IPv6與流媒體傳輸在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

2019-11-04 20:45:53

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

　　概述
　　當(dāng)前，流媒體傳輸應(yīng)用發(fā)展迅速，在internet上傳輸流媒體的相關(guān)技術(shù)成為熱點。但是，在internet上傳輸流媒體存在著許多困難，其根本原因在于internet的無連接每包轉(zhuǎn)發(fā)機制主要是為突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計的，不適合傳輸連續(xù)媒體流。而且網(wǎng)上信息的交互性，使網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸量日益劇增，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i問題突出。當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是在上世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的，基于的協(xié)議是ipv4，隨著internet用戶和應(yīng)用的不斷增加，ipv4已漸漸暴露出地址空間嚴(yán)重不足、數(shù)據(jù)傳輸缺乏質(zhì)量保證、數(shù)據(jù)安全性難以保證和對組播功能支持有限等問題。這在一定程度上限制了音視頻等流媒體應(yīng)用的進一步發(fā)展。多媒體視頻流對數(shù)據(jù)可靠性要求不高，一定的數(shù)據(jù)丟失對視頻播出的實際效果影響不大，但是多媒體視頻流對網(wǎng)絡(luò)傳輸延時和抖動比較敏感。為了在internet上有效、高質(zhì)量地傳輸流媒體數(shù)據(jù)，除了要進一步發(fā)展壓縮、編解碼技術(shù)以外，還應(yīng)該考慮流媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)分發(fā)路徑等技術(shù)。另外，隨著社會各界對知識版權(quán)意識的不斷增強，安全加密、數(shù)字版權(quán)治理等也成為internet發(fā)展的重要技術(shù)課題。
　　
　　20世紀(jì)90年代中期，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(internet engineering task force，ietf)為了更好地滿足互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展需求，設(shè)計了一種新的ip協(xié)議——ipv6，其特性包括：更大的地址空間；嚴(yán)格的繼續(xù)性編址方式，更加輕易實現(xiàn)地址的聚合；簡潔的數(shù)據(jù)報頭；提供更好的服務(wù)質(zhì)量；強制安全協(xié)議ipsec；“即插即用”的地址自動配置；更為靈活的組播方式；更好的擴展性。
　　
　　傳統(tǒng)的ipv4網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足高質(zhì)量流媒體通信的要求，而ipv6在流媒體傳輸應(yīng)用方面的意義主要有：
　　
　　(1)解決了地址容量問題，優(yōu)化了地址結(jié)構(gòu)以提高選路效率，提高了數(shù)據(jù)吞吐量，以適應(yīng)流媒體通信大信息量傳輸?shù)男枰?br />　　
　　(2)ipv6對ipv4的最大革新之處在于對qos的考慮，對各種多媒體信息根據(jù)緊急性和服務(wù)類別確定數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級；
　　
　　(3)ipv6還加強了組播功能，即實現(xiàn)基于組播、具有網(wǎng)絡(luò)性能保障的大規(guī)模視頻會議和高清楚度電視廣播的應(yīng)用，這是只有高帶寬、高性能的下一代因特網(wǎng)才能支持的典型應(yīng)用，具有交互協(xié)同技術(shù)特性；
　　
　　(4)ipv6采用必選的ipsec很好地保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性。
　　
　　可以看出，ipv6比ipv4在服務(wù)質(zhì)量、傳輸安全、數(shù)據(jù)組播等方面都有了改進。而這些都是與ip網(wǎng)絡(luò)流媒體傳輸息息相關(guān)的。
　　
　　服務(wù)質(zhì)量
　　基于ipv4的internet從原理上講服務(wù)質(zhì)量(qos)是無保證的。文本傳輸、靜態(tài)圖像等傳輸對qos并無要求，但其它多媒體業(yè)務(wù)，如ip電話、vod、電視會議等實時應(yīng)用，對傳輸延時和延時抖動均有嚴(yán)格的要求。
　　　 IPv6與流媒體傳輸在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用（圖一）

　　在ipv4協(xié)議中，ip數(shù)據(jù)報頭(見圖1)包含了一個8b的服務(wù)類型(type of service，tos)字段。在tos字段中，包含了3b的優(yōu)先權(quán)子字段(現(xiàn)在已被忽略)、4b的tos子字段和1b的保留子字段。4b的tos子字段分別用于表示最小時延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費用。在一個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流當(dāng)中，這個字段只能有1b置為1，假如沒有比特位被置1，則表示這個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是一般服務(wù)。在rfc1340和rfc1349中描述了所有的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用如何設(shè)置這些服務(wù)類型，但是在實際應(yīng)用中，絕大多數(shù)tcp/ip的實現(xiàn)應(yīng)用都不支持和使用tos字段。
　　　 IPv6與流媒體傳輸在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用（圖二）

　　在ipv6協(xié)議的數(shù)據(jù)報頭(見圖2)中，對8b的tos字段進行了調(diào)整。最早在rfc1883中定義了4b的優(yōu)先級字段，可以區(qū)分16個不同的優(yōu)先級。后來在rfc2460中改為8b的業(yè)務(wù)類別(traffic class)字段，其目的是答應(yīng)發(fā)送業(yè)務(wù)流的源節(jié)點和轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)流的路由器在數(shù)據(jù)包上加上標(biāo)記進行不同處理，但并沒有具體說明這個字段如何使用。另外，在ipv6數(shù)據(jù)報頭當(dāng)中還有一個新的20b的流標(biāo)簽，用于標(biāo)記某個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的ip包序列，以便路由器能夠提供qos或?qū)崟r服務(wù)。一般來說，在所選擇的鏈路上，可以根據(jù)開銷、帶寬、延時或其他特性對數(shù)據(jù)包進行非凡的處理。但同樣，流標(biāo)簽并沒有表明qos的提供方式。
　　
　　可以看出，ipv6并沒有從根本上解決ipv4的qos問題，只是在ipv4的基礎(chǔ)上作了一定的擴充。為了更好地解決ip網(wǎng)絡(luò)的qos問題，ietf提出了多種質(zhì)量服務(wù)模型和機制，以滿足流媒體等應(yīng)用對qos的要求。其中最主要的有兩種：綜合業(yè)務(wù)模型和差分業(yè)務(wù)模型。
　　
　　綜合業(yè)務(wù)模型
　　綜合業(yè)務(wù)模型是根據(jù)數(shù)據(jù)包的ip源地址、ip目的地址、上層協(xié)議類型、源端口號、目的端口號等進行預(yù)定分類，并利用資源預(yù)留協(xié)議(resource reservation PRotocol，rsvp)，給每個業(yè)務(wù)流(或連接)申請傳輸路徑資源預(yù)留，以提供端到端的傳輸質(zhì)量服務(wù)。
　　
　　rsvp是綜合業(yè)務(wù)模型的核心。用戶可以給每個業(yè)務(wù)流(或連接)申請資源預(yù)留，要預(yù)留的資源可能包括緩沖區(qū)及帶寬的大小。在傳輸路徑上的每一跳都要進行這種預(yù)留，這樣才能提供端到端的qos保證。rsvp是單向的預(yù)留，適用于點到點及點到多點的通信環(huán)境。除了rsvp以外，綜合業(yè)務(wù)模型還包含三個組件用于提供整個qos業(yè)務(wù)：訪問控制，它基于用戶和網(wǎng)絡(luò)達成的服務(wù)協(xié)議，對用戶的訪問進行一定的監(jiān)視和控制，有利于保證雙方的共同利益；分類器，根據(jù)數(shù)據(jù)包的ip源地址、ip目的地址、上層協(xié)議類型、源端口號、目的端口號等預(yù)定策略，將數(shù)據(jù)包分類放到不同的隊列中等待接收服務(wù)；隊伍調(diào)度器，它主要是基于一定的調(diào)度算法對分類后的分組隊列進行調(diào)度服務(wù)，常見的調(diào)度算法有wfq、wf2q、scfq、vc、md-scfq、wrr等。
　　
　　綜合業(yè)務(wù)模型的特點是針對不同級別的服務(wù)提供相應(yīng)的資源預(yù)留，需要質(zhì)量保證的應(yīng)用在傳輸數(shù)據(jù)前必須申請預(yù)留資源。它定義了三種級別的服務(wù)：保證服務(wù)、受控負載服務(wù)、盡力而為的服務(wù)。其優(yōu)點是治理者能夠根據(jù)源、目的、端口等制訂嚴(yán)格詳盡的服務(wù)保證策略，并能對數(shù)據(jù)流進行監(jiān)視和控制，以防止其占用更多的資源，同時rsvp協(xié)議能夠讓路徑消息識別組播流的所有端點，并發(fā)送路徑消息給它們。它同樣可以把來自每個接收端的revp消息合并到一個網(wǎng)絡(luò)請求點上，該點可以讓一個多播流在分開的連接上發(fā)送同樣的流。其主要缺點是可擴展性差，因為rsvp要求端到端的信令，這也就意味著要求從發(fā)送者到接收者的所有路由器都支持所實施的信令協(xié)議。這在一個實際運行的運營商網(wǎng)絡(luò)中幾乎無法實現(xiàn)。
　　
　　ipv6與ipv4在綜合業(yè)務(wù)模型上沒有本質(zhì)上的區(qū)別，都是以rsvp為核心協(xié)議。在ipv4中，rsvp依照業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的源地址、目的地址、端口等信息制定相應(yīng)的qos策略，而且要在傳輸路徑上的所有路由器上實現(xiàn)這些策略。這意味著傳輸路徑上的所有路由器都需要分析每個數(shù)據(jù)包的源地址、目的地址、端口等信息，這將會增加路由器的負擔(dān)，另外，當(dāng)數(shù)據(jù)量增大時，也會增加數(shù)據(jù)包的處理延時。ipv6為rsvp的實施提供了一種更為有效的方法。主要原因在于，在ipv6數(shù)據(jù)報頭信息中定義了專門的qos支持域，ipv6對qos的支持主要表現(xiàn)在流標(biāo)記域，流標(biāo)記基本上是按位產(chǎn)生的偽隨機數(shù)，在一定的時間值內(nèi)，源端不能重用流標(biāo)記。流標(biāo)記為0，指示這個包不屬于任何流。ipv6環(huán)境下的rsvp可以只依照數(shù)據(jù)包的流標(biāo)記制定相應(yīng)的qos策略，這將大大減小rsvp的開銷，同時傳輸路徑上每個路由器的處理負擔(dān)也相應(yīng)減小，使rsvp策略的實施更為簡便。另外，當(dāng)需要qos服務(wù)的數(shù)據(jù)流的生存期很短或者所需帶寬很小時，rsvp的開銷很可能大于數(shù)據(jù)流中所有包的開銷，假如在ipv4網(wǎng)絡(luò)中采用綜合業(yè)務(wù)模型，將得不償失；而在ipv6網(wǎng)絡(luò)中rsvp的開銷非常小，使得這種業(yè)務(wù)需求得到保障。
　　
　　差分業(yè)務(wù)模型
　　差分業(yè)務(wù)模型是由綜合業(yè)務(wù)模型發(fā)展而來的，它采用了ietf的基于rsvp的服務(wù)分類標(biāo)準(zhǔn)，拋棄了分組流沿路節(jié)點上的資源預(yù)留。它將有效地取代跨越大范圍的rsvp的使用。差分業(yè)務(wù)模型區(qū)域的主要成員有核心路由器、邊緣路由器、資源控制器。
　　
　　差分業(yè)務(wù)模型利用ipv4數(shù)據(jù)報頭中的tos字段或ipv6數(shù)據(jù)報頭中的tc字段，并對8位tos或tc字段重新命名，作為ds字段，其中6位可供目前使用，其余2位以備將來使用。該字段可以按照預(yù)先確定好的規(guī)則加以定義，使下行節(jié)點通過識別這個字段，獲取足夠的信息來處理到達輸入端口的數(shù)據(jù)包，并將它們正確地轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳的路由器。在差分業(yè)務(wù)模型中，網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備對每個分組進行分類、標(biāo)記ds域，用ds域來攜帶ip分組對服務(wù)的需求信息。在網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點上，路由器根據(jù)分組頭上的dscp(diffserv code point)選擇所對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)處理。資源控制器配置了治理規(guī)則，為客戶分配資源。它可以通過服務(wù)級別協(xié)定(service level agreement，sla)與客戶進行相互協(xié)調(diào)以分享規(guī)定的帶寬。與綜合業(yè)務(wù)類似，差分業(yè)務(wù)也定義了三種業(yè)務(wù)類型：最優(yōu)的業(yè)務(wù)(premium)，類似于傳統(tǒng)運營商網(wǎng)絡(luò)的專線業(yè)務(wù)；分等級的業(yè)務(wù)(tiered)，可以根據(jù)發(fā)展的需要定制不同的業(yè)務(wù)等級；盡力而為的業(yè)務(wù)(best-effort)，類似于internet中盡力而為的業(yè)務(wù)。
　　
　　在差分業(yè)務(wù)模型中，可以認為ipv6與ipv4沒有區(qū)別。
　　
　　組播
　　在ipv4網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳送方式有三種：單播、廣播和組播。
　　
　　單播(unicast)傳輸
　　指在發(fā)送者和接收者之間建立單獨的數(shù)據(jù)信道，發(fā)送者需要為每個接收者傳送一份數(shù)據(jù)拷貝。假如一個發(fā)送者同時給少量的接收者傳輸數(shù)據(jù)，一般沒有什么問題。但假如有大量主機希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份拷貝時，這將導(dǎo)致發(fā)送者負擔(dān)沉重、延遲長、網(wǎng)絡(luò)擁塞。為保證一定的服務(wù)質(zhì)量需增加硬件和帶寬。
　　　 IPv6與流媒體傳輸在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用（圖三）

　　廣播(broadcast)傳輸
　　指在發(fā)送者向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機都將收到這些數(shù)據(jù)包。發(fā)送者向網(wǎng)絡(luò)廣播地址傳送一份數(shù)據(jù)拷貝，則網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有主機都會收到這份數(shù)據(jù)拷貝。然而，廣播的使用范圍非常小，只

上一篇：IP網(wǎng)絡(luò)路由器設(shè)備安全與設(shè)備測試

下一篇：虛擬IP技術(shù)在Intranet中的應(yīng)用