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多媒体 MultiMedia networking

Video

  • 定义：
    • Video: sequence of images displayed at constant rate
    • Digital image: array of pixels
      • each pixel represented by bits
    • Coding: use redundancy within and between images to decrease # bits used to encode image
      • Example：
        • MPEG 1
        • MPEG2
        • MPEG4 (often used in Internet)

三种应用类型

Streaming, stored audio video

  • streaming: can begin playout before downloading entire file
  • stored (at server): can transmit faster than audio/video will be rendered (implies storing/buffering at client)
  • e.g., YouTube, Netflix

缓存技术应用

Streaming multimedia：UDP

  • Server sends at rate appropriate for client
    • often: send rate = encoding rate = constant rate
    • transmission rate can be oblivious to congestion levels
  • 特点：短 playout delay (2-5 secs) to remove network jitter
  • error recovery:
    • application-level, time permitting
  • RTP: multimedia payload types
  • UDP may not go through firewalls(由于是非安全协议)

HTTP

通过 HTTP GET 来获得多媒体文件。（一块一块的数据拿过来） - 以 TCP协议下的最大速度发送

  • HTTP/TCP 更容易通过防火墙

DASH

  • DASH：D*ynamic Adaptive Streaming over H*TTP
  • 客户端是智能的，客户端决定：
    • 什么时候请求块 (When to request chunk)
    • 请求多大的码率。(higher quality when more bandwidth available)

VoIP：packet loss, delay

  • interactive nature of human-to-human conversation limits delay tolerance

Internet QoS

为了适应实时通讯、大量客户端/服务端应用，大量图像的网站——所以必须支持 Quality of Service(QOS) within TCP/IP - In place of "best-effort" - Add traffic control to routers - Provide means of requesting QOS

两大 QoS 框架 - Integrated Services Architecture(ISA) - Differentiated Services(DS)

Integrated Services Architecture (ISA)

  • Associate a distinguishable stream of IP packets with a flow
    • With the same QOS parameters
    • Identified by source and destination IP address, port numbers, protocol type (TCP or UDP)
    • Unidirectional, Can be multicast

ISA Functions

  • Routing Algorithm
    • Link cost based on a variety of QOS parameters
    • Routing / forwarding based on classes of flows with similar QoS
  • Queuing discipline
    • Priority queuing
    • Multiple queues instead of one, taking account of different flow requirements
  • Discard policy
    • Selective discard instead of just new comings
  • Reservation protocol
    • RSVP, reserve resource for new flow at a given level of QOS
    • Admission control
      • Determines if sufficient resources are available for the flow at the requested QOS
    • Traffic control database
      • Parameters of traffic control
    • Management agent
      • Modifies the traffic control database
      • Directs the admission control module to set policies

Differential Services (DS)

Policing

  • 目标：限制 traffic 不超过给定的参数
  • 三种常用的名词
    • （long term）average rate: how many pkts can be sent per unit time
    • peak rate:
    • (max) burst size: max number of pkts sent consecutively (with no intervening idle)
  • 在包的流(packet flow, traffic)进入网络之前，塑造它的样子
    • Control the rate at which packets are sent
  • Two traffic shaping algorithm
    • Leaky Bucket
    • Token Bucket

Leaky Bucket

leaky-bucket-1|500 leaky-bucket-2|500 - 以恒定速率将数据放进网路，用缓存区进行稳定。 - 如果积累的数据超过了限制（超过了桶的大小），就丢包 (discard if leak) - 起到稳定数据流的作用。

Token Packet

  • image-20230606174123757
  • image-20230512115515566
  • 在边缘有一个“桶”里面装用来提供特殊服务的 token，装入速率 \(r\) 表示允许的最大（平均）速率，大小 \(b\) 表示可以爆发传输的最大数据量，没有 token 的意味着普通服务（低优先级）
    • 只有持有 token，才能做
  • \(t\) 时间内最多 \(rt+b\)

1. 平均速率

  • 定义：流量在较长时间内的平均速率。
  • 控制方式：通过 令牌生成速率 \( r \) 控制。
  • 每秒生成 \( r \) 个令牌，表示系统允许的长期流量速率为 \( r \)。
  • 如果输入流量超过 \( r \)，多余的数据将被延迟或丢弃。

公式： $$ r_{\text{avg}} = r $$

2. 峰值速率

  • 定义：短时间内流量可能达到的最大速率。
  • 控制方式：通过 流出速率 \( r_{\text{peak}} \) 控制。
  • 当漏桶允许以高于 \( r \) 的速率发送流量时，峰值速率由流出速率决定。
  • 在串联两个漏桶时，第二个漏桶的令牌生成速率可作为峰值速率的限制。

公式： $$ r_{\text{peak}} = \min(r, \text{桶流出速率}) $$

3. 突发长度

  • 定义：系统能够容忍的一次性最大数据量。
  • 控制方式：通过 桶容量 \( B \) 控制。
  • 如果桶中累积了大量令牌，可以短时间内发送这些令牌对应的数据，从而形成突发。
  • 突发长度 与 \( r \) 和 \( B \) 的关系为： $$ b_{\text{max}} = B $$
突发持续时间 \( \Delta T_{\text{burst}} \)

突发持续时间取决于桶容量和生成速率： $$ \Delta T_{\text{burst}} = \frac{B}{r} $$

综合公式与作用

  • 平均速率：由 令牌生成速率 \( r \) 控制。
  • 峰值速率：由 流出速率 \( r_{\text{peak}} \) 控制。
  • 突发长度：由 桶容量 \( B \) 控制。

示例

假设漏桶的参数为： - 令牌生成速率 \( $r = 10 \, \text{Mbps}$ \)； - 桶容量 \( $B = 50 \, \text{KB}$\)； - 流出速率 \( $r_{\text{peak}} = 20 \, \text{Mbps}$ \)。

则： - 平均速率：\($r_{\text{avg}} = 10 \, \text{Mbps}$ \)； - 峰值速率：\($r_{\text{peak}} = 20 \, \text{Mbps}$ \)； - 突发长度：\(b_{\text{max}} = 50 \, \text{KB}\)； - 突发持续时间： $$ \Delta T_{\text{burst}} = \frac{50 \, \text{KB}}{10 \, \text{Mbps}} = 40 \, \text{ms} $$