第 10章基于 Internet网的多媒体技术
内容,
? 概念与问题
? IP组播
? IP QoS保障机制
? IP多媒体网络的相关问题
10.1 概念与问题
? Internet网起源于 1969年美国国防部高级研究计划署研
制的 ARPANET网 ；
? 1975年 ARPANET从实验网络变成可运行的网络；
? 1983年,TCP/IP成为 ARPANET上标准的通信协议,
并在 UNIX上实现 TCP/IP；
? 1985年：美国 NSF 采用 TCP/IP 协议组建一个新的
Internet骨干网即 NSFNET,用来连接当时的 6个超级计
算中心和高等院校与科研机构；
? 1987年,NSFNET实现, 采用 T1线路 (1.54Mbps)；
? 1989年,ARPANET退役, NSFNET对公众开放, 成为
Internet最重要的通信骨干网络 ；
? 1991年：采用 T3线路 (45Mbps)。
? 1995年,NSF宣布与 MCI合作建设高速数据通道计划, 提供
155Mbps的主干网络服务, 取代原来的 NSFNET,Internet网开
始大规模商业应用 。
? 到 2001年：高速通信网络将 150多个国家 3000多万台计算机连
入 Internet,几亿用户每天在使用 Internet网提供的服务 。
? 目前, Internet主要业务仍是正文和静态图像方式发布信息,
传递电子邮件以实现通信和资源共享 。
? 以 IP电话, 音乐点播, 视频点播, 实时视频广播等多媒体业务
在 Internet网业务中逐渐上升, 并将成为其主要的业务 。
? Internet网由许多子网连接在一起, 通信协议 TCP/IP协议 。
图 10.1 Internet的结构
? TCP/IP是一个协议组。主要包括 TCP,UDP和 IP,其制定
的是传输层和网络层的标准。其中,
(1) TCP 称为传输控制协议 。 其作用是保证命令或数据能正
确无误地到达目的地 。 TCP是可靠的 。
(2) UDP 称为用户数据报协议 。 它和 TCP一样都是传输层协
议 。 与 TCP不同, 它是不可靠的, 不对发出的报文进行跟
踪, 也就不能保证每个 UDP报文达到目的地址 。 但由于它
减少了网络开销, 因此效率很高 。
(3) IP称为互联网协议 。 它位于 TCP的下一层, 负责完成互联
网中包的路由选择, 并跟踪这些包到达不同目的端的路径 。
IP还要对一些可能出现的情形, 如不同传输介质间的不一
致性等进行处理 。
运行 于 Internet网上的典型多媒体应用包括,
? 现场声音和视频广播 这类似于普通的无线电和电视广播，
不同的是传输网络为 Internet网。目前产品如 RealNetworks
Broadcasters。
? 声音点播 客户在任何时间任何地点从声音点播服务器读声
音文件 。 许多产品也为用户提供交互功能 。 典型产品有
RealNetworks RealPlayer和 VocalTec公司的 Internet Wave。
? 视频点播 这是一类典型的交互式多媒体服务系统 。 视频点
播系统一般运行在宽带网中 。 目前已有很多运行于 Internet网
上的视频点播产品 。
? IP电话 是在 IP网络上进行呼叫和通话，这种应用支持人们
在 Internet网上进行通话。目前 IP电话价格便宜，但质量较差。
? 分组实时视频会议 这类应用系统与 IP电话类似，但可传
输视频图像并允许多人参加。目前已有许多此类产品。
? 从多媒体信息传输来讲, Internet提供两种类型的服务,
(1)可靠的面向连接服务，用 TCP协议，对信息包时延要求
不高；
(2)不可靠的无连接服务，使用 UDP协议，不保证不丢包也
不保证时延满足需求。
? Internet网现在对多媒体包的传送中，各包平等，无优先
之分，是尽力传输机制，难以保证多媒体实时应用的需求。
? 目前应该解决问题：提高网络带宽, 减少时延, 减少抖动。
? 解决问题的思路 一般从 2个方面考虑,
(1)扩大链路带宽 费用太大, 且易被多媒体业务
吃掉 ；
(2)改进 Internet协议 采用这种方法对网络系统做
较大的变更, 对多媒体应用保证端对端带宽,
如对 IP电话途中每个链路预留带宽 。
10.2 IP组播
10.2.1 基本概念
? IP地址分 5类,
(1) A类,B类,C类是基本的因特网地址；
(2) D类 (224.0.0.0~239.255.255.255)用于组播的地址；
(3) E类是保留地址。
? 发送端和接收端及其之间的网络设施都必须具备多
播功能。
? 对本地的 IP组播，主机节点所需要的环境是,
TCP/IP协议栈中可支持 IP组播；
软件支持 Internet组管理协议 (IGMP),这样就可以申请
参加组播组和接收组播；
要有 IP组播应用软件。
10.2.2 组播路由选择算法
目标 — 建立一个组播树使组播包传送到目标站点 。
1,泛洪法 (flooding)
? 当路由器收到一个组播包时它首先会检查是否是第一次收
到此包，若是把该包转发给所有相连节点，否则简单地丢
弃该包。利用这种方式我们可保证所有互连的路由器会至
少接到包的一个拷贝。
? 该算法已经用在 OSPF协议中。
? 简单，但效率不高。
2.支撑树 (spanning tree)算法
? 这个算法已被 IEEE-820 MAC采用, 它有效且容易实现。
? 该算法 利用求图的最优支撑树算法，选择一个互连链路
的集合组成一个树结构使任何两个路由器之间只有一条
路径。因为树连接了网中所有节点，所以被称为支撑树 。
? 当路由器收到一个组播包时，它将此包转发到除了该包
到达的链路之外属于支撑树的所有链路，以保证多播包
达到互连网的所有路由器。
? 支撑树算法的缺点是, 它把所有流量集中在一个小的链
路集合，且没有考虑组成员特点。
图 10.2 组播支撑树
3.反向路径广播（ reverse path broadcasting,RPB ）
? 已经用在 Mbone中。该方法不是建立一个全网络的支撑树，
而是为每个源节点构造一个隐含的支撑树。
? 基于该算法，一旦路由器在链路 L上收到来自源节点 S的组播
包时，路由器将检查 L是否属于针对 S的最短路径。如是这种
情况该包被转发到所有除了 L的链路上，否则包被丢弃。
? RPB算法改进, 如果局部路由器不处于源节点和邻节点之间
的最短路径上, 组播包将会在相邻的路由器丢弃。
? 这个算法是有效的并易于实现。且由于组播包通过从源节点
到目标节点的最短路径转发，所以它是快速的。
? 路由器 不需要了解整个支撑树，并且组播包是通过不同支撑
树传递，流量分布在多个树上，网络得到较好地利用。
? RPB算法主要缺点,它构造分布树不考虑组播组员的信息 。
图 10.3 反向路径广播树
4.修剪的反向路径广播 (truncated reverse path
broadcasting,TRPB)
? 算法克服了 RPB算法的局限性。我们知道通过使用 IGMP协议，
路由器可决定一个已知的组播组的成员是否在该路由器子网
中。如果这个子网是一个叶子子网 (不存在连到它的任何其他
路由器 )，该路由器将从支撑树中剪除。这个过程一直到多余
的分支被剪除掉为止。
? 类似于 RPB,如果局部路由器不位于从邻接路由器到源节点
之间的最短路径上, TRPB不会转发信息到邻接路由器。
? 尽管组播组成员信息被用在 TRPB算法中, 并且叶子子网从支
撑树中删剪掉, 但它不能消除没有组成员的非叶子子网的不
必要流量 。
5,Steiner树
? 在 RPB和 TRPB算法中, 源节点和每个目的节点的 最短路
径 被用来传输组播包, 保证组播包尽可能快地传递 。 然而,
它们没有最小化网络资源的使用 。 利用 Steiner树可以为构
造传输树最优地使用链路的数目 。
? Steiner树具有较少的链路数, 这个树可能比 RPB树传播慢 。
? 虽然 Steiner树最小化了传输树中链路的使用, 但是, 由于
Steiner树难以计算, 使这种方法在实际中较少使用 。
? 因为 Steiner树是随着节点的加入或离开组播组而变化的,
Steiner树也是不稳定的 。
图 10.4 Steiner树
6,基于核心树的组播 (core-based tree,CBT)
? CBT为 每个组建立单一的传输树 。 一个路由器或一组路由器
被选做传输树的核心 。所有到指定组的信息被作为单播信息
向核心路由器转发直到它们到达属于相应传输树的某个路由
器。然后，信息包被转发到除了进入接口之外属于传输树的
所有接口。
? 由于 CBT为每个组播组仅构造一个传输树, 与其他组播算法
相比组播路由器需要保持较少的信息。 CBT也节省网络带宽，
因为它不需要任何组播包都在互连网上复制转发。
? 然而，为每个组播组使用单个树可能导致流量集中和核心路
由器的瓶颈。存在惟一的传输树也可能导致非优化的路由和
由此带来的传输信息延时。
上述几种算法被用来开发组播路由选择协议 。
图 10.5 CBT树
10.2.3 组播路由选择算法
1,距离矢量组播路由 协议 (DVMRP)
? 最初是在 IETF RFC1075中定义, 它已广泛用在 MBone网络
上。其早期版本中基于 TRPB算法构造传输树。后来被使用
加强 TRPB算法 (称为反向路径组播算法 RPM)来改进。
? 使用该协议，一旦构造了传输树，从一个指定源节点到其
组播组发送组播信息的第 1个包开始沿着互连的网络复制转
发。然后，剪除消息来剪除到达组播组成员不经过的树枝。
? 当已删除树枝上的一个新的主机加入组播组中时，一种新
的消息用来使传输树中以前剪掉的树枝重新接入。 由于新
的成员可在任何时候加入到组播组，而且新成员可能在某
个被剪除的分枝加入，因此 DVMRP就周期性地重新启动传
播树的构造过程。
? 在子网上密集分布有组播组成员的情况下,DVMRP工作
很好。 但组播组成员稀疏分布在广域网上的情况下，周期
性地组播行为会使网络的性能严重下降。
? 使用 DVMRP的另一个问题是 组播路由状态信息的数量问
题 。 因为所有路由器都必须为每个组播组存放状态信息,
这些信息用来转发组播消息的指定接口信息, 后者是剪除
状态信息, 而且这些信息必须要存放在组播路由器中 。
2,组播开放最短路径路由优先协议 (Ｍ OSPF)
? 开放最短路径优先协议 (OSPF)在 RFC1583中定义。
MOSPF建立在 OSPF的基础上，它沿最低成本路径传递
信息，而最低成本则使用链路状态来衡量。除了路径上
的跳数外，可能影响成本的网络性能参数包括负载平衡
信息和要求的服务质量。
? 在使用 OSPF/MOSPF协议的网络中，每个路由器都要维
持整个网络的布局图，其链路状态信息就用来构造组播
树。每台 MOSPF路由器通过 IGMP周期性地收集组播组
成员的信息。这个信息连同上述的链路状态信息一起传
送到这个路由域中的其他路由器。根据从邻接路由器接
收到的信息，路由器将修改它们内部的链路状态信息。
? 由于每个路由器都了解整个网络布局，因此路由器就使
用组播源为树根、使用组播组中的成员作为树叶来独立
计算最低成本支撑树。由于所有路由器都周期性地共享
链路状态信息，因此它们计算得到的组播树将完全相同。
? MOSPF使用 Dijkstra算法去计算最短路径树。对每个组播
树都要单独计算。为了减少计算量，当路由器接收到数
据包流中的第一个数据包时才做这种计算。一旦计算出
组播树就把信息存储起来，为后来的数据包使用。
? MOSPF缺点是要周期性地在路由器间传递链路状态信息,
对组播来说不很适合。
3,协议独立的组播路由协议
? 是由 IETF IDMR工作组开发的。 IDMR计划开发一系列
组播路由协议，能提供可伸缩的 Internet范围的组播路由
选择。 PIM需要单播路由协议的存在。
? 如果组成员是密集分布而且带宽不是问题的话，已经提
出的方法工作地很好。然而, 当组成员是稀疏分布而且
带宽不是很宽余时,DVMRP和 MOSPF效率不是很高。
? 为了解决这种情况的问题, PIM采用 2种协议，即 PIM-
DM (Dense Mode)和 PIM-SM(Sparse Mode),它们分别在
组成员密集分布和稀疏分布时更有效。
PIM-DM
? PIM-DM非常类似于 DVMRP也使用 RPM算法来构造传输树
? 两种算法有明显的差别 。 尽管 PIM-DM需要单播路由协议的
存在来找到回到源节点的路由, PIM-DM是独立于由任何具
体单播路由协议实现的机制 。
? PIM-DM与 DVMRP另一区别,PIM-DM转发所有下载流接口
的组播信息直到它收到剪除信息，而 DVMRP转发组播流量
到传输树上的儿子节点。所以,PIM-DM需要处理复制信息。
? 然而, 这种方法被选用来消除路由协议依赖性和避免由每个
路由器儿子接口计算所导致的负担。类似于 DVMRP,重新
接入信息用来将已经剪除的分枝加入传输树。
PIM-SM
? PIM-SM在 IETF RFC2117定义，它与 PIM-DM的 2个差别,
(1) 在 PIM-SM协议中路由器需要明确地通知要接收组播组的
组播信息的愿望，而密集型协议假定所有路由器需要接收
组播信息除非它们明确地发出剪除信息。
(2) 另一个差别是在 PIM-SM协议中有核心或会合点的概念。
? PIM-SM协议 用来限制组播的流量只通向那些感兴趣接收
的路由器。 PIM-SM围绕回合点的路由器来构造组播树。
这个回合点所扮演的角色与 CBT中的核心路由器的角色相
同。用 CBT路由协议构造的树总是组共享树，共享组播树
容易构造，但当有大量的组播流量时服务质量降低，并且
由于经常不能在最端路径上通行，加大多媒体流的时延。
而使用 PIM-SM协议构造组播树时既可构造组共享树，也
可构造最短路径树。
? PIM-SM协议最初构造一棵组共享树以支持组播，这是通
过源节点和接收端都连接到回合点来建立的，就像用
CBT协议围绕核心树构造共享树一样。
? 这种组播树建立之后，路由器可向组播源发送一个 PIM
加入消息，目的是把接收端与组播源节点的连接改接到
最短路径上。从源节点到接收端的最短路径一旦建立，
通过回合点的无关分枝就可以剪除。
图 10.6 PIM-SM组播树构造
10.3 IP QoS保障机制
10.3.1 QoS路由选择
选择一条符合 QoS需求的路由。
? 常用 QoS参数, 带宽, 时延, 错误率, 费用等
? 多播 QoS路由选择 (单播是其特例 )
? 路径 P(u,v)=(u,i,j,...,k,v)三类约束,
(1) 可加的树约束
m(u,v)=m(u,i)+m(i,j)+...+m(k,v) (端到端的时延 )
(2) 可乘的树约束
m(u,v)=m(u,i)*m(i,j)*...*m(k,v) (错误率 )
(3) 凸约束 m(u,v)=min[m(u,i),m(i,j),...,m(k,v)]
(带宽 )
? 针对单个约束的多播 QoS路由选择可以用图论的算法解
决。基本算法,
(1) Dijkstra最短路径算法 ；
(2) 最小支撑树算法 ；
(3) Steiner树 最小化多播树总的网络费用 。
? 多个约束的多播 QoS路由选择,
针对两个或两个以上独立的可加的或可乘的约束找路由
问题是个 NP问题 。 通过启发式算法找最优解或次优解 。
单个可加的或可乘的约束和凸约束结合是非 NP可解的 。
10.3.2 资源预留协议
? Internet一种有效的 QoS保障机制是为多媒体应用预留网络
资源 (主要指网络带宽 )，其核心是一个资源预留协议
RSVP,它定义在 IETF RFC2205中。
? RSVP允许应用程序为它们的数据流保留带宽 。主机根据
数据流的特性使用这个协议向网络请求保留一个特定量的
带宽，路由器也使用 RSVP转发带宽请求。为执行 RSVP，
在接收端、发送端和路由器中都必须要有执行 RSVP的软
件。
? RSVP的 2个主要特征是,
①保留组播树的带宽，单播是一特殊情况；
②接收端驱动，即接收端启动和维护资源的保留。
? 当 应用需要 QoS保证的服务时, 发送端要向接收端发送一
个称之为路径的组播包说明所要求的服务类型和业务流特
点, 沿途的路由器将路径消息逐段传递至接收端, 接收端
返回一个称之为预留的消息来请求资源, 在此消息中给出
接收端所要求的服务质量。
? 网络在回传这消息时，沿途的每个路由器可接受或拒绝预
留消息的请求。如果拒绝，则返回一个错误给接收端，呼
叫被终止，如果接受，则为该业务流分配带宽资源，并将
该流的状态信息记录下来。接收端驱动的方式适合无连接
的网络。
? 另外，在组播中由各终端声明自己所要求的服务质量，比
由发送端来向网络提出 QoS要求更为合理一些 。
图 10.7 资源预留过程
10.3.3 区分服务
? 由于 RSVP实现起来比较复杂,IETF建议另一种 QoS的保障
机制即区分服务 (DS)。
? DS通过 IP数据报中的服务类型域来区别服务类型, 在 IPv4
中, 位于报头中该域可由用户设定。 DS中服务类型域称为
DS域，根据 DS域的不同类型，将数据报以不同的方式传递，
这便是区分服务概念的由来, 其 实际上是一种相对优先级
的服务。
? DS域中可定义的服务有,
低延时低抖动的最高服务 ；
比尽力服务有更高可靠性的确保服务；
具有金、银、铜 3种质量的奥林匹克服务 。
? 用户要获得区分服务须先与 ISP协商取得服务水平协定
(SLA),规定给用户的服务等级和每个等级所允许的流量。
? SLA可是静态或动态的。静态 SLA是用户和 ISP协商好的，
在一定期限有效的协定，用户在此期间可随时享受区分服
务，而动态 SLA是用户需要区分服务时，通过信令协议 (如
RSVP)建立起来的。当 SLA建立之后，用户对数据报的 DS
域进行标示，边界路由器根据这种 SLA对这些报文进行分
类和处理。
? 如果链路上有的路由器不支持区分服务，它会忽视数据报
中 DS域的内容而给予尽力服务。由于支持区分服务的路
由器对确保服务的包会给予应有的服务，因此从整体性能
上，用户得到了比尽力服务更好的服务 。
10.3.4 多协议标识交换
? 多协议标识交换 (MPLS)是一种新的 QoS保障机制，它是在
标签交换技术上发展的一种包传递机制。
? MPLS通过一个协议来建立标识交换路径 (LSP)。 一个 LSP
是一个从发送者到接收者的单向逻辑通道，具有相同服务
等级的多个数据流可以会聚一起使用一个 LSP。
? LSP的建立可以是控制驱动的, 例如由寻径更新信号所激
发, 也可以是数据驱动的, 例如由要传输某个数据流的请
求所激发。当建立 LSP的过程激发起来之后，支持 MPLS
的标识交换路由器 (LSR)之间利用协议对每个标识的语义
进行进行协商, 即协商对带有某种标识的包的处理方法，
LSR中就形成了一张以标识为索引的传送表说明每种包的
处理方法。
? 用户数据包在支持 MPLS的网络入口路由器中进行分类，
并加入相应的 MPLS包头后进入 MPLS子网。 MPLS网
内部的路由器只需根据包中的标识查找传送表并进行
处理，比一般 IP寻径快得多。当数据包离开支持 MPLS
的子网时，在出口路由器中将其 MPLS包头删除掉。这
样,MPLS子网很容易与其他支持 QoS机制的子网相连。
10.4 IP多媒体网络的相关问题
10.4.1 宽带 IP多媒体技术
? 近年来千兆位路由器和 IP交换技术的出现, 为多
媒体业务提供更好的支持。本节简要介绍几种宽
带 IP传输技术。
1,IP在 ATM网上的传输
? ATM为传输模式的 B-ISDN曾被认为是下一代通信网
络的基础。但由于其交换设备、传输机制和接入方式
等, 与旧的网络有较大不同,B-ISDN没得到较大的发
展。 ATM作为一种交换和传输技术主要用在干线传输
上。
? IP在 ATM网上的传输业务通常采用 IETF RFC1483和
RFC15772定义的 IPOA (classical IP over ATM)规范, 它
将 ATM网络看作是一种异构网络, 为 IP提供链路连接。
2,IP在 SDH上的传输
? 在 IPOA中, IP数据包被分割成短的数据段, 然
后封装进 ATM信元 。 每个信元要加信元头, 这
就增加了开销 (称信元税 ),有人估计大约增加
25%。
? 我们知道 ATM的底层传输系统是 SDH,为何不
在 SDH上直接传输 IP来减少开销？ IP over SDH
正是这样一种技术, 它的信元税仅为 5%。
3,IP在波分复用光纤网络上的传输
? 传统的增加信道容量的方法一是增铺新的光缆；二是提
高原有光缆的时分复用速率 。 前一种方法价格昂贵, 后
一种方法规模的伸缩性差 。 如使用新的高速复接设备,
原有的低速率的设备就作废了 。
? 密集波分复用 (DWDM)是近年来出现的一种经济, 灵活
地扩展信道容量的技术 。
? 波长 1200~1600nm范围内的光波在单模光缆中的传输损
耗都比较小, 即可用于数据传输的光带宽有 30THz。 同
一光缆中利用该范围内的多个波长的光波分别进行时分
复用传输的技术称为 WDM。 该技术可将现有光纤网络
的传输速率提高几十到上百倍 。
? WDM提供了灵活的扩展信道容量的方法和多种协议的信
号可以复用在同一光缆中传输的方法，一些现存的技术 (如
IPOA)仍能在 WDM中继续工作, 这使得骨干网的传输能以
更平滑的方式升级。
? 另外，使用 WDM传输网在 IP QoS保障和损坏部件的及时
恢复方面也有优势。
10.4.2 无线 IP多媒体技术
第 3代移动通信不仅能提供现有的各种移动电话业务, 还能
提供高速率的宽带多媒体业务。但必须解决下列问题,
1,低功耗的无线视频传输技术
无线网络的特点是支持用户的移动性, 传输的高功耗和无线
设备上的有限电池容量是多媒体传输中必须解决的问题 。
低功耗的视频传输技术是目前正在研究的重要课题 。
2,提高带宽利用率的压缩技术
随着无线网络的发展, 无线 IP业务将占大部分全球无线业
务量。因此, 保证在无线网络中 TCP/IP协议的高效率实现
成为一个重要的研究课题。
例如, TCP/IP数据包中存在着 40~60字节的报头，对 TCP/IP
报头压缩技术的研究，将提高 TCP/IP的传输效率。
3,鲁棒的抗干扰技术
无线网络条件的动态变化, 通信质量受用户环境的影响很
大。这要求无线 IP信号具有强的纠错能力，以适应环境遮
挡、信号干扰、信号衰弱等不良因素的影响。
上述问题目前正在逐步解决，相信在不久的将来，无
线 IP多媒体业务在人类的生活和工作中占据重要的地位。
本章小结
本章主要讨论了基于 Internet的多媒体技术的概念、
问题和基本解决方法。
? 首先介绍 Internet及其多媒体应用, 讨论了在 Internet中
改善多媒体服务质量的基本途径,
? 介绍了 IP组播技术, 它是提高 Internet传输效率的一种重
要方法, 对改善多媒体服务质量很有效,
? 讨论了几种常用的 IP网络的 QoS保障机制,
? 最后简要介绍了与 IP多媒体网络相关的宽带 IP和无线 IP
多媒体技术。
本章内容是基于 Internet多媒体系统的基础。
内容,
? 概念与问题
? IP组播
? IP QoS保障机制
? IP多媒体网络的相关问题
10.1 概念与问题
? Internet网起源于 1969年美国国防部高级研究计划署研
制的 ARPANET网 ；
? 1975年 ARPANET从实验网络变成可运行的网络；
? 1983年,TCP/IP成为 ARPANET上标准的通信协议,
并在 UNIX上实现 TCP/IP；
? 1985年：美国 NSF 采用 TCP/IP 协议组建一个新的
Internet骨干网即 NSFNET,用来连接当时的 6个超级计
算中心和高等院校与科研机构；
? 1987年,NSFNET实现, 采用 T1线路 (1.54Mbps)；
? 1989年,ARPANET退役, NSFNET对公众开放, 成为
Internet最重要的通信骨干网络 ；
? 1991年：采用 T3线路 (45Mbps)。
? 1995年,NSF宣布与 MCI合作建设高速数据通道计划, 提供
155Mbps的主干网络服务, 取代原来的 NSFNET,Internet网开
始大规模商业应用 。
? 到 2001年：高速通信网络将 150多个国家 3000多万台计算机连
入 Internet,几亿用户每天在使用 Internet网提供的服务 。
? 目前, Internet主要业务仍是正文和静态图像方式发布信息,
传递电子邮件以实现通信和资源共享 。
? 以 IP电话, 音乐点播, 视频点播, 实时视频广播等多媒体业务
在 Internet网业务中逐渐上升, 并将成为其主要的业务 。
? Internet网由许多子网连接在一起, 通信协议 TCP/IP协议 。
图 10.1 Internet的结构
? TCP/IP是一个协议组。主要包括 TCP,UDP和 IP,其制定
的是传输层和网络层的标准。其中,
(1) TCP 称为传输控制协议 。 其作用是保证命令或数据能正
确无误地到达目的地 。 TCP是可靠的 。
(2) UDP 称为用户数据报协议 。 它和 TCP一样都是传输层协
议 。 与 TCP不同, 它是不可靠的, 不对发出的报文进行跟
踪, 也就不能保证每个 UDP报文达到目的地址 。 但由于它
减少了网络开销, 因此效率很高 。
(3) IP称为互联网协议 。 它位于 TCP的下一层, 负责完成互联
网中包的路由选择, 并跟踪这些包到达不同目的端的路径 。
IP还要对一些可能出现的情形, 如不同传输介质间的不一
致性等进行处理 。
运行 于 Internet网上的典型多媒体应用包括,
? 现场声音和视频广播 这类似于普通的无线电和电视广播，
不同的是传输网络为 Internet网。目前产品如 RealNetworks
Broadcasters。
? 声音点播 客户在任何时间任何地点从声音点播服务器读声
音文件 。 许多产品也为用户提供交互功能 。 典型产品有
RealNetworks RealPlayer和 VocalTec公司的 Internet Wave。
? 视频点播 这是一类典型的交互式多媒体服务系统 。 视频点
播系统一般运行在宽带网中 。 目前已有很多运行于 Internet网
上的视频点播产品 。
? IP电话 是在 IP网络上进行呼叫和通话，这种应用支持人们
在 Internet网上进行通话。目前 IP电话价格便宜，但质量较差。
? 分组实时视频会议 这类应用系统与 IP电话类似，但可传
输视频图像并允许多人参加。目前已有许多此类产品。
? 从多媒体信息传输来讲, Internet提供两种类型的服务,
(1)可靠的面向连接服务，用 TCP协议，对信息包时延要求
不高；
(2)不可靠的无连接服务，使用 UDP协议，不保证不丢包也
不保证时延满足需求。
? Internet网现在对多媒体包的传送中，各包平等，无优先
之分，是尽力传输机制，难以保证多媒体实时应用的需求。
? 目前应该解决问题：提高网络带宽, 减少时延, 减少抖动。
? 解决问题的思路 一般从 2个方面考虑,
(1)扩大链路带宽 费用太大, 且易被多媒体业务
吃掉 ；
(2)改进 Internet协议 采用这种方法对网络系统做
较大的变更, 对多媒体应用保证端对端带宽,
如对 IP电话途中每个链路预留带宽 。
10.2 IP组播
10.2.1 基本概念
? IP地址分 5类,
(1) A类,B类,C类是基本的因特网地址；
(2) D类 (224.0.0.0~239.255.255.255)用于组播的地址；
(3) E类是保留地址。
? 发送端和接收端及其之间的网络设施都必须具备多
播功能。
? 对本地的 IP组播，主机节点所需要的环境是,
TCP/IP协议栈中可支持 IP组播；
软件支持 Internet组管理协议 (IGMP),这样就可以申请
参加组播组和接收组播；
要有 IP组播应用软件。
10.2.2 组播路由选择算法
目标 — 建立一个组播树使组播包传送到目标站点 。
1,泛洪法 (flooding)
? 当路由器收到一个组播包时它首先会检查是否是第一次收
到此包，若是把该包转发给所有相连节点，否则简单地丢
弃该包。利用这种方式我们可保证所有互连的路由器会至
少接到包的一个拷贝。
? 该算法已经用在 OSPF协议中。
? 简单，但效率不高。
2.支撑树 (spanning tree)算法
? 这个算法已被 IEEE-820 MAC采用, 它有效且容易实现。
? 该算法 利用求图的最优支撑树算法，选择一个互连链路
的集合组成一个树结构使任何两个路由器之间只有一条
路径。因为树连接了网中所有节点，所以被称为支撑树 。
? 当路由器收到一个组播包时，它将此包转发到除了该包
到达的链路之外属于支撑树的所有链路，以保证多播包
达到互连网的所有路由器。
? 支撑树算法的缺点是, 它把所有流量集中在一个小的链
路集合，且没有考虑组成员特点。
图 10.2 组播支撑树
3.反向路径广播（ reverse path broadcasting,RPB ）
? 已经用在 Mbone中。该方法不是建立一个全网络的支撑树，
而是为每个源节点构造一个隐含的支撑树。
? 基于该算法，一旦路由器在链路 L上收到来自源节点 S的组播
包时，路由器将检查 L是否属于针对 S的最短路径。如是这种
情况该包被转发到所有除了 L的链路上，否则包被丢弃。
? RPB算法改进, 如果局部路由器不处于源节点和邻节点之间
的最短路径上, 组播包将会在相邻的路由器丢弃。
? 这个算法是有效的并易于实现。且由于组播包通过从源节点
到目标节点的最短路径转发，所以它是快速的。
? 路由器 不需要了解整个支撑树，并且组播包是通过不同支撑
树传递，流量分布在多个树上，网络得到较好地利用。
? RPB算法主要缺点,它构造分布树不考虑组播组员的信息 。
图 10.3 反向路径广播树
4.修剪的反向路径广播 (truncated reverse path
broadcasting,TRPB)
? 算法克服了 RPB算法的局限性。我们知道通过使用 IGMP协议，
路由器可决定一个已知的组播组的成员是否在该路由器子网
中。如果这个子网是一个叶子子网 (不存在连到它的任何其他
路由器 )，该路由器将从支撑树中剪除。这个过程一直到多余
的分支被剪除掉为止。
? 类似于 RPB,如果局部路由器不位于从邻接路由器到源节点
之间的最短路径上, TRPB不会转发信息到邻接路由器。
? 尽管组播组成员信息被用在 TRPB算法中, 并且叶子子网从支
撑树中删剪掉, 但它不能消除没有组成员的非叶子子网的不
必要流量 。
5,Steiner树
? 在 RPB和 TRPB算法中, 源节点和每个目的节点的 最短路
径 被用来传输组播包, 保证组播包尽可能快地传递 。 然而,
它们没有最小化网络资源的使用 。 利用 Steiner树可以为构
造传输树最优地使用链路的数目 。
? Steiner树具有较少的链路数, 这个树可能比 RPB树传播慢 。
? 虽然 Steiner树最小化了传输树中链路的使用, 但是, 由于
Steiner树难以计算, 使这种方法在实际中较少使用 。
? 因为 Steiner树是随着节点的加入或离开组播组而变化的,
Steiner树也是不稳定的 。
图 10.4 Steiner树
6,基于核心树的组播 (core-based tree,CBT)
? CBT为 每个组建立单一的传输树 。 一个路由器或一组路由器
被选做传输树的核心 。所有到指定组的信息被作为单播信息
向核心路由器转发直到它们到达属于相应传输树的某个路由
器。然后，信息包被转发到除了进入接口之外属于传输树的
所有接口。
? 由于 CBT为每个组播组仅构造一个传输树, 与其他组播算法
相比组播路由器需要保持较少的信息。 CBT也节省网络带宽，
因为它不需要任何组播包都在互连网上复制转发。
? 然而，为每个组播组使用单个树可能导致流量集中和核心路
由器的瓶颈。存在惟一的传输树也可能导致非优化的路由和
由此带来的传输信息延时。
上述几种算法被用来开发组播路由选择协议 。
图 10.5 CBT树
10.2.3 组播路由选择算法
1,距离矢量组播路由 协议 (DVMRP)
? 最初是在 IETF RFC1075中定义, 它已广泛用在 MBone网络
上。其早期版本中基于 TRPB算法构造传输树。后来被使用
加强 TRPB算法 (称为反向路径组播算法 RPM)来改进。
? 使用该协议，一旦构造了传输树，从一个指定源节点到其
组播组发送组播信息的第 1个包开始沿着互连的网络复制转
发。然后，剪除消息来剪除到达组播组成员不经过的树枝。
? 当已删除树枝上的一个新的主机加入组播组中时，一种新
的消息用来使传输树中以前剪掉的树枝重新接入。 由于新
的成员可在任何时候加入到组播组，而且新成员可能在某
个被剪除的分枝加入，因此 DVMRP就周期性地重新启动传
播树的构造过程。
? 在子网上密集分布有组播组成员的情况下,DVMRP工作
很好。 但组播组成员稀疏分布在广域网上的情况下，周期
性地组播行为会使网络的性能严重下降。
? 使用 DVMRP的另一个问题是 组播路由状态信息的数量问
题 。 因为所有路由器都必须为每个组播组存放状态信息,
这些信息用来转发组播消息的指定接口信息, 后者是剪除
状态信息, 而且这些信息必须要存放在组播路由器中 。
2,组播开放最短路径路由优先协议 (Ｍ OSPF)
? 开放最短路径优先协议 (OSPF)在 RFC1583中定义。
MOSPF建立在 OSPF的基础上，它沿最低成本路径传递
信息，而最低成本则使用链路状态来衡量。除了路径上
的跳数外，可能影响成本的网络性能参数包括负载平衡
信息和要求的服务质量。
? 在使用 OSPF/MOSPF协议的网络中，每个路由器都要维
持整个网络的布局图，其链路状态信息就用来构造组播
树。每台 MOSPF路由器通过 IGMP周期性地收集组播组
成员的信息。这个信息连同上述的链路状态信息一起传
送到这个路由域中的其他路由器。根据从邻接路由器接
收到的信息，路由器将修改它们内部的链路状态信息。
? 由于每个路由器都了解整个网络布局，因此路由器就使
用组播源为树根、使用组播组中的成员作为树叶来独立
计算最低成本支撑树。由于所有路由器都周期性地共享
链路状态信息，因此它们计算得到的组播树将完全相同。
? MOSPF使用 Dijkstra算法去计算最短路径树。对每个组播
树都要单独计算。为了减少计算量，当路由器接收到数
据包流中的第一个数据包时才做这种计算。一旦计算出
组播树就把信息存储起来，为后来的数据包使用。
? MOSPF缺点是要周期性地在路由器间传递链路状态信息,
对组播来说不很适合。
3,协议独立的组播路由协议
? 是由 IETF IDMR工作组开发的。 IDMR计划开发一系列
组播路由协议，能提供可伸缩的 Internet范围的组播路由
选择。 PIM需要单播路由协议的存在。
? 如果组成员是密集分布而且带宽不是问题的话，已经提
出的方法工作地很好。然而, 当组成员是稀疏分布而且
带宽不是很宽余时,DVMRP和 MOSPF效率不是很高。
? 为了解决这种情况的问题, PIM采用 2种协议，即 PIM-
DM (Dense Mode)和 PIM-SM(Sparse Mode),它们分别在
组成员密集分布和稀疏分布时更有效。
PIM-DM
? PIM-DM非常类似于 DVMRP也使用 RPM算法来构造传输树
? 两种算法有明显的差别 。 尽管 PIM-DM需要单播路由协议的
存在来找到回到源节点的路由, PIM-DM是独立于由任何具
体单播路由协议实现的机制 。
? PIM-DM与 DVMRP另一区别,PIM-DM转发所有下载流接口
的组播信息直到它收到剪除信息，而 DVMRP转发组播流量
到传输树上的儿子节点。所以,PIM-DM需要处理复制信息。
? 然而, 这种方法被选用来消除路由协议依赖性和避免由每个
路由器儿子接口计算所导致的负担。类似于 DVMRP,重新
接入信息用来将已经剪除的分枝加入传输树。
PIM-SM
? PIM-SM在 IETF RFC2117定义，它与 PIM-DM的 2个差别,
(1) 在 PIM-SM协议中路由器需要明确地通知要接收组播组的
组播信息的愿望，而密集型协议假定所有路由器需要接收
组播信息除非它们明确地发出剪除信息。
(2) 另一个差别是在 PIM-SM协议中有核心或会合点的概念。
? PIM-SM协议 用来限制组播的流量只通向那些感兴趣接收
的路由器。 PIM-SM围绕回合点的路由器来构造组播树。
这个回合点所扮演的角色与 CBT中的核心路由器的角色相
同。用 CBT路由协议构造的树总是组共享树，共享组播树
容易构造，但当有大量的组播流量时服务质量降低，并且
由于经常不能在最端路径上通行，加大多媒体流的时延。
而使用 PIM-SM协议构造组播树时既可构造组共享树，也
可构造最短路径树。
? PIM-SM协议最初构造一棵组共享树以支持组播，这是通
过源节点和接收端都连接到回合点来建立的，就像用
CBT协议围绕核心树构造共享树一样。
? 这种组播树建立之后，路由器可向组播源发送一个 PIM
加入消息，目的是把接收端与组播源节点的连接改接到
最短路径上。从源节点到接收端的最短路径一旦建立，
通过回合点的无关分枝就可以剪除。
图 10.6 PIM-SM组播树构造
10.3 IP QoS保障机制
10.3.1 QoS路由选择
选择一条符合 QoS需求的路由。
? 常用 QoS参数, 带宽, 时延, 错误率, 费用等
? 多播 QoS路由选择 (单播是其特例 )
? 路径 P(u,v)=(u,i,j,...,k,v)三类约束,
(1) 可加的树约束
m(u,v)=m(u,i)+m(i,j)+...+m(k,v) (端到端的时延 )
(2) 可乘的树约束
m(u,v)=m(u,i)*m(i,j)*...*m(k,v) (错误率 )
(3) 凸约束 m(u,v)=min[m(u,i),m(i,j),...,m(k,v)]
(带宽 )
? 针对单个约束的多播 QoS路由选择可以用图论的算法解
决。基本算法,
(1) Dijkstra最短路径算法 ；
(2) 最小支撑树算法 ；
(3) Steiner树 最小化多播树总的网络费用 。
? 多个约束的多播 QoS路由选择,
针对两个或两个以上独立的可加的或可乘的约束找路由
问题是个 NP问题 。 通过启发式算法找最优解或次优解 。
单个可加的或可乘的约束和凸约束结合是非 NP可解的 。
10.3.2 资源预留协议
? Internet一种有效的 QoS保障机制是为多媒体应用预留网络
资源 (主要指网络带宽 )，其核心是一个资源预留协议
RSVP,它定义在 IETF RFC2205中。
? RSVP允许应用程序为它们的数据流保留带宽 。主机根据
数据流的特性使用这个协议向网络请求保留一个特定量的
带宽，路由器也使用 RSVP转发带宽请求。为执行 RSVP，
在接收端、发送端和路由器中都必须要有执行 RSVP的软
件。
? RSVP的 2个主要特征是,
①保留组播树的带宽，单播是一特殊情况；
②接收端驱动，即接收端启动和维护资源的保留。
? 当 应用需要 QoS保证的服务时, 发送端要向接收端发送一
个称之为路径的组播包说明所要求的服务类型和业务流特
点, 沿途的路由器将路径消息逐段传递至接收端, 接收端
返回一个称之为预留的消息来请求资源, 在此消息中给出
接收端所要求的服务质量。
? 网络在回传这消息时，沿途的每个路由器可接受或拒绝预
留消息的请求。如果拒绝，则返回一个错误给接收端，呼
叫被终止，如果接受，则为该业务流分配带宽资源，并将
该流的状态信息记录下来。接收端驱动的方式适合无连接
的网络。
? 另外，在组播中由各终端声明自己所要求的服务质量，比
由发送端来向网络提出 QoS要求更为合理一些 。
图 10.7 资源预留过程
10.3.3 区分服务
? 由于 RSVP实现起来比较复杂,IETF建议另一种 QoS的保障
机制即区分服务 (DS)。
? DS通过 IP数据报中的服务类型域来区别服务类型, 在 IPv4
中, 位于报头中该域可由用户设定。 DS中服务类型域称为
DS域，根据 DS域的不同类型，将数据报以不同的方式传递，
这便是区分服务概念的由来, 其 实际上是一种相对优先级
的服务。
? DS域中可定义的服务有,
低延时低抖动的最高服务 ；
比尽力服务有更高可靠性的确保服务；
具有金、银、铜 3种质量的奥林匹克服务 。
? 用户要获得区分服务须先与 ISP协商取得服务水平协定
(SLA),规定给用户的服务等级和每个等级所允许的流量。
? SLA可是静态或动态的。静态 SLA是用户和 ISP协商好的，
在一定期限有效的协定，用户在此期间可随时享受区分服
务，而动态 SLA是用户需要区分服务时，通过信令协议 (如
RSVP)建立起来的。当 SLA建立之后，用户对数据报的 DS
域进行标示，边界路由器根据这种 SLA对这些报文进行分
类和处理。
? 如果链路上有的路由器不支持区分服务，它会忽视数据报
中 DS域的内容而给予尽力服务。由于支持区分服务的路
由器对确保服务的包会给予应有的服务，因此从整体性能
上，用户得到了比尽力服务更好的服务 。
10.3.4 多协议标识交换
? 多协议标识交换 (MPLS)是一种新的 QoS保障机制，它是在
标签交换技术上发展的一种包传递机制。
? MPLS通过一个协议来建立标识交换路径 (LSP)。 一个 LSP
是一个从发送者到接收者的单向逻辑通道，具有相同服务
等级的多个数据流可以会聚一起使用一个 LSP。
? LSP的建立可以是控制驱动的, 例如由寻径更新信号所激
发, 也可以是数据驱动的, 例如由要传输某个数据流的请
求所激发。当建立 LSP的过程激发起来之后，支持 MPLS
的标识交换路由器 (LSR)之间利用协议对每个标识的语义
进行进行协商, 即协商对带有某种标识的包的处理方法，
LSR中就形成了一张以标识为索引的传送表说明每种包的
处理方法。
? 用户数据包在支持 MPLS的网络入口路由器中进行分类，
并加入相应的 MPLS包头后进入 MPLS子网。 MPLS网
内部的路由器只需根据包中的标识查找传送表并进行
处理，比一般 IP寻径快得多。当数据包离开支持 MPLS
的子网时，在出口路由器中将其 MPLS包头删除掉。这
样,MPLS子网很容易与其他支持 QoS机制的子网相连。
10.4 IP多媒体网络的相关问题
10.4.1 宽带 IP多媒体技术
? 近年来千兆位路由器和 IP交换技术的出现, 为多
媒体业务提供更好的支持。本节简要介绍几种宽
带 IP传输技术。
1,IP在 ATM网上的传输
? ATM为传输模式的 B-ISDN曾被认为是下一代通信网
络的基础。但由于其交换设备、传输机制和接入方式
等, 与旧的网络有较大不同,B-ISDN没得到较大的发
展。 ATM作为一种交换和传输技术主要用在干线传输
上。
? IP在 ATM网上的传输业务通常采用 IETF RFC1483和
RFC15772定义的 IPOA (classical IP over ATM)规范, 它
将 ATM网络看作是一种异构网络, 为 IP提供链路连接。
2,IP在 SDH上的传输
? 在 IPOA中, IP数据包被分割成短的数据段, 然
后封装进 ATM信元 。 每个信元要加信元头, 这
就增加了开销 (称信元税 ),有人估计大约增加
25%。
? 我们知道 ATM的底层传输系统是 SDH,为何不
在 SDH上直接传输 IP来减少开销？ IP over SDH
正是这样一种技术, 它的信元税仅为 5%。
3,IP在波分复用光纤网络上的传输
? 传统的增加信道容量的方法一是增铺新的光缆；二是提
高原有光缆的时分复用速率 。 前一种方法价格昂贵, 后
一种方法规模的伸缩性差 。 如使用新的高速复接设备,
原有的低速率的设备就作废了 。
? 密集波分复用 (DWDM)是近年来出现的一种经济, 灵活
地扩展信道容量的技术 。
? 波长 1200~1600nm范围内的光波在单模光缆中的传输损
耗都比较小, 即可用于数据传输的光带宽有 30THz。 同
一光缆中利用该范围内的多个波长的光波分别进行时分
复用传输的技术称为 WDM。 该技术可将现有光纤网络
的传输速率提高几十到上百倍 。
? WDM提供了灵活的扩展信道容量的方法和多种协议的信
号可以复用在同一光缆中传输的方法，一些现存的技术 (如
IPOA)仍能在 WDM中继续工作, 这使得骨干网的传输能以
更平滑的方式升级。
? 另外，使用 WDM传输网在 IP QoS保障和损坏部件的及时
恢复方面也有优势。
10.4.2 无线 IP多媒体技术
第 3代移动通信不仅能提供现有的各种移动电话业务, 还能
提供高速率的宽带多媒体业务。但必须解决下列问题,
1,低功耗的无线视频传输技术
无线网络的特点是支持用户的移动性, 传输的高功耗和无线
设备上的有限电池容量是多媒体传输中必须解决的问题 。
低功耗的视频传输技术是目前正在研究的重要课题 。
2,提高带宽利用率的压缩技术
随着无线网络的发展, 无线 IP业务将占大部分全球无线业
务量。因此, 保证在无线网络中 TCP/IP协议的高效率实现
成为一个重要的研究课题。
例如, TCP/IP数据包中存在着 40~60字节的报头，对 TCP/IP
报头压缩技术的研究，将提高 TCP/IP的传输效率。
3,鲁棒的抗干扰技术
无线网络条件的动态变化, 通信质量受用户环境的影响很
大。这要求无线 IP信号具有强的纠错能力，以适应环境遮
挡、信号干扰、信号衰弱等不良因素的影响。
上述问题目前正在逐步解决，相信在不久的将来，无
线 IP多媒体业务在人类的生活和工作中占据重要的地位。
本章小结
本章主要讨论了基于 Internet的多媒体技术的概念、
问题和基本解决方法。
? 首先介绍 Internet及其多媒体应用, 讨论了在 Internet中
改善多媒体服务质量的基本途径,
? 介绍了 IP组播技术, 它是提高 Internet传输效率的一种重
要方法, 对改善多媒体服务质量很有效,
? 讨论了几种常用的 IP网络的 QoS保障机制,
? 最后简要介绍了与 IP多媒体网络相关的宽带 IP和无线 IP
多媒体技术。
本章内容是基于 Internet多媒体系统的基础。
