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1、多媒体技术与通信,上海大学通信与信息工程学院2014年10月,第八章 多媒体通信网络,提要,8.1多媒体信息对通信网络的要求 8.1.1多媒体通信的要求 8.1.2通信网络演变 8.1.3多媒体通信的宽带网 8.2基于l P寻址技术的多媒体通信网 8.2.1IP网简介 8.2.2IP网通信协议 8.2.3IP寻址技术 8.2.4中国公众多媒体通信网 8.3异步转移模式ATM 8.3.1ATM的信元格式(续)8.3.2虚通道和虚通路,2023年4月2日,3,提要,8.3.3ATM参考模型 8.3.4ATM连接类型与服务质量 8.4多媒体网络的宽带接入技术 8.4.1光纤接入 8.4.2混合光纤同
2、轴电缆 8.4.3铜线接入,2023年4月2日,4,多媒体通信,多媒体通信是一个综合性的技术，涉及多媒体、计算机及通信等领域。,2023年4月2日,5,8.1 多媒体信息对通信网络的要求,8.1.1 多媒体通信的要求 多媒体信息具有以下几个特点：(1)类型复杂 例如：语音对实时性要求较强；高质量的音频、视频通信实时性和通信带宽的要求都很高；视频流可靠性要求则更为复杂。(2)数据量大包含了图形、图像、音频、动画、视频等类型的媒体解决方法是采用压缩技术,2023年4月2日,6,多媒体信息具有以下几个特点（续）：,(3)低时延具有时间连续性和实时性的特点(4)同步性 同步性要求通信网络不仅要实时地传
3、输多媒体数据，而且要在传输过程中保持多媒体数据之间在时序上的同步约束关系(5)多方通信 多方同时进行多媒体信息交流。例如视频会议 多对多视频点播 一对多,2023年4月2日,7,8.1.2 通信网络演变,POTS(普通电话业务)网络(如图a所示)实现到POTS网络更高数据速率连接：其一是使用ISDN(综合业务数字网)；其二是通过DSL(数字用户环路)技术，如ADSL。,2023年4月2日,8,8.1.2 通信网络演变(续),现代POTS网络类似下图所示的网络,2023年4月2日,9,8.1.2 通信网络演变(续),如下图b)所示。由于数据以网际互联协议(IP)分组的形式在网络中传输和选择路由，
4、该网络被称为分组网络。目的是在计算机之间传送突发性非实时数据。,2023年4月2日,10,分组网,3K Hz话音IP分组,b)分组网,IP分组,8.1.2 通信网络演变(续),广播电视网的CATV(有线电视网)是无线TV(电视)的延伸和发展，传输多媒体信息。电信网、计算机网和CATV网都开始提供综合业务，走向“三网合一”。,2023年4月2日,11,8.1.3 多媒体通信的宽带网,目前主要的运营网络有电信网、计算机网和有线电视网。电信网传输线的型式最多，连接用户的主要线路是双绞铜线，有线电视采用光纤和同轴电缆线，计算机采用的线路是双绞线，有屏蔽和非屏蔽的，另外还有少部分的细缆和光纤。,2023
5、年4月2日,12,电信网结构,从交换局到用户之间为点到点之间的通信链路。,2023年4月2日,13,用户,交换局,电路交换,分组交换,交换局,用户,有线电视网结构,有线电视网采用树型拓扑结构,用户都是平等的,运营者无法区分网络上的各用户。,2023年4月2日,14,典型的计算机网络结构,计算机网络有多种拓扑结构，如图所示，如总线型、环网等。通过媒体访问控制机制竞争网络资源。由目的终端自身负责识别各信息包的目的地址。,2023年4月2日,15,8.2 基于l P寻址技术的多媒体通信网,IP(Internet Protocol)是Internet网络层协议的技术基础，采用无连接、端到端的TCPIP
6、协议。IP实现将数据、语音和视频业务“三网合一”的比较现实的技术基础。,2023年4月2日,16,8.2.1 IP网简介,Intranet(企业内部网)、LAN和WAN等，它们的信息传输都是以IP地址为基础的，所以都统称为IP网。1网络互联网络按地理位置主要分为局域网(LAN)、城域网(MAN)和广域网(WAN)等3种类型。局域网小于10km的范围 城域网一般为10100km的区域广域网则跨越国界、洲界，甚至全球范围,2023年4月2日,17,局域网的互联方式,为了扩大局域网的使用范围，其互联方式主要有以下4种：(1)中继器如图a所示，在物理层上将两个局域网互联可以延伸LAN的作用距离，但不能
7、扩大网络规模。,2023年4月2日,18,LAN 1,中继器,LAN 2,a)中继器互联,局域网的互联方式（续）,(2)网桥在链路层上实现了LAN互联，不仅能够扩展LAN的作用距离，而且也可扩大其规模。弱点：它是以广播的方式向非本网站点进行数据传送的，会引起“广播风暴”，极大地降低网络效率。,2023年4月2日,19,LAN 1,LAN 4,网桥,LAN 2,LAN 3,b)网桥互联,局域网的互联方式（续）,(3)路由路由器在网络层实现LAN互联，它是根据IP地址实现寻址和完成交换的。不会影响传输效率，是实现网络互联的比较好的解决方案。,2023年4月2日,20,LAN 1,路由器,LAN 2
8、,LAN 2,LAN 3,LAN 4,局域网的互联方式（续）,(4)网关在OSI参考模型网络层以上的高层工作的中继设备称为网关。主要功能是：转换协议 转换信息格式 完成信息的传输任务,2023年4月2日,21,局域网的互联方式（续）,(4)网关在OSI参考模型网络层以上的高层工作的中继设备称为网关。主要功能是：转换协议 转换信息格式 完成信息的传输任务,2023年4月2日,22,2.IP网的网络结构,IP网通过路由器或网关将LAN和WAN连接起来，其网络结构如图所示。要解决采用不同传输协议的异构网络之间的物理连接和各子网之间的数据交换问题。,2023年4月2日,23,LAN,路由器,WAN,路
9、由器,LAN,8.2.2 IP网通信协议,1.TCPIP协议的结构和组成 TCPIP协议是指传输控制协议和网际协议。还包括诸如用户数据包协议(UDP)、用于远程访问的Telnet协议和文件传输协议(FTP)等其他100多个协议，它们分别负责管理传输数据的线路、实际传输和处理过程中出现的错误。TCPIP协议的分层模型如图所示，分为物理层、数据链路层网络接口层、网络层/互联网络层、传输层和应用层。,2023年4月2日,24,TCP/IP参考模型及各层执行的协议,2023年4月2日,25,2.IP协议,TCPIP协议是为异构网络互联技术而设计的。IPv4版本是一种点到点的通信协议，提供无连接的数据包
10、传输机制，是“尽力而为”的网络，不能保证传输的可靠性。(1)IP数据包传输机制 采用简洁有效的分组交换方式，保证最高传输速率，关键技术是数据包的分段和组装（由于各种异构网络所规定的分组大小各不相同）。,2023年4月2日,26,(2)IP数据包格式,IP数据包分为包头和数据区两部分，如图所示。版本：使用IP协议的版本号，长度为4位。包头长度：最短的包头为20字节，最长为24字节；包 头长度必须是32位的整数倍，否则用“O”来 填充。服务类型：处理方式，如优先级、延迟等，长度为3位。总长度：数据本身和包头长度的字节数总和，其长度 为16位。标识：数据包的唯一标识号，引导接收端如何还原为 原始数据
11、，其长度为16位。,2023年4月2日,27,(2)IP数据包格式（续）,标志：数据包是否分段。偏移量：数据在分段前的位置。生存时间：在网络上保留的时间，长度为8位。传输协议：所采用的协议，其长度为16位。包头检验和：检验包头传输的完整性和正确性，长度为 16位。信源地址和信宿地址：发送端和接收端的32位IP地址。任选项：控制和测试。填充域：保证包头长度是4字节的整数倍。数据区：要传送的数据内容。,2023年4月2日,28,IP数据包的数据格式,2023年4月2日,29,(3)新一代IP协议IPv6简介,IPv4的问题，即32位的IP地址空间枯竭、路由表急剧膨胀、对网络安全和多媒体应用的支持不
12、够等。IPv6保持了IPv4的大多数概念，改变了协议的许多细节，如使用更大的地址空间，修订了IPv4的数据包格式。,2023年4月2日,30,IPv6数据包头的主要特性,1)无限的地址空间地址域是128位的，可能的最大地址数是2128个，允许为一个主机的给定2)头部的简化和可扩展性 使路由器可以快速地处理分组，提高了传输速率3)安全性的提高 为用户提供路由器级的安全性，包括两方面的内容：一方面，要求发送者首先利用认证头(数据包头的扩 展部分)进行“登录”，然后才接收数据包，阻止网络“黑客”的攻击另一方面，利用其封闭安全头对数据包加密，安全传输敏感数据4)高性能和高QoS,2023年4月2日,3
13、1,3用户数据包协议(UDP),UDP建立在IP协议基础之上，其报文格式如图所示：,2023年4月2日,32,1,17,32,UDP信源端口,UDP信宿端口,UDP长度,UDP校验和,数 据,4传输控制协议TCP,TCP协议是传输层协议，用确认与超时重传、流量控制与拥塞控制等技术来保证信息的可靠性传输。(1)确认与超时重传 采用累计确认方式，使用定时器和应答来解决恢复丢失数据包问题。(2)拥塞控制 基于滑动窗口协议的，通过限制发送端滑动窗口的大小，达到控制拥塞的目的。,2023年4月2日,33,5实时传送协议(RTP),RTP传输服务用户之间的连接称为RTP会话。(1)实时传送协议RTPRTP
14、提供实时的端到端通信服务，在数据传送服务中包含了装载数据的标识符、序列计时、时戳和传送监视等。,2023年4月2日,34,5实时传送协议(RTP),(2)实时传送控制协议(RTCP)RTCP协议用来使RTP协议的实时传送得到可靠的服务保证，监视网络的服务质量和实时会话中的信息传送情况。主要有以下4个功能1)提供数据传输质量的反馈 2)为每个RTP源分配一个永久的传输标识 3)提供了调整控制包文发送速率的方法 4)提供了基本的会话控制能力,2023年4月2日,35,6.资源预约协议(RSVP),RSVP利用IP数据包传送用户对资源的需求信息，它是单工的、面向客户端的协议，由信宿完成客户对资源的预
15、订。资源预订的产生和维护过程:数据源发送一个包含数据源流量规范的消息当客户收到消息后，根据数据源流量规范，发送一个预订消息如果预订消息到达信源，资源预订过程完成,2023年4月2日,36,8.2.3 IP寻址技术,1.IP地址 IP网中每一台主机都被赋予了一个可识别的唯一地址，称为IP地址。现有IP网主要是使用IPv4协议。IP地址长度为32位，分为4段，每段为8位，各段之间用句点分开。IP地址分为两部分内容，分别为网络标识符和该网内主机标识符。,2023年4月2日,37,IP地址分为A、B、C、D、E等5类,A类地址有128个网络，每一个网络可容纳224台主机 B类地址有16384个网络号，
16、每个网络可容纳216台主机 C类地址有221个网络，每个网络可容纳256台主机 D类地址532位为组播编号 E类地址15位为11110，余下位尚没确定，用于未来网络扩展 A类用于大型网络，B类用于中型网络，C类用于小型网络,2023年4月2日,38,各类IP地址结构,2023年4月2日,39,IP地址的使用范围,2023年4月2日,40,子网中的特殊地址,某些地址被赋予了特殊的功能：全1的网络地址，全0的网络标志，它们不分配给任何主机。此外，具有全1的主机标志地址也被保留向一个特定子网的所有主机广播。具有全0主机标志的地址也被保留来定义子网本身。,2023年4月2日,41,2.子网编址技术,子
17、网编址技术，其编址结构如图：,2023年4月2日,42,类别前缀,网络号,子网号,主机号,一个物理网络的唯一标识为：网络号+子网号。子网掩码为32位数。某位为1则对应IP地址中的某位为网络地址中的一位，若为0则对应IP地址中的某位为主机地址中的一位。,子网的计算,设从主机标志部分借用n位给子网，剩下m位作为主机标志。则子网数为2n-2，每个子网具有的主机数量为2m-2。设计的基本过程是：1）有根据所要求的子网数和主机数量公式推算n。n应该是一个最小的接近要求的正整数。2）求出相应的子网掩码，即用默认掩码加上从主机标志部分借用的n位组成新的掩码。3）子网的部分写成二进制，列出所有子网和主机地址：
18、去除全0和全1地址。,2023年4月2日,43,子网的计算,例8-1一个类地址192.168.143.0，网内可有254台主机。为了管理需要，要将该网分成6个子网，每个子网能容纳30台机器。试给出子网掩码和对应的地址空间划分。解：因需要用6个子网，考虑到要去除两个保留的特殊子网地址，至少需要8个子网，则n=3，因为23=8。而每个子网可以容纳的主机数量为25-2=30，能够满足需求。新的子网掩码为：255.255.255.111 00000,2023年4月2日,44,子网的计算,子网划分：255.255.255.111 00000192.168.143.000 XXXXX/192.168.14
19、3.0192.168.143.31全0需去除 001/对应为192.168.143.33192.168.143.62 010/对应为192.168.143.65192.168.143.94 011/对应为192.168.143.97192.168.143.126 100/对应为192.168.143.129192.168.143.158 101/对应为192.168.143.161192.168.143.190 110/对应为192.168.143.193192.168.143.222 111/192.168.143.224192.168.143.25全1需去除。注意：每当确定一个新的子网地址
20、时，就会产生两个新的要去除的主机地址，一个为全0地址，一个为全1地址。,2023年4月2日,45,3.域名,Internet采用了一种面向主机的命名机制，称为域名服务系统(DNS)。采用层次型命名机制。主机名层次结构中的第一层(最后一个圆点后的字符串)为“一级域名”。典型的主机名定义如下：用户名本地名组名域名 通过域名查找其IP地址，称为正向域名解析，相反，由IP地址映射域名，则称为反向域名解析。,2023年4月2日,46,8.2.4 中国公众多媒体通信网,IP网正在从窄带走向宽带，从非实时业务走向实时业务。由中国电信部门组建的“中国公众多媒体通信网”(169)已初具规模。,2023年4月2日
21、,47,1网络组成,由骨干网和省内网组成的两层网络结构，如图所示。,2023年4月2日,48,1网络组成(续),骨干网：采用全网状连接。省内网：省内节点又分为汇接节点和一般节点，由汇接 节点负责与骨干网相连，各汇接节点之间也采 用全网状连接，一般节点则通过至少两个方向 的电路与汇接节点相连。基于以下两方面考虑的（1）多媒体通信网上将开放各种形式的业务，为了满足实时性传输的要求，减小传输延迟。（2）综合考虑实用性和满足较小的传输延迟，采用比较合理的二层结构。,2023年4月2日,49,2.IP地址分配,选择了一个B类保留地址，地址范围为10.0.0.010.255.255.255，总共拥有224
22、个地址资源。IP地址分配原则如下:骨干网网络设备占前两个B类地址省内网络设备使用本省IP地址的前段省内的IP地址应连续且应连续分配，并保留一定数量的IP地址宽带网IP地址将用保留段IP地址,2023年4月2日,50,3.组网方式,通过路由器和ATM两种组网方式。传统IP网络都采用路由器组网。由于其特定的寻址方式，使端到端的传输延迟较大，对某些具有严格实时性要求的多媒体业务来说会有一定的困难。ATM的优势，提供对各种多媒体业务的支持。ATM是面向连接的，而IP网是无连接的。IP网和ATM混合有两种解决方案，一种是迭加模式，另一种是集成模式。,2023年4月2日,51,迭加模式,迭加模式是指IP网
23、的寻址是迭加在ATM寻址基础上的。简要过程如图所示。C设备收到的IP包装在ATM信元中，通过一定机制找到相应目标IP地址的ATM地址。,2023年4月2日,52,集成模式,集成模式是指将IP和ATM网络设备集成在一起。简要过程如图所示。IP网的设备可称为IPC，能完成IP网的路由功能，并具有控制建立ATM虚通道的能力。先将数据包发送给IPCI，IPCI具有传统的路由能力，而ATM只提供IPC之间的虚通路(PVC)。,2023年4月2日,53,8.3 异步转移模式ATM,ATM是一种全新的通信技术，但它也是在电路交换和分组交换的基础上发展而来的，其目的就是为了提供综合业务的能力。同步转移模式ST
24、M适合于固定速率的传输要求，而在可变速率的传输情况下，STM对网络带宽资源造成很大的浪费。ATM继承了电路交换方式中速率的独立性和高速分组交换方式对任意速率的适应性，以实现高速传输综合业务的能力。,2023年4月2日,54,8.3 异步转移模式ATM,以固定长度的信元来承载信息,长为53字节，其中5字节为信元头。全部用硬件处理，“快速”有两层含义：其一，交换机输入输出的传输速率很高(155.252Mb/s、622.08Mb/s、2.448Gb/s)。其二，传统分组交换的协议被简化，全部用硬件实现信息的存储和转发。,2023年4月2日,55,8.3.1 ATM的信元格式,基本载体是ATM信元，A
25、TM信元是定长的，只有53字节。,2023年4月2日,56,信头,信息段,5,48,GFC,VPI,8 7 6 5 4 3 2 1,VPI,8 7 6 5 4 3 2 1,VPI,VCI,VCI,VCI,PTI,CLP,HEC,VPI,VCI,VCI,VCI,PTI,CLP,HEC,UNI信头,NNI信头,8.3.1 ATM的信元格式(续),信头内容在用户网络接口(UNI)和网络节点接口(NNI)中略有差别。VPI：虚通道标识，NNI中为12位，UNI中为8位。VCI：虚通路标识，16位，标识虚通道内的虚通路 HEC：信头差错控制，8位，检测出有错误的信头 PTI：负荷类型指示，3位。位3为0
26、表示是数据信元，为 1表示是OAM信元 CLP：信元丢失优先级，l位，用于拥塞控制GFC：一般流量控制，4位，只用于UNI接口,2023年4月2日,57,电路交换与ATM的区别,电路交换一个连接对应着一定的时隙，当这个连接没有信息发送时也占用这一时隙。而ATM中采用虚连接的概念，只有当真正发送信元时连接才占用网络资源。,2023年4月2日,58,8.3.2 虚通道和虚通路,虚通路由VCI标识，建立过程有两种：一是和虚通道VPI一样，通过网管在虚通道内建立一条半永久的连接，这称为PVC(Permanent)方式。另一种是通过信令动态地建立，VCI及虚通道占用的网络资源都在连接建立时分配，这称为S
27、VC(Switched)方式。不同链路中相同的VPI/VCI并不表示相同的连接，这使VPI、VCI资源可以重复利用。,2023年4月2日,59,8.3.2 虚通道和虚通路（续）,ATM的目标就是对任何形式的业务分布都能达到最佳的网络资源利用率。通过虚连接提高网络资源利用，即连接建立时只是根据业务提出的要求预留资源，只有发送信元时才真正占用资源,2023年4月2日,60,8.3.3 ATM参考模型,1.ATM参考模型 层次参考模型由3个平面组成，即用户平面、控制平面和管理平面，如图所示。,2023年4月2日,61,1.ATM参考模型（续）,管理平面包括两类功能，分别称为层次管理和面管理功能。面管
28、理负责各个平面之间的协调。层次管理具有层次结构，对驻留在其协议实体中的资源和参数实施有关的管理功能。用户平面主要用于用户信息的传输，包括所有相关的机制，如流量控制和差错恢复等。也使用层次方法。控制平面使用层次结构，它负责呼叫控制和连接控制功能。物理层和ATM层的功能对于控制平面和用户平面是一样的。,2023年4月2日,62,ATM层次结构和OSI层次之间映射关系,2023年4月2日,63,1.ATM参考模型（续）,ATM模型的物理层对应OSI模型的第1层，ATM层和AAL层对应OSI模型的第2层。(1)物理层 两种功能，一种是传送有效的信元，另一种是传送定时信息，以实现较高层的服务。(2)AT
29、M层 建立连接并传送信元，使用每一个ATM信头中的相关信息。(3)ATM适配层(AAL)将上层协议处理的服务数据单元SDU转换成ATM信元。,2023年4月2日,64,2.ATM寻址方式,采用了子网模式进行寻址之后，由ATM层来负责将网络层地址映射到ATM地址上。,2023年4月2日,65,3ATM交换机,ATM交换机是任何一种ATM网络必须有的多端口网络设备。主要功能是ATM信元的选道和传输缓冲管理。能够从一个端口处接收信元，然后根据信元中VPI和VCI字段的值将信元发送给相应的输出端口。,2023年4月2日,66,8.3.4 ATM连接类型与服务质量,1ATM的连接类型ATM的连接有以下两
30、种基本类型：(1)点对点连接既可以是单向的，也可以是双向的。(2)点对多点的连接 信元在网络的连接分支上由ATM交换机进行复制后向下传送，这种连接是单向的。,2023年4月2日,67,8.3.4 ATM连接类型与服务质量(续),支持多点对多点连接的解决方法是采用多播(MultiCast)服务器。多播服务器与多播集合中的所有成员建立一种点对多点的虚拟电路连接，而多播服务器本身位于根的位置。多播服务器收到的所有数据都必须进行顺序化，并依照点对多点的树型结构发送出去。,2023年4月2日,68,2服务质量,ATM网络服务质量Q0S参数的约定规定了将要获得的数据流量的峰值带宽、平均带宽和突发性传输的缓
31、冲区大小等等。使用“流量警察”(Traffic Policing)来保证约束的有效性。拥挤控制是一个必须重点解决的技术问题。,2023年4月2日,69,3UNI(Signaling)协议,UNI信令的标准 一个来自源端点系统的连接请求通过网络进行传播时，它是边传边建立连接，直到到达最终的目的端点系统。,2023年4月2日,70,综上所述，ATM兼有电路交换和分组交换的优点，交换延迟小，通路速率灵活，信道利用率高。它既能支持恒定比特率的连续型业务，又能支持突发型业务；它既能支持低速业务，又能支持高速业务，还能支持变速业务；既能支持非实时性业务，又能支持实时性业务。,2023年4月2日,71,3U
32、NI(Signaling)协议,接入技术目前主要有4种：光纤接入混合光纤同轴电缆接入铜线接入无线接入,2023年4月2日,72,8.4 多媒体网络的宽带接入技术,光纤接入又称光纤用户环路(FITL)，一般结构如图所示。FITL又有多种方式，最主要的有FTTC和FTTH。,2023年4月2日,73,8.4.1光纤接入,HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。HFC体系结构的特点是：从头端到各个光纤结点用模拟光纤连接，构成一个星形网。HFC体系结构要求每个家庭要安装一个用户接口盒，提供三种连接：同轴电缆、双绞线、线缆调制解调器（Cable modem)。,2023
33、年4月2日,74,8.4.2 混合光纤同轴电缆,DSL：数据用户线的缩写 X：DSL的前缀可以是多种不同的字母 XDSL：用数字技术对现有的模拟电话用 户线进行改造，使它能够承载宽带业务。缺点：目前的价格较高，带宽比以太网小 类型：如下表,2023年4月2日,75,8.4.3 铜线接入,2023年4月2日,76,xDSL 的几种类型比较,本章总结,2023年4月2日,77,多媒体信息具有类型复杂、数据量大和实时性等特点。多媒体网络正向高速、宽带方向发展。基于IP寻址技术的多媒体通信网，具有结构简单、经济实用、网络适应性强、能灵活满足各种多媒体业务需求等特点，因而成为实现“三网合一”的比较有竞争力的技术。习题1.简述网桥、网关和路由器的作用。2.ATM的定义是什么?它有哪些特点?,The End,
