多媒体网络规划与设计

来源：软件水平考试发布时间：2012-11-04 软件水平考试视频评论

　　多媒体网络的需求
　　---- 多媒体是一种新兴的信息交流方式，它不是简单地把声、文、图、像等几种媒体叠加后呈现在人们面前，而是通过有机的信息集成，为人们提供最优的视听品质。在多媒体技术出现之前，信息交流基本通过文字、话音、图像或图形等单一媒体形式进行的。多媒体计算机确实是多媒体技术得以发展的起源和主导，但是利用单个计算机进行多媒体信息处理有很大的缺点：一是不能及时获取多媒体信息，很难保证信息的及时性;二是难以共享多媒体信息。计算机网络技术很好地解决了上述不足，使人们及时获得各种信息，同时能实现最大程度的信息共享。因此，将多媒体技术与网络技术相结合，是多媒体网络产生的原动力。
　　----网络应用需求是推动网络技术发展的主要动力。传统的网络框架定制了传统的网络应用，即以共享以太网和低速链路接入广域网，如64Kbps的 DDN或更低的PSTN链路，就可以满足应用的要求。随着新型的WWW应用，特别是网络多媒体应用的逐步普及，传统的网络框架已经不再适用，全交换和高速接入成为新型网络结构的两大特点。从网络多媒体应用的需求出发，多媒体应用对网络技术的要求包括：
　　----首先，多媒体通信网络必须有足够的带宽。这一方面是多媒体通信海量数据的要求，另一方面，只有高带宽才能确保实现用户与网络之间交互的实时性。按照一般的估计，通过多媒体网络传输压缩的数字图像信号要求有2～15Mb/s以上的速率(MPEG1/2)，传输CD音质的声音信号要求有1Mb/s以上的传输速率。因为多媒体信息包含多种不同类型的数据,数据传输速率在100Mb/s(理论上最多50个MPEG1视频流)以上，才能充分满足各类媒体通信应用的需要。
　　----其次，网络必须满足多媒体通信的实时性和可靠性要求，以保证服务质量。为了获得真实的现场感，语音和图像的延时都要求小于0.25秒，静止的图像要求少于1秒。对于共享数据要求没有误码。
　　----最后是媒体同步要求，包括媒体间同步和媒体内同步。因为传输的多媒体信息在时空上都是相互约束、相互关联的，多媒体通信系统必须正确反应它们之间的约束关系，如保证声音与图像的同步。
　　----现有的几种通信网络——电信网络、计算机网络和电视传播网络，虽然都可以用来传递多媒体信息，但都存在不同程度的缺陷，如电视网络的单向性、计算机分组网络(IP)的无服务质量保证、电信网络的复杂和高开销等。为了适应多媒体网络的发展需要，人们正在加紧研究并推广一些新的网络技术，如宽带综合业务数字网(B-ISDN)和ATM。到目前为止，宽带网络是最适合多媒体信息传输的网络技术。
　　多媒体网络设计的原则
　　----多媒体网络设计主要包括基本原则和一般的设计与规划流程。
　　----1.设计原则
　　----网络设计的基本原则主要考虑性能、功能、价格、扩展性、安全性等几个因素，并寻找一个最佳的平衡点。网络设计中最难把握的问题是价格和功能之间的折衷。多媒体网络设计也不例外，主要是对网络本身的需求不同。从某种程度来看，多媒体网络设计更像是网络应用设计，因为在选择好基本的网络技术和设备后，关键是如何根据应用需求来合理部署网络设备，以获得最佳的性能价格比。
　　----单就多媒体网络而言，性能主要体现在用户对应用的感觉，如传输的视频图像的清晰度和流畅性，语音的逼真程度以及图像和语音的配合程度等。抽象到网络应用参数就是视频的帧率和抖动、语音码率和抖动、视岛鸵羝档耐降取＠┱剐灾饕强悸窃诖蛹甘鲇没Х⒄沟郊赴俑瞿酥辽锨Ц鲇没保τ玫男阅苁欠窕够嵊斜Ｖぃ栏降耐缁∩枋┦欠裼凶愎坏闹С拍芰Φ纫蛩亍?/P>
　　----安全性不仅仅是网络本身的安全，还包括应用的安全，如某些多媒体会议可能是政府机要部门会议或商业秘密会议，要有可靠的机制来保证会议的内容不被泄露。
　　----功能是进行设备选型时重点考虑的内容，如设计网上大学多媒体网络方案，有的多媒体产品只支持音频和视频的同步，没有与共享数据(教学的演示胶片)的同步功能;有的产品依靠硬件实现，但要求特定的网络支持(如ATM);有的设备采用软件解决，但要求端系统PC功能强大，且支持用户数目有限等。需要综合考虑各种因素，并作出一个合理的折衷。
　　----2.设计方法
　　----一般的设计包括五个步骤：用户需求分析，逻辑拓扑设计，地址和命名设定，硬件选择和配置，软件选择、配置、维护和升级。我们可以把网络划分为三个层次：接入、分布和核心层。接入层主要解决用户的网络接入问题，如提供无线还是有线接入，是电话拨号还是一般的局外接入等;分布层主要实施网络的策略，如策略路由、防火墙、计费和跟踪审计等，一般指内部网(公司园区网或校园网)的骨干网;核心网通常是连接多个内部网的广域网，主要提供安全和可靠的网络链路服务，通常有专门的 ISP负责。
　　----当然，上述的三个网络层次，不是每个网络都必需的，根据网络规模的大小可以灵活取舍。如一般的校园网只有接入层和分布层，小公司甚至只有接入层。
　　----就多媒体网络而言，除了进行合理的分层设计与规划外，还可以按照桌面、LAN和WAN三个层次进行设计。它包括桌面终端的选择、局域网设备和广域网链路的选择等，如桌面设备(硬件解压缩还是软件，操作系统选择)、局域网技术和设备选择、广域网技术和设备选择(组播支持，RSVP支持)、通用和专用设备(ITU-T 标准的终端设备)。广域网链路资源不足时，采用RTP分组头压缩，可以大大降低传输开销。
　　----在多媒体网络设计过程中，还有一个重要因素就是对多媒体网络关键技术的把握。只有在对其相关技术融会贯通并经过深思熟虑之后，才能设计出整体性能最优的多媒体网络。
　　多媒体网络关键技术分析
　　----现在的多媒体网络应用，如视频会议、视频点播、远程教育和远程诊断等，主要涉及到网络传输、服务质量、服务模式和数据处理技术。
　　----1.传输网络的选择
　　----选择分组交换网还是电路交换网，关键依据是看应用需要什么样的服务质量。影响服务质量的主要因素是网络可用带宽、传输延时和抖动、传输可靠性。
　　----传统网络应用主要指单一媒体的应用，如单一的文本、图像和语音等媒体应用，也是目前Internet上应用最广泛的，如E-mail、FTP、WWW 和一些办公用的群件，如Lotus Notes等。这些应用的基本特点是对网络带宽要求较低，并且对应用数据没有实时性的要求。如电子邮件一般在几千字节，在小时量级的时间内到达，人们就可以接受。文件传输虽然可以是几兆到几十兆字节，但使用的频率较低，对带宽的平均需求也较低。满足传统应用的网络结构只需要共享以太网或者部分交换以太网，以及较低速率(不超过64Kbps)广域网接入链路。
　　----多媒体网络应用可以分为：视频会议、视频点播、远程教育、CAD协同设计、新闻发布、软件分发和升级、嵌入音频/视频的Web应用(Web TV)等。这些应用一个明显的特征就是大容量数据和交互性的要求，并且一般基于组播传输服务。
　　----传统的IP网络主要针对一些传统的应用，没有考虑到多媒体应用的实时性和大数据量要求。
　　----在传统的IP分组网上只提供尽力而为服务，要得到QoS 保证的服务需要RSVP和接纳控制等额外的协议。目前大规模商业应用的实施还缺乏必要的条件，并且，由于多媒体应用需要组播服务，需要在主机和网络中继节点都提供支持，因此，原有的网络协议变得庞大和复杂，实现的性能和提供的服务质量也受到限制。
　　----ATM是比较新型的网络技术，其出现的主要目标是实现 B-ISDN，把音频、视频和数据业务集成到一个网络上。因此，在协议的设计中就充分考虑了多媒体应用的需求，从协议机制上提供了对多媒体应用的支持。现有的多媒体应用产品基本上都是基于ATM技术或相似的技术(ISDN技术)。首先，ATM可以为多媒体应用预留资源，以提供有QoS保证的服务;其次，ATM本身具有组播支持能力，不需要增加另外的协议。
　　----2.服务质量
　　----针对Internet上多媒体应用的需求，现有的技术可以提供两种服务质量：有保证的服务(GQoS)和尽力而为(besteffort)的服务。
　　----有保证的服务可以在现在的IP分组网上进行资源预留，并结合接纳控制等机制来获得，目前正是网络研究的热点，技术还没有完全成熟。已经有一些公司如Cisco，推出了基于RSVP协议的产品，进行资源预留，以获得不同类别的服务(CoS，Class of Service)。另一种方法是通过在电路交换网上获得有保证的服务质量，如通过ISDN专线或PSTN专线获得固定的专用信道，或通过ATM网络进行资源预留等。已有的相关标准主要是ITU H.32X和T.120系列标准。由于这些标准有比较系统的规范描述并且相对稳定，所以大多数生产厂商的产品都遵循ITU的有关标准。
　　----尽力而为服务是Internet网络的标准服务，基于这种服务的多媒体应用需要有自适应能力，即根据网络资源的使用状况和网络拥挤状态，自己调整多媒体有关参数，尽可能地获得最基本的服务质量保证。如对视频会议而言，如果网络资源足够，那么可以有16Kbps的语音和每秒25帧的PAL或每秒30帧的NTSC视频图像。当网络资源不足或发生网络拥挤时，可以降低视频图像的每秒帧数，如每秒20帧或15帧，甚至降低视频和音频的编码来减少对网络带宽的需求。当然，这种应用自适应主要是防止网络的进一步拥挤，导致网络崩溃，牺牲的是应用的服务质量，应用的感官效果会大大折扣，并不适合商业应用。
　　----3.服务模式
　　----媒体传输服务模式，即数据的分发是通过单播(unicast)模式还是组播(multicast)模式。由于多媒体应用的特殊性，它一般是在一个或多个群组中进行，所谓群组是指有共同兴趣的一组人构成的动态虚拟专用网。
　　----多点通信是群组应用的基本需求。针对视频会议系统，可以采用组播或单播完成多点通信。单播是目前多数产品采用的传输服务模式，如ITU的H 系列标准中的多点控制单元(MCU)完成多点控制任务。采用基于组播的传输服务模式是应用的一个趋势，目前正逐渐在产品中得到应用。目前，IP组播技术正得到进一步的研究和推广，它主要应用在传统的IP分组网上。ATM的组播也是研究的一个重要内容，ATM 的信令控制已可以采用组播技术，而数据分发的组播技术还没有成熟。
　　----4.多媒体数据处理
　　----音频和视频是多媒体通信的核心, 未经压缩的视频信号和音频信号具有很大的数据量。庞大的数据量不仅超出了多媒体通信终端的存储能力,也远远超出了当前通信信道的带宽, 是难以实现的。
　　----实时的图像和话音信号都是时间的函数, 在自然的表现形式中存在严格的同步关系, 以数据形式表现的图像和话音媒体信号也必须遵从这种关系。在多媒体通信系统中, 这种同步的关系体现在终端和网络两个方面。对于终端而言,在对媒体的信息进行采集、存储、编辑和播放时,需要对媒体进行剪辑、重组、重复和慢放等交互性的处理, 并允许改变媒体的顺序和修改媒体的形式。终端要考虑各独立媒体的独立性和共存性, 保持和调整它们作为一个整体既相互独立而又相互依赖的关系,以便在媒体再现时不丢失媒体的原始性、真实性和统一性。
　　----多媒体技术的主要任务是实现媒体的编码、压缩和传输，这种处理要遵循相关的标准，以保证整个系统的互通性。
　　----声音的编码通常遵循G.711、G.722和G.728三种编码方式。G.711传送的是A律或μ率的PCM码流，这种编码不经过压缩需要64Kbps的带宽，在PSTN网络中不宜采用;G.722是一种在64Kbps网络上传送的7KHz的音频编码协议，一般在与G.725终端通信时使用;G.728是用低延时线性预测算法实现的16Kbps的音频编码协议，主要用在传输带宽为64Kbps或128Kbps的可视电话的话音处理上。
　　----视频编解码的ITU-T主要标准是H.261、H.262、 H.263。H.261是一种压缩效率较高且算法复杂度相对较小的一种图像编码协议，它支持CIF 和QCIF两种图像格式。CIF有288线亮度信息(每线360像素)和144线色度信息(每线 180像素);QCIF有144线亮度信息(每线180像素)和72线色度信息(每线90像素)。
　　----H.261也是H.3XX系列视频会议标准中采用的视频编码方法，描述速率为Px64K bps(P=1，2，3，....，30)的视频如何编码。H.261算法同 MPEG相似，兼容MPEG，但比MPEG需要更少的CPU资源，是恒定速率的质量可变编码。
　　----H.263编码主要针对在普通电话网传输视频，而H.262本身就是MPEG2标准，只是所属的标准化组织不同。
　　----数据功能是多媒体通信的一项基本功能，T.120系列协议适用于点对点、点对多点的多媒体会议系统中的数据传输，提供了在两个或多个多媒体终端之间传输多种形式的数据的方法，确保一些基本功能的互操作性，如静态图像传输、二进制文件传输等。
　　网络管理与安全
　　----国际著名的网络安全研究公司Hurwitz Group提出了五个层次的网络系统安全体系：
　　----(1)网络安全性：通过判断IP源地址，拒绝未经授权的数据进入网络。
　　----(2)系统安全性：防止病毒对于网络的威胁和黑客对于网络的破坏和侵入。
　　----(3)用户安全性：针对安全性问题而进行的用户分组管理。首先是根据不同的安全级别将用户分为若干等级，并规定对应的系统资源和数据访问权限;其次是强有力的身份认证，确保用户密码的安全。
　　----(4)应用程序安全性：解决是否只有合法的用户才能够对特定的数据进行合法操作的问题。这涉及到两个问题：应用程序对数据的合法权限，应用程序对用户的合法权限。
　　----(5)数据的安全性:在数据的保存过程中，机密的数据即使处于安全的空间，也要对其进行加密处理，以保证万一数据失窃，偷盗者也读不懂其中的内容。
　　----从上述的五个层次可以看出，安全的粒度细到以数据为单元，同时在更多时候人的因素很关键。这不可避免地与网络的管理、人员的管理紧密相关，管理人员和用户无意中的安全漏洞比恶意的外部攻击更可怕。
　　----在理解多媒体网络及其关键技术的基础上，采用通用的设计原则和优化的设计方法，可以设计出整体最优的多媒体网络。采用集成服务的网络设计思想，考虑到三网合一的趋势，充分利用现有的网络基础设施，不专为特定应用而构建新网络，避免为增加新应用而引入不同的网络。
　　----此外，多媒体网络的设计不是闭门造车的产物，还需要把握市场的脉搏，熟知行情和网络的发展趋势。只有这样，才能真正做到所设计的多媒体网络既有最优的性价比，又具有灵活的缩放性，与网络技术和市场的发展相和谐。

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