千兆位网络应用需求状况分析

一、传统应用的需求
目前已有多种构造千兆位速率网络的方法。但应用需求情况如何呢?
首先,我们分析哪些应用需要千兆位网络。在传统应用中,除了交互服务和网络文件系统 外,网络数据传输应用对于带宽和时延的变化相对而言不太敏感。相反,电话网络上的应用却 对这些变化相当敏感。像传输控制协议(TCP)能够识别并动态适应网络时延的改变与可用带 宽,电子函件和文件传送则利用TCP提供的网络服务,并适应提供给它们的带宽。为此,很少有 人关心一个文件传送的快慢,只是有些应用会受益于更高的带宽而已。 然而,交互服务,如远程登录和X-Windows这样的远程图形服务,则可从更高带宽中获得好 处。交互服务中,典型的传送包括用户击键的小报文,其从高带宽中获得的好处主要是减少了 来自大报文的干扰。这是因为高速网络可以在更短的时间内传送那些大报文。对于图形用户 界面,当屏幕刷新时(往往是将一屏的位信号数据送到网络上),这种带宽密集型的传输则能很 快完成。 另一类受益于高带宽服务的应用是像网络文件系统(NFS)这样的分布式文件系统。分布 式文件系统使一个网络系统能够像处理自己磁盘上的文件一样处理位于另一系统磁盘上的文件。 实际保存有文件的系统被称为文件服务器,提出存取文件的系统称为客户机。从原理上
讲,分布式文件系统的工作方式就是客户机要求得到文件服务器上文件的块信息,而文件服务 器则送出所要求的信息。文件块相对而言都比较长(一般是几千个位),所以,高带宽能够改善 性能。例如,在10Mb/s的以太网上传输8Kb的磁盘块需用0.8ms,从磁盘上读取该块平均需用时 间的一半,但如果网络的带宽为1千兆位,则8Kb仅需8μs。之所以考虑时间问题,是因为在大 多数情况下,客户机上的应用程序都是处于等待读出文件块的状态,所以,客户机上应用程序 的性能极大地依赖于文件服务器提供文件块速度的快慢。高网络带宽减少了从服务器获取数 据的时间,因而提高了客户机的性能。
文件服务器及客户机的性能问题是具有代表性的问题。当计算系统变得更快的时候,其外围设备也必须随之变快。 Amdahl法则告诉我们,微处理器每个指令周期大约需要一个位的
I/O信息。而微处理器很快将具有1ns或更短的指令周期间,这就意味着I/O的速率需达到1G/ s。也许另一个理由更具有说服力,那就是这些高速微处理器每个指令将处理64～128位的信息(包括指令和数据),所以,它们每秒将处理高达128Gb的数据。对于这样的系统,其网络连接 的带宽起码需要千兆位。

二、分布式计算和交互式分布应用的需求
一般而言,新型应用所需要的千兆位网络必须是高带宽及低响应时间,以使系统有效地工 作。对分布式计算,需要计算机之间具有很好的网络性能;而交互式分布应用,其目的是在短时间内及时地将大量的信息传送给用户。

1.分布式计算应用
计算机在速度不断提高的同时变得更为专用。这种专用化特别表现在超级计算机和多处 理器这样的高端计算机系统上,如有些系统擅长于向量处理,有些系统则擅长于并行处理或图形处理。 许多有趣的计算问题可以被分割成在不同系统上分别处理,以获得更好性能的子问题。 例如,一个问题可能包括两步,第一步适于在向量处理机系统上处理,但第二步则在高度并行 系统上能得到很好的处理。在处理过程中,大量的数据通常需要存放在不同的系统内,通过千 兆位网络在不同系统之间快速地移动数据,这有助于改善总体处理的性能。
例如化工厂内设备负荷的分配问题。解决问题的目的是使工厂内的昂贵设备得到充分利 用,应用软件应能更快地将合适的工作安排到各种设备上。这一问题包含两个部分:首先,必须计算出某件工作在不同设备上进行操作的开销矩阵;然后,基于这个开销矩阵,找出该工作的最优分配。事实证明,向量处理系统最适合于计算开销矩阵,而并行系统则更适合于寻找最
优分配。卡内基-梅隆的研究人员对此进行了实验。他们用一台Cray Y-MP机进行开销矩阵的 计算,用一台Connection Machine 2(CM-2)来寻找最优分配。在两台计算机之间用800 Mb/的 HIPPI连接,以传输大型开销矩阵。该应用主要是单向数据传输,即数据从Cray传输到CM-。因为网络传送一个位所需要的时间远远大于这些高速机器的指令周期,如果协同系统不得不花费很多时间用于等待从其它系统接收数据的话,那么,计算时间的改善就没有太大的意义。
虽然网络存在时延,但有时利用网络将多个高性能系统连接成一个更大的并行处理系统 也是很有意义的。例如,加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员正在研究大气层与海 洋之间需要交互作用的并行模型,这个模型用于模拟几十年的交互作用。在该模拟中,一台超 级计算机(CM-2)模拟海洋,另一台超级计算机模拟大气层的行为,并且两个模拟之间需要交换
大气层-海洋的边界状态信息。两个模拟器(海洋和大气层)的模拟时间单位大约都是100ms在 进行下一模拟周期之前必须交换的边界状态信息的数据量约为5～10MB。为了保持模拟持续 有效地运行,必须使模拟器之间传输这些兆级数据的时间很短。在10Mb/s的以太网上,传输需要几秒时间,与100ms的计算周期相比则显得很长。而千兆位网络则能在不到100ms的时间内传输这些数据,这样,传输时间才与计算时间相一致。 这些新应用的基本特点就是对高带宽的需求。化工厂分析性能的有效提高依赖于将开销 矩阵快速地从Cray Y-MP传送到CM-2;而分布式天气模型应用则需要高带宽以合理的时间在系
统间传送状态信息。

2.分布式交互应用
许多千兆位应用都涉及到与人的实时交互问题。从应用的角度看,人的特点就是能在短 时间内获得大量的信息(特别是可视信息),并对时延非常敏感。 人机交互应用中一个特别令人激动的领域就是多媒体应用。多媒体应用将声音、视频和
计算机图形组合成一个交互环境,包括会议系统、电子再现(Telepresence)及虚拟现实(Vitual Reality)等。在会议系统中,与会者能够通过计算机相互看见并交谈;在虚拟现实中,用户能产生身临其境的幻觉。研究表明,这些应用中具有挑战性的是作为用户的人总是倾向于记住一个系统的失败而忽视其成功。一个多媒体应用软件即使在大多数时间里其音频和视频
效果都很好,但偶然的失误就会给人造成质量很差的印象。

三、动态视频的需求
运动和静止图像的传送是迄今为止所知道的最耗带宽的应用。 视频几乎总是以压缩的形式进行传输,因为压缩非常有效。商业压缩算法的压缩比能达到26比1或更高。不过,每帧视频图像所传送的数据量可能会有很大的不同。这种不同带来的
问题是:为了防止图像闪烁,必须以每秒30帧或更快的固定频率显示图像。对于给定帧的所有 数据必须与一固定时间间隔所对应的带宽相适应,否则,该帧数据会因到达得太迟而无法显示。
目前,视频编码器可以选择一给定的带宽(根据所能获得的虚电路的带宽以及所期望的视 频信号的质量)进行视频编码。当某一帧的数据超过能得到的带宽时,可传送足够的信息以产 生质量相当不错的图像,而用以润色图像的额外数据则与后继帧的数据一同发送。直观上看 ,编码器保持对两种图像的跟踪,一种是接收器当前所具有的帧信息,另一种是实际显示的帧
,并且一旦一个新帧的数据不使用所有的带宽,则剩余的带宽就用来发送用以润色接收器所接 收的帧数据,使接收帧的图像更加接近完整。
编码器之所以用这种方式工作,是因为目前传送视频信号的标准方式是使用固定带宽通 道(比如租用电话线路)。最近,能处理可变数据率网络的设计以及产生可变数据的视频传输方案的设计已被人们重视。这些传输方案被称为可变位率视频。下面分析一下视频压缩需要的带宽。

1.MPEG
动画编码专家组(Moving Pictures Experts Group,MPEG)是ISO领导下的一个标准化工作组。该组已开发出一套用于传输压缩可变位率视频的标准。MPEG工作组的目标是要开发存储数字视频信号(及其伴音信号)的方案。但研究表明,这种方案也是一个通过网络传输视频信号的编码方案。目前,MPEG编码方案仅限于低带宽(1.5Mb/s),但人们期望有提供更逼真图
像且带宽更高的标准。无论怎样,MPEG是说明可变位率视频编码如何工作的一个好例子。
简单地说,MPEG使用三种帧格式来对视频进行编码,即I、P和B帧。I(图像)帧是一个单一帧的完整位图,并且周期性地传输,以减少压缩(和传输)误差所带来的影响。在I帧之间传送的P帧与B帧的精确数量是可以设置的。
P(预测)帧根据上一个I帧或P帧来更新图像(使用预测算法)。也就是说,给定一个起始I帧,就有一系列的后继P帧用来试图跟踪帧中的变化。 为了进一步减少传输图像所需要的数据量,还设置了B(双向预测)帧。B帧描述了上一个I帧与下一个I帧之间或者P帧之间的差别。简单地说,B帧或者描述了与上一个高质量的图像(由一个I帧或P帧生成)之间的差别,或者描述了与下一个高质量的图像之间的差别,这取决于当前图像与哪个图像之间的差别最小。请注意,由于B帧既可能向前又可能向后预测,所以,必须将上一个及下一个P帧或I帧传输之后才能传输B帧。B帧与P帧的比率是可以设置的。
MPEG编码方案的特点之一就是能容错一个帧的偶然丢失。如果丢失了一个B帧,人们能够猜测该图像会是什么样子,并能观看下去,直到下一个P帧或I帧到来就能提供正确的图像。如果丢失了P帧,则下一个I帧就会纠正预测图像中的所有问题。在大多数情况下,图像在帧与帧之间只有很细小的改变,因此,解码器可以简单地认为丢失的P帧或B帧不会改变当前的图像。
很显然,如果在MPEG数据流中丢失了一个I帧,则会产生严重的影响。一般认为,正确反映图像轮廓比精确反映图像颜色更重要。因此,人们在帧的更新中,将重要的数据与不太重要的数据予以分开。不太重要的数据可以放在低优先级的报文或信元中,如带CLP位的ATM信元。
这种编码称为分层编码。虽然MPEG标准不包括分层编码的规则,但是已有人提出将其扩展为分层MPEG的方案。

2.H.261
另一种为网络视频所提出的视频编码标准是H.261,它是一种CCITT的标准。H.261的设计初衷与MPEG相似,是在完整的图像信息之间插补有预测的更新信息。两者之间的主要差别在于H.261并不周期性地传送整个I帧,而是传送屏幕区域的图像更新信息。这些区域更新信息之间插补有预测更新信息,以使屏幕的所有区域都被有规律地更新。H.261编码的主要好处在
于大幅度地降低了数据流的瞬间变化。

3.视频压缩及带宽分析
像MPEG这样的标准,对视频图像的高压缩比是以允许接收图像为原始图像的不完整拷贝为代价而得到的(这称为有损压缩)。对于一般的娱乐用途,这种压缩是能被很好地接受的,它摈弃了图像中人眼不会注意到的部分。但是,有损压缩也可能产生问题。如果将图像压缩得过于厉害(也就是过低的带宽),则得到的图像质量将会很差。而且,对于某些科研工作,有损压缩可能会丢掉图像中的关键部分。
压缩的另一问题就是压缩比的增加往往会带来压缩时间的增加。在极端的情况下,视频编码器可能要花费几百毫秒的时间来压缩一幅图像。对于实时视频会议而言,这么长的编码延迟是不会被接受的。因此,实时会议系统要使用高带宽来减少讲话人与听话人之间的编码延迟时间。
视频应用所要求的带宽可能会有很大的不同,这取决于图像的大小、所要求的图像质量以及图像是黑白的还是彩色的等因素。
目前,计算机科学家倾向于把注意力集中在所期待的高清晰度电视(HDTV)的质量上,这种质量与计算机的显示器所达到的质量类似。在不压缩时,HDTV需要超过每秒千兆位的带宽。
无损压缩(即图像经解压后不造成信息丢失的压缩)能将带宽减小到约50%,即几个100M/s的带宽。非正式的研究报告指出,有损压缩能达到50:1或更高的压缩比,即能将带宽降到0M b/s。
对于对图像的逼真度要求很高的科学应用,基于HDTV技术的每个视频流约为几百个兆位。而对于视频会议这样的应用,每个用户可能只要求几十个兆位,但是如果有几个用户(如6～ 8人的会议),则带宽就会显著地增加为几百个兆位。

四、虚拟现实的需求
为了对如何用音频与视频来开发有趣的应用有感性的认识,下面简单地分析几个多媒体应用的实例。 最有趣的一个应用就是视频会议系统,它通过音频和视频的连接允许处于不同地点的人们进行相互交谈。事实上,已经有许多电话供应商通过PSTN提供这项较低质量的服务。由于计算机图形接口的不断成熟以及摄像机成本的不断下降,在未来的几年内,普通的个人计算机就能作为视频会议系统的站点,使个人能参与多媒体视频会议。目前,已经建立了大量的实验性多媒体视频会议系统,包括Bellcore的漫游机器(Touring Machine)工程以及位于东京的为NTT实验室服务的行政会议系统。两个系统都用于对会议系统中人类行为的实验研究。
由于每个与会者都会产生自己的多个兆位的视频流,一个小规模的视频会议系统将很快用完超过100兆位的带宽。另外,对超大屏幕也进行了试验。显然,要在几平方米大的屏幕上显示逼真的图像也需要大量的带宽。
我们再分析两个地质学方面虚拟现实的例子。一般地讲,地质科学家都是实地工作,通过实地多方面的观察,对有趣的岩层进行分析。遗憾的是,有些地质场所并不太容易进行实地考察。比如说火星表面。为了让地质学家研究火星表面,美国航空航天局(NASA)开发了一个利用火星表面的卫星照片生成火星三维图像的软件。通过一套特殊装置,其中包括一个带有三
维立体显示器的头盔,使地质学家能产生亲临火星表面的感觉。
另一个地质上有趣但难以达到的地点就是地壳下面。UCLA的科学家正在对一个应用进行开发,该应用允许用户检索地壳的三维图像,这些图像是基于地震数据、卫星图像及其它地表资料而形成的。
这些地质学应用富于挑战性的原因在于:提供给科学家的图像要计算很长时间,而这些应用只有在科学家能与其进行交互并且发出指令(在地壳应用中是通过击键,在火星应用中是通过转动头部)并得到新的图像时才最有用。火星模拟器目前基本上已足够快(用户报告指出当头部转动得不是太快时,能提供很好的图像),但对于地壳应用,目前计算一幅图像要用几个星
期。对此,有关专家计划采用通过几台超级计算机进行并行计算,然后将其输出结果组合为显示图像的方法,将产生图像的时间降低到1秒以内。而来自不同计算机的组合数据流将产生每秒千兆位以上的数据。通过以上分析,可以看出应用对高速网络的需求。随着应用的发展,将有更多的领域需要高速网络。