适应下一代IP网络的远程教学流媒体解决方案.doc

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1、适应下一代IP网络的远程教学流媒体解决方案摘要 本文针对下一代IPv6的新型宽带网络环境，分析了在新环境中远程教学流媒体实时传输的新特点和面临的一系列新问题，从网络传输层实时传输协议和服务质量（QoS）两个主要层面指出下一代IPv6网络环境中远程教学流媒体传输技术需要研究和解决的一系列重点和难点问题，并提出了相应的解决方案，最后给出了实际开发的系统对方案的实现进行支持，并列出了系统的达到的主要技术指标和水平。关键词 IPv6 下一代IP网络 远程教学系统 流媒体 QoS RTP RSVP RSTP Abstract In this paper, we analyse a series of n

2、ew characteristics and problems of streaming real-time transport in long-distance instruction systems of next-generation IPv6 broadband network environments , and point out a series of emphases and difficulties to research and develop from the two sides of both real-time transport protocol and QoS .

3、 Based on these analysis , this paper proposes corresponding solutions . At last , we develop a true long-distance instruction system to implement these solutions and summarize main technique targets and parameters of the system. Key Words IPv6 Next-generation IP Network Long-distance Instruction Sy

4、stem Streaming Media QoS RTP RSVP RSTP 一、下一代IP网络远程教学系统面临的问题随着计算机网络通信技术和多媒体技术的发展，人们不再满足于传统的网络应用，如WWW服务、文件传输、电子信箱、远程登录等，集音频、视频和共享数据于一身的多媒体应用成为新型应用的热点。多媒体会议、VOD视频点播、远程实时教学、远程医疗等都是新型多媒体应用的典型代表。作为新型多媒体应用的主要形式之一，多媒体远程实时教学系统是网络教育的核心组成部分，它为整个网络教育提供基础的教学系统及环境。为了满足网络教育所需的全新教学手段的要求，必须提供整合的、使用方便的、功能强大的系统供师生进行教学

5、活动。在多媒体远程教学系统中，视音频实时通信主要采用的技术是流媒体技术，其表现形式就是流式传输。流式传输把音频、视频、动画等信息由视音频服务器向用户计算机连续、实时传送。在采用流式传输的系统中，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过几秒或十数秒的启动延时即可进行观看。当音频、视频等媒体文件在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。流式传输不仅使启动延时成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。到目前为止，Internet上使用较多的流式媒体格式主要是以下三种：RealNetworks公司的RealMedia、Apple计算机公司的QuickTime以及Microso

6、ft公司的Media ServiceAdvanced Streaming Format （ASF）。在IP网上开展远程教学活动，需要解决两个基本问题：音频、视频流信息的传送以及它们与数据之间的同步。流媒体技术在解决上述问题时有很大的优势。此外，由于在教学过程中教师会经常使用电子教案来辅助教学，比如用PowerPoint，而电子教案的展示与音频、视频流之间有严格的时间同步关系，这就要求在传输过程中我们仍然要保持它们之间的同步关系。这里以Microsoft的Windows Media Service例来分析基于IP网的远程实时教学系统的基本构成和主要功能。基于Microsoft Media Ser

7、vice的远程教学系统框图整个系统的构成如图所示。从图中可以看到整个系统主要包括三个部分：媒体编码器，媒体服务器和媒体播放器。系统的工作过程如下：输入的视频和音频信号将送给MPEG4的编码器进行编码，编码器输出的节目流既可以存入存储设备也可以直接送给媒体服务器。媒体服务器的主要功能是完成节目流的播出。媒体服务器播出的节目有三个来源，它可能是保存在存储设备中的ASF文件，也可以是Encoder实时传送来的节目，其次，它播出的节目还可以从其它的媒体服务器上获取。普通的用户可以通过LAN或通过无线网络接入到该系统之中参加远程实时教学。下一代互联网的网络层协议将由IPv4转到IPv6，以解决全球的IP

8、地址空间即将耗尽，和日益复杂和扩张的流媒体业务需要高效传输的问题。在下一代IPv6互联网中，随着网络教育的迅猛发展，将会有越来越多的网络教育机构通过多媒体远程实时教学系统为广大学习者提供日益丰富的教学服务，流媒体教学数据的传输将占越来越大的比重。同时，迅速发展的宽带多媒体业务对通信网载体提出了更高的要求，主要体现在宽带，大容量，高速，协议透明，通路高可靠性，操作和管理简单等各个方面。在这些业务的驱动下，通信网的演化正在迅速进行，因此下一代互联网载体通信网的主要发展方向是宽带化，智能化，个人化和综合化等。特别是Internet的发展使得通信网的宽带化演化更加急迫。为此各国政府和各运营者都加速了通

9、信网的建设和演化，以便适应宽带实时业务对带宽和容量的要求。正在日益成熟的光通信技术正不断为通信网的宽带演化铺平前进的道路。总的来看，由于流媒体的时间敏感性和承载网络的动态性，迟到分组、分组失序和延迟抖动等现象都将直接影响媒体的回放质量。因此，在下一代IP网络远程实时教学系统中如何有效地进行流媒体的传输和服务质量的控制将成为研究的重点。二、适应下一代IP网络远程教学流媒体解决方案1、适应新型底层网络协议（IPv6）的流媒体传输协议的研究如上所述，新一代信息网的主要特点是网络层协议将会由IPv4转到IPv6，这一重大转变相应地需要处于相对高层的一系列多媒体实时传输协议针对IPv6作优化调整，这是适

10、应下一代IP网络远程实时教学流媒体解决方案的一个研究重点。为了补充IPv4网络不能实时传输流媒体业务的能力，互联网工程任务组IETF（Internet Engineering Task Force）规定了综合业务结构ISA（Integrated Service Architecture），开发了新的实时传输协议RTP（Real-time Transport Protocol）和资源预留协议RSVP（Resource Reservation Protocol）。RTP是专门为支持流媒体传输而设计的轻型传输层协议，它由紧密相关的两部分组成：负责IP网络上流媒体数据实时传输的RTP协议和负责反馈控制

11、、监测管理传输质量的实时传输控制协议RTCP（Real-time Transport Control Protocol）。RSVP同样处于传输层，其功能是在非连接的IP协议上实现带宽预留，确保端对端间的传输带宽，尽量减少实时多媒体通信中的传输延迟和数据到达时间间隔的抖动，从而提供一定程度的服务质量控制。现在Internet上运行的IP协议是IPv4；在下一代互联网中，IPv6保留了IPv4所赖以成功的许多优点，但也有许多改进。主要的改进内容包括：n 大大扩展了地址域长度（从32位扩展到128位）以解决地址枯竭问题；n 简化了IPv4的头标格式，采用等长头方式以便于硬件实现分组解析；n 加强加密

12、功能以满足安全性传输的需要，从而增强了IP层的安全机制；n 采用24bit流标记方式可追踪通信过程中的分组传送，采用扩展到4bit的业务流类型优先级标识以利于路由器进行调度处理，支持流媒体传输业务。以上可以看到，IPv6协议虽然作出了许多改进，但并没有增加资源预留、接入管理控制以及通信监管等操作，所以并不能真正解决流媒体传输业务需求。如上所述，RTP和RSVP主要是专门补IPv4之不足为解决多媒体实时传输开发的传输层次协议。在IPv4向未来的IPv6转变的过程中，上层的流媒体传输协议簇必然要做出相应的改变来适应IPv6的转变。因此新型远程教学流媒体解决方案主要研究内容之一就是上层的流媒体传输协

13、议簇适应IPv6的一系列优化。具体包括：第一，RTP的优化：RTP的最初设计目标是Internet，但它更倾向于发展成为独立于底层协议的传输机制。目前用于ATM-AAL5和IPv6的RTP正在实验之中。IPv6特别针对未来飞速发展的多媒体实时传输业务在协议头增加了24位的流标记，并将IPv4中3位的优先级标记扩展到4位，从而将优先级设置从8种扩展到16种。IPv6的变化需要处于其上层的RTP协议做出相应的优化处理。第二，RTCP的优化：RTCP是和RTP一起工作的控制协议。它对于大规模的远程实时视音频教学系统提供支持，包括支持源端身份确认，网关和多点对一点的翻译器等。在RTP适应IPv6做出改

14、变的过程中也必然要求RTCP做出相应的改变。具体研究的优化内容包括：拥塞控制；确定RTP用户源；控制RTCP传输间隔；传输最小进程控制信息等。第三，RSVP的优化：未来的IPv6和现在的RTP协议一样也没有涉及资源预留，也就不可能为实时业务提供QoS保障，这就意味着单凭IPv6仍不能保证实时业务的可靠传输。所以未来的IPv6也必须和RSVP协议配合来共同完成流媒体传输服务。RSVP协议所起的作用就是利用预留信息控制IP分组的传输方式；提供一定程度的服务质量控制。但是，RSVP协议给出的只是框架性定义，具体资源预留方式和对流媒体传输业务的预测以及相应带宽的测算，均由各厂家完成，这也为将来的IPv

15、6环境中多媒体实时通信带来隐患，但同时也为开发商带来了扩展的空间和余地。对RSVP协议具体需要解决的优化内容包括：延迟控制；延迟抖动控制；流量控制；服务质量控制等。第四，RTSP的优化：实时流协议RTSP（Real Time Streaming Protocol）的设计目的是为了和RTP/RTCP，RSVP，HTTP等协议协同工作，形成一个强大的应用层协议体系，以实现IP上多媒体流的高效传输。它工作在应用层，提供了一个可扩展的框架使得实时视音频数据的传输可以得到有效控制。它既支持单目传输（unicast）又支持多目传输（multicast），具有双向流传输控制、高可靠性、数据传输的低开销性、对

16、现有的技术和协议的良好的兼容性以及安全性、可伸缩性等诸多优点。RTSP已经被IETF考虑作为Internet多媒体流传输的标准，因此RTSP将会允许不同厂家之间的客户机/服务器产品的互操作性，这给了用户极大的灵活性和可选择性。RTSP工作在诸如：RTP/RTCP，RSVP，TCP，IP，IP Multicast的上层，以实现对实时内容的传输和控制。RTSP的不足之处是它还未正式成为国际标准，在IPv4向IPv6转变的工程中，可能要经历较大的改动。因此，在研究RTP/RTCP、RSVP这些工业标准适应IPv6进行优化的同时，必须研究工作在这些工业标准之上的RTSP协议，对它的优化研究，主要目标是

17、最大限度地利用上述工业标准所做的改善和提高，真正发挥这些标准优化后带来的功效。具体的研究内容包括：n 基于客户机/服务器模式，支持客户机和服务器间的相互操作；n 提供控制机制和处理更高层的问题，例如会话建立、注册和管理；n 和优化后的RTP协同工作使得用户由单目传输向多目传输的过渡更为顺利（如新出现的RTP包头压缩标准等），而不需要厂商做很多额外的工作；n 与优化后的RSVP协同工作共同建立和管理流会话和带宽资源预留。以上所有研究方案拟解决的主要技术难点是：u 在IPv6宽带环境中，上层流媒体协议簇对IPv6流标签的访问机制；u 在IPv6宽带环境中，上层流媒体协议簇快速数据转发控制；u 在I

18、Pv6宽带环境中，上层流媒体协议簇大规模用户访问的并发控制；u 在IPv6宽带环境中，上层流媒体协议簇与IPv6的交互安全保密机制控制。u 在IPv6宽带环境中，RTSP在上层流媒体协议簇支撑之上的透明服务。2、IPv6上的流媒体的服务质量QoS（Quality of Service）控制研究随着IP网上的远程教学流媒体传输业务量不断增长，由于实时业务对网络传输的延时、延时抖动等特性较为敏感，当突发性高的FTP或含有图像文件的HTTP等业务量在网络上传输时，实时业务会受到影响。因此要求在IP网络上导入QoS技术，以确保实时业务的通信质量。新一代信息网的主要标志就是IPv4向IPv6的彻底转变。

19、IPv4尽它的最大努力（Best-Effort）来传送信息包，但是它不会保证提供给上层的服务是可靠的，缺乏QoS的概念和机制，这个问题是IPv4的薄弱环节致命弱点之一。而IPv6与IPv4的一个显著区别和改进就是在协议头的流标签中引入了QoS标记来支持QoS控制机制，同时扩大了优先级的范围（从8种到16种）。虽然引进了QoS机制，但IPv6还必须与RSVP配合来共同实现对QoS进行一定程度的控制。因此，下一代流媒体方案在QoS控制方面解决的第一个重要问题是：如何对RSVP框架协议进行改进来适应IPV6的变化，研制实现新型的RSVP实现协议与IP6配合共同完成对下一代信息网环境中流媒体传输QoS

20、的有效控制，为用户提供更好的服务。方案在QoS控制方面需要解决的第二个重要问题是：应用层QoS控制接口的研究。在实际应用中，流媒体的传输除了通过下层协议对QoS进行控制外，最终还应该在应用层设置一个透明的接口。通过这一接口，可以使应用层的程序和下层支持QoS的协议相独立；这一接口的形式，也要按照应用程序对网络的要求定义，然后转化为下层协议能理解的形式；同时，这也要求在接口中，要考虑到应用层的许多因素，如：按应用程序理解的方式提供服务类型，考虑到用户对网络传输质量的容忍程度，以及本地资源情况等等。具体研究的接口参数包括：网络带宽参数，可以根据媒体流的质量（包括图像大小、分辨率、颜色深度等参）来定

21、义；传输时延和抖动参数，可以根据媒体流的类型（实时影像、白版数据、非同步数据等）来定义。在接口层的内部，通过计算将这些应用层理解的参数形式变换为等价的QoS参数形式。然后，使用下层服务来实现之。在参数转化的过程中，可能有信息不完全，和网络资源有限、要和用户协商的服务参数的情况。这就要求要考虑到用户端的资源情况。比如，用户在某种服务不能达到时可以容忍一定程度的服务质量下降；或者，通过收费调节，改变需求的分布等等。对于接口层的研究，这里的关键点在于其通用性的研究。只有在达到通用性的目标，和实现透明的QoS服务接口层的基础上，才能够真正实现应用层对下层各种QoS控制手段的综合，为最终用户提供了可操作

22、的QoS控制。为了在应用层得到相对于底层协议比较独立的、可以在实际流媒体业务中被广为接受的通用型接口定义，具体展开的研究点包括：对上层应用的形式及其对网络传输的要求做出较为普遍、深入的分析，提炼出共性的接口形式；同时针对不同的下层流媒体传输协议簇中的一系列协议，提出一组实现这一接口服务的方法。这其中，两个重要的研究点是：n 考虑用户对服务质量的容忍程度；n 在一定范围内调节应用层对网络层需求分布的手段。以上研究方案拟解决的主要技术难点是：u 在IPv6宽带环境中，改进RSVP协议预留带宽的机制来完善QoS控制；u 在IPv6宽带环境中，完善RSVP协议besteffort和controlled

23、load级的 QoS控制；u 在IPv6宽带环境中，RSVP协议与IPV6对QoS的联合交互控制；u 在IPv6宽带环境中，在应用层上定义一套新型的QoS服务质量等级；u 在IPv6宽带环境中，在应用层实现对底层QoS控制的整合和透明可管理性。三、适应下一代IP网络远程教学流媒体解决方案主要技术指标待添加的隐藏文字内容2解决方案要达到的目标和主要技术指标和水平是： 在宽带（2.5Gbps*4）主干网络环境中，构建IPv6模拟宽带实验环境。 针对宽带IPV6新环境，适应IPv6的全新变化对传输层的流媒体传输协议簇进行改进，主要的焦点是对流媒体传输QoS的交互控制，提交新型RFC实现方案，并将新型

24、协议通过主动网络的技术配置到路由器节点和主机中已进行真正的应用实验； 在应用层定义一整套新型的QoS服务质量等级和标准； 为用户提供下层协议透明的QoS控制开发包； 在应用层开发可管理的QoS控制模块，具体形式为QoS管理软件套件； 在以上新型底层协议和管理套件支撑的基础上，构建基于IPv6宽带环境的远程实时流媒体点播和组播（直播）教学系统。实时教学系统主要技术指标和水平是：n 在IPv6宽带环境中，在服务器端构建多播和点播专用服务器；n 通过若干个IPv6路由器连接不同的子网构建“多播岛”，形成一定范围的试验性广域网；n 在构建的广域网范围内，实现一定规模、可伸缩、可扩展的实时远程教学；n

25、在底层新型多媒体实时传输协议和IPv6的支撑下，能够保证10001500个用户规模的多播和点播多媒体实时教学服务；n 在应用层通过管理套件对流媒体传输和回放各层次的QoS服务质量进行实时整合控制；n 针对不同接入带宽（范围为50Kbps3Mbps）的用户通过应用层管理套件对底层传输层流媒体协议簇进行透明控制以提供不同服务质量的服务参考文献1 教育部，十五攻关网络教育专项-专题二：网络教学系统项目可行性报告方案，2000，7月2 尹浩等，多媒体远程教学系统中连续媒体实时传输问题的研究与系统实现3 罗万明等，下一代Internet协议IPv6的服务质量机制探讨，数据通信 1999年03期4 RFC

26、1550，IETF.5 翁惠玉等，Intserv/RSVP的现状及存在的问题，数据通信1999年04期 6 洪佩琳等，IP网络中的QoS策略控制技术，计算机科学2000年02期7 Schmid, S.et al. QoS based real time audio streaming in IPv6 networks. In Proc. SPIE - Int. Soc. Opt. Eng ,1998, vol.3529, p.102-13.8 Ghonaimy, M.A.R. New generation Internet and the evolution towards active an

27、d programmable networks. In Proceedings of the Sixteenth National Radio Science Conference,1999，p. INV3/1-14.9 Derfler, et al. IPv6: will good sense prevail . In PC Magazine,1998, v17 , n4 .10 Shepherd, D. ATM, reservation and IP In 5th International Workshop, IDMS 98. Proceedings, 1998, p.1.11K. Nichols and S. Blake. Definition of the Differentiated Services Field (DS Byte) in the IPv4 and IPv6 Headers . In Internet Draft, May 1998.