实时多媒体业务性能监测分析系统

实时多媒体业务性能监测分析系统

1）涉及技术的国内外现状分析

2010年7月2日，经国务院三网融合工作协调小组审议批准，确定了第一批三网融合试点地区（城市）名单，这标志着三网融合试点工作正式启动，实时多媒体业务将更为广泛地流行。现在，实时多媒体技术已经用于互联网多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网的信息服务的方方面面。多媒体技术的应用将为网络信息交流带来革命性的变化，将对人们的工作和生活产生深远影响。 实时多媒体业务对网络的时延、抖动以及丢包率等性能指标都有较高的要求，即有较高的服务质量QoS（Quality of Service）需求。为了实现实时多媒体传输的高性能、高稳定和可管理等特性，就需要了解传输网络及业务的各种性能，包括丢包率、网络排队延迟、网络可用带宽等。因此，实时多媒体业务监测及其关键技术的研究对于保证实时多媒体传输的工作可靠和高效运行有着非常重要的意义。

目前市场上有一些IP网络性能测量产品，但大部分仅限于对网络层的性能指标进行测量，测量结果为网络或链路的性能，对具体业务，尤其是实时多媒体业务的性能，缺乏有效测量手段。用户和网络运营商更关注的是某具体业务的性能，而网络或链路的性能并不能完全代表具体业务的性能，因而难以准确发现性能瓶颈或定位故障原因。目前在IPTV以及VoIP测量领域处于领先地位的公司是Telchemy、IXIA、IneoQuest，都是国外公司，国内公司的类似产品很少。 本项目基于课题组已授权的专利发明“基于实时传输协议的端到端网络测量方法”和前期承担国家863计划项目、国家发改委CNGI项目的丰富技术积累和成果，结合合作单位北京泛网信息技术有限公司丰富的产业化经验，设计并研制 “实时多媒体业务性能测量分析系统”。该系统能提供针对实时多媒体业务（IPTV、VoIP、视频会议应用等）的性能测量，并对测量的多媒体业务的性能数据进行分析，以便对业务设计指标进行验证、定位性能瓶颈、查找故障原因等，为多媒体业务的部署、开通、运行提供帮助，帮助各大电信运营商和网络运营商对IP通信网络进行高质量建设和运维，促进网络建设更好地服务于人们的工作和生活，进而促进社会经济发展。

2）涉及技术的产业链分析

网络的服务质量是电信运营商核心竞争力的关键组成部分。该系统能给多媒体业务提供商和运营商带来如下好处，其间接经济效益无法估算： 推动实时多媒体业务部署和发展

通过使用先进的实时多媒体应用监测分析系统对多媒体业务（IPTV、VOIP和视频会议应用等）的性能进行分析，并与网络层的性能测量指标相结合，能够提供性能瓶颈、故障的辅助定位及分析，能为运营商在多媒体业务的部署、开通、运行时提供帮助，从而进一步促进多媒体业务提供商的发展。 增加网络提供商效益

通过先进的实时多媒体应用监测分析系统，可以方便客户对实时多媒体应用使用网络资源及其性能情况进行全方位的分析与了解，确保电信公司提供的网络服务能够满足客户的需求。该系统使得运营公司能了解客户的网络和实时多媒体应用实际运行情况，并根据这些信息向用户推荐合理的网络资源，比如当客户租用的资源不足时，电信公司可以向用户提出合理化建议，让客户定购更多的网络资源。这些都是增加电信收益的有力手段； 降低运营者成本

通过实时多媒体应用监测分析系统，可以了解影响网络和多媒体业务性能的瓶颈区域和瓶颈链路的位置，这样，在进行网络扩容时，不需要对网络整体进行大规模扩建，而仅需逐步对影响网络和业务性能的瓶颈区域和链路进行扩容改造，从而减少了电信运营商的网络投资，降低了扩容成本。

另外，通过实时多媒体应用监测分析系统，可以在网络和业务发生性能恶化时，及时地通知网络运维人员，并给出相应的故障可能和处理意见，电信运营商能够迅速地做出响应，提高故障处理效率，降低运维成本，减少没有必要的信誉和业务损失。

电信市场正在成为一个激烈竞争的市场，电信市场在最近十多年以来发生的巨大变化，呈现出一些新的特点：运营网络融合；业务融合；电信市场的开放，大量新运营商的出现等。在不断变化的网络技术和多厂商的网络基础设施的现实条件下，电信运营商要获得并保持市场份额，必须能够灵活地满足网络运营

的要求，实现对多业务、多厂商、多技术的运维操作功能；赶在竞争对手之前不断地推出新业务；提高工作效率，降低工作成本。本技术转化产品能满足网络运营商的在实时多媒体业务方面的需求，而且能提高通信用户的服务质量，节约社会成本，从而发挥其巨大的社会效益。 3）市场分析（说明市场容量）

本系统的核心技术基于已授权专利，市场受技术壁垒保护。

本研究成果转化产品的主要客户是电信运营商和专网用户， 作为产业化过程中最重要的市场规模预测，分析如下：

国内市场主要集中在网络运营商NP，包括中国电信、中国移动、中国联通，这些电信运营商的网络延伸到整个国家的每一个省市。一个省电信运营商的实时多媒体应用监测分析系统相关投入按照50万计算，30个省份，约有1.5亿的市场规模。除了每个省中心部署之外，在人口和业务比较多的市级运营商处也有相应的部署，比如广东省，网络规模非常庞大，因此还需要在市一级的网络进行部署。此外实时多媒体应用监测分析系统还可以作为现有IP网网络管理系统的系统扩展部分，总市场规模约2亿左右。按5%的市场占有率计算，直接经济效益为1000万元。

4）涉及技术的前期/现有基础

申请人所在的北京邮电大学网络技术研究院网络与交换技术国家重点实验室宽带网研究中心是北京邮电大学国家重点实验室的六个研究中心之一，也是北京邮电大学国家“ 211 工程”“互联网性能与服务质量”研究方向的建设依托单位。自 90 年代初起一直从事宽带通信网与互联网领域的基本理论和应用技术的研究与开发工作，在网络体系结构、QoS控制与管理策略、无线局域网QoS性能分析和改进、互联网流量控制和拥塞控制机制和算法、组播路由算法和协议的改进等方面进行了大量深入的研究工作，形成了自己的特色，其中，下一代互联网服务质量基础理论及方法成果还获2004年度中国通信学会科学技术奖二等奖。

近年来，宽带网研究中心在下一代互联网的体系结构和服务质量基础理论方面中进行了深入细致的研究，长期从事IP网络的基础研究和开发工作，取得了一批重要的研究成果，进来近年来中心承担的主要研究项目有：

国家自然科学基金网络与信息安全重大研究计划重点项目“移动互联网服务质量控制工程学的研究 ( No. 90204003 )”， 经费50万元，（2003－2005）。 国家八六三重大项目“电信级统一IP QoS体系架构和实施方案的研究 ( 2003AA121220 )”，通过863主题专家组验收（Ab），经费200万元，（2003－2004）。

教育部优秀青年教师资助计划“新一代互联网SLA管理和QoS控制的闭环体系研究”， 经费10万元，（2003－2004）。

国家发改委CNGI项目“CNGI Qos机制和组网关键技术及实施方案的研究及应用试验（CNGI-04-13-1T）”，经费1200万元，（2005－2006）

国家863计划项目“新一代互联网测量体系结构和测量关键技术的研究”（2002AA103063），经费30万元，（2002－ 2004）；

国家863课题“3Tnet业务监测”（2002AA103011-10），2005-2007，30万。 国家发改委CNGI项目“面向下一代互联网的网络测量分析平台和工具开发及应用实验”子课题（CNGI-04-8-1D），2005-2006，100万。

国家863课题“面向自组织网络的安全接入、认证、服务质量控制和监测技术”（2006AA01Z235），2006-2009，85万。

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“新一代互联网体系结构理论研究项目 之 新一代互联网服务模型和服务管理理论课题 (2003CB314806)”， 经费200余万元，（2003－2008）。

国家自然科学基金项目“新一代移动互联网激励一致性的自适应QoS机制研究（No.60472067）”，经费23万元，（2005 － 2007）。

国家863计划项目“广义上下文感知的自治化网络体系结构模型的研究”（2007AA01Z206），经费100万元，（2007 － 2009）；

国家863计划项目“支持泛在、异构的移动性管理技术”（2006AA01Z229），经费100万元，（2006 － 2008）；

国家863计划项目“可扩展认知网络的服务质量保障关键技术研究”（2009AA01Z210），申请经费80万元，（2009 － 2010）；

国家863计划项目“身份与位置分离的新型路由关键技术与实验系统”（2009AA01Z250），申请经费400万元，（2009 － 2010）；

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“异构接入的非连接网络实时服务质量研究”（2009CB320504），经费276万元，（2009 － 2011）；

通过上述项目的长期研究工作，我们在网络体系结构模型分析、网络或服务自适应感知和控制管理、互联网QoS、IP业务网管、IP测量、IP安全等技术方面取得了一些可喜的成果，具有很强的研究基础和开发实力，积累了宝贵的前期基础和试验经验，具备从事技术转化产品的开发和产业化能力。

主要要达到的技术指标

在本成果转化课题中，将通过对典型多媒体业务(VoIP、IPTV)的研究，开发反映各自业务性能的测量指标及其相应的测量方法，其中： VOIP业务包括： VoIP单向网络时延； VoIP单向时延抖动最大值； VoIP单向RFC1889时延抖动； VoIP单向丢包率；

VoIP单向连续最大丢包数等； IPTV业务包括： IPTV单向网络时延；

IPTV单向RFC1889时延抖动； IPTV单向丢包率；

IPTV单向连续最大丢包数。

后续工作

测试和测量是网络运营和设备研制的重要组成部分。随着近年来IP网上实时多媒体业务的迅速发展，为了保证下一代网和核心承载平台IP网的健康、可靠和高效运行，迫切需要实时多媒体业务性能测量工具。本项目研究网络和实时多

媒体业务测量技术、测量体系结构及其协议，并在此基础上开发实时多媒体业务性能测量系统，以满足服务提供商和网管人员对网络和业务性能进行实时检测与预报、对故障进行诊断和定位的需要。

本项目目标是开发一种开放式、易扩展的实时多媒体应用监测分析系统。该系统能实现测量任务分发、任务调度、测量结果汇总等功能。由于要提供实时多媒体业务的监测分析功能，因此要求系统具有很高的实用性，系统特点如下： 测量准确、可靠，健壮性好，测量速度快，对网络产生的负荷小。可实时监测和分析实时多媒体业务真实的性能情况。

测量结果展现方式丰富多样，包括区域图、折线图、点图以及表格，生动而直观。对于历史数据能以多种时间单位的曲线图方式表现业务及网络性能情况。 支持用户端的浏览器模式，降低培训和维护成本。执行测量时，配置应简单，测量Agent的布署不受地域的限制。 系统总体结构图如图1所示：

图1：实时多媒体应用监测分析系统总体结构图

其中，针对IPTV应用，系统中将存在服务器端测量代理和客户端测量代理，服务器端测量代理运行于媒体服务器中，客户端测量代理运行于业务端系统中；VoIP应用中每个端系统都运行客户端测量代理。 本项目主要研发内容如下：

定义实时多媒体应用性能评估方法

重点解决实时多媒体应用性能指标的定义以及如何运用性能测量结果的问题。本项目将结合应用层与网络层的性能测量指标，以便准确提供性能瓶颈、故障的辅助定位及分析。

本项目在分析研究IETF和ITU-T建议的基础上，定义一组IP网性能指标集合和实时多媒体应用性能指标集合，并进一步提出一套对多媒体应用性能整体性能进行评估的方法。

网络层是各种应用业务的基础，此层的性能测量指标将主要包括：单向时延、单向时延抖动、单向丢包率、双向时延、双向时延抖动、双向丢包率、可用带宽、瓶颈带宽等。

在应用层，将针对具体的多媒体应用进行研究，开发反映各自业务性能的测量指标，本项目针对典型多媒体应用VoIP和IPTV进行开发。其中，VoIP业务性能指标主要包括：VoIP单向网络时延、VoIP单向时延抖动最大值、VoIP单向时延抖动、VoIP单向丢包率、VoIP单向连续最大丢包数、MOS值评定等。IPTV业务性能指标应包括最大时延抖动、吞吐率、丢包率等。 设计网络层和实时多媒体应用性能测量方法和算法 重点解决实时多媒体性能参数获取的问题。

实时传输协议RTP（Real-time Transport Protocol）和实时传输控制协议RTCP（Real-time Transport Control Protocol）是Internet上多媒体业务主要相关协议。

目前的RTP协议本身并不测量网络各项参数，也不能对流媒体数据的传输实现控制和管理，而是由与其协作的RTCP协议对网络状况进行测量，并以此为依据对流媒体传输进行管理。

在RTP会话期间，各个参与者周期性地传送RTCP包，把它最近的接收情况报告给所有发送者，这些信息包括所接收到数据包的最大顺序号、丢失的包数、乱序包的数目以及用于估计传输时延的时标信息。发送方根据这些信息所反映的网络状况调整它们的发送速率。

所以，现有RTP协议的测量方法决定了其数据包的内容和发送频度都无法根据网络测量的要求实现动态改变，它只能通过统计数据包的丢失状况来对网络性

能进行推测，即其只能测量丢包率，限制了测量范围；它不能对网络可用带宽等性能参数进行有效的监测，而这些参数对于多媒体应用的传输和管理有着重要意义。

本项目基于已授权专利，对IPTV或IPTV业务的测量采用业内普遍采用的端到端的主动测量技术，测量发起方将封装好的IPTV或VoIP业务的数据包注入待测网络中来对网络和业务性能进行实时的监测。发送端将媒体数据流和测量数据流在同一连接中混合传输，接收端收到混合数据流后，先根据每个RTP数据包中的报文头里的负载类型PT区分开媒体数据和测量数据，再根据该RTP数据包中的报文头里的同步源SSRC对不同来源的测量数据分别进行统计、分析处理，得到业务相关性能测量结果。测量原理如图2所示：

媒体数据源1媒体数据源2...媒体数据处理1媒体数据处理2...发送端混合数据接收端测试数据源1测试数据源2...测试数据处理1测试数据处理2...

图2：实时多媒体业务测量原理图

此外，本项目将对网络层、VoIP和IPTV业务中各项性能指标的具体测量算法方法进行设计和开发。

研制独立于具体测量模块和测量目标的应用监测系统平台

需要解决定义哪些测量实体、如何选择测量点，测量实体的功能以及相互之间如何分工协作等一系列问题。

集中式的测量模型将使测量服务器成为瓶颈，且扩展性不好。本项目采用了分布式的测量体系结构，开放性和可扩展性好。本项目系统体系结构分为监测服务器(Measurement Server)和监测代理(Measurement Node)两个功能模块。由

监测服务器集中管理分布在网络中的多个监测代理。

监测服务器集中管理测量任务、用户和测量数据。通过监测服务器对所有下发任务进行集中的管理和调度，然后通知监测代理向被测网络中主动注入测量数据包来展开测量，监测代理之间采用协作方式工作。 图3为本项目的监测系统所采用的体系结构。 Measurement Node B Database Accessor Server Scheduler Task Dispatcher Report Collector 图3 测量系统体系结构 Node scheduler Node scheduler 这种分布式的体系结构，简化了监测代理在网络中的部署工作，为监测系统提供了良好的扩展性。 Slave Master 4：研制实时多媒体业务性能监测和分析模块 Meausrement Measurement Measurement Meausrement Measurement Measurement 完成系统的需求分析、总体结构、详细设计、实现和测试等内容，包括模块功Entity Log Manager Results Reporter Entity Log Manager Results Reporter 能划分、关键数据结构和关键处理流程设计。基于系统的分层结构和分布式需求，系统计划采用基于CORBA的分布式技术 ，采用浏览器/服务器模式（B/S模式），使用面向对象思想进行需求分析、设计和开发。 需要的支持

本技术转化项目不涉及大规模的固定资产投资，项目实施的主要工作是软件系统的开发和系统的现场试验。项目建设实施的地点和设备将充分利用项目承担单位和合作单位的基础设施，在此基础上进行必要的补充。

项目的投资主要包括设备采购和项目研发费，其中设备采购费用主要包括软件研发和测试所需的网络或计算机硬件设备（服务器、网络设备、台式机、测试设备）和软件等，估算以目前互联网应用及计算机网络设备市场价格为依据，预计为100万元。项目开发费为开发人员劳务费、差旅费、场地租赁费、水电费、系统测试、试验和验收等费用以及在项目研发、测试和试验过程中涉及的

租赁/维护费用，预计费用为170万元，需要的项目总经费为270万元。