【正文】 1 第 6章 多媒體通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 多媒體通信對(duì)通信網(wǎng)的要求 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)對(duì)多媒體通信的支撐情況 寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ BISDN） 基于 IP的寬帶多媒體通信網(wǎng)絡(luò) 多媒體通信的實(shí)時(shí)通信協(xié)議 練習(xí)與思考題 2 多媒體通信對(duì)通信網(wǎng)的要求 多媒體通信對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求是相當(dāng)高的 。 它要求實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) ， 或者多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的實(shí)時(shí)不間斷的信息傳輸 。 例如 ， 在復(fù)雜的多媒體會(huì)議系統(tǒng)中 ， 參與者能夠隨時(shí)加入或退出 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)分組開小會(huì) 、 任意兩個(gè)與會(huì)者之間的信息傳遞等復(fù)雜功能 。 在多媒體通信系統(tǒng)中 ， 在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的不再是單一的媒體 ， 而是多種媒體綜合而成的一種復(fù)雜的數(shù)據(jù)流 。 3 在這些媒體中 ， 有速率低至幾百比特的文本信息 ， 也可能有速率高達(dá)數(shù)百兆比特的高清晰度電視信息 。 如何處理好速率相差如此懸殊的信息 ， 這就對(duì)通信網(wǎng)提出了相當(dāng)高的要求 ， 它不但要求網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息具有高速傳輸能力 ， 還要求網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種信息具有高效綜合能力 ， 這些能力歸納起來有四點(diǎn) 。 4 1． 網(wǎng)絡(luò)的吞吐量就是它的有效比特率或有效帶寬 ， 即傳輸網(wǎng)絡(luò)物理鏈路的比特率減去各種額外開銷 。 為了簡便 ， 在許多情況下直接把吞吐量看成與系統(tǒng)的比特率相等 ， 而實(shí)際吞吐量可能比這個(gè)值要小 。 除上述各種額外開銷外 ， 還有一些其他因素影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量 ， 如網(wǎng)絡(luò)擁塞 、 瓶頸 、 緩沖區(qū)容量 、 流量控制 、 節(jié)點(diǎn)或線路故障等 。 多媒體通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐需求具體有以下三個(gè)方面： 5 (1) 傳輸帶寬要求 。 由于多媒體傳輸由大量突變數(shù)據(jù)組成 ， 并且常包括實(shí)時(shí)音頻和視頻信息 ， 所以對(duì)于傳送多媒體信息的網(wǎng)絡(luò)來講 ， 它必須有充足可用的傳輸帶寬來完成多媒體信息的傳送 ， 這同時(shí)也意味著網(wǎng)絡(luò)必須具備成倍處理這類信息資源的能力 。 在通信擁塞時(shí) ， 有效帶寬的不足常常導(dǎo)致端到端延遲的增加及分組的丟失 。 同時(shí)多媒體通信業(yè)務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí) ， 其帶寬要求與通信質(zhì)量密切相關(guān) ， 通常高帶寬意味著高質(zhì)量 ， 但高帶寬也意味著高成本和高代價(jià) ， 實(shí)踐中一般根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境采取帶寬與質(zhì)量的折中方案 。 6 不同的媒體對(duì)通信網(wǎng)的速率要求有所不同 ， 但一個(gè)多媒體應(yīng)用往往要涉及兩個(gè)以上的媒體 ， 并常以圖像數(shù)據(jù) （ 數(shù)據(jù)量大 ） 為核心 ， 故多媒體網(wǎng)絡(luò)至少要能滿足壓縮圖像傳輸?shù)囊?。 (2) 存儲(chǔ)帶寬的要求 。 在吞吐量大的網(wǎng)絡(luò)中 ， 接收端系統(tǒng)必須保證有足夠的緩沖空間來接收不斷送來的多媒體信息 。 另外 ， 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)輸入速率也必須足夠大 ， 以便容納從網(wǎng)絡(luò)不斷傳來的數(shù)據(jù)流 。 這種數(shù)據(jù)輸入速率有時(shí)被看作緩沖區(qū)存儲(chǔ)帶寬 。 7 (3) 流量要求 。 多媒體通信網(wǎng)絡(luò)必須能夠處理一些諸如視頻 、 音頻信息之類的冗長信息流 ， 簡要來講 ， 就是網(wǎng)絡(luò)必須有足夠的吞吐能力來確保大帶寬信道在延長的時(shí)間段內(nèi)的有效性 。 例如 ， 如果用戶要發(fā)送流量為 30 Gbit的信息流 ， 而網(wǎng)絡(luò)只提供給用戶 Mb/s的吞吐能力及 5 s的時(shí)間片是肯定不夠的 。 但是如果網(wǎng)絡(luò)允許用戶持續(xù)不斷地使用這個(gè) Mb/s， 則這個(gè)流量要求就能夠得以滿足 ， 如果網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)刻都存在許多數(shù)據(jù)流 ， 那么該網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐能力就必須大于或等于所有這些數(shù)據(jù)流的比特率的總和 。 8 2． 多媒體通信的實(shí)時(shí)性要求 ， 除了與網(wǎng)絡(luò)速率相關(guān) ， 還受通信協(xié)議的影響 。 在多媒體通信中 ， 為了獲得真實(shí)的臨場感 ， 一般對(duì)實(shí)時(shí)性的要求都很高 ， 即對(duì)傳輸?shù)臅r(shí)延要求越小越好 。 例如 ， 語音和圖像可以接受的時(shí)延都要求小于 s， 靜止圖像要求小于 1 s。 在分組交換中 ， 組與組之間的延時(shí)小于 10 ms時(shí)圖像才有連續(xù)感 。 9 由于多媒體應(yīng)用在一定程度上是允許傳輸網(wǎng)絡(luò)存在錯(cuò)誤的 ， 因此若要精確地量化表示多媒體網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)控制要求是困難的 ， 容許錯(cuò)誤存在的原因是源于人類感知能力的局限 ， 比如 ， 一個(gè)冗長的視頻流中個(gè)別組塊出了錯(cuò) ， 這種錯(cuò)誤通常人眼是感覺不到的 。 音頻傳輸同樣也會(huì)出現(xiàn)類似情況 ， 但是人的視覺和聽覺對(duì)這類錯(cuò)誤的容忍程度則不同 。 同時(shí)由于在多媒體通信系統(tǒng)中對(duì)所傳輸?shù)男畔⒋蠖疾扇×藟嚎s編碼的措施 ， 為了獲得高的可靠性 ， 對(duì)網(wǎng)絡(luò)誤碼性能的要求也很高 。 如壓縮的活動(dòng)圖像 ， 可接受的誤碼率應(yīng)小于 106 ， 誤分組率應(yīng)小于 109 ； 對(duì)于數(shù)據(jù)的誤碼則要求為 0。 10 不同媒體對(duì)通信網(wǎng)的要求見表 示 。 為了滿足多媒體通信要求 ， 網(wǎng)絡(luò)要能滿足這些參數(shù)的不同組合 。 11 表 不同媒體對(duì)通信網(wǎng)的要求 12 3. 在多媒體通信系統(tǒng)中同一對(duì)象的各種媒體之間是相互約束 、 相互關(guān)聯(lián)的 ， 它包括空間上和時(shí)間上的關(guān)聯(lián)及約束 ， 多媒體通信系統(tǒng)必須正確反映它們之間的這種約束關(guān)系 。 而信息傳輸又具有串行性 ， 這就要求采取延遲同步的方法進(jìn)行再合成 ， 包括時(shí)間合成 、 空間合成以及時(shí)空同步等三個(gè)方面 。 時(shí)間合成將在時(shí)間軸上統(tǒng)一原來屬于同一時(shí)間軸上各類媒體的時(shí)序 ， 使其能在時(shí)間上正確表現(xiàn)； 空間合成則是指在空間上媒體的排放位置 ， 最后使時(shí)間空間統(tǒng)一成正確的表現(xiàn) 。 13 通過時(shí)間上的合成 、 空間上的合成 ， 達(dá)到多種媒體的時(shí)空一致的目的 。 目前 ， 在視頻 、 音頻系統(tǒng)中 ， 主要的約束還是時(shí)間上的同步 ， 實(shí)時(shí)情況下 ， 網(wǎng)絡(luò)必須以最小的延遲來傳輸視頻 、 音頻信息流 ， 并且必須同時(shí)到達(dá) ， 然而 ， 借助于緩沖區(qū)技術(shù) ， 未必絕對(duì)要求并行的音頻和視頻流同時(shí)抵達(dá) ， 當(dāng)兩數(shù)據(jù)流基本上同時(shí)到達(dá)時(shí) ， 我們就把它們稱作是同步流 。 14 4. 從用戶角度出發(fā) ， 對(duì)通信網(wǎng)期望是高速率和高帶寬 、 多媒體化 、 個(gè)人通信 、 可靠和保密 、 智能化等諸多方面 。 從技術(shù)角度出發(fā) ， 未來通信是多網(wǎng)合一 ， 業(yè)務(wù)綜合和多媒體化是其發(fā)展重點(diǎn) ， 但目前的現(xiàn)狀是多網(wǎng)共存（ 如電話網(wǎng) 、 計(jì)算機(jī)網(wǎng) 、 廣播電視網(wǎng)等 ） ， 媒體各異 （ 聲 、 圖 、 文等 ） ， 必須針對(duì)這種情況研究如各種媒體信息分布環(huán)境下的運(yùn)行 ， 通過分布環(huán)境解決多點(diǎn)多人合作 、 遠(yuǎn)程多媒體信息服務(wù)等問題 。 15 如此看來 ， 現(xiàn)有的高速 （ 寬帶 ） 光纖通信網(wǎng) ， 高速計(jì)算機(jī)或工作站應(yīng)該是多媒體通信的理想網(wǎng)絡(luò) 。 然而 ， 問題并非如此簡單 ， 這里存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸問題 。 現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要是針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸制定的 ， 所以在很多方面不適合聲音 、 圖像信息的傳輸 。 此外 ， 協(xié)議的層次過多 ， 額外增加了傳輸開銷 ， 影響傳輸效率； 而且在這種網(wǎng)絡(luò)中 ， 由聲音和圖像傳輸?shù)耐话l(fā)性引起網(wǎng)絡(luò)擁擠不能有效地排除 ， 如此等等 ， 更進(jìn)一步增加了實(shí)現(xiàn)聲音和圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)碾y度 。 這種對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性的嚴(yán)格要求 ， 迫使我們必須加緊研制針對(duì)多媒體信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 。 16 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)對(duì)多媒體通信的支撐情況 目前的通信網(wǎng)絡(luò)大體上分為三類 : 一類為電信網(wǎng)絡(luò)， 如公用電話網(wǎng)（ PSTN）、 分組交換網(wǎng)（ PSPDN）、 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)（ DDN）、 窄帶和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ NISDN和 BISDN）等； 一類為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)， 如局域網(wǎng)（ LAN）、 廣域網(wǎng)（ WAN）、 光纖分布式數(shù)據(jù)接口（ FDDI）、 分布列隊(duì)雙總線（ DQDB）等； 一類為電視傳播網(wǎng)絡(luò)， 如有線電視網(wǎng)（ CATV）、 混合光纖同軸網(wǎng)（ HFC）、 衛(wèi)星電視網(wǎng)等。 17 這些通信網(wǎng)絡(luò)雖然可以傳輸多媒體信息 ， 但都不同程度地存在著各種缺陷 ， 因?yàn)檫@些網(wǎng)絡(luò)都是在一定歷史條件下為了某種應(yīng)用而建立的 ， 有的是網(wǎng)絡(luò)本身的結(jié)構(gòu)不適合傳輸多媒體信息 ， 有的則是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能滿足多媒體通信的要求 。 ， 一個(gè)真正能為各種多媒體信息服務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)必須達(dá)到數(shù)據(jù)速率大于 100 Mb/s， 連接時(shí)間從秒級(jí)到幾個(gè)小時(shí)這兩個(gè)主要方面要求 。 18 還需要增加語音 、 數(shù)據(jù)圖像 、 視頻信息的檢索服務(wù)以及有用戶參與控制和無用戶參與控制的分布服務(wù)能力； 增加網(wǎng)絡(luò)控制能力以適應(yīng)不同媒體傳輸?shù)男枰? 提供多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以適應(yīng)不同應(yīng)用要求； 提高網(wǎng)絡(luò)交換能力以適應(yīng)不同數(shù)據(jù)流的需要 。 根據(jù)這些要求 ， 下面分析現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)多媒體通信的支撐情況分析 。 19 1． 公共交換電話網(wǎng) （ PSTN） PSTN是目前普及程度最高 、 成本最低的公用通信網(wǎng)絡(luò) ， 它在網(wǎng)絡(luò)互連中有廣泛的應(yīng)用 。 PSTN以電路交換為基礎(chǔ) ， 即通過呼叫 ， 在收 、 發(fā)端之間建立起一個(gè)獨(dú)占的物理通道 ， 該通道有固定的帶寬 。 由于路由固定 ， 延時(shí)較低 ， 而且不存在延時(shí)抖動(dòng)問題 ， 這對(duì)保證連續(xù)媒體的同步和實(shí)時(shí)傳輸是有利的 。 但是電話信道帶寬較窄 ， 且用戶線是模擬的 ， 多媒體信息需要經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器 （ Modem） 接入 。 20 目前 ， Modem傳輸速率可達(dá) 56 kb/s， 這給開放低速率的多媒體通信業(yè)務(wù)（ 例如 ， 低質(zhì)量的可視電話和多媒體會(huì)議 ） 提供了可能性 。 當(dāng)然 ， 可以通過對(duì)用戶雙絞線作技術(shù)改造 （ 如 xDSL、 ISDN等技術(shù) ） ， 使用戶線帶寬增加到 2 Mb/s甚至更高 ， 基本上可以支撐多媒體通信的所有業(yè)務(wù) 。 21 2． 分組交換公眾數(shù)據(jù)網(wǎng) （ PSPDN） PSPDN是基于 ， 它可以動(dòng)態(tài)地對(duì)用戶的信息流分配帶寬 ， 有效地解決突發(fā)性 、 大信息流的傳輸問題 ， 需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在發(fā)送端被分割成單元 （ 分組或稱打包 ） ， 各節(jié)點(diǎn)交換機(jī)存儲(chǔ)來自用戶的數(shù)據(jù)包 ， 等待電路空閑時(shí)發(fā)送出去 。 由于路由的不固定和線路繁忙程度的不同 ， 各個(gè)數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端經(jīng)歷的延時(shí)可能很不相同 ， 而且網(wǎng)絡(luò)由軟件完成復(fù)雜的差錯(cuò)控制和流量控制 ， 造成較大的延時(shí) ， 這些都使連續(xù)媒體的同步和實(shí)時(shí)傳輸成為問題 。 22 隨著光纖越來越普遍地作為傳輸媒介 ， 傳輸出錯(cuò)的概率越來越小 ， 在這種情況下 ， 重復(fù)地在鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層實(shí)施差錯(cuò)控制 ， 不僅顯得冗余 ， 而且浪費(fèi)帶寬 ， 增加報(bào)文傳輸延遲 。 由于 PSPDN是在早期低速 、 高出錯(cuò)率的物理鏈路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 ， 其特性已不再適應(yīng)目前多媒體應(yīng)用所需要的高速遠(yuǎn)程鏈接的要求 ， 因此 ， PSPDN不適合于開放多媒體通信業(yè)務(wù) 。 23 3． 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng) （ DDN） DDN利用電信數(shù)字網(wǎng)的數(shù)字通道傳輸 ， 采用時(shí)分復(fù)用技術(shù) ， 提供固定或半永久連接的電 路 交 換 型 鏈 接 ， 傳 輸 速 率 為 n 64 kb/s(n=1～ 31)或更高 ， 其傳輸通道對(duì)用戶數(shù)據(jù)完全 “ 透明 ” ， 可支持其他協(xié)議 。 它的延時(shí)低且固定 （ 在 10個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)接條件下最大時(shí)延不超過 40 ms） ， 帶寬較寬 ， 適于多媒體的實(shí)時(shí)傳輸 。 但是 ， 無論開放點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 、 還是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信 ， 都需要網(wǎng)管中心來建立和釋放連接 ， 這就限制了它的服務(wù)對(duì)象必須是大型用戶 。 24 4． 幀中繼網(wǎng)絡(luò) （ FR） FR是一種簡化的幀交換模式 ， 由于信息轉(zhuǎn)移僅在鏈路層處理 ， 因此簡化了交換過程和協(xié)議 ， 具有較高的吞吐量和較低的延時(shí) ， 同時(shí)利用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)向用戶動(dòng)態(tài)提供網(wǎng)絡(luò)資源 ， 提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率 ， 可靠性高 ， 靈活性強(qiáng) ， 對(duì)中高速 、 突發(fā)性強(qiáng)的多媒體業(yè)務(wù)極具吸引力 。 尤其是利用 FR作為多媒體用戶接入方式是經(jīng)濟(jì)有效的方案 。 在當(dāng)前 LAN迅速發(fā)展以及幀中繼網(wǎng)不斷完善的情況下 ， 幀中繼網(wǎng)將是開放會(huì)議電視業(yè)務(wù)的 LAN遠(yuǎn)程互聯(lián)的一種優(yōu)選技術(shù) 。 25