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分布式多媒体及典型应用系统
多媒体技术与高速通信网络技术相结合产生了分布式多媒体技术这个新型边缘研究领域，分布式多媒体系统是指将多个分布在不同地点的多媒体终端、交换设备和多媒体服务器通过高速通信网络互连在一起并能够完成多媒体通信业务的系统，分布式多媒体系统也称为多媒体通信系统。
多媒体信息处理技术、分布式数据处理技术和多媒体计算机网络技术的迅速发展为分布式多媒体应用系统的实现奠定了良好的基础，分布式多媒体技术可以向用户提供多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体电子邮件、多媒体文档交换、计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、远程计算机辅助教学等多种多媒体综合信息服务。
8.1分布式系统概述
8.1 分布式系统概述
正是分布式数据处理技术、多媒体信息处理技术与高速网络技术取得了巨大成功才使分布式多媒体应用系统成为可能，因而分布式数据处理技术是分布式多媒体应用系统的基础。
分布式系统起源于局域网，但随着高速网络技术的不断发展，通过广域网组成高性能、智能化的大型分布式系统已经成为可能，特别是Internet的普及更进一步推动了分布式多媒体技术的发展。
分布式数据处理技术主要包括通信机制、资源管理、对象标识、安全保护、容错设计、服务种类等多个研究领域。
分布式系统有多种结构模式，客户/服务器模式和浏览/服务器模式就是其中被广泛采用的两种典型分布式系统，客户/服务器模式在局域网环境下具有独特的优势，而浏览/服务器模式在客户端仅安装一个浏览器软件就可以实现跨平台操作，因此浏览/服务器分布式系统更适用于Internet环境。
8.1.1 分布式系统概念与组成
多个计算机自治处理单元通过网络互连在一起协作完成一个总体任务的系统称为分布式系统，分布式系统中各个自治计算机通过网络交换信息才能共同完成同一项工作。
自治计算机拥有自己的处理器和存储器，自治计算机之间采用消息传递机制实现信息交换。
分布式系统由分布式硬件、分布式数据和分布式控制组成，分布式硬件指系统中的自治计算机和通信网络，分布式系统至少包含两个或两个以上的自治计算机，并通过通信网络互连以便协作共同完成某一任务。
分布式数据是指将数据划分为多个部分，存放在不同的自治计算机上。
数据分布的原则应当是存放在使用该数据的自治计算机上，同一组数据也可以分布在不同的自治计算机处理单元上，分布式数据能够提高数据的可用性和可靠性。
分布式控制是指管理与协调分布式系统中的各种物理资源和逻辑资源，物理资源可以是自治计算机中的各个部件和各种外围设备，逻辑资源通常指各种应用软件、系统软件、数据库、进程或文档。
只有通过分布式控制将分布式系统中的各种物理资源和逻辑资源进行统一管理与协调，分布式系统才能共同协作完成一个总体任务。
分布式控制在管理与协调各种资源时，应当尽可能将控制功能分散到各个自治计算机处理单元上，以保证自治计算机具有最大限度的自治性，同时还要保持适度的整体控制，以便能协调自治计算机的工作。
8.1.2 分布式系统的特点
根据分布式系统的组成和概念，分布式系统具有系统资源模块性、计算机处理单元的自治性、协作性、分布式系统的透明性、可扩展性等特点。
1.系统资源分布的模块性
分布式系统中的各种物理资源和逻辑资源分布在不同的自治计算机处理单元上，自治计算机又通过通信网络互连成一个整体。
系统资源分布的模块性保证了自治处理单元的高度自治性，同时也为分布式控制统一协调与调度各种资源共同协作完成总体任务提供了条件。
2. 计算机处理单元的自治性
在分布式系统中，一个复杂的任务要分解成多个子任务，这些子任务由各个计算机处理单元并行执行。
分布式系统中的处理单元在地位上是完全平等的，不是主从关系，计算机处理单元保持高度的自治性可以减小计算机之间的数据通信量。
3. 计算机处理单元的协作性
在分布式系统中，计算机处理单元不仅具有高度的自治性，而且处理单元之间还具有某种程度的关联，这种关联为自治计算机协同工作奠定了基础。
协作性是相对自治性而言的，自治计算机的协作性也是分布式系统全局控制的基础，自治计算机之间的自治性与协作性必须权衡考虑。
根据协作的不同程度，目前已开发出具有邮递能力和资源共享等多种分布式系统。
4. 分布式系统的透明性
分布式系统的透明性是指分布式系统中的任一用户看不到其他自治计算机的存在，分布式系统呈现在用户面前的就是一台计算机。
系统的透明性并不取决于分布式硬件，而是取决于分布式操作系统的高度整体性。
根据先进网络体系结构ANSA（AdvancedNetworkSystemArchitecture）观点，分布式系统应当具有下列透明性。
（1）访问透明性。
访问透明性指用户无论是访问本地计算机还是远程计算机，都应提供一致的操作。
（2）位置透明性。
位置透明性指用户在访问远程计算机时，不必知道远程计算机所在的物理位置。
（3）并发透明性。
并发透明性指多个用户或多个应用程序可以并发操作共享对象，各用户之间或应用程序之间不会产生相互干扰。
（4）复制透明性。
分布式系统容许数据的复制品分布在不同的自治计算机上，复制透明性指用户或应用程序感觉不到数据是复制品，数据复制品对用户或应用程序是完全透明的。
（5）故障透明性。
故障透明性反映了分布式系统的可靠性，当系统中的硬件或软件资源发生故障时，分布式系统具有故障检测和故障容错能力，不影响用户或应用程序的正常操作。
5. 分布式系统的可扩展性
可扩展性指分布式系统能够随着系统规模的变化自动伸缩，容许用户删除旧的资源，为系统配置新的资源，为系统性能逐步升级留有足够的空间。
采用开放系统体系结构，用户可以动态地添加、删除或修改任务。
8.2分布式多媒体系统
随着计算机网络技术、通信技术的高速发展，分布式系统的应用越来越广泛。
分布式多媒体系统的成功开发与应用，使得分布式系统更加多彩多姿，同时为多媒体技术表现其特有的迷人魅力提供了更为宽阔的舞台。
8.2.1分布式多媒体系统概念
尽管分布式多媒体系统的应用已经非常普遍，但是至今仍然没有给出一个统一的定义。
我们可以初步地认为，分布式多媒体系统是指能够实现多媒体功能的分布式系统。
分布式多媒体系统集计算机的交互性、网络通信的分布性、多媒体信息表示的综合性于一体，能够提供诸如多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体电子邮件、多媒体文档交换、计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、远程计算机辅助教学等多种服务。
8.2.2分布式多媒体系统的基本特征
分布式多媒体系统集分布式系统与多媒体系统于一身，除了具有分布式系统固有的特征之外，还具有以下非常典型的基本特征：
1. 媒体综合性
通常单一媒体的采集、存储、加工和传输都有自己的理论和技术。
分布式多媒体系统不仅能够处理单一媒体，还可以将多种媒体整合在一起，形成一个集音频、视频、文本于一体的完善的综合性系统，具有媒体综合性的特征，充分地发挥多媒体的优点，极大地提高了多媒体的应用效率，有效地拓宽了分布式系统的应用领域。
2. 时间依赖性
多媒体应用需要处理的数据中，音频和视频信息都属于时基媒体，需要系统实时地进行处理。
另外，分布式多媒体应用的交互性也给系统带来实时性的要求。
这种实时性要求体现在对端到端延迟、延迟抖动等指标必须符合一定的量化标准。
另外，各种媒体之间的同步问题也同样对分布式多媒体系统提出了严格的要求。
3. 数据突发性
由于多媒体数据都需要先压缩后再进行传输，而压缩后的数据流量与待压缩数据的序列有关，因此发生数据流量随时间发生变化的现象。
以MEPG视频压缩标准为例，压缩后的视频流由三种类型的帧组成：
I帧、P帧和B帧。
I帧为帧内压缩帧，数据量最大；P帧为前向预测压缩帧，数据量次之；B帧为双向预测压缩帧，数据量最小。
三种帧组成一定模式的图组（如IBBPBBPBBPBBI），再以图组为单位组成MPEG压缩视频流。
从整体上看，压缩视频流的数据量的变化与图组的模式相关，呈现一定的规律性。
但由于各个画面的压缩比不同，即使相同的帧类型，压缩后的数据量也相差很大，再加上场景变换、影片内容等因素的影响，其突发性更是难以预测。
8.2.3多媒体数据流对分布式系统性能的要求
由于分布式多媒体应用具有通信数据量大、数据传输实时性强、要求媒体内部和媒体之间严格同步、数据突发性强等特点，所以分布式多媒体对传输网络的性能有较高的要求。
通常，分布式多媒体应用要求传输网络具有较高的网络带宽、较小的网络传输延迟、较小的延迟抖动和较高的数据传输可靠性。
1. 分布式多媒体对网络性能的要求
（1）网络的吞吐量。
表8-1 多媒体应用的自然信息率和突发度
多媒体应用
压缩算法
自然信息率
突发度
相关说明
高清晰度电视HDTV
不压缩
2Gb/s
1~2
1920×1080，60帧/s，24位彩色
高清晰度电视HDTV
MPEG2
20~40Mb/s
1~2
1920×1080，60帧/s，24位彩色
演播室质量普通电视
不压缩
166Mb/s
2~3
720×576，25帧/s，16位彩色
演播室质量普通电视
MPEG2
6~8Mb/s
2~3
720×576，25帧/s，16位彩色
广播质量电视
MPEG2
3~6Mb/s
2~3
录象质量电视
MPEG1
1.4Mb/s
2~3
会议质量电视
H.261
128Kb/s
4~5
352×288，10帧/s，其中包括声音
普通话音
取决于压缩算法
32Kb/s，16Kb/s，4Kb/s
2
8KHz采样，8位量化，f=300Hz~3.4KHz
高质量话音
取决于压缩算法
48Kb/s~64Kb/s
2
16KHz采样，14位量化，F=50Hz~7KHz
CD质量音乐
MUSICAM或MPEG1
192Kb/s×2，128Kb/s×2
2
44.1KHz采样，16位量化，f=20Hz~20KHz
环绕立体声
AC-3
320Kb/s×2
2
48KHz采样，22位量化，f=20Hz~20KHz
吞吐量是指通信网络单位时间内传输的二进制位数，吞吐量也称为带宽、比特率或数据传输速率。
带宽从字面意义上讲，指的是信号处理中的频率范围，计算机网络仅是借用了带宽这个术语来表示通信网络传输数据的快慢，这里的带宽是指网络的吞吐量，吞吐量描述了通信网络在传输数据时的快慢。
不同的多媒体应用对网络的吞吐量有不同的要求，这是因为不同的多媒体应用具有不同的自然信息率。
自然信息率描述了分布式多媒体应用的特征，自然信息率是在不考虑通信网络影响的条件下，信息源产生信息的速率。
自然信息率的大小与所使用的编码和压缩算法相关，如果自然信息率是恒定的，一般称为恒比特率CBR（ConstantBitRate），如果自然信息率是变化的，则称为变比特率VBR（VariableBitRate）。
衡量自然信息率发生突变的量称为突发度B（Burstness），突发度定义为B=PBR/MBR，其中MBR（MeanBitRate）为整个会话（Session）期间的平均比特率，PBR（PeakBitRate）是在预先设定的某个持续时间内的峰值比特率。
突发度B越大，网络资源的利用率就越低，为了满足分布式多媒体应用的需求，通常要求网络的吞吐量应大于或等于平均比特率MBR。
表8-1给出了不同多媒体应用的自然信息率和突发度，可以看出，实时传输动态图像对网络的吞吐量要求最高。
（2）网络的传输延迟。
网络的传输延迟定义为信源发出第一位比特到信宿接收到该比特之间的时间差，传输延迟包括信号在物理介质中的传播时间和信号在网络中的处理时间。
如果从信源终端已准备好发送数据开始计时，将信宿终端接收到数据的时间差称为端到端延迟时间，端到端延迟时间由信源终端已准备好需等待网络接收数据的时间、信源终端发送数据的时间和网络传输延迟时间三部分组成。
对于实时会话应用，网络的传输延迟时间应小于250ms，对于多媒体信息检索与查询应用，系统对用户的响应时间不应超过1~2s，而对于常规的存储或记录设备，对网络的传输延迟时间一般没有特别的要求。
表8-2 常用多媒体应用对网络延时抖动的要求
多媒体应用
最大网络延时抖动
多媒体应用
最大网络延时抖动
CD质量音乐
100ms
广播质量电视
100ms
电话质量语音
400ms
会议质量电视
400ms
高清晰度电视HDTV
50ms
虚拟现实
30ms
（3）网络的延时抖动。
网络传输延迟时间的变化称为网络的延时抖动（Delayjitter），延时抖动通常采用在一次会话过程中最长和最短传输延迟时间差来表示。
延时抖动会严重破坏多媒体的同步，如果在网络中传输连续数字化声音采样值或连续图像的各帧所用的时间差别较大，也就是说，如果网络的延时抖动过大，听到的声音就有断续或变调的感觉，图像同样也会停顿或跳跃。
但一般人耳对声音的变化比较敏感，所以实时传输声音要比实时传输图像对网络的延时抖动要求更严格，延时抖动对传输文本、图形等静态媒体不产生影响。
在网络终端采用大容量缓冲器能够在一定程度上对延时抖动进行适当补偿，但这种方法是以牺牲端到端延迟时间为代价的，不同多媒体应用对网络的延时抖动要求也不同，表8-2给出了缓冲器补偿前常用多媒体应用对网络延时抖动的要求。
（4）数据传输误码率。
根据传输系统中传输数据的类型，数据传输误码率有不同的度量方法，常用的数据传输误码率主要有比特出错率、包出错率和包丢失率。
比特出错率BER（BitErrorRate）是指数据在传输过程中出错的位数与数据的总位数之比，比特出错率是传输介质的重要技术指标，光纤电缆的比特出错率一般在10-9~10-12之间。
包出错率PER（PacketErrorRate）是指数据包在传输过程中由于包丢失、包次序颠倒或同一个包接收了两次以上等现象而导致的数据包错误。
数据包头信息错误或网络过于阻塞等都是导致包丢失的重要原因，网络阻塞常常引起数据包传输延迟时间过长，当传输延迟时间超过了规定的上限，接收端将舍弃该数据包。
包丢失率PLR（PacketLossRate）也称为信元丢失率CLR（CellLossRate），包丢失率的意义与包出错率类似，但包丢失率只关心数据包在传输过程中的丢失概率，而不关心数据包在传输过程中的其他错误。
多媒体应用对数据传输误码率的要求不象其他网络性能指标那么严格，但压缩数据传输误码率会对多媒体播放质量产生严重影响。
数据传输对误码率的要求则不同于声音或图像，如股市交易、银行转帐、电子商务等应用不容许出现任何差错，在这种情况下必须采用检错、纠错和自动重发请求ARQ（AutomaticRepeatRequest）协议确保数据传输误码率为零，表8-3给出了常见多媒体应用容许的最大比特出错率。
表8-3 常见多媒体应用的最大比特出错率
多媒体应用
最大比特出错率BER
多媒体应用
最大比特出错率BER
未压缩CD质量音乐
10-3
压缩广播质量电视
10-9
电话质量语音
10-2
压缩会议质量电视
10-8
压缩CD质量音乐
10-4
压缩高清晰度电视HDTV
10-10
2. 分布式多媒体对网络传播方式的要求
（1）单向与双向网络。
信息只能向一个方向传输的网络称为单向网络，而信息可以在终端与服务器之间或终端与终端之间双向传输的网络称为双向网络。
例如，普通的有线电视网络CATV（CommunityAntennaTV）就是一个典型的单向网络，以有线电视网络为基础改造而成的交互式混合光纤宽带网络HFC（HybridFiberCoaxial-cable）就变成了一个典型的双向网络。
如果双向网络上下通信信道的带宽相同，则称为双向对称信道，如果双向网络上下通信信道的带宽不同，就称为双向不对称信道。
交互式混合光纤宽带网络的上行信道与下行信道就是非对称的，下行信道有大量的电视节目和用户获取的数据需要传输，而上行信道只传输一些简单命令或用户请求的信息，所以上行信道的带宽应小于下行信道的带宽。
交互性是分布式多媒体应用的重要特征，因而只有双向网络才能满足分布式多媒体应用的需求。
（2）单播、广播与组播通信方式。
网络上节点到节点之间的信息传输方式叫做单播通信（Unicast），信息从网络上的某个节点向所有其他节点传输的通信方式就称为广播通信（Broadcast），如果信息可以从网络上的某个节点向多个指定节点传输则称为组播通信或多点通信（Multicast）。
在组播通信方式下，信源节点需要同多个信宿节点建立通信联系，然后将同一个信息分别发送到多个指定的信道上。
如果在网络上传输多个信息拷贝，必然会加重网络负担，进而导致网络拥塞，如果网络中的节点能够复制信源节点发送的信息，并按照信源节点的要求将复制的信息发送到指定信宿节点，这种复制信息的传输方式称为多点路由功能。
组播通信方式都要求具有多点路由功能，以减少网络中的数据传输量，组播通信方式的多点路由功能如图8-1所示。
不同多媒体应用对通信网络的功能要求不同，例如可视电话要求通信网络具有双向对称单播通信功能，多媒体信息查询与检索则要求通信网络具有双向非对称单播通信功能，高清晰度数字电视广播要求交互式混合光纤宽带网络应具有双向非对称广播通信功能，支持分布式多媒体综合应用的通信网络则必须具有单播、广播与组播通信功能。
8.3 分布式多媒体服务质量管理
服务质量QoS（QualityofService）是用户对某种服务的满意程度，用户对分布式多媒体应用都会有一定的服务质量要求。
通信网络的吞吐量、传输延迟时间、延时抖动和数据传输误码率等技术指标都会直接影响分布式多媒体应用的服务质量，因此服务质量是多媒体传输网络的一个重要概念。
服务质量管理分静态资源管理和动态资源管理，静态资源管理是指按照通信建立时约定的QoS参数对网络资源进行的管理，动态资源管理则是指在业务流传送过程中对资源进行的管理。
8.3.1 服务质量管理概述
在传统的通信网络中一般没有涉及服务质量QoS的概念，这是因为传统的通信网络都是针对专项业务的要求设计的，服务质量自然能够得到保障。
但在宽带综合业务数字网B-ISDN提出来以后，要求在同一个通信网上支持多种业务，不同业务对网络的性能指标有不同的要求。
为了保证服务质量，在数据传输之前就应当将某项业务对网络性能的特定要求通知给网络，对网络性能的要求实际上描述了这项业务对网络资源的需求情况，网络就可以将用户提交的QoS要求作为对网络内部共享资源管理的依据。
如果当前网络资源不能满足用户的QoS要求，网络将不接纳这个呼叫请求，如果接纳这个新的呼叫请求就会剥夺正在服务的网络资源，不得不降低当前业务的服务质量。
网络要是接纳用户的呼叫请求，就应当在整个会话期间保障用户提出的QoS要求。
为了保障用户提出的QoS要求，网络必须为业务预留资源，并在通信期间不断监控和调整资源的分配。
当资源不能满足用户的QoS要求时，就应当通知相关用户并终止通信过程，通过对可利用的网络资源进行配置来实现服务质量的保障机制就是服务质量管理。
ITU-T将QoS定义为决定用户对服务满意程度的一组服务性能参数，通信网络的吞吐量、传输延迟时间、延时抖动和数据传输误码率就是常用的QoS参数。
QoS参数可以用多种方式来描述，确定型和统计型是最常用的两种描述方法。
确定型描述方法：
QoS_Parameter≤Upper_bound
QoS_Parameter≥Upper_bound
统计型描述方法：
Prob[QoS_Parameter≤Upper_bound]≥Prob_bound
Prob[QoS_Parameter≥Lower_bound]≥Prob_bound
与QoS参数描述方法类似，通信网络对QoS保障也有确定型QoS承诺和统计型QoS承诺两种。
确定型承诺（Deterministic）能够确保通信双方协商好的QoS参数不发生变化，诸如远程医疗诊断就应当由确定型QoS承诺来确保实时影像数据无差错传送。
统计型（Statistical）QoS承诺容许通信各方协商好的QoS参数值有一定的违约范围。
目前只有少数通信网络能够实现或部分实现服务质量管理，多数网络只容许用户说明对QoS的要求，但不承诺一定满足用户的QoS要求。
例如，应用广泛的IP协议只容许用户在分组头部中的服务类型域对QoS进行简单的优先级说明，而不能对QoS进行严格的定量描述，而且下层网络协议也不提供任何QoS保障。
有些网络虽然提供了QoS保障，但QoS保障都是静态的，双方在通信以前一旦协商好QoS参数，在通信过程中就不能对QoS参数进行动态修改，除非拆除当前链接后重新设定QoS参数。
此外，多数网络在会话期间一旦不能继续保障协商好的QoS参数时，服务提供方不通知用户就单方面撤消通信链接，用户不能获得低一级的QoS保障。
目前多数网络的QoS管理机制还不能满足分布式多媒体应用的需求，QoS管理机制目前尚处于研究和发展阶段。
8.3.2 服务质量管理规范
服务质量管理规范主要用来说明多媒体应用所要求的服务质量等级，主要包括QoS参数描述和QoS管理策略。
1. 服务质量参数描述
服务质量除了使用确定型和统计型两种定量描述方法之外，还可以使用服务等级定性描述方法。
在QoS体系结构中，每个层次都有自己的QoS参数和QoS管理机制，正如开放系统互连OSI（OpenSystemInterconnection）
的7层参考模型一样，上一层对下一层提出QoS要求，而下一层QoS管理对上一层提供服务。
不同层次的QoS管理统一协调工作，才能满足用户在应用层对QoS的要求。
直到目前为止，国际上还没有一个支持端到端的完整QoS体系结构标准，对QoS体系结构定义、层次划分和各层次QoS参数定义仍在研究之中。
图8-2给出了一个简单的QoS体系结构分层模型，其中网络层包括传输网络和多媒体输入输出设备，系统层包括通信服务和操作系统，应用层不向其他各层提供服务，只满足用户的多媒体应用需求。
用户只关心应用层上的QoS参数，例如图像分辨率和同步质量等，用户通过交互界面对多媒体应用系统提出QoS参数要求，系统层的QoS参数则是为满足应用层服务质量对通信服务系统提出的QoS要求。
只有系统层提供了视频与音频内部及相互之间的同步QoS保障，用户才能看到一部高质量的影片，网络层的QoS参数则是对传输网络和多媒体设备提出的质量要求。
2. 服务质量管理策略
当通信双方约定的服务质量不能保证时，管理策略可以对QoS进行自适应调整。
在通信过程中，由于各种原因有可能使通信各方所约定的服务质量得不到保障。
例如，网络流量突然增大使网络不能按照原来的约定向用户提供足够的带宽，在用户可以容忍的前提下，适当降低原来约定的服务质量以适应当前可利用的带宽资源也许比撤消服务更好一些。
例如，通过降低图像分辨率适应当前带宽并不会过多地影响图像质量，用户看到的画面只是比约定的小一些而以。
这种在通信过程中动态调整QoS参数称为QoS缩放（QoSScaling），服务质量管理策略规定了在约定的QoS质量被破坏时，QoS质量下降可以容忍的限度和应当采取的QoS缩放措施。
8.3.3 服务质量静态资源管理
静态媒体和连续媒体是分布式多媒体应用系统处理的两大媒体，连续媒体具有很强的实时性，在传送连续媒体数据时，不仅要保持同一媒体内部的连续性，还要保持不同媒体间的同步，因此连续媒体是分布式
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