因特網(wǎng)上已經(jīng)開發(fā)了很多應(yīng)用，歸納起來大致可分成兩類，一類是以文本為主的數(shù)據(jù)通信，包括文件傳輸、電子郵件、遠(yuǎn)程登錄、網(wǎng)絡(luò)新聞和Web等，另一類是以聲音和電視圖像為主的通信。通常把任何一種聲音通信和圖像通信的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用稱為多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用(multimedia networking application)。網(wǎng)絡(luò)上的多媒體通信應(yīng)用和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用有比較大的差別，多媒體應(yīng)用要求在客戶端播放聲音和圖像時(shí)要流暢，聲音和圖像要同步，因此對網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和帶寬要求很高。而數(shù)據(jù)通信應(yīng)用則把可靠性放在第一位，對網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和帶寬的要求不那么苛刻。
　　多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(multimedia networking)是目前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的最熱門的技術(shù)之一。從本章開始到17章將圍繞多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的話題來介紹，第14章介紹多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和信息交換技術(shù)的基本概念，第15章將介紹Internet與TCP/IP的基礎(chǔ)知識，第16章將介紹網(wǎng)際多目標(biāo)廣播(IP Multicast)，第17章將介紹多媒體通信系統(tǒng)技術(shù)。

4.1 多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

14.1.1 應(yīng)用舉例

　　下面是因特網(wǎng)上現(xiàn)在已經(jīng)存在并且是很重要的幾類應(yīng)用：
　　(1) 現(xiàn)場聲音和電視廣播或者預(yù)錄制內(nèi)容的廣播：這種應(yīng)用類似于普通的無線電廣播和電視廣播，不同的是在因特網(wǎng)上廣播，用戶可以接收世界上任何一個(gè)角落里發(fā)出的聲音和電視廣播。這種廣播可使用單目標(biāo)廣播(unicast)傳輸，也可使用更有效的多目標(biāo)廣播(multicast)傳輸。現(xiàn)在市場上有許多因特網(wǎng)廣播產(chǎn)品，包括RealNetworks公司的廣播軟件——廣播器(broadcasters)[3]。
　　(2) 聲音點(diǎn)播(audio on demand)：在這一類應(yīng)用中，客戶請求傳送經(jīng)過壓縮并存放在服務(wù)機(jī)上的聲音文件，這些文件可以包含任何類型的聲音內(nèi)容。例如，教授的講課、搖滾樂、交響樂、著名的無線電廣播檔案文件和歷史檔案記錄?？蛻粼谌魏螘r(shí)間和任何地方都可以從聲音點(diǎn)播服務(wù)器中讀聲音文件。使用因特網(wǎng)點(diǎn)播軟件時(shí)，在用戶啟動播放器幾秒鐘之后就開始播放，一邊播放一邊從服務(wù)機(jī)上接收文件，而不是在整個(gè)文件下載之后開始播放。邊接收文件邊播放的特性叫做流放(streaming)。許多這樣的產(chǎn)品也為用戶提供交互功能。例如，暫停/重新開始播放，跳轉(zhuǎn)等功能?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多因特網(wǎng)聲音點(diǎn)播產(chǎn)品，包括RealNetworks公司的RealPlayer和Vocaltec公司的Internet Wave[4]。
　　(3) 影視點(diǎn)播(video on demand)，也稱交互電視(Interactive Television)：這種應(yīng)用與聲音點(diǎn)播應(yīng)用完全類似。存放在服務(wù)機(jī)上的壓縮的影視文件可以是教授的講課、整部電影、預(yù)先錄制的電視片、(文獻(xiàn))紀(jì)錄片、歷史事件檔案片、卡通片和音樂電視片等等。存儲和播放影視文件比聲音文件需要大得多的存儲空間和傳輸帶寬。現(xiàn)在，已經(jīng)有很多因特網(wǎng)影視點(diǎn)播產(chǎn)品，包括RealNetworks公司的產(chǎn)品[5]。
　　(4) 因特網(wǎng)電話(Internet telephony)：這種應(yīng)用是人們在因特網(wǎng)上進(jìn)行通話，就像人們在傳統(tǒng)的線路交換電話網(wǎng)絡(luò)上相互通信一樣，可以近距離通信，也可以長途通信，而費(fèi)用卻非常低。
　　(5) 分組實(shí)時(shí)電視會議(group real-time video conferencing)：這類多媒體應(yīng)用產(chǎn)品與因特網(wǎng)電話類似，但可允許許多人參加。在會議期間，你可為你所想看到的人打開一個(gè)窗口?，F(xiàn)在也已經(jīng)有許多在因特網(wǎng)上召開分組實(shí)時(shí)電視會議的產(chǎn)品，包括Cornell University開發(fā)的CU-SeeMe電視會議產(chǎn)品，下圖是電視會議的一個(gè)畫面。

圖14-01 實(shí)時(shí)電視會議CU-SeeMe的畫面[6]

14.1.2 應(yīng)用分類

　　如果按照用戶使用時(shí)的交互的頻繁程度來劃分，多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可分成3類：
　　1. 現(xiàn)場交互應(yīng)用(live interactive applications)：
　　因特網(wǎng)電話和實(shí)時(shí)電視會議是頻繁交互的應(yīng)用例子。在這種應(yīng)用場合下，與會者在任何時(shí)候都可能說話或者移動。從與會者說話或者移動的動作到達(dá)接收端的時(shí)延應(yīng)該小于幾百毫秒才能為用戶接受。人的聽覺系統(tǒng)對延遲小于150毫秒的聲音感覺不到有時(shí)延，在150毫秒～400毫秒之間的時(shí)延可以接受，時(shí)延超過400毫秒的會話就令人甚感別扭。
　　2. 交互應(yīng)用(interactive applications)：
　　聲音點(diǎn)播、影視點(diǎn)播是交互應(yīng)用的例子。在這種應(yīng)用場合下，用戶僅僅是要求服務(wù)器開始傳輸文件、暫停、從頭開始播放或者是跳轉(zhuǎn)而已。從用戶發(fā)出請求播放到在客戶機(jī)上開始播放之間的時(shí)延大約在1～5秒鐘就可以接受。對信息包時(shí)延和抖動的要求不像因特網(wǎng)電話和實(shí)時(shí)會議那樣高。
　　3. 非實(shí)時(shí)交互應(yīng)用(non-interactive applications)：
　　現(xiàn)場聲音廣播和電視廣播或者預(yù)錄內(nèi)容的廣播是非實(shí)時(shí)交互應(yīng)用的例子。在這些應(yīng)用場合下，發(fā)送端連續(xù)發(fā)出聲音和電視數(shù)據(jù)，而用戶只是簡單地調(diào)用播放器播放，如同普通的無線電廣播或者電視廣播。從源端發(fā)出聲音或者電視信號到接收端播放之間的時(shí)延在10秒或者更多一些都可以接受。對信號的抖動要求也可以比交互應(yīng)用的要求低。

14.1.3 應(yīng)用開發(fā)面臨的問題

　　因特網(wǎng)為所有應(yīng)用提供兩種類型的服務(wù)：①可靠的面向連接服務(wù)(reliable connection-oriented service)：使用TCP(Transfer Control Protocol)協(xié)議提供的服務(wù)屬于可靠服務(wù)，可靠的TCP服務(wù)保證把信息包傳送到對方，對信息包的時(shí)延要求并不高。②不可靠的無連接服務(wù)(unreliable connectionless service)：使用UDP(User Datagram Protocol)協(xié)議提供的服務(wù)屬于不可靠服務(wù)，不可靠的UDP服務(wù)不作任何擔(dān)保，既不保證傳送過程中不丟信息包，也不保證時(shí)延滿足應(yīng)用要求。此外，因特網(wǎng)現(xiàn)在提供的服務(wù)對所有信息包的傳送都是平等的，像對時(shí)延要求很高的聲音信息包和電視信息包在路由器的隊(duì)列中都沒有任何的優(yōu)先權(quán)，在因特網(wǎng)上任何人都要排隊(duì)等待。
　　由于對信息包的時(shí)延和時(shí)延的大小缺乏任何保證，因此開發(fā)任何一種成功的多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都是非常困難的。時(shí)至今日，因特網(wǎng)上的多媒體應(yīng)用取得了重大的成就，但還只是有限度的成功。例如，雖然只有幾秒種時(shí)延的交互式聲音點(diǎn)播在因特網(wǎng)上已是老生常談的事情，但它是工作在因特網(wǎng)上，在越大洋過大海的擁擠的鏈路上傳輸時(shí)，聲音的時(shí)延和丟失往往就令人難于接受。即使在大陸區(qū)里，由于在高峰期出現(xiàn)的擁擠，使聲音的質(zhì)量大大下降。
　　直至現(xiàn)在，成功的因特網(wǎng)電話和實(shí)時(shí)電視會議產(chǎn)品比成功的聲音點(diǎn)播和影視點(diǎn)播產(chǎn)品少，因?yàn)樗鼈儗π畔臅r(shí)延和抖動要求非?？量?。實(shí)時(shí)聲音和電視產(chǎn)品可在帶寬足夠?qū)挼囊蛱鼐W(wǎng)上工作得很好，信息包的時(shí)延和抖動都非常小，但當(dāng)一遇到擁擠鏈路時(shí)，聲音和圖像的質(zhì)量就惡化到不能接受的地步。
　　歸納起來，目前多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要集中解決個(gè)問題是：①提高網(wǎng)絡(luò)帶寬，②減少時(shí)延(delay)，③減少抖動(jitter)。

14.1.4 改善服務(wù)質(zhì)量

　　目前我們不得不忍受因特網(wǎng)的這種可靠性服務(wù)：無論你的信息包多么重要，也無論你的信息包多么有價(jià)值，它們都必須要參加排隊(duì)和等待才能得到服務(wù)。在這種條件的限制下，人們已經(jīng)作出了種種努力來改進(jìn)設(shè)計(jì)以提高多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的質(zhì)量。例如，使用UDP協(xié)議而不使用TCP；在接收端增加延遲播放時(shí)間(例如100毫秒或者更多)來減少網(wǎng)絡(luò)引入的延遲抖動，這可在發(fā)送端給信息包打上時(shí)間標(biāo)記，接收端就可以知道信息包什么時(shí)候應(yīng)該播放；我們還可給信息包添加錯(cuò)誤校正碼以減少傳輸過程中丟失的信息包所造成的質(zhì)量下降。

14.1.5 多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的爭論

　　現(xiàn)在有許許多多的有關(guān)因特網(wǎng)應(yīng)該如何發(fā)展的爭論，而且有時(shí)爭論得很激烈，爭論的焦點(diǎn)是如何更好地安排對時(shí)間要求非?？量痰亩嗝襟w的交通。
　　一個(gè)極端是某些研究人員主張對最佳服務(wù)和底層的因特網(wǎng)協(xié)議不作任何改變，用擴(kuò)大鏈路帶寬的辦法來解決；反對這種觀點(diǎn)的研究人員認(rèn)為，加大帶寬費(fèi)用太大，擴(kuò)大的帶寬也會很快被對帶寬貪得無厭的多媒體應(yīng)用吃掉。例如，高清晰度影視點(diǎn)播就是一個(gè)例子。
　　另一個(gè)極端是某些研究人員主張應(yīng)該對因特網(wǎng)做基本變更，為各種應(yīng)用保留端－端的帶寬。例如，某些研究人員覺得，如果用戶想從主機(jī)A給主機(jī)B打因特網(wǎng)電話，就應(yīng)該給由A到B路途上的每個(gè)鏈路明確保留帶寬。采用這種方法解決多媒體的交通問題須要做一些比較大的變更：
　　(1) 須要開發(fā)保留帶寬協(xié)議。
　　(2) 須要修改路由器隊(duì)列中行程安排的策略才能實(shí)現(xiàn)帶寬的保留。采用這種方案之后，信息包在傳送過程中不再平等對待，而是付錢越多的信息包，帶寬保留的越多。
　　(3) 須要給網(wǎng)絡(luò)一個(gè)交通說明，這樣網(wǎng)絡(luò)就必須要維持每種應(yīng)用的交通。
　　(4) 網(wǎng)絡(luò)必須要有一種手段以確定是否有足夠的帶寬來支持新的帶寬保留請求。把上述這些變更組合在一起時(shí)，就需要有新的和復(fù)雜的軟件來支持。
　　在這兩個(gè)極端之間，某些研究人員不主張對因特網(wǎng)作比較多的更改，而是在網(wǎng)沿(edge of network)，即在用戶和ISP之間的接口上添加簡單的定價(jià)和監(jiān)視措施，根據(jù)用戶沖浪使用的速率和時(shí)間來收費(fèi)。例如，用戶使用28.8 Kb/s速率去沖浪是一種價(jià)格，使用10 Mb/s速率去沖浪又是一種價(jià)格，這種定價(jià)方案對距離是不敏感的。這些研究人員認(rèn)為，通過簡單地增加價(jià)格，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)明顯擁擠時(shí)多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量有可能得到保證。

14.2 因特網(wǎng)上存取聲音和電視的方法

　　經(jīng)過壓縮的聲音或者電視文件可以放在Web服務(wù)器上，或者放在聲音/電視流放服務(wù)器(streaming server)上。對于前一種情況，由Web服務(wù)器通過HTTP協(xié)議把文件傳送給客戶。對于后一種情況，由流放服務(wù)器通過非HTTP協(xié)議把文件傳送給客戶。
　　由于聲音點(diǎn)播和影視點(diǎn)播應(yīng)用還沒有完全直接集成到現(xiàn)在的Web瀏覽器中，就需要一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用程序——幫助器(helper)，通常叫做媒體播放器(media player)來播放聲音和影視。典型的媒體播放器要執(zhí)行好幾個(gè)功能，包括解壓縮、消除抖動、錯(cuò)誤糾正和用戶播放等功能。現(xiàn)在可以使用像插件這種技術(shù)把媒體播放器的用戶接口放在Web客戶機(jī)的用戶界面上，瀏覽器在當(dāng)前Web頁面上保留屏幕空間，并且由媒體播放器來管理。目前，客戶機(jī)可使用幾種方法來讀取聲音和影視文件，下面介紹其中的三種。

14.2.1 通過Web瀏覽器把聲音/電視從Web服務(wù)器傳送給媒體播放器

　　對客戶機(jī)讀取多媒體的最簡方法是把聲音/電視文件放到HTTP服務(wù)器上，然后通過瀏覽器把文件傳送給媒體播放器，見圖14-02，過程如下：
　?、?Web瀏覽器與Web服務(wù)器建立TCP連接，然后提交HTTP請求消息請求傳送聲音/電視文件。
　　② Web服務(wù)器給Web瀏覽器發(fā)送響應(yīng)消息和請求的聲音/電視文件。
　　③ Web瀏覽器檢查HTTP響應(yīng)消息中的內(nèi)容的類型，調(diào)用相應(yīng)的媒體播放器，然后把聲音/電視文件或者是指向文件的指針遞送給媒體播放器。
　　④ 媒體播放器播放聲音/電視文件。
　　這種方法雖然簡單，但存在比較大的時(shí)延問題。因?yàn)槊襟w播放器必須通過第三者——Web瀏覽器才能從Web服務(wù)器上得到聲音/電視文件，而且瀏覽器需要把整個(gè)文件從Web服務(wù)器下載到瀏覽器之后才把它傳送給媒體播放器。這樣做的結(jié)果是，即使對中等大小的文件，在這傳輸過程中引入的播放時(shí)延也是很難接受的。由此想到的改進(jìn)方法是去掉中間環(huán)節(jié)，設(shè)法讓媒體播放器與Web服務(wù)器直接建立鏈接，

圖14-02 通過Web瀏覽器把聲音/電視從Web服務(wù)器傳送給媒體播放器

14.2.2 直接把聲音/電視從Web服務(wù)器傳送給媒體播放器

　　為把聲音/電視文件直接傳輸給媒體播放器，須要在Web服務(wù)器和媒體播放器之間建立直接的TCP連接(TCP connection)，見圖14-03，這可通過下面的方法來實(shí)現(xiàn)：
　　(1) 用戶點(diǎn)擊超級鏈接以請求傳送聲音/電視文件。
　　(2) 這個(gè)超級鏈接不直接指向聲音/電視文件，而是指向一個(gè)播放說明文件(presentation description file)，這個(gè)文件包含有實(shí)際的聲音/電視文件的地址(URL)。播放說明文件被封裝在HTTP響應(yīng)消息中。
　　(3) Web瀏覽器接收到HTTP響應(yīng)消息之后就檢查響應(yīng)消息中的內(nèi)容的類型，調(diào)用相應(yīng)的媒體播放器，然后把響應(yīng)消息中的播放說明文件傳送給媒體播放器。
　　(4) 媒體播放器直接與Web服務(wù)器建立TCP連接，然后把傳送聲音/電視文件的HTTP請求消息發(fā)送到TCP連接上。
　　(5) 在HTTP響應(yīng)消息中把聲音/電視文件傳送該媒體播放器并開始播放。

圖14-03 直接把聲音/電視從Web服務(wù)器傳送給媒體播放器

　　前面提到的播放說明文件是有關(guān)聲音/電視文件本身的文件，也稱元文件(meta file)，它可以是僅由聲音/電視文件網(wǎng)址組成的只有一行的文本文件，也可以包含更多內(nèi)容的文件。例如，播放說明文件可以是同步多媒體集成語言(Synchronized Multimedia Integration Language，SMIL)文件，讀成“smile”，這是由W3C提出的在Web頁面上顯示電視的語言。這種文件可以包含多個(gè)聲音/電視文件以及如何播放的使用說明，說明在播放文件時(shí)各種聲音/電視文件應(yīng)該如何同步等。
　　使用這種方法傳送聲音/電視文件的中間環(huán)節(jié)，但這種方法依然使用HTTP傳送文件，不容易使用戶獲得與Web服務(wù)器的滿意的交互性能，如暫停、從頭開始重放等功能。雖然在市場上有這種產(chǎn)品出售，但一般不推薦這種結(jié)構(gòu)。

14.2.3 直接把聲音/電視從多媒體流放服務(wù)器傳送給媒體播放器

　　第三種方法是可考慮從獨(dú)立的多媒體服務(wù)器(如聲音服務(wù)器、電視服務(wù)器)把多媒體文件傳送給媒體播放器。這種策略允許應(yīng)用開發(fā)人員為多媒體點(diǎn)播(multimedia-on-demand)設(shè)計(jì)一種流(式播)放協(xié)議(streaming protocol)。這種方案需要兩個(gè)服務(wù)器：一個(gè)是HTTP服務(wù)器，用于Web頁面服務(wù)；另一個(gè)是流放服務(wù)器，用于聲音/電視文件服務(wù)，如圖14-04所示。兩個(gè)服務(wù)器可以運(yùn)行在同一服務(wù)機(jī)上，也可以運(yùn)行在不同的服務(wù)機(jī)上。如果Web服務(wù)器非常繁忙，使用兩臺服務(wù)機(jī)是有利的。
　　使用這種結(jié)構(gòu)，媒體播放器就向流放服務(wù)器請求傳送文件，而不是向Web服務(wù)器請求傳送文件，媒體播放器和流放服務(wù)器之間可以使用它們自己的協(xié)議進(jìn)行通信，聲音/電視文件可以使用UDP而不是TCP直接從流放服務(wù)器傳送給媒體播放器。

圖14-04 直接把聲音/電視從多媒體流放服務(wù)器傳送給媒體播放器

14.2.4 媒體播放器的主要功能

　　媒體播放器(media player)，用來播放聲音或者電視文件，一般都具有下述功能。
　　(1) 解壓縮：幾乎所有的聲音和電視圖像都是經(jīng)過壓縮之后存放在存儲器中的，因此無論播放來自存儲器或者來自網(wǎng)絡(luò)上的聲音和電視都是要解壓縮。
　　(2) 去抖動：由于到達(dá)接收端的每個(gè)聲音信息包和電視圖像信息包的時(shí)延不是一個(gè)固定的數(shù)值，如果不加任何措施就原原本本地把數(shù)據(jù)送到媒體播放器播放，聽起來就會有抖動的感覺，甚至對聲音和電視圖像所表達(dá)的信息無法理解。在媒體播放器中，限制這種抖動的簡單方法是使用緩存技術(shù)，就是把聲音或者電視圖像數(shù)據(jù)先存放在緩沖存儲器中，經(jīng)過一段延時(shí)之后再播放。
　　(3) 錯(cuò)誤處理：由于在因特網(wǎng)上往往會出現(xiàn)讓人不能接收的交通擁擠，信息包流中的部分信息包在傳輸過程中就可能會丟失。如果連續(xù)丟失的信息包太多，用戶接收的聲音和圖像質(zhì)量就不能容忍。采取的辦法往往是重傳。
　　(4) 用戶可控制的接口：這是用戶直接控制媒體播放器播放媒體的實(shí)際接口。媒體播放器為用戶提供的控制功能通常包括聲音的音量大小、暫停/重新開始和跳轉(zhuǎn)等等。

14.3 網(wǎng)絡(luò)上的信息交換技術(shù)

14.3.1 概述

　　遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)可分成兩類網(wǎng)絡(luò)：線路交換網(wǎng)絡(luò)(circuit-switched networks)和信息包交換網(wǎng)絡(luò)(packet-switched networks)。信息包交換網(wǎng)絡(luò)也稱數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(data networks)。在線路交換網(wǎng)絡(luò)中，雙方交換消息期間通道上的全部資源(如鏈路帶寬等)都被租用，而在信息包交換網(wǎng)絡(luò)中雙方交換消息期間不租用通道上的資源，也就是不保留資源，而是根據(jù)需要來使用資源，交換的信息包往往需要等待可用資源。打個(gè)比方，例如有兩種類型的飯館：一種需要預(yù)定的飯館，另一種不需要或者不接收預(yù)定的飯館。對于前者，在去飯館之前必須要和第一個(gè)打電話(或發(fā)email)的人競爭，但到飯館后通常馬上就可與服務(wù)員聯(lián)系并定飯菜；對于后者，客戶沒有預(yù)定座位的問題，但到飯館之后也許必須等座位，然后才能定飯菜。
　　電話網(wǎng)絡(luò)( telephone networks)是線路交換網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)例子。如果要在電話線路上與他人通話或者發(fā)送傳真，你必須首先與對方建立連接方可進(jìn)行，這就叫做線路連接，或者叫做線路交換。當(dāng)線路連接建立之后就租用了這個(gè)線路的帶寬，你就可以用常數(shù)速率傳輸數(shù)據(jù)。
　　因特網(wǎng)是信息包交換網(wǎng)絡(luò)的例子。例如，如果你想在因特網(wǎng)上給人發(fā)送一個(gè)消息，因特網(wǎng)并不給你保留任何帶寬。在你的消息到達(dá)接收端之前，必須要經(jīng)過一系列通信鏈接(link)才能傳遞到接收端。由于許多消息都在因特網(wǎng)上傳輸，如果其中有一個(gè)鏈接處發(fā)生擁擠，你的消息就不得不要在緩沖存儲器中等待，這樣就產(chǎn)生了延遲。雖然因特網(wǎng)使用了很多很好的技術(shù)來克服這些問題，但依然不能像線路交換網(wǎng)絡(luò)那樣來保證以恒定的速率來傳送消息。
　　不是所有的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)都屬于線路交換網(wǎng)絡(luò)或者屬于信息包交換網(wǎng)絡(luò)。例如，ATM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)既有保留帶寬的連接又有不保留帶寬的鏈接。

14.3.2 線路交換

　　線路交換(circuit switching)的特點(diǎn)是，在開始通信之前通信雙方由線路交換中心建立物理連接，維持連接的時(shí)間長短取決于消息交換的需要。圖14-05是線路交換網(wǎng)絡(luò)的示意圖。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，使用2條傳輸鏈路(link)把3個(gè)線路交換機(jī)連接在一起，每條傳輸鏈路都有“n條線路”，“n條線路”是指通過時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)(time-division multiplexing，TDM)或者頻分多路復(fù)用技術(shù)(frequency division multiplexing，F(xiàn)DM)來獲得的，因此每條鏈路可同時(shí)支持n個(gè)連接(connection)。每個(gè)接收端(如PC機(jī)或者工作站)直接連接到其中的一臺交換機(jī)，或者通過調(diào)制解調(diào)器直接連接到交換機(jī)。我們使用的普通電話也連接到交換機(jī)上，但沒有在圖上表示出來。當(dāng)兩臺主機(jī)希望通信時(shí)，兩臺主機(jī)之間就要建立一個(gè)專門的端-端線路連接，每個(gè)端-端線路得到1/n的鏈路帶寬。

圖14-05 線路交換的概念

　　TDM是數(shù)字通信的主要手段。TDM技術(shù)把時(shí)間分割成許許多多固定的幀(frame)，而每一幀又劃分成固定數(shù)目的時(shí)間間隔，稱為時(shí)間槽(time slot)。當(dāng)用戶A與用戶B進(jìn)行通信時(shí)，系統(tǒng)為這對用戶指定一個(gè)時(shí)間槽，僅在這個(gè)時(shí)間槽里建立連接，每對用戶連續(xù)占用的資源僅是其中的一個(gè)時(shí)間槽的帶寬，這樣就可以使許多用戶共用一條傳輸鏈路。
　　FDM是模擬通信的主要手段。FDM技術(shù)把傳輸線的頻帶分割成若干部分，每個(gè)頻帶均可作為一個(gè)獨(dú)立的傳輸信道使用，因此一對傳輸線上也可以同時(shí)有若干對用戶進(jìn)行通話，每對用戶連續(xù)占用資源的僅是其中的一個(gè)頻段。采用頻分多路復(fù)用技術(shù)的通信又稱為載波通信。在電話網(wǎng)絡(luò)中使用FDM，每個(gè)鏈接使用4 kHz的帶寬，調(diào)頻廣播使用FDM共享微波頻譜。
　　圖14-06簡要說明FDM和TDM的概念。從目前的發(fā)展趨勢看，TDM有取代FDM的可能，美國的大多數(shù)電話網(wǎng)絡(luò)和其他發(fā)達(dá)國家已使用TDM。

圖14-06 FDM和TDM的概念

　　許多人認(rèn)為，線路交換網(wǎng)絡(luò)建立鏈接是使用專用線路，因此在通信處于空閑時(shí)浪費(fèi)了寶貴的通信資源。例如打電話，在對話期間出現(xiàn)長時(shí)間停頓時(shí)，沿著鏈接線路上的網(wǎng)絡(luò)資源(頻帶或者時(shí)間槽)不能由其他鏈接利用。

14.3.3 信息包交換

　　通常人們把任何一個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)塊稱為消息(message)，例如，ASCII文件，Postscript文件，Web頁面和聲音文件等等。在現(xiàn)代的信息包交換(packet switching)網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送端把整個(gè)消息分割成許多小的數(shù)據(jù)塊，經(jīng)過包裝并“貼上”標(biāo)簽之后再發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的這種數(shù)據(jù)包裹稱為信息包(packet)，比較準(zhǔn)確地說，信息包是一個(gè)經(jīng)過包裝且具有固定大小的傳輸單元，這種數(shù)據(jù)包裹既包含用戶的數(shù)據(jù)又包含按照協(xié)議規(guī)定加入的標(biāo)題，而標(biāo)題中包含有識別號碼、發(fā)送地址、接收地址等信息。在接收端把接收到的信息包拆開后重新拼接成原來的完整消息。不像點(diǎn)對點(diǎn)的電路交換需要在收發(fā)雙方建立物理連接，在信息包交換網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)信息包都包含有目的地址，因此一個(gè)消息分裝成的許多信息包不必都沿著同一條線路到達(dá)目的地，也不必同時(shí)到達(dá)目的地，到達(dá)目的地的次序也不必按照發(fā)送的次序，那條信道有空就往那里傳送。
　　發(fā)送端把一個(gè)很長的消息分割成比較小的信息包之后，在發(fā)送端和接收端之間，每個(gè)信息包通過通信鏈路和信息包交換機(jī)(packet switches)，有時(shí)也稱路由器(routers)傳送到接收端。信息包在每個(gè)通信鏈路上以傳輸速率同鏈路傳輸速率相等的速度傳輸。大多數(shù)信息包交換機(jī)在輸入端使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方法(store and forward)把信息包轉(zhuǎn)發(fā)到輸出鏈路上，這意味著交換機(jī)必須把整個(gè)信息包接收完之后才能把信息包的第1位(bit)轉(zhuǎn)發(fā)到輸出鏈路上，這樣就產(chǎn)生了存儲轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，時(shí)延的長短與信息包的大小(長度)成正比。如果信息包的長度為L，傳輸鏈路的數(shù)據(jù)率為R，時(shí)延就為L/R。
　　在每臺交換機(jī)中有多個(gè)緩沖存儲器，每個(gè)信息包在輸出到鏈路之前必須要在鏈路緩沖存儲器中排隊(duì)，如果在信息包到達(dá)時(shí)緩沖存儲器是空的或者沒有其他信息包到達(dá)的情況下就不需要排隊(duì)。因此除了前面介紹的存儲轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延(store-and-forward delays)之外，還要附加信息包的排隊(duì)時(shí)延(queuing delay)，它是一個(gè)不確定的時(shí)延，取決于網(wǎng)絡(luò)上的擁擠情況。
　　圖14-07表示一個(gè)簡單的信息包交換網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)主機(jī)A和B正在向主機(jī)E發(fā)送信息包，信息包A和信息包B首先通過28.8 Kb/s鏈路傳送到第一個(gè)信息包交換機(jī)，然后把它們傳送到1.544 Mb/s的鏈路上。如果在這條鏈路上出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，這些信息包就在鏈路緩存存儲器中排隊(duì)等待輸出到鏈路上。輸出到鏈路上的次序不按照任何預(yù)先定義的規(guī)則，是隨機(jī)的或者是統(tǒng)計(jì)方式的，因此這種信息包交換技術(shù)也稱為統(tǒng)計(jì)多路復(fù)用技術(shù)，它與每個(gè)主機(jī)獲得相同時(shí)間槽的TDM技術(shù)截然不同。

圖14-07 信息包交換的概念

　　人們對線路交換和信息包交換技術(shù)有不同的看法。對信息包交換持不同見解者認(rèn)為：由于信息包的時(shí)延長短不定且不可預(yù)測，因此信息包交換技術(shù)不宜用在實(shí)時(shí)服務(wù)業(yè)務(wù)上，例如，電話會議和電視會議。而對線路交換持不同見解者認(rèn)為：①信息包交換比線路交換能夠提供比較好的帶寬共享特性，②比較簡單，成本比較低。一般來說，人們比較喜歡信息包交換技術(shù)。
　　信息包交換網(wǎng)絡(luò)上的第一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)是X.25，它用在模擬線路上，而且對噪聲很敏感。后來開發(fā)了用于數(shù)字線路的幀中繼(frame relay)和通過電話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的交換式多媒體/多兆位數(shù)據(jù)服務(wù)(Switched Multimedia / Multi-Megabit Data Service，SMDS)。

14.3.4 消息交換與信息包交換

　　如14.3.3節(jié)所述，在現(xiàn)代信息包交換(Packet Switching)網(wǎng)絡(luò)中，消息從一端傳送到另一端的過程是發(fā)送端把很長的消息分割成比較小的信息包，然后送到網(wǎng)絡(luò)上。接收端把接收到的小的信息包拆包之后重新拼接成原來的消息。如果發(fā)送端不把消息分成小的信息包，而是把整個(gè)原始消息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，信息包交換網(wǎng)絡(luò)就執(zhí)行消息交換(message switching)，這是信息包交換的一種特殊情況。為了加深對信息包交換和消息交換的理解，下面將對它們做一個(gè)比較。
　　圖14-08說明消息交換的工作過程。假設(shè)在接收端與發(fā)送端之間有兩個(gè)交換機(jī)和3條鏈路，由于交換機(jī)的工作方式是存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，在它轉(zhuǎn)發(fā)消息到輸出鏈路之前必須要完整地接收整個(gè)消息。

圖14-08 消息交換工作原理

　　圖14-09說明信息包交換的工作過程。同樣假設(shè)在發(fā)送端和接收端之間有兩個(gè)交換機(jī)和3條鏈路。在這個(gè)例子中，假設(shè)發(fā)送端把消息分割成P1，P2，…，P5共5個(gè)信息包，P1已經(jīng)到達(dá)接收端，P2和P3正在網(wǎng)絡(luò)中傳送，而P4和P5仍然在發(fā)送端。由于交換機(jī)工作在存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，在它轉(zhuǎn)發(fā)信息包到輸出鏈路之前必須要完整地接收整個(gè)信息包。

圖14-09 信息包交換工作原理

　　信息包交換與消息交換相比，它的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是端－端之間的時(shí)延要小得多。假設(shè)一個(gè)消息的長度為7.5 Mbits，在發(fā)送端和接收端之間有兩個(gè)交換機(jī)和3條鏈路，每條鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5 Mb/s。在網(wǎng)絡(luò)中不發(fā)生擁擠的情況下，消息從發(fā)送端到發(fā)送端所需要的時(shí)間可估算如下。
　　(1) 消息交換：由于交換機(jī)使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)工作方式，在接收到整個(gè)消息之前不能向鏈路發(fā)送任何1位數(shù)據(jù)，因此消息從發(fā)送端到第一個(gè)交換機(jī)需要7.5/1.5 = 5秒。同樣，從第一個(gè)交換機(jī)到第二個(gè)交換機(jī)需要5秒鐘，從第2個(gè)交換機(jī)到達(dá)接收端也需要5秒鐘。如圖14-10所示，消息從發(fā)送端到達(dá)接收端共需要15秒鐘。

圖14-10 消息交換時(shí)延

　　(2) 信息包交換：假設(shè)發(fā)送端把消息分成5000個(gè)信息包，每包含1.5 Kbit。如圖14-11所示，5000包從發(fā)送端傳輸?shù)桨l(fā)送端須要花費(fèi)的時(shí)間約為5.002秒。因此可見，信息包交換比消息交換所花費(fèi)的時(shí)間少得多，這是因?yàn)樾畔粨Q使用的傳輸技術(shù)是并行傳輸，而消息交換采用的是串行傳輸。

圖14-11 信息包交換時(shí)延

　　使用信息包交換的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可大大節(jié)省錯(cuò)誤處理時(shí)間。例如，在消息交換中，當(dāng)消息中僅有1位數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)，整個(gè)消息都要重新發(fā)送。而在信息包交換中，當(dāng)出現(xiàn)同樣錯(cuò)誤時(shí)，只需重新傳送那個(gè)包含錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的信息包。因此傳送信息包的時(shí)間比傳送整個(gè)消息的時(shí)間要少得多。

14.3.5 面向連接服務(wù)與無連接服務(wù)

　　因特網(wǎng)通常叫做TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，提供兩種類型的服務(wù)：無連接服務(wù)(connectionless service)和面向連接服務(wù)(connection-oriented service)。任何一種因特網(wǎng)服務(wù)都必須使用這兩種服務(wù)之一。對這兩種服務(wù)，每個(gè)信息包都帶有目的地址，而交換機(jī)就按照信息包的目的地址來發(fā)送信息包的。
　　1. 面向連接服務(wù)
　　在因特網(wǎng)上，應(yīng)用程序通過使用傳送控制協(xié)議(TCP)來調(diào)用面向連接服務(wù)。面向連接服務(wù)的含義是，在開始發(fā)送信息包之前發(fā)送端和接收端要進(jìn)行溝通，建立直接連接，并提醒對方準(zhǔn)備接收信息包，然后才開始進(jìn)入信息包的傳送過程。面向連接服務(wù)提供有下列3種功能來確保信息包從發(fā)送端傳送到接收端：
　　(1) 確認(rèn)(acknowledgements)：當(dāng)接收端接收到信息包時(shí)，接收端向發(fā)送端發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信號，當(dāng)發(fā)送端接收到確認(rèn)信號時(shí)，說明相應(yīng)的信息包已被對方接收到。
　　(2) 流程控制(flow control)：接收端也許因?yàn)槊τ谄渌蝿?wù)或者限于它的處理能力，須要限制發(fā)送端發(fā)送信息包的速率，這可在開始溝通時(shí)告訴發(fā)送端所須要限制的速率。
　　(3) 擁擠控制(congestion control)：當(dāng)交換機(jī)擁擠時(shí)，交換機(jī)中的緩沖存儲器可發(fā)生溢出，導(dǎo)致信息包丟失，面向連接服務(wù)提供了一種機(jī)制(方法)來限制傳輸速率。
　　由于采用了上述措施，因特網(wǎng)的面向連接服務(wù)被認(rèn)為是可靠的服務(wù)，而因特網(wǎng)的無連接服務(wù)被認(rèn)為是不可靠的服務(wù)，理由是它不能確保把數(shù)據(jù)傳送到目的地。
　　2. 無連接服務(wù)
　　在因特網(wǎng)上，通過使用用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)來調(diào)用無連接服務(wù)。無連接服務(wù)的含義是發(fā)送端簡單地把信息包送到網(wǎng)絡(luò)上，在傳送信息包之前發(fā)送端和接收端沒有溝通的過程，也沒有對方來的確認(rèn)，因而也不知道目的地是否接收到。無連接服務(wù)既沒有擁擠控制功能，也沒有流程控制功能。
　　目前，為大多數(shù)人比較熟悉的應(yīng)用程序都使用傳輸控制協(xié)議(TCP)，也就是因特網(wǎng)的面向連接服務(wù)。這些服務(wù)包括Telnet (用于遠(yuǎn)程登錄), SMTP (用于電子郵件), FTP (用于文件傳輸)和HTTP (用于萬維網(wǎng)Web)。然而，也有許多應(yīng)用程序使用用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)，這些服務(wù)包括正在出現(xiàn)的多媒體應(yīng)用，例如，因特網(wǎng)電話，聲音點(diǎn)播，影視點(diǎn)播和電視會議等等。
　　TCP和UDP都是傳輸層的協(xié)議，將在第15章作比較詳細(xì)的介紹。

14.3.6 網(wǎng)絡(luò)分類

　　遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的分類大致如圖圖14-12所示。遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)使用線路交換和信息包交換。在線路交換中，使用頻分復(fù)用頻分多路復(fù)用(FDM)技術(shù)和時(shí)分復(fù)用多路復(fù)用(TDM)技術(shù)來提高傳輸容量。

圖14-12 網(wǎng)絡(luò)分類

　　信息包交換網(wǎng)絡(luò)分成兩類，一類叫做數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)(datagram network)，另一類叫做虛擬線路網(wǎng)絡(luò)(virtual circuit network)。如果信息包按照目的地址發(fā)送，這種網(wǎng)絡(luò)就稱為數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)，因特網(wǎng)的IP協(xié)議就是按照目的地址發(fā)送信息包；如果信息包按照虛擬線路號發(fā)送，這種網(wǎng)絡(luò)稱為虛擬線路網(wǎng)絡(luò)。
　　數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)在許多方面與郵政服務(wù)類似。當(dāng)寄件人發(fā)送一封信到目的地時(shí)，寄件人把信裝入信封，并且在信封上寫上帶層次結(jié)構(gòu)的收件人地址，如國家－省－市－街道－門牌號－收件人。郵政服務(wù)系統(tǒng)就根據(jù)信封上的地址把信件送目的地。在數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)上傳送的每個(gè)信息包都包含有目的地址，它很類似于郵件上的分等級的地址。由于每臺信息包交換機(jī)都有路由表，當(dāng)信息包到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)就抽出信息包中的目的地址部分，并用該地址在路由表中進(jìn)行檢索，以找出合適的外向鏈路，然后把信息包送到鏈路上。
　　虛擬線路就是臨時(shí)創(chuàng)建的通信通路，虛擬線路網(wǎng)絡(luò)中信息包的傳送線路由3個(gè)部分組成：①發(fā)送端和接收端之間的一系列鏈路和交換設(shè)備，稱為路徑(path)。②沿著這條路徑上的虛擬線路號(virtual circuit number)，一個(gè)號碼對應(yīng)路徑上的一條鏈路。③沿途交換設(shè)備里的虛擬線路轉(zhuǎn)換表中的表項(xiàng)。發(fā)送端和接收端之間的虛擬線路一旦建立，信息包就可選擇合適的虛擬線路號進(jìn)行發(fā)送。由于虛擬線路在每個(gè)鏈路上有不同的虛擬線路號，中間的信息包交換機(jī)必須用新的虛擬線路號替代每個(gè)行進(jìn)中的信息包虛擬線路號。
　　數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)對某些消息可提供無連接服務(wù)，對某些消息可提供面向連接服務(wù)。虛擬線路網(wǎng)絡(luò)一般都是面向連接服務(wù)，例如X.25，幀中繼(frame relay)和異步傳輸模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)網(wǎng)絡(luò)。

練習(xí)與思考題

• 網(wǎng)絡(luò)上的多媒體通信應(yīng)用和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用有什么主要差別？
• 舉例說明多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn)。
• 因特網(wǎng)電話和實(shí)時(shí)電視會議是多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中頻繁交互的應(yīng)用例子，根據(jù)人的聽覺系統(tǒng)，對延遲小于 毫秒的聲音感覺不到有時(shí)延，在 毫秒 毫秒之間的時(shí)延可以接受，時(shí)延超過 毫秒的會話就令人甚感別扭。
• T1數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的總數(shù)據(jù)傳輸率，美國定義為 Mb/s，歐洲的T1稱為E1，定義為 Mb/s。
• 借助工具書或者技術(shù)參考書的幫助理解信息包(packet)的含義。
• 總結(jié)線路交換、信息包交換和消息交換各有什么特點(diǎn)。
• 面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)的差別是什么？

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