第23卷第6期 小型微型计算机系统 Vo1.23 No.6 2002年6月 MINI MICRO SYSTEM Jline 2002 文章编号:1000—1220(2002)06—0646—05 支持多媒体通信的网络协议技术及其发展 张占军 韩承德 扬学良 【中目科学院计算技术研蔸所系统塘杓研究空,北京100080) (中国科学院研究生院计算机学部.北京100039) 【装甲兵工程学院指挥自动化室,北京100072) 摘要:随着多媒体应用的昔厦,人们对多媒体在网络上的传输提出了新的要末.本文首先分析了现有用络协议支持 多媒体通信存在的问题,然后计话丁网络传输搏议IPv6、RSVP和实时传输搏议RTP对多媒体的支持.展望丁网络通 信的发展和实现等技术. 关键词{多媒体通信;网络协议;IP+RSVP+RTP 中围分类号:TP391 文献标识码:A l 引 言 接功能捌分为层,每层完成数据通信中的某些特定的功能・对 各功能层进行语义隔离,上下层之间通过层间接El提供服务 随着高速网络的飞速发展,光传输通信为低层可靠的传 和传递信息,而不同系统的对等层之同需通过一些规则和有 输提供了强有力的保证一传统网络以可靠性传输为中心,采用 效的事件序列进行相互同的沟通分层原理有利于简化不同 分层体系结构・但是随着低屡一特别是物理层高速传输t按协 系统之间数据通信的实现.但随之而来的是增加了信息传输 议分层编制轼件其效率显得太低・另外,基于数据包的信息传 的延时,因为信息在层问的传输需要时间.例如ISO/OS1将 递一信息校验和流量控制也受到限制・分布式多媒体应用对网 网络分成七层:应用层、表示层、会话层、传输层、网络层,链路 络的资源管理、差错控制、流量控制、速率控制、以及服务质量 层和物理层.基于TCP/IP的国际互联网络协议模型中.分为 提出新的挑战・至少在以下几方面巳经不适应新的需求- 四层描述;应用层、传输层(TCP)、周际同层(IP)和网络接口 第一.传统的传输层过分依赖数据流发选方和接收方之 层.协议分层的确有很多优点,但是随着低层.特别是物理层 间的反馈机制・而随着接术和应用的发展,一方生成的反馈信 高速传输.按协议分层编制轼件其效率显得太低,亟需改进. 息在返回另一方的时间间隔当中,巳经有大量的新数据流^ 2.2基于数据包的信息传递 了网络・控制信息往往大大滞后于网络的动态变化・ 网络中的信息交换分为三种:电路交换(Circuit Switch一 第二.传统厢络协议过分依赖数据重发进行差错恢复・ ing)、报文交换(Pack e1 Switching)和分组交换.电路交换方式 但在高速网络以及应用当中,差错率的升高意味着网络将处 下,通信双方要建一条物理连接,通信被他们独占,这种方式 于拥塞状态,而大量的数据重发会加重网络拥塞,甚至导致网 有利于双方进行连续的信息交换,非常适台多媒体数据的传 络运行靡痪. 输,但由于其对资源的独占性而很少被长途电话网之外的其 第三.传统传输层协议一般不提供多点投递的功能・固 它网络采用.而后两种是基于包交换,协议中包一般不超过几 此.新型应用在功能上和性能上都对传统协议层提出了挑战- kB,而且存在以下限制: 现在的网络研究和开发以支持多点通信和提供服务质量 (¨一次传输舶数据愈多,出现差错舶可能性愈太.必须 (Q。S)保证为中心.为了支持多媒体通信,目前常用的方法 要重传} 是: (2)对于多点线路,通常要求系统不允许一个站点占用 (1)对现有网络协议进行扩充,使其能够传输处理多媒 线路时间过长.以免其它站点出现长时延; 体信息和数据; (3)接收器缓冲区的大小可能有限制.数据在传输时必 (2)提出新的支持多媒体通信的高速网络协议. 须进行打包、拆包.还要选择路径.产生一定的时延.这一切对 2现有网络协议的评价 大数据量的多媒体数据不舍适. 2.3无差错的信息校验 2.1同络分层 长期以来.数据周要保证发送方把数据准确无误地进到 当前网络协议和国际标准化组织制定的标准都是采用分 接收方.尽管网络出错率很低,但差错校验和校正要求还是很 层结构.总的都是采用功能分鹪分而治之的策略一将整1、协议 高.实际上采用循环冗余码.发现出错就要重传.为了达到准 收稿口期:2000—1l l4甚盒项目;国家自然科学基金(69983007,69896250)- ̄目资助;中国博士后科学基金的资助. 作者简介:张占军t 博士后.副教授,主要从事多蝶体通信、分弁式多媒体、计算机网络和虚拄c现实等方面的研究.韩承蕾t研究员t博士生导师,主要从事并行计算、 计算机系坑体系结构.多媒体计算等方l面的研究橱学良,教授.博士生导师,主要从事分布式多媒体、计算机支持协同工作CSCW等古呵的研 究 E maiI:zzJ@lct c 维普资讯 http://www.cqvip.com
6期 张占军等:支持多媒体通信的网络协议技术及其发展 647 确无误以增加网络延时和耗带宽为代价,这不适合于多媒体 通信. 2.4基于窗口的澹量控制 3.2资源预留协议RSVP(Resource Reservation Protoco1) 随着Internet网络用户的急剧增长,网络上实时宽带的 多媒体业务飞速的发展.未来的新的综合业务都要求提供多 媒体通信的支持和服务质量(QoS)的保证,RSVP是一个用 于Internet上资源预留的协议,提供用于建立和维护跨越多 目前网络中的流量控制都采用滑动窗口(SlidingWin— dow)的方法,这种方法每个要发送或接收的数据帧都包古一 个序号,从0到N.所谓窗口是指发进方和接收发帧的范围, 窗口之外的数据帧将不予处理.这种流量控制方式是一种基 于网络传输率及可用带宽的控制方式,对流量控制基本上取 点播连或单点播送提交路径的分布式预约状态的一般设施. 主机使用RSVP协议代表应用数据流向网络申请特定服务 质量(Qos).路由器使用RSVP协议向数据流沿途所有节点 决于网络性能,与应用设备没有多大关系.而对多媒体信息中 诸如音频、视频等连续媒体的传输播放率是有一定的要求的, 在这种情况下,流量控制就需要新的方法. 2.5超时I发的可尊性机爿 在网络中广泛使用超时重发机制以达到可靠传输但在 多媒体通信中就没有必要,因为多媒体信息与时间相关,在一 定时间未到达就失去意义,没有必要重发. 3支持多媒体通信的网络层协议 3.1 IPv6 当今世界上,网络的分层模型主要有国际标准化组织 (ISO)的开放系统互连(OSI)模型和Internet中采用的TCP/ IP模型,实际上后者虽然不是国际标准,但它使事实上的工 业标准Internet层是网际网络的协议,是整个TCP/IP模型 中系统的重点,该层还有ICMP、ARP和RARP几个重要协 议,共同组成IP层协议,其中IP提供了基本TCP/IP 信 封 ——IP数据报,封装上层协议软件生成的数据,传进到最 终的目的地,该层的两个重要处理是分段和路由,使TCP/IP 数据可以在不同类型的网络中传输。另外ICMP协议将诊断 信息和差错信息传送到其它的TCP/IP系统中去。ARP和 RARP完成IP地址和物理地址的相互转换,为通过物理层提 供传输的可能.IP所提供的服务通常认为是无连接(connec— tionless)和不可靠的传输(unre Liable) 数据信息在IP层间传输,是以lP数据报的格式相互进 行传递的.目前。lnternet有两种协议:IPv4和IPv6,目前最流 行的IPv6是下一代lnternet的协议,它是1Pv4的替代协议. 为了支持多媒体通信和在Internet上传送各种多媒体业务, IPv6采用了保证服务质量(QoS)的机制,对实时多媒体流传 输提供了很大的支持.在II: ̄6中定义了两个重要参数:业务 类剐域和数据流标志位业务类别域将IP包的优先级分为 l6级,井将其分为两类:0~7用于在网络发生拥塞时通过减 少数据包的发送速度米实现拥塞控制业务 8~1 5用于一些 实时性很强的业务。它在网络拥塞时不作任何减少流量的控 制.对于那些需要特殊QoS的业务。可以在IP数据包中设置 相应的优先级,路由器根据IP包的优先级来处理这些数据 数据流标志位用于定义任意一个传输的数据流,以便网 络中所有的节点能对这一数据进行识别,井做特殊的处理.除 了在RSVP(Re6ouroe Reservation Protoco1)资源预留协议中 使用数据流标志外,IPv6中未对数据流标志的使用作详细的 说聪 但有了数据菰标志位,就可以使处理器能够处理一些具 有特殊业务请求的数据包. 提交(1oS控制请求,建立并且维护状态以提供所申请的服 务.RSVP请求一般将导致沿数据路径的每一个结点预约保 留资源. RSVP是运行在网络层IPv4或IPv6之上,但RSVP并 不传送应用数据,它不是网络传连协议,也不是路由选择协 议,它只是一个Internet控制协议,类似于ICMP(互联网络 控制报文协议)和IGMP(路由协议). 3.2.1 RSVP协议的框皋姑构 RSVP协议的总体框架结构由5部分组成,如图1所示 田1 BSVP协议框架结构 一决策控制(Policy Contro1),决策控制用米判断用户是 否拥有资源预留的许可权; 一接纳控制(Admission Contro1),接纳控制剐用来判断 可用资源是否满足应用的需求,主要用来减少网络负荷; 一分类控制(Classifier Contro1)。分类控制器用来决定 数据分组的通信服务等级。主要用米实现由fi[terspec指定的 分组过滤方式; 一分组调度器(Scheduler)。分组调度器则根据服务等级 进行优先缀排序,主要用来实现由flowsI ̄c指定的资源配 置 3.2.2服务分类和支持QoS的原别 传统的IP网络协议,只能提供点到点的best—effort服 务,显然不利于QoS需求敏感的业务.为了适应多媒体应用 的需求,支持综合实时多点服务保证QoS就必须对传统网络 结构和服务模型进行扩展,支持服务分类,RSVP设计的主要 目的就是为了改善实时业务和支持多媒体通信和处理。从而 实现综台业务Internet的构想.因此RSVP协议实际上根据 应用的不同需求实现了业务分类的原则 预留的类型有wF. FF和SE. (1)基于面向非连接的原则RSVP的实现采用面向非 连接的方式.使RSVP在预留资源的共享方面更具有灵活 维普资讯 http://www.cqvip.com
648 小型微型计算机系统 2002拄 性t它和IP高度一致在非连接的方式下,为了识别不同的服 服务质量.而RSVP也可以被路由器用米向数据漉沿途经过 务tRSVP协议引^了流的概念.通过指定流的f[owspec实现 的节点传送QoS请求t并且建立和保持一定状态以提供可请 流的资源预留.flowspec描述了发送端流的传辖特性以及应 求的服务.RSVP协议太致占据传辖层的位置,它不负责传送 用的Qos需求,从而决定流所需的网络资源. 数据t这一点类似1CMP、IGMP等控制管理协议和路由协 (2)面向接收端的预留思想RSVP协议采用面向接收 议.换句话说,RSVP只关心数据流的服务质量.如图2所示. 端的预留方式,也就是由数据漉的接收端在QoS—spec中描述 图中从发送者到接收者的箭头表示由消息的下游发送, 其资源需求,井且以预留消息的形式传辖,由源宿之间所有相 它是根据每个中间节点的路由表寻址转发的. 关通信设备依据此信息保留所需通信的资源这种接收端驱 图中从接收者到发送者的箭头表示预留消息的上游发 动的预留思想是RSVP协议区别于其他预留协议的主要特 送t它是根据中间节点的保留软状态寻址转发的.在广播树 点和优势.这种接收驱动预留使RSVP协议在多播通信群组 中,它们有可能被舍井. 中能够支持不同接收端的异构需求,使接收端点能够依据终 当预留请求上游经过中间节点时,该节点将进行下面两 端能力和应用需求,提出恰如其分的预留资源的请求,有利于 步: 提高资源的利用率,也避免了组播时发端驱动易造成的发端 (1)预留链路资源 RSVP进程首先把RSVP请求转给 瓶颈.有利于改善多播组成员的动态管理和提高群组扩充能 允许控制和策略控制.允许控制用来判定该结点是否有充足 力;最后,通过滤渡机制可以舍井公共连接的预留请求,有利 的资源来满足所请求的QoS,策略控制判定该用户是否有权 于改善带宽.网络资源的管理和减少网络负荷.面向接收端的 力预留这样的资源.满足则取得需要的带宽和缓冲区,否则失 预留思想也有利于依据所得到的业务服务质量(QoS)等级付 败. 费. (2 上游转发请求 当检查成功以后,路由器将根据剐 (3)能利用 软状态”动态适应网络变化为了适应多点 才下游的路由消息留下的软状态找到上游的路由地址.转发 到多点应用中经常出现的组成员变化的情况,以及网络中路 预留的请求. 由器的动态改变,RSVP协议在交换节点(路由器)上保留了 3 2.4 IP和RSVP交互 名为软状态的信息表,并且将维持预留的责任放到了终端用 如图3所示.RSVP是lPv6的伙伴协议.周中表示一个 户处所谓的软状态是指在节点中可以被定时更新的预留信 配置RSVP的路由结构,很清楚.它是多(端)站点IP路由器 息.RSVP一共定义了两种需保留在交换节点上的状态信息: 的简明而有效的扩展. 路由状态、预留状态.路由状态由数据源负责发送路由消息的 建立或定期更新.而接收者则负责发送预留消息来建立和定 期更新预留的状态;预留消息包括定义所希望的QoS的流描 述、预留类型(WF、FF和SE)和包过滤器 层 (4)RSvP协议独立于其它的网络协议 模块化设计是 RSVP的另一个重要的设计原则.RSVP设计者希望能够尽 量独立于路由协议、数据流描述.具体的服务质量参数以及管 理控制部分.使它可以适应更多的情况.实际上RSVP就是 一个单独的用于资源预留的信令协议,它利用路由协议为它 的路由消息寻找路径、承载数据流描述和预留请求者要求的 服务质量(QoS)参数,由它上层的策略机制米进行控制、管理 以及安生保障工作 图3 lP/RSVP交互示意图 3.2.3 RSVP的工作方式 RSVP中预定请求是以流描述符的形式出现的t该描述 RsvP主要用来为特殊的应用数据流向网络申请特定的 符由一个流描述(FLow Spec)和一个过滤描述(Filter spec)组 成,其完整格式及内窨对RSVP协议是透明的.它仅仅把那 发进者 些数据丹散传送蛤路由器进一步处理. 4 实时传输协议RTP(Real—time Transport Prato— co1) 4.1 RTP协议简介 RTP是针对实时多点多媒体会议而设计的实时传辖协 接收2 接崆3 议.它提供了端到端的宴时媒体(交互式音频和视频)传辖服 务前面已经描述了网络层支持多媒体通信和提供QoS保证 围2 RSVP的工作漉程图 的网络层协议比如lPv6和RSVP协议.网络层和传送层是在 维普资讯 http://www.cqvip.com
6新 张占军等:支持多媒体通信的网络协议技术及其发展 649 网络基础设施和高层应用层之间的协议.这两层对分布式多 媒体应用关系重大. RTP是运行在UDP上的传转层协议.以便利用UDP的 多路复用、检查和服务.然而RTP也可以和其它适当的下层 网络和传转层协议一起使用.RTP本身不能提供任何保证及 时提交的机制.也不提供其他服务质量(QoS)保证,而是依靠 下层服务完成这些任务.它既不保证提交,也不防止错序提 RR:接收者报告包.用于接收非括动站的统计信息・ SDES:源描述包,用于报告和站点相关的信息; BYTE:蛄点离开系统报告包f APP:特殊应用包. 借助上述控制包,RTCP可以完成下列控制功能: (I)QoS监测和拥塞控制f (2)媒体问同步f (3)识别信息; 交,还不假设下层基础网络可靠而且接序提交分组.RTP当 中包含的顺序号允许接收方重建发送方分组序列,但是,在视 频解码中,顺序号也可能用于确定分组的适当位置,从而不必 (4)会议大小识别和控制信息量调节; RTCp的功能是: 按序解码分组. RTP协议由两个相关的协议组成. (1)实时传送协议RTP负责传送具有实时属性的数据; (2)实时传送控制协议RTCP(RTP Control Protoco1)监 控服务质量.传递有关正在进行中的会话的参加方的信息. 4.2 RTP的基本概念和功能 RTP数据包的格式如表l所示 RTP数据包由RTP头和不定长连续媒体数据组成.其 中固定的RTP头为l2字节,媒体数据可以是编码数据. RTP头的编码格式: 一V一2字段:2位版本号; P 1位附加标记,加密,RTP包数} x位长扩展位} 一CC 4位长CSRC(贡献源)计数f M标记位流中事件; 一PT子位的负荷类型f SN顺序号2字节长的包序号} Timestamp 4字节的时间戳; SSRC标识符4字节长的同步源标识符; 一CSRC贡献源表0—1 5项,每项4字节长. 4.3 RTP控制协议一RTCP RTCP的功能是基于向台话的所有参加方周期性地发送 控制分组.使用和数据分组相同的分发机制下层基础协议必 须提供数据和控制分组的多路复用.RTCP提供数据分发质 量反馈.反馈的功能通过RTCP发送方和接收方报告执行. RTCP携带用于RTP谭的持久传送级标识苻——规范名 CNAME(Canonical Name),用于跟踪和关联数据流 可选功 能是传送最小会话控制信息 RTCP的数据包丹如下5类: SR:源报告包,用于发送和接收活动掉的统计信息{ (I)QoS监控和拥塞控制 RTCP包是多点传送的其中包括监控QoS所必须的信 息t这些参数包括 包丢失率、抖动、延迟、接收到的最太顺序 号,因此所有的对话成员都能够大致的了解其它参与者的进 展情况. (2)媒体同步: RTCP发送报告中包含了实际时问和相应的RTP时问 戳指示器,这两个值允许不同媒体.如音频、视频之问实现“唇 同步” (3)标识: RTCP的SDES包中为每一个对话成员提供一个全局唯 一的标识苻称为段名或CNAME、用户名、位置等. (4)对话天小的估计和规划: 由于每个对话成员定期发送RTCP包.当对话包古数百 个与会者时,必须限制控制流量只占对话带宽的--/I,部分.通 常控制流量限制为对话带宽的5 . (5)接收到RTCP RR包后.发送者处理步鼻如下: (i)RTCP分析 分析统计包丢失率.包延迟抖动.包的 往返时间} ( 1)网络状态评估:可根据RTCP分析结果,对发送方 的发送速度进行调整. (iii)带宽调整 根据网络状态分析调整多媒体应用的 带宽,用户可设置可调整带宽的交换范围.如说明最大和最小 的带宽; 4.4 RTP协议的实现 通过利用Microsoft Windows平台.采用Winsock编程 利用RTP协议实现个小型语言会话系统.系统利用RTP 应用框图如图4示. 语言辅人辅出控制流 数据 重放 采样 墼塑望苎.r— ]壅 墼塑 信息反馈 周期发进 控制报文 输出拉诗I模块 辅人控制模块 RTCP 议处理机 图4利用RTP协议应用横围 维普资讯 http://www.cqvip.com
650 小型微型计算机系统 2002年 RTP协议处理机接收采样数据,封装为RTP数据报,并 受到挑战.为了解决这个阀题,IETF提出了新的IPv6协议保 交给下层协议处理,同时接收下层递交的报文,还原成语音数 证服务质量(QoS)的机制,对实时多媒体漉传输提供了很大 据井交给语言输出模块重放. 的支持.RSVP是一个用于Internet上资源预留的协议,提供 RTCP协议处理机完成接收、分析、产生和发送控制报文 用于建立和维护跨越多点播送或单点播送提交路径的分布式 的功能.RTCP控制报文的发进周期是变化的,与报文长度 预约状态的一般设施.RSVP是运行在网络层1Pv6之上,但 L,用户数N和控制报文带宽B相关,周期P—L*N/B.应用 RSVP并不传进应用数据,它不是网络传送协议,也不是路由 使用UDP进行数据传输,这样可以利用UDP的多路技术和 选择协议,它只是一个Internet控制协议.RTP是针对实时 数据校验服务.特别是多路技术对于控制报文的传辅是必要 多点多媒体会议而设计的实时传输协议,它提供了端到端的 的,这也说明RTP的数据传输是无连接、无差错控村的报文 实时媒体(交互式音频和视壤)传输服务.RTP是运行在 传输,两十协议共同完成传辅层协议的功能. UDP上的传输层协议,以便利用UDP的多路复用、检查和服 RTP/RTCP协议在基于H.323协议的lP电话软件中的 务.RTP也可以和其它适当的下层网络和传输层一起使用. 位置和结构如图5所示: RTP车身不能提供任何保证及时提交的机制,也不提供其他 服务质量(QoS)保证,而是依靠下层服务完威遗些任务.它既 语言压缩算堆l 不保证提交.也不防止错序提交,还不假设下层基础网络可靠 而且按序提交分组. G 729a l 参考文献 G 71I f RTP/RTCP 1 Yang Xue liar ̄.Zhang 2ban~jun Distributed multimedis cm— 口互习+一 purer systems CM]Publishing House of Electronics Industry, 互 H__ H 225 ZOO1—1 [巫[ (橱学良 张占军.分布式多煤件计算机系统教程[M J.北京;电子 工业出版社2002," 2 Zhang Zhan—jun.The ̄earch of resource management of dis— tributed systems for muhire ̄dia StrOBesCD3 Ph.D thesis Uni— 图5 RTP在基于H.323协议的IP电话软件中的位置图 versity of Science and Technology of China一1999t 7 RTP是在能提供多点通信即组播(Multicast)或单点通 ‘张占军 面向多媒体流的分布式摹境赍潭管理的研究CD3.中国 信(Uldcast)的网上为实时媒体提供端到端的网络传辅的服 科学技术大学博士论文一1999,7) 务协议.该协议已在IETF RFC1889中定义,并且已经成为 0 Lin Chuattg,Shan Zhi-guang・Dif{erentiated services in the inter IP电话领域中传播实时媒体的通用标准.目前微软的Net— net。a survey[J].The Chinese Journal 0 Computers,2000 4’ meetiDg和Vocaltec的]nternet Phone都把RTP协议作为传 4l9~4站 送实时媒体的工具 (#闯,单志广等Imernet区分服务及其几个热点问题的研究 [J]计算机学报,2000.4t 419~433) 5结论 4 Zhaog Zhan ju.t Han Cheng-de.Yang Xue-liaog.Multimedia ap— plications and operating systems support[J] Mini—Micro Sys— 随着高速网络的飞速发展,特别是分布式多媒体应用的 tem。2001 22{6):641~645 迅速普及,传统的网络协议已经不能适应新的需求.传统厢络 (张占军,韩承德,杨学蛊.多攘体应用与操作系统支持[J]小型 协议的分层结构、信息传递、信息校验、流量控村和重发机制 微型计算机系统,2001 22(6)t84l~645) Technology and Development of Network Protocols for Multimedia Communication ZHANG Zhan—jun ,HAN Cheng—de ,rANG Xue—lialtg (Institute ,Computing Technology—Chinese Academy of Science・Beijing 100080,China) Z(Grad ̄leS ̄himl oi Uni ̄rsityofScience andTechnologyofChina-Beoing 100039,China) Armored Force Engineering Institute,Beijing 100072一China) Abstract With multimedia applicatiorts popularization more and more new requirements are presented for multimedia trans— mi ̄.sion in networks.This paper analyzes the i ̄sues of network protocols stlpporting multimedia commtmieation in first.Then, the IPv6,RSVP and RTP protocols aye discussed for multimedia transmission.Finally,we view the development and realiza- t;Or/about network communication[or mulrimedia. Ke¥words multimedia communication;network protocol;IP;RSVP and RTP
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