[转帖][图文]IPv6与流媒体传输在互联网的应用

hq · 发表于 2005-12-1 15:46:09

张亚娜北京广播学院信息工程学院通信与信息系统系硕士研究生 
 
关键词：ipv6　流媒体　传输　qos　组播　ipsec 
 
概述 
 
当前，流媒体传输应用发展迅速，在internet上传输流媒体的相关技术成为热点。但是，在internet上传输流媒体存在着许多困难，其根本原因在于internet的无连接每包转发机制主要是为突发性数据传输设计的，不适合传输连续媒体流。而且网上信息的交互性，使网络中的信息传输量日益剧增，网络传输的瓶颈问题突出。当前的互联网络是在上世纪90年代初发展起来的，基于的协议是ipv4，随着internet用户和应用的不断增加，ipv4已渐渐暴露出地址空间严重不足、数据传输缺乏质量保证、数据安全性难以保证和对组播功能支持有限等问题。这在一定程度上限制了音视频等流媒体应用的进一步发展。多媒体视频流对数据可靠性要求不高，一定的数据丢失对视频播出的实际效果影响不大，但是多媒体视频流对网络传输延时和抖动比较敏感。为了在internet上有效、高质量地传输流媒体数据，除了要进一步发展压缩、编解码技术以外，还应该考虑流媒体数据的网络传输质量控制、数据分发路径等技术。另外，随着社会各界对知识版权意识的不断增强，安全加密、数字版权管理等也成为internet发展的重要技术课题。 
 
　　20世纪90年代中期，互联网工程任务组(internet engineering task force，ietf)为了更好地满足互联网络的未来发展需求，设计了一种新的ip协议——ipv6，其特性包括：更大的地址空间；严格的继承性编址方式，更加容易实现地址的聚合；简洁的数据报头；提供更好的服务质量；强制安全协议ipsec；“即插即用”的地址自动配置；更为灵活的组播方式；更好的扩展性。 
 
　　传统的ipv4网络已经无法满足高质量流媒体通信的要求，而ipv6在流媒体传输应用方面的意义主要有： 
 
　　(1)解决了地址容量问题，优化了地址结构以提高选路效率，提高了数据吞吐量，以适应流媒体通信大信息量传输的需要； 
　　(2)ipv6对ipv4的最大革新之处在于对qos的考虑，对各种多媒体信息根据紧急性和服务类别确定数据包的优先级； 
　　(3)ipv6还加强了组播功能，即实现基于组播、具有网络性能保障的大规模视频会议和高清晰度电视广播的应用，这是只有高带宽、高性能的下一代因特网才能支持的典型应用，具有交互协同技术特性； 
　　(4)ipv6采用必选的ipsec很好地保证了网络的安全性。 
 
　　可以看出，ipv6比ipv4在服务质量、传输安全、数据组播等方面都有了改进。而这些都是与ip网络流媒体传输息息相关的。 
 
　　服务质量 
 
　　基于ipv4的internet从原理上讲服务质量(qos)是无保证的。文本传输、静态图像等传输对qos并无要求，但其它多媒体业务，如ip电话、vod、电视会议等实时应用，对传输延时和延时抖动均有严格的要求。 
　　 
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　　在ipv4协议中，ip数据报头(见图1)包含了一个8b的服务类型(type of service，tos)字段。在tos字段中，包含了3b的优先权子字段(现在已被忽略)、4b的tos子字段和1b的保留子字段。4b的tos子字段分别用于表示最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。在一个业务数据流当中，这个字段只能有1b置为1，如果没有比特位被置1，则表示这个业务数据是一般服务。在rfc1340和rfc1349中描述了所有的标准应用如何设置这些服务类型，但是在实际应用中，绝大多数tcp/ip的实现应用都不支持和使用tos字段。 
　　 
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　　在ipv6协议的数据报头(见图2)中，对8b的tos字段进行了调整。最早在rfc1883中定义了4b的优先级字段，可以区分16个不同的优先级。后来在rfc2460中改为8b的业务类别(traffic class)字段，其目的是允许发送业务流的源节点和转发业务流的路由器在数据包上加上标记进行不同处理，但并没有具体说明这个字段如何使用。另外，在ipv6数据报头当中还有一个新的20b的流标签，用于标记某个业务数据流的ip包序列，以便路由器能够提供qos或实时服务。一般来说，在所选择的链路上，可以根据开销、带宽、延时或其他特性对数据包进行特殊的处理。但同样，流标签并没有表明qos的提供方式。 
 
　　可以看出，ipv6并没有从根本上解决ipv4的qos问题，只是在ipv4的基础上作了一定的扩充。为了更好地解决ip网络的qos问题，ietf提出了多种质量服务模型和机制，以满足流媒体等应用对qos的要求。其中最主要的有两种：综合业务模型和差分业务模型。 
 
　　综合业务模型 
 
　　综合业务模型是根据数据包的ip源地址、ip目的地址、上层协议类型、源端口号、目的端口号等进行预定分类，并利用资源预留协议(resource reservation protocol，rsvp)，给每个业务流(或连接)申请传输路径资源预留，以提供端到端的传输质量服务。 
 
　　rsvp是综合业务模型的核心。用户可以给每个业务流(或连接)申请资源预留，要预留的资源可能包括缓冲区及带宽的大小。在传输路径上的每一跳都要进行这种预留，这样才能提供端到端的qos保证。rsvp是单向的预留，适用于点到点及点到多点的通信环境。除了rsvp以外，综合业务模型还包含三个组件用于提供整个qos业务：访问控制，它基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访问进行一定的监视和控制，有利于保证双方的共同利益；分类器，根据数据包的ip源地址、ip目的地址、上层协议类型、源端口号、目的端口号等预定策略，将数据包分类放到不同的队列中等待接收服务；队伍调度器，它主要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务，常见的调度算法有wfq、wf2q、scfq、vc、md-scfq、wrr等。 
 
　　综合业务模型的特点是针对不同级别的服务提供相应的资源预留，需要质量保证的应用在传输数据前必须申请预留资源。它定义了三种级别的服务：保证服务、受控负载服务、尽力而为的服务。其优点是管理者能够根据源、目的、端口等制订严格详尽的服务保证策略，并能对数据流进行监视和控制，以防止其占用更多的资源，同时rsvp协议能够让路径消息识别组播流的所有端点，并发送路径消息给它们。它同样可以把来自每个接收端的revp消息合并到一个网络请求点上，该点可以让一个多播流在分开的连接上发送同样的流。其主要缺点是可扩展性差，因为rsvp要求端到端的信令，这也就意味着要求从发送者到接收者的所有路由器都支持所实施的信令协议。这在一个实际运行的运营商网络中几乎无法实现。 
 
　　ipv6与ipv4在综合业务模型上没有本质上的区别，都是以rsvp为核心协议。在ipv4中，rsvp依照业务数据流的源地址、目的地址、端口等信息制定相应的qos策略，而且要在传输路径上的所有路由器上实现这些策略。这意味着传输路径上的所有路由器都需要分析每个数据包的源地址、目的地址、端口等信息，这将会增加路由器的负担，另外，当数据量增大时，也会增加数据包的处理延时。ipv6为rsvp的实施提供了一种更为有效的方法。主要原因在于，在ipv6数据报头信息中定义了专门的qos支持域，ipv6对qos的支持主要表现在流标记域，流标记基本上是按位产生的伪随机数，在一定的时间值内，源端不能重用流标记。流标记为0，指示这个包不属于任何流。ipv6环境下的rsvp可以只依照数据包的流标记制定相应的qos策略，这将大大减小rsvp的开销，同时传输路径上每个路由器的处理负担也相应减小，使rsvp策略的实施更为简便。另外，当需要qos服务的数据流的生存期很短或者所需带宽很小时，rsvp的开销很可能大于数据流中所有包的开销，如果在ipv4网络中采用综合业务模型，将得不偿失；而在ipv6网络中rsvp的开销非常小，使得这种业务需求得到保障。 
 
　　差分业务模型 
 
　　差分业务模型是由综合业务模型发展而来的，它采用了ietf的基于rsvp的服务分类标准，抛弃了分组流沿路节点上的资源预留。它将有效地取代跨越大范围的rsvp的使用。差分业务模型区域的主要成员有核心路由器、边缘路由器、资源控制器。 
 
　　差分业务模型利用ipv4数据报头中的tos字段或ipv6数据报头中的tc字段，并对8位tos或tc字段重新命名，作为ds字段，其中6位可供目前使用，其余2位以备将来使用。该字段可以按照预先确定好的规则加以定义，使下行节点通过识别这个字段，获取足够的信息来处理到达输入端口的数据包，并将它们正确地转发给下一跳的路由器。在差分业务模型中，网络的边缘设备对每个分组进行分类、标记ds域，用ds域来携带ip分组对服务的需求信息。在网络的核心节点上，路由器根据分组头上的dscp(diffserv code point)选择所对应的转发处理。资源控制器配置了管理规则，为客户分配资源。它可以通过服务级别协定(service level agreement，sla)与客户进行相互协调以分享规定的带宽。与综合业务类似，差分业务也定义了三种业务类型：最优的业务(premium)，类似于传统运营商网络的专线业务；分等级的业务(tiered)，可以根据发展的需要定制不同的业务等级；尽力而为的业务(best-effort)，类似于internet中尽力而为的业务。 
 
　　在差分业务模型中，可以认为ipv6与ipv4没有区别。 
 
　　组播 
 
　　在ipv4网络中，数据传送方式有三种：单播、广播和组播。 
 
　　单播(unicast)传输 
 
　　指在发送者和接收者之间建立单独的数据信道，发送者需要为每个接收者传送一份数据拷贝。如果一个发送者同时给少量的接收者传输数据，一般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时，这将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞。为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。 
 
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　　广播(broadcast)传输 
 
　　指在发送者向网络内广播数据包，所有在子网内部的主机都将收到这些数据包。发送者向网络广播地址传送一份数据拷贝，则网络内的所有主机都会收到这份数据拷贝。然而，广播的使用范围非常小，只在本地子网内有效，因为一般情况下路由器会封锁广播数据，另外，广播传输增加了非接收者的主机系统开销。 
 
　　组播(multicast)传输 
 
　　组播是一种允许一个或多个发送者(组播源)发送单一的数据包到多个接收者(一次、同时)的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大地节省网络带宽，因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。它提高了数据传送效率，减小了主干网出现拥塞的可能性。因此，组播已成为流媒体在ipv4网络中的重要传输方式。 
 
　　ｉpv6加强了组播功能，取消了广播，而使用一个“所有节点”组播地址来替代那些必须使用广播的情况。同时，对那些原来使用了广播地址的场合，则使用一些更加有限的组播地址。ipv6组播地址的格式更为严格，如图4所示。组播地址只能用作目的地址，没有数据报把组播地址用作源地址。 
 
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　　地址格式中前8位全为“1”，标识为组播地址。ipv6组播地址格式中，除前8位外，其余部分包括标识、范围、组地址三个字段。标识字段由4个独立位标识组成，目前只指定了第4位，用来表示该地址是熟知的组播地址、还是特定场合使用的临时组播地址。如果该标识位为“0”，则表示为熟知地址；如果为“1”，则表示为临时地址。其他3个标识位保留供将来用。范围字段有4位，用来表示组播的范围是只包括同一本地网、同一站点、同一机构中的节点，还是包括ipv6全球地址空间中任何位置的节点。组地址字段有112位，用于标识组地址，根据标识字段和范围字段，同一个组地址可以表示不同的组。 
 
　　在ipv4组播网络中，除了一些熟知的和保留的组播地址以外，其他地址并没有明确规定该怎么用，因此在广域范围内使用时存在着冲突的危险。而在ipv6组播网络中，由于增加了标识和范围字段，临时组播地址在它们自己的范围以外没有意义，因此全球范围的临时组播地址和链路本地的组，即使它们有相同的组标识符，也不会发生冲突，这更有利于组播功能的实现。 
 
　　安全保证 
 
　　为了加强internet的安全性，从1995年开始，ietf着手研究制定了一套用于保护ip通信的ip安全(ipsec)协议。ipsec并不包含在ipv4协议当中，只是ipv4的扩充协议。其主要功能是在网络层对上层协议数据分组提供加密和鉴别等安全服务，它提供了两种安全机制：认证和加密。认证机制使ip通信的数据接收方能够确认数据发送方的真实身份，以及数据在传输过程中是否遭到改动。加密机制是通过对数据进行加密来保证数据的机密性，以防数据在传输过程中被他人截获而失密。 
 
　　ipsec的认证报头(authentication header，ah)协议定义了认证的应用方法，安全负载封装(encapsulating security payload，esp)协议定义了加密和可选认证的应用方法。在实际ip通信时，可以根据安全需求同时使用这两种协议或选择其中一种。ah和esp都可以提供认证服务，不过，ah提供的认证服务要强于esp。 
 
　　ipsec的研究目标是提供既可用于ipv4、也可用于ipv6的安全机制，只是在ipv6中更容易实现，因此在ipv6网络中，ipsec的推广使用将更为容易和普遍，这为跨区域具有高安全性和私密性的音视频服务提供了广阔的应用前景。 
 
　　结束语 
 
　　ipv6在服务质量、传输安全、数据组播等方面相对ipv4而言都有了改进，其前景是广阔的、诱人的，但目前还处在起步阶段，还有许多问题需要解决，整个ipv6体系的完善还有很长的路要走。ip协议从ipv4过渡到ipv6是历史的必然。（全文完）

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