多媒体网络--计算机网络自顶向下笔记（八）

简介
视频

音频

多媒体应用类型

流式存储视频
UDP流

HTTP流

DASH

CDN

IP语音
尽力而为服务的限制

消除时延抖动

丢包恢复

实时会话应用协议
RTP

SIP

支持多媒体的网络
尽可能利用尽力而为服务

区分服务

每连接服务质量保证

简介

视频

高比特率。

能被压缩。

原因：空间冗余，图像内部有冗余空间，如空白；时域冗余，图像和后续图像完全一样或类似。

可压缩生成多重版本。

音频

脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM）。

采样。固定速率采样。

量化。每个采样值近似为有限数值中的一个。

级联。所有样本的量化值连在一起。

使用压缩减小比特率。如MP3等。

多媒体应用类型

流式存储的音频和视频。

流。从一个
d8b4
位置开始播放的同时，从服务器接收后续部分。

相互作用。用户可对媒体内容暂停、前进、后退等。

连续播放。根据初始记录的时序播放，需要及时接收数据，否则会停止或者帧跳过。

会话式 IP语音和视频。

称为因特网电话，或者IP语音（Voice-over-IP, VoIP）。

高度时延敏感（delay-sensitive）。

容忍丢包（loss-tolerant）。

流式实况音频和视频。类似流式存储媒体。

流式存储视频

分为UDP流、HTTP流、适应性HTTP流。

广泛使用客户缓存（client buffering）。

吸收分组在客户和服务器中时延的波动，使时延大的特殊分组不被注意。

即使暂时带宽低于消耗，也能连续播放。

UDP流

通过UDP，用与客户视频消耗速率相匹配的速率传输视频。

使用的客户端缓存小，通常小于1s。

通过单独的控制连接，发送暂停等命令。类似FTP控制连接，使用实时流协议（Real-Time Streaming Protocol, RTSP）。

缺点：

带宽减小时，恒定速率UDP流很可能无法连续播放。

需要RTSP服务器，增加成本。

许多防火墙**阻塞**UDP流量。

HTTP流

使用 HTTP GET 请求获得给定URL的文件。通过缓存等技术避免UDP的缺点。

预取视频。尝试以高于消耗速率的速率下载视频，增加客户缓存。

客户缓存和TCP缓存。客户缓存变满，会引起TCP缓存变满，减小发送窗口，服务器降低发送速率。



提前终止和重定位。

使用HTTP字节范围首部，从视频文件的某个字节开始发送数据，较早的请求终止。

因为重定位可能浪费缓存，所以缓存取适当长度或者字节范围首部受限。

DASH

经HTTP的动态适应性流（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP, DASH），将视频编码为不同比特率的几个版本，分配不同URL，用户根据带宽选择版本。

DASH可以在可能的最好质量下实现连续播放。

用户通过测试带宽选择下载版本，减轻服务器的压力。

CDN

单一数据中心的问题：

数据中心到客户经过许多ISP，某段链路吞吐量小，甚至小于视频消耗速率。

流行视频在相同链路中发送多次，浪费带宽。

单点故障问题。

内容分发网（Content Distribution Network, CDN）采取拉策略，用户请求的视频未存储在CDN上，CDN从另一个集群或者中心仓库请求视频，向客户传输视频并在本地存储副本。CDN删除不常使用的视频，类似LRU。

CDN通过DNS截获和重定向对视频的请求，步骤：

用户访问netchina页面。

点击视频链接video.netcinema.com/xxxxx，发送DNS请求。

本地DNS服务器（LDNS）中继请求到NetChina权威DNS服务器，服务器因为video向LDNS返回KingCDN域的主机名，如a1105.kingcdn.com。

LDNS向KingCDN的主机发起DNS请求，得到KingCDN**内容分发服务器的IP地址**。

LDNS向用户转发CDN节点IP地址。

用户根据IP创建TCP连接，发起HTTP GET请求获取视频。



使用IP任播（IP anycast）为客户分配CDN服务器。为每个CDN集群指派相同IP地址，BGP路由器选择最好的路由（如地理最近、流量最佳等）。

Netflix使用第三方CDN，谷歌的YouTube使用自己的CDN，迅雷看看使用P2P交付。

IP语音

尽力而为服务的限制

丢包。VoIP默认运行在UDP上，会产生分组丢失，可以通过FEC弥补。

端到端时延。时延超过400ms严重影响交互性，超过阈值（如400ms）延时的分组需要丢弃。

分组时延抖动。端到端时延对不同的分组可能有波动，可以使用序号、时间戳、播放时延消除。

消除时延抖动

两种机制：

发送方为每个块产生时间戳（timestamp）。

接收方延时播放（delaying playout），使得大多数分组在预定播放之前被接收。

两种播放时延。

固定播放时延。端到端时延抖动大，选用较大播放时延；时延抖动小，选用较小播放时延。



适应性播放时延。类似TCP往返时间的估计。
t，时间戳；r，分组接收时间；p，分组播放时间。

平均网络时延：



平均时延偏差：



播放时间（K为常数，例如4）：

丢包恢复

前向纠错（Forward Error Correction, FEC）。增加冗余信息纠错，这样也会增加传输带宽和播放时延。

异或n个初始块。可恢复1个分组的丢失。

附加较低分辨率的音频。可附加之前一个或几个分组的低分辨率音频。

交织（interleaving）。传输之前对数据单元重新排序，接收之后重建。



差错掩盖。产生与丢失分组类似的分组，如重复分组或者内插法等。

实时会话应用协议

RTP

实时传输协议（Real-time Transport Protocol），运行在UDP上，传输媒体块。

RTP不保证交付，不提供质量服务。RTP分装的内容仅为端系统可见。

RTP也可用于多播，如多方的视频会议。

RTP首部



有效载荷类型。指示音频编码类型，如PCM,GSM。

序号。每发送一个RTP分组，序号+1.

时间戳。RTP分组第一个字节采样时刻。

同步源标识符SSRC。表示RTP源，是新的流开始是随机分配的数。

SIP

会话发起协议（Session Initiation Protocol, SIP），用于经过IP网络建立呼叫。

SIP地址。

类似电子邮件地址，如sip:bob@193.64.210.89。

能够被包括在Web页面中。

SIP代理提供用户IP地址或者包括用户状态的URL（可以根据呼叫者有不同响应）。SIP代理是通过每个用户的SIP注册器确定用户的IP地址。

发起会话的步骤（217.123.56.89上的jim@umass.edu对197.87.54.21上的keith@upenn.edu发起VoIP）：

Jim向umass的SIP代理发送INVITE报文。

该代理向SIP注册器upenn.edu**请求DNS**，并**转发**INVITE报文。

keith并没有在该upenn注册器上注册，upenn注册器返回重定向报文指向Keith@eurecom.fr。

umass代理向eurcom.fr**请求DNS**,并**转发**INVITE报文。

该注册器知道keith@eurecom.fr的IP地址，将报文转发给keith的SIP主机。

keith主机通过注册器代理返回SIP响应到jim主机。

jim发送SIP确认，并开始会话。

支持多媒体的网络

三种方法

尽可能利用尽力而为服务

进行网络定制（network dimensioning）。设计一个网络拓扑，取得给定的端到端性能。

由于经济、组织上的问题，定制被限制。

区分服务

方法

标记分组，使路由器区分不同类型的流量分组，例如VoIP优先于HTTP。

提供流量隔离的度，使一种流量不受另一种流量异常的影响，这需要流量监管（traffic policing）。例如，VoIP流量超过带宽，也能保证一定的HTTP流量。

提供流量隔离时，尽可能有效使用资源。例如，VoIP不使用带宽时，HTTP可以使用更多的带宽。

调度机制

先进先出（First-In-First-Out）。

优先排队（priority queuing）。分组放入某个优先级类，优先传输高优先级的类，每个优先级类通常使用FIFO。

加权公平排队（Weighted Fair Queuing, WFQ）。每个类被分到一个权值，每个类至少获得权值比例的带宽。



漏桶监管。

监管平均速率、峰值速率、突发长度。

分组需要获得令牌才能发送。漏桶最多容纳b个令牌，每秒加入r个令牌。这样任何t时间内，进入网络的最大速率为 rt+b。

漏桶流可以采用WFQ调度机制。



因特网区分服务体系结构（Diffserv）的功能

边界功能：分组分类、流量调节。

核心功能：转发。路由器每一条行为只基于分组标记，不区分分组来源，即路由器将这些分组作为一个聚合体。

Diffserv的缺点

多个ISP之间协作困难。

如果网络运行负载不大，绝大多数情况里Diffserv效果不明显。

每连接服务质量保证

资源预留（resource reservaton）。一旦呼叫预约的资源，则需确保它所具有的资源。

呼叫准入（call admission）。如果请求的资源不可用，呼叫被阻塞；否则，接收呼叫的QoS需求。

呼叫建立信令。资源预留协议（resource Reservation Protocol, RSVP）用来协调资源的预留和呼叫准入。