1、課件制作人：謝希仁,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第 5 版）,第 8 章 因特網(wǎng)上的音頻/視頻服務(wù),課件制作人：謝希仁,第 6 章 IPV4的缺陷和改進(jìn),6.1 概述,6.2 改進(jìn)“盡最大努力交付”的服務(wù) 6.2.1 使因特網(wǎng)提供服務(wù)質(zhì)量 6.2.2 調(diào)度和管制機(jī)制 6.2.3 綜合服務(wù) IntServ 和資源預(yù)留 協(xié)議 RSVP 6.2.4 區(qū)分服務(wù) DiffServ 6.3 下一代因特網(wǎng)概述,課件制作人：謝希仁,8.4 改進(jìn)“盡最大努力交付”的服務(wù) 8.4.1 使因特網(wǎng)提供服務(wù)質(zhì)量 8.4.2 調(diào)度和管制機(jī)制 8.4.3 綜合服務(wù) IntServ 和資源預(yù)留 協(xié)議 RSVP 8.4.4 區(qū)分服務(wù) Diff

2、Serv,第 8 章 因特網(wǎng)上的音頻/視頻服務(wù)（續(xù)）,課件制作人：謝希仁,8.1 概述,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最初是為傳送數(shù)據(jù)信息設(shè)計(jì)的。因特網(wǎng) IP 層提供的“盡最大努力交付”服務(wù)，以及每一個分組獨(dú)立交付的策略，對傳送數(shù)據(jù)信息也是很合適的。 因特網(wǎng)使用的 TCP 協(xié)議可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)不能提供可靠交付這一問題。,課件制作人：謝希仁,多媒體信息的特點(diǎn),多媒體信息（包括聲音和圖像信息）與不包括聲音和圖像的數(shù)據(jù)信息有很大的區(qū)別。 多媒體信息的信息量往往很大。 在傳輸多媒體數(shù)據(jù)時，對時延和時延抖動均有較高的要求。 多媒體數(shù)據(jù)往往是實(shí)時數(shù)據(jù)(real time data)，它的含義是：在發(fā)送實(shí)時數(shù)據(jù)的同時，在接收

3、端邊接收邊播放。,課件制作人：謝希仁,因特網(wǎng)是非等時的,模擬的多媒體信號經(jīng)過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，再組裝成分組。這些分組的發(fā)送速率是恒定的（等時的）。 傳統(tǒng)的因特網(wǎng)本身是非等時的。因此經(jīng)過因特網(wǎng)的分組變成了非恒定速率的分組。,課件制作人：謝希仁,接收端需設(shè)置適當(dāng)大小的緩存。當(dāng)緩存中的分組數(shù)達(dá)到一定的數(shù)量后再以恒定速率按順序把分組讀出進(jìn)行還原播放。 緩存實(shí)際上就是一個先進(jìn)先出的隊(duì)列。圖中標(biāo)明的 T 叫做播放時延。,在接收端設(shè)置緩存,課件制作人：謝希仁,緩存使所有到達(dá)的分組都經(jīng)受了遲延。 早到達(dá)的分組在緩存中停留的時間較長，而晚到達(dá)的分組在緩存中停留的時間則較短。 以非恒定速率到達(dá)的分組，經(jīng)

4、過緩存后再以恒定速率讀出，就能夠在一定程度上消除了時延的抖動。但我們付出的代價是增加了時延。,緩存的影響,課件制作人：謝希仁,需要解決的問題,在傳送時延敏感(delay sensitive)的實(shí)時數(shù)據(jù)時，不僅傳輸時延不能太大，而且時延抖動也必須受到限制。 對于傳送實(shí)時數(shù)據(jù)，很少量分組的丟失對播放效果的影響并不大（因?yàn)檫@是由人來進(jìn)行主觀評價的），因而是可以容忍的。丟失容忍(loss tolerant)也是實(shí)時數(shù)據(jù)的另一個重要特點(diǎn)。,課件制作人：謝希仁,需要解決的問題（續(xù)）,由于分組的到達(dá)可能不按序，但將分組還原和播放時又應(yīng)當(dāng)是按序的。因此在發(fā)送多媒體分組時還應(yīng)當(dāng)給每一個分組加上序號。這表明還應(yīng)當(dāng)

5、有相應(yīng)的協(xié)議支持才行。 要使接收端能夠?qū)⒐?jié)目中本來就存在的正常的短時間停頓（如音樂中停頓幾拍）和因某些分組的較大遲延造成的“停頓”區(qū)分開來。這就需要增加一個時間戳(timestamp)，以便告訴接收端應(yīng)當(dāng)在什么時間播放哪個分組。,課件制作人：謝希仁,必須改造現(xiàn)有的因特網(wǎng),大量使用光纜和高速路由器，網(wǎng)絡(luò)的時延和時延抖動就可以足夠小，在因特網(wǎng)上傳送實(shí)時數(shù)據(jù)就不會有問題。 把因特網(wǎng)改造為能夠?qū)Χ说蕉说膸拰?shí)現(xiàn)預(yù)留(reservation)，把使用無連接協(xié)議的因特網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蜻B接的網(wǎng)絡(luò)。 部分改動因特網(wǎng)的協(xié)議棧所付出的代價較小，而這也能夠使多媒體信息在因特網(wǎng)上的傳輸質(zhì)量得到改進(jìn)。,課件制作人：謝希仁,

6、8.4 改進(jìn)“盡最大努力交付”的服務(wù) 8.4.1 使因特網(wǎng)提供服務(wù)質(zhì)量,服務(wù)質(zhì)量 QoS 是服務(wù)性能的總效果，此效果決定了一個用戶對服務(wù)的滿意程度。因此在最簡單的意義上，有服務(wù)質(zhì)量的服務(wù)就是能夠滿足用戶的應(yīng)用需求的服務(wù)。 服務(wù)質(zhì)量可用若干基本的性能指標(biāo)來描述，包括可用性、差錯率、響應(yīng)時間、吞吐量、分組丟失率、連接建立時間、故障檢測和改正時間等。服務(wù)提供者可向其用戶保證某一種等級的服務(wù)質(zhì)量。,主機(jī) H1 和 H2 分別向主機(jī) H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),1.5 Mb/s 鏈路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1 H2,1.5 Mb/s 鏈路,輸出隊(duì)列,1 Mb/s的實(shí)時音頻數(shù)據(jù),FTP 文件

7、數(shù)據(jù),需要給不同性質(zhì)的分組打上不同的標(biāo)記。當(dāng) H1 和 H2 的分組進(jìn)入 R1 時， R1 應(yīng)能識別實(shí)時數(shù)據(jù)分組，并使這些分組以高優(yōu)先級進(jìn)入輸出隊(duì)列，而僅在隊(duì)列有多余空間時才準(zhǔn)許低優(yōu)先級的 FTP 數(shù)據(jù)分組進(jìn)入。,主機(jī) H1 和 H2 分別向主機(jī) H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),1.5 Mb/s 鏈路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1 H2,1.5 Mb/s 鏈路,輸出隊(duì)列,1 Mb/s的實(shí)時音頻數(shù)據(jù),高優(yōu)先級的 FTP 文件數(shù)據(jù),應(yīng)當(dāng)使路由器增加分類(classification)機(jī)制，即路由器根據(jù)某些準(zhǔn)則（例如，根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的地址）對輸入分組進(jìn)行分類，然后對不同類別的通信量給予不同的優(yōu)先

8、級。,主機(jī) H1 和 H2 分別向主機(jī) H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),1.5 Mb/s 鏈路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1 H2,1.5 Mb/s 鏈路,輸出隊(duì)列,數(shù)據(jù)率異常的實(shí)時音頻數(shù)據(jù),FTP 文件數(shù)據(jù),路由器應(yīng)能將對數(shù)據(jù)流進(jìn)行通信量的管制(policing)，使該數(shù)據(jù)流不影響其他正常數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中通過。例如，可將 H1 的數(shù)據(jù)率限定為 1 Mb/s。R1 不停地監(jiān)視 H1 的數(shù)據(jù)率。只要其數(shù)據(jù)率超過規(guī)定的 1 Mb/s，R1 就將其中的某些分組丟棄。,主機(jī) H1 和 H2 分別向主機(jī) H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),1.5 Mb/s 鏈路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1 H2

9、,1.5 Mb/s 鏈路,輸出隊(duì)列,數(shù)據(jù)率異常的實(shí)時音頻數(shù)據(jù),FTP 文件數(shù)據(jù),應(yīng)在路由器中再增加調(diào)度(scheduling)機(jī)制。利用調(diào)度功能給實(shí)時音頻分配 1.0 Mb/s 的帶寬，給文件傳送分配 0.5 Mb/s 的帶寬（相當(dāng)于在帶寬為 1.5 Mb/s 的鏈路中劃分出兩個邏輯鏈路），因而對這兩種應(yīng)用都有相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保證。,主機(jī) H1 和 H2 分別向主機(jī) H3 和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù),1.5 Mb/s 鏈路,H1,H2,H3,H4,R2,R1,H1 H2,1.5 Mb/s 鏈路,輸出隊(duì)列,1 Mb/s 的實(shí)時數(shù)據(jù),總數(shù)據(jù)率已超過了 1.5 Mb/s 鏈路的帶寬。比較合理的做法是讓一個數(shù)據(jù)

10、流通過 1.5 Mb/s 的鏈路，而阻止另一個數(shù)據(jù)流的通過。這就需要呼叫接納(call admission)機(jī)制。數(shù)據(jù)流要預(yù)先聲明所需的服務(wù)質(zhì)量，然后或者被準(zhǔn)許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，或者被拒絕進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。,課件制作人：謝希仁,8.4.2 調(diào)度和管制機(jī)制1. 調(diào)度機(jī)制,“調(diào)度”就是指排隊(duì)的規(guī)則。 如不采用專門的調(diào)度機(jī)制，則默認(rèn)排隊(duì)規(guī)則就是先進(jìn)先出 FIFO (First In First Out)。當(dāng)隊(duì)列已滿時，后到達(dá)的分組就被丟棄。 先進(jìn)先出的最大缺點(diǎn)就是不能區(qū)分時間敏感分組和一般數(shù)據(jù)分組，并且也不公平。 在先進(jìn)先出的基礎(chǔ)上增加按優(yōu)先級排隊(duì)，就能使優(yōu)先級高的分組優(yōu)先得到服務(wù)。,課件制作人：謝希仁,分組按優(yōu)先

11、級排隊(duì),高優(yōu)先級隊(duì)列,低優(yōu)先級隊(duì)列,分組到達(dá) 路由器,調(diào)度,分組離開 路由器,分類器,（服務(wù)員）,路由器,高 高 高,低,課件制作人：謝希仁,高優(yōu)先級分組優(yōu)先接受服務(wù),t,1,2,3,5,到達(dá),離開,接受 服務(wù),4,1,3,2,5,4,1,3,2,5,4,t,高,高,高,低,低,課件制作人：謝希仁,分組離開 路由器,加權(quán)公平排隊(duì) WFQ(Weighted Fair Queuing),分組到達(dá) 路由器,調(diào)度,分類器,w1,w2,w3,1,2,3,路由器,課件制作人：謝希仁,加權(quán)公平排隊(duì) WFQ,分組到達(dá)后就將分組進(jìn)行分類，然后送交與其類別對應(yīng)的隊(duì)列。隊(duì)列按順序依次將隊(duì)首的分組發(fā)送到鏈路。遇到隊(duì)列

12、空就跳過去。 給隊(duì)列 i 指派一個權(quán)重 wi。隊(duì)列 i 得到的平均服務(wù)時間為 wi /(wj)，這里wj 是對所有的非空隊(duì)列的權(quán)重求和。 隊(duì)列 i 將得到的有保證的帶寬 Ri 應(yīng)為 （8-1）,課件制作人：謝希仁,WFQ 與 FIFO 的比較,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,11,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,分組流 1,分組流 2,分組流 11,FIFO,WFQ,(a) 分組流 1 的分組連續(xù)輸入,t,t,t,t,t,課件制作人：謝

13、希仁,WFQ 與 FIFO 的比較,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,11,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,分組流 1,分組流 2,分組流 11,FIFO,WFQ,t,t,t,t,t,(b) 分組流 1 的分組斷續(xù)輸入,課件制作人：謝希仁,2. 管制機(jī)制,(1) 平均速率 網(wǎng)絡(luò)需要控制一個數(shù)據(jù)流的平均速率。這里的平均速率是指在一定的時間間隔內(nèi)通過的分組數(shù)。 (2) 峰值速率 峰值速率限制了數(shù)據(jù)流在非常短的時間間隔內(nèi)的流量。 (3) 突發(fā)長

14、度 網(wǎng)絡(luò)也限制在非常短的時間間隔內(nèi)連續(xù)注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。,課件制作人：謝希仁,分組到達(dá),漏桶管制器(leaky bucket policer),漏桶中最多 裝入 b 個權(quán)標(biāo),拿走 權(quán)標(biāo),準(zhǔn)許分組進(jìn)入網(wǎng)絡(luò),等待權(quán)標(biāo),在任何時間間隔 t 內(nèi)準(zhǔn)許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的分組數(shù) = r t + b,標(biāo)記注入漏桶的速率為每秒 r 個權(quán)標(biāo),漏桶機(jī)制與加權(quán)公平排隊(duì)相結(jié)合,現(xiàn)假定有 n 個分組流輸入到一個路由器，復(fù)用后從一條鏈路輸出。每一個分組流使用漏桶機(jī)制進(jìn)行管制，漏桶參數(shù)為 bi 和 ri，i = 1, 2, , n。 設(shè)漏桶 I 已裝滿了 bi 個權(quán)標(biāo)。因此 bi 個分組可馬上從路由器輸出。但分組流 I 得到的帶

15、寬是由公式(10-1)給出。這 bi 個分組中的最后一個分組所經(jīng)受的時延最大，它等于傳輸這 bi 個分組所需的時間 dmax，即 bi 除以公式(10-1)給出的傳輸速率：,(8-2),課件制作人：謝希仁,分組離開 路由器,分組到達(dá) 路由器,用漏桶機(jī)制進(jìn)行管制,調(diào)度,分類器,w1,wn,隊(duì)列 1,b1,r1,bn,rn,隊(duì)列 n,路由器,課件制作人：謝希仁,8.4.3 綜合服務(wù) IntServ 與資源預(yù)留協(xié)議 RSVP,IntServ (Integrated Services)可對單個的應(yīng)用會話提供服務(wù)質(zhì)量的保證，其主要特點(diǎn)有二，即： 資源預(yù)留。路由器需要知道不斷出現(xiàn)的會話已預(yù)留了多少資源（即

16、鏈路帶寬和緩存空間）。 呼叫建立。需要服務(wù)質(zhì)量保證的會話必須首先在源站到目的站的路徑上的每個路由器預(yù)留足夠的資源，以保證其端到端的服務(wù)質(zhì)量要求。,課件制作人：謝希仁,IntServ 定義了兩類服務(wù),有保證的服務(wù)(guaranteed service)，可保證一個分組在通過路由器時的排隊(duì)時延有一個嚴(yán)格的上限。 受控負(fù)載的服務(wù)(controlled-load service)，可以使應(yīng)用程序得到比通常的“盡最大努力”更加可靠的服務(wù)。,課件制作人：謝希仁,IntServ 由四個組成部分,(1) 資源預(yù)留協(xié)議 RSVP，它是 IntServ 的信令協(xié)議。 (2) 接納控制(admission cont

17、rol)，用來決定是否同意對某一資源的請求。 (3) 分類器(classifier)，用來將進(jìn)入路由器的分組進(jìn)行分類，并根據(jù)分類的結(jié)果將不同類別的分組放入特定的隊(duì)列。 (4) 調(diào)度器(scheduler)，根據(jù)服務(wù)質(zhì)量要求決定分組發(fā)送的前后順序。,課件制作人：謝希仁,流(flow),“流”是在多媒體通信中的一個常用的名詞，一般定義為: 具有同樣的源 IP 地址、源端口號、目的 IP 地址、目的端口號、協(xié)議標(biāo)識符以及服務(wù)質(zhì)量需求的一連串分組。,RSVP 協(xié)議的工作原理,H1,H2 50 kb/s,R2,R1,H3 100 kb/s,H4 3 Mb/s,R3,R4,H5 3 Mb/s,源站,(a)

18、 源點(diǎn)用多播發(fā)送PATH報(bào)文,表示 PATH 報(bào)文,課件制作人：謝希仁,IntServ 體系結(jié)構(gòu)在路由器中的實(shí)現(xiàn),路由選擇協(xié)議,路由選擇數(shù)據(jù)庫,RSVP,接納控制,管理代理,通信量控制 數(shù)據(jù)庫,分類器 與 分組轉(zhuǎn)發(fā),調(diào)度器,分組入,分組出,課件制作人：謝希仁,綜合服務(wù) IntServ 體系結(jié)構(gòu)存在的主要問題,(1) 狀態(tài)信息的數(shù)量與流的數(shù)目成正比。因此在大型網(wǎng)絡(luò)中，按每個流進(jìn)行資源預(yù)留會產(chǎn)生很大的開銷。 (2) IntServ 體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若要得到有保證的服務(wù)，所有的路由器都必須裝有 RSVP、接納控制、分類器和調(diào)度器。 (3) 綜合服務(wù) IntServ 所定義的服務(wù)質(zhì)量等級數(shù)量太少，不夠靈

19、活。,課件制作人：謝希仁,8.4.4 區(qū)分服務(wù) DiffServ (Differentiated Services),1. 區(qū)分服務(wù)的基本概念 由于綜合服務(wù) IntServ 和資源預(yù)留協(xié)議 RSVP 都較復(fù)雜，很難在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，因此 IETF 提出了新的策略，即區(qū)分服務(wù) DiffServ 。 區(qū)分服務(wù)有時也簡寫為 DS。因此，具有區(qū)分服務(wù)功能的結(jié)點(diǎn)就稱為 DS 結(jié)點(diǎn)。,課件制作人：謝希仁,區(qū)分服務(wù) DiffServ 的要點(diǎn),(1) DiffServ 在路由器中增加區(qū)分服務(wù)的功能。 DiffServ 將 IPv4 協(xié)議中原有的服務(wù)類型字段和 IPv6 的通信量類字段定義為區(qū)分服務(wù)字段 D

20、S。路由器根據(jù) DS 字段的值來轉(zhuǎn)發(fā)分組。利用 DS 字段可提供不同等級的服務(wù)質(zhì)量。 DS 字段現(xiàn)只使用前 6 bit，即區(qū)分服務(wù)碼點(diǎn) DSCP (Differentiated Services CodePoint)。,CU,DSCP,比特 0 5 6 7,暫不使用,課件制作人：謝希仁,服務(wù)等級協(xié)定SLA(Service Level Agreement),在使用 DS 字段之前，因特網(wǎng)的 ISP 要和用戶商定一個服務(wù)等級協(xié)定 SLA 。在 SLA 中指明了被支持的服務(wù)類別（可包括吞吐量、分組丟失率、時延和時延抖動、網(wǎng)絡(luò)的可用性等）和每一類所容許的通信量。,課件制作人：謝希仁,DS 域 (DS

21、Domain) (2) 網(wǎng)絡(luò)被劃分為許多個 DS 域,DiffServ 將所有的復(fù)雜性放在 DS 域的邊界結(jié)點(diǎn)(boundary node)中，而使 DS 域內(nèi)部路由器工作得盡可能地簡單。,內(nèi)部路由器,邊界路由器,內(nèi)部路由器,B,B,B,B,DS 域,DS 域,課件制作人：謝希仁,(3) 邊界路由器中的功能,邊界路由器中的功能較多，可分為： 分類器(classifier) 通信量調(diào)節(jié)器(conditioner)兩大部分。調(diào)節(jié)器的組成： 標(biāo)記器(marker) 整形器(shaper) 測定器(meter),課件制作人：謝希仁,邊界路由器中的各功能塊的關(guān)系,內(nèi)部路由器,邊界路由器 （入口）,邊界路由器 （出口）,分類器,標(biāo)記器,整形器,測定器,根據(jù) DS 值 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),調(diào)節(jié)