《视频流量分析与QoS管理》黄天云著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《视频流量分析与QoS管理》

【作　者】黄天云著

【页 数】 218

【出版社】 成都：电子科学大学出版社 , 2013.03

【ISBN号】978-7-5647-1422-2

【价 格】45.00

【分 类】数据通信-视频信号

【参考文献】 黄天云著. 视频流量分析与QoS管理. 成都：电子科学大学出版社, 2013.03.

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图书目录：

《视频流量分析与QoS管理》内容提要：

本书研究了常见的视频流量模型、典型的视频流量管制和整形算法，以及速率-失真理论在流视频传输中的应用。

《视频流量分析与QoS管理》内容试读

第一章QoS参数定义和网络控制

近年来，随着终端业务的不断发展，引入了多种新的媒体服务，这使得网络流量管理和服务质量QoS(Quality of Service)变得越来越重要。因为对包括文本、图

像、音频、视频在内的综合媒体服务，要提供这些业务所需的Q0S是一项具有挑战

性的工作。P和ATM都从不同角度对流量管理和服务质量进行研究，力图提供相

应的解决方案以迎接新的用户业务的挑战。本章首先讨论QoS参数的一般定义和参考模型，在此基础上分析P和ATM网络是如何提供不同业务的QoS保证的。目的

是为以后章节研究MPEG视频流在IP和ATM网络的传输作一个铺垫。相关的参考

文献和文档，读者可以从ETF的RFC或ATM的正式文档得到：

1.1Q0S参数定义和网络映射

1.1.1QoS参数定义的参考模型

标准从终端用户的角度提出了基于端到端的QoS参数定义(End to End QoS)。这是从用户应用的交互性而言的。它可能包含多个网络，每个网络可能包含多个节点。而每个网络因交换、复用、传输等都会引入时延、丢失、差错，这些均会影响

第

到端到端的QoS。网络节点的输入输出链路的拥塞、缓冲争用也会导致丢失和时延

章

等，如图1.1所示。

Network A

End

Network B

Server

User

参数定义和

Node 1 QoS

Node N QoS

Network A QoS

Network B QoS

络控制

End to End QoS

图1.1QoS参数定义参考模型

因此，不论是网络还是节点，都可能需要实施一定程度的流量整形方案来最小

化网络延迟变化或数据丢失。对终端用户而言，他们所能看到的只是端到端的Q0S,

但也可能需要在入口级上进行流量管制，以保证输入的流量与预先协商的QoS参数

。1。

相一致。

1.1.2网络特性向QoS参数的映射

表1.1列出P和ATM网络中相应的网络特性对QoS参数的影响。

可以看出，受P路由器和ATM交换机影响最大的QoS参数可归结为：因缓冲溢出而导致的时延(Delay)、时延变化(Delay Variation)、丢失率(Loss)。而传输的数据包或信元的位差错和突发差错(Bit and burst errors)可能会导致随机差错(Random Errors)或信元误插(Misinsertion),从而引起差错倍增。数据包或信元穿越的网络节点越多，越可能造成QoS质量的下降(Degeneration)。所有的网络特性都会或多或少地影响到最终的端到端QoS,即终端表示质量QoP(Quality of

Presentation)。

表1.1网络特性向QoS参数的映射

Random

Characteristic

Delay

Delay Variation

Loss

Misinsertion

Errors

Propagation Delay

Switch/router queuing architecture

Switch/router link rate

Packet Size

Switch/router buffer capacity

Switch/router resource allocation

Variations in traffic load

Switch/router and link failures

Bit and burst errors

视频流量分析与

Number of switches/routers traversed

1.2IP和ATM网络的QoS参数定义

篷

1.2.1ATM网络的OoS参数定义

ATM论坛UNI4.0流量管理规范定义如何在用户/网络接口UNI上协商特定的

QoS性能参数。表1.2是ATM标准定义在ATM层(ATM Layer)的部分QoS参数。表1.2最后一列表明用户是否可以与网络就相应的Qo$参数进行协商。不能协商的部分在网络交换节点中隐式(Implicit)地实施。读者可以参考TU-T建议I.3562、

I.610以获得QoS参数更详细的定义。

。2

表1.2ATM网络的QoS参数定义

QoS Acronym

QoS Parameter Name

Negotiated?

Peak-to-peak CDV

Cell Delay Variation

Yes

Max CTD

Maximum CTD

Yes

CLR

Cell Lose Ratio

Yes

CER

Cell Error Ratio

No

SECBR

Severely Erred Cell Block Ratio

No

CMR

Cell Misinsertion Rate

No

ATM允许应用以两种不同的方式来协商QoS参数。首先，PVC或SVC应用可能需要某种服务类型（如：CBR,rt-VBR,nrt-VBR,UBR或ABR等）。另一种则在UNI4.0中定义，它允许应用通过信令(Signaling)传送来显式(Explicit)地定义表1.1中规定的某个或几个QoS参数。表1.3是I356对三种不同的QoS等级的定义。

QoS等级1是为满足具有严格要求的CBR业务需求而定义的：QoS等级2的应用不对信元丢失优先级CLP进行区分：QoS等级3的应用则对CLP-0(高优先级)的信元提供可保证的服务GS(Guaranteed Service),对CLP-l(低优先级)的信元则不作任何保证，除非网络还有可用资源以传输优先级为1的信元。这特别适合于

MPEG-2中的二级VBR编码技术。后面将根据此思想建立MPEG视频的面向对象

的分层视频编码及多优先级传输方案。

表1.3I.356的QoS分级及性能指标

第

章

QoS Parameter

Notes

QoS Class 1

QoS Class 2

QoS Class 3

CTD

Mean value

400ms

Unspecified

Unspecified

CDV

10quantile

3ms

Unspecified

Unspecified

CLR(0+1)

Applies to CLP=0+1

3×107

105

Unspecified

CLR(O)

Applies to CLP=0

N/A

Unspecified

10-5

定义

CER

Upper Bound

4×106

4×106

4×106

CMR

Upper Bound

Once per day

Once per day

Once per day

网络控制

SECBR

Upper Bound

104

104

104

1.2.2P网络的QoS参数定义

ETF RFC2216定义了IP网络的QoS参数规范.表1.4列出在IETF的InteServ!模型下的两种不同的服务：可控负载CL(Controlled Load)和可保证服务GS(Guaranteed Service)下对应的QoS参数。这也在RFC2221、RFC2222中进行总结。

3

表l.4IP的InteServ模型下QoS参数规范和定义

QoS Parameter

Controlled Load

Guaranteed QoS

Automatically measured

Maximum Delay Variation

Not specified

Using Adspec

Little or no congestion loss,

Sufficient buffer required

Packet loss rate

Should be error-limited

for zero congestion loss

High percentage of packets

Minimum delay

Not specified

Do not exceed minimum delay

Little or no queuing delay over

Average delay

Not specified

Time frames greater than round-trip delay

与ATM的预分配方式相比，IP的QoS参数定义没有参考配置。在P中，应用

无法动态地改变已经与网络协商好的Q0S参数值，除非重新进行协商。当然，也可

以实施相应的流量控制算法，如闭环控制策略来进行反馈，以获得可接受的QoS性

能。可保证服务GS定义了端到端的最大允许时延、时延变化和缓冲需求，因此所

有网络节点都可以保证数据传输过程中零排队丢失率。实时应用可以利用GS的最

大时延变化以保证可进行连续回放(Playback),避免造成接收缓冲的上溢和下溢。RFC2005~2216已经定义了RSVP),作为IP网络中资源预留和保证应用所需QoS的协议。

1.2.3IP和ATM网络的QoS参数规范对比

ATM是基于源端初始化连接（硬状态—Hard State),因此可为应用提供所需的QoS和带宽保证，无法接入的应用在准入阶段就已被拒绝。P通过RSVP进行资

视频流

源预留，RSVP是基于接收端进行初始化的（软状态一Soft State),网络中的交换节点或路由器不能都保证预留连接所需的所有资源，因而无法可靠保证用户应用的

分析

连接需求。相比而言，ATM在提供音频/视频或对网络性能敏感的业务上更显优势。

RSVP要求接收端周期性地刷新资源预留请求，而且资源预留和路由是独立进

行的，不能保证预留资源都恰好被利用；ATM则是在连接建立阶段同步进行的，因

篷

此可保证更有效地利用预留资源。

面向连接的ATM网络不能很好地支持已有的绝大多数P应用，然而可以通过

在主干网(Backbone)上实施ATM以获得更好的连接管理和资源预留。两者都存在

一定程度的可扩展性问题，因为资源预留是针对每条连接进行的，必须要采取某种形式的聚合以获得可扩展性，如表1.3中的QoS分级或ATM中的VP(虚通路)聚合。

ATM从1995年起就致力于为不同类型的业务提供QoS保证，IP的RSVP则直

。4

到1999年才正式成文。ATM标准曾经提及采取相应的QoS协商和资源预留机制，如基于ATM承载的IP数据传输(IP over ATM)等。然而，随着近年来媒体业务传输的研究更多地集中到P上，对ATM的QoS研究已经逐渐淡化。毕竟，实际应用己证明是成功并且日渐完善的P技术，比采用虽然有更严格的QoS规范，但却更复

杂、更难于实施的ATM网络，有更大的优势

1.3 IP QoS的几种主要体系结构对比

鉴于本书主要集中在对P流媒体传输的研究，因此以下对ET℉提出的几种主

要的QoS体系结构进行对比分析；并且.后面将讨论InteServ的可保证服务GS下的VBR视频流传输和DiffServ下的MPEG-4视频对象VO的优先级传输等。

可以从不同角度理解PQoS。ISO、ITU、IET℉分别给出不同的定义，其内涵不尽相同。由于P技术最早应用于互联网，所以ETF的关于PQoS的定义（即P

QoS是指IP层的QoS)在P技术研究领域得到了广泛的认可，其性能参数包括丢包率、吞吐量、传输时延、时延变化等。与IET℉关于PQoS的定义相比，ITU-T的IP QOS不单指网络层QoS,还包括应用层QoS,它从网络运营的角度来定义P

QoS,认为IP QoS存在于各个网络运营实体之间。而ISO的定义则更广泛，基于7

层协议模型，I$O认为各个网络层次之间、对等层次之间都存在服务和被服务关系，

因此就存在服务质量QoS的概念。所以，QoS不只局限于网络层和应用层，它存在

于网络的各个协议层次之间(ISO/IEC JTC1-SC21)。更进一步的研究则可以从用户、

ISP和网络营运商的角度进行分析。目前，从网络分析的角度，主要采用IET℉定义

第

的量化性能参数。为此，IETF建议了3种不同的服务模型：综合业务模型InteServ4刀、

章

区分业务模型DiffServ8-1o、多协议标识交换MPLST-14。

l.3.1综合业务模型InteServ

参

InteServ4强调为保证会话的QoS,所有的资源都必须预先保留。简化的InteServ

通信模型如下：应用向系统提交Q0S请求：系统决定是否有足够的资源以满足应用

衫

的请求。如果满足，则接受并为其分配相应资源：否则，拒绝请求或建议一个较低

络

的能够提供的QoS服务（此时，如果接受，则该应用在较低的QoS级别上执行）。可见，为保证QoS,系统必须提供以下几方面的机制：QoS规范、准入控制、QoS协商和再协商、资源分配和调度、流量管制。

1.3.1.1QoS规范

Q0S规范规定应用与系统在建立连接之前就相关参数如带宽、时延、时延变化

等进行协商的方式。对突发流量，可以定义均值速率、峰值速率、突发持续时间、突发容量等。规范要求在会话建立之前业务量参数必须在所有的子系统中协商一致，

·5

并且这些参数可以在不同的系统层次上进行映射。因此，QoS规范通常也被称为业务量描述(Traffic Characterization)。业务量描述定义网络可以发送的流量大小，它决定了是否支持某种业务的网络流量，网络可以据此对流量进行管制。好的业务量规范能够描述不同类型的流量，并能有效实施准入控制和流量管制。业务量规范包括：多参数描述和业务量整形(Traffic Shaping)。

1.多参数描述（规范）

研究表明，通过选择适当的参数，如：峰值速率、均值速率、位速率方差等，可以有效地对源流量进行描述。然而，很难用有限参数对输出排队的多个流量进行描述或性能分析，特别是多个具有较大突发性的VBR业务流量。随机过程，如Poisson过程或Markov链曾被用于描述声音、视频或LAN的业务量统计特性，近年来亦提出了很多新的流量模型。其优点在于：如果每个交换都可以被描述成独立的、无记忆的排队系统，则输出流量也可以同样地描述，系统性能就可以很容易地被精确度量。然而，因为只使用有限个状态来描述一个源业务流量，对包含多种类型的聚合流量，其准确性会受到很大影响（聚合流可能表现出与单流完全不同的流量特征）。

2.流量整形方案(Shaping)

流量整形是对源流量进行规范和约束，以便对流量进行描述和管制。当业务量模式过于复杂而难以直接进行描述或源流量不适合承载网络直接传输时，往往要进

行流量整形。如：突发性较大的VBR视频流，网络的交换缓冲往往没有这么大的空

间来处理其业务流量。为解决该问题，流量整形被用来在流量被送到网络之前，先被整形成某特定的模式。一个好的流量整形方案可以对多种流量进行整形，并且其输出能很好地被描述和管制。为满足应用的QoS,交换/路由也必须对流量进行重新整形(Reshape)。典型的流量整形方案有：漏桶、令牌桶等。目前己提出很多VBR视频流整形方案。

视频流量分析

1.3.1.2准入控制、QoS协商和再协商

当具有某特定QoS参数的连接建立时，QoS参数必须在所有的子系统中被协商；只有当所有的子系统都同意并保证特定的QoS参数时，端到端的QoS才能够被满足。

QoS协商包括：(1)参数映射QoS参数被从一个层次（或子系统）映射到另个层次（或子系统）：(2)资源预留一每个层次（或子系统）必须决定是否支持请

理

求的参数；如果可以，特定的资源为该会话保留，只有当所有的子系统都接受请求的参数时，该会话才建立。如果存在某层次或子系统不能满足请求的参数，则该会话被拒绝。一个较复杂的系统还可以向用户建议它可以支持的参数，而由用户决定是否建立相应会话。

而对动态变化的会话环境，有可能需要更改QoS参数。因此，需要提供QoS再协商机制以满足在多媒体通信中用户请求的动态改变。在网络拥塞的时候，用户对资源增加的请求或许并不能满足。这时对某些特定应用如视频会议、实时监控等，

6

···试读结束···