多媒体网络规划与设计探讨

高旭 沈苏彬 顾冠群

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网络应用的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使用，传统的网络框架已经不适用，全交换和高速接入成为新型网络结构的特点。下面重点从网络多媒体应用的需求出发，来分析多媒体应用需要的网络技术。

首先，多媒体通信网络必须有足够的高带宽。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2～15Mbps以上的速率（MPEG1/2），传输CD音质的声音信号要求有1Mbps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100Mbps（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这种约束关系，例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)的无服务质量保证以及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，宽带网络是目前为止最适合多媒体信息传输的网络技术。

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。

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。

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。这些应用的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，大规模商业应用还缺乏条件。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才可以。这样，使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，从协议的设计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很好的支持。现有的多媒体应用产品很多都是基于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。

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，目前这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的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要遵循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用能力，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，以尽可能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，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，这种应用自适用主要是防止造成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。

服务模式

除了多媒体应用的服务质量，另一个关键技术问题是媒体传输服务模式，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，可以采用组播或用单播完成多点通信。采用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趋势，目前正逐渐在产品中得到应用。目前，IP组播技术正在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的组播也是研究人员的一个重要内容，ATM的信令控制已经可以采用组播技术，而数据分发的组播技术还没有成熟。

可以看出，支持多媒体应用可以采用传统的IP分组网，也可以采用专线或ATM交换网。而从应用的服务质量保证来看，专线或ATM交换网可以获得有保证的服务质量。

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，安全的力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