計算機網(wǎng)絡(luò)課件第8章

1、計算機網(wǎng)絡(luò),計算機學(xué)院,本章主要講述內(nèi)容,概述 流式存儲音頻/視頻 交互式音頻/視頻 改進(jìn)“盡最大努力交付”的服務(wù),8.1 概述,計算機網(wǎng)絡(luò)最初是為傳送數(shù)據(jù)信息設(shè)計的。因特網(wǎng) IP 層提供的“盡最大努力交付”服務(wù)，以及每一個分組獨立交付的策略，對傳送數(shù)據(jù)信息也是很合適的。因特網(wǎng)使用的 TCP 協(xié)議可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)不能提供可靠交付這一問題。,多媒體信息的特點,多媒體信息（包括聲音和圖像信息）與不包括聲音和圖像的數(shù)據(jù)信息有很大的

2、區(qū)別。多媒體信息的信息量往往很大。在傳輸多媒體數(shù)據(jù)時，對時延和時延抖動均有較高的要求。多媒體數(shù)據(jù)往往是實時數(shù)據(jù)(real time data)，它的含義是：在發(fā)送實時數(shù)據(jù)的同時，在接收端邊接收邊播放。,因特網(wǎng)是非等時的,模擬的多媒體信號經(jīng)過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，再組裝成分組。這些分組的發(fā)送速率是恒定的（等時的）。傳統(tǒng)的因特網(wǎng)本身是非等時的。因此經(jīng)過因特網(wǎng)的分組變成了非恒定速率的分組。,接收端需設(shè)置適當(dāng)大小的緩存。當(dāng)緩存中的

3、分組數(shù)達(dá)到一定的數(shù)量后再以恒定速率按順序把分組讀出進(jìn)行還原播放。緩存實際上就是一個先進(jìn)先出的隊列。圖中標(biāo)明的 T 叫做播放時延。,在接收端設(shè)置緩存,緩存使所有到達(dá)的分組都經(jīng)受了遲延。早到達(dá)的分組在緩存中停留的時間較長，而晚到達(dá)的分組在緩存中停留的時間則較短。以非恒定速率到達(dá)的分組，經(jīng)過緩存后再以恒定速率讀出，就能夠在一定程度上消除了時延的抖動。但我們付出的代價是增加了時延。,緩存的影響,需要解決的問題,在傳送時延敏感(delay

4、sensitive)的實時數(shù)據(jù)時，不僅傳輸時延不能太大，而且時延抖動也必須受到限制。對于傳送實時數(shù)據(jù)，很少量分組的丟失對播放效果的影響并不大（因為這是由人來進(jìn)行主觀評價的），因而是可以容忍的。丟失容忍(loss tolerant)也是實時數(shù)據(jù)的另一個重要特點。,需要解決的問題（續(xù)）,由于分組的到達(dá)可能不按序，但將分組還原和播放時又應(yīng)當(dāng)是按序的。因此在發(fā)送多媒體分組時還應(yīng)當(dāng)給每一個分組加上序號。這表明還應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的協(xié)議支持才行。要使接

5、收端能夠?qū)⒐?jié)目中本來就存在的正常的短時間停頓（如音樂中停頓幾拍）和因某些分組的較大遲延造成的“停頓”區(qū)分開來。這就需要增加一個時間戳(timestamp)，以便告訴接收端應(yīng)當(dāng)在什么時間播放哪個分組。,必須改造現(xiàn)有的因特網(wǎng),大量使用光纜和高速路由器，網(wǎng)絡(luò)的時延和時延抖動就可以足夠小，在因特網(wǎng)上傳送實時數(shù)據(jù)就不會有問題。把因特網(wǎng)改造為能夠?qū)Χ说蕉说膸拰崿F(xiàn)預(yù)留(reservation)，把使用無連接協(xié)議的因特網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蜻B接的網(wǎng)絡(luò)。 部

6、分改動因特網(wǎng)的協(xié)議棧所付出的代價較小，而這也能夠使多媒體信息在因特網(wǎng)上的傳輸質(zhì)量得到改進(jìn)。,目前因特網(wǎng)提供的音頻/視頻服務(wù)大體上可分為三種類型,流式(streaming)存儲音頻/視頻 ——邊下載邊播放。流式實況音頻/視頻 ——邊錄制邊發(fā)送 。交互式音頻/視頻——實時交互式通信。,“邊下載邊播放”中的“下載”,“邊下載邊播放”結(jié)束后，在用戶的硬盤上沒有留下有關(guān)播放內(nèi)容的任何痕跡。流媒體(streaming media)，即流式音頻

7、/視頻。流媒體特點就是“邊下載邊播放” (streaming and playing) 。,8.2 流式存儲音頻/視頻,傳統(tǒng)的下載文件方法,,萬維網(wǎng)服務(wù)器,客戶機,服務(wù)器,媒體播放器,瀏覽器,傳統(tǒng)的瀏覽器從服務(wù)器下載音頻/視頻文件,? 用戶從客戶機(client machine)的瀏覽器上用 HTTP 協(xié)議向服務(wù)器請求下載某個音頻/視頻文件。? 服務(wù)器如有此文件就發(fā)送給瀏覽器。在響應(yīng)報文中就裝有用戶所要的音頻/視頻文件。整個

8、下載過程可能會花費很長的時間。? 當(dāng)瀏覽器完全收下這個文件后，就可以傳送給自己機器上的媒體播放器進(jìn)行解壓縮，然后播放。,8.2.1 具有元文件的萬維網(wǎng)服務(wù)器,元文件就是一種非常小的文件，它描述或指明其他文件的一些重要信息。,,萬維網(wǎng)服務(wù)器,客戶機,服務(wù)器,媒體播放器,瀏覽器,使用元文件下載音頻/視頻文件,? 瀏覽器用戶使用 HTTP 的 GET 報文接入到萬維網(wǎng)服務(wù)器。這個超鏈指向一個元文件。這個元文件有實際的音頻/視頻文件的統(tǒng)

9、一資源定位符 URL。? 萬維網(wǎng)服務(wù)器把該元文件裝入 HTTP 響應(yīng)報文的主體，發(fā)回給瀏覽器。? 客戶機瀏覽器調(diào)用相關(guān)的媒體播放器，把提取出的元文件傳送給媒體播放器。? 媒體播放器使用元文件中的 URL ，向萬維網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送 HTTP 請求報文，要求下載音頻/視頻文件。? 萬維網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送 HTTP 響應(yīng)報文，把該音頻/視頻文件發(fā)送給媒體播放器。媒體播放器邊下載邊解壓縮邊播放。,8.2.2 媒體服務(wù)器,媒體服務(wù)器也稱為流式服務(wù)

10、器(streaming server) ，它支持流式音頻和視頻的傳送。媒體播放器與媒體服務(wù)器的關(guān)系是客戶與服務(wù)器的關(guān)系。 媒體播放器不是向萬維網(wǎng)服務(wù)器而是向媒體服務(wù)器請求音頻/視頻文件。媒體服務(wù)器和媒體播放器之間采用另外的協(xié)議進(jìn)行交互。,使用媒體服務(wù)器,,萬維網(wǎng)服務(wù)器,媒體播放器,瀏覽器,媒體服務(wù)器,客戶機,服務(wù)器,采用媒體服務(wù)器下載音頻/視頻文件的步驟,? ~? 前三個步驟仍然和上一節(jié)的一樣，區(qū)別就是后面兩個步驟。?

11、媒體播放器使用元文件中的 URL 接入到媒體服務(wù)器，請求下載瀏覽器所請求的音頻/視頻文件。下載可以借助于使用 UDP 的任何協(xié)議，例如使用實時運輸協(xié)議 RTP。? 媒體服務(wù)器給出響應(yīng)，把該音頻/視頻文件發(fā)送給媒體播放器。媒體播放器在遲延了若干秒后，以流的形式邊下載邊解壓縮邊播放。,8.2.3 實時流式協(xié)議 RTSP(Real-Time Streaming Protocol),RTSP 協(xié)議以客戶服務(wù)器方式工作，它是一個多媒體播放控制

12、協(xié)議，用來使用戶在播放從因特網(wǎng)下載的實時數(shù)據(jù)時能夠進(jìn)行控制，如：暫停/繼續(xù)、后退、前進(jìn)等。因此 RTSP 又稱為“因特網(wǎng)錄像機遙控協(xié)議”。要實現(xiàn) RTSP 的控制功能，我們不僅要有協(xié)議，而且要有專門的媒體播放器(media player)和媒體服務(wù)器(media server)。,,萬維網(wǎng)服務(wù)器,客戶機,服務(wù)器,媒體播放器,瀏覽器,媒體服務(wù)器,音頻/視頻流,使用 RTSP 的媒體服務(wù)器的工作過程,? 瀏覽器向萬維網(wǎng)服務(wù)器請求音

13、頻/視頻文件。? 萬維網(wǎng)服務(wù)器從瀏覽器發(fā)送攜帶有元文件的響應(yīng)。? 瀏覽器把收到的元文件傳送給媒體播放器。? RTSP 客戶與媒體服務(wù)器的 RTSP 服務(wù)器建立連接。? RTSP 服務(wù)器發(fā)送響應(yīng) RESPONSE 報文。? RTSP 客戶發(fā)送 PLAY 報文，開始下載音頻/視頻文件。? RTSP 服務(wù)器發(fā)送響應(yīng) RESPONSE 報文。? RTSP 客戶發(fā)送 TEARDOWN 報文斷開連接。? RTSP 服務(wù)器發(fā)送響應(yīng) R

14、ESPONSE 報文。,8.3 交互式音頻/視頻 8.3.1 IP 電話概述,狹義的 IP 電話就是指在 IP 網(wǎng)絡(luò)上打電話。所謂“IP 網(wǎng)絡(luò)”就是“使用 IP 協(xié)議的分組交換網(wǎng)”的簡稱。廣義的 IP 電話則不僅僅是電話通信，而且還可以是在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行交互式多媒體實時通信（包括話音、視像等），甚至還包括即時傳信IM (Instant Messaging)。,IP 電話網(wǎng)關(guān)的幾種連接方法,IP 電話的通話質(zhì)量,IP 電話的通話質(zhì)

15、量主要由兩個因素決定。一個是通話雙方端到端的時延和時延抖動，另一個是話音分組的丟失率。但這兩個因素是不確定的，是取決于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)上的通信量。經(jīng)驗證明，在電話交談中，端到端的時延不應(yīng)超過 250 ms，否則交談?wù)呔湍芨械讲蛔匀弧?IP 電話的端到端時延,(1) 話音信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換要經(jīng)受時延。(2) 話音比特流裝配成話音分組的時延。(3) 話音分組的發(fā)送需要時間，此時間等于話音分 組長度與通信線路的數(shù)據(jù)率之比。(4) 話音分組在因特

16、網(wǎng)中的存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延。(5) 話音分組在接收端緩存中暫存所引起的時延。(6) 話音分組還原成模擬話音信號的時延。(7) 話音信號在通信線路上的傳播時延。(8) 終端設(shè)備的硬件和操作系統(tǒng)產(chǎn)生的接入時延。,低速率話音編碼的標(biāo)準(zhǔn),(1) G.729——速率為 8 kb/s 的共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵線性預(yù)測聲碼器 CS-ACELP (Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear Predi

17、ction)。(2) G.723.1——速率為 5.3/6.3 kb/s 的為多媒體通信用的低速率聲碼器。,線速路由器,提高路由器的轉(zhuǎn)發(fā)分組的速率對提高 IP 電話的質(zhì)量也是很重要的。據(jù)統(tǒng)計，一個跨大西洋的 IP 電話一般要經(jīng)過 20?30 個路由器。若能改用吉比特路由器（又稱為線速路由器），則每秒可轉(zhuǎn)發(fā) 5 百萬至 6 千萬個分組（即交換速率達(dá) 60 Gb/s 左右）。這樣還可進(jìn)一步減少由網(wǎng)絡(luò)造成的時延。,關(guān)于 Skype,Sk

18、ype 采用了 P2P 和全球索引技術(shù)提供快速路由選擇機制，管理成本大大降低。由于用戶路由信息分布式存儲于因特網(wǎng)的結(jié)點中，因此呼叫連接完成得很快。Skype 采用了端對端加密方式，保證信息的安全性。Skype 使用 P2P 的技術(shù)，用戶數(shù)據(jù)主要存儲在 P2P 網(wǎng)絡(luò)中，因此必須保證存儲在公共網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)是可靠的和沒有被篡改的。Skype 對公共目錄中存儲的和用戶相關(guān)的數(shù)據(jù)都采用了數(shù)字簽名，保證了數(shù)據(jù)無法被篡改。Skype的問世給全球

19、信息技術(shù)和通信產(chǎn)業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響，也給每一位網(wǎng)絡(luò)使用者帶來生活方式的改變。,8.3.2 IP電話所需要的幾種應(yīng)用協(xié)議,,TCP,UDP,,,,,,,,,,信令,服務(wù)質(zhì)量,IPv4/IPv6,RTSP,RTCP,RSVP,H.323,SIP,RTP,,,,應(yīng)用層協(xié)議,,,音頻/視頻,,SDP,,底層網(wǎng)絡(luò),8.3.3 實時運輸協(xié)議 RTP (Real-time Transport Protocol),RTP 為實時應(yīng)用提供端到

20、端的運輸，但不提供任何服務(wù)質(zhì)量的保證。多媒體數(shù)據(jù)塊經(jīng)壓縮編碼處理后，先送給 RTP 封裝成為 RTP 分組，再裝入運輸層的 UDP 用戶數(shù)據(jù)報，然后再交給 IP 層。RTP 是一個協(xié)議框架，只包含了實時應(yīng)用的一些共同的功能。RTP 自己并不對多媒體數(shù)據(jù)塊做任何處理，而只是向應(yīng)用層提供一些附加的信息，讓應(yīng)用層知道應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行處理。,RTP 的層次,從應(yīng)用開發(fā)者的角度看，RTP 應(yīng)當(dāng)是應(yīng)用層的一部分。在應(yīng)用的發(fā)送端，開發(fā)者必須編寫用

21、 RTP 封裝分組的程序代碼，然后把 RTP 分組交給 UDP 插口接口。在接收端，RTP 分組通過 UDP 插口接口進(jìn)入應(yīng)用層后，還要利用開發(fā)者編寫的程序代碼從 RTP 分組中把應(yīng)用數(shù)據(jù)塊提取出來。,,,RTP 也可看成是運輸層的一個子層,RTP 封裝了多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)塊。由于 RTP 向多媒體應(yīng)用程序提供了服務(wù)（如時間戳和序號），因此也可以將 RTP 看成是在 UDP 之上的一個運輸層的子層。,,運輸層,應(yīng)用層,,,,,,IP,

22、數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,,,RTP,UDP,RTP 分組的首部格式,,12 字節(jié),,,,序 號,,,,,,,,,,位 0 1 3 8 16 31,有效載荷類型,版本,P,X,M,參與源數(shù),時 間 戳,同

23、 步 源 標(biāo) 識 符 (SSRC),參 與 源 標(biāo) 識 符 (CSRC) [0..15]…,,,,,發(fā)送,,RTP 分組,,UDP 用戶數(shù)據(jù)報,,IP 數(shù)據(jù)報,,,,,,IP 首部 UDP 首部 RTP 首部 RTP 數(shù)據(jù)部分（應(yīng)用層數(shù)據(jù)）,,,8.3.4 實時運輸控制協(xié)議 RTCP (RTP Control Protocol),RTCP 是與 RTP 配合使用的協(xié)議。RTCP 協(xié)議的主要功

24、能是：服務(wù)質(zhì)量的監(jiān)視與反饋、媒體間的同步，以及多播組中成員的標(biāo)識。RTCP 分組也使用 UDP 傳送，但 RTCP 并不對聲音或視像分組進(jìn)行封裝。可將多個 RTCP 分組封裝在一個 UDP 用戶數(shù)據(jù)報中。RTCP 分組周期性地在網(wǎng)上傳送，它帶有發(fā)送端和接收端對服務(wù)質(zhì)量的統(tǒng)計信息報告。,RTCP 使用的五種分組類型,結(jié)束分組 BYE 表示關(guān)閉一個數(shù)據(jù)流。特定應(yīng)用分組 APP 使應(yīng)用程序能夠定義新的分組類型。接收端報告分組 RR

25、用來使接收端周期性地向所有的點用多播方式進(jìn)行報告。 發(fā)送端報告分組 SR 用來使發(fā)送端周期性地向所有接收端用多播方式進(jìn)行報告。源點描述分組 SDES 給出會話中參加者的描述。,8.3.5 H.323,H.323 是 ITU-T 于 1996 年制訂的一個名稱很長的建議書，1998 年的第二個版本改用的名稱是“基于分組的多媒體通信系統(tǒng)”。H.323 包括系統(tǒng)和構(gòu)件的描述，呼叫模型的描述，呼叫信令過程，控制報文，復(fù)用，話音編解碼器，

26、視像編解碼器，以及數(shù)據(jù)協(xié)議等，但不保證服務(wù)質(zhì)量 QoS。,H.323 終端使用 H.323 協(xié)議進(jìn)行多媒體通信,,,分組交換網(wǎng)（例如，因特網(wǎng)）,,H.323,H.323 終端,H.323 終端,?,,?,,H.323 標(biāo)準(zhǔn)指明的四種構(gòu)件,(1) H.323 終端(2) 網(wǎng)關(guān)——網(wǎng)關(guān)連接到兩種不同的網(wǎng)絡(luò)，使 H.323 網(wǎng)絡(luò)可以和非 H.323 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。(3) 網(wǎng)閘(gatekeeper)——所有的呼叫都要通過網(wǎng)閘，因為網(wǎng)閘

27、提供地址轉(zhuǎn)換、授權(quán)、帶寬管理和計費功能。(4) 多點控制單元 MCU (Multipoint Control Unit)——MCU 支持三個或更多的 H.323 終端的音頻或視頻會議。,,,,,H.323 網(wǎng)關(guān)用來和非 H.323 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,,,,,,,,,,,,,,,因特網(wǎng),公用電話網(wǎng),網(wǎng)關(guān),網(wǎng)閘,H.323 終端,?,,?,,?,,?,,多點控制單元MCU,,,,,,,,,H.323 的協(xié)議體系結(jié)構(gòu),,,音頻/視頻應(yīng)用,音

28、頻編解碼,視頻編解碼,,,,,RTCP,H.225.0登記信令,H.225.0呼叫信令,H.245控制信令,,,,,RTP,UDP,TCP,IP,信令和控制,,,數(shù)據(jù) 應(yīng)用,T.120數(shù)據(jù),8.3.6 會話發(fā)起協(xié)議 SIP (Session Initiation Protocol),SIP 是一套較為簡單且實用的標(biāo)準(zhǔn)，目前已成為因特網(wǎng)的建議標(biāo)準(zhǔn)。SIP 協(xié)議以因特網(wǎng)為基礎(chǔ)，把 IP 電話視為因特網(wǎng)上的新應(yīng)用。S

29、IP 協(xié)議只涉及到 IP 電話的信令和有關(guān)服務(wù)質(zhì)量問題，而沒有提供像H.323那樣多的功能。SIP沒有指定使用 RTP 協(xié)議，但實際上大家還是選用 RTP 和 RTCP 作為配合使用的協(xié)議。,SIP 系統(tǒng)的構(gòu)件,SIP系統(tǒng)的兩種構(gòu)件是用戶代理和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。用戶代理包括用戶代理客戶和用戶代理服務(wù)器，前者用來發(fā)起呼叫，而后者用來接受呼叫。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器分為代理服務(wù)器和重定向服務(wù)器。代理服務(wù)器接受來自主叫用戶的呼叫請求，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳

30、代理服務(wù)器，最后將呼叫請求轉(zhuǎn)發(fā)給被叫用戶。重定向服務(wù)器不接受呼叫，它通過響應(yīng)告訴客戶下一跳代理服務(wù)器的地址，由客戶按此地址向下一跳代理服務(wù)器重新發(fā)送呼叫請求。,SIP 的地址十分靈活,可以是電話號碼，也可以是電子郵件地址、IP 地址或其他類型的地址。但一定要使用 SIP 的地址格式，例如：電話號碼 sip:zhangsan@8625-87654321IPv4 地址 sip:zhangsan@201.12.34.

31、56電子郵件地址 sip:zhangsan@public1.ptt.js.cn,一個簡單的 SIP 會話,?,,?,,主叫方,被叫方,,,t,t,會話描述協(xié)議SDP (Session Description Protocol),SDP 在電話會議的情況下特別重要，因為電話會議的參加者是動態(tài)地加入和退出。SDP 詳細(xì)地指明了媒體編碼、協(xié)議的端口號以及多播地址。SIP 使用了 HTTP 的許多首部、編碼規(guī)則、差錯碼以及一些鑒別

32、機制，它比 H.323 具有更好的可擴(kuò)縮性。由于 SIP 問世較晚，因此它現(xiàn)在比 H.323 占有的市場份額要小。,8.4 改進(jìn)“盡最大努力交付”的服務(wù) 8.4.1 使因特網(wǎng)提供服務(wù)質(zhì)量,服務(wù)質(zhì)量 QoS 是服務(wù)性能的總效果，此效果決定了一個用戶對服務(wù)的滿意程度。因此在最簡單的意義上，有服務(wù)質(zhì)量的服務(wù)就是能夠滿足用戶的應(yīng)用需求的服務(wù)。服務(wù)質(zhì)量可用若干基本的性能指標(biāo)來描述，包括可用性、差錯率、響應(yīng)時間、吞吐量、分組丟失率、連接建

33、立時間、故障檢測和改正時間等。服務(wù)提供者可向其用戶保證某一種等級的服務(wù)質(zhì)量。,主機 H1 和 H2 分別向主機 H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,H1,H2,H3,H4,,,R2,R1,,,,,,,,,H1H2,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,輸出隊列,,,,1 Mb/s的實時音頻數(shù)據(jù),,FTP 文件數(shù)據(jù),,,需要給不同性質(zhì)的分組打上不同的標(biāo)記。當(dāng) H1 和 H2 的分組進(jìn)入 R1 時， R1 應(yīng)能識

34、別實時數(shù)據(jù)分組，并使這些分組以高優(yōu)先級進(jìn)入輸出隊列，而僅在隊列有多余空間時才準(zhǔn)許低優(yōu)先級的 FTP 數(shù)據(jù)分組進(jìn)入。,主機 H1 和 H2 分別向主機 H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,H1,H2,H3,H4,,,R2,R1,,,,,,,,,H1H2,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,輸出隊列,,,,1 Mb/s的實時音頻數(shù)據(jù),,高優(yōu)先級的 FTP 文件數(shù)據(jù),,,應(yīng)當(dāng)使路由器增加分類(classifica

35、tion)機制，即路由器根據(jù)某些準(zhǔn)則（例如，根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的地址）對輸入分組進(jìn)行分類，然后對不同類別的通信量給予不同的優(yōu)先級。,主機 H1 和 H2 分別向主機 H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,H1,H2,H3,H4,,,R2,R1,,,,,,,,,H1H2,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,輸出隊列,,,,數(shù)據(jù)率異常的實時音頻數(shù)據(jù),,FTP 文件數(shù)據(jù),,,路由器應(yīng)能將對數(shù)據(jù)流進(jìn)行通信量的管制(poli

36、cing)，使該數(shù)據(jù)流不影響其他正常數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中通過。例如，可將 H1 的數(shù)據(jù)率限定為 1 Mb/s。R1 不停地監(jiān)視 H1 的數(shù)據(jù)率。只要其數(shù)據(jù)率超過規(guī)定的 1 Mb/s，R1 就將其中的某些分組丟棄。,主機 H1 和 H2 分別向主機 H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,H1,H2,H3,H4,,,R2,R1,,,,,,,,,H1H2,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,輸出隊列,,,,數(shù)據(jù)率異常的實

37、時音頻數(shù)據(jù),,FTP 文件數(shù)據(jù),,,應(yīng)在路由器中再增加調(diào)度(scheduling)機制。利用調(diào)度功能給實時音頻分配 1.0 Mb/s 的帶寬，給文件傳送分配 0.5 Mb/s 的帶寬（相當(dāng)于在帶寬為 1.5 Mb/s 的鏈路中劃分出兩個邏輯鏈路），因而對這兩種應(yīng)用都有相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保證。,主機 H1 和 H2 分別向主機 H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,H1,H2,H3,H4,,,R2,R1,,,,,,,

38、,,H1H2,,,,1.5 Mb/s 鏈路,,,,輸出隊列,,,,1 Mb/s 的實時數(shù)據(jù),,,,總數(shù)據(jù)率已超過了 1.5 Mb/s 鏈路的帶寬。比較合理的做法是讓一個數(shù)據(jù)流通過 1.5 Mb/s 的鏈路，而阻止另一個數(shù)據(jù)流的通過。這就需要呼叫接納(call admission)機制。數(shù)據(jù)流要預(yù)先聲明所需的服務(wù)質(zhì)量，然后或者被準(zhǔn)許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，或者被拒絕進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。,8.4.2 調(diào)度和管制機制1. 調(diào)度機制,“調(diào)度”就是指排隊的規(guī)則。

39、如不采用專門的調(diào)度機制，則默認(rèn)排隊規(guī)則就是先進(jìn)先出 FIFO (First In First Out)。當(dāng)隊列已滿時，后到達(dá)的分組就被丟棄。先進(jìn)先出的最大缺點就是不能區(qū)分時間敏感分組和一般數(shù)據(jù)分組，并且也不公平。在先進(jìn)先出的基礎(chǔ)上增加按優(yōu)先級排隊，就能使優(yōu)先級高的分組優(yōu)先得到服務(wù)。,分組按優(yōu)先級排隊,,,,高優(yōu)先級隊列,,,,,,,,,,低優(yōu)先級隊列,,分組到達(dá)路由器,,,,調(diào)度,,,,,分組離開路由器,分類器,（服務(wù)員）,,路

40、由器,高 高 高,,,低,高優(yōu)先級分組優(yōu)先接受服務(wù),t,1,2,3,5,,,,,,到達(dá),離開,接受服務(wù),4,,,,,,1,3,2,5,4,,,,,,1,3,2,5,4,,,t,高,高,高,低,低,分組離開路由器,加權(quán)公平排隊 WFQ(Weighted Fair Queuing),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,分組到達(dá)路由器,,,,調(diào)度,,,,,分類器,,,,,,,,,,,,,w1,w2,w3,1,2,3,,路由器,加

41、權(quán)公平排隊 WFQ,分組到達(dá)后就將分組進(jìn)行分類，然后送交與其類別對應(yīng)的隊列。隊列按順序依次將隊首的分組發(fā)送到鏈路。遇到隊列空就跳過去。給隊列 i 指派一個權(quán)重 wi。隊列 i 得到的平均服務(wù)時間為 wi /(?wj)，這里?wj 是對所有的非空隊列的權(quán)重求和。隊列 i 將得到的有保證的帶寬 Ri 應(yīng)為

42、 （8-1）,,2. 管制機制,(1) 平均速率 網(wǎng)絡(luò)需要控制一個數(shù)據(jù)流的平均速率。這里的平均速率是指在一定的時間間隔內(nèi)通過的分組數(shù)。 (2) 峰值速率 峰值速率限制了數(shù)據(jù)流在非常短的時間間隔內(nèi)的流量。 (3) 突發(fā)長度 網(wǎng)絡(luò)也限制在非常短的時間間隔內(nèi)連續(xù)注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。,分組到達(dá),漏桶管制器(leaky bucket policer),,,,,,,,,,,漏桶中最多裝入 b 個權(quán)標(biāo),,,,,,

43、拿走權(quán)標(biāo),準(zhǔn)許分組進(jìn)入網(wǎng)絡(luò),等待權(quán)標(biāo),在任何時間間隔 t 內(nèi)準(zhǔn)許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的分組數(shù) = r t + b,標(biāo)記注入漏桶的速率為每秒 r 個權(quán)標(biāo),,,,漏桶機制與加權(quán)公平排隊相結(jié)合,現(xiàn)假定有 n 個分組流輸入到一個路由器，復(fù)用后從一條鏈路輸出。每一個分組流使用漏桶機制進(jìn)行管制，漏桶參數(shù)為 bi 和 ri，i = 1, 2, …, n。設(shè)漏桶 I 已裝滿了 bi 個權(quán)標(biāo)。因此 bi 個分組可馬上從路由器輸出。但分組流 I 得到的帶寬是由公式

44、(10-1)給出。這 bi 個分組中的最后一個分組所經(jīng)受的時延最大，它等于傳輸這 bi 個分組所需的時間 dmax，即 bi 除以公式(10-1)給出的傳輸速率：,,(8-2),分組離開路由器,分組到達(dá)路由器,用漏桶機制進(jìn)行管制,,,,,,,,,,,,,,,,,調(diào)度,,,分類器,,,,,,,,,,,,w1,wn,隊列 1,…,,,,,,,,,b1,r1,,,,,,,,,,,bn,rn,…,隊列 n,,路由器,,8.4.3 綜合服務(wù)

45、 IntServ 與資源預(yù)留協(xié)議 RSVP,IntServ (Integrated Services)可對單個的應(yīng)用會話提供服務(wù)質(zhì)量的保證，其主要特點有二，即：資源預(yù)留。路由器需要知道不斷出現(xiàn)的會話已預(yù)留了多少資源（即鏈路帶寬和緩存空間）。呼叫建立。需要服務(wù)質(zhì)量保證的會話必須首先在源站到目的站的路徑上的每個路由器預(yù)留足夠的資源，以保證其端到端的服務(wù)質(zhì)量要求。,IntServ 定義了兩類服務(wù),有保證的服務(wù)(guaranteed se

46、rvice)，可保證一個分組在通過路由器時的排隊時延有一個嚴(yán)格的上限。受控負(fù)載的服務(wù)(controlled-load service)，可以使應(yīng)用程序得到比通常的“盡最大努力”更加可靠的服務(wù)。,IntServ 由四個組成部分,(1) 資源預(yù)留協(xié)議 RSVP，它是 IntServ 的信令協(xié)議。(2) 接納控制(admission control)，用來決定是否同意對某一資源的請求。(3) 分類器(classifier)，用來將進(jìn)入路

47、由器的分組進(jìn)行分類，并根據(jù)分類的結(jié)果將不同類別的分組放入特定的隊列。(4) 調(diào)度器(scheduler)，根據(jù)服務(wù)質(zhì)量要求決定分組發(fā)送的前后順序。,流(flow),“流”是在多媒體通信中的一個常用的名詞，一般定義為:具有同樣的源 IP 地址、源端口號、目的 IP 地址、目的端口號、協(xié)議標(biāo)識符以及服務(wù)質(zhì)量需求的一連串分組。,,RSVP 協(xié)議的工作原理,,,,,,,,,,H1,H2 50 kb/s,R2,R1,,,,,,H3 10

48、0 kb/s,H4 3 Mb/s,,R3,R4,H5 3 Mb/s,源站,(a) 源點用多播發(fā)送PATH報文,,,表示 PATH 報文,,,,,,,,,,IntServ 體系結(jié)構(gòu)在路由器中的實現(xiàn),,,路由選擇協(xié)議,路由選擇數(shù)據(jù)庫,RSVP,接納控制,管理代理,通信量控制數(shù)據(jù)庫,分類器與分組轉(zhuǎn)發(fā),調(diào)度器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,分組入,分組出,綜合服務(wù) IntServ 體系結(jié)構(gòu)存在的主要問題,

49、(1) 狀態(tài)信息的數(shù)量與流的數(shù)目成正比。因此在大型網(wǎng)絡(luò)中，按每個流進(jìn)行資源預(yù)留會產(chǎn)生很大的開銷。(2) IntServ 體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若要得到有保證的服務(wù)，所有的路由器都必須裝有 RSVP、接納控制、分類器和調(diào)度器。(3) 綜合服務(wù) IntServ 所定義的服務(wù)質(zhì)量等級數(shù)量太少，不夠靈活。,8.4.4 區(qū)分服務(wù) DiffServ (Differentiated Services),1. 區(qū)分服務(wù)的基本概念由于綜合服務(wù) Int

50、Serv 和資源預(yù)留協(xié)議 RSVP 都較復(fù)雜，很難在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)，因此 IETF 提出了新的策略，即區(qū)分服務(wù) DiffServ 。區(qū)分服務(wù)有時也簡寫為 DS。因此，具有區(qū)分服務(wù)功能的結(jié)點就稱為 DS 結(jié)點。,區(qū)分服務(wù) DiffServ 的要點,(1) DiffServ 在路由器中增加區(qū)分服務(wù)的功能。DiffServ 將 IPv4 協(xié)議中原有的服務(wù)類型字段和 IPv6 的通信量類字段定義為區(qū)分服務(wù)字段 DS。路由器根據(jù) DS 字

51、段的值來轉(zhuǎn)發(fā)分組。利用 DS 字段可提供不同等級的服務(wù)質(zhì)量。DS 字段現(xiàn)只使用前 6 bit，即區(qū)分服務(wù)碼點 DSCP (Differentiated Services CodePoint)。,,,,,,,,,,CU,DSCP,比特 0 5 6 7,,暫不使用,服務(wù)等級協(xié)定SLA(Service Level Agreement),在使用 DS 字段之前，因特網(wǎng)的 I

52、SP 要和用戶商定一個服務(wù)等級協(xié)定 SLA 。在 SLA 中指明了被支持的服務(wù)類別（可包括吞吐量、分組丟失率、時延和時延抖動、網(wǎng)絡(luò)的可用性等）和每一類所容許的通信量。,DS 域 (DS Domain) (2) 網(wǎng)絡(luò)被劃分為許多個 DS 域,DiffServ 將所有的復(fù)雜性放在 DS 域的邊界結(jié)點(boundary node)中，而使 DS 域內(nèi)部路由器工作得盡可能地簡單。,,,,,內(nèi)部路由器,邊界路由器,,內(nèi)部路由器,B,B,B,B,

53、DS 域,DS 域,,,(3) 邊界路由器中的功能,邊界路由器中的功能較多，可分為：分類器(classifier)通信量調(diào)節(jié)器(conditioner)兩大部分。調(diào)節(jié)器的組成：標(biāo)記器(marker)整形器(shaper)測定器(meter),邊界路由器中的各功能塊的關(guān)系,,,,,,內(nèi)部路由器,邊界路由器（入口）,邊界路由器（出口）,分類器,標(biāo)記器,整形器,測定器,,,,,,,,,根據(jù) DS 值進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),調(diào)節(jié)器,分組入,分

54、組出,,丟棄,,(4) 聚合(aggregation),DiffServ 提供了一種聚合功能。DiffServ 不是為網(wǎng)絡(luò)中的每一個流維持供轉(zhuǎn)發(fā)時使用的狀態(tài)信息，而是將若干個流根據(jù)其 DS 值聚合成少量的流。路由器對相同 DS 值的流都按相同的優(yōu)先級進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這就大大簡化了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的路由器的轉(zhuǎn)發(fā)機制。區(qū)分服務(wù) DiffServ 不需要使用 RSVP 信令。,每跳行為 PHB(Per-Hop Behavior),“行為”就是指在

55、轉(zhuǎn)發(fā)分組時路由器對分組是怎樣處理的?！懊刻笔菑娬{(diào)這里所說的行為只涉及到本路由器轉(zhuǎn)發(fā)的這一跳的行為，而下一個路由器再怎樣處理則與本路由器的處理無關(guān)。這和 IntServ/RSVP 考慮的服務(wù)質(zhì)量是“端到端”的很不一樣。,DiffServ 定義的兩種 PHB,迅速轉(zhuǎn)發(fā) PBH 即 EF PHB，或 EF。EF 指明離開一個路由器的通信量的數(shù)據(jù)率必須等于或大于某一數(shù)值。因此 EF PHB 用來構(gòu)造通過 DS 域的低丟失率、低時延、低時

56、延抖動、確保帶寬的端到端服務(wù)。像點對點連接或“虛擬租用線”，又稱為 Premium 服務(wù)。,DiffServ 定義的兩種 PHB,確保轉(zhuǎn)發(fā) PHB 即 AF PHB，或 AF。AF 用 DSCP 的比特 0~2 將通信量劃分為四個等級，并給每一種等級提供最低數(shù)量的帶寬和緩存空間。對于其中的每一個等級再用 DSCP 的比特 3~5劃分出三個“丟棄優(yōu)先級”。當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時，對于每個等級的 AF，路由器首先把“丟棄優(yōu)先級”較高的分組丟