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zp@huanghuai.edu.cn. Computer Networks. 第八章 INTERNET 上的多媒体应用与服务质量 Teacher: Dr. 周 鹏. 本章内容. 网络多媒体应用 多媒体通信对网络的要求 流媒体技术 RTP 、 RTCP 、 RTSP 、 H.323 服务质量（ QoS ）. 网络多媒体应用分类. 实时 实时交互应用： IP 电话、实时电视会议、远程医疗等。 传输延迟和传输抖动要求最高。 实时非交互应用： 网络收音机、 IP 电视等。 非实时

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Presentation Transcript

  1. zp@huanghuai.edu.cn Computer Networks 第八章 INTERNET上的多媒体应用与服务质量 Teacher: Dr. 周 鹏

  2. 本章内容 • 网络多媒体应用 • 多媒体通信对网络的要求 • 流媒体技术 • RTP、RTCP、RTSP、H.323 • 服务质量（ QoS ）

  3. 网络多媒体应用分类 • 实时 • 实时交互应用：IP电话、实时电视会议、远程医疗等。 • 传输延迟和传输抖动要求最高。 • 实时非交互应用：网络收音机、IP电视等。 • 非实时 • 非实时交互应用：声音点播（AOD）、视频点播（VOD）、交互式多媒体游戏等等。 • 非实时非交互应用：流媒体，存储式音频和视频

  4. 多媒体通信对网络的要求 • 高网络带宽 • 低传输延迟 • 网络带宽稳定 • 对传输可靠性要求相对较低 • 支持组播技术 • 支持服务质量（Quality of Service）机制

  5. 因特网的改造方案 • 在现有的基于TCP/IP协议的因特网基础上增加链路带宽，并使用一些辅助手段。（RTP、RTCP、IGMP、H.323） • 对现有的网络环境进行彻底改造，制定新的适合多媒体通信的网络协议。（B-ISDN、ATM、IPv6、RSVP—Resource Reservation Protocol） • 对网络层和传输层进行很小的改变，且在网络边缘（用户与ISP之间）引入简单的记价和规划策略（DiffServ）。

  6. 针对现有因特网的措施 • 尽量利用UDP来传送音频和视频。 • 在客户端采用推迟播放和缓冲区技术以减弱传输延迟和传输抖动的影响。 • 在各个分组上加上顺序号、时间戳和同步标记，使客户端能够正确播放。 • 针对分组丢失可以采用冗余纠错技术、交错传输技术和插值技术进行修复。

  7. 流媒体技术简介（Streaming Media） • 什么是流媒体 • 流媒体就是应用流技术在网络上传输的多媒体文件 • 流技术就是把连续的影象和声音信息经过压缩处理（压缩成小的数据包）后放上网站服务器，让用户一边下载一边观看、收听，而不需要等整个压缩文件下载到自己机器后才可以观看的网络传输技术。 • 该技术先在使用者端的电脑上创造一个缓冲区，播放前预先下载一段资料作为缓冲，当网路实际连线速度小于播放所耗用资料的速度时，播放程序就会取用这一小段缓冲区内的资料，避免播放的中断，也使得播放品质得以维持。 • 三个竞争公司： • Microsoft→Windows Media • RealNetworks →Real Player • Apple → QuickTime

  8. 流媒体系统 • 技术： • 压缩技术、流格式编码技术、媒体发布技术、多媒体传输技术、缓存技术等 • 协议： • RTP、RTCP、RTSP（实时流协议）、MMS（Microsoft Media Service）等 • 软件： • 编码工具、流媒体服务器、播放器、Web服务器/浏览器 RTSP传送播放、快进、快退、暂停等控制信息 RTP/UDP传送媒体数据

  9. 实时传输协议RTPReal-time Transport Protocol • RTP是一个应用层协议，它规定了音频和视频数据、顺序号和时间戳等信息如何封装在传输层（UDP）分组中。 • RTP本身不提供任何机制来确保数据的按时发送或保证服务的质量，甚至不能保证分组的顺序递交。服务质量的保证由RTCP协议来完成，而数据传输功能是由底层的传输协议完成，一般情况下，利用UDP进行。

  10. 实时传输控制协议RTCPRTP Control Protocol • RTCP是RTP的孪生协议，主要功能是为应用程序提供会话质量或者广播性能质量的信息。 • 每个RTCP信息包不封装声音数据或者电视数据，而是封装发送端和/或者接收端的统计报表。这些信息包括发送的信息包数目、丢失的信息包数目和信息包的抖动等情况。RTCP规格没有指定应用程序应该使用这个反馈信息做什么，这完全取决于应用程序开发人员。

  11. 实时流协议RTSPReal-Time Streaming Protocol • RTSP是一个应用层协议，它本身并不提供数据传输功能，使用低层的TCP或RTP完成数据传输，其本身仅提供数据的控制功能。 • 通过RTSP协议可以在媒体服务器和客户端之间建立和控制连续的音/视频媒体流，控制流媒体数据在IP网络上的发送，它提供用于音频和视频流的“VCR模式”远程控制功能，例如播放、暂停、快进、快退和定位。

  12. 因特网重要应用—IP电话 • 概念：通过因特网实时传送语音信息的服务，叫做因特网协议电话，即IP电话。 • 优点： • 通过计算机网络传输数字信号，不需要通过一系列昂贵的交换设备，且数字信号传输速率高。 • 特点： • 语音压缩 • 采用TCP/IP传送语音数据 • 在相同的带宽上话务量大 • 主要形式： • PC到PC • PC到电话 • 电话到电话

  13. IP电话的信令标准→H.323协议 • H.323协议是ITU-T提出的在分组网络、特别是IP网上实现多媒体通信的标准。 • H.323协议主要考虑了以下几个方面： • 互操作性，尤其是与N-ISDN和H.320的互通 • 控制对LAN的访问以避免发生阻塞 • 多点呼叫 • 从小型网络升级到中型网络

  14. H.323组件的组成元素 • 终端 • 计算机/单个设备/一个运行H.323的多媒体程序 • 网关 • 连接了两个不一样的网络。使得一个H.323网络可以和非H.323网络（比如公用电话网）通信。 • 网闸（网守）gatekeeper • H.323网络的大脑。所有呼叫均需通过网闸。由网闸提供地址转换、授权、带宽管理、计费等功能。 • 多点控制单元 MCU（Multipoint Controller Unit） • 支持3个或者更多终端（音频/视频）会议的能力

  15. 服务质量QOS

  16. QOS背景 IP将成为未来各种网络技术和业务的融合平 → QoS: Quality of Service，服务质量 数据业务 综合业务 （数据视频语音） 尽力服务模型 支持服务质量模型 IP网络 以太网、令牌环网、IEEE 802.11、3G…

  17. QoS服务质量的定义 • ITU-T：QoS是一个综合指标，用于衡量一个服务的满意程度。 • IETF(Internet Engineering Task Force )：QoS是在传输一个“流”时，网络能够满足相应的服务需求。 • Cisco：QoS是指一个网络能够利用各种底层技术向选定的网络业务提供更好的服务的能力。 • 这些底层技术包括：帧中继（Frame Relay）、异步传输模式（ATM）、以太网、SONET以及IP-路由网络等

  18. QoS的度量参数 • 带宽 • 给定介质、协议或连接的额定吞吐量。 • 时延 • 分组从发送端到达接收端的时间间隔（下页详细介绍）。 • 时延抖动（delay jitter） • 端到端延时的变化特性，由延时的可变部分的变化导致的，流量的突发、不公平的队列调度算法都可能导致较大的延时抖动。

  19. QoS的度量参数 • 时延：分组从发送端到达接收端的时间间隔。 • 传输时延 • 发送分组的第一个比特到发送最后一个比特的时间间隔，取决于发送接口的速率和分组的大小。 • 传播时延 • 发送分组的一个比特到接收端接收到该比特的时间间隔，取决于传输介质和传输距离。 • 处理时延 • 分组从到达节点到进入输出队列的时间间隔，包括对分组头标处理，路由查找等，取决于节点的处理能力和分组处理的复杂度。 • 排队时延 • 分组从进入输出队列到开始输出的时间间隔，取决于队列长度和调度策略。

  20. 20 • 使因特网具备服务质量应从哪些方面考虑 • 分四种情况讨论

  21. 1.主机 H1 和 H2 分别向主机 H3 和 H4 发送数据 H1 1 Mb/s的实时音频数据 H3 R1 R2 1.5 Mb/s 链路 H2 H4 1.5 Mb/s 链路 H1 H2 输出队列 FTP 文件数据 需要给不同性质的分组打上不同的标记。当 H1 和 H2 的分组进入 R1 时， R1 应能识别实时数据分组，并使这些分组以高优先级进入输出队列，而仅在队列有多余空间时才准许低优先级的 FTP 数据分组进入。

  22. 2.主机 H1 和 H2 分别向主机 H3 和 H4 发送数据 H1 1 Mb/s的实时音频数据 H3 R1 R2 1.5 Mb/s 链路 H2 H4 1.5 Mb/s 链路 H1 H2 输出队列 高优先级的 FTP 文件数据 应当使路由器增加分类(classification)机制，即路由器根据某些准则（例如，根据发送数据的地址）对输入分组进行分类，然后对不同类别的通信量给予不同的优先级。

  23. 3.主机 H1 和 H2 分别向主机 H3 和 H4 发送数据 H1 数据率异常的实时音频数据 H3 R1 R2 1.5 Mb/s 链路 H2 H4 1.5 Mb/s 链路 H1 H2 输出队列 FTP 文件数据 路由器应能将对数据流进行通信量的管制(policing)，使该数据流不影响其他正常数据流在网络中通过。例如，可将 H1 的数据率限定为 1 Mb/s。R1 不停地监视 H1 的数据率。只要其数据率超过规定的 1 Mb/s，R1 就将其中的某些分组丢弃。

  24. 3.主机 H1 和 H2 分别向主机 H3 和 H4 发送数据 H1 数据率异常的实时音频数据 H3 R1 R2 1.5 Mb/s 链路 H2 H4 1.5 Mb/s 链路 H1 H2 输出队列 FTP 文件数据 应在路由器中再增加调度(scheduling)机制。利用调度功能给实时音频分配 1.0 Mb/s 的带宽，给文件传送分配 0.5 Mb/s 的带宽（相当于在带宽为 1.5 Mb/s 的链路中划分出两个逻辑链路），因而对这两种应用都有相应的服务质量保证。

  25. 4.主机 H1 和 H2 分别向主机 H3 和 H4 发送数据 H1 1 Mb/s 的实时数据 H3 R1 R2 1.5 Mb/s 链路 H2 H4 1.5 Mb/s 链路 H1 H2 输出队列 总数据率已超过了 1.5 Mb/s 链路的带宽。比较合理的做法是让一个数据流通过 1.5 Mb/s 的链路，而阻止另一个数据流的通过。这就需要呼叫接纳(call admission)机制。数据流要预先声明所需的服务质量，然后或者被准许进入网络，或者被拒绝进入网络。

  26. QoS模型 • 综合服务(IntServ)模型 • 区分服务(DiffServ)模型 • Diff-IntServ综合模型 All Proposed by IETF Internet Engineering Task Force，互联网工程任务组 成立于1985年底，其主要任务是负责互联网相关技术规范的制定。

  27. IntServ模型概述 • 使用资源预留协议RSVP（Resource Reservation Protocol） • IntServ 可对单个的应用会话提供服务质量的保证，其主要特点有二，即： • 资源预留。 • 在每个业务开始之前，由终端设备向网络发出请求，声明它所需的服务质量，以便网络（通过路由器）为它预留必要的网络资源（带宽、存储）。 • 呼叫建立。 • 需要服务质量保证的会话必须首先在源站到目的站的路径上的每个路由器预留足够的资源，以保证其端到端的服务质量要求。

  28. 服务类型 • 保证型服务（GS：Guaranteed Service ） • 提供完全保证的服务质量，用于要求低延时的业务，其最大延时和带宽能够得到定量保证 • 受控负载型服务（CLS：Controlled-Load Service ） • 没有固定的时延保证，能够提供一种相当于网络节点在低负载情况下的尽力服务 • 受控负载业务与其它业务分离：WFQ调度算法 • 链路上的受控负载业务总量：接纳控制 • 尽力服务（Best Effort）

  29. IntServ特点 • 1.提供端到端的QoS保证 • 2.基于流的细粒度资源分配 • 问题：存在可扩展性问题 • 必须建立和维护“每流”的预留状态信息 • 需要对每个流进行接纳控制、分类等操作 存储、处理开销随着流的数量的增加而急剧增长

  30. DiffServ模型概述 • 解决IntServ的可扩展性问题，在分组中携带的信息决定如何处理，而不需要使用RSVP协议。 • 基于类的QoS保证，通常在核心网中使用 • 当业务到达区分服务区域的边界时，边缘路由器使用分组头标中的区分服务标记域（DS field）对其进行聚类，网络对同类业务给予相同的QOS保证。

  31. 结构模型（1） • 边缘路由器：业务量分类和调节，对分组头标中的DS域进行标记，标记值被称为DSCP (区分服务码点) • 中心路由器：根据IP分组DS域中所标记的DSCP值，来选择所对应的转发处理，即逐跳行为（PHB），从而对分组进行调度转发 • SLA（Service Level Agreement服务等级协定）：不同DS区域之间的分类规则、重新标记规则以及业务流应该符合的业务量配置文件

  32. 结构模型（2） 边界路由器中的各功能块的关系 调节器 测定器 根据 DS 值 进行转发 分组入 分组出 分类器 标记器 整形器 丢弃 边界路由器 （入口） 边界路由器 （出口） 内部路由器

  33. DiffServ特点 • 基于聚合类的粗粒度资源分配 • 具有较好的可扩展性。 • DS字段只是规定了有限数量的业务级别，状态信息的数量正比于业务级别，而不是流的数量 • 易于实现。 • 只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、整形等操作 • 缺点：无法提供端到端的QoS保证

  34. Diff-IntServ综合模型 • IntServ模型：接入网络 • DiffSev模型：核心网络 • IntServ和DiffServ网络之间的映射机制 端到端QoS

  35. Thinking—QoS：Is it really necessary? • No • QoS guarantee by traffic control and resource management is too complicated to be practical • Over-provision of bandwidth will provide QoS • Yes • Traffic growth is always faster than bandwidth growth • Bandwidth available can not be infinite, especially at the edge (including wireless access) • QoS control should be end-to-end, otherwise must move the problem elsewhere • Seamless handover and roaming of mobile hosts need strict QoS • Qos differentiation and tariff need QoS guarantee

  36. Thank You !

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