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多媒体和 QoS

多媒体与服务质量保证

多媒体信息特征

多媒体信息包括声音与图像，具有两个核心特征：

特征说明
信息量大标准语音 64 kbit/s；高质量立体声 1.4 Mbit/s；彩色电视 250 Mbit/s
时延敏感对传输时延与时延抖动均有严格要求
丢失容忍少量分组丢失对播放效果影响有限，可被人耳/人眼容忍

互联网的非等时性

模拟多媒体信号经采样与模数转换后，组装成分组并以恒定速率（等时）发送。但互联网本身为非等时网络，分组经过互联网后变为非恒定速率到达。

解决机制：接收端设置播放缓存（FIFO 队列）

  • 分组到达后暂存于缓存，待数量达到阈值后以恒定速率读出播放
  • 引入播放时延 TT，以非恒定速率到达的分组经缓存后以恒定速率读出，消除时延抖动
  • 代价：所有分组均经受额外迟延，早到达分组停留时间更长

实时数据传输需求：

需求说明
序号分组可能乱序到达，需编号以保证按序还原播放
时间戳标识分组应在何时播放，区分正常停顿与迟延停顿

流式存储音频/视频

服务类型

类型特征
流式存储边下载边播放，不保留文件（如 YouTube、Netflix）
流式实况边录制边发送
交互式实时双向通信（如 IP 电话）

传统下载 vs 流式播放

传统下载：浏览器通过 HTTP 请求完整文件，下载完成后传送给媒体播放器解压缩播放。

流式播放架构：

┌─────────┐      HTTP      ┌─────────┐      元文件      ┌─────────┐
│ 浏览器  │ ─────────────→ │ 万维网  │ ───────────────→ │ 媒体    │
│         │ ←───────────── │ 服务器  │                  │ 播放器  │
└─────────┘                └─────────┘                  └─────────┘
                                ↓  URL
                           ┌─────────┐
                           │ 媒体    │
                           │ 服务器  │
                           └─────────┘

元文件：极小的描述文件，包含实际音频/视频文件的 URL。

媒体服务器

使用双服务器架构：

  • 万维网服务器：提供元文件与网页内容
  • 媒体服务器（流式服务器）：专门支持流式音频/视频传送，与媒体播放器通过专用协议（如 RTP）交互

TCP vs UDP 选择

协议适用场景特点
TCP流式存储（YouTube、Netflix）可靠传输，通过应用层缓存平滑抖动；防火墙友好
UDP实况转播低时延，少量丢包优于卡顿暂停；需配合 RTP/RTSP

TCP 流式播放步骤：

  1. HTTP 获取视频文件，送入 TCP 发送缓存
  2. 通过互联网传输至 TCP 接收缓存
  3. 再送入应用程序缓存（播放器缓存），达到阈值后开始播放（通常 <1< 1 min）
  4. 播放时等时地按帧读出、解压缩、显示

实时流式协议 RTSP

RTSP (Real-Time Streaming Protocol) 是多媒体播放控制协议，本身不传送数据，工作在客户-服务器模式。

功能：暂停/继续、后退、前进等控制操作，又称”互联网录像机遥控协议”。

特点：

  • 有状态协议：记录客户机状态（初始化/播放/暂停）
  • 控制分组可在 TCP 或 UDP 上传送
  • 不定义压缩方案、封装方式或缓存策略

工作过程：

步骤操作
1浏览器请求音频/视频文件
2万维网服务器返回元文件
3浏览器将元文件传送给媒体播放器
4RTSP 客户与媒体服务器建立连接
5发送 PLAY 报文开始下载
6发送 TEARDOWN 报文断开连接

交互式音频/视频

IP 电话

狭义：在 IP 网络（分组交换网）上打电话。

广义：IP 网络上的交互式多媒体实时通信（话音、视像、即时传信 IM）。

IP 电话网关：公用电话网与 IP 网络的接口设备，负责：

  • 呼叫阶段与释放阶段的信令转换
  • 通话期间的话音编码转换

通话质量决定因素：

因素要求
端到端时延不应超过 250 ms，否则交谈者感到不自然
时延抖动必须受限制
分组丢失率取决于网络通信量

低速率话音编码标准：

标准比特率帧大小处理时延帧长
G.7298 kbit/s10 ms10 ms10 B
G.723.15.3/6.3 kbit/s30 ms30 ms20/24 B

实时运输协议 RTP

RTP (Real-time Transport Protocol) 为实时应用提供端到端运输，但不提供服务质量保证。

协议定位：

  • 从应用开发者角度：属于应用层
  • 从服务角度：可视为 UDP 之上的运输层子层，提供时间戳与序号服务

RTP 分组首部（12 字节）：

┌─────┬─────┬─────┬─────┬────────┬────────┬────────┬────────┐
│ V   │ P   │ X   │ CC  │   M    │   PT   │  序号  │ 时间戳 │
│ 2b  │ 1b  │ 1b  │ 4b  │   1b   │   7b   │  16b   │  32b   │
├─────┴─────┴─────┴─────┴────────┴────────┴────────┴────────┤
│              同步源标识符 SSRC (32b)                       │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│              参与源标识符 CSRC [0..15] × 32b               │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘

封装层次：

┌─────────┬─────────┬─────────┬─────────────┐
│ IP 首部 │ UDP首部 │ RTP首部 │ RTP 数据    │
│         │  8B     │  12B    │ (应用层数据) │
└─────────┴─────────┴─────────┴─────────────┘

实时运输控制协议 RTCP

RTCP 与 RTP 配合使用，主要功能：

  • 服务质量监视与反馈
  • 媒体间同步
  • 多播组成员标识

特点：不封装声音/视像分组，多个 RTCP 分组可封装在一个 UDP 数据报中，周期性传送统计信息报告。

五种分组类型：

类型值缩写意义
200SR发送端报告
201RR接收端报告
202SDES源点描述
203BYE结束
204APP特定应用

H.323

ITU-T 制订的基于分组的多媒体通信系统标准，是互联网端系统间实时声音/视频会议的标准。

注意：H.323 不是单一协议，而是一组协议，涵盖系统描述、呼叫模型、信令、控制报文、复用、编解码器、数据协议等，但不保证 QoS。

四种构件：

构件功能
H.323 终端使用 H.323 协议进行多媒体通信
网关连接 H.323 网络与非 H.323 网络（如公用电话网）
网闸 (Gatekeeper)所有呼叫通过网闸，提供地址转换、授权、带宽管理、计费
MCU多点控制单元，支持 ≥3\ge 3 个终端的音频/视频会议

会话发起协议 SIP

SIP (Session Initiation Protocol) 为互联网建议标准，比 H.323 更简单实用。

特点：

  • 以互联网为基础，将 IP 电话视为互联网新应用
  • 只涉及信令与服务质量，功能少于 H.323
  • 使用文本方式的客户-服务器协议
  • 与 HTTP 相似，使用 HTTP 的首部、编码规则、差错码、鉴别机制
  • 可扩缩性优于 H.323

系统构件：

构件角色
用户代理客户发起呼叫
用户代理服务器接受呼叫
代理服务器接受呼叫请求并转发给下一跳
重定向服务器不接受呼叫，告知客户下一跳地址
SIP 登记器跟踪被叫方 IP 地址，实现用户定位

地址格式：sip:用户名@主机

  • 电话号码：sip:zhangsan@8625-87654321
  • IPv4 地址：sip:zhangsan@201.12.34.56
  • 电子邮件：sip:zhangsan@public1.ptt.js.cn

会话三阶段：建立会话 →\to 通信 →\to 终止会话

会话描述协议 SDP

SDP (Session Description Protocol) 用于详细指明：

  • 媒体编码
  • 协议端口号
  • 多播地址

在电话会议中尤为重要，因为参与者动态加入/退出。

服务质量保证 QoS

使互联网提供服务质量

QoS 是服务性能的总效果，决定用户满意程度。基本性能指标包括：可用性、差错率、响应时间、吞吐量、分组丢失率、连接建立时间、故障检测与改正时间等。

核心机制需求：

机制功能示例
分类根据准则对输入分组分类，给予不同优先级实时数据高优先级，FTP 低优先级
管制限制数据流速率，防止影响其他流将 H1 数据率限定为 1 Mbit/s，超限时丢弃
调度为不同应用分配带宽，保证服务质量音频分配 1.0 Mbit/s，文件传送 0.5 Mbit/s
呼叫接纳数据流预先声明 QoS 需求，获准或拒绝进入总数据率超链路带宽时，阻止另一数据流

调度机制

默认规则：先进先出 FIFO

  • 缺点：不能区分时间敏感分组与一般数据，不公平

优先级排队：高优先级分组优先服务

  • 缺点：高优先级队列始终有分组时，低优先级长期得不到服务

公平排队 FQ (Fair Queuing)：

  • 长分组服务时间长，短分组吃亏
  • 未区分优先级

加权公平排队 WFQ (Weighted Fair Queuing)：

  • 给队列指派权重 wiw_i
  • 队列 ii 得到的平均服务时间为 wi/(∑wj)w_i / (\sum w_j)，∑wj\sum w_j 为所有非空队列权重之和
  • 队列 ii 得到的带宽： Ri=wi∑wj×RlinkR_i = \frac{w_i}{\sum w_j} \times R_{link}

WFQ 算法： 设 ai,Li,fia_i, L_i, f_i 分别为第 ii 个分组的到达时刻、长度及发送结束时刻，则：

fi=max⁡(fi−1,ai)+LiRif_i = \max(f_{i-1}, a_i) + \frac{L_i}{R_i}

选择最小 fif_i 队列的分组发送。

管制机制

管制三个核心指标：

指标定义
平均速率一定时间间隔内通过的分组数
峰值速率极短时间间隔内的流量上限
突发长度极短时间间隔内连续注入的分组数

令牌桶管制器：

  • 令牌桶参数：桶容量 bb（令牌数），产生速率 rr
  • 若 b=0b = 0，即为漏桶 (leaky bucket)

与 WFQ 结合控制最大时延： 设 nn 个分组流输入路由器，各流令牌桶参数为 bi,rib_i, r_i。桶满时 bib_i 个分组可立即输出，队列 ii 带宽由 WFQ 公式给出。最大时延为传输 bib_i 个分组所需时间：

dmax⁡=biRid_{\max} = \frac{b_i}{R_i}

综合服务 IntServ

IntServ (Integrated Services) 对单个应用会话提供服务质量保证。

两个主要特点：

  1. 资源预留：路由器记录会话已预留的链路带宽与缓存空间
  2. 呼叫建立：需在源到目的路径的每个路由器预留足够资源

两类服务：

服务特征
有保证的服务分组通过路由器时的排队时延有严格上限
受控负载的服务比”尽最大努力”更可靠

四个组成部分：

组件功能
RSVP资源预留信令协议
接纳控制决定是否同意资源请求
分类器将进入分组分类并放入特定队列
调度器根据 QoS 要求决定分组发送顺序

流 (flow)：具有相同源 IP、源端口、目的 IP、目的端口、协议标识符及 QoS 需求的一连串分组。

资源预留协议 RSVP：

  • 会话首先声明所需 QoS，路由器确定资源是否满足
  • 请求被接受时，链路带宽与缓存空间分配给该分组流
  • 采用多播树方式，使用软状态（soft state），需定期更新
  • RSVP 是网络层控制协议，不携带应用数据

IntServ 主要问题：

  • 状态信息数量与流的数目成正比，大型网络开销大
  • 体系结构复杂，所有路由器必须装有 RSVP、接纳控制、分类器、调度器
  • 服务质量等级数量太少，不够灵活

区分服务 DiffServ

DiffServ (Differentiated Services) 力图不改变网络基础结构，在路由器中增加区分服务功能。

核心要点：

要点说明
DS 字段IPv4 服务类型字段 / IPv6 通信量类字段，现使用前 6 bit 作为 DSCP (Differentiated Services CodePoint)
DS 域网络划分为多个 DS 域，复杂性放在边界结点，内部路由器尽量简单
边界路由器功能分类器 + 通信量调节器（标记器、整形器、测定器）
聚合将若干流根据 DS 值聚合成少量流，相同 DS 值按相同优先级转发，无需 RSVP

服务等级协定 SLA：ISP 与用户商定支持的服务类别与容许通信量。

每跳行为 PHB (Per-Hop Behavior)：只涉及本路由器转发这一跳的处理，与下一跳无关。

两种 PHB：

PHB特征服务
EF (Expedited Forwarding)离开路由器的通信量数据率 ≥\ge 某一数值；低丢失率、低时延、低抖动、确保带宽Premium（优质）服务，类似虚拟租用线
AF (Assured Forwarding)DSCP 比特 0~2 分 4 个等级，各等级提供最低带宽与缓存；比特 3~5 分 3 个丢弃优先级拥塞时优先丢弃高丢弃优先级分组

DiffServ 优势：灵活性高，未定义特定服务类别，新旧服务类别均可适应。