多媒體通信對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸層的需求

1、多媒體通信對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸層的需求2000年l0月第17卷第4期阜陽(yáng)師范學(xué)院(自然科學(xué)版)JournalofFuyangTeachersCollege(NaturalScience)0ctober2000Vo1.17.No.4多媒體通信對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸層的需求王浩趙發(fā)勇(阜陽(yáng)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系,阜陽(yáng)236032)(阜陽(yáng)師范學(xué)院物理系,阜陽(yáng)236032)摘要本文從網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的運(yùn)輸層角度,對(duì)多媒體通信在運(yùn)輸層上的需求進(jìn)行了分析與探討,提出了多媒體通信協(xié)議中運(yùn)輸層應(yīng)具有的新特性.關(guān)鍵詞多媒體通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運(yùn)輸層服務(wù)質(zhì)量分類號(hào)TP311引言隨著計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展,使我們獲得了足夠便宜的計(jì)算能力,計(jì)算能力

2、已不再是阻撓當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要障礙.前幾年興起的多媒體技術(shù)和近幾年突起的計(jì)算機(jī)互連網(wǎng)技術(shù)己使計(jì)算機(jī)事業(yè)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代,而二者的有機(jī)結(jié)合則是一個(gè)復(fù)雜而艱巨的任務(wù).就目前的情況來(lái)看,在現(xiàn)有的多數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上特別是在因特網(wǎng)上還不能提供實(shí)時(shí)的多媒體信息傳送,即便有,也只是音頻數(shù)據(jù)的傳輸,或是在高速局域網(wǎng)上進(jìn)行窗口內(nèi)的動(dòng)畫及視頻播放,它們的效果均不盡人意,而且互動(dòng)性較差.本文分析了多媒體通信的特點(diǎn),從網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的運(yùn)輸層角度,對(duì)多媒體通信在運(yùn)輸層上的需求進(jìn)行了分析與探討,提出了多媒體通信協(xié)議中運(yùn)輸層應(yīng)具有的新特性.2運(yùn)輸層概況運(yùn)輸層(TheTransportLayer)的基本任務(wù)是把上層

3、來(lái)的報(bào)文(message)或文件(file)拆成若干個(gè)數(shù)據(jù)塊交給網(wǎng)絡(luò)層,組裝成包(packet),經(jīng)過(guò)路徑選擇和流量控制從而迅速而可靠地到達(dá)對(duì)方.運(yùn)輸層屏敝了通信子網(wǎng)的細(xì)節(jié)向高層提供端到端傳送服務(wù),它提供在會(huì)話實(shí)體之間透明的數(shù)據(jù)傳輸,并使這些會(huì)話實(shí)體不必關(guān)心究竟用什么方式取得可靠的,經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)通信.運(yùn)輸層彌補(bǔ)了通信子網(wǎng)服務(wù)的差異和不足,它在各通信子網(wǎng)的基礎(chǔ)上,利用本身的運(yùn)輸收稿日期:20oOO5一O8協(xié)議增加了服務(wù)功能,使得對(duì)兩端的網(wǎng)絡(luò)用戶來(lái)說(shuō),各通信子網(wǎng)都變成透明的,所以運(yùn)輸層又稱為主機(jī)主機(jī)層(Host-HostLayer),并且一個(gè)運(yùn)輸層協(xié)議通?？赏瑫r(shí)支持多個(gè)過(guò)程的連接.運(yùn)輸層在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)

4、議中的地位如圖1所示.面向通信圖1:運(yùn)輸層的地位在OSI的運(yùn)輸協(xié)議中,對(duì)運(yùn)輸服務(wù)用戶而言把服務(wù)質(zhì)量(QualityofServers,QoS)分成三種類型:A型網(wǎng)絡(luò):網(wǎng)絡(luò)連接具有可接受的低差錯(cuò)率和可接受的低故障通知率;B型網(wǎng)絡(luò):網(wǎng)絡(luò)連接具有可接受的低差錯(cuò)率和不可接受的高故障通知率(多數(shù)的X.25公用分組交換網(wǎng));c型網(wǎng)絡(luò):網(wǎng)絡(luò)連接具有不可接受的高差錯(cuò)率(某些局域網(wǎng)和一些具有移動(dòng)結(jié)點(diǎn)的城域網(wǎng)以及具有衰落信道的分組無(wú)線電網(wǎng)).,【用至j向面能功的網(wǎng)r信通,r,J第4期王浩等:多媒體通信對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸層的需求在OSI的運(yùn)輸協(xié)議中還規(guī)定了5類運(yùn)輸協(xié)議,.詳細(xì)內(nèi)容見參見文獻(xiàn)5.OSI標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)輸協(xié)議的機(jī)

5、制:采用運(yùn)輸協(xié)議單元(TPDU),首先通過(guò)三次握手協(xié)商成功建立連接;而后是數(shù)據(jù)傳送階段,可以傳送正常數(shù)據(jù)(DTTPDU)和加速數(shù)據(jù)(EI)TPDU),但這里的加速數(shù)據(jù)的傳輸只能攜帶不超過(guò)16字節(jié)的用戶數(shù)據(jù),并且在任何時(shí)刻,僅允許一個(gè)末被確認(rèn)的EDTPDU在通信的途中,一般地,加速數(shù)據(jù)常用來(lái)傳送中斷控制命令;最后是連接釋放階段.在TCP/IP體系中面向連接服務(wù)的運(yùn)輸層使用的是傳輸控制協(xié)議(TransmissionControlProtoco1),這是一種面向數(shù)據(jù)流的協(xié)議,它提供可靠的,按序傳送數(shù)據(jù)的服務(wù),TCP的主要機(jī)制有:1.編號(hào)與確認(rèn);2.流量控制;3.重發(fā)機(jī)制;4.運(yùn)輸連接的管理.3多媒體

6、通信的特點(diǎn)和要求多媒體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能是允許在計(jì)算機(jī)之間交換離散媒體數(shù)據(jù)和連續(xù)媒體數(shù)據(jù),因而需要網(wǎng)絡(luò)提供與此相應(yīng)的服務(wù)和協(xié)議.多媒體通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)及協(xié)議有若干特殊的要求,這些要求與"層"無(wú)關(guān),但它們很大程度上由具體應(yīng)用所決定.傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用(遠(yuǎn)程登錄,文件傳輸和電子郵件等),般只涉及文本數(shù)據(jù),相應(yīng)的通信需求可概括成:要求網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù).網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用涉及多種自然屬性各不相同的媒體及多種多樣的通信方式,其特征為:很大的數(shù)據(jù)吞吐量(HighDataThroughput),快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(FastDataFor一.warding),需要服務(wù)保證(ServiceGua

7、rantees),多播(Multicasting).下表1是幾種常見多媒體數(shù)據(jù)的傳輸特性舉例.表1:多媒體數(shù)據(jù)的傳輸特性舉例平均吞吐率最大時(shí)延最大抖動(dòng)允許的比特允許的分組(bps)(ms)(ms)差錯(cuò)率差錯(cuò)率多樣性,不同類型的媒體數(shù)據(jù)對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的7性能和服務(wù)有不同的要求.多媒體通信中不同媒體有不同的自然屬性:(1)文本和圖形數(shù)據(jù)要求無(wú)差錯(cuò)傳輸,但能容忍較大的延時(shí)和抖動(dòng),吞吐率容許的變化范圍比較大.(2)圖象根據(jù)不同的編碼格式和質(zhì)量因子,能容忍一定程度和某些類型的差錯(cuò),通?？烧{(diào)整圖象編碼格式和質(zhì)量因子來(lái)適應(yīng)性地改變吞吐率和延時(shí)需求.(3)連續(xù)媒體如語(yǔ)音和視頻,在空間和時(shí)間兩個(gè)方面部有很大的冗余

8、,可接受一定的差錯(cuò),除了利用編碼格式和質(zhì)量因子調(diào)整吞吐和延時(shí)需求外,還可根據(jù)連續(xù)媒體內(nèi)在的相關(guān)性通過(guò)插值來(lái)降低因數(shù)據(jù)丟失或差錯(cuò)帶來(lái)的影響,交互式語(yǔ)音和視頻為保持一定的可理解性,還要求延時(shí)和抖動(dòng)保持在較小的范圍內(nèi).低時(shí)延,在處理音頻或視頻數(shù)據(jù)時(shí),有截止時(shí)間(deadltne)的限制,甚至受到時(shí)間間隔的限制,必須限定端端的抖動(dòng)幅度(jitter),在交互式應(yīng)用(如可視電話)中尤其重要,必須盡可能地在所要求的時(shí)間段內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸.同步性,一方面指單音頻流,視頻流中的分組之間的連續(xù)等時(shí)性,另一方面指媒體間的時(shí)間關(guān)系.由于實(shí)際視頻/音頻數(shù)據(jù)的速率變化很大,所以網(wǎng)絡(luò)提供的"服務(wù)"必須能

9、對(duì)此進(jìn)行處理.多方通信,必須能夠支持多播(Multicasting)方式的網(wǎng)絡(luò)連接.參加或退出都無(wú)需建立新的連接.另外還要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有大的帶寬,以適合大的吞吐量,因?yàn)榧词故菈嚎s后的多媒體的數(shù)據(jù)量仍然是很龐大的,并且在網(wǎng)絡(luò)中會(huì)同時(shí)有多個(gè)數(shù)據(jù)流在傳輸;多媒體通信協(xié)議必須與現(xiàn)有的廣泛使用的通信協(xié)議保持兼容,既能在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)也能在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行;同時(shí)也應(yīng)考慮到不同的壓縮方案對(duì)傳輸?shù)挠绊?因?yàn)樵诮鈮嚎s過(guò)程中,有些數(shù)據(jù)是關(guān)鍵數(shù)據(jù),必須對(duì)這類數(shù)據(jù)加以保證,否則會(huì)使解壓后的數(shù)據(jù)質(zhì)量大大降低;也不應(yīng)該為保證視頻/音頻的傳輸而犧牲其它離散數(shù)據(jù)的通信.有關(guān)多媒體信息的壓縮算法和服務(wù)質(zhì)量(QoS)的概念己超出本文討

10、論的范圍,有興趣的同行請(qǐng)參閱有關(guān)資料.4運(yùn)輸層必須具有的新功能傳統(tǒng)運(yùn)輸層協(xié)議既不能滿足新型應(yīng)用的多樣化的通信需求(如多媒體會(huì)議的群組管理和分布式處理不同的通信模式),又無(wú)法反映高速網(wǎng)絡(luò)(ATM/B-ISDN)豐富的傳輸服務(wù)(如多點(diǎn)投遞,資源管理和質(zhì)量控制的能力).為了使運(yùn)輸層更好地適合于多8阜陽(yáng)師范學(xué)院(自然科學(xué)版)媒體通信,根據(jù)以上對(duì)運(yùn)輸層的回顧和對(duì)多媒體通信特點(diǎn)和要求的分析,我們可以看出運(yùn)輸層必須具有一些新特性并應(yīng)能提供下列新功能:,時(shí)間信息:對(duì)于連續(xù)媒體數(shù)據(jù)流,運(yùn)輸層必須滿足它們的Q0s要求,對(duì)于不同類型的數(shù)據(jù)應(yīng)保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)送達(dá),并且還需要解決同步問(wèn)題.準(zhǔn)可靠性:對(duì)于圖像和連續(xù)的音

11、頻/視頻數(shù)據(jù)允許一定范圍內(nèi)的差錯(cuò)出現(xiàn),以保證實(shí)時(shí)性,但應(yīng)能根據(jù)一定的錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制進(jìn)行處理.多播:傳統(tǒng)運(yùn)輸層連接只有一個(gè)發(fā)起方和一個(gè)響應(yīng)方,兩者間維護(hù)相向的數(shù)據(jù)流,而群組通信可能有多個(gè)發(fā)起方和響應(yīng)方,需要維持多個(gè)交錯(cuò)的數(shù)據(jù)流,從而改變了原有某些協(xié)議假設(shè)和協(xié)議機(jī)制的合理性,如:一對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)輸協(xié)議,連接任一方若離開,整個(gè)連接就要結(jié)束;群組通信的成員資格可動(dòng)態(tài)調(diào)整,群組成員允許遲后加入或提前離開群組.一傳統(tǒng)協(xié)議依賴反饋控制和同步握手維持?jǐn)?shù)據(jù)流發(fā)送方和接收方的一致性;對(duì)多點(diǎn)投遞來(lái)說(shuō),全局的同步握手相當(dāng)困難,反饋信息的過(guò)多匯集將會(huì)影響正常的數(shù)據(jù)發(fā)送.NAK(None-AcKnowledgment)一bas

12、ederrorrecoverymechanism:對(duì)于交互媒體數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō),通常無(wú)法依靠數(shù)據(jù)重發(fā)恢復(fù)差錯(cuò),因此應(yīng)使用無(wú)回應(yīng)的差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制,一旦恢復(fù)不成功,則可視質(zhì)量控制要求丟棄或重發(fā).傳輸速率控制:可根據(jù)不同的應(yīng)用要求及Q0S的質(zhì)量因子,對(duì)各種媒體信息流的傳輸速率進(jìn)行實(shí)第17卷時(shí)控制,以達(dá)到合理分配網(wǎng)絡(luò)資源,在相同的條件下獲得最好的服務(wù)目的.傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議的困難在于無(wú)法支持具有質(zhì)量需求的應(yīng)用和中支持單投遞類型的通信模型,應(yīng)增強(qiáng)原有Internet服務(wù)模型和擴(kuò)展傳統(tǒng)TCP/IP層次協(xié)議,在運(yùn)輸層方面要解決多點(diǎn)投遞,資源管理和Internet集成服務(wù)方面的不足,研究各種擁擠控制算法以及克服16位

13、(64KB)窗口的限制.5結(jié)束語(yǔ)國(guó)外有許多組織正在從事有關(guān)新型運(yùn)輸協(xié)議的研究與開發(fā),就目前的情況來(lái)看,新型的協(xié)議像IPv6,實(shí)時(shí)運(yùn)輸協(xié)議(RealtimeTransportProtoco1),快速運(yùn)輸協(xié)議(XpressTransportProto-c1)等根據(jù)多媒體通信的不同特性做了許多改進(jìn),比原有協(xié)議更適宜于多媒體數(shù)據(jù)的傳輸,它們從一些:側(cè)面考慮了多媒體數(shù)據(jù)傳輸特性,但在另一些方面仍存在著不足或是在引入新的特性時(shí)又帶來(lái)了新的問(wèn)題,對(duì)多媒體通信協(xié)議的研究還有很多工作要做.相信不久,隨著對(duì)更加適宜多媒體通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)一步研究,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)速度與帶寬的進(jìn)一提高,可接受

14、的實(shí)時(shí)多媒體信息傳輸進(jìn)入實(shí)用階段,那些網(wǎng)民之間的交流再也不是通過(guò)生硬的鍵盤進(jìn)行,而是一種具有臨場(chǎng)感的面對(duì)面的交流,多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合和廣泛應(yīng)用能極大地提高人們的工作效率,有效地降低各方面的成本,給人們的日常生活,工作,學(xué)習(xí)帶來(lái)更大的方便.參考資料IRalfSteinment,KlaraNahrstedt:MultimediaComputing,Communcations&Application,PrenticeHall,Inc19952T.D.C.Little:NetworkConsiderationsforDistributedMultimediaObjectsC

15、ompositionandCommunication.IEEENetworkMagazine,4:3239,November19903胡曉峰等.多媒體系統(tǒng)原理與應(yīng)用.北京:人民郵電出版社,19954吳樂南等.多媒體及相關(guān)技術(shù)的原理與應(yīng)用.南京:東南大學(xué)出版社,19965謝希仁等.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò).北京;電子工業(yè)出版社,19946胡道元.計(jì)算機(jī)局域網(wǎng),1990TheRequirementsoftheMuitimediaCommunicationonTransportLayerofNetworkWangHaoZhaoFayong(FuyangTeachersCollege,Fuyang236032)Abstract:WepresentinthispaperabriefoverviewofTransportLayerofnetworkprotocols,whichareusedformultime