多媒体通信网络技术第二章多媒体通信网络的需求.ppt

第二章 多媒体通信网络的需求,李国辉国防科技大学2010.8 v1.0,NUDT,2,本章内容,2.1 音频和视频基础2.2 典型的分布多媒体应用需求2.3 性能需求2.4 服务质量,NUDT,3,2.1 音频和视频基础,通信网络对多媒体传输的支持主要是解决音频和视频流实时传输的问题。因此我们首先需要详细了解音频和视频媒体的一些基本特性和概念，包括听觉特性、视觉特性，以及数字化的基本概念。,NUDT,4,2.1 音频和视频基础,听觉感知数字音频视觉感知数字视频,NUDT,5,NUDT,6,NUDT,7,NUDT,8,NUDT,9,2.2 典型的分布多媒体应用需求,为了更清除地理解多媒体传输的需求，我们首先从典型的分布多媒体应用的出发，看看它们具有哪些特性。从应用出发，看多媒体应用对通信网络有什么需求。,NUDT,10,2.2 典型的分布多媒体应用需求,音频流和视频流对话及其多方通信点到点通信Web中的多媒体分布多媒体应用的需求,NUDT,11,2.2.1 音频流和视频流,流媒体（streaming）应用 主要是音频流和视频流的应用，包括网络上的广播和电视频道。流媒体的特点是发送端（服务器）不断地发送媒体数据，数据在网络上传送，接收端同时在接收并播放出来。从发送端到接收端，媒体信息通过网络有向流动，称之为流媒体，以区别于下载后播放的模式,NUDT,12,NUDT,13,媒体单向流动，接收端要求媒体流能够及时从发送端到达接收端，因为是边接收边播放，如果媒体数据包没有及时到达，播放器就不能连续播放。穿越网络，由于网络节点的处理、排队和转发，每个数据包将经受不同时延，因此，需要设置缓冲区，吸收一些时延的波动。,NUDT,14,2.2.2 对话及其多方通信,对话的单向时延要求小于100ms，超过350ms的时延，对话过程就难以接收。多方通信是多媒体应用的重要方面，多媒体会议系统。对话方式的双向媒体传输 与 分配方式的单向媒体传输对话式流媒体 VS 分配式流媒体,NUDT,15,NUDT,16,2.2.3 点到点通信,单播、组播和广播客户服务器模式和P2P模式,NUDT,17,NUDT,18,NUDT,19,2.2.5 分布多媒体应用的需求,媒体具有多种类型和形式，其经传输并交付给用户时，各个媒体之间必须同步地向用户表现媒体数据源和目的是分布的，通信可能是在一个群组内进行，由于多媒体数据量大，需要同步表现，组播方式是分布式多媒体应用的重要需求。交互会话中，音视频媒体的通信必须达到严格的时延要求，用户的感知才能够接受。单向流媒体的时延要求比交互会话应用的要求低，区别在于媒体表现的启动时延可以大一些。多媒体数据量大，虽经压缩，数据量仍然较大，因此需要一定量的通信网络带宽支持。,NUDT,20,2.3 性能需求,如何确定一个网络是否能够承载多媒体通信流呢？方法是：从应用角度出发，用一组参数说明应用对网络的需求；或从通信网络的角度出发，用一组相似的参数说明该网络可以提供什么样的传输性能。,NUDT,21,2.3.1 网络多媒体应用的特点,（1）可变比特率 多媒体信息源通常具有动态的特性，在不同的时间周期，会产生数目不定的数据，信息数据常常以突变和跳变的形式出现。为了获得连续、真实的效果，网络的传输速率也要随时间的变化而变化，这样的网络传输方式称为可变比特率（VBR）传输。多媒体网络不但要具有通常的恒定比特率（CBR）传输能力，能很好传输以恒定比特率产生的数据，而且还要能以VBR传输突发数据。目前，只有ATM网络技术能够较好地处理这种类型数据。,NUDT,22,(2)流式传输 在网络上传输音频、视频等多媒体信息的方式：下载传输 流式传输：声音、影像和视频动画等时基媒体由音频、视频服务器向用户计算机连续、实时传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，只需短暂的启动延迟即可进行观看。流式传输对硬件资源和环境要求不高，且使用缓冲存储技术较好地克服了网络延迟和抖动，成为多媒体网络的一种主要的数据传输模式。,NUDT,23,(3)对称信道与不对称信道,下行信道,上行信道,根据多媒体应用类型的不同，对信道的要求也不同，上行和下行信道的通信量可能是对称的，也可能是非对称的。如在交互式电视系统：下行信道用来传输语音视频流，上行信道用于传输少量的控制信息，是典型的非对称信道。多点视频会议系统：由于每个点的与会者都可参与讨论，故该系统的上行信道和下行信道是对称的。对称信道对于实现网络多媒体系统较强的交互功能是必要的。,NUDT,24,(4)实时性 在多媒体信息中，大部分是与时间密切相关的，这些信息具有时间连续性和实时性的特点，因此要求对媒体的传输必须是实时的，具有较低的时延。端到端的等待时间应当控制在一个很短的时间段内。如语音系统，延迟应控制在150ms内；视频系统，延迟应在250ms内。,NUDT,25,2.3.2 多媒体应用对网络的性能需求,（1）综合业务要求 由于多媒体数据包含了文本、图形、图像、音频、视频等多类媒体对象，不同类型的数据有着不同的特点，对网络通信系统有着不同的需求，所以，网络多媒体系统应当能够为不同类型的数据提供与其特点和需求相适应的通信性能，能够将不同的业务有机结合起来，提供和支持多种通信模式，如点到点、点到多点、多点到多点，并完成相关管理任务。,NUDT,26,（2）吞吐量要求（带宽）网络吞吐量，也称为有效带宽：一般指单位时间内网络传送数据的有效速率，单位为位/秒（bps）。网络吞吐量与网络传输速率(带宽)严格来说是有区别的，网络吞吐量通常定义成物理链路的传输速率减去各种传输开销，如物理传输开销以及网络冲突、瓶颈、拥塞和差错等开销，它反映网络的最大极限容量，测量内容与具体的对象有关系。吞吐量实际上要小于传输速率，但在许多情况下，人们习惯将额外开销忽略不计，直接把网络传输速率当作吞吐量。,NUDT,27,无论是局域网还是广域网，网络的吞吐能力一般都是随时间变化而变化的。有时因发生网络故障或者出现峰值的数据流而造成网络拥塞，使网络的吞吐能力发生剧变。影响网络吞吐量的因素主要有网络故障，网络拥塞，瓶径、缓冲区容量等。多媒体通信的吞吐量要满足高传输率，大缓冲容量及流量的需求。音频和视频是多媒体系统两种重要的媒体类型，音频和视频信息对网络带宽有其特殊需求。,NUDT,28,NUDT,29,NUDT,30,（3）时延要求 传输时延是衡量网络性能的重要参数。在交互式的实时多媒体应用中，端到端时延应当在40500ms之间。一般说来：语音信号，端到端时延应在40ms左右；高质量品质的电视：不超过50ms；广播质量的电视：不超过100ms；视频会议质量：不超过400ms。,NUDT,31,在端到端的传输过程中，延迟指从发送端发送一个分组，到接收端正确地接收到该分组所经历的时间。一般传输延迟时间由以下三个部分组成：（1）端口延迟：表示发送（或接收）端等待网络调度并从开始准备发送（或接收）数据块到实际利用网络发送（或接收）所需要的时间。（2）传播延迟：表示端到端之间传输一个二进制位所需的时间。这是一个固定的物理参数，仅与传输距离有关。（3）网络传输延迟：表示端到端之间传输一个数据块（如分组）所需要的时间，该参数与网络传输速率和中间节点处理延迟有关，也可以分为发送延迟和处理延迟。,NUDT,32,对于视频流，每秒25幀（PAL制式）或30幀（NTSC）制式，则每幀的实时压缩或解压时间不能超过40ms或33.3ms，即每幀解码或编码时间最大为3040ms。接收数据在缓冲区等待是利用一个幀解码的时间。假设端到端单向时延按照150ms计算，那么只剩下60ms的时间用于传输，可见这段约束时间是非常短的。,NUDT,33,NUDT,34,延迟抖动：,与延迟有关的另一个性能参数是延迟抖动。在以分组方式传输一个很大的文件或数据流时，各个分组到达接收端的延迟时间是不相同的。所谓延迟抖动是指各个分组到达接收端延迟时间的最大变化量，即端到端延迟的最大值与最小值之差。例如，在视频点播系统，视频节目的连续数据流被从视频服务器发往用户端，有的分组传输延迟只用了几个毫秒的时间，有的却可能达到零点几秒，当这种延迟比较大时，画面就会出现抖动，影响到播放的质量。对于连续媒体流的传输来说，应将延迟抖动限制在一定的范围内，以有利于改善所接收的音频和视频的质量。,NUDT,35,电视质量的音频和视频：时延变化 10ms，压缩视频和高质量立体声，抖动1ms会话式音频，100500ms的单向时延，则时延抖动小一个数量级。HDTV时延小于50ms，TV时延小于100MS。,NUDT,36,理想情况端到端延迟是一个恒定值（零抖动），但是由于网络故障，传输错误以及网络拥塞等延迟抖动总是不能避免的。在接受端设置足够的缓冲区容量可以缓和延迟和延迟抖动问题。,NUDT,37,NUDT,38,NUDT,39,（4）差错控制,反映网络传输可靠性的一个重要性能指标是差错率。差错率是对网络传送过程中数据发生丢失、改动、重复和失序等现象的比率的描述，也是对网络正确传送数据和出错恢复能力的度量。在网络传输中，主要有以下几种情况可能导致差错的发生：（1）数据包丢失或改动。（2）数据失序。（3）具有检测机制的网络在检测到错误时，将有错误的数据包丢弃。,NUDT,40,差错率的定义：位差错率（BER）。定义为出错的位数与所传输的总位数之比。帧差错率（FER）。定义为出错帧数与所传输的总帧数之比。包差错率（PER）。定义为出错的分组或数据包与所传分组总数之比。在不同的网络协议层次上，可用不同方法计算差错率。例如在物理传输层中，以位为传输单位，则以BER计算差错率。光纤传输网的BER范围一般为10-910-12；在帧中继网中，一般以FER计算差错率；在分组交换网或ATM中，则以PER计算差错率。,NUDT,41,人的听觉与视觉对多媒体传输的影响：由于人类感知能力有限，对图像和声音的微小差异，人的视觉和听觉很难察觉，所以，多媒体网络传输允许存在一定程度的错误。通常人的听觉比视觉更为敏感一些，一个冗长的视频流，个别数据分组的出错是很难被人察觉出来的，但在音频流中，如果出现相同数量的出错分组，则可能被人的听觉察觉出来。因此，音频信息对网络的抖动、差错率的要求要比视频信息高。,NUDT,42,NUDT,43,反馈重传的策略不适合实时媒体流的传输，差错控制应该在接收端完成传统的前向纠错多媒体实时传输新技术:差错掩盖：视觉、听觉掩盖 差错恢复：部分恢复、感知变好,NUDT,44,NUDT,45,2.4 服务质量,QoS的概念QoS参数编码与QoS协议层中的QoS,NUDT,46,2.4 服务质量,多媒体应用系统可以用上节介绍的性能参数表示应用的需求，或通信网络用这些参数表示通信网络能够支持的性能。把这些参数分类并规范化描述和表示，就是表示服务质量的QoS参数。,NUDT,47,服务质量（QoS，Quality of Service）是一种用于说明网络服务好坏程度的抽象概念。在计算机网络开放系统互连（OSI）参考模型中，有一组QoS参数，描述传输速率、差错率、抖动等网络特性，以表示某种特殊应用对网络性能的要求与对所提供的服务质量的期望值。多媒体通信网络需要定义合适的QoS。,NUDT,48,服务质量（Quality of Service,QoS）是一种抽象概念,用于说明网络服务的“良好”程度。由于不同的应用对网络性能的要求不同,对网络所提供的服务质量期望值也不同。这种期望值可以用一种统一的QoS概念来描述。在不同应用系统中,QoS参数集的定义方法可能是不同的,经常使用吞吐量、差错率、端到端延迟、延迟抖动等网络性能参数来定义QoS。对连续媒体传输来说,端到端延迟和延迟抖动是两个关键的性能参数。多媒体应用,特别是交互式多媒体应用对延迟有严格的限制,不能超过人所能容忍的极限,否则将会严重地影响服务质量。同样,延迟抖动也必须维持在严格的界限内,否则将会严重地影响人对语音和图像信息的识别。,NUDT,49,QoS的基本概念（1）QoS参数 在网络多媒体应用中，QoS是分布式多媒体信息系统为了达到应用要求的能力所需要的一组定量和定性的特性。它用一组参数表示。例如 QoS=吞吐量，差错率，延迟，抖动 由于不同应用对网络性能要求不同，因此对服务质量的期望值也不同，这种期望值可用统一的QoS概念来表达。,NUDT,50,按性能：端到端延迟、吞吐量、抖动等；按格式：视频分辨率、帧率、存储格式、压缩方法等；按同步：音频和视频序列起始点之间的时滞；按用户可接受性：主观视觉和听觉质量。用户根据应用需要使用QoS参数，系统根据可用资源（如CPU、缓冲区、I/O带宽以及网络带宽等）容量来确定是否满足应用的QoS需求。经过双方协商，最终达成一致的QoS基本保证。如果不能履行所承诺的QoS，须提供必要的指示信息。,NUDT,51,NUDT,52,对于交互式多媒体应用来说，对延迟有严格的限制，不能超过人所能容忍的限度。否则会严重影响对语言和图像的理解和识别。,NUDT,53,（2）QoS参数体系结构 在一个分布式多媒体信息系统中，通常采用层次化的QoS参数体系结构定义QoS参数。在QoS参数体系统结构中，通信双方的对等层之间表现为一种对等协商关系，双方按承诺的QoS参数提供相应的服务。,NUDT,54,应用层：应用层QoS参数是面向端用户的，故采用直观、形象的表达方式和描述方法。例如，可通过播放不同演示质量的音频或视频片断作为可选择的QoS参数，或者将音频或视频传输速率分成若干等级，每个等级代表不同的QoS参数，并且通过可视化方式提供用户选择。,NUDT,55,表 7.1 一个视频QoS分级的例子,NUDT,56,传输层协议主要提供端到端的、面向连接的数据传输服务。通常,这种面向连接的服务能够保证数据传输的正确性和顺序性,但以较大的网络带宽和延迟开销为代价。传输层QoS必须由支持QoS的传输层协议提供可选择和定义的QoS参数。传输层QoS参数主要有:吞吐量、端到端延迟、端到端延迟抖动、分组差错率和传输优先级等。国际标准化组织(ISO)在1986年颁布的ISO/OSI 8072标准中明确地定义了传输层QoS参数:,NUDT,57,建立连接延迟:用户发出连接请求到接收到连接确认之间的时间间隔。建立连接失败率:在最大建立连接延迟内不能建立连接的可能性。吞吐量:每秒接收的用户数据字节数。传输延迟:发送方发出数据到接收方接收到该数据所经历的时间间隔。固有差错率:在取样时间段内丢失和出错的信息数占总信息数的比率。,NUDT,58,传输失败率:在数据传输阶段因各种原因所造成失败的信息占总信息数的比率。释放连接延迟:一方发出释放请求到对方执行释放之间的时间间隔。保护:用于说明建立安全连接需求的参数,如没有窃听或修改。优先级:规定在该连接上传输的优先级。弹性:用于说明传输层自动终结的可能性。,NUDT,59,网络层：网络层协议主要提供路由选择和数据报转发服务。这种服务通常是无连接的，通过路由器的存储-转发机制实现。在数据报的转发过程中，路由器将可能产生延迟（如排队等待转发），延迟抖动（选择不同路由），分组丢失及差错等。网络层QoS同样由支持QoS的网络层协议提供可选择和定义的QoS参数，如吞吐量、延迟、抖动、分组丢失率和差错率等。,NUDT,60,网络层协议主要是IP协议,其中IPv6可以通过报头中优先级和流标识字段支持QoS。一些连接型网络层协议,如RSVP和 SIP等可以较好地支持QoS,其QoS参数通过保证服务(GS)和被控负载服务(CLS)两个QoS类来定义。它们都要求路由器也必须具有相应的支持能力,为所承诺的QoS保留资源（如带宽、缓冲区等）。,NUDT,61,数据链路层：数据链路层实现对物理介质的访问控制功能，通常决定了网络类型。不是所有网络都支持QoS，即使支持，其程度也不尽相同。例如，各种以太网均不支持QoS，而ATM网络能够较充分地支持QoS。ATM是一种面向连接的网络，在建立虚连接时可以使用一组QoS参数定义QoS。主要有峰值信元速率，最小信元速率，信元丢失率，信元传输延迟，信元延迟变化范围等。,NUDT,62,（3）数据压缩对QoS的影响对于视频编码，如果只采用帧内压缩编码，可以采取丢帧的方法允许QoS变化，还可以利用各种显示抖动算法，通过降低显示质量来保证原帧率不变。如果采用帧间和帧内编码，如MPEG编码，则可以通过建立不同的优先级来发送视频的I,P和B帧，达到调节QoS的目的。其中I帧包含帧内编码，具有最高的优先级别，以保证获得良好的QoS服务。,NUDT,63,还可以利用分层压缩法将重要信息，如运动矢量，DCT的低频分量或基本的信息，用高质量的信道传输，标以高优先级别。当信道拥塞时，扔掉低优先级的分组，接受端仍然可以从主要的信息中回复一定质量的图像。,NUDT,64,2.QoS的管理（1）QoS服务的分类 确定型：在数据传输过程中，网络提供过硬的QoS保证，对所承诺的QoS严格遵守，这类服务一般用于硬实时应用。统计型：在数据传输过程中，网络提供软的QoS保证，即对所承诺的QoS允许一定范围的波动，并且不会造成不良的后果。这类服务一般用于软实时应用。尽力型：尽力型QoS也称为最佳效果传输。网络不提供任何QoS保证，网络性能将随着负载的增加而明显下降。由于受到带宽的限制，现有Internet上的分布式多媒体应用大多提供这类服务。,NUDT,65,（2）QoS管理机制 QoS的管理实质上反映了对网络资源的最佳配置和有效管理。从支持QoS的角度，多媒体网络系统必须提供QoS参数定义和相应的QoS管理机制。用户能够根据应用的需要使用QoS参数定义其QoS需求，网络系统根据系统可用资源确定是否能够满足应用的QoS需求，经过双方协商最终达成一致的QoS参数值，使数据在传输过程中得到基本保证，或在不能履行所承诺QoS时提供必要的指示信息。QoS的管理机制包括如下QoS管理特性：QoS管理应是可配置的 QoS管理应是端到端的 QoS管理是可协商的 QoS管理应是层次化的 QoS管理应是动态的,