IPv6对多媒体传输的支持

IPv6对多媒体传输的支持

IPv4的简单和灵活特性，使得它被广泛地应用和部署。但是随着TCP/IP协议体系的广泛应用，IPv4版本的缺点就暴露出来了，例如地址空间不够、不支持多媒体传输、安全问题等，这些问题不是通过修修补补就能够解决的，因此IPv6应运而生。IPv6有许多新的特性和能力，例如巨大的地址空间、移动支持、安全性等，本文主要从概念上讨论其中的多媒体传输支持。

一、多媒体传输的需求分析

与常规的字符数值型数据相比，多媒体数据在通信网络上进行传输会有什么不同呢？需要特殊地考虑吗？为了清楚地说明以上问题，我们从多媒体数据在网络上传输会带来什么问题入手。

我们从通信和网络的角度来看多媒体数据的特性。我们知道，数据在网络上传输，是需要把数据打包后，一个一个传输的。这个包，在不同的网络层，名称不一样，可以是报文段、数据包或帧。我们把按时间相关的方式传输的一系列数据包称为数据流。

对于多媒体传输来说，主要问题出在连续媒体的传输上。我们说连续媒体，是针对媒体通信中的数据流来说的。前面说了，数据流是由数据包组成的。那么这些数据包有什么特性呢？不同的特性，将对媒体数据的传输造成明显的影响。连续媒体的特点是相继传输的数据包之间的间隔基本上是周期性的，数据包的大小的变化基本是有规律的。典型的连续媒体是音频和视频。相对应的，不满足连续媒体特性的媒体我们称为离散媒体，例如图像、图形，以及其他的数据流，例如鼠标移动产生的数据流等。

这里，我们需要强调的是，连续媒体的传输，有严格的时间约束，而离散媒体没有。时间上的约束不同于实时控制信息传输的约束，后者需要严格的实时传输约束，实时获取的信息用于控制和管理，但是实时控制信息之间的间隔可能没有周期性。而多媒体传输与常规字符数值数据一个重要的不同是：连续媒体数据包的传递是周期性的，其提交给用户的表现需要一个过程，这个过程是需要用户感知的，例如音频和视频需要基于时间的播放，才能表达其中的含义，用户直接观察和聆听媒体的表现。如果传输过程中的时间约束不能满足用户接收并感知的要求，用户就难以接受音频或视频携带的信息。因此，总结出来，多媒体传输的主要需求是：

（1）带宽。多媒体传输需要较大的带宽，实际就是传输数据率。如果是64kbps，那么只能传输邮票大小的视频。带宽达到384kbps以上，就可以传输较为清晰的视频。当然，这里说的是一路视频的带宽，如果要传输多路视频和音频，要求的带宽要大得多。

（2）延迟。这里指的是端到端的延迟。许多人往往忽略对延迟特性的要求，人们往往更关注带宽。跨越网络的端到端延迟因素复杂，它包括编码和解码时间、发送时间、传播时间、缓冲时间和协议的介质访问时间。其中编码和解码时间，以及接收端缓冲时间是多媒体引入的。因为连续媒体的受众是人，而不是机器，人对视觉和听觉的感知是有特别的约束的。尤其是交互式多媒体应用中，例如可视电话和视频会议应用，视频和音频是双向的，视频和音频的传输支持用户的交互，因此对于延迟有严格的要求，端到端的延迟要求小于150ms。对于单向传输的多媒体应用来说，这个约束要宽松得多，例如视频点播应用。视频点播应用的端到端延迟可以是秒级，但是我们注意到，它受到以下抖动和时滞因素的约束。

（3）抖动和时滞。端到端的延迟约束还不够，对于时间特性的约束来说，还有抖动和时滞的约束。什么是抖动和时滞？是由于端到端传输延迟的变化而引起的。由于网络通路的复杂性，中间要经过路由器和不同的链路，甚至是不同的路径，每个数据包历经的延迟不一样，这就造成实际的数据包到达时间与理想的时间不一样。实际到达时间与理想到达时间的差就是抖动。我们把这些瞬间差称为抖动，而把这些差积累的平均值，称为时滞。抖动又可以划

分为媒体内抖动和媒体间抖动，前者指单个媒体传输中，相继数据包之间的间隔不均匀，造成画面或声音颤抖；后者是指两个媒体的对应数据包到达时间变化，后果可能是造成唇同步的丢失。时滞是平均差值，因此反映的是整体的偏差。时滞也分为媒体内时滞和媒体间时滞，媒体内时滞是针对单媒体的，表示一个媒体传输中，数据包整体超前或滞后，结果造成画面过快或过慢，声音的音调变高或变低；媒体间的时滞是指两个媒体中对应数据包的整体偏差，或超前或滞后，由此引起媒体间的同步完全丧失。

（4）差错控制。一般地，差错控制方法是采用检错和反馈重发方式，但是重发方式的差错控制不适合连续媒体的传输，因为重发数据包，一方面会影响数据包的循序，另一方面是影响媒体流的实时性，重发的数据包到达接收端的时候，时间太晚了，它之后的时间包已经播放，因此这种情况下，重发的数据包没有价值，除非重发的速度非常快，重发的数据包在它后面的数据包播放之前到达才有意义。那么，连续媒体流需要采用什么样的差错控制机制呢？幸好，对于多媒体数据来说，其携带的是视听感知信息，对于人来说，允许观看和聆听的数据有一定程度的差错。不同的媒体，差错容忍的程度不同。音频要比视频的容忍度低，压缩数据要比非压缩数据低。在差错容忍度范围内，传输的媒体数据可以不做差错控制。如果差错率较高，那么就需要一些特殊的差错控制方法，例如底层做差错检测后，让高层进行处理，缩短差错处理的整体时间；采用新的差错恢复和差错复原技术，在接收端尽量恢复原始数据或纠正错误。

（5）多播。在过去的网络技术中，就有多播协议，但是多媒体引入网络，给多播机制带来新的需求。因为多媒体数据量大，如果要把同样的多媒体数据传送给多个目的站，一个站一个站地传输，显然会占用大量的带宽，还不能实现实时同步传送媒体数据。而多播机制可以做得到，特别适合传输多媒体数据，尤其是大量的接收用户情况，例如视频会议系统、网络电视应用等。因此，多播能力的支持，是传输多媒体数据的一种重要特性。

这些特性要求用一组参数来描述和表达，就是服务质量QoS。支持多媒体传输就是要能够为应用提供其所需的QoS。在了解这些特性的问题的基础上，下面我们就容易分析出IPv6在哪些方面与多媒体传输有关了。

二、IPv6的特点与首部

在1990年，IETF开始了新版本IP协议建议的征集工作。1993年在IEEE Network杂志上发表了其中3篇较好的建议。后来，Deering和Francis提交的建议被采纳，经过综合和修改，被命名为IPv6。IPv6的主要目标是：

（1）重新设置地址空间，支持巨大数量的主机，为未来各种计算机设备联网打下基础；（2）减少路由表的大小，简化协议，使得路由器处理分组更快，减少传输延迟，减轻延迟抖动和时滞；

（3）比现有IP协议提供更好的安全性；

（4）更加注重服务类型，尤其是实时数据类型；

（5）改进多播能力，允许指定多播的范围；

（6）主机在漫游的时候，可以不改变地址，更好地支持移动计算；

（7）协议具有可扩展性；

（8）新的协议与现有协议可以共同运行。

从以上目标看，其中第（2）、（4）、（5）直接与多媒体传输有关。我们注意到，IPv6并不与IPv4兼容，但是它与其他相关的Internet协议兼容，这些协议包括TCP、UDP、ICMP、OSPF、BGP和DNS，但是可能需要做一些小的修改，大部分涉及到更大的地址空间方面的修改。这样有利于IPv6部署到现有网络中。

为了更好地理解IPv6如何支持多媒体，我们需要看一看它的数据包结构，如图1和2所示。其中的一些字段在其他文献中有解释，本文主要根据它包含的与多媒体相关的字段，从多个