《計算機網絡 》課件第9章

第

9章

多媒體通信技術

9.1引言

9.2網絡服務質量

9.3DiffServ協(xié)議

9.4RSVP協(xié)議

9.5MPLS協(xié)議

9.6RTP協(xié)議

9.7分布式多媒體應用——IP電話

9.1引

言

多媒體通信技術主要研究網絡環(huán)境下多媒體信息的傳輸和應用問題。根據媒體類型，可將多媒體通信分為兩大類：

(1)異步通信：異步通信用于在端系統(tǒng)之間交換那些不需要實時存儲或者處理的靜態(tài)媒體數據。例如，多媒體電子郵件就采用的是這種通信方式。

(2)等時通信：等時通信用于在端系統(tǒng)之間傳送諸如語音、視頻之類需要實時處理的連續(xù)媒體數據，產生低延遲、低抖動的連續(xù)位流(BitStream)。例如，在多媒體視頻會議系統(tǒng)中，對于NTSC制式的視頻信號，網絡必須每隔33ms就應向播放場地提交一個視頻幀，端到端的延遲應當保持在250ms以下。由于連續(xù)媒體通信具有等時性，因此通常采用“數據流”來抽象表示端到端的連續(xù)媒體通信。

顯然，以等時通信方式進行傳輸的連續(xù)媒體對網絡通信設施有更高的性能要求，這也是多媒體通信技術要著重解決的問題。這就需要從網絡基礎結構、網絡傳輸協(xié)議和網絡應用服務等各個層次上充分地支持多媒體通信。從網絡基礎結構上，無論是局域網還是廣域網都呈現(xiàn)出高速化和交換化的發(fā)展態(tài)勢，傳輸速率已達到1～10Gb/s，從而為多媒體通信提供了高帶寬保證。

從網絡傳輸協(xié)議上，現(xiàn)有的網絡傳輸協(xié)議，如TCP/IP協(xié)議等沒有提供多媒體通信支持能力，因為開發(fā)這些網絡傳輸協(xié)議時還沒有出現(xiàn)多媒體的概念，也就沒有考慮支持多媒體通信的問題。隨著多媒體技術的發(fā)展，這些網絡傳輸協(xié)議越來越難以滿足多媒體通信對服務質量的需求。于是，人們提出了一些支持多媒體通信的新協(xié)議。這些新協(xié)議的基本方法是在原有網絡傳輸協(xié)議的基礎上，通過增加新的協(xié)議功能和機制來彌補原有網絡傳輸協(xié)議的缺陷，從而達到支持多媒體通信的目的。盡管這種方法在某些方面存在著一定的局限性，但由于可以保護用戶大量已有的投資，因而容易得到廣泛的支持，這也是目前增強網絡系統(tǒng)對多媒體通信支持能力的主要方法。

9.2網絡服務質量

服務質量(QualityofService，QoS)是一種抽象概念，用于說明網絡服務的“良好”程度。由于不同的應用對網絡性能的要求不同，因此對網絡所提供的服務質量期望值也不同。這種期望值可以用一種統(tǒng)一的QoS概念來描述。在不同應用系統(tǒng)中，QoS參數集的定義方法可能是不同的，經常使用吞吐量、差錯率、端到端延遲、延遲抖動等網絡性能參數來定義QoS。對連續(xù)媒體傳輸來說，端到端延遲和延遲抖動是兩個關鍵的性能參數。多媒體應用，特別是交互式多媒體應用對延遲有嚴格的限制，不能超過人所能容忍的極限，否則將會嚴重地影響服務質量。同樣，延遲抖動也必須維持在嚴格的界限內，否則將會嚴重地影響人對語音和圖像信息的識別。表9.1給出了幾種多媒體對象所需的QoS。

表9.1

QoS參數舉例

通常，不同的應用對QoS的要求是不同的，不同的QoS應當通過QoS參數來描述，并且用戶能夠使用這些QoS參數來定量或定性地說明各自所需的QoS。在一個分布式多媒體系統(tǒng)中，通常采用層次化的QoS參數體系結構來定義QoS參數，通信雙方的對等層之間表現(xiàn)為一種對等協(xié)商關系，雙方按所承諾的QoS參數提供相應的服務。同一端的不同層之間表現(xiàn)為一種映射關系，應用的QoS需求應當自頂向下地映射到各層相對應的QoS參數集，各層協(xié)議按其QoS參數提供相對應的服務，共同完成對應用的QoS承諾。

一個多媒體網絡系統(tǒng)應當提供QoS參數定義方法和相應的QoS管理機制。用戶根據應用需要使用QoS參數定義其QoS需求，系統(tǒng)要根據可用資源(如CPU、緩沖區(qū)、I/O帶寬以及網絡帶寬等)容量來確定是否能滿足應用的QoS需求。經過雙方協(xié)商最終達成一致的QoS參數值應該在數據傳輸過程中得到基本保證。在數據傳輸過程中，網絡應當按所承諾的QoS提供相應的服務。由于網絡負載是動態(tài)變化的，因此可能會引起QoS的波動。網絡是否能夠履行所承諾的QoS主要取決于QoS的類型。QoS總體上可分成三類：

(1)確定型(Deterministic)QoS。在數據傳輸過程中，網絡提供“硬”的QoS保證，即對所承諾的QoS必須嚴格保證，否則可能會造成嚴重的后果。這類服務一般用于硬實時應用，如在遠程醫(yī)療系統(tǒng)中，X光照片數據必須采用實時無差錯的傳輸。Internet綜合服務中的保證服務(GS)和區(qū)分服務(DiffServ)中的快速轉發(fā)均屬于這一類QoS。

(2)統(tǒng)計型(Statistical)QoS。在數據傳輸過程中，網絡提供“軟”的QoS保證，即對所承諾的QoS允許一定范圍的波動，并且不會造成不良的后果。這類服務一般用于軟實時應用，如遠程多媒體點播(VOD)系統(tǒng)。Internet綜合服務中的被控負載服務(CLS)和區(qū)分服務(DiffServ)中的保證轉發(fā)均屬于這一類QoS。

(3)盡力型(Best-Effort)QoS。也稱最佳效果傳輸，網絡不提供任何QoS保證，網絡性能將隨著負載的增加而明顯下降。由于受到帶寬的限制，現(xiàn)有Internet上的分布式多媒體應用大多提供這類服務。為了保證端到端的QoS，在媒體流傳輸路徑上的各個中間點(路由器)都必須支持和保證所承諾的QoS，并且按確定型、統(tǒng)計型及盡力型QoS的優(yōu)先級次序為相應的媒體流分配和保留資源。

網絡對QoS的支持和保證實際上反映了網絡中間節(jié)點(如路由器、交換機等)的資源分配策略。目前，主要采用為特定媒體流保留資源(如帶寬、緩存及排隊時間等)的資源分配策略來保證其QoS。為了提供標準化的QoS定義、分類和保證機制，有關國際組織提出了一系列QoS相關協(xié)議，如IETF的資源保留協(xié)議(RSVP)、區(qū)分服務(DiffServ)、多協(xié)議標記交換(MPLS)和實時傳輸協(xié)議(RTP)等。

9.3DiffServ協(xié)

議

1．DS字段定義

RFC2474定義了IP報頭中的DS字段：在IPv4報頭中，重定義了服務類型(TypeofService，ToS)字段；在IPv6報頭中，重定義了流量類別(TrafficClass，TC)字段。并且還規(guī)定了各個網絡節(jié)點上轉發(fā)報文分組的命令集，或稱為逐跳行為(PHB)。在8位的DS字段中，定義了如下的結構：

DSCP字段的基本特性如下：

(1)從DSCP到PHB的映射是可配置的，每個支持DS的節(jié)點都要實現(xiàn)這種可配置的映射。

(2)PHB規(guī)范空間必須包含一個推薦的缺省DSCP，且是惟一的，在節(jié)點所實現(xiàn)的缺省配置中應支持缺省DSCP到PHB的映射。

(3)如果一個報文分組使用了不可識別的DSCP值，則節(jié)點應當原樣轉發(fā)該報文分組，無需改變DSCP值，并且不會引起節(jié)點故障。

(4)DSCP字段必須與當前慣有方法保持向后兼容。

2．PHB一個PHB是一個節(jié)點為一個特定的DS行為集而采取的轉發(fā)行為(如吞吐量、丟失率、延遲及抖動等)，一個DS行為集占用一個連接，其轉發(fā)行為將取決于該連接上的負荷。當多個DS行為集競爭一個節(jié)點上的緩沖區(qū)和帶寬資源時，該節(jié)點將根據不同的PHB來分配網絡資源。區(qū)分服務采用基于逐跳(hop-by-hop)的資源分配機制。

PHB可以用下列項目定義：相對資源(如緩沖區(qū)和帶寬)優(yōu)先級或者相對流量特性(如延遲、丟失率)。遵守共同約束(例如分組調度和緩沖區(qū)管理策略)的PHB可以組成一個PHB組，組內的PHB之間的關系可以使用絕對或相對優(yōu)先級，例如采用固定或隨機閾值的丟棄優(yōu)先級，但不是必須的。單獨定義的單一PHB是一個PHB組的特例。例如，一個簡單的PHB可定義如下：在一個連接上，保證為一個行為集分配x%的最小帶寬。這個PHB可以在任何流量調節(jié)下進行簡單而公平的測量。一個復雜的PHB可定義如下：在一個連接上，保證為一個行為集分配x%的最小帶寬，并且按比例公平地共享多余的連接容量。

各個節(jié)點可利用某種分組調度和緩沖區(qū)管理機制來實現(xiàn)PHB。PHB是根據有關服務供應策略的行為特征定義的，而并非特定的實現(xiàn)機制。各種實現(xiàn)機制一般適合實現(xiàn)一個特定的PHB組，并且在一個節(jié)點上可以實現(xiàn)多個PHB組。在一個節(jié)點上，通過對所接收報文分組的DSCP的映射來選擇PHB。標準化的PHB應具有一個推薦的DSCP，它們之間存在著一一對應的映射關系。

目前，IETF已定義了三個標準的PHB：

(1)快速轉發(fā)：能夠充分滿足流量對帶寬、延遲與丟包的要求，嚴格保證所承諾的QoS?？焖俎D發(fā)基于ATMCBR交通機制,它將入口處違反合同的IP分組丟棄,并對出口處的IP分組進行整理。為了保證服務質量，快速轉發(fā)還能提供虛擬租用線路服務，并且服務成本比較低廉。

(2)保證轉發(fā)：能夠容忍流量速率在一定范圍的波動，并對產生突發(fā)速率和違反合同的流量進行標記，一旦發(fā)生網絡阻塞，將會丟棄這些分組。對于突發(fā)的流量，可以使用統(tǒng)計多路復用技術進行處理。保證轉發(fā)并不具有嚴格意義上的端對端的帶寬與延遲保證機制。

(3)盡力服務：系統(tǒng)缺省的QoS服務,它不提供任何的QoS保證，只能使用其他PHB處理完成后所剩余的帶寬。

3．DS域模型區(qū)分服務的實現(xiàn)基于一種DS域模型，一個DS域是一個相鄰DS節(jié)點的集合，并且支持一種公共的服務供應策略和PHB組。一個DS域由邊界節(jié)點和內部節(jié)點組成，邊界節(jié)點構成了一個DS域的邊界，內部節(jié)點構成了一個DS域的核心。在邊界節(jié)點上，對進入網絡的流量進行分類和調節(jié)，從該域內部支持的PHB組中選擇一個PHB來標記該流量的每個報文分組。在內部節(jié)點上，將根據IP報頭中的DSCP字段所定義的PHB來選擇該報文分組的轉發(fā)行為，參見圖9.1。

圖9.1區(qū)分服務工作模型

4．流量分類流量分類是實現(xiàn)區(qū)分服務的首要條件，其基本原理是根據IP報頭中某些字段的內容來選擇和標記分組流中的報文分組。流量分類可以采用兩種分類器來實現(xiàn)，一是BA(BehaviorAggregate)分類器，它僅基于DSCP字段對報文分組進行分類；二是MF(Multi-Field)分類器，它基于一個或多個字段的組合值(如源地址、目的地址、DS、協(xié)議號以及源和目的端口號等)對報文分組進行分類。

5．流量調節(jié)

為了確保進入DS域的流量與SLA的相一致，由流量調節(jié)器對流量進行測量、成形、重標記等操作。一個流量調節(jié)器可以由下列元素組成：測量器、標記器、整形器和丟棄器，參見圖9.2。

圖9.2分組分類器和流量調節(jié)器框圖

(1)測量器：由分類器選擇每個分組的時域特性，將測量傳遞給相應的功能組件，并為每個分組觸發(fā)一個特定的操作。

(2)標記器：將一個分組的DS字段設置成一個特定的DSCP，被標記的分組加入到特定的DS行為集中。當標記器改變了一個分組的DSCP，則該分組就是一個“重標記”分組。

(3)整形器：對一個分組流中的部分或全部分組進行整形處理，使該分組流速率滿足規(guī)定的流量合同。通常，整形器有一個有限空間的緩沖區(qū)。如果緩沖區(qū)沒有足夠的空間存儲被延遲的分組，則要丟棄分組。

(4)丟棄器：丟棄一個分組流中的部分或全部分組，使該分組流速率滿足規(guī)定的流量合同。它作為一個整形器的特例，即將整形器的緩沖區(qū)尺寸設置成0。

6．分類器和流量調節(jié)器的位置通常，分類器和流量調節(jié)器處于如下幾個位置上：

(1)源域內部。源域是指包含產生流量節(jié)點的域。一個源域內部的流量源節(jié)點和中間節(jié)點可以執(zhí)行流量分類、標記和調節(jié)功能，從源域到一個邊界的流量可以直接由流量源節(jié)點來標記，也可以在離開源域之前由中間節(jié)點來標記，這就是初始標記或預標記。例如，一個企業(yè)網絡的A主機所輸出的報文分組應具有較高的優(yōu)先級?？梢圆捎脙煞N方法來標記A分組：一是由A主機(流量源節(jié)點)用DSCP=“高優(yōu)先級”來標記所有輸出分組的DS字段；二是由A主機所直接連接的第1跳路由器(中間節(jié)點)用適當的DSCP來為所有的A分組。對于后者，將意味著高優(yōu)先級流量可以在靠近流量源的位置上進行調節(jié)，并且可以限制一個特定流量源的高優(yōu)先級流量的轉發(fā)數量。

(2)DS域邊界。在一個上游域的DS出口節(jié)點或下游域的DS入口節(jié)點上可以對流量進行分類、標記和調節(jié)。在DS入口節(jié)點上，如果輸入的流量不符合流量合同，則要按本地策略強制執(zhí)行流量合同。如果一個DS入口節(jié)點所連接的上游域是一個不支持DS的域，則該節(jié)點必須對輸入的流量執(zhí)行流量調節(jié)功能。

(3)不支持DS的域。在一個不支持DS的域中，流量源節(jié)點或中間節(jié)點可以在流量到達下游DS域入口之前對流量進行預標記。由此可見，區(qū)分服務基于一種簡單的域模型，在網絡邊界上，對輸入網絡的流量進行分類和調節(jié)，并指派給不同的行為集，而每個行為集則由一個單一的DSCP來標識；在網絡核心，將根據DSCP字段定義的PHB來轉發(fā)分組。這樣就使得網絡具有對不同報文分組流提供有區(qū)別服務的能力，而且便于功能的擴展，并降低了實現(xiàn)的復雜度。

9.4RSVP協(xié)

議

RSVP是一種支持多媒體通信的傳輸協(xié)議，在無連接協(xié)議上提供端到端的實時傳輸服務，為特定的多媒體流提供端到端的QoS協(xié)商和控制功能，以減小網絡傳輸延遲。RSVP的工作原理如圖9.3所示，發(fā)送者在發(fā)送數據前首先發(fā)送Path報文與接收者建立一個傳輸路徑，Path報文含有數據流標識符(ID)和其他控制信息。沿途的各個路由器都記錄這個流標識符，并為它做好保留資源的準備。接收者收到Path報文后，則使用相同的流標識符回送一個Resv報文進行應答。Resv報文沿相同的路徑傳送給發(fā)送者，途經各個路由器時，對Path報文指定的QoS給予確認。以后，發(fā)送者和接收者之間通過這條路徑傳輸數據流，沿途的各個路由器為該數據流保留資源，按所協(xié)商的QoS提供轉發(fā)服務。

圖9.3

RSVP的工作原理

9.4.1綜合服務

1．保證服務

GS為合法的數據分組提供一種保證的帶寬級、恒定的端到端延遲范圍和無排隊丟失的服務。這種服務具有很高的質量，主要用于有嚴格實時傳輸需求的場合，如多媒體會議，遠程醫(yī)療診斷等。這類應用通常不允許聲音或圖像信息延遲到回放時間之后到達。這里采用一種漏桶流量模型和算法來限制排隊延遲。

2．被控負載服務

CLS提供的是有一定延遲量和數據丟失的服務，但延遲和丟失被限制在一個合理范圍內，并且數據流的傳輸特性并不隨著網絡負載的增加而明顯降低，仍保持在一個穩(wěn)定的級別上。CLS主要用于允許有一定延遲和丟失的實時傳輸場合，如遠程多媒體點播。CLS通過控制網絡延遲和數據丟失，提供相當于輕負載的傳輸特性。一旦發(fā)送者和接收者之間協(xié)商好QoS(GS或CLS)級后，就可以進行數據流傳輸了。在數據流傳輸過程中，每個數據分組都必須符合已定義的傳輸特性。否則，路由器將按非法分組處理。對于非法的數據分組，路由器可以有選擇地降低QoS級，以最佳效果方式傳輸，并且采取適當的服務策略和更新動作來保證非法數據流不會影響正在傳輸數據流的QoS。

9.4.2

RSVP報文格式一個RSVP報文由公共頭和報文體組成。公共頭格式如圖9.4所示，其中：●版本號：4位，說明RSVP協(xié)議的版本號，目前的版本號為1?！駱酥荆?位，目前尚未定義標志位?！?/p>

報文類型：8位，定義了七種報文，即1=Path，2=Resv，3=PathErr，4=ResvErr，5=PathTear，6=ResvTear，7=ResvConf。

●報文檢查和：16位，用于保證報文傳輸的正確性?！駡笪纳嫫冢?位，發(fā)送報文所使用的IP生存時間值?！?/p>

報文長度：16位，以字節(jié)表示的RSVP報文總長度。

圖9.4RSVP報文公共頭格式

9.4.3發(fā)送者的Path報文

RSVP規(guī)定，發(fā)送者在發(fā)送數據前首先要發(fā)送Path報文與接收者建立一個傳輸路徑，并協(xié)商QoS級。一個Path報文包含有如下的信息。

(1)Phop：后續(xù)節(jié)點地址，指出轉發(fā)該Path消息的下一個支持RSVP節(jié)點(路由器或接收端)的IP地址。該路徑上每個支持RSVP的路由器都要更新這個地址。

(2)SenderTemplate：發(fā)送者模板，包括發(fā)送者的IP地址和可選擇的發(fā)送者端口。

(3)SenderTspec：發(fā)送者傳輸說明，其傳輸說明是用一種漏桶流量模型描述的，其中有數據流峰值速率p、桶深b、標記桶速率r、最小管理單元m以及最大數據報長度M等參數。

(4)Adspec：通告說明，可選項，含有OPWA(OnePassWithAdvertising)信息，使得接收者能計算出應保留的資源級，以獲得指定的端到端QoS。該路徑上每個支持RSVP的路由器都要更新這些信息。

1．缺省通用參數段

DGP段包含如下字段：

(1)最小路徑等待時間。它是指在路徑上單個連接等待時間的累加和，表示無任何排隊延遲的端到端等待時間。在GS中，接收者可以使用該值計算端到端排隊延遲限制，以及所有端到端延遲限制。

(2)路徑帶寬。它是指在路徑上單個連接帶寬的最小值。

(3)全局中止位。它是一個標志位。發(fā)送者創(chuàng)建Adspec時，該位置0。當路徑上任何不支持RSVP的路由器都可將該位置1，以通知接收者Adspec是無效的。

(4)綜合服務(IS)網段(hop)計數。在路徑上每個支持RSVP/IS的路由器都將該值加1。

(5)路徑最大傳輸單元(PathMTU)。它是指在路徑上單個連接最大傳輸單元(MTU)的最小值。在路徑上每個支持RSVP的路由器都要更新這些參數，最后將端到端的值提供給接收者。

2．保證服務(GS)段Adspec的GS段包含如下字段：(1)Ctot。端到端偏差項C的總和。(2)Dtot。端到端偏差項D的總和。(3)Csum。自上次刷新點開始C的總和。(4)Dsum。自上次刷新點開始D的總和。

(5)GS中止位。它是一個標志位。發(fā)送者創(chuàng)建Adspec時，該位置0。當路徑上任何支持RSVP/IS但不支持GS的路由器都可將該位置1，以通知接收者Adspec是無效的，服務得不到保證。

(6)GS通用參數頭/值。它是一個選項。就接收者所希望的GS保留而言，如果選擇了其中的任何一個，都會忽略DGP段所給定的相應值。

3．被控負載服務(CLS)段

Adspec的CLS段包含如下字段：

(1)CLS中止位。它是一個標志位。發(fā)送者創(chuàng)建Adspec時,該位置0。當路徑上任何支持RSVP/IS但不支持CLS的路由器都可將該位置1，以通知接收者Adspec是無效的，服務得不到保證。

(2)CLS通用參數頭/值。它是一個選項。與GS段一樣，它忽略DGP段所給定的特殊服務通用參數。

9.4.4接收者的Resv報文接收者接收到Path報文后，從SenderTspec和Adspec字段中提取傳輸特性參數和QoS參數，利用這些參數建立起接收者保留說明Rspec。Rspec由如下參數組成：

(1)帶寬R。根據SenderTspec參數計算而成。如果得到的R值大于Adspec中的路徑帶寬值，則R值必須相應地減小。R值將保存在各個路由器上。

(2)時隙S。表示端到端延遲限制與應用所需端到端延遲的差值，初始為0。通過設置S值，將為各個路由器在確定局部保留上提供更多的伸縮性，提高端到端保留的成功率。

利用Rspec可以創(chuàng)建Resv報文。一個Resv報文包含如下內容：

(1)保留模式指示?？梢允荈F、SE或WF模式之一(下面將討論)。

(2)過濾器說明(Filterspec)。用來標識期望接收的發(fā)送者集合，采用與一個Path報文中SenderTemplate完全相同的格式。對于WF模式，將被忽略。

(3)數據流說明(Flowspec)。用來說明一個期望的服務質量(QoS)，由保留說明Rspec和流量說明TRspec組合而成。通常，將TRspec設置成與SenderTspec相等。

(4)保留確認對象(ResvConf)。是可選項，含有接收者的IP地址，用于指示接收該保留請求的節(jié)點。ResvConf報文在分布樹上向上傳播，最終到達該消息接收者，表明端到端保留的成功。

Resv報文按指定的路徑逆向傳送給發(fā)送者。在每個路由器節(jié)點上，Resv報文對發(fā)送者的保留請求給予確認，并且可以和到達同一端口的其他Resv報文合并，再傳送給由Phop指示的上游路由器，直至到達發(fā)送者。

9.4.5路由器的RSVP處理

1．Path報文的處理在點到多點的傳輸路徑上，中間要通過多個支持RSVP的路由器，形成一個分布樹。這些路由器都要截獲Path報文，并檢查其有效性。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則要卸下Path報文，并用PathErr報文通告給上游的發(fā)送者，以便讓發(fā)送者采取適當的動作。如果Path報文是有效的，則路由器將執(zhí)行下列處理：

(1)更新發(fā)送者路徑狀態(tài)登記項。發(fā)送者是用SenderTemplate標識的，如果當前尚無路徑狀態(tài)，則要建立該狀態(tài)。路徑狀態(tài)包含有Phop、SenderTspec以及任意一個Adspec。Phop必須存儲，以便在分布樹上逆向查找轉發(fā)Resv報文的路由。SenderTspec提供一個閾值，用于對Resv報文中的Tspec進行限制。

(2)設置清除計時器。每個路徑狀態(tài)登記項采用軟狀態(tài)機制，必須使用Path報文進行周期性更新。如果在清除計時器規(guī)定的時間間隔內沒有收到Path報文，則會自動刪除相應的路徑狀態(tài)登記項，以免死亡的路徑狀態(tài)登記項長期殘留在路徑狀態(tài)登記表中。每當收到Path報文，只要重新設置清除計時器，路徑狀態(tài)信息就不會因超時而被刪除。

(3)生成和轉發(fā)Path報文。根據所存儲的路徑狀態(tài)信息生成新的Path報文，并沿著分布樹向下轉發(fā)，以刷新下游路由器的路徑狀態(tài)。在下列情況下將創(chuàng)建并發(fā)送Path報文：一是每當所存儲的路徑狀態(tài)發(fā)生改變時，將立即創(chuàng)建Path報文并發(fā)送給下游節(jié)點；二是每當更新周期計時器發(fā)生超時，將周期地創(chuàng)建Path報文并發(fā)送給下游節(jié)點。為了維護路徑狀態(tài)信息，路由器的RSVP設有兩個計時器：清除計時器和更新周期計時器，后者的時間間隔比前者要小若干倍，這樣偶爾發(fā)生的Path報文丟失不會引起不必要的路徑狀態(tài)信息刪除。但最好是用最小網絡帶寬來配置RSVP報文，以免因擁擠而丟失數據。

2．Resv報文處理當路由器接收到Resv報文后，將按其保留模式對Flowspec和Filterspec進行如下處理：

(1)將有效的Flowspec提交給路由器的傳輸控制模塊，由傳輸控制模塊實施許可控制和策略控制，以確定是否接受保留。許可控制將單獨確定是否有足夠容量來滿足保留請求，策略控制采用某種策略實施控制，例如采取某種策略來限制用戶的保留帶寬等。

(2)如果該保留請求被拒絕，則路由器將保持已有的保留狀態(tài)，并向下游節(jié)點發(fā)送一個ResvErr報文。

(3)如果該保留請求被接受，則路由器用有效的Flowspec和Filterspec設置其保留狀態(tài)。這時，可采用某種規(guī)則來改變與該保留請求相關聯(lián)的Rspec，還可以采用某種規(guī)則將該保留請求和其他保留請求相合并，以產生新的Resv報文。路由器將從所存儲的路徑狀態(tài)中獲得上游路由器，將Resv報文轉發(fā)給它。

3．保留模式

RSVP的資源保留是針對路由器端口的，路由器使用Filterspec和Flowspec為相應的端口定義其保留模式，并實施對資源保留的控制。RSVP可用的保留模式如表9.2所示。

表9.2RSVP可用的保留模式保留模式

(1)FixedFilter(FF)。為一個特定的發(fā)送者建立資源保留狀態(tài)，由Filterspec指定一個特定發(fā)送者，合并后的Flowspec為該發(fā)送者所有保留請求中最大的Flowspec值。重新生成的Resv報文傳送給該發(fā)送者的上游節(jié)點。

(2)SharedExplicit(SE)。為一個特定的發(fā)送者集合建立共享的資源保留狀態(tài)，由Filterspec指定一個特定的發(fā)送者集合，合并后的Flowspec為這個發(fā)送者集合所有保留請求中最大的Flowspec值。重新生成的Resv報文傳送給這些發(fā)送者的上游節(jié)點。

(3)WildcardFilter(WF)。為所有發(fā)送者建立共享的資源保留狀態(tài)，F(xiàn)ilterspec是通配符，表示可以和任何發(fā)送者相匹配，合并后的Flowspec為所有保留請求中最大的Flowspec值。重新生成的Resv報文傳送給它的上游節(jié)點。在這些保留模式中，F(xiàn)F用于單播(點到點通信)場合、SE用于組播(點到多點通信)場合、WF用于廣播(點到所有點通信)場合，其中SE和WF適合于會議應用，因為在這類應用中，某一時刻只有一個發(fā)送者是主動的，應當為發(fā)送者的音頻和視頻流建立資源保留狀態(tài)，并保留發(fā)送帶寬。

9.5MPLS協(xié)

議

9.5.1MPLS網絡體系

MPLS采用簡單的標記來簡化數據報轉發(fā)過程，實現(xiàn)IP數據報的快速交換，其核心技術主要包括以下三方面內容：

(1)流標記語義：在每個IP數據流中加入一個有特定含義的標記，使一個標記與一個特殊的數據流相關聯(lián)。

(2)轉發(fā)方法：根據固定長度的短標記值來轉發(fā)數據報，在轉發(fā)時只需進行標記查找、標記替換以及其他簡單的操作，從而簡化了轉發(fā)操作，減少了處理延時。在可能的情況下，還可以直接利用第二層交換技術進行快速轉發(fā)。

(3)標記分配：由節(jié)點決定為特定的數據流分配一個標記，可以采用專用的控制協(xié)議或者在路由協(xié)議增加標記分配功能來實現(xiàn)標記的分配。

圖9.5標記封裝格式

其中：·Label：20位，標記值?！xp：3位，實驗保留位，可以用來表示8個QoS級別?！：1位，標記棧底標識位?！TL：8位，標記的生存期。

1．基于路由器的網絡體系在IP數據報進入網絡核心前，由邊界路由器為它分配一個標記。支持MPLS的核心路由器將會按標記信息來確定IP數據報的轉發(fā)路徑以及優(yōu)先順序，直至達到目的地，從而減少了路由處理開銷和網絡延遲。

MPLS協(xié)議還提供了QoS支持能力，在邊界路由器上，MPLS將根據IP數據報的源地址、目的地址、端口號、服務類型(ToS)等字段來確定特定IP數據流的QoS，并包含在標記中。對于到達同一目的地的IP數據報，可根據IP數據報的ToS值來選擇不同的轉發(fā)路徑，以滿足特定IP數據報對傳輸服務質量的要求。同時，通過對特殊路由的管理，還能有效地解決網絡中的負載均衡和擁塞問題。例如，當網絡中出現(xiàn)擁塞時，MPLS可實時地建立新的轉發(fā)路由來分散流量，以緩解網絡擁塞。

2．基于ATM的網絡體系

MPLS可以支持多種第二層協(xié)議，如ATM、幀中繼、PPP、以太網等。由于ATM具有很強的流量管理和QoS支持能力，因此，MPLS與ATM結合起來，能夠充分發(fā)揮ATM在流量管理和QoS機制等方面的特長和作用。

MPLS/ATM網絡體系由核心網絡和接入網絡兩部分組成：核心網絡提供了網絡傳輸基礎設施，由標簽邊緣路由器(LabelEdgeRouter，LER)和標簽交換路由器(LabelSwitchingRouter，LSR)互連而成；接入網絡提供了用戶接入服務，通過適當的端接設備將用戶接入核心網絡，參見圖9.6。

圖9.6MPLS/ATM網絡體系

9.5.2基于MPLS的QoS技術

1．基于MPLS的流量工程流量工程是采用適當的科學技術方法對網絡流量進行測量、建模、描述、優(yōu)化和控制的，其目的是優(yōu)化網絡資源利用，改善流量性能，提高網絡運行效率。流量工程的一個重要內容就是QoS機制。在MPLS流量工程中，主要通過建立LSP來實現(xiàn)流量控制，它可以采用三種方法來建立LSP：

(1)約束路由標記分發(fā)協(xié)議(CR-LDP)。該協(xié)議是對標記分發(fā)協(xié)議(LDP)的擴展，用于支持約束路由。CR-LDP可以使用標記請求消息建立一條LSP。在標記請求消息中，可以設置有關流量參數，如峰值速率、承諾速率和突發(fā)性速率等。但是，CR-LDP并不提供對LSP流量的QoS保證機制。

(2)RSVP-TE標記分發(fā)協(xié)議。該協(xié)議是由RSVP協(xié)議擴展而成的，它定義了幾種新的RSVP對象，例如強制性LABLE-REQUEST對象、LABEL對象等。RSVP-TE提供了用于建立和維護LSP的附加功能，包括按需分發(fā)下游標記、顯式LSP實例、為顯式LSP分配網絡資源、為已建立的LSP隧道重新選擇路由、跟蹤LSP隧道的真正路由、診斷LSP隧道、搶先選擇和可控制管理等。

(3)人工逐跳建立。網絡管理人員可以使用網絡管理系統(tǒng)為每條LSP上的所有路由器建立有關MPLS用法的信息，即采用人工的方法對每條LSP上的流量實施控制。

2．MPLS的DiffServ支持技術由于MPLS使用一個標記封裝了IP數據報，因此，核心路由器看不到IP數據報頭中的DSCP。為了改變DiffServ與MPLS不相兼容的局面，IETF提出了一種MPLS的DiffServ支持方法。

MPLS的DiffServ支持技術能夠把DiffServ的多個BA(BehaviorAggregate)映射到MPLS的一條LSP上，根據BA的PHB來轉發(fā)LSP上的流量。LSP與BA的映射有下列兩種方式：

(1)E-LSP。E-LSP通過Exp字段將多個BA指派到一條LSP上,用MPLS標記頭中的Exp字段來表示一個IP報文的PHB，Exp字段最多可以映射8個BA。MPLS/ATM網絡不能使用Exp字段。

(2)L-LSP。L-LSP把一條LSP指派給一個BA，表示多個丟包優(yōu)先級，根據MPLS標記來確定數據包的調度策略，根據MPLS封裝頭或第二層丟包機制來確定丟包優(yōu)先級。由于MPLS網絡設備在每一跳中都會交換標記值，管理標記與DSCP的映射比較困難，因此E-LSP比L-LSP更容易控制。因為E-LSP事先就可以確定整個網絡中每個MPLS封裝包的Exp字段和DSCP之間的映射關系。

DiffServ提供的是一種針對不同的業(yè)務提供區(qū)別服務，為不同的業(yè)務設置不同的優(yōu)先級和轉發(fā)特性，但并不具體地規(guī)定如何進行轉發(fā)，也不設法消除擁塞。在網絡沒有擁塞時，即使是盡力型的IP數據報也能得到很好的網絡服務。而一旦發(fā)生擁塞，即使DiffServ在網絡邊界進行了流量調節(jié)，在網絡核心路由器上也有可能因流量匯聚而出現(xiàn)負載不均衡現(xiàn)象，引起網絡擁塞。這時，DiffServ是以犧牲低優(yōu)先級的業(yè)務為代價來換取高優(yōu)先業(yè)務的QoS的，在擁塞嚴重時，還可能損壞高優(yōu)先級的業(yè)務。因為DiffServ不關心低層網絡采用什么技術來解決網絡擁塞問題，所以不能從根本上消除擁塞。

9.5.3基于MPLS的VPN技術在MPLS/ATM網絡體系中，利用ATM虛電路的連接特性和能力，能夠很容易地實現(xiàn)虛擬專用網(VPN)功能，并且在一個MPLS/ATM網絡上可以同時建立多個VPN。在這種VPN體系結構中，LER是VPN的入口和出口，由LER負責VPN的建立、拆除和維護。在路由尋址方面，MPLS路由器與傳統(tǒng)的路由器有很大的不同。MPLS支持特殊路由，允許沿不同的路徑轉發(fā)同一目的地址的數據包。因此，一個LER可以同時建立多個VPN，每個VPN都擁有一個單獨的路由域，并使用各自獨立的路由協(xié)議和路由表來轉發(fā)IP報文。

在建立VPN時，利用ATM網絡的QoS能力和機制可以分別建立具有不同QoS級別的VPN，并且每個VPN的服務質量都能得到充分的保證。對于有特定QoS要求的IP報文，可以通過ATM網絡為其建立專門的虛電路，這些虛電路的QoS參數可以按IP報文的QoS要求來確定。LER將根據IP報文的有關參數，如IP的源地址、目的地址、端口號等參數來決定MPLS報文(加了標簽的IP報文)的QoS級別。對于同一目的地址的IP報文，可以根據其ToS值來建立不同的轉發(fā)路徑，以滿足不同的QoS要求。同時，通過對特殊路由的管理，還能有效地解決網絡中的負載分擔和擁塞問題。當網絡中出現(xiàn)擁塞時，LER可以實時地建立新的轉發(fā)路由來分擔網絡流量，以緩解網絡擁塞。這樣就把MPLS的標簽交換技術與ATM的QoS能力有機地結合在了一起。

通常，基于MPLS/ATM的VPN構架是Internet服務提供商(ISP)支持企業(yè)用戶應用的網絡安全解決方案，由ISP構建和管理一個基于MPLS/ATM的公共網絡，為企業(yè)用戶提供VPN接入服務。

MPLS通過在IP數據流中加入一個特殊的標記來簡化數據報轉發(fā)過程，實現(xiàn)IP數據報的快速轉發(fā)和交換。MPLS最初的目的是實現(xiàn)高速的路由轉發(fā)，但隨著路由器性能的不斷提高，這種功能逐漸被減弱。目前，MPLS越來越多地被用于實現(xiàn)流量工程以及構建VPN。

9.6RTP協(xié)

議

9.6.1RTP報文格式

RTP報文由兩部分組成：報頭和有效載荷。RTP報頭格式如9.7所示，其中：

·V：RTP協(xié)議的版本號，占2位，當前協(xié)議版本號為2。

·P：填充標志，占1位，如果P=1,則在該報文的尾部將填充一個或多個額外的八位組，它們不是有效載荷的一部分。

·X：擴展標志，占1位，如果X=1，則在RTP報頭后跟有一個擴展報頭。

·CC：CSRC計數器，占4位，指示CSRC標識符的個數。

·M：標記，占1位，不同的有效載荷有不同的含義，對于視頻，標記一幀的結束；對于音頻，標記會話的開始。

·PT：有效載荷類型，占7位，用于說明RTP報文中有效載荷的類型，如GSM音頻、JPEM圖像等。

·

序列號：占16位，用于標識發(fā)送者所發(fā)送的RTP報文的序列號，每發(fā)送一個報文，序列號增1。接收者通過序列號來檢測報文丟失情況，重新排序報文，恢復數據。

·

時戳(Timestamp)：占32位，時戳反映了該RTP報文的第一個八位組的采樣時刻。接收者使用時戳來計算延遲和延遲抖動，并進行同步控制。

·

同步信源(SSRC)標識符：占32位，用于標識同步信源。該標識符是隨機選擇的，參加同一視頻會議的兩個同步信源不能有相同的SSRC。

·

特約信源(CSRC)標識符：每個CSRC標識符占32位，可以有0～15個。每個CSRC標識了包含在該RTP報文有效載荷中的所有特約信源。

圖9.7RTP報頭格式

9.6.2基于RTP的帶寬控制方法為了實時傳輸數據，RTP利用了簡單而快捷的UDP協(xié)議實現(xiàn)網絡傳輸。由于UDP協(xié)議是一種無連接的傳輸協(xié)議，因此不保證報文傳輸的正確性和有序性，也不提供流量控制功能。另一方面，在多媒體通信中，由于多媒體數據的特殊性，因此不宜采用通常的重傳糾錯法來提供正確性，而是采用控制傳送帶寬方式來減少報文丟失，以滿足多媒體應用所需的QoS。

在RTP協(xié)議中，通過RTCP報文提供了基于無連接傳輸協(xié)議的端到端控制機制，這是一種基于接收者反饋的網絡傳輸QoS檢測機制，在RTCP的接收報告中包含了當前網絡傳輸QoS有關信息，如報文丟失率、報文丟失累計、接收到的最高序列號、平均延遲抖動以及用于計算發(fā)布接收報告往返所需時間的時間標簽等。發(fā)送者可通過這些信息來評價網絡傳輸QoS狀況，并可采取適當的策略實施同步控制。

RTP協(xié)議規(guī)定，每個RTP系統(tǒng)必須實現(xiàn)RTCP的控制功能，由內部功能模塊定期自動執(zhí)行。RTCP報文是輕載信息，其信息量與最低的數據通信量相平衡，它所產生的通信量只是數據通信量的5%左右。

要實施端到端的強制同步控制，其前提條件是發(fā)送端要能夠獲取網絡失調狀態(tài)信息。一種可行的同步控制策略是：各個接收端將一種輕載的網絡失調狀態(tài)信息(如QoS參數狀態(tài))反饋給發(fā)送端，發(fā)送端據此進行強制性同步控制，以滿足接收端演示質量的要求。基于RTP的帶寬控制算法正是利用這種控制策略來實施強制性同步控制的，其基本思想是在RTP協(xié)議機制支持下，發(fā)送端通過接收端周期反饋的接收報告來評價當前網絡傳輸的QoS，并以此對數據發(fā)送速率進行適當調整。端點之間利用RTP報文和RTCP報文來實現(xiàn)帶寬控制：

(1)RTP報文的序號字段可用于排序RTP報文分組，以消除重復分組，保持視頻或音頻流內同步和連續(xù)地播放。

(2)RTP報文的時戳字段可作為流間同步標識，以保持視頻和音頻流間同步和連續(xù)地播放。

(3)發(fā)送者可利用接收者反饋的RTCP報文來制實施端到端的強制性同步控制，以改善當前網絡傳輸的QoS。

1．接收端的控制策略接收端通過RTP協(xié)議實施如下的控制策略：

(1)SSRC字段用于標識不同的信源，以支持多對一或多對多的多媒體通信。

(2)時戳字段作為流間同步標識，用于媒體流間的流間控制，以保持視頻和音頻流間同步和連續(xù)地播放，并作為時間量用于計算報文分組的傳輸延遲、延遲抖動以及數據更新周期等，濾除嚴重延遲的RTP報文分組。

(3)序號字段作為流內同步標識，用于排序RTP報文分組，消除重復報文分組，保持視頻或音頻流內同步和連續(xù)地播放。

(4)將接收端檢測到的當前網絡QoS狀況通過RTCP的接收報告周期地反饋給發(fā)送端。

2．發(fā)送端的控制策略發(fā)送端將采用如下的控制算法來調整傳送帶寬。

(1)設bs為發(fā)送端當前的帶寬，bmin和bmax分別為應用所設置的最小帶寬和最大帶寬，且bs([bmin，bmax]。

(2)在每個發(fā)送帶寬級上保持一個時間片，超時后將根據網絡QoS狀況提高或降低一個帶寬級，以避免帶寬頻繁波動。這里使用報文丟失率作為QoS指示器，并設置一個閾值。如果QoS指示器超閾，說明網絡發(fā)生阻塞，這時可通過改變發(fā)送速率來調整傳送帶寬，疏導網絡交通。

(3)初始時按最大帶寬發(fā)送報文分組，即bs(bmax，以提高網絡通道的利用率。

(4)如果在規(guī)定的時間片內QoS指示器超閾，說明網絡發(fā)生阻塞，則在超時后需要降低一個帶寬級，即bs

max{bs-，bmin}，其中為比例因子。

(5)如果在規(guī)定的時間片內QoS指示器未超閾，說明網絡交通狀況良好，則在超時后應當提高一個帶寬級，即bs(min

bs+

，bmax}。

(6)在點到多點通信場合中，發(fā)送者將面對多個不同網段上的接收者，而每個網段的交通狀況又不盡相同。因此，在改變帶寬時可采用多數表決法，即當報文丟失率超閾的接收者超過一定比例時再改變帶寬。這種方法的特點是：利用RTP協(xié)議機制來傳送網絡狀態(tài)信息，不需要另外構造網絡檢測機構，易于實現(xiàn)；RTCP報文是一種輕載報文，占用較少的通信帶寬。

9.7分布式多媒體應用——IP電話

9.7.1分布式多媒體應用的特點分布式多媒體應用是指在計算機網絡支持下的多媒體應用技術，它比單機環(huán)境下的多媒體應用要復雜得多，對計算機支撐環(huán)境，尤其是對網絡支撐環(huán)境要求高。近年來，高速網絡技術的發(fā)展，大大改善了分布式多媒體應用環(huán)境，推動了分布式多媒體應用的發(fā)展，出現(xiàn)了很多分布式多媒體應用系統(tǒng)，如多媒體會議系統(tǒng)、視頻點播系統(tǒng)、遠程醫(yī)療系統(tǒng)、遠程教學系統(tǒng)等。同時，分布式多媒體應用也對計算機網絡技術、數據存儲技術和分布式處理技術等提出了更高的要求，帶動了相關技術的進步，它們是互為依存、共同發(fā)展的關系。

從信息交換方式來看，分布式多媒體應用系統(tǒng)可以分成下列四類：

(1)點對點非實時應用。這類應用系統(tǒng)采用點對點通信方式，但無需實時交換信息，例如個人多媒體電子郵件系統(tǒng)等。它對網絡環(huán)境要求不高。

(2)點對多點非實時應用。這類應用系統(tǒng)采用點對多點通信方式，需要將源節(jié)點的多媒體信息同時發(fā)送給多個目的節(jié)點，但無需實時交換信息，例如多媒體信息發(fā)布系統(tǒng)等。它要求網絡環(huán)境具有組播(Multicast)或廣播(Broadcast)通信能力。

(3)點對點實時應用。這類應用系統(tǒng)采用點對點通信方式，并且通信雙方必須實時交換信息，例如視頻點播系統(tǒng)、可視電話系統(tǒng)等。它對網絡環(huán)境的要求是高帶寬和低延遲，并能夠提供QoS支持能力。

(4)點對多點實時應用。這類應用系統(tǒng)采用點對多點通信方式，需要將源節(jié)點的多媒體信息同時發(fā)送給多個目的節(jié)點，并且信息交換必須是實時的，例如多媒體會議系統(tǒng)等。它對網絡環(huán)境的要求除了高帶寬、低延遲和支持QoS外，還應當具有組播通信能力。

從系統(tǒng)構成模型來看，分布式多媒體應用系統(tǒng)可分成下列兩類：

(1)對等模型。在應用系統(tǒng)中，只有一類節(jié)點，它具有雙重身份，既是信源又是用戶，并且各個節(jié)點的地位是對等的，信息交互具有對稱性，即一個節(jié)點發(fā)送的信息量和接收的信息量大致是平衡的。典型的應用系統(tǒng)如多媒體會議系統(tǒng)、可視電話系統(tǒng)等。

(2)客戶/服務器模型。在應用系統(tǒng)中，有兩類節(jié)點：客戶和服務器。服務器是信源，為客戶提供信息服務；客戶是使用信息的用戶，根據需要向服務器發(fā)出服務請求，并且接收服務器返回的響應信息。服務器可以面向很多客戶提供服務，并且信息交互具有不對稱性，客戶到服務器的上行信道的信息量要遠遠小于服務器到客戶的下行信道的信息量。典型的應用系統(tǒng)如視頻點播系統(tǒng)、多媒體信息發(fā)布系統(tǒng)等。

9.7.2IP電話的基本原理

IP電話(VoiceoverIP,VoIP)與傳統(tǒng)的電路交換語音網絡不同，它使用Internet來傳送語音信息。IP電話的基本原理是：

(1)對模擬語音信號進行模擬/數字變換，變?yōu)閿底中盘枺?/p>

(2)對數字信號進行壓縮處理；

(3)把壓縮后的數字語音信號按IP等相關協(xié)議進行封裝；

(4)經過IP網絡把數據包傳輸到接收端；

(5)接收端對語音數據包進行解封、解壓縮、數字/模擬變換等處理后，恢復成原來的語音信號。

圖9.8IP電話信號的傳輸過程

1．PC-PC方式用戶之間使用PC機進行通話，這種通信方式的通信雙方必須都是Internet上的用戶，利用IP地址進行呼叫。PC需配有麥克風、聲卡和網卡。語音編/解碼、壓縮、打包/解包、數據包發(fā)送接收等均在PC上完成。通信雙方必須使用相同的IP電話軟件連接到同一個服務器，才能通過Internet進行語音通信。PC-PC方式的連接示意圖如圖9.9所示。

圖9.9PC-PC方式的連接示意圖

2．PC-Phone方式在這種方式中，由電話網關完成IP地址和電話號碼的映射和翻譯、語音編/解碼、打包/解包。PC的語音信號經過Internet到達另一端的電話網關，電話網關再通過公用電話網或用戶小交換機接通普通電話機(Phone)。PC-Phone方式的連接示意圖如圖9.10所示。

圖9.10PC-Phone方式的連接示意圖

3．Phone-Phone方式這種方式的用戶使用普通的電話機就可以進行通信。普通電話經過電話交換網(PSTN)連到電話網關，發(fā)送端的電話網關鑒別主叫用戶，翻譯電話號碼/網關IP地址，發(fā)起IP電話呼叫，連接到最靠近被叫的電話網關，并完成語音編碼和打包，接收端的電話網關實現(xiàn)解包、解碼和連接被叫。Phone-Phone方式的連接示意圖如圖9.11所示。

圖9.11Phone-Phone方式的連接示意圖

9.7.3IP電話系統(tǒng)的組成IP電話系統(tǒng)由IP電話終端設備、網關(Gateway)、網守(Gatekeeper)、管理終端、多點控制單元(Multi-ponitControlUnit，MCU)等幾部分組成，如圖9.12所示。

圖9.12IP電話系統(tǒng)的組成

1．終端設備終端設備可以是傳統(tǒng)的電話機、帶有聲卡并配上適當的IP電話軟件(如Microsoft的Netmeeting)的PC機、IP電話機，也可以是集語音、數據和圖像于一體的多媒體業(yè)務終端。終端設備是IP電話系統(tǒng)中面向用戶的設備。它可以與其他終端設備、網關或MCU進行通信，支持語音、數據和視頻信息的交互。終端設備的主要功能包括音頻編/解碼、視頻編/解碼、數據打包和發(fā)送、數據包接收和解包、終端接入控制、呼叫控制、邏輯信道控制等。

2．電話網關電話網關(簡稱網關)是H.323系統(tǒng)與現(xiàn)有電路交換網的互通點，其核心功能是對不同系統(tǒng)的媒體信息和信令信息進行轉換，以實現(xiàn)這些系統(tǒng)與H.323系統(tǒng)的互通。用戶通過PSTN本地環(huán)路連接到IP網絡的網關，網關負責把模擬信號轉換為數字信號并壓縮打包，成為可以在Internet上傳輸的IP分組語音信號，然后通過Internet傳送到被叫用戶的網關端，由被叫端的網關對IP數據包進行解包、解壓和解碼，還原為可被識別的模擬語音信號，再通過PSTN傳到被叫方的終端。因此，網關除支持音、視頻編/解碼外，還要支持呼叫控制、邏輯信道控制等信令功能。

對于大型的電信級電話網關，媒體處理功能和信令處理功能是分開實現(xiàn)的，媒體處理功能由媒體網關(MG)負責，信令處理功能由媒體網關控制器(MGC)完成。MGC負責通話前邏輯連接的建立與控制，并維護每一次通話的連接狀態(tài)。MGC根據用戶的服務需求可以支持諸如呼叫顯示，呼叫等待等增值業(yè)務。另外，由于MGC上存有每一次通話的狀態(tài)數據，還可負責為計費系統(tǒng)提供原始數據。MGC通過其上運行的信令協(xié)議來交換有關設備與連接的控制信息，目前使用的主要信令協(xié)議有H.323、SIP等。

3．網守網守(又稱網管)用來管理IP電話網關，其主要功能是：

(1)IP地址映射。將電話網E.164地址映射成被叫所在網關的IP地址。如果被叫用戶號碼無法從主叫網關處得到映射，主叫網關將向網管申請獲得地址映射關系。

(2)呼叫認證和管理。網管收到網關的用戶接入認證請求，從請求消息中取出主叫用戶號碼，與數據庫中的用戶數據比較。如果數據庫中不存在該用戶數據，則拒絕這次請求，并向網關發(fā)出帶有拒絕理由的相應信息；如果存在，則進一步查找用戶權限，并將帶有使用權限的相應信息發(fā)送給網關。

(3)呼叫記錄。對用戶通話進行記錄，作為收費的依據。

(4)區(qū)域管理。網管管理多個網關，主要完成網關數據的增加、刪除、修改和查詢。

(5)用戶數據管理。包括用戶數據庫數據的增加、刪除、修改和查詢。

(6)帶寬管理。定義同時上網用戶數門限值。

(7)統(tǒng)計。統(tǒng)計呼叫頻度、呼損率、時延、網絡流量等。

4．管理終端管理終端是營業(yè)受理點的營業(yè)員與系統(tǒng)的接口，營業(yè)員通過管理終端完成用戶登記的處理。管理終端的功能是：用戶數據的增加、刪除、修改；網關數據的增加、刪除、修改。

5．MCU利用IP網實現(xiàn)多點通信，支持三個以上節(jié)點的電話會議。MCU通過H.245協(xié)議實現(xiàn)對參加會議的多個成員進行控制。實現(xiàn)會議通信的另一個功能實體是多點處理(MP)功能，它接收參加會議成員的音視頻信息，經過混合、交換等處理后回送給各成員。在集中式多點會議中，MCU應包含MP功能。

9.7.4IP電話的關鍵技術

1．IP電話的有關標準和協(xié)議

在傳統(tǒng)電話系統(tǒng)中，一次通話從建立系統(tǒng)連接到拆除連接都需要必要的信令來配合完成。同樣，在IP電話中，如何尋找被叫方、如何建立應答、如何按照彼此的數據處理能力發(fā)送數據，也需要相應的協(xié)議。在IP電話中，主要有兩個國際標準：ITU的H.323標準和IETF的會話初始化協(xié)議(SIP)。

1)H.323

H.323系列建議定義了在無業(yè)務質量保證的Internet或其他分組交換網絡(PacketBasedNetworks，PBN)上多媒體通信的協(xié)議及其規(guī)程。H.323提供設備之間、高層應用之間和提供商之間的互操作性。它不依賴于網絡結構，獨立于操作系統(tǒng)和硬件平臺，支持多點控制、組播和帶寬管理。H.323建議的多媒體會議系統(tǒng)中的信息流包括音頻、視頻、數據和控制信息。H.323若和其他的IP技術(如IETF的RSVP協(xié)議)相結合，就可以實現(xiàn)IP網絡的多媒體通信。

圖9.13是H.323協(xié)議棧組成，其中：

(1)系統(tǒng)總體框架：H.323。

(2)視頻編/解碼：H.261協(xié)議(必選)和H.263。

(3)音頻編/解碼：G.711(必選)、G.722、G.723.1、G.728和G.729.a等，音頻和視頻編碼后的信息都封裝在RTP協(xié)議中進行傳送。

(4)數據通信：T.12x協(xié)議，可以通過TCP來傳送。

(5)系統(tǒng)控制：H.323呼叫建立過程涉及到三種信令：H.RAS信令(即注冊(Registration)、許可(Admission)和狀態(tài)(Status))、H.225.0呼叫信令和H.245控制信令。其中，RAS完成終端與網守之間的登記注冊、授權許可、帶寬改變、狀態(tài)和脫離解除等過程；H.225.0用來建立兩個終端之間的連接，以便傳輸控制信令，它使用Q.931消息來控制呼叫的建立和拆除。當系統(tǒng)中沒有網守時，在呼叫涉及的兩個終端之間建立呼叫信令信道，當系統(tǒng)中有一個網守時，由網守決定在終端與網守之間或是在兩個終端之間建立呼叫信令信道；H.245用來傳送終端到終端的控制消息，包括主從判別、能力交換、打開和關閉邏輯信道、模式參數請求、流控消息和通用命令與指令等，其信道建立于兩個終端之間或一個終端與一個網守之間。

圖9.13H.323協(xié)議棧

在H.323系統(tǒng)中，一個呼叫可以同時傳送多種媒體信息(音頻、視頻等)，每種媒體信息在一個邏輯信道上傳送。H.323是為多媒體會議系統(tǒng)制定的協(xié)議，不是專門為IP電話提出的協(xié)議。H.323吸取了許多電信網的組網、互連和運營經驗，使得H.323能與PSTN網以及其他數據網互聯(lián)互通。

在1996年公布的H.323v1版本中，主要實現(xiàn)基于局域網的多媒體通信功能，定義了終端、網關、網守和多點控制單元等組成部分的功能。由于H.323v1版本不能確保不同系統(tǒng)間的互操作能力，因此，1998年公布了H.323v2版本，該版本將應用環(huán)境擴展到了廣域的分組網絡，增加了構筑電信級IP電話網的特性。1999年公布了H.323v3版本，該版本主要面向大范圍網絡應用，增加了帶寬管理和QoS功能，并針對IP電話網的穩(wěn)定性、冗余性、可擴展性等問題進行了重要補充，提高了通話質量。2000年公布了H.323v4版本，該版本增加了分離網關結構，并使用H.248協(xié)議來控制網關的行為，增加了H.323IP電話系統(tǒng)與其他網絡的互通性，順應了軟交換技術發(fā)展的潮流。因此，H.323是比較成熟的協(xié)議，具備了電信級網絡的特征。然而，H.323也存在如下的缺點：

(1)控制協(xié)議復雜。H.323的媒體管理采用了Q.931信令，在E.164電話號碼轉換到IP地址的尋址過程中，以及建立呼叫和入網登記(RAS)的過程中，終端和網關/網守間需要數十次交換消息，呼叫處理時延大。網絡規(guī)模愈大，尋址過程愈復雜，難以滿足語音實時通信的要求，網絡規(guī)模也因此受到極大的限制。

(2)H.323不支持多播(Multicast)協(xié)議。H.323只能采用多點控制單元(MCU)構成多點會議系統(tǒng)，所有參加會議的終端都要向MCU發(fā)送控制消息，MCU可能會成為瓶頸，因而只能支持有限個多點用戶。

(3)H.323不支持呼叫轉移。

2)SIP會話初始協(xié)議(SessionInitializationProtocol,SIP)是由IETF提出的多媒體IP的體系結構。SIP不像H.323那樣提供所有的通信協(xié)議，只提供了會話或呼叫的建立與控制功能，可用來創(chuàng)建、修改以及終止多個參與者的多媒體會話進程，不傳輸媒體數據，因而產生的附加傳輸開銷比較小。參與會話的成員可以通過組播方式、單播連網或者兩者結合的形式進行通信。SIP是一種應用層協(xié)議，可以用UDP或TCP作為其傳輸協(xié)議，可應用于多媒體會議、遠程教學及IP電話等領域。

與H.323不同的是，SIP是一種基于文本的協(xié)議，用SIP全球資源統(tǒng)一定位符(SIPUniformResourceLocators，SIP-URL)描述，易于實現(xiàn)和調試，并且具有良好的靈活性和擴展性。SIP-URL甚至可以嵌入到Web網頁或其他超文本鏈路中，用戶只需用鼠標點擊即可發(fā)出一個呼叫。與H.323相比，SIP還有建立呼叫快、支持傳送電話號碼等特點。

SIP的出發(fā)點是想借鑒Web業(yè)務成功的經驗，以現(xiàn)有的Internet為基礎來構架IP電話網。因此，SIP與H.323的設計思想完全不同。SIP將網絡設備的復雜性推向網絡邊緣，使核心網絡仍是一個“盡力服務(BestEffort)”的傳送通道，這就使得SIP系統(tǒng)中核心網絡服務器可以不保留狀態(tài)。因為核心網絡服務器需要處理大量的呼叫，不保留每一呼叫的狀態(tài)，可以大大提高系統(tǒng)的處理能力，為組建大規(guī)模