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发信人: superman (☆风雨无阻☆), 信区: Network
标 题: [转载] ATM 技 术 实 现 多 媒 体 应 用
发信站: 紫 丁 香 (Sat Aug 29 07:40:10 1998), 站内信件
【 以下文字转载自 cnnetwork 讨论区 】
【 原文由 Air_Garden@bbs.ustc.edu.cn 所发表 】
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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