IP传输网（精选7篇）
IP传输网 篇1
摘要：城域传输网的演进和发展是推动网络转型的重要组成部分。本文在城域网ALLIP化的背景下,分析比较了六种主流IP承载技术并指出:分组化传送技术作为下一代网络的核心部件,在IP业务的承载方面优势明显,是促进网络转型、实现网络平滑演进的主流技术。此外,根据城域传输网的现状和发展趋势,针对不同的应用场景,提出并详细分析了几种融合了PTN、MSTP、PON等技术的组网模型,为实现城域传输网的平滑演进提供了有价值的参考。
关键词：城域传输网,IP承载技术,分组传送网,网络演进
1 引言
经过多年的规划和建设,以SDH、MSTP以及WDM为代表的城域传送技术很好的满足了移动运营商的战略发展需求,良好的适应了TDM语音业务为主,IP化数据业务为辅的运营环境。随着3G全业务时代的到来,城域网接入侧业务的IP化已成为业界的共识,由此而带来的更高带宽、更高质量和更高Qo S的业务需求,以及更低每比特传输成本的驱动,使得现有的城域传输网从整体的网络架构到具体的技术选择都面临着严峻的挑战。
在2G阶段,无论对移动运营商还是固网运营商而言,传统的基于TDM的传送技术基本可以满足以语音业务和低速数据业务为代表的业务需求,但随着城域网接入侧IP化的深入和全业务牌照的下发,IP化新业务的业务量和带宽需求剧增,其不可预测性和增长不稳定性的特点越来越明显,为此城域传输网络资源必须具备更灵活的IP业务接入能力和大颗粒业务承载能力。
传统的基于SDH技术的城域网传送技术主要通过端口的IP化,解决少量以太数据业务的接入,接入能力有限,其刚性的带宽配置(E1/T1)将造成带宽资源的严重浪费,网络的OPEX也将因为带宽需求的增长而不断上升,使得我们不得不诉诸新技术、新网络架构来应对城域网的各个层面向ALL IP化演进。MSTP、IP over WDM、PON等技术的成熟商用以及分组化传送技术的出现充分考虑了IP业务的特点,在业务带宽、承载效率等方面极大的迎合了城域传输网向着统一的承载网融合演进的趋势。
2 IP化的城域传送技术比较与选型
IP化传送技术伴随Internet的普及而迅速发展,新技术层出不穷,并且从Qo S机制、安全性、可靠性等方面逐渐达到了电信级网络应用的要求。
城域网范围内,几种主流的IP承载技术有(1)IP over Fiber(2)IP over SDH(3)IP over WDM(4)E-PON/GPON(5)分组化传送技术(PTN/CE)。下文将逐一分析以上几种技术的特点,通过比较指出各技术在城域传送网中的定位。
2.1 IP ove r Fibe r
IP over Fiber即采用光纤资源直连将IP网络业务节点—路由器/交换机连接组网。通常利用路由器/交换机提供的各种IP业务接口:FE/GE/10GE/POS等直接承载在光纤上,实现IP业务的传输。
该技术实现方式较为简单,但随着IP业务数量的不断增加,光纤资源消耗量巨大,而且网络拓扑连接复杂化给建设和维护带来了很大压力;此外,缺少Qo S机制使其无法规划和开展诸如Vo IP、VOD等业务。在保护恢复方面,IP over Fiber完全依赖于核心路由器恢复,难以达到50ms电信级保护恢复的要求。因此IP over Fiber被认为是解决IP业务承载的初级方案,但不是最合适、有效的IP业务承载技术。
2.2 IP ove r S DH(MS TP)
在SDH系统中增加IP功能模块,将IP业务包封装进SDH的VCx等容器中,实现在SDH平台上传输IP业务,此方式即为城域传送网中解决多业务传输最有生命力、应用最为广泛的IP over SDH,亦即MSTP技术。
IP over SDH同时兼顾TDM业务与IP业务的承载需求,支持多业务传送,其完善的OAM功能和固有的50ms电信级网络保护能力,则为IP网络的安全行、可靠性提供了有力保障,充分展示了MSTP技术的优越性。
MSTP技术本质上是一个基于业务端口IP化的技术,而不是内核的IP化,因此刚性的带宽分配机制势必难以满足IP化业务突发性强、流量变化大的特点,容易造成网络带宽的利用率较低;此外,统计复用能力较弱的特点决定了其提供大带宽的成本较高,尤其是随着GE业务的大量出现,若采用MSTP作为IP业务的承载平台,其所能提供的传输带宽资源已经显现出力不从心的局面。考虑到业务IP化初期,业务对统计复用要求并不高,MSTP仍然可以适应TDM业务为主,IP业务为辅的运营模式。
2.3 IP ove r WDM
IP over WDM技术采用SDH帧或GE/10GE帧结构,将IP业务直接映射进WDM网络进行传输和交换。WDM技术超大容量的带宽提供能力在大颗粒的IP业务承载方面具备天然的优势,同时,由于省去了网络各层间的中间冗余部分,额外开销低,传输效率高,从而间接降低了网络运营商的成本。
随着电交叉、光交叉技术的成熟,IP over WDM技术的业务调度能力更灵活、组网方式更丰富、保护方式更完善,显然,这种直接、简单、经济的IP网络体系结构,极大的迎合了网络扁平化的趋势,是城域网的核心层、骨干层理想的IP业务承载解决方案。
2.4 EP ON/GP ON
无源光接入技术(PON)作为光接入技术的另一重要分支,主要包括以ATM为传输平台的APON/BPON、以以太网技术为传输平台的EPON以及以通用帧结构为传输平台的GPON三种类型。
初期的APON/BPON基于ATM的集中和统计复用功能,使得性价比有重要改进,但其业务适配复杂,数据传送速率和效率有限,加之ATM的衰落,APON/BPON最终难以成为主流IP业务承载技术。
EPON/GPON是将以太网与无源光网络结合在一起形成的能很好承载IP数据业务的接入方式,GPON在业务封装格式上加以改进,在支持IP业务的同时考虑了TDM的接入需求,是传输网向全IP网无缝迁移的技术选择之一。虽然现阶段GPON成本仍然偏高,但其在传输带宽、传输速率、OAM等性能方面更加顺应了网络演进的趋势,有望成为城域网接入层由传统网络向全IP网络过渡的最佳解决方案。
2.5 分组化业务传送技术
目前,实现分组传送的技术手段也比较丰富,但最被看好的便是电信级以太网(CE)技术和分组传送网络(PTN)技术。两种传送技术并没有本质的区别,均致力于“多业务的接口适应性”向“多业务的内核适应性”的转变,通过在统一的分组转发平面上承载不同的业务,简化网络管理和维护,提高业务汇聚的能力,实现高效的带宽资源调度。
其不同之处在于,CE是由数据层面发展而来,而PTN是从光传输层面发展而来。CE技术意在保留传统以太网低成本、扩展性好的优势,通过Qo S、流量工程、OAM以及保护恢复等方面的改造,达到电信级传送网的要求,但从目前的发展情况来看,电信级以太网在标准的制定方面进展略显缓慢,尤其是其网管、控制平面仍然空缺,再者,以太网经过大量的改造后,其低成本的优势是否得以保留还有待于进一步观察。
PTN技术则具备天然的面向连接的特质,支持同步时钟、支持端到端的业务管理和维护,具备IP、以太网、TDM业务以及将来可能出现的各种新业务的接入、汇聚和传送能力,是城域网向分组化网络形态演进的最佳选择。相对于CE,PTN的标准进程走在了前列,PTN设备在国内已完成了多项测试,预计2009年底,PTN将在部分移动运营商的城域网中正式进入商用化阶段,本文提出的组网方案中的分组化传送技术以PTN为主。
上面对六种城域光传送网技术的特点、发展和应用范围分别进行了详细的阐述,下面通过表1对其进行横向的综合比较。
综上所述,以上六种城域光传送网技术中除了IP over Fiber技术由于其本身的缺点导致其应用的范围正在逐渐缩小之外,其他技术凭借各自的技术特点均有不同的适用范围。在网络转型期,运营商应根据自身的业务发展、传输资源等具体情况,在城域传送网的不同层面选用合理的技术组合,但在城域传输网总体上向着IP化演进的背景下,具有Qo S保证的下一代分组化传送技术必将成为技术发展的主流,而PON等接入技术也有望在城域网最后一公里解决方案中迅速获得应用。
3 城域传输网演进策略分析
在当前网络转型的关键时期,面对成熟、庞大的SDH/MSTP城域传输网,任何新技术、新设备的引入都是一个循序渐进的过程,在这个过程中,我们既要充分考虑整体网络架构的合理性,又要兼顾现有网络资源的利用效率、网络的建设成本甚至后期的运营维护等一系列问题,所以新技术、新设备引入的时机、节点设置、组网策略就显得至关重要。
根据本节根据业务类型、带宽需求等指标的不同,IP化的接入业务大致可分为三大类:个人业务(主要是2G/3G IP化语音)、集团客户业务和家庭综合接入业务。针对这三类不同的用户群体,本文给出了PTN/CE、PON、MSTP等技术在不同场景中的组网方案,明确了演进过程中的不同阶段,各网络节点处的设备设置情况,讨论了各种组网模式的利弊,为网络的平滑演进提供强有力的支撑。
鉴于现有的城域传输网在核心层已通过IP over WDM的建设实现了大颗粒业务的承载、调度,良好解决了核心层面的网络瓶颈问题,所以PTN/CE、PON等IP化承载技术的将主要定位于城域网的汇聚、接入层面,致力于解决SDH/MSTP网络刚性带宽配置造成的资源耗尽严重,带宽资源利用率低的问题。
3.1 个人业务
以IP化语音为代表的个人业务对传输网的时延、抖动、时钟、保护等方面的要求很高,并且考虑到3G远期的需求,传输网还应该具备HSPA等更高级业务数据业务的支撑能力。鉴于PTN与传统MSTP的良好兼容性及其分组化业务的承载能力,建议采用PTN与MSTP相结合的方式进行IP化语音等高Qo S要求的业务承载。具体演进方式如下:
(1)对于业务需求量大的密集市区,建议采取MSTP、PTN单独组网的模式,已有TDM业务继续由SDH/MSTP网络承载,新增的3G数据业务等分组化业务则由新建PTN网络承载。
独立组网模式(见图1)下网络结构清晰,维护便利,缺点是先期投入较大,光缆资源、节点资源使用较多,给整体网络规划带来一定的困难。
(2)对于先期业务不发达的普通市区、城乡结合部以及偏远农村,可以根据用户的分布情况,利用PTN接入设备的不同配置,与原有SDH混合组建SDH环,分四个阶段逐步全PTN网络演进。
混合组网(见图2),逐步演进的模式有利于网络的前期规划,可以根据需要配置相应的业务,由于采用了分步建设的方式,投资风险性大大降低。混合组网模式的问题主要在于对设备的性能要求高,需要设备同时支持TDM业务和IP业务,其次,混合组网的模式决定了业务的配置相对复杂,网络发展后期可能涉及大量的业务调整与割接,维护管理的任务比较艰巨。
3.2 集团客户业务
目前,集团客户主要包括政府机关、金融、企事业单位等,该类客户业务接口以GE、FE为主,业务量大,流量相对稳定,对系统的可用性和维护质量要求较高。
在业务发展初期,用户的接入可以利用现有的SDH网络,必要时也可以考虑在一些客户节点设置PTN设备以FE、GE支链或者环的方式实现业务的快速接入(见图3)。
发展远期,用户数目大量增加,则可以通过PON技术,利用其低成本的以太网汇聚功能和良好的网络扩展性,对底层接入用户的语音、视频、数据业务进行汇聚,汇聚后的OLT上行端口再上联至PTN平台(见图4)。
3.3 家庭综合接入业务
家庭综合接入业务主要包括:普通上网、Vo IP、IPTV、游戏、远端家庭监控等多媒体信息业务。家庭用户的特点是分布密集,带宽需求比较大,对传输网的Qo S机制、保护、安全性要求不高,但家庭用户对成本和资费非常敏感。
我们建议采用PON作为家庭用户接入的主流解决方案,充分发挥PON技术的规模优势。其具体的设备布置方式可以根据接入网络资源以及用户的分布情况灵活选择。如大量用户靠近汇聚机房,骨干层光纤资源充足的条件下,OLT和光分路器均可放置在汇聚机房,每个用户均有专用的光纤线路,光分路器和OLT设备PON端口利用率高。其网络结构示意图如图5所示(LCP:本地接入保护点;NAP:网络接入保护点)。
若骨干层光缆资源紧张,可采用将分路器分级放置在LCP和NAP处的分布式网络结构,以节省光纤资源,但分光器和OLT设备PON端口利用率较低,如图6所示。
PON的应用主要还是集中在接入层,为增强网络的安全性,可以考虑OLT组环的方式进行业务的保护。此外,因为接入业务经过PON的初级汇聚后,最终还需要通过上层的PTN网络或者城域波分平台进行汇聚传输,所以PON系统与上层网络网管的整合,业务的管理问题尚需进一步研究。
4 结束语
在城域传输网向ALL IP演进的过程中,通过对六种主流IP化承载技术的分析比较,本文提出了以PTN为主导,糅合了MSTP、PON等技术的联合组网方案,以适应近期业务需求不明朗、变化快的环境。通过几种合理的组合,形成优势互补,而不是局限于某种单一的技术来解决所有问题,既提高了现网资源的利用率,同时也有效规避了传输网大规模升级或者新建叠加的激进方式带来的资源浪费和投资风险,为城域传输网的平滑演进提供了建设思路。
参考文献
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[3]李文耀,吴健学,李志刚.IP趋势下的光传送网新挑战.通信世界周刊,2008,(12):B8～B10
IP传输网 篇2
电力通信网是电力系统各种生产信息和办公信息的传输交换平台, 是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段。随着智能电网建设的快速发展以及国家电网公司“三集五大”管理运营模式的改变, 各种新的电力通信业务不断出现, 通信网传输的数据量急速增加, 数据类型也发生了巨大的变化, 传统TDM数据业务逐渐被IP数据业务所替代。电力通信网的发展一直是以电网的发展及电网应用的发展为基本驱动力, 深入分析和研究电网业务需求, 是做好通信网技术体制选择、合理规划网络的重要工作[1]。本文将基于电力系统通信业务的变化, 研究电力通信传输网的建设方案。
1 电力通信业务的变化
1.1 业务类型的变化
电力通信网承载的通信业务可分为电网生产运行业务和电网生产管理业务两大类。电网生产运行业务是指数据采集及监视控制系统、能量管理系统、继电保护信号、调度电话、保护故障信息、视频监控、电量采集等;电网生产管理业务包括行政电话、会议电话电视、管理信息系统等。按照传统通信业务划分方式, 上述电力通信业务包括了语音业务、数据业务、视频业务和多媒体业务。随着智能电网建设的不断深入开展, 智能变电站一体化信息平台、广域保护控制、调度系统全景数据共享、配用电信息等生产运行业务, 以及国家电网公司“三集五大”管理运营模式下, 电子商务平台、ERP资产管理系统等生产管理业务, 已成为电力通信网新增业务需求。
传统的电力系统语音通信主要采用电路交换技术构建的调度电话交换网和行政电话交换网, 基本都是开展电话语音业务。但随着智能电网对多媒体视频业务需求的不断提高, 软交换技术已成为交换技术的发展方向, 电力调度、行政交换网正在由电路交换向软交换发展[2], 语音业务的数据类型也相应地由TDM数据转变为IP数据。调度自动化、电量、视频监控等业务也已实现了从64 k、2 M专线通信向调度数据网网络通信方式的转变, 数据全部实现IP化。智能电网发展新增的生产运行业务以IP数据为主, 其它的办公自动化、会议电视、电子商务平台、ERP资产管理系统等生产管理系统业务全部为IP数据。
总体来说, 电力通信网所承载的各类通信业务呈现IP化的发展趋势, 未来除了继电保护安稳系统信号的传输以外, 其它所有业务都将以IP网络通信方式来实现。
1.2 对通信网需求的变化
不同的电力通信业务数据类型和流向不同, 对通信网实时性、可靠性和安全性的要求也不同。
1) 继电保护及安稳系统业务属站间实时数据业务, 业务带宽要求不高, 每路带宽一般64 kbps或2 Mbps, 但业务时延要求很高, 从电力系统的稳定性及安全性考虑, 要求传输时间闭锁式信号小于10 ms, 允许跳闸式及直接跳闸式小于20 ms[3]。因此继电保护及安稳系统信息的传输方式一直采用传统的TDM数据格式, 以确保传输时延和Qo S得到保证。
2) 调度电话、调度自动化、电量采集、视频监控等生产运行类业务, 正在或已经由TDM数据演变为IP数据, 除视频监控业务外, 其它生产运行业务所需带宽不大, 但对可靠性和安全性要求很高。
3) 行政电话、办公自动化、会议电视、生产管理系统等生产管理类业务, 以IP数据为主, 最终将全部IP化, 特点是数据量大, 对带宽要求高, 但可靠性、安全性要求低于生产运行类业务。
以太网是专为IP数据而生的网络, 它能够快速高效地实现IP数据的路由和交换。电力系统的调度数据网和综合数据网就是为生产运行类和生产管理类IP数据而建的两大以太网。根据运行和管理业务的特点以及对网络需求的差异, 调度数据网和综合数据网的组网各有特点。调度数据网安全级别高于综合数据网, 对可靠性要求高, 目前是按双平面设置, 根据其所承载业务的安全、重要程度, 划分了不同的业务分区, 限制跨区业务的互通, 确保安全可靠。综合数据网分为办公内网和外网, 行政电话、办公自动化、会议电视、生产管理系统等承载于内网, 与外网实现物理隔离。各项业务对电力通信网的要求汇总如表1。由表1可看出, 大量的业务数据正在由电路交换TDM数据向包交换IP数据转变。
2 电力通信传输网现状
目前电力通信传输网大多采用双SDH/MSTP传输网组网 (见图1) 。其中调度数据网和综合数据网两大业务网, 分别承载了电力系统生产运行类和生产管理类的IP数据业务, 解决各类IP数据业务的路由和交换。在IP数据量不大的情况下, 采用MSTP技术, 可以以牺牲网络的带宽资源为代价暂时解决IP数据的传输;但随着IP数据量的急剧增长, 这种方法将使得网络的带宽利用率大大降低, 在电力系统通信业务星型汇聚和SDH/MSTP技术固定分配带宽的特点下, 网络带宽资源很快就会被消耗殆尽。
从目前的趋势来看, 未来电力系统的所有通信业务必将全部转向这两大数据网, 两大数据网业务量的增长必然需要相应提高其网络中继带宽。近几年调度数据网中继带宽已由2 Mbit/s增加至155 Mbit/s, 综合数据网中继带宽则由N×155 Mbit/s增加至M×1 000 Mbit/s[4], 发生了爆炸式的增长。
高速以太网是解决海量IP数据路由和交换的有效途径, 电力调度数据网和综合数据网正在建设高可靠性、安全性和冗余性的高速以太网, 但动辄GE、10 GE的链路带宽对传输网的压力依旧非常之大。
3 电力通信传输网建设方案
随着电力通信业务数据的IP化, SDH/SMTP网络已无法满足其大量数据的传输要求, 运行多年的传统电力系统通信网络架构正在逐步发生变化。从传输技术的发展趋势以及电信网的实际应用情况来看, 建设适合传输IP数据业务的大容量DWDM/OTN网络或PTN网络是未来一段时间的发展方向。同时升级现有调度数据网、综合数据网的链路带宽, 构建以高速路由器组网的数据网, 实现IP业务快速路由和交换, 可以满足当前智能电网大量IP业务的传输及交换需求。
DWDM/OTN技术是以波分复用技术为基础, 包括了光层和电层的交叉连接和业务调度功能, 能够提供业务级的保护和OAM功能, 系统传输容量可达N×40 G (N=40、80) , 可提供GE、2.5 G、10 GE等大颗粒业务的接入。DWDM/OTN技术的优势在于超大带宽传输和长距离传输, 适合三级及以上的干线传输网。对于业务量较小的四级 (地市级) 及以下传输网, 可选择PTN技术。PTN技术主要定位城域应用, 设备接口为GE或10 GE, 传输距离较近, 一般不超过100 km[5]。受传输距离和传输容量的限制, PTN技术不宜在规模较大的三级 (省级) 以上传输网应用。
由于调度数据网双平面需要2个相对独立的传输网来承载, 因此在建设DWDM/OTN网络的同时, SDH/MSTP网络仍需要承担部分IP业务, 以传输网双平面分别承载调度数据网双平面, 满足2个网络平面自下而上的相对独立, 提高网络冗余可靠性。以三级及以上干线传输网为例, 未来将形成SDH/MSTP和DWDM/OTN的传输网双平面, 2个传输平台发挥各自的技术特点和优势, 大颗粒IP数据业务向第二平面DWDM/OTN网转移, 主要承载IP业务, 继电保护安稳系统等业务仍采用第一平面SDH/MSTP网传输 (见图2) 。
DWDM/OTN大容量传输网建成后, 其承载了海量的业务数据, 网络的安全性可靠性尤为重要, 除了采取一定的设备冗余和网络保护措施外, 本文建议保持通信网的扁平化, 减少不同通信网叠加。偏平化的通信网络减少了通信业务端到端的中间环节, 降低网络故障发生几率。同时通信网络的偏平化有利于提高全网的带宽利用率, 符合国家电网公司“三集五大”管理运营模式的要求。因此应保证DWDM/OTN和SDH/MSTP传输网双平面的相互独立性。
SDH/MSTP传输网安全稳定、接口丰富, 虽然其承载的业务越来越少, 但对实时性和时延要求极高的线路保护安全稳定业务来说, SDH传输网络仍是目前最适合其传输要求的网络。另外SDH技术在超长站局通信上具有明显优势, 工程中, 对于2.5 Gbit/s光传输系统, 站间光缆长度在350 km以内时, 可以不设置光中继站[6]。相对于OTN技术, 对于特高压长距离输电线路, 采用SDH技术仍是首选的通信方式。因此, DWDM/OTN和SDH/MSTP传输网双平面的组网模式适合当前及未来一段时期内电力通信干线传输网发展的需求。
4 结语
本文在分析电力通信主要业务需求的变化和电力通信网络现状的前提下, 针对当前电力通信业务IP化, 数据量呈现爆炸式增长的发展趋势, 认为调度数据网和综合数据网将最终成为电力系统两大IP数据承载网, 传统的传输网络已经不能满足现有业务发展的需求。提出建设DWDM/OTN大容量传输网作为干线传输网, 与SDH/MSTP一起形成传输网双平面;并从网络可靠性角度建议减少网络叠加, 保持网络扁平化。同时发挥SDH/MSTP在传输线路保护安稳信息以及超长站距方面存在安全可靠等技术优势, 继续建设好现有的SDH/MSTP网络, 保护现有通信网投资, 使其持续发挥好功能, 为电力系统安全稳定运行保驾护航。
参考文献
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基于IP的视频传输技术 篇3
随着多媒体计算机技术和通信技术的发展,以及IP技术的迅速普及,人们对网络的要求不再局限于网页浏览、文件下载、电子邮件的收发以及网络游戏等传统的应用,而更多的是希望通过网络能随时随地、自由地进行可视电话通信,通过网络收看或点播全球任何地方的电视节目。目前,在IP网络下分发视频内容的技术途径已成为广泛的研究热点之一,而如何在IP网络中实现视频的更好更快的传输更是其中研究的重要内容。此技术正是利用了IP完善的协议体系和丰富的应用层开发工具,来完成视频信号的网络传输,从而实现廉价且简单易行的跨地域的网络视频管理系统的建设。
IP技术介绍
利用IP网络传输视频,就是利用IP协议的数据包在交换网络上承载和传输视频,IP协议数据包的内容就是视频内容。在IP网络上传输视频技术从开始产生到得到广泛认可是一个迅速的过程,推动其发展的原因主要有以下几个方面:一是越来越多的用户体会到了使用IP技术的优点;二是由于芯片技术的快速发展,IP网络带宽不断加大,设备处理能力不断提高,使得在IP网络上传输实时视频变得可能;加之针对视频处理的一些优化处理软件,使得海量实时视频数据能够可靠顺利地传送到目的地。另外,在交互式数字电视增值业务VOD的系统中,由于越来越多地使用服务器以及硬盘阵列系统,数据交换基于千兆或者万兆以太网网络,传统的ASI传输由于受到传输能力的限制已经不能满足系统使用的需要,因此,在IP交换网络上传输视频也正好发挥了千兆以太网传输视频的技术优势,使得该技术得到广泛应用。
尽管IP拥有巨大的容量,但该网络不是设计用来处理具有独特特性的视频数据的,在基于IP网络的视频传输中也面临一些挑战如下:
(1)抖动:IP包内的延时变化;
(2)丢包:当网络超载时,可能会出现误码或者丢包;
(3)重排序:IP网络的糊状拓扑使数据包可能沿不同的路由到达,导致包的接收顺序错误。
基于IP的视频传输技术
基于IP技术构建视频传输系统的技术要求
利用IP技术传输视频内容除了上述的一些特点之外,我们还需要掌握在IP网络上建立视频传输系统需要的多种技术支持,以保证能安全可靠的使用IP构建视频传输系统。
带宽要足够大
要在IP网络上实现视频传送,必须要有足够的网络带宽,视频数据才能通过网络传输。
要有好的压缩技术
采用高压缩比的压缩算法,有效降低数据量,达到时间上的同步,才能使视频和音频数据在IP网上传输成为可能。
要有相应的传输协议
IP传输采用UDP协议或者RTP协议,而不是TCPAP协议,这主要是由实时视频的特点决定的,因为TCP/IP协议虽然可靠,但它是面向连接的,即数据包丢失后可以要求重新再传一次。但是视频主要应用于广播系统,重新传送数据是不可能,只能通过其它技术手段,如UDP,它是非面向连接的协议,能保证数据在传输过程中不发生丢失。
服务质量要保证
网络服务质量是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定。首先,视频传输系统要求有较高的实时性和可靠性,这就要求视频在网络传输时的时延要满足一定的要求,观众才能获得真实的现场感。其次,在视频传输中,只有达到时间上的同步才能实现唇音同步,才能自然有效地表达关于现场的完整消息。最后,可以允许一定的传输误码,丢包率应控制在人能接受的范围内,让人眼感觉不到,这样才不会影响视频的传输质量。
IP视频通信的网络构成
目前电信级VoIP系统一般由IP电话终端、IP接入网关、网关(Gateway)、关守(Gatekeeper)、网管系统、认证计费系统等几部分组成的。
(1)终端:IP电话终端包括传统的语音电话机、PC机、可视IP电话机,也可以是集语音、数据和图像于一体的多媒体业务终端。
(2)接入网关:即前置交换机,它的作用是与PSTN网、移动网、专网PBX实现互联互通及信令转换、话务收敛、呼叫分配。
(3)网关:由于不同种类的终端产生的数据源结构不同,要在同一个网络上传输,就要由网关或者是通过一个适配器将数据转换,形成统一的IP数据包,成为可以在因特网上传输的IP分组视频信号,然后通过因特网传送到被叫用户端的网关,由被叫端的网关对IP数据包进行解包、解压和解码,还原为能识别的模拟语音信号,再通过PSTN传到被叫方的终端。
(4)关守(Gatekeeper):关守实际上是IP电话网的智能集线器,是整个系统的服务平台,负责系统的管理、配置和维护。关守提供的功能有拨号方案管理、安全性管理、集中账务管理、数据库管理和备份、网络管理等等。
(5)网管系统:网管系统的功能是管理整个IP电话系统,包括故障管理,计费管理,配置管理、性能管理和远程监控等。
(6)认证计费系统:认证计费系统的功能是判别用户是否为有权用户并对其呼叫进行费用计算,并提供相应的单据和统计报表。
IP视频系统的建设目标
多媒体化
同步、实时传送需要的视频图像及声音信号;实时采集前端各种传感器的告警信息,出现告警时,及时给出提示;可根据需要,在前端、监控中心及客户端分别或同时存储。
网络化
通过LAN或WAN进行多媒体信息的传输;监控现场的视频与音频信号汇集到总监控室集中管理,而用户可以在任何地点通过Internet,随时看到监控现场的实时图像、遥控监控设备、调看录像文件。
集成化
已建或待建监控系统可合理集成,避免不必要的资源浪费。
扩展化
系统具有简单、灵活的特点以及扩容和智能化升级功能,方便监控点的不断扩展。
安全性
监控信号在进行网络传输时,具有加密功能,能保证监控信号的准确性。
几种基于IP技术的视频传输模式
模式一:客户端直接访问前端视频服务器,前端每个视频服务器均配有一个公网固定IP地址。此种模式简单稳定,但需为公网固定IP地址支付一定费用。适合于监控点数有限、跨度大、监看人员不多,且对系统稳定性要求较高的用户。
模式二:客户端直接访问前端视频服务器,前端视频服务器通过拨号方式接入网络。由于每次拨号后,前端视频服务器的IP地址都会发生变化,即其地址是动态的,解决前端动态IP地址问题。
模式三:客户端——多媒体管理服务器模式。此种模式工作方式是,前端视频服务器首先将视音频等信息发送给网络上的多媒体管理服务器(具有公网固定IP地址),由多媒体管理服务器完成DDNS及视音频等多媒体信息的转发(Relay)工作。该模式依托于安卫士TM网络多媒体管理平台,适合构建大规模或超大规模的网络视频应用系统。
结束语
随着网络、多媒体、通信技术的迅速发展和性能的不断提升,以及IP视频通信技术费用的低廉化和视频传输技术的不断进展,基于IP技术而构建视频传输系统,将会实现广泛的发展和不断的完善,而且它将与现有的电信语音网络综合,形成综合的语音、数据和视频网络,为政府机关、商业集团、科研院所、医疗机构及普通个人等进行异地交流提供方便条件,成为工作、学习、生活中不可或缺的工具。
IP传输网络解决方案探讨 篇4
在国内的电信运营及专网市场, 传输承载网络有基于TDM技术的SDH网络、基于MSTP技术的MSTP网络、基于ATM技术的ATM网络和基于分组交换技术的IP网络。电信运营商很少部署专门的ATM传输网络, 建网初期都是采用SDH传输网络, TDM技术能够为电路域业务提供高效可靠的传输承载, 但不能为数据分组域业务提供一个良好的传输承载。MSTP技术则是在原有SDH网络的基础上加入对数据业务层的处理, 使其适合数据业务的传送, 是近年来采用得比较多的传输网络的技术标准。
随着2007年以来电信运营市场3G网络的快速建设, 同时对传输承载网络也提出了新的需求:保护用户现有的投资的同时要更高效、有效地利用传输带宽, 还要具有良好的可扩展性, 可向前兼容和向后扩展。
2008年, 3GPP在R5版本开始引入IP传输技术;而HSDPA等高速数据业务的出现也决定了采用IP传输和IP承载网是未来主流。
2 SDH网络组建3G传输网的优劣势分析
基于不同的传输承载网络, 3G网络的Node B的接入方式有很多种, 如基于光纤接入、铜缆接入、DSL接入、微波接入、LMDS接入等, 中国电信运营商的传输网络以SDH为主, 因此目前最主流的接口是E1方式。在局部偏远地区有少量的微波, 在海岛、沙漠等有线网络或者微波传输无法解决的地方, 有少量的卫星传输的应用。
2.1 SDH组建RAN传输网的优势
3G业务在SDH网络中透明传输, 3G业务的ATM/IP特性全部由3G业务节点进行处理, 3G业务网和承载传输网完全独立, 网络层次清晰。
3G业务网和SDH传输网独立, 接入SDH传输网中传送的3G业务100%保障传送, 不存在传输接口或带宽竞争的问题, 业务数据包可靠传送。
2.2 SDH组建RAN传输网的劣势
传统SDH采用TDM方式静态配置带宽, 带宽利用率相对较低。
3G业务的发展和传统SDH的低效率传送将造成传输网资源快速消耗和投资浪费, 不能很好地适应3G业务未来发展的需要。
3 MSTP组建3G传输网的优劣势分析
基于SDH的多业务传送平台MSTP (Multi Service Transport Platform) , 同时实现TDM、ATM、IP等业务接入、处理和传送。MSTP是在原有SDH的基础上加入对数据业务层的处理, 通过在SDH上加入RPR、MPLS、以太网L2交换、以太网透传等技术实现对IP类业务的支持, 通过在SDH上接入VP＿RING技术实现对ATM分组传输的支持, 使其适合数据业务的传送。
3.1 MSTP组建RAN传输网的优势
利用MSTP的ATM处理模块可在环网共享带宽, 提高带宽利用率。
利用MSTP构建VP-RING共享环, 可以在业务层进行VP的环保护, 在物理层仍然可以采用SDH的环网保护机制, 提高了业务的安全性。
利用MSTP的内嵌RPR功能构建3G接入层传输网络, 既实现了对原有网络TDM业务的兼容, 又保证了3G网络的IP化演进;RNC设备的接口要求较低, 只需提供高速接口;适合于基站业务容量较大情况下的组网应用, 能够很好适应3G业务发展需要。
3.2 MSTP组建RAN传输网的劣势
业务网与传输网重叠, 网络层次不清晰, 不适合运营商传输网和3G分开建设、分开管理的现状。
汇聚节点的汇聚率难以准确预测, 需要根据一段时间的统计来确定, 汇聚率过大时难以适应突发大话务量的需求, 汇聚率偏小则难以实现节省传输网络资源的目。
MSTP VP＿RING功能因为技术、成本和网络现状等问题, 并不适合3G的基站传输。
在采用MSTP+RPR环网时, 通常RPR环网使用一个以上的VC4通道, 在基站流量较小时接入环带宽利用率不高。
MSTP尽管具备顽强的生命力, 但在“下一代网”的浪潮中, 也会有两种转向:一是逐步退出传送网络的核心层, 在边缘网络中发挥作用;二是MSTP把数据处理的比重逐渐加大, 演化成为事实上的以分组交换为核心的IP承载网设备。
4 IP传输网络解决方案
3G网络中数据业务的不断提升, 对传输网络的需求更高;而基于TDM和ATM的传输网络不能很好的支持数据业务的发展, 传输开销大, 需要更加有效的支持分组业务的传输网络。而MSTP网络, 其传送层 (物理层) 仍然为SDH, 数据业务的传送管道为静态虚级联组 (VCG) 电路;数据业务汇聚主要以集中汇聚为主, 分布式汇聚的能力较弱;数据交换单元无设备保护;不适合分组业务为主的传送应用。因此MSTP向分组传送的演进是3G传输网络发展的必然趋势。
4.1 基于SDH网络组建IP UTRAN解决方案
基于SDH传输网现状, 采用IP over SDH传输3G业务, 提高传输效率, 并简化网络复杂度, 实现传输设备的IP化。
4.2 基于分路传输的IP UTRAN解决方案
对于大流量的Node B站点, 按照不同的业务分类, 分配不同的物理承载介质和带宽:HS-DPA等数据业务具有峰值流量大, 峰均比动态范围大, 突发性强的特点, 适合在FE等高速接口传输, 采用IP传输网承载, 降低组网成本;语音等对实时性要求较高的业务在SDH传输网通过E1/T1链路传输。
4.3 基于下一代PTN的IP UTRAN解决方案
随着下一代PTN (Packet Transport Network) 传送网的发展, RNC和Node B之间全部采用IP网络作为传输承载;未来的IP UTRAN将承载在高Qos、高安全性的PTN传送网上。
5 综述
中国电信运营商现有传输网络多是基于TDM技术的SDH网络/MSTP网络, 在向下一代传输网络演进中必须考虑利旧、成本、效率、兼容等各方面原因, 而在原有网络中引入IP技术, 组建RAN传输网, 将会是未来一段时间内电信运营商采用的传输网络, 并最终在RNC和Node B之间全部采用IP网络作为传输承载。
摘要：作为电信运营商基础网络之一的传输承载网络, 多年来主要基于TDM技术、MSTP技术及ATM技术。近年来, 在无线通讯网络中, 随着电信级分组传送网PTN技术的发展, IP网络的Qos和安全性等问题逐渐得到解决, IP传输技术将是未来发展的主方向。本文通过几种传输技术在3G网络中的应用与演进, 提出了传输网络IP化的必然趋势和解决方案。
关键词：分组传送网PTN,MSTP,IP传输网络
参考文献
[1]王志勤.宽带无线移动通信发展.电信工程技术与标准化[J].2009年第22卷第10期.
基于IP的医学图像传输技术综述 篇5
在基于IP的实时医学图像传输中主要包含实时流媒体和实时图像传输, 相对于医学中的实时流媒体和实时图像传输, 如实时心电图传输、实时B超图像或流媒体传输, 实时胃镜检测流媒体传输、实时在线诊断的流媒体传输等等, 对传输质量有更高的要求, 因此在基于IP的实时医学图像传输中优化Qos极为重要, 包括带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等量化指标, 这也就涉及到实时图像传输和流媒体控制技术的研究和发展。
(一) 实时图像传输技术
“实时图像传输技术的研究”主要目的是实时、有效、低成本地将视频图像传回到终端。在基于IP网络上实现医学图像的实时传输和播放, 在构建传输系统时需要满足以下几个方面:
(1) 如何实现实时图像数据的编解码;
(2) 如何提高医学图像的实时性能;
(3) 如何确保通信的服务质量QoS等。
1. 医学图像感兴趣编码技术
医学图像一般分为病灶区和非病灶区两个部分。病灶区是指包含重要病理诊断价值的信息, 一般只占图像的一小部分, 因此病灶区又叫感兴趣区域 (ROI, Region Of Interest) , 都是采用无损或近似无损的高比特率压缩。而非病灶区只提供相应的空间位置信息, 占图像大部分信息, 因此非病灶区又叫背景区域 (BG, BackGround) , 都是采用低比特率的有损压缩。在传送图像时先传图像的轮廓信息, 接着边传数据边解码, 得到质量不断提高的图像, 该技术能保证不丢失重要信息的前提下, 最大限度地提高图像的压缩比实现医学图像的感兴趣区域编码与渐进传输。
2. 连续帧医学图像无损渐进传输技术
在远程医疗的实时医学图像传输中, 客户端通过网络操控服务器端实时地收看拍摄到或由医学设备捕捉到的连续帧医学图像。而连续帧医学图像相对于传统的单帧医学图像来讲连续帧医学图像所包含的是一些重要的动态信息, 例如客户端可以通过服务器端传输过来的实时医学图像看到服务器端的胃镜的整个检测操作过程。然而, 由于目前医学图像相对来讲容量比较大, 一般都有几十兆甚至上百兆, 就目前的网络速度而言, 直接传输这么大容量的原始数据是比较困难的。
通常的做法是对连续帧医学图像进行先压缩再传输, 在连续续帧医学图像的压缩传输中, 一方面, 要保证医学图像的压缩是无损的, 只要客户端想收看某一帧的全部细节, 必须能够通过网络传输而获得;而另一方面, 在客户端接受实时捕捉到的连续帧医学图像中, 如果已经能够达到收看到的逼近图像而放弃收看更多细节时, 余下的当前帧数据就可以丢弃而是下一帧数据被提前传输, 从而提高传输效率。总之, 连续帧医学图像的传输既要求是无损渐进的, 又要求是实时的, 对图像质量和传输效率提出了双重要求。
连续帧医学图像的无损渐进传输技术方案为:
首先, 通过整数小波变换对每一帧医学图像进行无损压缩;接着, 对小波系数进行渐进式编码, 按照从逼近到细节的顺序将子带进行排列;然后对它们进行熵编码;最后, 利用医学图像无损渐进传输系统将各帧图像的各子带数据通过网络传输, 同时, 利用传输过程中的相关指令指示做出相应的调整, 把不需要的子带删掉, 从而提高传输效率。
(二) 流媒体传输技术
在网络上实现高效传输实时流媒体信息必须解决两个最基本的问题:网络带宽和流媒体信息的时空同步, 而在基于IP网络上实现医学流媒体的实时传输和播放研究中, 在构建传输系统时, 应考虑以下几个方面
(1) 视频数据压缩
(2) 流媒体传输协议集打包策略
(3) 端到端服务质量保证理论和端到端服务质量保证的自适应控制机制, 即优化Qos。
而其中的优化Qos在实现流媒体的实时传输的极为重要, 也是实现高质量实时医学图像传输的重要前提。
1. 网络流媒体流量控制
在网络流媒体的服务质量问题上, 为了解决流媒体流量控制问题, 通过研究HRA算法, HRA算法通过搜索网络状况不断的调整发送比率, 争取达到最大化的可用带宽, 直到包丢失发生。HRA保持增加发送比率, 直到接收缓冲区超过了规定阙值。
该算法简单描述如下:
If (HRA timer expire)
Then if recvbuf>bufthresh
Then sendtate= (1一?) .avg_playrate
Else sendrate=sendrate+?.avg_playrate
Return
2. 网络流媒体缓冲控制
实时医学流媒体传输中对于实时性提出了更高的要求, 为了实时性而不得不牺牲一些可靠性, 这对于实时医学流媒体传输是不现实的。传统上用于提高多媒体网络传输QOS的反馈控制机制所消耗的时间非常的多, 让人无法忍受。在这样有限的网络情况下, 为了提高媒体流的播放质量, 对接收端缓冲区进行严格而有效的设计和管理非常有必要。
针对网络时延抖动以及时钟偏移等问题会对媒体流播放是否流畅产生重要影响, 从客户终端的角度来讨论如何优化设置和管理缓冲区, 以及平滑媒体流的播放, 通过借鉴TCP协议的“slow—start”思想, 采用“慢速启动”的策略, 为了减小刚开始的播放延迟, 缓冲区中有足够数目的帧就应该开始播放, 通过采用SLOW—START为启动模型的动态缓冲控制算法, 缓冲区内的Q将在一定时间内到达 (L+H) /2的水平, 并且到达此水平的时候播放时间间隔接近于T。记录此时的时间间隔。该算法可以有效地减小起始状态的播放延迟, 并有效防止缓冲区上溢造成的播放跳跃以及缓冲区下溢造成的播放停顿。
3. H.264技术和组包策略
H.264作为新兴的编解码技术带来了技术上的改进, 在同等压缩质量情况下, MPEG-4的压缩输出码率大约为H.264的两倍, 因此研究基于H.264的实时传输技术具有十分重要的现实意义和应用价值。视频的实时传输中必须满足较低的时延和较小的丢包率, 由于TCP (Transmission Control Protoco1) 协议的重发机制带来较大的时延, UDP (User Datagram Protoco1) 协议本身又不提供任何服务质量 (Quality of Service, QoS) 保证, 因此需要新的协议来满足网络视频实时传输的时延和丢包要求。国际标准化组织IETF (Internet Engineering Task Force) 制定了实时传输协议 (Real time Transport Protocol, RTP) 来满足多媒体实时传输的需求。
要通过RTP进行H.264视频传输, 必须把H.264视频数据封装成一个个RTP包。文献针对H.264网络适配层 (Network Abstraction Layer, NAL) 所产生的视频流, 提出了一种基于RTP的实时H.264视频流的混合模式组包算法 (Hybrid Mode Packetization, HMP) 。实验证明该算法在网络丢包率较大的情况下仍能获得良好视觉质量。
HMP算法描述如下。
若当前帧组能放进单个RTP包, 就把此当前帧组单独放进一个RTP包中;若放不下, 则把当前帧组分成多个帧, 放进多个RTP包, 此时须把当前帧组的序列参数集复制到每个RTP包, 以去除包间的相关性, 达到丢包的鲁棒性;为减小包数, 降低开销, 一包中能放进多少帧就尽可能多地放进多少帧, 但即使最后一个包中仍有剩余空间, 也不能把另一当前帧组中的帧放进此包中;若当前RTP包放不下一个帧, 则把帧分成多个切片, 放进多个RTP包, 此时需把当前帧组的序列参数集和帧的图像参数集复制到每个RTP包, 以去除包间的相关性, 达到丢包的鲁棒性。为减小包数, 降低开销, 一包中能放进多少切片就尽可能多地放进多少切片, 但即使最后一个包中仍有剩余空间, 也不能把另一帧中的切片放进此包中。
4. 带宽管理
在流媒体控制协议中, SCTP协议 (Stream Control Transmission Protoco1) 是一种面向报文的、面向连接、端到端、全双工、带有流量和拥塞控制的可靠的传输层协议, 它是基于不可靠的、无连接的分组IP网络。文献中根据PRSCTP (部分可靠的流控制传输协议) 在带宽受限的网络环境下有更好的性能表现。即PRSCTP与的SCTP (标准流控制传输协议) 一样都支持多流传输, 为保证其不同级别的可靠性, PRSCTP相对SCTP而言还允许为每个流定义重传次数, 利用可靠性 (即数据是否重要) 的高低来采用不同的传输策略, 即重要的数据就采用完全可靠的传输策略, 不重要的数据则通过新增加控制块类型, 通过发送方通知接收端强制向前推移累积确认点, 同时发送方丢弃累积确认点之前的分组, 从而实现不可靠传输。这样可减少重传次数, 从而提高PRSCTP的实时性能。
由此根据SCTP和PRSCTP的特性提出一种适合实时流媒体网络应用的方案BMSCTP, 其原理是:
首先利用实时计算端到端的可用带宽估计值和拥塞控制机制下允许发送端的最大发送速率这两个值作为激发值, 作为SCTP和PRSCTP的传输策略切换的判定条件, 同时规定I帧为帧内图像, P帧为预测图像、B帧为双向预测图像。接着比较链路带宽值最大发送速率值值, 如果链路可用带宽估计值小于最大发送速率值, 则判定网络处于拥塞状态, 此时就自动切换成PRSCTP的传输策略, 即只保证可靠传输关键的I帧, 而对对P帧和B帧采用不可靠的传输, 从而有效地减轻了网络的拥塞状况, 如果链路可用带宽估计值大于最大发送速率值, 则可判定是信道出错原因而导致丢包, 这时就采用自动切换到SCTP的传输策略来保证每个数据包的可靠传输。
(三) 结语
基于IP的医学图像传输系统设计与实现中, 主要包含实时医学图像传输和流媒体传输, 该传输控制机制的设计目标是既要保证实时医学图像传输和流媒体传输的QoS要求, 还要提高网络以及两端系统的利用率, 同时实现也应该简单。为了达到这一目标, 本文所述及的许多技术仍需进一步研究改进。另外, 随着编码技术、底层网络技术等的不断发展, 也需要开发的新传输控制机制与之相适应。例如, 在广域网环境下分析和研究医学图像及流媒体传输特点及要求, 考虑如何更好的利用改进相关算法进行动态调节发送医学中的实时流媒体和实时图像传输的数据包的大小以及传输速率及传输质量, 减少延迟抖动, 达到实时医学流媒体和图像所要求的码率。这类问题虽然早已有学者进行了研究, 但距离完善还有很大的距离。
参考文献
[1]农智红, 刘郦, 覃丽群.远程医疗技术演变过程及其发展趋势浅析[J].广西民族大学学报 (自然科学版) , 2007, 13 (2) :39-43.
[2]陈军波, 陈亚光.基于JPEG2000的医学图像感兴趣区编码与渐进传输[J].计算机工程与应用, 2007, 43 (14) :204-206.
[3]吴晶, 陈淑芬.连续帧医学图像无损渐进传输的研究与实现[J].计算机工程, 2006, 32 (23) :259-261.
[4]魏聪颖, 牛建伟, 吉海星, 胡建平.基于实时流媒体传输系统的H.264组包算法研究[J].计算机科学, 2007, 34 (8) :41-44.
IP传输网 篇6
在这种形势下为了在单向信道中基于IP数据报大规模可靠传输文件, 需要定义基于IP包的单向文件传输协议用于支持各种文档、图像、音视频片段、应用软件、服务广播信息及各种元数据的传输、下载及更新。在这方面国际上比较常见的是FLUTE (File Delivery over Unidirectional Transport) 协议, 而本文提出了一种不同于FLUTE的相对简单, 实现容易的单向文件传输协议。
单向文件传输协议在协议栈所处的位置如图1所示。
本文设计的单向文件传输协议的目标是将一个目录下的所有文件和目录结构通过本文所述的方法进行定义, 封装到UDP/IP协议进行发送。首先为目录建立目录结构信息, 目录结构信息加上索引信息头形成目录数据包作为UDP包的载荷进行发送;然后为文件建立文件信息头, 文件信息头加上文件数据和MD5数据摘要共同作为文件UDP包的载荷进行发送。文件和目录结构封装到IP包中进行传输时的结构设计如图2所示。
图2描述了一个文件数据播发的IP流, 在一个文件数据播发的IP流要求每1秒至少传输1次目录信息描述表, 图中IP包n传输了目录信息描述表, 用于描述整个文件传输的路径结构, 在传输目录信息描述表之前增加目录信息头便于快速查找目录信息描述表以及保证目录信息头与RTP包头结构字节对齐便于对RTP包进行加扰的CA系统进行加扰。
按照文件大小, 将文件数据以分段的方式封装到IP包中进行传输:如果文件大小小于或等于65479字节, 加上16字节的文件信息头再在文件数据后加上MD5数据摘要, 作为1个UDP包的数据段进行发送;如果文件大小大于65479字节, 分割成小于65479字节的文件分段。文件分段大小不得超过65479字节, 文件分段数不得超过65536个, 即单个文件大小应在4, 291, 231, 744字节以内。每个文件文段加上12字节的文件信息头再在分段的文件数据后加上MD5数据摘要, 作为1个UDP包的数据段进行发送。
目录信息由一个或者多个目录信息描述表传输, 每个目录信息描述表之前应加上目录信息头, 目录信息头中的目录信息段总数给出了目录信息描述表的总数, 目录信息描述表编号从0开始递增, 表示了各目录描述信息表之间的先后顺序。文件和目录都被视为一个节点。其中目录信息头包含了包类别、更新序号、节点总数、根节点编号、目录信息描述表长度、目录信息描述表总数、目录信息描述表编号、当前目录信息段包含节点数等信息。目录信息描述表包含了节点编号、父节点编号、节点类型、节点分段数、节点名称、节点数据长度等信息。
目录信息描述表描述了整个路径结构各个节点的相关信息, 利用这些信息接收端可以恢复出完整的路径树结构, 图3为一个实际的例子。
图中给出了“根目录”、“目录1”以及“文件3”三个节点的各项具体参数, 这些参数标明了节点在树状结构的具体位置, 节点可以是文件和目录。对于文件节点, 文件数据包由文件信息头, 分段文件数据和MD5校验数据组成, 文件信息头包含了包类别、更新序号、节点编号、数据段长度等信息。
笔者根据本文介绍的基于IP包的单向文件广播协议设计并实现了文件打包机, 可以将一个路径下的文件打包到UDP包中以轮播的方式播出, 软件界面如图4所示。
在播出系统前端可以使用IPE、复用器及其他网关设备将UDP/IP包封装到信道中进行传输。我们在实验中使用文件打包机将网页HTML文件封装到IP包中, 在CMMB信道中实现了IP包的传输, 并在终端进行接收恢复出数据文件, 系统结构如图5所示。
实现的接收效果如图6所示。
综上所述本文介绍的基于IP包的单向文件广播协议特点有:
每1秒至少传输1次目录信息描述表;
文件信息描述表以树状结构描述整个数据路径结构;
传输目录信息描述表之前增加, 目录信息头便于快速查找目录信息描述表;
目录信息头与RTP包头结构字节对齐便于对RTP包进行加扰的CA系统进行加扰;
文件信息头与RTP包头结构字节对齐便于对RTP包进行加扰的CA系统进行加扰;
文件分段传输的同步和校验机制;
实现简单易行, 便于实际应用。
摘要：本文针对单向广播信道设计定义了一种基于IP包的单向文件传输协议用于支持各种文档、图像、音视频片段、应用软件、服务广播信息及各种元数据的传输、下载及更新, 并简要介绍了该协议的具体实现和实验情况。
IP传输网 篇7
一、TCP协议
TCP协议是一种可靠的、面向连接的传输协议, 它提供面向连接的可靠的传输服务, 支持多种网络应用程序, 可用于各种可靠或不可靠的网络。面向连接意味着两个使用TCP的应用在彼此交换数据前必须先建立一个TCP连接。因此, TCP主要是为了在主机间实现可靠性的包交换传输。
1. TCP数据包的格式
原端口号:说明源服务的端口号。目的端口号:表示目标服务访问的端口号。序号:本段中第一个数据字节的顺序号。确认号:捎带应答的顺序号, 指明接收方期望接收到的下一个数据字节的顺序号。首部:给出首部中32bit字的树目。保留:必须为0。位标示:用6bit表示各种控制信息, 包括URG紧急指针字段有效。ACK:确认序号有效。PSH:接收方应尽快将这个报文段交给应用层。RST:重新连接, 通常用于连接后的故障恢复。SYN:对顺序号同步, 用于连接的建立。FIN:数据发送完成, 用于连接的建立。
2. TCP连接
上面说过, TCP连接是可靠的, 保证了传送数据包的顺序, 顺序是用序号来保证的。响应包内也包含一个序号, 表示接受方准备好接受这个序号的包。在TCP传送一个数据包时, 它同时把此数据包放入重发队列中, 同时启动计数器, 若收到这个包的确认信息, 就将此包从队列中删除, 若计时超时就重发此包。
TCP在两个通信主机间建立一个逻辑的端对端的连接。建立时交换称为“握手”的控制信息, 使用的是三方握手。所谓三方握手, 是指每次发送数据前, 通信双方先进行协商, 使数据段发送和接收能够同步进行, 并建立虚拟连接。为了提供可靠的传送, TCP在发送新的数据前, 以特定顺序将包进行编号, 并要求这些包传送到目标主机后回复一个确认消息。TCP总是用来发送大量的数据。当应用程序在收到数据后要做出确认时也要用到TCP。例如, 主机1向主机发出连接申请。首先主机1的TCP实体发送一个报文段, 其位标示SYN置1, 序号为n, 然后向主机2发送连接报文;主机收到上述报文后也同样发出一个位标示SYN置1, 同时ACK置1, 确认号置n+1的报文, 表示序号为n的报文段已收到, 此报文为应答报文, 下一个希望收到的报文序号为n+1;主机在收到这一应答报文后, 再继续发送序列号为n=1的报文。
3. TCP协议特点
1) 面向流的投递服务。应用程序之间传输的数据可视为无结构的字节流 (或位流) , 流投递服务保证收发的字节顺序完全一致。
2) 面向连接的投递服务。数据传输之前, TCP模块之间需建立连接, 其后的TCP报文在此连接基础上传输。
3) 可靠传输服务。接收方根据收到的报文中的校验和, 判断传输的正确性:如果正确, 进行应答, 否则丢弃报文。发送方如果在规定的时间内未能获得应答报文, 自动进行重传。
4) 缓冲传输。TCP模块提供强制性传输 (立即传输) 和缓冲传输两种手段。缓冲传输允许将应用程序的数据流积累到一定的体积, 形成报文, 再进行传输。
5) 全双工传输。TCP模块之间可以进行全双工的数据流交换。
6) 流量控制。TCP模块提供滑动窗口机制, 支持收发TCP模块之间的端到端流量控制。
二、UDP协议
UDP协议, 即用户数据报协议, 是一种简单的面向数据报的传输协议, 在使用UDP进行网络传输的过程中, UDP只负责数据传输, UDP不保证数据一定到达目的地;若传输出现故障, 不负责重传数据, 是否重传由应用程序控制;当数据到达后, 接收方不发送到达确认信息。UDP仅通过端口号指明发送程序端口和接收程序端口, 不保证数据一定到达目的主机。因此, 对应用层而言, UDP提供的数据传输服务称为无连接、不可靠的用户数据报服务。
1. UDP数据报格式
UDP数据报的格式由5个域组成:原端端口、目的地端口、用户数据包的长度、检查和和数据。其中, 前4个域组成UDP标题, 每个域由4个字节组成;检查和域占据2个字节, 用来检测传输过程中是否出现了错误;用户数据包的长度包括所有5个域的字节数;原端端口是可选域, 当其有意义时, 它指的是发送进程的端口, 这也就假定了在没有其他信息的情况下, 返回信息应该向什么地方发送。如果不使用它, 则在此域中填0。
2. UDP的工作机制
UDP协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。UDP和TCP正是采用这一机制实现对同一时刻内多项应用同时发送和接收数据的支持。数据发送一方将UDP数据报通过源端口发送出去, 而数据接收一方则通过目标端口接收数据。有的网络应用只能使用预先为其预留或注册的静态端口, 而另外一些网络应用则可以使用未被注册的动态端口。因为UDP报头使用两个字节存放端口号, 所以端口号的有效范围是从0-65535。
UDP使用报头中的校验值来保证数据安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出, 在传递到接收方后, 还需要重新计算。若某个某个数据报在传输过程中受到损坏, 发送和接收方的校验计算值不会相符, 由此可检测是否出错。
3. UDP协议的特性
总的来说, UDP协议具有以下特性:
1) UDP仅负责数据报的发送和接收, 其传输过程中出现的数据报丢失、重复和顺序错乱等问题均有上层的应用程序负责解决。
2) UDP是一个无连接协议, 传输数据之前原端和目的端不连接, 当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据, 并尽可能快的把它扔到网上。在发送端, UDP传送数据的速度仅仅受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制;在接受端, UDP把每个报文段放在队列中, 应用程序每次从队列中读一个报文段。
3) 由于传输数据不连接, 也就不需要维护连接状态, 因此, 一台服务器可同时向多个客户机传输相同报文。
4) UDP数据包标题很短, 有8个字节, 而TCP有20字节, 数据包额外开销小。
5) 吞吐量不受拥挤控制算法调节, 只受应用软件生成数据速率、传输带宽、原端目的端主机性能的限制。
三、动态选择TCP、UDP的方法
由于TCP、UCP协议各有优缺点, 于是便产生了一种动态选择TCP、UDP协议的方法。这种动态选择TCP-UDP的方法有两方面优点:首先, 对于需要比较少数据传输的情况, 它将使用UDP作为传输层的协议, 避免了TCP链接的多次握手开销;另外, 对于需要较多数据传输的情况, 它将使用可靠的带有重排序和拥塞控制的TCP协议作为传输层的协议。动态选择TCP-UDP的实现方法只需要对应用层的改动, 而操作系统的核心代码不用任何更改。
动态选择TCP-UDP协议的实现
客户端首先尝试使用UDP作为传输协议, 如果对于所请求的URLUDP并不适合, 则再次使用TCP链接。这种方法提供了以下保证: (1) 如果初始的UDP数据包丢失, 将采用TCP重新链接而不会受到影响。 (2) 如果所链接的服务器没有使用动态选择传输层的实现机制, 客户端将使用TCP重新进行链接。
上图给出了动态选择TCP、UDP的实现算法。一个采用此算法的HTTP客户端首先使用UDP作为传输层的协议发出HTTPGET请求, 同时启动超时定时器。当服务器处理客户端发来的请求时, 它可以从以下两点做出选择: (1) 如果响应的数据足够小, 服务器将使用UDP出响应。像比较小的网页或HTTPREDIRECT响应就属于这一类。 (2) 如果响应的数据很大, 无法放进一个UDP数据包中, 服务器则要求客户端使用TCP重试。这可以通过添加一个HTTP的头部字段来解决, 如TCPRETR。
在客户端, 将会出现三种情况: (1) 客户端从服务器接收到响应。如果响应中包含了所需HTTP响应, 客户端将对数据进行处理。如果服务器要求客户端重试, 客户端将使用TCP作为传输层重试。 (2) 如果服务器没有处理通过UDP传输的HTTP包, 客户端就会收到ICMP错误消息 (目的地址无法到达/协议无法到达) 。此时客户端将会使用TCP重试。
(3) 如果定时器超时, 客户端应使用TCP重试。
上图给出了在定时器超时情况下, 客户端和服务器间数据包的交换。这种超时机制提供了可靠性, 及与未使用混合TCP-UDP方法的服务器的兼容性。
上图示意了服务器要求客户端使用TCP重发请求时, 客户端和服务器之间的数据交换。
四、总结
很明显, 当数据传输的性能必须让位于数据传输的完整性、可控制性和可靠性时, TCP协议是当然的选择。当强调传输性能而不是传输的完整性时, 如:音频和多媒体应用, UDP是最好的选择。当网络延迟大, 带宽窄, 性能不佳时, 动态选择UDP-TCP传输协议亦是一个不错的选择。
摘要：本文描述了TCP协议、UDP协议及其混合协议的机制及其特点, 分析了三种机制的不同的适用环境, 对于网络传输协议的选择具有一定的指导作用。
关键词：TCP,UDP,混合TCP-UDP
参考文献
[1]计算机网络及应用马志峰主编上海科学普及出版社
[2]计算机网络伍孝金主编清华大学出版社