計算機通信網絡技術與應用課件第8章

1第8章多媒體網絡技術與網絡服務質量

2多媒體通信擴展了計算機通信網絡的應用領域，如何保證網絡服務質量是最大的問題。本章首先介紹多媒體網絡通信的模型及其相關的通信技術，然后介紹服務質量的概念，實現(xiàn)多媒體網絡通信的常用的標準，提高服務質量的主要技術。要求理解多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性、服務質量的概念，掌握多媒體通信的典型協(xié)議RTP與RTCP、SIP的工作原理，掌握集成服務、區(qū)分服務、MPLS的基本思路。

【本章目標】3【本章要點】1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性2多媒體壓縮與傳輸，主要有流媒體及RTSP協(xié)議、RTP協(xié)議與RTCP協(xié)議、SIP與H.323會話控制

3服務質量、集成服務的服務類型、RSVP、區(qū)分服務4MPLS多協(xié)議標記交換技術

48.1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性1.多媒體的概念

所謂媒體就是信息的載體。媒體在計算機領域中有兩種含義：一是指存儲信息的載體，如磁盤、光盤、半導體等也稱介質；二是指傳遞信息的載體，如數字、文字、聲音、圖形圖像也稱媒介。多媒體就是如數字、文字、聲音、圖形圖像等多種媒體的組合。52.多媒體網絡的概念多媒體網絡是一個端到端的、能夠提供多性能服務的網絡。多媒體網絡由多媒體終端、多媒體接入網絡、多媒體傳輸骨干網絡以及能夠滿足多媒體網絡化應用的網絡軟件等4個部分組成。8.1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性6多媒體網絡應用分為三類：

（1）存儲式的流媒體應用；（2）直播式的流媒體應用；（3）實時交互式的應用。8.1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性73.多媒體網絡應用系統(tǒng)之例

VOD是一個常見的多媒體網絡應用，對于用戶而言，只需配備響應的多媒體電腦終端或者一臺電視機和機頂盒，一個視頻點播遙控器，“想看什么就看什么，想什么時候看就什么時候看”，用戶和被訪問的資料之間高度的交互性使它區(qū)別于傳統(tǒng)的視頻節(jié)目的接收方式。8.1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性8

一個VOD系統(tǒng)可以分成節(jié)目制作中心、服務器、網絡傳輸和用戶終端幾個子系統(tǒng)，其中網絡傳輸部分又可分為交換網和接入網，其結構框圖如圖8-1所示。

圖8-1VOD系統(tǒng)結構框圖8.1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性94.多媒體網絡的特性

由VOD系統(tǒng)可知，多媒體網絡需要傳輸文本、圖像、聲音、視頻等多媒體信息，表8-1顯示了這些多媒體信息對網絡的要求。多媒體信息對網絡的要求語音實時性：延時、抖動敏感；誤碼相對不敏感;數據實時性要求不高，但要有嚴格的誤碼/校錯保證；圖象實時性要求不高，但要求更高的帶寬;視頻高的帶寬、并對實時性要求較嚴，允許有誤碼;表8-1多媒體信息對網絡的要求

8.1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性10

從上表可以看出，為了完成承載多媒體業(yè)務的要求，多媒體網絡應具有如下幾個特性：(1)業(yè)務等級保證，也稱為QOS（QualityOfService）保證。 多媒體網絡應能根據不同的業(yè)務提供不同的質量等級（如帶寬、延時、抖動等）。(2)高帶寬，也就是網絡的寬帶化。 隨著圖象、視頻等多媒體在網上的大量采用，要求網絡能提供足夠的帶寬。(3)可靠性保證。 作為向用戶提供服務的運營網絡，必須提供充分的網絡可靠性，以滿足各種業(yè)務不中斷的要求。(4)實時性，這是多媒體通信網與傳統(tǒng)數據網的本質區(qū)別。多媒體通信網應能滿足各種實時業(yè)務（如語音、視頻）的要求。實時數據傳輸對數據從發(fā)送者到達接收者之間的延遲極其敏感，數據必須在特定的時間內被接收，否則無效。在實時數據傳輸中，根據不同的需求，將其分成兩種：①數據的“丟失”將引起嚴重的或災難性的后果；②對延遲和丟失有一定的容忍能力。8.1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性11

上述四點，體現(xiàn)了網絡多媒體包括了兩個基本特性，即等時性和實時性。 等時性是指應用對于一次傳輸發(fā)起時的延遲并不十分關心，但是一旦開始傳輸數據，就要求在連續(xù)的數據幀之間的延遲保持穩(wěn)定在一定范圍內。實時性即網絡多媒體應用所要求的是多媒體信息的及時傳遞，可以忍受一定的報文丟失率。8.1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性12實時多媒體流又稱為連續(xù)媒體（continousmedia），其中兩個使用最為廣泛的媒體流是音頻和視頻多媒體信息。視頻傳輸的視頻流的速率一直在變化。視頻數據可能沒有音頻那樣有比較嚴格的延時限制，如果沒有足夠的帶寬，可以降低幀刷新的頻率。這就是多媒體網絡的通信特性:網絡上的多媒體通信應用和數據通信應用有比較大的差別，多媒體應用要求在客戶端播放聲音和圖像時要流暢，聲音和圖像要同步，因此對網絡的時延和帶寬要求很高。而數據通信應用則把可靠性放在第一位，對網絡的時延和帶寬的要求不那么苛刻。8.1多媒體網絡應用系統(tǒng)的特性138.2多媒體壓縮與傳輸8.2.1多媒體壓縮8.2.2流媒體及RTSP協(xié)議8.2.3RTP協(xié)議與RTCP協(xié)議8.2.4SIP與H.323會話控制148.2.1多媒體壓縮

目前，多媒體計算機技術是面向三維圖形、環(huán)繞立體聲和彩色全屏幕運動畫面的處理技術。而數字計算機面臨的是數值、文字、語音、音樂、圖形、動畫、圖像、視頻等多種媒體的問題，它承載著由模擬量轉化成數字量信息的輸入、輸出、存儲和傳輸。 數字化了的視頻和音頻信號的數量之大是非常驚人的，它給存儲器的存儲容量、通信干線的信道傳輸率以及計算機的速度都增加了極大的壓力，解決這一問題，單純用擴大存儲器容量、增加通信干線的傳輸率的辦法是不現(xiàn)實的。158.2.1多媒體壓縮數據壓縮技術為圖像、視頻和音頻信號的壓縮，文件存儲和分布式利用，提高通信干線的傳輸效率等應用提供了一個行之有效的方法，同時使計算機實時處理音頻、視頻信息，以保證播放出高質量的視頻、音頻節(jié)目成為可能。目前，有三個重要的有關視頻圖像壓縮編碼的國際標準系列：JPEG標準；H．261標準；MPEG標準。168.2.1多媒體壓縮在多媒體技術中，存儲聲音信息的文件格式主要有：WAV文件、VOC文件、MIDI文件、AIF文件、SON文件及RMI文件等。至于音頻格式，有MP3、WMA(WMA9)、WAV(PCM,ADPCM)、DAT等。至于視頻格式，H.264將會是未來流行的編解碼格式，其次是MPEG-4、MPEG-2、WMV、RMVB等格式。178.2.2流媒體及RTSP協(xié)議

1.問題的提出如何用我們前面章節(jié)的計算機網絡技術，為用戶提供通過Internet訪問位于WWW的多媒體文件呢？即：隨著多媒體壓縮技術和計算機硬件的發(fā)展，音頻和視頻信息經過錄制之后可以保存在計算機的存儲器中，與此同時ADSL、FTTC等寬帶網絡技術為用戶帶來了相對充裕的網絡帶寬，那么用戶如何通過Internet訪問位于WWW的多媒體文件呢？18第一種方法，通過HTTP服務器訪問多媒體文件。多媒體信息首先被錄制下來并進行壓縮后保存在HTTP服務器上，用戶然后通過瀏覽器把HTTP服務器上保存的媒體文件完整地下載下來后再進行播放。常常通過一個單獨的幫助器應用程序（helperapplication）來播放多媒體文件，該應用程序通常叫做媒體播放器（mediaplayer）。8.2.2流媒體及RTSP協(xié)議198.2.2流媒體及RTSP協(xié)議這種方法的基本過程如下：（1）用戶通過瀏覽器點擊該媒體文件對應的超鏈接，首先與HTTP服務器建立一條TCP連接，然后提交HTTP請求來傳送媒體文件。（2）HTTP服務器通過該TCP連接發(fā)送包含了對應的媒體文件的HTTP響應。（3）瀏覽器檢查HTTP響應的頭部信息后，了解到HTTP響應中攜帶的內容的媒體類型，啟動相應的媒體播放器，然后把下載后的文件遞交給該媒體播放器，媒體播放器開始進行播放。208.2.2流媒體及RTSP協(xié)議

這種方法存在的問題：媒體文件經常會非常大，通過網絡傳輸到客戶方進行播放，會導致播放時延很長。由于媒體文件下載后首先要保存到存儲設備上，也會占用比較大的空間。這種方法要求媒體文件已經預先錄制好，對于那些實時錄制的媒體流就無法進行播放。218.2.2流媒體及RTSP協(xié)議第二種方法，考慮采取邊下載邊播放的方法，以減少播放時延。這也就是所謂的流媒體技術，有時也稱之為網絡放送（webcasting）。流媒體技術的基本原理：當一個預先錄制或者在線錄制的音頻或視頻文件通過流放技術傳遞時，客戶方的媒體播放器首先保留一小塊緩沖區(qū)。收到的媒體分組被保存在這個緩沖區(qū)中，一旦緩沖區(qū)滿（經常只要幾秒鐘的時間）后就開始進行播放。只要數據到達的速度不小于播放速度，多媒體數據就能夠平滑地播放。228.2.2流媒體及RTSP協(xié)議基本步驟：（1）用戶通過瀏覽器點擊超鏈接以請求傳送音頻或視頻文件，這個超鏈接指向一個媒體說明文件，也稱為元文件（meta-file），該文件包含有實際的媒體文件的URL地址。（2）Web瀏覽器首先與HTTP服務器建立一條TCP連接，然后提交HTTP請求來傳送包含了實際的媒體文件URL的元文件。（3）HTTP服務器通過該TCP連接發(fā)送包含了元文件的HTTP響應。（4）瀏覽器檢查HTTP響應的頭部信息后，了解到HTTP響應中攜帶的內容的媒體類型，啟動相應的媒體播放器，然后把下載后的元文件遞交給該媒體播放器。（5）媒體播放器直接與HTTP服務器建立TCP連接，然后發(fā)送HTTP請求來傳送實際的媒體文件。（6）HTTP服務器把媒體文件封裝進HTTP響應中，媒體播放器在收到一小段數據后開始播放。238.2.2流媒體及RTSP協(xié)議

這種方法相比第一種方法大大地減少了播放時延，但由于媒體流是通過HTTP協(xié)議來進行傳送，用戶和服務器之間的交互非常困難，且這種面向連接的方式來傳輸媒體流也是非常不適合的。248.2.2流媒體及RTSP協(xié)議

第三種方法中，媒體流不再是直接從HTTP服務器通過HTTP連接傳給媒體播放器，而是引入了一個流媒體服務器，這樣流媒體服務器和媒體服務器之間可以使用它們自己的協(xié)議進行通信。其基本步驟：（1）用戶通過瀏覽器點擊超鏈接以請求傳送音頻或視頻文件，這個超鏈接指向一個媒體說明文件。（2）Web瀏覽器首先與HTTP服務器建立一條TCP連接，然后提交HTTP請求來傳送包含了實際的媒體文件URL的元文件。（3）HTTP服務器通過該TCP連接發(fā)送包含了元文件的HTTP響應瀏覽器檢查HTTP響應的頭部信息后，了解到HTTP響應中攜帶的內容的媒體類型，啟動相應的媒體播放器，然后把下載后的元文件遞交給該媒體播放器。（4）媒體播放器按照自己的協(xié)議與流媒體服務器進行通信，收到一小段數據后開始播放。（5）流媒體服務器和媒體播放器之間通過建筑于UDP之上的實時運輸協(xié)議RTP來傳輸多媒體協(xié)議。258.2.2流媒體及RTSP協(xié)議流媒體系統(tǒng)的組成：一個流媒體系統(tǒng)包含了用于通過Web來創(chuàng)建、存儲和遞交相應的音頻和視頻等媒體文件的硬件和軟件。包括三個部分，分別是媒體服務器和媒體文件、單獨的或者作為插件的媒體播放器、相應的多媒體編碼和創(chuàng)建工具。268.2.2流媒體及RTSP協(xié)議2.RTSP協(xié)議（1）RTSP協(xié)議概述

媒體流的控制方法可以有兩種方法：一種方法是發(fā)送消息給源要求其進行播放、停止等操作。該方法可用于媒體流只有一個客戶進行控制的環(huán)境中。另一種方法是媒體流會正常到達接收者，在接收者處進行媒體流的播放控制。該方法在有多個接收者并且沒有場地控制（floorcontrol）的環(huán)境下更有效。278.2.2流媒體及RTSP協(xié)議RTSP的設計思想：是一種控制一個或者多個時間同步的實時音頻、視頻等連續(xù)媒體流的遞交的客戶/服務方協(xié)議。RTSP相當于媒體服務器的“網絡遠程控制器”，提供了類似于VCR的遠程控制功能，比如暫停、播放、跳轉等。RTSP消息采用TCP或UDP來傳輸。RTSP提供了相應的機制來保證RTSP消息傳輸的可靠。RTSP消息分為請求或響應類型。288.2.2流媒體及RTSP協(xié)議

RTSP相對于HTTP的改進：（1）RTSP服務器需要維護相應的狀態(tài)，RTSP協(xié)議引入了會話標識的概念，會話標識代表了客戶方和服務方共享的狀態(tài)。（2）RTSP允許服務器發(fā)送請求，同時RTSP也提供了相應的協(xié)議擴展機制，允許加入新的請求類型。（3）RTSP消息和多媒體數據是通過不同的協(xié)議和信道來傳遞的。

RTSP支持多種傳輸模式，第一種是單播，第二種是組播。298.2.2流媒體及RTSP協(xié)議（2）RTSP協(xié)議過程HTTPGETSETUPPLAYmediastreamPAUSETEARDOWNmediaplayerWebservermediaserverWebbrowserclientserverpresentationdesc.

圖8-3RTSP基本操作過程308.2.3RTP協(xié)議與RTCP協(xié)議進行實時多媒體通信時，需要解決以下問題：（1）通信的實體間應該就采取什么樣的壓縮算法進行協(xié)商，以采取最有效的壓縮算法。（2）實時多媒體要求提供時間戳，接收者能夠根據時間戳來進行回放。

318.2.3RTP協(xié)議與RTCP協(xié)議

為了滿足實時多媒體通信要求，需要新的運輸層協(xié)議，實時運輸協(xié)議RTP是一種用于實時多媒體的標準傳輸協(xié)議，在RFC1889定義。RFC1889定義了一對協(xié)議，RTP和實時運輸控制協(xié)議RTCP。328.2.3RTP協(xié)議與RTCP協(xié)議1.RTP

RTP用于交換多媒體信息，設計目的是提供實時數據傳輸中的時間戳信息以及各數據流的同步功能。而RTCP用于定期發(fā)送對應該多媒體流的控制信息。兩個協(xié)議都獨立于下面的傳輸層和網絡層協(xié)議。RTP本身并不能為按序傳輸數據包提供可靠的保證，也不提供流量控制和擁塞控制，這些都由實時傳輸控制協(xié)議RTCP來負責完成。RTP一般運行于UDP之上，RTP數據流的端口為偶數端口（x），而RTCP則使用相鄰的那個為奇數的端口（x+1）。RTP支持組播方式的多媒體應用，它也可以運行在其他網絡或者運輸協(xié)議之上。會話發(fā)起協(xié)議（SIP）和H.232都使用RTP。338.2.3RTP協(xié)議與RTCP協(xié)議RTP在Internet體系中的位置如圖8-4所示。

應用層RTPUDPIP子網socket

圖8-4：RTP在Internet中的位置348.2.3RTP協(xié)議與RTCP協(xié)議 RTP支持點到點的通信，也支持會議方式的通信，采用組播方式進行通信，所有會議成員的音頻流都通過該組播地址+第一個UDP端口號（偶數）傳輸。RTP頭中的信息將告訴接收器如何重建數據，并描述了比特流是如何打包的。358.2.3RTP協(xié)議與RTCP協(xié)議2．RTCP

RTCP作為實時傳輸控制協(xié)議，它的主要功能是：（1）對多媒體遞交的質量的反饋；（2）提供把多媒體流與會話成員對應起來的手段；（3)提供RTP媒體時間戳和發(fā)送者的實時時鐘之間的關系；（4）提供了相應的文本信息來標識會話中的發(fā)送者。通常RTCP會采用與RTP相同的分發(fā)機制，向會話中的所有成員周期性地發(fā)送控制信息，應用程序通過接收這些數據，從中獲取相關資料，從而能夠對服務質量進行控制或者對網絡狀況進行診斷。368.2.3RTP協(xié)議與RTCP協(xié)議3．工作過程

當應用程序開始一個RTP會話時將使用兩個端口：一個給RTP，一個給RTCP。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中含有已發(fā)送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統(tǒng)計資料，因此，服務器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網上的實時數據。

378.2.4SIP與H.323會話控制1.SIP協(xié)議的背景和功能所謂會話指的是多個參與者互相交換數據的情況。會話中成員可以通過組播、單播或者兩者結合一起進行通信，交換的數據可以是音頻、視頻、數據等多媒體類型SIP(SessionInitiationProtocol,會話初始協(xié)議)的開發(fā)目的是用來幫助提供跨越因特網的高級電話業(yè)務，它用來建立，改變和終止基于IP網絡的用戶間的呼叫。

388.2.4SIP與H.323會話控制SIP它既不是會話描述協(xié)議，也不提供會議控制功能。為了描述消息內容的負載情況和特點，SIP使用Internet的會話描述協(xié)議(SDP)來描述終端設備的特點。為了提供電話業(yè)務它還需要結合不同的標準和協(xié)議，例如，為了提供服務質量(QoS)，它與負責語音質量的資源保留設置協(xié)議(RSVP)互操作。它還與若干個其他協(xié)議進行協(xié)作，包括負責定位的輕型目錄訪問協(xié)議(LDAP)、負責身份驗證的遠程身份驗證撥入用戶服務(RADIUS)以及負責數據實時傳輸的RTP等多個協(xié)議。398.2.4SIP與H.323會話控制SIP是一種應用層的控制協(xié)議，它是在諸如SMTP（簡單郵件傳送協(xié)議）和HTTP（超文本傳送協(xié)議）基礎之上建立起來的。到目前為止它走過了以下幾個階段：（1）1996年出現(xiàn)SIP的概念，這時SIP的主要應用是針對Internet上的各種文本應用，如電子郵件、文字聊天等。（2）1999年，ITEF針對多方多媒體會話控制（MMUSIC）發(fā)布了第一個SIP規(guī)范，即RFC2543建議，供各廠商和機構討論。（3）2002年，ITEF發(fā)表了RFC3261建議，以取代RFC2543。408.2.4SIP與H.323會話控制SIP提供以下功能：

①用戶定位：SIP通過EMAIL形式的地址來標明用戶地址。②特征協(xié)商：它允許與呼叫有關的組（這可以是多方呼叫）在支持的特征上達成一致。例如視頻可以或不可以被支持。③會話參與者管理：呼叫中參與者能夠引入其它用戶加入呼叫或取消到其它用戶的連接。此外，用戶可以被轉移或置為呼叫保持。④呼叫特征改變：用戶應該能夠改變呼叫過程中的呼叫特征。418.2.4SIP與H.323會話控制2.SIP系統(tǒng)基本組成SIP中有兩類設備。SIP用戶代理和SIP網絡服務器。用戶代理是呼叫的終端系統(tǒng)元素，而SIP服務器是處理與多個呼叫相關聯(lián)信令的網絡設備，有三種服務器形式存在于網絡中：SIP代理服務器，SIP重定向服務器以及SIP注冊服務器。428.2.4SIP與H.323會話控制各類設備的主要功能如下：（1）SIP用戶代理：又稱為SIP終端，是SIP系統(tǒng)中的最終用戶，在RFC3261中將它們定義為一個應用。（2）SIP注冊服務器（SIPRegisterServer）：用來完成對UAS的登錄，在SIP網絡中，所有UAS都要在某個注冊服務器中登錄，以便UAC通過服務器能找到它們。（3）SIP代理服務器（SIPProxyServer）：是一個中間元素，它既是一個客戶機又是一個服務器，具有解析名字的能力，能夠代理前面的用戶向下一跳服務器發(fā)出呼叫請求，由服務器決定下一跳的地址。（4）重定向服務器（RedirectServer）：是一個規(guī)劃SIP呼叫路徑的服務器，在獲得了下一跳的地址后，立刻告訴前面的用戶，讓該用戶直接向下一跳地址發(fā)出請求，而自己則退出對這個呼叫的控制。438.2.4SIP與H.323會話控制一個SIP呼叫建立的過程，如圖8-7所示。

圖8-7SIP呼叫建立過程

448.2.4SIP與H.323會話控制對于建立請求，SIP稱之為方法，SIP定義了下述方法：①INVITE——邀請用戶加入呼叫。②BYE——終止一呼叫上的兩個用戶之間的呼叫③OPTIONS——請求關于服務器能力的信息。④ACK——確認客戶機已經接收到對INVITE的最終響應。⑤REGISTER——提供地址解析的映射，讓服務器知道其它用戶的位置。⑥INFO——用于會話中信令。458.2.4SIP與H.323會話控制3.H.323網絡H.323是ITU多媒體通信系列標準H.32x的一部份，該系列標準使得在現(xiàn)有通信網絡上進行視頻會議成為可能.其中，H.320是在N-ISDN上進行多媒體通信的標準;H.321是在B-ISDN上進行多媒體通信的標準;H.322是在有服務質量保證的LAN上進行多媒體通信的標準;H.324是在GSTN和無線網絡上進行多媒體通信的標準。468.2.4SIP與H.323會話控制H.323為現(xiàn)有的分組網絡PBN（PacketBasedNetworks，如IP網絡）提供多媒體通信標準。H.323專門為不提供服務質量（QoS）保證的局域網技術制定，例如運行于以太網、快速以太網和令牌環(huán)網（TokenRing）上的TCP／IP和IPX。盡管H.323協(xié)議特別為局域網制定，只要帶寬時延滿足要求同樣可以應用在更大范圍，例如城域網和廣域網。478.2.4SIP與H.323會話控制H.323協(xié)議在規(guī)定了與H.320相同的視、音頻壓縮算法的同時又補充了一些新的算法。它是一個龐大的協(xié)議族，主要定義了四個邏輯部件：終端、網關、網守和多點控制單元。（1）終端：在基于IP的網絡上是一個客戶端點。（2）網關：提供在包交換網絡和電路交換網絡（SCN，SwitchCircuitNetwork）之間的一個連接。（3）網守：在Ｈ.323系統(tǒng)中是可選的，但如果出現(xiàn)，它們就具有某些強制性的功能，所有終端的呼叫都必須受到網守的控制。（4）多點控制單元（MCU）：多點控制單元支持3個以上的端用戶進行會話。488.2.4SIP與H.323會話控制4.H.323協(xié)議

H.323是一個復雜而龐大的協(xié)議族，圖8-8給出了H.323終端的協(xié)議棧。

音頻視頻G.711G.729G.723.1H.261H.263RTP終端呼叫管理器RTCPH.225.0RASH.225.0呼叫信令H.245控制信令T.120數據運輸協(xié)議和網絡接口圖8-8H.323終端的協(xié)議棧498.3服務質量8.3.1服務質量QoS8.3.2集成服務概述8.3.3集成服務的服務類型8.3.4RSVP8.3.5區(qū)分服務508.3.1服務質量QoS

什么是QoS？對于通信網絡來說，QoS指的是網絡提供給用戶或者應用的服務的等級或者質量描述；而對于應用程序來說QoS指的是用戶感受到的應用質量。一般說來服務質量可以通過定性或者定量的方法進行描述。通過一些具體的QoS參數的定量來描述的，常用的QoS參數包括延遲、延遲抖動、丟失率和帶寬等。518.3.1服務質量QOS服務指的是分組在通過網絡傳遞過程中所獲得的預先定義好的對待。延遲指的是分組在傳輸過程中所花的時間。分組在網絡中4種不同類型的延遲的：傳輸延遲、傳播延遲、處理延遲、排隊延遲。延遲抖動指的是網絡延遲的變化。分組丟失的三個原因：網絡擁塞；分組太遲到達；分組在通過通信鏈路傳輸時出現(xiàn)錯誤。吞吐率指的是通過網絡傳輸的數據速率，一般用每秒傳輸多少比特來描述，又被稱為比特率或者帶寬。528.3.1服務質量QOSIPQoS有兩種主要體系結構：集成服務（IntegratedServices，IntServ）和區(qū)分服務（DifferentiatedServices，Diffserv）。IntServ模型提供的是基于流的服務，它通過預留相應的網絡資源來提供QoS支持，RSVP協(xié)議用于傳遞相應的信令信息來進行資源的預留，是IntServ模型的核心部分。集成服務為每個流提供相應的服務質量保障。另外，多協(xié)議標記交換也可以用來提供IP分組的QoS保證。538.3.1服務質量QOSQoS機制可以根據如何處理負載分成兩大類：負載處理機制和帶寬管理機制。負載處理機制是網絡中的單個結點對于分組的處理機制，包括分類、調度和通信量控制等；通信量控制機制是指路由器對用戶的負載進行監(jiān)控，如果發(fā)送的負載超過了協(xié)商值，則路由器可能丟棄這些額外的分組或者降級處理。帶寬管理機制是通過網絡中多個結點之間的協(xié)調和配置來管理網絡的資源，包括資源預約和準入控制等。548.3.2集成服務概述

集成服務IntServ（IntegratedServicesArchitecture）模型是一種基于流的體系結構。所謂流指的是為了同一個應用而產生的具有相同的QoS要求的分組的集合。流是單向的，如果需要雙向的數據傳輸，則通過兩個方向的流來進行。集成服務的目標：為每個流提供相應的服務質量保證。網絡通過一個資源預留協(xié)議RSVP來把希望的QoS要求傳遞給途中的路由器。558.3.2集成服務概述支持集成服務的路由器體系結構如圖8-9所示。

路由代理分類器通信量控制分類器IP轉發(fā)模塊調度器流量調節(jié)輸出端口路由表RSVP代理負載控制庫準入控制管理代理數據平面控制平面圖8-9集成服務路由器體系結構

568.3.2集成服務概述

用戶在進行實際的數據傳輸之前，必須首先和網絡提供者就其要求提供的服務進行協(xié)商，協(xié)商后的結果稱為服務等級協(xié)議（ServiceLevelAgreement，SLA）。SLA包括服務要求、負載說明、使用費、用戶或者網絡提供者沒有履行合同時的懲罰條例等。和技術相關的部分被稱作服務等級規(guī)范（ServiceLevelSpecification，SLS），其中兩個主要的部分分別是描述用戶發(fā)送的負載流的TSpec（TrafficSpecification）和描述流期待的服務質量的RSpec（ReservationSpecification）。578.3.3集成服務的服務類型為了支持那些具有不同QoS要求的應用，集成服務除了支持傳統(tǒng)的盡力遞交服務外，還引入了兩種新的服務類型：確保服務和控制負載服務。確保服務是為了不容錯的實時應用設計的，這些應用中數據如果在一定延遲后遞交則沒有任何意義，因此確保服務要保證端到端的分組延遲小于某個固定值，這樣應用可以設置相應的播放點，使得分組不會在其對應的播放點到來之后才到達接收者。588.3.3集成服務的服務類型要保證端到端的分組延遲小于某個固定值，即要限制端到端的延遲的上限。怎樣計算端到端的延遲的上限呢？A(t)=b+rt令牌桶復用器復用器R(t)R(t)

圖8-10令牌桶整形后分組的延遲

598.3.3集成服務的服務類型

控制負載服務（Controlled-LoadService）是為目前Internet上的容錯型的自適應實時多媒體應用設計的。采用控制負載服務的應用假設如下兩點：①用戶發(fā)送的負載的絕大部分被成功地遞交給接收者，沒有遞交的分組的比率應該和傳輸媒體的基本丟失率相當。②大部分到達接收者的分組經歷的延遲不會大大超過任何成功遞交的分組的最小延遲。即大部分分組經歷的排隊延遲接近于0。608.3.4RSVP為了能夠給每個流提供相應的QoS服務，集成服務模型要求通過相應的協(xié)議進行資源預留，目前采用的標準協(xié)議是資源預留協(xié)議RSVP（ResourceReservationProtocol）。RSVP允許主機上的應用程序為其待發(fā)送的數據流預留和釋放資源，因此發(fā)送者、途中的路由器和接收者之間通過RSVP來交換資源預留信息，并且在資源足夠的情況下接受預留請求，在資源不再需要時釋放預留的資源。618.3.4RSVPRSVP的特性如下：①RSVP的資源預留是單向的。②RSVP也支持組播，由于組播成員的異構性，RSVP采用了面向接收方的預留機制。③集成服務是對原有Internet的擴展以支持多種類型的服務，這就要求RSVP能夠動態(tài)地適應組播成員和路由的動態(tài)變化，為此RSVP的設計采用了軟狀態(tài)（soft-state）的思想：由端系統(tǒng)通過定期刷新來防止途中路由器的狀態(tài)超時。所謂硬狀態(tài)，指的是網絡負責維護相應的狀態(tài)信息。④RSVP僅僅是一個信令協(xié)議，同時RSVP不是一個路由協(xié)議。⑤RSVP并不要求途中的所有路由器都支持RSVP。⑥RSVP支持多種預留資源的方式，并且支持預留匯集。628.3.4RSVP

RSVP資源預留過程如圖8-11所示。

圖8-11RSVP接收方發(fā)起的資源預留示例638.3.5區(qū)分服務

為了能夠提供比集成服務更加簡單、更加靈活的、伸縮性更好的服務質量保證，IETF成立了相應的工作組，提出了一種和集成服務不同的新的QoS模型，其設計思路：路由器僅僅根據分組頭部攜帶的標記字段，也就是僅僅根據該分組所屬的負載類來決定如何進行調度轉發(fā)。路由器不需要為每個流維護狀態(tài)信息，而只需要指定對于屬于每個負載類的分組如何處理就可以了。這就是區(qū)分服務DS（DifferentiatedServices）。648.3.5區(qū)分服務1．區(qū)分服務概述區(qū)分服務的特性如下：①區(qū)分服務為由多個流匯集在一起的負載類提供服務質量保證。②區(qū)分服務路由器（DSRouter）僅僅根據分組頭部攜帶的標記字段。③區(qū)分服務用術語PHB（Per-HopBehaviors）說明所定義的是某個路由器的行為而不是端到端的服務。④區(qū)分服務的內部路由器根據分組頭部攜帶的負載類來實現(xiàn)簡單的轉發(fā)功能，把復雜功能留給網絡邊緣。⑤用戶在使用網絡進行實際的數據傳輸之前，必須首先簽訂服務等級協(xié)議SLA來說明所期望的服務質量。658.3.5區(qū)分服務區(qū)分服務將網絡分成DS域和非DS域。區(qū)分服務的體系結構如圖8-13所示。

圖8-13區(qū)分服務的體系結構668.3.5區(qū)分服務DS節(jié)點的邏輯結構如圖8-14所示。

分組分類器度量器動作隊列管理調度器流量調節(jié)分組轉發(fā)

圖8-14DS節(jié)點的邏輯結構678.3.5區(qū)分服務2．負載調節(jié)負載調節(jié)是DS邊緣結點的一個主要功能，負載調節(jié)機制如圖8-15所示。

分類器輸出的分組標記器整形器負載特性度量器丟失器圖8-15負載調節(jié)機制688.3.5區(qū)分服務3．PHBPHB（Per-HopBehaviors）是一個非常重要的概念，規(guī)定了某個路由器如何進行轉發(fā)以保證所需要的服務質量。在區(qū)分服務中，分組的標記是通過分組頭部的DS字段攜帶的。對于IPV6，DS字段指的是頭部的TOS字段；對于IPV4,DS字段結構包括了6個比特的區(qū)分服務碼字DSCP，DSCP決定了分組在轉發(fā)時應該采用的PHB。為了支持更多的服務類型，IETF定義了一些PHB。

698.4MPLS多協(xié)議標記交換技術8.4.1問題的提出8.4.2MPLS的原理8.4.3MPLS的技術特點8.4.4MPLS的應用（補充）708.4.1問題的提出 IP得到各種平臺的支持，非常穩(wěn)定，可擴展性強，但面向無連接，基于do-it-best，時延無保證，QoS不完善，對于實時業(yè)務的支持尚有距離。多媒體網絡的發(fā)展要求網絡基礎設施具備可伸縮的帶寬，支持實時應用（QoS）服務，具備有效IP多點廣播并能夠與現(xiàn)有IP路由器的互操作能力。 基于傳統(tǒng)的路由器技術，只能采用擴充Cache和分布式路由轉發(fā)表來提高路由器處理能力，實質還是按IP分組轉發(fā)，速度與效率無法提高，難以滿足新業(yè)務的需求，需要研究新一代的路由交換技術，以加速分組的轉發(fā)，又保持傳統(tǒng)路由器的標準功能。718.4.1問題的提出目前的新一代的路由交換技術都可以概括為IP交換方案，其基本思想是將IP流中的分組賦予一個新的標記，然后使用標記來索引IP交換機中包含的標記對換表。由于標記遠遠短于IP頭，轉發(fā)機制也無需進行路由策略，便于用硬件實現(xiàn)。它可以有支持IP交換的路由器組網，也可以在基于幀中繼，ATM交換機組成的網絡上疊加IP交換功能，或者混合組網。

IP交換技術的代表性方案主要有IP-Switching(Ipsilon)，IP-Navigator(Cascade)，Tag-Switching(Cisco)，ARIS(Aggregate

Routing

IP-Switching)(IBM)，還有LANE,

MPOA,

NETflow等。IP交換技術有兩種主要的IP交換模型：（1）流驅動IP交換，(2)拓撲驅動IP交換。728.4.1問題的提出流驅動模型僅用于特定的IP流，這種IP流的定義是具有相同源目的IP地址和端口號的一組連續(xù)的分組序列。Ipsilon流驅動模型的工作流程為：

（1）

IP流中的初始N個分組以hop-by-hop路由方式經過一個或多個路由器。（2）

根據IP流的特點（流量類型，端口號，源目的IP地址，到達率等），路由器將觸發(fā)重定向過程（包括建立新的ATM連接和直通路徑，在直通路徑上重定向IP流，旁路hop-by-hop路由處理）。（3）

一旦進行了重定向，所有屬于該IP流的后繼分組（N+1→M）都進行信元交換，ATM中基于路由的處理被旁路。738.4.1問題的提出

拓撲驅動的IP交換基于IP網絡的拓撲結構，產生一組與網絡拓撲相關的前綴標記Label，通過標記完成路由交換。

Cisco的Tag-Switching和IBM的ARIS是典型的拓撲驅動的IP交換。其工作流程為：（1）

Router依據IP路由協(xié)議（如OSPF,IGRP,BGP等）控制信息交換，并進行路由信息的會聚。（2）

與目標IP前綴相關的新的標記產生后，分配至Router的交換部件。（3）

網絡入口處的Router檢查分組的目的IP前綴，分配適當的標記值，并發(fā)至網絡出口處的Router。

748.4.1問題的提出MPLS屬于基于拓撲的路由機制，支持MPLS的路由器叫做標記交換路由器

LSR（LabelSwitchingRouter）。MPLS的操作可以分為4步：

（1）

使用現(xiàn)有的路由協(xié)議OSPF,IGRP和BGP等，建立到終點網絡的連接，完成標記到終點網絡的映射。（2）

入口邊緣標記路由器接收到分組，完成第三層功能，并給分組插入標記。（3）

核心標記交換路由器通過標記交換來轉發(fā)分組。（4）

出口邊緣標記路由器去掉分組中的標記并通過常規(guī)的三層轉發(fā)分組。758.4.2MPLS的原理

1.MPLS網絡的組成

MPLS是將ATM和IP兩種技術結合的廣域網解決方案，它基于標記交換機制，可以在ATM層上直接承載IP業(yè)務，與重疊模型相比提高了效率，并可以方便地移植到傳統(tǒng)路由器中。MPLS網絡的組成參見圖8-17。

768.4.2MPLS的原理MPLS的核心機制包括：（1）賦予數據流的標記的語義；（2）轉發(fā)機制，包括基于標記和標記化的VPI/VCI及DLCI的轉發(fā)機制；（3）標記分配機制。778.4.2MPLS的原理2.

MPLS的標記棧格式與定義MPLS的標記棧描述了一個標記條目序列，每個條目就是前面提到的Label，引入標記棧是因為MPLS的標記是分層的，在后面的分析中將會看到標記棧為M