无线多媒体服务质量协议——关乎生活的技术

　　编者按:时至今日，网络走向“全IP”已经被业界所公认；回头想想当初采取何种技术组网的争论，以及更远的IPX协议等，难免让有技术情结的人感慨万千。
　　2003年以来，“向全IP核心网络架构高速冲刺”的演进，在全球范围内愈演愈烈，随着IP势大，IP成为基于WDM（Wavelength-Division Multiplexing，波分复用）层上惟一选择的判断，已经没有人再怀疑了，即使目前这种“江山一统”还尚未实现，在一些网络中还有稍许其他技术在挣扎。现在，人们开始判断的是，IP在什么时候向下更进一步，完全占领接入领域？或者向上更进一步，以10G甚至更高带宽的网络部署为契机，完全占领企业网、城域网乃至整个电信网？或者，通过越来越多的非3G无线网络（例如WLAN、WiMAX、Wireless MANs等），使IP在竞争中突进3G移动核心网中？一个显而易见的事实是，越来越多的公司在谈到固定网络和移动网络的融合时，动辄就将IMS（IP Multimedia Subsystem ,IP 多媒体子系统）搬出来，这更加确立了IP协议（或者说技术）一统网络的大局。
　　而当我们将目光聚焦在IP上时，几乎所有的网络管理员都有理由非常欣喜，因为这种技术太具弹性了，允许太多具有不同底层特征的系统接入网络，同时也可以通过最为常规的网络基础架构传递各种各样的应用数据流——正是IP这种强大的包容能力，使其获得了广阔的应用空间。
　　另一方面，我们也可以发现，有一个词始终围绕在IP的周围，那就是QoS（服务质量），正因为IP的包容性、宽泛性，使其在管理上困难重重，QoS的重要性也就突显出来了。换一种说法是，“有关IP网络的QoS探讨受到业界的追捧”。现在的发展思路是，QoS将遵循端到端解决方案的模式，在IP层提供基于有线/无线网的本地及跨网策略，并在其上提供一系列与网络优化有关的工具。
　　正因为这样，WLAN（人们一直在探讨WLAN在安全上先天不足的问题）上的QoS就更值得探讨了。同时，当我们看到美南方贝尔公司推出的面向企业应用的电信级VPN上的QoS保障应用时，新鲜的感觉就更为强烈了。当然，尽管人们更在乎企业级应用的QoS，但这并不意味着QoS的问题只存在于企业网或更大范围网络中，家庭多媒体娱乐中的QoS同样是面对超大市场的一个超难问题。
　　正是由于这些原因，我们选择了这两个方面的问题进行讨论。
　　时至今日，网络走向“全IP”已经被业界所公认；回头想想当初采取何种技术组网的争论，以及更远的IPX协议等，难免让有技术情结的人感慨万千。
　　2003年以来，“向全IP核心网络架构高速冲刺”的演进，在全球范围内愈演愈烈，随着IP势大，IP成为基于WDM（Wavelength-Division Multiplexing，波分复用）层上惟一选择的判断，已经没有人再怀疑了，即使目前这种“江山一统”还尚未实现，在一些网络中还有稍许其他技术在挣扎。现在，人们开始判断的是，IP在什么时候向下更进一步，完全占领接入领域？或者向上更进一步，以10G甚至更高带宽的网络部署为契机，完全占领企业网、城域网乃至整个电信网？或者，通过越来越多的非3G无线网络（例如WLAN、WiMAX、Wireless MANs等），使IP在竞争中突进3G移动核心网中？一个显而易见的事实是，越来越多的公司在谈到固定网络和移动网络的融合时，动辄就将IMS（IP Multimedia Subsystem ,IP 多媒体子系统）搬出来，这更加确立了IP协议（或者说技术）一统网络的大局。
　　而当我们将目光聚焦在IP上时，几乎所有的网络管理员都有理由非常欣喜，因为这种技术太具弹性了，允许太多具有不同底层特征的系统接入网络，同时也可以通过最为常规的网络基础架构传递各种各样的应用数据流——正是IP这种强大的包容能力，使其获得了广阔的应用空间。
　　另一方面，我们也可以发现，有一个词始终围绕在IP的周围，那就是QoS（服务质量），正因为IP的包容性、宽泛性，使其在管理上困难重重，QoS的重要性也就突显出来了。换一种说法是，“有关IP网络的QoS探讨受到业界的追捧”。现在的发展思路是，QoS将遵循端到端解决方案的模式，在IP层提供基于有线/无线网的本地及跨网策略，并在其上提供一系列与网络优化有关的工具。
　　正因为这样，WLAN（人们一直在探讨WLAN在安全上先天不足的问题）上的QoS就更值得探讨了。同时，当我们看到美南方贝尔公司推出的面向企业应用的电信级VPN上的QoS保障应用时，新鲜的感觉就更为强烈了。当然，尽管人们更在乎企业级应用的QoS，但这并不意味着QoS的问题只存在于企业网或更大范围网络中，家庭多媒体娱乐中的QoS同样是面对超大市场的一个超难问题。
　　正是由于这些原因，我们选择了这两个方面的问题进行讨论。
QoS机制执行仍然困难
　　目前的大多数实际测试仍然无法保证QoS，根据现实的测试，至少有3/4的产品供应商在数据传输不受影响的前提下，无法完全保障语音质量，那么，容易导致QoS机制无法完好执行的因素有那些呢？
归纳起来，大概可以分为下面几点：




　　随着现在大量的数码多媒体内容涌入我们生活当中，随之也产生了许多问题，其中最主要的一项就是数字版权保护管理（DRM），而其他一些问题，如无线网络的性能和服务的质量等，也同样开始浮出水面。当我们进入有关无线多媒体网络的探讨时，我们就能轻易发现，无线多媒体QoS，已经成为数字多媒体立足于家庭网络的关键技术。
该了解的一些技术
　　在深入介绍之前，还是让我们先熟悉一下数码多媒体领域常见的一些名词术语，这样可使您对所涉及的技术和背景有一个大概的了解，以下是这些技术的少许特征。
　　尽力而为（Best Effort）的传输策略：该策略以“平等”二字为基础，在多数情况下这不会有太大问题，但它却并不适用于多媒体内容服务。在这种策略下所有数据传输时均一视同仁，例如网络打印任务、页面下载、视频流等应用都具有相同的优先级。对于打印或者网页来说，一般多等一两秒钟或者更长一点的时间也没什么关系，但对视频流来说，如果时不时地有那么半秒一秒数据出现断流或者延迟，那么视频回放的效果肯定会相当糟糕。
　　服务质量（Quality of Service，QoS）：这是本文的主角，所以让我们首先看看QoS的定义是什么。所谓QoS指的就是在数据传输时支持多重优先级的框架结构，这使那些对实时性相对比较敏感的数据（如音频视频和网络电话等）在传输时可以被赋予更高的优先级，它是一种网络传输领域的优选法，那些具有低延迟高带宽需求的数据可以被优先传输，而其他对时间性要求不强的数据（如网页、文件上传下载和打印任务等）则被赋予较低的优先级。
　　通用随插即用（Universal Plug and Play，UPnP）服务质量规范：目前UPnP 1.0版本的规范定义了三大主要策略，分别是QoS策略持有者、QoS管理者和QoS设备。这一规范也覆盖了接入管理和接入策略，并描述了网络节点上一个设备接入后请求和获取数据传输优先级的机制。目前，UPnP的2.0和3.0版本规范还在制订之中，前者将在今年晚些时候完成，而后者计划于明年初完成。
　　UPnP音频视频规范：这是UPnP规范的一个子集，它定义了多媒体设备（如DVD播放器、电视、家庭影音系统、MP3播放器等）的设备模板和服务模板。UPnP规范同时也定义了一个搜索协议。新设备接入网络后，UPnP音频视频规范能找到网络中已有的设备，与其“握手”并描述自己所提供的服务，另外也可使新设备最大程度上完成自动配置。
　　802.1p规范：对于有线以太网来说，该规范为数据报定义了八级媒体访问控制（Media Access Control，MAC）优先级，高优先级的数据报将首先被传输，如果高优先级数据报处于正在传输中的状态或等待传输中的状态时，低优先级的数据包将无法得到被传输的机会。
　　802.11e规范： 该规范基于802.1p规范之上制定，它定义了用于Wi-Fi网络的MAC级别的服务质量机制，此规范和下面的WMM一道是保证无线网络多媒体服务可靠性的关键。
　　无线多媒体（Wireless Multimedia，WMM）：Wi-Fi联盟把WMM定义为802.11e规范的概要，实际上它是802.11e规范的一个子集，由于IEEE在批准802.11e规范上花了太长时间，因此WMM被提出用以满足业界对Wi-Fi网络QoS解决方案的需求。
　　预留协议（Reservation Protocol，RSVP）：RSVP是一种IP网络中的信令协议，网络终端利用它向网络申请资源。该协议最初由美国南加州大学的信息科学院提出，目的是希望通过Internet信道提供具有质量保障的服务并提高网络的运行效率。
802.11e和QoS的起源与背景
　　802.11标准的一个主要问题在于，它缺少一种区分和识别不同数据在传输时具有不同时间性要求的机制。举例来说，802.11标准最初支持两种传输模式，第一是在信道争用期的分布式协调功能（DCF），DCF采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）的媒体访问方式，可以形象地比喻为“先听再说”，节点在发送数据前要先检测信道是否空闲是否存在冲突。DCF支持传输协调，但它并不支持任何无线媒体的优先级访问。由于现在家庭网络市场逐渐被无线网络所占领，硬件制造商开始越来越清楚地意识到，流媒体必将成为802.11的下一个杀手级应用。
　　为了解决对时延敏感的数据传输，出现了第二种运行于DCF之上的非信道争用期的点协调功能（PCF）传输模式，这里面一个点协调器用轮流平均（Round Robin）的方式以固定的时间间隔在所有运行于PCF模式的网络节点间轮询，接下来的数据传输还是利用CSMA/CA竞争。
　　一个具有QoS的网络系统需要三个方面的共同支持，它们分别是源点（服务器）、网络和终点（客户端），而每一方面都必须要支持QoS才行。我们知道，开放系统互联协议栈有七层，从下到上依次是物理层、数据链路层、传输层、会话层、表现层和应用层，如果要详细介绍这个协议栈的话恐怕得长篇累牍才行，但我们现在主要关心数据链路层和应用层。数据链路层也叫媒体访问控制（MAC）层，QoS的设计与实现主要发生在这里。从更上层的协议级别实现QoS当然也可行，但在数据链路层入手是一个更好的解决方案，原因在于路由器工作在以太网帧级别，它们可以很快地在这个级别上分析数据包中和QoS相关的头部信息。
　　在应用层级别，媒体服务器和客户端（UPnP规范里称为渲染器）也都需要在以太网级别支持QoS，这样才能建立起高优先级的连接。
　　为无线网络添加QoS的802.11e规范在2004年秋天最终得到批准，但它在IEEE委员会那里耗了太长时间，于是Wi-Fi联盟从IEEE 802.11e无线局域网QoS标准草案中提取出一部分创建了无线多媒体WMM规范，像Linksys的WRT54GX无线路由器就同时支持802.11e和WMM规定的QoS。
　　802.11e基于802.1p的八级优先级结构，但Wi-Fi联盟的WMM规范则只规定了四级WMM优先级，按优先级从高到低依次是语音（Voice）、视频（Video）、尽力而为（Best Effort）、背景（Background）等。802.11e的优先级方案基本与此相同，只不过它用到了802.1p里定义的所有八个优先级而不像WMM那样只用到了一个子集。
　　图2来自Wi-Fi联盟，该图展示了数据传输中的优先级问题。图的上半部分是实现了WMM的网络，红线代表分配给视频的带宽，可以看到不管网络情况如何变化，分配给视频的带宽始终维持在同一水平上，而其他低优先级的数据则共享剩余的带宽。图的下半部分是一个纯粹的尽力而为网络环境，可以看到随着各种数据涌入网络，当带宽渐渐达到饱和时，多媒体数据就受到较大影响，结果就是最终呈现在用户面前的音频视频磕巴不断。
　　然而，现在真正使用和依赖802.11e的QoS方案的软件应用实际上还未出现，所以我们身边主要还是所有数据都拥有相同优先级的尽力而为的网络环境。实际上我们可以发现，在拥有足够带宽的前提下，尽力而为的策略虽然不够完美，但对流媒体的传输也算工作得相当不错了，只有在无线网络的带宽达到上限时音频视频才会出现问题，因为这时所需要的数据无法在规定的时间内完成传输，而且就算你配有缓冲器，在网络相当拥挤的情况下缓冲器也可能无法填满。
软件跟不上硬件
　　正如前面所说的，一个QoS系统要求有三个能支持QoS的部分：服务器、网络和客户端。我们知道，一个大项目就算能得到大型组织和联盟的支持和参与，也很少能够出现所有各个方面同时达到完备的情况。现在已经出现了能支持802.11e和WMM的无线网络硬件，但能支持QoS的无线服务和软件应用还没有出现。

　　现在一些应用和服务结合使用了实时协议（RTP）和实时流协议（RTSP），像Helix项目、苹果公司的Darwin流媒体服务器和VideoLAN。RTP是一个用于传输实时数据的协议，包括视频流和音频流。RTSP并不传输数据，它实际上是一个控制协议，它负责启动和指导媒体服务器进行多媒体数据流的传输，有时候也称做网络音像遥控协议。
　　苹果公司的Darwin流媒体服务器（DSS）确实支持其专有的QoS机制，从苹果公布的文档来看基本上这是一种抗停顿抗跳跃技术，不过文档并没有透露这些正在申请专利的技术的具体细节。文档里说，最新版本的DSS具有“改进过的苹果停顿保护技术（这一系列QoS特性正在申请专利），结果就是在同步多媒体浏览时极大地减少了缓冲和等待的时间，大大提高了视频音频质量。观看者甚至可以进行快进操作，就好像这些多媒体文件正躺在他们的硬盘里一样”。 第一眼看上去，这像是一个预读技术，用最快的速度把对方的媒体内容在本地缓存起来，这样用户才能进行快进等操作。需要注意的是这是Quicktime所特有的功能，要享受这项技术就得把Quicktime配合Darwin流媒体服务一起使用。

　　另一类有意思的应用是UPnP多媒体服务器，其中有一些是商业产品，像Allegro音乐服务器，它不但能将AAC、MP3、WAV、AIFF等音频流传送到个人电脑，同时也能向UPnP客户端（如日本厂商Roku推出的无线音乐播放机Roku soundbridge）传送这些音频流。另外一个能处理视频和音频的多媒体服务器叫做TwonkyVision，它能传送音频（MP3, WMA, WAV, LPCM）、图片（GIF, JPEG）和视频（MPEG1, MPEG2, MPEG4, AVI, WMV, VOB），它的免费版本只提供音频服务，而完整商业版则要卖15欧元，大概相当于20美元。
尚未完成的工作
　　现在802.11e规范已经公诸于世，媒体客户端/服务器等应用需要开始着手加入对该规范的支持。在最近对Linksys的WRT54GX无线路由器的评测中我们发现，只要有富余的带宽，采用尽力而为策略的系统可以很好地工作，但在无线网络达到其吞吐量的极限时就会出问题。另外，无线网络的带宽是变化的，如果没有相应的处理机制，无线多媒体的服务质量也会出现问题。
　　另外一个支持QoS的网络流媒体服务中未被征服的领域是Internet本身，而这相对来说就困难得多。数字版权保护管理问题的解决正在缓步进行之中，但现在不只是谁拥有这些数码内容的问题，更大的问题是如何将这些内容以客户想要并且愿意掏钱的方式交到客户手中。资源预留协议（RSVP）的目标是建立一个使得多媒体数据流能平稳传输的框架，也就是必要时能申请预留带宽和信道，但实现起来还有大量的实际工作要做。
　　现在看来UPnP的QoS实现也有很多棘手的问题要解决。这里有个典型的鸡生蛋还是蛋生鸡的问题。杀手级应用的内容如果大量涌现将驱使人们寻求可靠传输的解决方案，但是如果没有很好的解决方案，这些内容涌现的速度就会非常缓慢。当然我们有一个暂时的解决方案，就是先下载后观看，像Akimbo的网络视频播放器采用的就是这种方法。还有一种折中的选择就是先下载大部分，剩余的部分再采用流传输的方式。
　　很明显将来会是（在某些方面已经是）一个按需点播视频的时代，而且这些视频的绝大部分将通过宽带传送。有线电视公司已经迫不及待地开始在它们的硬件产品里集成点播系统。
　　人们想看想听自己爱看爱听的多媒体内容和希望在自己方便的时候好好享受等等都是很简单的自然需求。数码内容版权和法律问题的解决只是个开头而已，高清晰内容的可靠传输问题已经足够众多工程师们忙上许多年了。高清晰内容由于具有更高的比特率所以需要更大的带宽，这使得大家面临着相当严峻的挑战。
　　不过还好，目前对于应付家庭多媒体流的需求，解决方案还是存在的，尽管这些方案都还不支持QoS。现在尽力而为的策略在数码视频流服务方面还可以撑一撑，但高清晰内容的出现和需求将打破这种局面，到那时候，只有QoS才是能继续满足多媒体流和其他数据传输的关键技术。

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