視頻壓彎了IP網(wǎng)
2003/11/24
IP融合，大勢所趨。
繼IP電話(huà)后，IP視頻業(yè)務(wù)已成為運營(yíng)商必爭之地。
然而，要想實(shí)現運營(yíng)級的IP視頻業(yè)務(wù)，傳統的IP協(xié)議是無(wú)法勝任的。
為了實(shí)現運營(yíng)級的視頻業(yè)務(wù)，IP協(xié)議必須改進(jìn)！
在IP網(wǎng)上實(shí)現視頻傳輸，除了需要解決寬帶接入問(wèn)題和研制更有效的壓縮算法外，對傳統IP協(xié)議的改進(jìn)必不可少。在這些改進(jìn)中，IP QoS和IP組播是最重要的兩個(gè)部分。
傳統IP：承載視頻很困難
在早期，IP網(wǎng)絡(luò )只跑數據業(yè)務(wù)（比如www或者E-mail）時(shí)，這種處理方式是適用的。但當IP網(wǎng)絡(luò )上傳輸的報文不再僅僅是數據業(yè)務(wù)，還包括了對實(shí)時(shí)性要求很高的語(yǔ)音和視頻時(shí)，就需要IP協(xié)議能夠對不同報文做不同的對待，就此引入QoS。
另外，傳統的IP通信是在一個(gè)源IP主機和一個(gè)目標IP主機之間（單播）或者一個(gè)源IP主機和網(wǎng)絡(luò )中所有的IP主機之間（廣播）進(jìn)行的。在視頻廣播應用中，要將信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )中的多個(gè)而非所有IP主機。在傳統IP協(xié)議里，要么采用廣播方式，要么由源IP主機分別向網(wǎng)絡(luò )中的多個(gè)目標IP主機發(fā)送IP包。前一種方式不僅會(huì )將信息發(fā)送給不需要的IP主機而浪費帶寬，也可能由于路由回環(huán)引起一場(chǎng)嚴重的廣播風(fēng)暴；而后一種方式由于IP包的重復發(fā)送而白白浪費掉大量帶寬，也增加了服務(wù)器的負載。可以說(shuō)傳統的IP通信技術(shù)不能有效地解決單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的問(wèn)題。
QoS：為視頻傳輸保駕護航
在傳統的IP網(wǎng)絡(luò )中，所有的報文都無(wú)區地的等同對待，每個(gè)路由器對所有的報文采用先入先出的策略（FIFO）處理，它盡最大的努力（Best-Effort）將報文送到目的地，見(jiàn)圖1。
為了實(shí)現QoS，需要改變傳統IP網(wǎng)絡(luò )的FIFO隊列傳輸報文機制，轉而采用優(yōu)先級隊列（Priority Queueing, PQ）機制，見(jiàn)圖2。
PQ機制對報文進(jìn)行分類(lèi)，將所有報文分成最多至4類(lèi)，分別屬于PQ的4個(gè)隊列中的一個(gè)。然后，按報文的類(lèi)別將報文送入相應的隊列。PQ的4個(gè)隊列分別為高優(yōu)先隊列、中優(yōu)先隊列、正常優(yōu)先隊列和低優(yōu)先隊列，它們的優(yōu)先級依次降低。在報文出隊的時(shí)候，PQ首先讓高優(yōu)先級隊列中的報文出隊并發(fā)送，直到高優(yōu)先隊列中的報文發(fā)送完，然后發(fā)送中優(yōu)先隊列中的報文。同樣，直到發(fā)送完，然后是正常優(yōu)先隊列和低優(yōu)先隊列。這樣，分類(lèi)時(shí)屬于較高優(yōu)先級隊列的報文將會(huì )得到優(yōu)先發(fā)送，而較低優(yōu)先級的報文將會(huì )在發(fā)生擁塞時(shí)被較高優(yōu)先級的報文搶先。使得實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（如Video）的報文能夠得到優(yōu)先處理，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（如E-mail）的報文在網(wǎng)絡(luò )處理完實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)后的空閑中得到處理。既保證了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先，又充分利用了網(wǎng)絡(luò )資源。
當前的IP協(xié)議能夠支持三種QoS模型，見(jiàn)表1。
Best-Effort是一個(gè)單一的服務(wù)模型，也是最簡(jiǎn)單的服務(wù)模型。應用程序可以在任何時(shí)候，發(fā)出任意數量的報文，而且不需要事先獲得批準，也不需要通知網(wǎng)絡(luò )。對Best-Effort服務(wù)，網(wǎng)絡(luò )盡最大的努力來(lái)發(fā)送報文，但對時(shí)延、可靠性等性能不提供任何保證。 Best-Effort服務(wù)是現在Internet的缺省服務(wù)模型，它適用于絕大多數網(wǎng)絡(luò )應用，如FTP、E-mail等，它通過(guò)先入先出（FIFO）隊列來(lái)實(shí)現。
Intserv是一個(gè)綜合服務(wù)模型，它可以滿(mǎn)足多種QoS需求。這種服務(wù)模型在發(fā)送報文前，需要向網(wǎng)絡(luò )申請特定的服務(wù)。這個(gè)請求是通過(guò)信令（Signal）來(lái)完成的。傳送QoS請求的信令是RSVP（資源預留協(xié)議），它將應用程序的QoS需求通知給路由器。應用程序首先通知網(wǎng)絡(luò )它自己的流量參數和需要的特定服務(wù)質(zhì)量請求，包括帶寬、時(shí)延等。應用程序一般在收到網(wǎng)絡(luò )的確認信息，即網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)為這個(gè)應用程序的報文預留了資源后，發(fā)送報文。而應用程序發(fā)出的報文應該控制在流量參數描述的范圍內。
網(wǎng)絡(luò )在收到應用程序的資源請求后，執行資源分配檢查（Admission Control），即基于應用程序的資源申請和網(wǎng)絡(luò )現有的資源情況，判斷是否為應用程序分配資源。一旦網(wǎng)絡(luò )確認已經(jīng)為應用程序的報文分配了資源，則只要應用程序的報文被控制在流量參數描述的范圍內，網(wǎng)絡(luò )就會(huì )承諾滿(mǎn)足應用程序的QoS需求。而網(wǎng)絡(luò )將為每個(gè)流（Flow，由兩端的IP地址、端口號、協(xié)議號確定）維護一個(gè)狀態(tài)，并基于這個(gè)狀態(tài)執行報文的分類(lèi)、流量監管（Policing）、排隊及其調度，來(lái)滿(mǎn)足對應用程序的承諾。
Diffserv是一個(gè)多服務(wù)模型，它可以滿(mǎn)足不同的QoS需求。與Intserv不同，它不需要信令，即應用程序在發(fā)出報文前，不需要通知路由器。對Diffserv，網(wǎng)絡(luò )不需要為每個(gè)流維護狀態(tài)，它根據每個(gè)報文指定的QoS，來(lái)提供特定的服務(wù)。可以用不同的方法來(lái)指定報文的QoS，如IP包的優(yōu)先級位（IP Precedence)、報文的源地址和目的地址等。網(wǎng)絡(luò )通過(guò)這些信息來(lái)進(jìn)行報文的分類(lèi)、流量整形、流量監管和排隊。
通常在配置Diffserv時(shí)，邊界路由器通過(guò)報文的源地址和目的地址等對報文進(jìn)行分類(lèi)，對不同的報文設置不同的IP優(yōu)先級，而其他路由器則只需要用IP優(yōu)先級位來(lái)進(jìn)行報文的分類(lèi)。
IP組播：使視頻廣播成為可能
IP組播技術(shù)允許源IP主機將IP信息包發(fā)送到IP網(wǎng)絡(luò )上的任意一組目標主機上，可以有效地解決單點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收、多點(diǎn)發(fā)送多點(diǎn)接收的問(wèn)題。在實(shí)際使用IP組播技術(shù)時(shí)，首先需要定義一個(gè)組播地址（Group Address），每個(gè)組播地址代表源IP主機與目的IP主機之間的一個(gè)會(huì )話(huà)（Session）。目的IP主機可以使用組播地址告訴路由器，該主機希望加入或退出那一個(gè)組播組，IP組播協(xié)議能初始化或終止從源IP主機到該目標IP主機的數據流。然后，源IP主機就可以使用組播地址發(fā)送分組。源IP主機可以不知道任何有關(guān)目的IP主機的信息，如IP目標主機在什么位置等，它只要知道組播地址即可。
由于組播地址資源非常有限，控制組播地址分配的IANA傾向于為特定網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的使用確定單獨的IP組播地址，也就是說(shuō)剩余的IP組播地址是以動(dòng)態(tài)的、合作的方式被整個(gè)網(wǎng)絡(luò )使用。組播應用要求有一個(gè)地址管理服務(wù)機制來(lái)管理和分配組播地址。目前組播應用有三種方法可以獲得組播地址，包括硬編地址、聲明地址、以及計算推導等等。
IP組播在實(shí)際應用中需要解決由于不同目的主機所處不同網(wǎng)絡(luò )環(huán)境而帶來(lái)的問(wèn)題。因特網(wǎng)是由許多網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)構成的一個(gè)世界范圍的大型網(wǎng)絡(luò )，而構成因特網(wǎng)的許多局部網(wǎng)絡(luò )之間，在數據傳輸速度、穩定性、可靠性等方面存在巨大的差異，同時(shí)因特網(wǎng)中發(fā)生擁塞的時(shí)間、地點(diǎn)也是隨機的、不可預測的。IP組播應用應能適應這樣不同的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，提供用戶(hù)滿(mǎn)意的組播服務(wù)。
當網(wǎng)絡(luò )不能滿(mǎn)足現有的數據發(fā)送速率時(shí)，單播應用可以使用傳送層的TCP協(xié)議來(lái)自動(dòng)調節數據發(fā)送速率（盡管較低的數據發(fā)送速度可能不滿(mǎn)足CBR需求），或者在應用層使用回饋循環(huán)機制來(lái)調節數據本身（如改變數據的分辨率、使用有損壓縮技術(shù)等）以達到降低數據發(fā)送速率的目的。而IP組播應用有多個(gè)目的主機，上述方法顯然不能照搬。首先不管是TCP協(xié)議還是回饋循環(huán)機制都要求目的主機向源主機匯報接收情況（如：數據丟失、傳送錯誤等），如果許多目的主機同時(shí)向發(fā)送者發(fā)出數據丟失報告，源主機很可能被一場(chǎng)嚴重的“應答報文風(fēng)暴”淹沒(méi)。同時(shí)一個(gè)組播組中，不同的目的主機其網(wǎng)絡(luò )帶寬和接收能力有很大的差異，如果發(fā)送者按照最低接收能力目的主機的要求來(lái)調節發(fā)送速度，那么它只能提供較差的服務(wù)。為解決上述問(wèn)題，人們提出了許多方法來(lái)支持異種目的主機，其中比較著(zhù)名的有應答報文抑制機制（如果一個(gè)接收者發(fā)現報文錯誤或丟失，它并不立即向發(fā)送者發(fā)送應答報文，而是等待一個(gè)隨機時(shí)間，在這段時(shí)間內如果監聽(tīng)到別的接收者向發(fā)送者發(fā)送報文出錯應答，就不再發(fā)送應答報文，否則該接收者向發(fā)送者發(fā)送報文出錯應答），和設立托管節點(diǎn)機制（將網(wǎng)絡(luò )中的部分目的主機設計成局部托管節點(diǎn)，作為源主機和本局部網(wǎng)絡(luò )所有目 的主機之間的橋梁和中轉站。托管結點(diǎn)可以對出錯的報文進(jìn)行重發(fā)，也可以對源主機發(fā)來(lái)的組播包進(jìn)行重新編碼，以降低數據傳送速率，還可以向源主機發(fā)送應答報文）。
圖1 傳統IP網(wǎng)絡(luò )傳輸報文模式
圖2 PQ傳輸示意圖
賽迪網(wǎng)
中國信息化(industry.ccidnet.com)
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