输入块进行空间变

12、换，输出一个8x8 水平和垂直频率系数的矩阵量化：利用心理视觉(psychovisual)特性来消除无关紧要的DCT系数、高频系数逆量化(IQ)：通过量化后的DCT乘以量化表计算出逆量化矩阵逆离散余弦变换(IDCT)：IDCT还原输入块。由于量化的缘故，还原的值与原始数据之间可能会有误差运动估计(ME)：ME使用搜索位置点较少、像素也较少的方案来生成指示运动影像方向的运动矢量 运动补偿(MC)：运动补偿块通过去除帧间的冗余从而增加压缩比；可变长度编码(VLC)：无损VLC编码通过将出现次数较多的符号用较短代码发送，出现次数较少的代码用较长代码发送，利用这样的方法来降低码率； 速率控制：通过更改

13、量化规则控制码率，例如通过使每个DCT系数采用较少的位来降低码率；错误隐藏：由TI开发的专利错误隐藏技术。H.264编码原理H.264和以前的标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263+好得多的压缩性能加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理应用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求。 技术上，它集中了以往标准的优点，并吸收了标准制定中积累的经验与H.263 v2(H.263+)或MPEG-4简单类(Simple Profile)相比，H.264在使用

14、与上述编码方法类似的最佳编码器时，在大多数码率下最多可节省50%的码率H.264在所有码率下都能持续提供较高的视频质量H.264能工作在低延时模式以适应实时通信的应用(如视频会议)，同时又能很好地工作在没有延时限制的应用，如视频存储和以服务器为基础的视频流式应用H.264提供包传输网中处理包丢失所需的工具，以及在易误码的无线网中处理比特误码的工具在系统层面上，H.264提出了一个新的概念：在视频编码层(Video Coding Layer, VCL)和网络提取层(Network Abstraction Layer, NAL)之间进行概念性分割：前者是视频内容的核心压缩内容之表述后者是通过特定类

15、型网络进行递送的表述这样的结构便于信息的封装和对信息进行更好的优先级控制H.264 编码技术1.帧内预测编码 帧内编码用来缩减图像的空间冗余。为了提高H.264帧内编码的效率，在给定帧中充分利用相邻宏块的空间相关性，相邻的宏块通常含有相似的属性。因此，在对一给定宏块编码时，首先可以根据周围的宏块预测（典型的是根据左上角的宏块，因为此宏块已经被编码处理），然后对预测值与实际值的差值进行编码，这样，相对于直接对该帧编码而言，可以大大减小码率。 H.264提供6种模式进行44像素宏块预测，包括1种直流预测和5种方向预测。在图中，相邻块的A到I共9个像素均已经被编码，可以被用以预测，如果我们选择模式4

16、，那么，a、b、c、d4个像素被预测为与E相等的值，e、f、g、h4个像素被预测为与F相等的值，对于图像中含有很少空间信息的平坦区，H.264也支持1616的帧内编码。2.帧间预测编码 帧间预测编码利用连续帧中的时间冗余来进行运动估计和补偿。H.264的运动补偿支持以往的视频编码标准中的大部分关键特性，而且灵活地添加了更多的功能，除了支持P帧、B帧外，H.264还支持一种新的流间传送帧SP帧。码流中包含SP帧后，能在有类似内容但有不同码率的码流之间快速切换，同时支持随机接入和快速回放模式。(1)不同大小和形状的宏块分割 对每一个1616像素宏块的运动补偿可以采用不同的大小和形状，H.264支持

17、7种模式。小块模式的运动补偿为运动详细信息的处理提高了性能，减少了方块效应，提高了图像的质量。 (2)高精度的亚像素运动补偿 在H.263中采用的是半像素精度的运动估计，而在H.264中可以采用1/4或者1/8像素精度的运动估值。在要求相同精度的情况下，H.264使用1/4或者1/8像素精度的运动估计后的残差要比H.263采用半像素精度运动估计后的残差来得小。这样在相同精度下，H.264在帧间编码中所需的码率更小。 (3)多帧预测 H.264提供可选的多帧预测功能，在帧间编码时，可选5个不同的参考帧，提供了更好的纠错性能，这样更可以改善视频图像质量。这一特性主要应用于以下场合：周期性的运动、平

18、移运动、在两个不同的场景之间来回变换摄像机的镜头。 (4)去块滤波器 H.264定义了自适应去除块效应的滤波器，这可以处理预测环路中的水平和垂直块边缘，大大减少了方块效应。3.整数变换 在变换方面，H.264使用了基于44像素块的类似于DCT的变换，但使用的是以整数为基础的空间变换，不存在反变换，因为取舍而存在误差的问题。与浮点运算相比，整数DCT变换会引起一些额外的误差，但因为DCT变换后的量化也存在量化误差，与之相比，整数DCT变换引起的量化误差影响并不大。此外，整数DCT变换还具有减少运算量和复杂度，有利于向定点DSP移植的优点。 4.量化 H.264中可选32种不同的量化步长，这与H.

19、263中有31个量化步长很相似，但是在H.264中，步长是以12.5%的复合率递进的，而不是一个固定常数。 在H.264中，变换系数的读出方式也有两种：之字形(Zigzag)扫描和双扫描。大多数情况下使用简单的之字形扫描；双扫描仅用于使用较小量化级的块内，有助于提高编码效率。 5.熵编码 视频编码处理的最后一步就是熵编码，在H.264中采用了两种不同的熵编码方法：通用可变长编码（UVLC）和基于文本的自适应二进制算术编码（CABAC）。 在H.263等标准中，根据要编码的数据类型如变换系数、运动矢量等，采用不同的VLC码表。H.264中的UVLC码表提供了一个简单的方法，不管符号表述什么类型的

20、数据，都使用统一变字长编码表。其优点是简单；缺点是单一的码表是从概率统计分布模型得出的，没有考虑编码符号间的相关性，在中高码率时效果不是很好。 因此，H.264中还提供了可选的CABAC方法。算术编码使编码和解码两边都能使用所有句法元素(变换系数、运动矢量)的概率模型。为了提高算术编码的效率，通过内容建模的过程，使基本概率模型能适应随视频帧而改变的统计特性。内容建模提供了编码符号的条件概率估计，利用合适的内容模型，存在于符号间的相关性可以通过选择目前要编码符号邻近的已编码符号的相应概率模型来去除，不同的句法元素通常保持不同的模型。MPEG4和H.264解码技术解码器符合MPEG-4以及H.26

21、3标准，能够进行H.263与MPEG-4码流的解码，并且自动检测报头以确定采用何种解码方法(H.263或MPEG-4)，阴影部分模块为两种解码器共用部分 。解码器主要包括以下几部分：确定码流类型(MPEG-4或H.263)MPEG-4 RM 有嵌入同步标志的视频流MPEG4 DP 有数据分割的视频流H263 获得H.263码流并将其输入到适当模块中ACDC 仅适用于MPEG-4解码器，预计AC系数RVLD 仅适用于MPEG-4解码器，当码流用可逆可变长度技术编码时可实现RVLDVLD 适用于H.263与MPEG-4解码器 流媒体实时传输协议流媒体技术的第二个核心技术是实时传输协议，现在比较流行

22、有RTP、RTCP、RTSP、RSVP、SDP或MMS等。实时传输协议 RTP RTP（Real-time Transport Protocol）是用于Internet 上针对多媒体数据流的一种传输协议。RTP被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。RTP通常使用UDP来传送数据，但RTP也可以在TCP或ATM等其他协议之上工作。当应用程序开始一个RTP 会话时将使用两个端口：一个给RTP，一个给RTCP。RTP本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务。通常RTP算法并不作为一个独立的网络层来实现

23、，而是作为应用程序代码的一部分。 实时传输控制协议RTCP RTCP(Real-time Transport Control Protocol)和RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务。在RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP包。RTCP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地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。RTP和RTCP配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。 实时流协议RTSP 实时流协议 RTSP(RealTime Streaming Protocol)是 由Real Net

24、works和Netscape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IP网络传送多媒体数据。RTSP在体系结构上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成数据传输。 RSVP协议 RSVP(Resource Reserve Protocol)是正在开发的Internet上的资源预订协议，使用RSVP能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS，它是不传输数据的。 流媒体服务器在交互式流媒体系统中，存在两种：1）CPS和SPS之间的交互，关系为n:1；2）SPS和CPS之间的交互，关系为1:m。在这两个关系中，SPS是交互的中转枢纽。由于用户的对多媒体的需求具有多样性、随机性、突发

25、性和个性化，从而SPS和CPS之间的交互具有更强的实时性、最高的突发性和随机性、最大频度和个性化，因此SPS是流媒体系统中性能要求最高和最复杂的部件，同时也是最核心的部件。SPS的功能很大一部分通常流媒体服务器来完成，流媒体服务器负责流资源管理与调度，同时以用户需要的QoS将数据发送到客户端。流媒体服务器不同于网络文件服务器。从功能实现上，流媒体网络服务器和传统的网络文件服务器虽然有许多相似之处，尤其强调对数据对象的共享使用和追求最大化的数据吞吐率，但流媒体更为强调对高速稳定和连续的访问流的支持，强调对同步的支持，从而确保媒体数据的按时到达。由于流媒体具有实时性，因此在系统的设计和实现过程中，

26、结合实时调度理论，对系统进行优化。流媒体服务器的技术60%体现在软件上，比如高性能I/O技术、磁盘调度技术、存储检索技术、EPG和计费等。 流媒体服务器的另外一个作用是流媒体资源的存储分布与发布技术。由于流媒体资源是一个大文件系统，因此要采用海量存贮技术，通常采用机群的海量流媒体服务器系统来存储。持续高速的流媒体资源发现和提取速度是实现流媒体连续稳定同步传输的基本要求，合理的流媒体资源分布技术是提高检索速率和提取速度的最有效的方法之一，为此，需要一体化的流媒体资源的建模、命名、表示、组织、存储、索引和访问技术，以便为资源的快速定位和存取提供支持。各流媒体服务器之间相互监测，实现彼此热备份，提高

27、流媒体服务器的可用性。当某一个流媒体服务器出现故障时，监测该流媒体服务器的流媒体服务器负责将其负载转移到其余流媒体服务器上，并以较小开销继续保持整个系统负载平衡应用层QoS控制过分的丢失和过大的延迟会影响视频显示质量，而它们通常是由于网络拥塞所引起的。应用层QoS控制的目标是在存在包丢失的情况下避免拥塞和取得最高的视频质量。应用层QoS控制技术包括：拥塞控制和错误控制。 下一代互连网络技术IP V6技术Mobile IP技术3G技术MPLS技术SIP技术3G技术DiffServ技术InterServ技术(RSVP)Multicast技术RPR技术IP v6技术IPv4包头基于ipv4的inte

28、rnet从原理上讲服务质量(qos)是无保证的。文本传输、静态图像等传输对qos并无要求，但其它多媒体业务，如ip电话、vod、电视会议等实时应用，对传输延时和延时抖动均有严格的要求 在ipv4协议中，ip数据报头包含了一个8b的服务类型(type of service，tos)字段。在tos字段中，包含了3b的优先权子字段(现在已被忽略)、4b的tos子字段和1b的保留子字段。4b的tos子字段分别用于表示最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。在一个业务数据流当中，这个字段只能有1b置为1，如果没有比特位被置1，则表示这个业务数据是一般服务。在rfc1340和rfc1349中描述了所有

29、的标准应用如何设置这些服务类型，但是在实际应用中，绝大多数tcp/ip的实现应用都不支持和使用tos字段 在ipv6协议的数据报头中，对8b的tos字段进行了调整。最早在rfc1883中定义了4b的优先级字段，可以区分16个不同的优先级。后来在rfc2460中改为8b的业务类别(traffic class)字段，其目的是允许发送业务流的源节点和转发业务流的路由器在数据包上加上标记进行不同处理，但并没有具体说明这个字段如何使用。另外，在ipv6数据报头当中还有一个新的20b的流标签，用于标记某个业务数据流的ip包序列，以便路由器能够提供qos或实时服务。一般来说，在所选择的链路上，可以根据开销、

30、带宽、延时或其他特性对数据包进行特殊的处理。但同样，流标签并没有表明qos的提供方式。 IP v6技术特点由于IPv4存在局限性和缺点（特别是地址空间的耗尽），IETF工作组提出了下一代因特网协议IPv6，以满足网络发展的需要。 IPv4 32个字节，IPv6只有20个字节。IPv4 32位地址，IPv6128位地址。IPv6支持QoS，支持CoS标签。下一代IP，在协议的体系结构中移动功能已经是其中的一个重要方面，可以说移动技术是IPv6协议的一个固有的部分，区别于通常的叠加方式的实现方案（IPv4、WirelessATM等），可以提供更优化的移动性支持。 IPv6从以下方面进行了改进：协议

31、增强了移动管理能力提供端到端的可选消息，减小对路径中间节点路由器性能的影响安全性作为IPv6协议中的基本要求，本身提供必要的安全协议IPSec以提供安全认证和数据传输的安全保证无需外部代理和相应的外部代理的转交地址方式，避免类似于IPv4中NAT所引起的问题，增强了端到端的通信能力路由优化作为必然的通信方式得到支持 Mobile IP随着Internet的发展以及笔记本电脑和PDA等便携工具的体积、重量、性能的改进，移动办公的实现逐渐变得容易起来。移动IP是IETF制订的标准，是因特网中处理IP主机移动通信的解决方案，实现IP主机在移动时无须改变其原有的IP地址，在不中断通信和不重新启动应用程

32、序的情况下无须改变链路层接入点。移动IP与IP主机通信时所采用的物理媒介无关。 传统IP技术的主机使用固定的IP地址和TCP端口号进行相互通信.在通信期间,它们的IP地址和TCP端口号必须保持不变,否则IP主机之间的通信将无法继续. 移动IP主机在通信期间可能需要在网路上移动,它的IP地址也许会经常发生变化.若采用传统方式,IP地址的变化会导致通信中断.为解决这一问题,移动IP技术引用了处理蜂窝移动电话呼叫的原理,使移动节点采用固定不变的IP地址,一次登录即可实现在任意位置上保持与IP主机的单一链路层连接,使通信持续进行. 移动IPv4标准定义了三种功能实体：移动节点归属代理外地代理其处理步骤

33、分为三个过程：代理搜索、注册和数据包转发。由关联节点发往移动节点的数据包要经由归属代理、外地代理，然后才转发到移动节点，这称之为“三角路径问题”。经过优化的移动IPv4标准，可使由关联节点发往移动节点的数据包直接发往移动节点的移交地址，这种经过优化的路由在时延和资源消耗方面都优于三角路径，并且减少了归属代理与外地代理之间隧道的负荷。 移动代理移动代理分归属代理(HomeAgent)和外区代理(ForeignAgent)两类,它们是移动的IP服务器或路由器,能知道移动节点实际连接在何处. 归属代理是归属网上的移动IP代理,它至少有一个接口在归属网上.其责任是当移动节点离开归属网,连至某一外区网时

34、,截收发往移动节点的数据包,并使用隧道技术将这些数据包转发到移动节点的转交节点.归属代理还负责维护移动节点的当前位置信息. 外区网代理位于移动节点当前连接的外区网络上,它向已登记的移动节点提供选路服务.当使用外区代理转交地址时,外区代理负责解除原始数据包的隧道封装,取出原始数据包,并将其转发到该移动节点.对于那些由移动节点发出的数据包而言,外区代理可作为已登记的移动节点的缺省路由器使用. 在移动IP中，切换和位置管理是不加区分的，都是在归属代理中实现的。移动IP基本协议集中并没有提供切换中QoS保证以及路由优化，但是平滑切换机制提供：新外部代理通知旧外部代理新的转交地址；在切换完成后，归属代理

35、发送绑定更新给通信节点，实现路由优化，即建立通信节点和移动节点转交地址间的隧道，而不用再通过归属代理。这种切换机制基于移动节点在进行切换的过程中能够和两个网络同时通信的前提，因而可以保证在切换过程中数据的完整性。 移动IP地址移动IP节点拥有两个IP地址. 第一个地址称为归属地址(HomeAddress),这是用来识别端到端连接的静态地址,也是移动节点与归属网连接时使用的地址.不管移动节点连至网络何处,其归属地址保持不变. 第二个地址是转交地址(CareofAddress).转交地址就是隧道终点地址.它可能是外区代理转交地址,也可能是驻留本地的转交地址. 外区代理转交地址是外区代理的一个地址,

36、移动节点利用它进行登记.在这种地址模式中,外区代理就是隧道的终点,它接收隧道数据包,解除数据包的隧道封装,然后将原始数据包转发到移动节点.由于这种地址模式可使很多移动节点共享同一个转交地址,而且不对有限的IPv4地址空间提出不必要的要求,所以这种地址模式被优先使用. 转交地址是一个临时分配给移动节点的地址.它由外部获得(如通过DHCP),移动节点将其与自身的一个网络接口相关联.当使用这种地址模式时,移动节点自身就是隧道的终点,执行解除隧道功能,取出原始数据包.一个驻留本地的转交地址仅能被一个移动节点使用.转交地址是仅供数据包选路使用的动态地址,也是移动节点与外区网连接时使用的临时地址.每当移动

37、节点接入到一个新的网络,转交地址就发生变化. 位置登记移动节点必须将其位置信息向其归属代理进行登记,以便被找到.在移动IP技术中,不同的网络连接方式,有两种不同的登记规程. 一种是通过外区代理,即移动节点向外区代理发送登记请求报文,外区代理接收并处理登记请求报文,然后将报文中继到移动节点的归属代理;归属代理处理完登记请求报文后向外区代理发送登记答复报文(接受或拒绝登记请求),外区代理处理登记答复报文,并将其转发到移动节点. 另一种是直接向归属代理进行登记,即移动节点向其归属代理发送登记请求报文,归属代理处理后向移动节点发送登记答复报文(接受或拒绝登记请求).登记请求和登记答复报文使用用户数据报

38、协议(UDP)进行传送. 当移动节点收到来自其归属代理的代理通告报文时,它可判断其已返回到归属网络.此时,移动节点应向归属代理撤销登记.在撤销登记之前,移动节点应配置适用于其归属网络的路由表. 代理发现为了随时随地与其他节点进行通信,移动节点必须首先找到一个移动代理.移动IP定义了两种发现移动代理的方法:被动发现,即移动节点等待本地移动代理周期性地广播代理通告报文是主动发现,即移动节点广播一条请求代理的报文移动IP使用扩展的ICMPRouterDiscovery机制作为代理发现的主要机制. 使用以上任何一种方法都可使移动节点识别出移动代理并获得转交地址,从而获悉移动代理可提供的任何服务,并确定

39、其连至归属网还是某一外区网上.使用代理发现可使移动节点检测到它何时从一个IP网络(或子网)漫游(或切换)到另一个IP网络(或子网). 所有移动代理(不管其能否被链路层协议所发现)都应具备代理通告功能,并对代理请求作出响应.所有移动节点必须具备代理请求功能.但是,移动节点只有在没有收到移动代理的代理通告,并且无法通过链路层协议或其他方法获得转交地址的情况下,方可发送代理请求报文. 隧道技术当移动节点在外区网上时,归属代理需要将原始数据包转发给已登记的外区代理.这时,归属代理使用IP隧道技术,将原始IP数据包(作为净负荷)封装在转发的IP数据包中,从而使原始IP数据包原封不动地转发到处于隧道终点的

40、转交地址处.在转交地址处解除隧道,取出原始数据包,并将原始数据包发送到移动节点.当转交地址为驻留本地的转交地址时,移动节点本身就是隧道的终点,它自身进行解除隧道,取出原始数据包的工作.IETFRFC2003和RFC2004各自定义了一种利用隧道封装数据包的技术工作原理移动代理(即外区代理和归属代理)通过代理通告报文广播其存在.移动节点通过代理请求报文,可有选择地向本地移动代理请求代理通告报文. 移动节点收悉这些代理通告后,分辨其在归属网上,还是在某一外区网上. 当移动节点检测到自己位于归属网上时,那么它不需要移动服务就可工作.假如移动节点从登记的其他外区网返回归属网时,通过交换其随带的登记请求

41、和登记答复报文,移动节点需要向其归属代理撤消其外区网登记信息. 当移动节点检测到自己已漫游到某一外区网时,它获得该外区网上的一个转交地址.这个转交地址可能通过外区代理的通告获得,也可能通过外部分配机制获得,如DHCP(一个驻留本地的转交地址). 离开归属网的移动节点通过交换其随带的登记请求和登记答复报文,向归属代理登记其新的转交地址,另外它也可能借助于外区代理向归属代理进行登记. 发往移动节点归属地址的数据包被其归属代理截收,归属代理利用隧道技术封装该数据包,并将封装后的数据包发送到移动节点的转交地址,由隧道终点(外区代理或移动节点本身)接收,解除封装,并最终传送到移动节点. 在相反方向,使用

42、标准的IP选路机制,移动节点发出的数据包被传送到目的地,无需通过归属代理转发. 无论移动节点在归属网内还是在外区网中,IP主机与移动节点之间的所有数据包都使用移动节点的归属地址,转交地址仅用于与移动代理的联系,而不被IP主机所觉察. 移动IP具有下述优点：首先是对网络环境没有特殊要求。移动IP是一项网络增值服务，对网络设备、结构等没有特殊的要求。只是须在每个局域网交换机的RJ45网口接上移动IP服务器，同时在笔记本电脑等需要移动的网络节点上安装相应的移动IP客户端软件。其次是可以同时支持有线、无线网络环境。移动IP可以同时支持有线、无线网络的环境。移动IP是经过第三层（IP层）的数据包进行封装

43、、转发、拆封来实现移动通信的，和链路层、物理层没有任何关系。移动IP是通过Web管理界面实现移动IP的相关配置和管理的。这样可以方便用户的操作、远程管理等。 不足之处移动IP是一种新颖技术,它自然存在一些不足之处,这就是: 移动节点连至Internet的链路通常是无线链路,这种链路与传统的有线网络相比,其带宽明显低得多,误码率高得多; 由于采用IP隧道封装技术,使得封装后的数据包大于源路由数据包;必须事先知道隧道的出口节点能解除封装,取出原始数据包,否则IP隧道封装技术无法使用;每个移动IP节点的成本明显高于有线IP网的节点成本;移动节点可能是电池供电,如何减小功耗是一个急需解决的问题;某些防

44、火墙可能会阻断IP隧道,因为它们检验每个数据包的源地址域,而移动节点的数据包归属地址与外区网的网络地址不一样,从而导致防火墙阻截IP隧道数据包;目前Internet上的大多数设备和ISP不支持移动IP业务. Multicast技术IP组播（也称多址广播或多播）技术，是一种允许一台或多台主机（组播源）发送单一数据包到多台主机（一次的，同时的）的TCP/IP网络技术。组播作为一点对多点的通信，是节省网络带宽的有效方法之一。在网络音频/视频广播的应用中，当需要将一个节点的信号传送到多个节点时，无论是采用重复点对点通信方式，还是采用广播方式，都会严重浪费网络带宽，只有组播才是最好的选择。组播能使一个或

45、多个组播源只把数据包发送给特定的组播组，而只有加入该组播组的主机才能接收到数据包。目前，IP组播技术被广泛应用在网络音频/视频广播、AOD/VOD、网络视频会议、多媒体远程教育、push技术（如股票行情等）和虚拟现实游戏等方面。 IP v4组播IPv4组播地址和组播组IP组播通信必须依赖于IP组播地址，在IPv4中它是一个D类IP地址，范围从224.0.0.0到239.255.255.255，并被划分为局部链接组播地址、预留组播地址和管理权限组播地址三类。其中，局部链接组播地址范围在224.0.0.0224.0.0.255，这是为路由协议和其它用途保留的地址，路由器并不转发属于此范围的IP包；

46、预留组播地址为224.0.1.0238.255.255.255，可用于全球范围（如Internet）或网络协议；管理权限组播地址为239.0.0.0239.255.255.255，可供组织内部使用，类似于私有IP地址，不能用于Internet，可限制组播范围。 使用同一个IP组播地址接收组播数据包的所有主机构成了一个主机组，也称为组播组。一个组播组的成员是随时变动的，一台主机可以随时加入或离开组播组，组播组成员的数目和所在的地理位置也不受限制，一台主机也可以属于几个组播组。此外，不属于某一个组播组的主机也可以向该组播组发送数据包。 IPv6组播IPv6加强了组播功能，取消了广播，而使用一个“所

47、有节点”组播地址来替代那些必须使用广播的情况。同时，对那些原来使用了广播地址的场合，则使用一些更加有限的组播地址。 IPv6组播地址的格式更为严格。组播地址只能用作目的地址，没有数据报把组播地址用作源地址。地址格式中前8位全为“1”，标识为组播地址。ipv6组播地址格式中，除前8位外，其余部分包括标识、范围、组地址三个字段。标识字段由4个独立位标识组成，目前只指定了第4位，用来表示该地址是熟知的组播地址、还是特定场合使用的临时组播地址。如果该标识位为“0”，则表示为熟知地址；如果为“1”，则表示为临时地址。其他3个标识位保留供将来用。范围字段有4位，用来表示组播的范围是只包括同一本地网、同一站

48、点、同一机构中的节点，还是包括ipv6全球地址空间中任何位置的节点。组地址字段有112位，用于标识组地址，根据标识字段和范围字段，同一个组地址可以表示不同的组。在ipv4组播网络中，除了一些熟知的和保留的组播地址以外，其他地址并没有明确规定该怎么用，因此在广域范围内使用时存在着冲突的危险。而在ipv6组播网络中，由于增加了标识和范围字段，临时组播地址在它们自己的范围以外没有意义，因此全球范围的临时组播地址和链路本地的组，即使它们有相同的组标识符，也不会发生冲突，这更有利于组播功能的实现。 组播分布树为了向所有接收主机传送组播数据，用组播分布树来描述IP组播在网络中传输的路径。组播分布树有两个基

49、本类型：有源树和共享树。 有源树是以组播源作为有源树的根，有源树的分支形成通过网络到达接收主机的分布树，因为有源树以最短的路径贯穿网络，所以也常称为最短路径树（SPT）。 共享树以组播网中某些可选择的组播路由中的一个作为共享树的公共根，这个根被称为汇合点（RP）。共享树又可分为单向共享树和双向共享树。单向共享树指组播数据流必须经过共享树从根发送到组播接收机。双向共享树指组播数据流可以不经过共享树。 逆向路径转发 逆向路径转发（RPF）是组播路由协议中组播数据转发过程的基础，其工作机制是当组播信息通过有源树时，组播路由器检查到达的组播数据包的组播源地址，以确定该组播数据包所经过的接口是否在有源的

50、分支上，如果在，则RPF检查成功，组播数据包被转发；如果RPF检查失败，则丢弃该组播数据包。 IP组播路由协议根据网络中组播组成员的分布，总的说来IP组播路由协议可以分为以下两种基本类型。“密集模式”（Dense-Mode）的组播路由协议，假设组播组成员密集地分布在网络中，也就是说，网络大多数的子网都至少包含一个组播组成员，而且网络带宽足够大，这种被称作依赖于广播技术来将数据推向网络中所有的路由器。密集模式路由协议包括距离向量组播路由协议（DVMRP：Distance Vector Multicast Routing Protocol）、组播开放最短路径优先协议（MOSPF：Multicast Open Shortest Path First）和密集模式独立组播协议（PIM-DM：Protocol-Independent Multicast-Dense Mode）等。 稀疏模式组播路由协议，假设组播组成员在网络中是稀疏分散的，并且网络不能提供足够的传输带宽，比如Internet上通过I