发信人: titi (小宝), 信区: ECE
标  题: ATM 技 术 实 现 多 媒 体 应 用 
发信站: 紫丁香 (Thu Aug 28 09:58:20 1997)

 


ATM 技 术 实 现 多 媒 体 应 用 
齐 丽 红 唐 福 华 编 译 


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一、 引 言
       由 于 视 听 应 用 的 实 时 特 性， 网 络 必 须 确 保 严 格 的 
服 务 质 量(QoS) 要 求， 如 吞 吐 量、 延 迟 颠 簸 以 及 传 统 的 无 
连 接 数 据 的 传 送 等。 星 型 网 状 拓 扑 结 构 的 异 步 传 送 模 
式 局 域 网(ATM LAN) 对 每 个 终 端 的 带 宽 分 配 的 支 持 比 共 享 
媒 体 网 络 更 加 有 效。 采 用 这 种 星 型 ／ 网 状 拓 扑 结 构，通 
过 互 连 多 个 交 换 机， 可 任 意 提 高 整 个 网 络 的 带 宽，而 每 
个 终 端 接 口 的 速 度 及 成 本 保 持 不 变。ATM 交 换 机 可 提 供 
优 先 级 控 制 和 带 宽 预 分 配 的 基 本 功 能。 因 此， 当ATM LAN 
支 持 多 媒 体 综 合 业 务 时， 将 会 提 供 许 多 有 利 的 因 素。 
       然 而， 在 充 分 利 用ATM 技 术 实 现 多 媒 体 应 用 时， 必 
须 考 虑 以 下 几 个 技 术 问 题： 

       (1) 在 确 保QoS 的 前 提 下， 即 使 在 多 个ATM 子 网 络 上 没 
有 任 何 中 间 路 由 器 的 情 况 下，如 何 提 供 无 缝 隙 的ATM 连 接， 
同 时 支 持 与 传 统 网 络 层 协 议 的 兼 容 性。 

       (2) 如 何 应 用 适 当 的ATM 通 信 管 理 功 能 确 保 各 种 多 媒 
体 应 用 的QoS。 

       (3) 如 何 为 实 际 多 媒 体 应 用 提 供 有 效 的ATM 应 用 程 序 
接 口。 

二、 面 向ATM 的 多 媒 体 网 络 控 制
       为 了 解 决 上 述 技 术 问 题， 须 采 用 一 种 新 型 连 接 管 理 
和 新 型 通 信 管 理 的 方 案。 该 方 案 可 由ATM 测 试 台 系 统 进 行 
模 拟 验 证， 通 常 被 称 作ATM 上 的 点 播 多 媒 体(Mltimedia on demand)。 
它 是 采 用 新 型 多 媒 体 应 用 程 序 接 口 实 现 的。 
       1. 连 接 管 理 方 案 

       ATM 是 一 种 面 向 连 接 的 协 议， 它 有 两 个 不 同 的 阶 段： 
连 接 建 立 阶 段 和 数 据 传 送 阶 段。 连 接 管 理 方 案 涉 及 连 接 
建 立 期 间 能 达 到 的 路 由 选 择 和 网 络 互 连 性 能 两 个 方 面。 
在 原 来 的ATM LAN 模 型 中，ATM 子 网(LIS A、LIS B 和LIS C) 被 路 由 
器 分 开， 并 端 接 于VCC( 虚 拟 连 接)。 基 于ATM 地 址 的 路 由 选 择 
由ATM 交 换 机 在 连 接 建 立 阶 段 执 行， 而 基 于 网 络 层 地 址 的 
路 由 选 择 是 在 数 据 传 送 阶 段 由 路 由 器 完 成 的。 因 此， 该 
模 型 不 能 提 供 多 个ATM 子 网 上 的 端 － 端ATM 连 接， 也 不 能 提 
供 高 吞 吐 量 的 数 据 传 输， 不 能 保 证 所 需 的QoS， 这 就 无 法 
满 足 多 媒 体 数 据 连 网 的 需 要。 为 此， 应 当 采 用 端 － 端 方 
式， 而 不 是 端 接 于 中 间 路 由 器 的 方 案， 甚 至 在 多 个ATM 子 
网 不 端 接 的 情 况 下 实 现VCCD。 这 是 一 种 新 型 的 寻 址 模 型 
— — 网 关 模 型。 

       网 关 模 型 具 有 下 特 点： 

       (1) 端 － 端 连 接 能 力。 像WATM( 广 域ATM) 子 网 模 型 和 同 
级 模 型 一 样， 它 提 出 的 策 略 通 过 信 源 与 目 的 间 的 端 － 端 
连 接 能 够 提 供 吞 吐 量 高 的 数 据 传 送。 

       (2) 连 接 建 立 延 迟 短。 由 于 使 用 分 布 式ARP( 地 址 转 换 
协 议) 功 能， 因 此 它 提 出 的 策 略 能 够 降 低 ARP 延 迟。 该 延 迟 
几 乎 等 于 同 级 模 型 的 延 迟。 它 适 用 于 延 迟 敏 感 的 点 播 应 
用。 

       (3)UNI( 用 户 － 网 络 接 口) 兼 容 性。 除 了 连 接 建 立 消 息 
被 扩 展 为 包 含 网 络 层 协 议 地 址 外， 它 提 出 的 方 案 具 有 几 
乎 与 当 前 标 准UNI 的 经 典 的IP 模 型 相 同 的 兼 容 性。 因 此， 它 
对 当 前 标 准 的UNI 影 响 不 大。 

       (4) 路 由 选 择 处 理 时 间 合 理。 在 提 出 的 策 略 中， 在 连 
接 建 立 阶 段， 和 经 典 的IP 模 型 一 样， 它 有 两 种 路 由 选 择 协 
议 必 须 同 时 工 作。 由 于 多 协 议 功 能 仅 存 在 于 网 关ATM 交 换 
机 上， 因 此， 提 出 策 略 的 处 理 量 几 乎 等 同 于 经 典 的IP 模 型。 

       (5) 同 一LIS 中 主 机 配 置 简 单。 在 提 出 的 策 略 中， 由 于 
目 前 标 准 的ATM 地 址 用 于 同 一LIS 中， 因 此，每 个 主 机 地 址 不 
必 考 虑 其 在LIS 中 的 位 置。 

       (6) 安 全 性 良 好。 在 提 出 的 策 略 中， 与 同 级 模 型 一 样， 
用 网 络 层 地 址 及ATM 地 址 只 在 网 关ATM 交 换 机 上 的 连 接 建 立 
阶 段 实 现 呼 叫 筛 选。 就 扩 展 的 安 全 控 制 而 言， 上 层 服 务 存 
取 点， 如 传 送 层 服 务ID， 也 可 描 述 为 信 令 消 息 中 的 呼 叫 筛 
选 监 视， 如 图1 所 示。 

       它 提 出 的 寻 址 方 案 由 传 送 网 关 交 换 机 的ATM 地 址 和 目 
的 网 络 层 地 址 指 定 的 路 由 选 择 路 径。 这 种 寻 址 模 型 能 提 
供 从 吞 吐 量 的 大 小 和QoS 的 需 求 两 方 面 克 服 多 个ATM 子 网 上 
路 由 器 互 连 缺 陷 的 VCC。 为 了 实 现 其 寻 址 模 型， 需 扩 展 标 
准 信 令 ／ 路 由 选 择。 

       2. 通 信 管 理 方 案 

       ATM LAN 不 仅 能 提 供 现 行 的LAN 数 据 业 务 而 且 也 能 提 供 
多 媒 体 业 务， 如 图 像 传 送、 可 视 化 和 实 时 声 像 传 送 等。 为 
了 提 供 如 此 多 样 化 的 业 务，ATM LAN 必 须 为 具 有 不 同QoS 和 不
 同 通 信 控 制 要 求 的 三 种 类 型( 最 有 效 类 型、 保 证 突 发 类 
型 和 保 证 流 量 类 型) 分 别 提 供 不 同 通 信 级 别 的 支 持。 在LAN 
及Internet 环 境 的 通 信 控 制 方 案 中， 采 用 预 防 性 拥 塞 控 制( 
如 呼 叫 许 可 控 制 和 使 用 参 数 控 制) 仍 不 能 获 得 高 性 能， 原 
因 是 对 于 网 络 来 说， 仅 利 用 用 户 提 交 的 信 源 通 信 参 数( 如 
平 均 速 率 和 突 发 持 续 时 间) 来 预 测QoS 是 很 困 难 的。 因 此， 
为 了 简 化 通 信 管 理， 提 出 基 于 上 述 三 种 不 同 类 型 的 自 适 
应 拥 塞 控 制。 
       保 证 流 量 类 型 处 理 数 据 通 信， 如 视 频 和 音 频。 该 类 
型 仅 受 分 配 在 一 个 呼 叫 建 立 的 峰 值 速 率 带 宽 的 控 制。 由 
于 最 有 效 的 类 型 与 保 证 突 发 类 型 通 信 分 别 在 信 元 级 和 突 
发 级 上 统 计 复 用， 故 这 两 种 类 型 都 需 要 自 适 应 拥 塞 控 制。 
最 有 效 的 类 型 处 理 传 统 的 计 算 机 通 信 服 务， 如TCP ／IP。 在 
这 种 类 型 中， 曾 提 出 一 种 自 适 应 端 － 端 峰 值 速 率 控 制 与 
链 路 － 链 路 后 压 控 制 相 结 合 的 方 案。 用 反 馈 控 制 信 息 进 
行 速 率 控 制， 最 最 有 前 途 的 自 适 应 拥 塞 控 制 方 法 之 一， 
目 前ATM LAN 论 坛 对 此 正 在 加 紧 研 究。 后 压 控 制 和 基 本 速 率 
的 控 制 相 结 合， 以 解 决 使 用 基 于 速 率 控 制 时 出 现 的 超 载 
状 态 中 的 信 元 丢 失 问 题。 
       另 一 方 面， 突 发 类 型 处 理 高 速 文 档 传 送 应 用 程 序。 
在 这 种 类 型 中， 我 们 提 出 一 种 方 法， 用 高 速 预 留 协 议(FRP) 
只 预 留 每 个 突 发 传 送 峰 值 带 宽。 一 旦 在 网 络 中 预 留 一 个 
峰 值 带 宽， 整 个 突 发 传 输 期 间 就 不 会 出 现 信 元 丢 失。 为 
此， 需 增 强FRP(“ 自 适 应FRP”)， 以 使 用 户 通 过 自 适 应 调 整 
峰 值 带 宽， 来 预 留 每 个 突 发 的 带 宽， 以 缓 解 网 络 拥 塞。 

       3.ATM 上 的 点 播 多 媒 体 

       分 布 式 服 务 器 和 客 户 多 媒 体 系 统 是 作 为 一 种 原 型 
系 统 开 发 的， 被 称 作“ATM 上 的 点 播 多 媒 体 ”。 它 是 为 了 集 
成 提 出 的 控 制 结 构 与 点 播 多 媒 体 应 用。 该 系 统 代 表 了ATM 
LAN 特 性 和 多 媒 体 应 用， 例 如， 基 于 工 作 站 的 分 布 式 多 媒 
体 文 档 处 理 和 家 庭 终 端， 以 及 基 于 数 字 化 电 视 的 娱 乐 或 
信 息 检 索。

       (1) 原 型 系 统 概 况 实 验 性 点 播 多 媒 体 系 统 的 软 硬 件 
结 构 如 图2 所 示。 该 应 用 软 件 设 计 的 基 本 概 念 是 允 许 任 何 
用 户 的 多 媒 体 文 档 与 连 在 高 速 网 络 上、 位 于 远 程 服 务 器 
上 的 视 频( 或 图 像) 多 媒 体 文 档 链 接。 因 此， 避 免 了 用 户 传 
输 和 存 储 大 型 的 多 媒 体 文 档， 且 只 检 索 需 要 观 察 或 需 要 
处 理 的 文 档 内 容。 也 就 是 说， 用 户 能 够 从 几 个 远 程 多 媒 体 
服 务 器 上 按 需 要 检 索 视 频 和 音 频 的 信 息。 这 种 应 用 也 将 
采 用 灵 活 的、 面 向 对 象 的 方 法 来 建 立。 面 向 对 象 的 方 案 
构 建 点 播 多 媒 体 应 用 接 口( 界 面) 提 供 了 非 常 好 的 灵 活 性。 
此 外， 它 还 提 高 了 多 媒 体 信 息 的 有 效、 高 质 量 的 网 络 传 送。 
       这 种 实 验 型 原 型 系 统 采 用 专 用 的 寻 址 ／ 路 由 选 择 ／ 
信 令 和 拥 塞 控 制 的 高 速(2.4Gbps)ATM 交 换 机， 工 作 站 上 的 应 
用 软 件 可 在 存 取 在 几 个 多 媒 体 服 务 器 上 存 储 的 视 频 ／ 图 
像 信 息。 目 前 的 系 统 是 由 以 下 几 个 关 键 单 元 模 块 组 成 的： 

XATOM 结 构 的ATM 交 换 机 

带JPEG 压 缩 板 和ATM 接 口 的Unix 工 作 站；

ATM 寻 址 ／ 路 由 选 择 ／ 信 令 和 拥 塞 控 制；

供 分 布 式 多 媒 体 文 档 和 点 播 视 频 使 用 的 应 用 软 件； 

建 立 与 其 他 单 元 模 块 间 联 系 的 多 媒 体 应 用 接 口。
       (2)ATM LAN 交 换 机 原 型 系 统 采 用 几 个 基 于 可 扩 展 的
ATOM(XATOM) 交 换 结 构 方 式 的NEC ATM 交 换 机， 它 是 由 输 出 缓 冲 
器 交 换 机 与 可 扩 展 的 输 入 缓 冲 器 组 合 而 成。 为 了 避 免 输 
出 缓 冲 器 上 的 信 元 丢 失， 并 简 化 信 元 传 输 调 度 的 执 行， 
在 输 入 与 输 出 缓 冲 器 之 间 应 用 了 一 种 内 部 后 压 机 制。 交 
换 机 具 有16 ×100( 或155)Mbps 端 口， 总 吞 吐 量 为2.4Gbps。 该 系 
统 执 行ATM 论 坛 关 于 信 元 格 式 化 等 标 准， 并 带 有 一 个 有SPARC 
处 理 器 的 控 制 端 口， 用 以 执 行 信 令 ／ 路 由 选 择 ／ 拥 塞 控 
制 功 能。 
       (3) 工 作 站 平 台 标 准Sun SPARC －10 工 作 站 用 作 该 演 示 系 
统 的 平 台， 用 在 终 端 和 多 媒 体 文 档 服 务 器 端。 每 台 工 作 站 
都 装 配 有 支 持AAL5 的 原 型ATM 接 口 卡。 为 了 实 现 端 － 端 的 高 
吞 吐 量( 约10 0Mbps)， 原 型ATM 接 口 卡 支 持 一 种 无 拷 贝 的 体 系 
结 构， 它 能 把ATM 信 元 直 接 传 送 到 操 作 系 统 中 的 主 存 储 器 
空 间。 此 外， 客 户 终 端 工 作 站 配 有Parallax XVideo 卡( 即JPEG 卡)， 
它 们 用 视 频 ／ 图 像 的 编 码 和 解 码。 两 种 工 作 站 都 在Sun 
Solaris 2.3 和X －Windows 操 作 系 统 环 境 下 运 行。 

       (4)ATM 寻 址、 路 由 选 择、 信 令 和 拥 塞 控 制 原 型 系 统 作 
为 一 个 网 络 层 协 议 支 持ATM 上 的IP 协 议。 为 了 支 持 网 关 模 型 
寻 址 方 案， 它 扩 展 了 信 令 和 路 由 选 择 以 便 处 理ATM 地 址 和IP 
地 址。 假 设 每 个ATM 交 换 机 作 为 网 关ATM 交 换 机 运 行， 则 给 它 
们 分 配 有 不 同 的IP 子 网 号。 在 目 前 的 系 统 中， 每 个 网 关ATM 
交 换 机 通 过 相 邻ATM 交 换 机 匹 配 来 识 别 其 子 网 区 域， 并 由ILMI 
地 址 登 录 来 检 测ATM 终 端 位 置。 网 关ATM 交 换 机 上 的ARP 表 是 
由 这 个ILMI 地 址 表 独 立 配 置 的。 

       依 照NNI 路 由 选 择 方 案， 尽 管 在 这 些ATM 交 换 机 中 已 经 
实 现 了 基 于ATM 地 址 的 链 路 状 态 路 由 选 择 协 议， 但 也 只 执 
行 了 简 单 的 距 离 向 量IP 路 由 选 择 协 议， 而 不 是 链 路 状 态IP 
路 由 选 择 协 议， 因 此， 每 台ATM 终 端 都 能 根 据 提 出 的 信 令 
方 案 按 转 发 器 的 顺 序 实 现 与 所 需QoS 的 连 接， 并 由 下 一 个 
转 发 器 传 送 网 关ATMA 地 址 和 目 的IP 地 址， 来 规 定 路 由 选 择 
的 路 径。 原 型 系 统 已 经 支 持 保 证 突 发 类 型 中FRP( 高 速 预 留 
协 议) 的 自 适 应 速 率 控 制， 因 为 目 前 点 播 多 媒 体 方 案 中 的
ATM 通 信 是 以 服 务 器 到 客 户 终 端 的 大 量 突 发 信 息 流 为 特 征 
的。 这 种 控 制 是 作 为 一 种 信 令 消 息 实 现 的， 而 不 是 作 为FRP 
所 使 用 的 专 用ATM 层 管 理 信 元 — —“FRM” 实 现 的。 带 宽 分 配 
算 法 基 于FCFS(Fist Come Fist Serve — 先 来 先 服 务) 把 现 有 的 峰 
值 位(Bit) 速 率 分 配 给 突 发 信 息 流， 并 阻 塞 那 些 可 能 超 出 交 
换 机 端 口 容 量 的 信 息。 
       原 型 系 统 中 执 行 的 控 制 功 能 在 查 询 负 载 发 生 器 工 作 
站(Sun SPARC station 2) 之 前 已 得 以 证 实。 每 个 负 载 发 生 器 程 
序 能 生 成 具 有 可 选 突 发 长 度 和 两 次 突 发 到 达 时 间 间 隔 参 
数 的 高 达40Mb ps 的 通 信。 高 达75Mbps 的 附 加CBR(Continuous bit rate 
— 连 续 位 率) 通 信 负 载 经 过 控 制 端 口 注 入 一 个 信 元， 然 后 
用 交 换 机 中 具 有 的 回 送 机 制 来 提 供。 

三、 ATM 的 多 媒 体 应 用
       1. 多 媒 体 应 用 软 件 

       在 客 户 终 端， 一 个 多 媒 体 文 档 被 分 解 成 媒 体 码 元( 即 
对 象)， 每 个 码 元 由 自 己 的 图 像 和 控 制 目 标 基 来 处 理。 每 
个 对 象 通 过 扩 展TCL ／TK 脚 本(Script) 语 言 来 实 现， 以 处 理 视 
频 和 音 频 信 息。 一 个 控 制 路 径 和 另 一 个 数 据 路 径 在 服 务 
器 和 客 户 之 间 是 分 开 建 立 的。 控 制 路 径 与 多 媒 体 服 务 器 
中 每 个 媒 体 的 位 置 下 标 相 关 联， 而 检 索 是 通 过 与 存 储 器 
地 址 索 引、 存 储 器 位 置 等 参 数 的 转 换 来 实 现 的。 根 据 一 
个 媒 体 单 元 的 位 置， 用 适 当 的QoS 需 求 参 数 来 建 立 一 个 独 
立 的 数 据 路 径， 而 信 息 被 传 送 到 正 在 显 示 多 媒 体 文 档 的 
客 户 终 端。 此 外， 一 种 简 单 的 群 件(Groupware) 功 能 也 被 加 入 
到TCL ／TK 脚 本 中， 以 便 于 几 台 终 端 能 够 通 过 向 主 机 群 发 
送 一 条 消 息 而 共 享 相 同 的 点 播 多 媒 体 视 窗。 这 种 群 件 功 
能 适 用 于 教 学 和 培 训 工 具。 

       在 目 前 的 实 现 中， 压 缩 的NTSC( 美 国 电 视 标 准 码) 质 量
(640 ×480 像 素)JPEG 视 频 图 段 被 存 储 在 服 务 器 上， 而 且 可 通 
过 一 个 多 媒 体 文 档 或 一 个 点 播 视 频 对 话 加 以 存 取。 存 储 
在 同 一 磁 盘 上 的 高 分 辨 率 未 压 缩 的 图 像 文 档( 最 高 分 辨 率 
一 般 是4K ×4K) 可 用 于 多 媒 体 文 档 的 检 索。 在 实 际 应 用 时， 
从 六 台Sun 工 作 站 中 存 取 多 媒 体 服 务 器 没 有 出 现 质 量 降 低 
的 情 况， 每 秒 约 为30 帧， 相 当 于 普 通 电 视 画 面 的 质 量 水 平。 
       2. 多 媒 体 应 用 接 口 

       目 前 的 传 送 协 议( 如TCP) 可 用 于 某 些 多 媒 体 应 用， 但 
这 些 协 议 严 重 受 制 于 通 用 高 速 网 络 环 境。 它 包 括 缺 乏 专 
用 多 媒 体QoS 支 持、 基 于 窗 口 的 流 控 制 和 缓 慢 的 执 行 速 度 
等。 当 涉 及 处 理 音 频、 视 频 ／ 图 像 数 据 的 应 用 时， 则 大 多 
提 供 为 流 量 类 型 信 源 设 计 的QoS 和 流 控 制 特 征， 同 时 也 提 
供 比TCP 更 快 的 执 行 速 度。 目 前 的 执 行 包 括 一 种 用 于 不 同 
媒 体 的 可 选QoS 任 选 项( 如 峰 值 带 宽) 的 原 型 多 媒 体 传 送 协 
议(MTP) 在MTP 层 中， 在 没 有 任 何 说 明 应 用 的 情 况 下， 为 了 自 
动 识 别 每 个 应 用( 视 频 ／ 音 频) 的 通 信 类 型 及 其QoS， 正 在 开 
发ATM 服 务 管 理 程 序， 以 便 动 态 监 控 通 信， 选 择 通 信 类 型， 
并 有 效 重 新 分 配 参 数。 因 此， 这 些 应 用 不 需 要 知 道 通 信 
类 型 和 所 需 带 宽。 须 注 意 的 是， 该 原 型 系 统 只 包 括 部 分MTP 
执 行， 因 为QoS 映 射 和 流 控 制 特 征 仍 处 于 研 讨 和 实 验 阶 段。 
       在ATM 网 络 接 口 中， 信 令 协 议 可 获 得 每 个 应 用 的 终 端 
地 址， 如 果 没 有 相 关 的 连 接， 还 需 建 立 一 个 连 接。 它 用 基 
于 突 发 — 突 发(Burst －by －Burst) 的 方 法 获 取MTP 协 议 声 明 的 
每 个 应 用 的 通 信 参 数。 它 可 以 重 新 分 配 相 应 连 接 的 带 宽。 
然 后， 信 源 就 直 接 或 通 过VCC 用IEE E 802.2 LLC/SNAP 封 装 发 送 数 
据 包。 

       如 上 所 述， 原 型 系 统 应 用 软 件 仍 需 在 功 能 和 性 能 上 
加 以 改 进。 应 用 软 件 的 未 来 改 进 计 划 包 括 进 一 步 提 高 吞 
吐 量、 媒 体 同 步、 量 化 的QoS 支 持、 速 率 自 适 应 和 良 好 的 错 
误 恢 复/ 取 消 等。 

四、 结 束 语
       ATM 的 高 速 传 输 特 性 为 实 现 宽 频 带 业 务 提 供 了 技 术 
支 持， 并 为 其 网 上 实 现 多 媒 体 应 用 提 供 了 一 个 良 好 的 环 
境。ATM 交 换 系 统 的LAN 仿 真， 解 决 了ATM 交 换 系 统 与 传 统 型 
网 络 及 其 应 用 的 兼 容 性， 这 是ATM 之 所 以 成 功 的 一 大 关 键。 
       目 前， 多 媒 体 应 用 仅 局 限 于 局 域 网 上。 随 着 信 息 流 
量 的 急 剧 增 加 和 新 一 代 视 频 应 用 的 推 广， 国 内 一 些 单 位 
开 始 在 其 区 域( 如 校 园) 主 干 网 上 采 用ATM 交 换 技 术， 研 究 
与 开 发 多 媒 体 应 用。 

       随 着ATM 技 术 的 日 益 成 熟 和 标 准 化 的 制 定 与 统 一， 用
ATM 技 术 实 现 多 媒 体 普 及 应 用 的 前 景 非 常 广 阔， 并 将 向 分 
布 式 多 媒 体 计 算 环 境 发 展。 这 是 当 今 通 信 网 络 技 术 发 展 
的 一 大 方 向。 


   


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