COMP5416 Week 10 SIP、QoS 与无线链路讲课总结

Posted on 2026-11-03 In Course Notes , COMP5416 Word count in article: 5.9k Reading time ≈ 21 mins.

COMP5416 Week 10 详解。SIP 的呼叫建立、编码协商、注册服务器与代理服务器；网络支持多媒体的三种方式、QoS 的四条原则、FIFO / 优先级 / 轮询 / WFQ 调度与 WFQ 吞吐计算、令牌桶监管与最大时延界、DiffServ 边缘标记与核心按类转发、呼叫准入；无线网络组成、基础设施与自组织模式、无线链路特性（路径损耗、干扰、多径）、dB 与 SNR/BER 权衡、隐藏终端、CDMA 编解码与正交码；附 Wireless tutorial（四节点无线中继速率、CDMA）完整解答。

COMP5416 Week 10 讲课总结：SIP + QoS + Wireless

课程：COMP5416/COMP4416 — Advanced Network Technologies，Semester 2 2026 讲师：Professor Vincent Gramoli 来源：讲义 W10-Wireless.pdf（65 页，封面标题 "SIP + Wireless"）+ tutorial W10-Wireless-tutorial.pdf / W10-Wireless-solution.pdf。本周没有转录稿。教材：Kurose & Ross 9th ed. —— 第 7 章 7.1–7.2（无线链路、CDMA）；SIP 与调度/监管对应旧版教材多媒体一章和第 4.2 节分组调度。

本周覆盖三块：

部分内容衔接

SIP 会话初始化协议补完 Week 08 Multimedia 大纲里的 "RTP/SIP"

网络对多媒体的支持（QoS） 多类服务、调度、监管、DiffServ、呼叫准入 —

无线网络 组成、链路特性、隐藏终端、CDMA 接 Week 11 WiFi

部分	内容	衔接
SIP	会话初始化协议	补完 Week 08 Multimedia 大纲里的 "RTP/SIP"
网络对多媒体的支持（QoS）	多类服务、调度、监管、DiffServ、呼叫准入	—
无线网络	组成、链路特性、隐藏终端、CDMA	接 Week 11 WiFi

第一部分：SIP（Session Initiation Protocol，RFC 3261）

一、SIP 的长期愿景

所有电话、视频会议都通过 Internet 进行
用名字或 e-mail 地址标识人，而不是电话号码
无论被叫漫游到哪里、用的是什么 IP 设备，都能找到他（如果他愿意）

二、SIP 提供的服务

类别	内容
呼叫建立	主叫告诉被叫想建立呼叫；双方协商媒体类型和编码；结束呼叫
确定被叫当前 IP 地址	把助记标识映射到当前 IP 地址
呼叫管理	通话中添加新媒体流、更换编码、邀请他人、转接、保持

三、向已知 IP 地址发起呼叫（讲义例子）

Alice（167.180.112.24）呼叫 Bob（193.64.210.89）：

步	消息	内容
1	Alice → Bob：INVITE	`c=IN IP4 167.180.112.24`，`m=audio 38060 RTP/AVP 0` —— Alice 的 IP、端口 38060、偏好的编码（PCM μ-law，payload type 0）
2	Bob → Alice：200 OK	`c=IN IP4 193.64.210.89`，`m=audio 48753 RTP/AVP 3` —— Bob 的 IP、端口 48753、偏好的编码（GSM，type 3）
3	Alice → Bob：ACK	呼叫建立
4	双向 RTP 媒体流	Alice 发 μ-law 到 48753，Bob 发 GSM 到 38060

要点：

要点	说明
SIP 默认端口	5060
传输	SIP 消息可以走 TCP 或 UDP（例子里走 UDP）
SIP 是带外（out-of-band）的	信令和媒体走不同的连接/端口（SIP 在 5060，RTP 在 38060/48753）
双向各用各的编码	Bob 收 μ-law、发 GSM，可以不同

INVITE 里的 c=、m= 行是 SDP（会话描述协议）；RTP/AVP 后面的数字就是 Week 08 讲的 RTP payload type。

四、编码协商与拒绝呼叫

情况	处理
Bob 没有 PCM μ-law 编码器	回 606 Not Acceptable，列出自己支持的编码；Alice 再发一个新 INVITE 换编码
Bob 拒绝呼叫	可回 "busy"、"gone"、"payment required"、"forbidden"
媒体	可走 RTP，也可走其他协议

五、名字翻译与用户定位

问题：主叫只有被叫的名字或 e-mail，需要被叫当前主机的 IP，而： - 用户会移动 - DHCP 动态分配 IP - 用户有多个 IP 设备（PC、手机、车载设备）

结果可以基于：一天中的时间（上班/在家）、主叫是谁（不想让老板在家里打给你）、被叫状态（正在通话就转语音信箱）。

六、SIP 服务器的两个功能

注册服务器（Registrar）

Bob 启动 SIP 客户端时，发 REGISTER 给他的注册服务器：

REGISTER sip:domain.com SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 193.64.210.89
From: sip:bob@domain.com
To: sip:bob@domain.com
Expires: 3600

注册服务器记下「bob@domain.com 现在在 193.64.210.89」，有效期 3600 秒。

代理服务器（Proxy）

Alice 把 INVITE 发给她自己的代理，里面是 sip:bob@domain.com
代理负责把 SIP 消息路由到被叫，可能经过多个代理
Bob 的响应沿同一组代理返回
代理把 Bob 的响应（含 Bob 的 IP）交给 Alice

讲义类比：SIP 代理 ≈ 本地 DNS 服务器。

七、完整例子：alice@umass.edu 呼叫 bob@poly.edu

步	动作
1	Alice 发 INVITE 给 UMass SIP 代理
2	UMass 代理把请求转给 Poly 注册服务器
3	Poly 服务器返回重定向响应：去试 bob@eurecom.fr
4	UMass 代理把请求转给 Eurecom 注册服务器
5	Eurecom 注册服务器把 INVITE 转给 197.87.54.21（Bob 的 SIP 客户端正在那里运行）
6–8	SIP 响应沿原路返回给 Alice
9	数据直接在两个客户端之间流动

注意第 9 步：媒体不经过代理，代理只管信令 —— 「带外」的又一体现。

第二部分：网络对多媒体的支持（QoS）

八、三种方式（讲义总表）

方式	粒度	保证	机制	复杂度	部署
1. 尽力而为做到最好	所有流量同等对待	无	无网络支持（全靠应用）	低	到处都是
2. 区分服务	流量类	无或软保证	分组标记、调度、监管	中	部分
3. 每连接 QoS	每个连接（流）	软或硬保证（流被准入后）	标记、调度、监管 + 准入	高	很少或没有

九、多类服务（讲义）

目前为止：尽力而为，one-size-fits-all
替代：多类服务 —— 把流量分类，网络对不同类区别对待（类比：VIP 通道 vs 普通通道）
粒度：在多个「类」之间区分，而不是在单个连接之间
怎么做：用 IP 首部的 ToS 位

十、QoS 的四条原则（高频考点）

场景：H1、H2 → R1 → 1.5 Mbps 链路 → R2 → H3、H4。

#	场景	原则
1	1 Mbps VoIP 和 HTTP 共享 1.5 Mbps 链路；HTTP 突发会挤占路由器，造成音视频丢失 → 想让音频优先	需要分组标记，让路由器区分不同类；以及新的路由器策略去区别对待
2	如果应用不守规矩（VoIP 发得比声明的多）怎么办？	提供类之间的保护（隔离）：用监管（policing）强制源遵守带宽分配 —— 标记 + 监管
3	给流分配固定的、不可共享的带宽（如 VoIP 1 Mbps、HTTP 0.5 Mbps 逻辑链路）：流不用满时浪费	在提供保护的同时，尽可能高效地使用资源
4	两个 1 Mbps 电话都想走 1.5 Mbps 链路 —— 基本事实：无法支持超过链路容量的需求	呼叫准入：流声明需求，网络若满足不了可以拒绝（如忙音）

记忆链：标记（区分）→ 监管（隔离）→ 高效（别浪费）→ 准入（别超载）。

十一、调度策略

调度：选择链路上下一个要发送的分组。

FIFO

按到达顺序发送
丢弃策略（分组到达时队列已满，丢谁？）：

策略	做法
tail drop	丢新到的
priority	按优先级丢/移除
random	随机丢/移除

优先级调度（Priority）

发送队列中优先级最高的分组；非抢占式（正在发的低优先级分组不会被打断）
多个类，各有优先级；类可由标记或其他首部信息（IP 源/目的、端口号等）决定

讲义例子：到达 1, 2, 3, 4, 5，其中 1、3、4 是高优先级，2、5 是低优先级 → 服务顺序 1, 3, 2, 4, 5。

为什么 2 在 4 前面：2 开始服务时，4 还没到；非抢占 —— 4 到达时 2 已在发送中，不会被打断。

轮询（Round Robin, RR）

多个类，同等优先级
循环扫描各类的队列，每类发一个完整分组（如果有的话）

讲义例子的服务顺序：1, 3, 2, 4, 5（红类、绿类轮流）。

加权公平排队（WFQ）

广义轮询：每类在每轮中获得「加权」数量的服务
类的权重为
保证：如果类有分组要发，它得到的服务比例为

在速率的链路上，类的吞吐量：

WFQ 是路由器 QoS 的一部分（讲义引用 Cisco 2012）

讲义算例：1 Mbps 链路，三条流分别要保证 0.5、0.25、0.25 Mbps → 权重。

情况	流 1	流 2	流 3
三条流都有数据
流 3 没数据（只算活跃类）			0

这就是 WFQ 的「效率」（原则 3）：空闲类的份额按权重分给其他活跃类，不会浪费；同时每类至少拿到自己的保证份额（原则 2）。

WFQ 与 RR 的关系：所有权重相等时 WFQ 退化为 RR。

十二、监管（Policing）

目标：限制流量不超过声明的参数（一个类或流被允许注入网络的速率）。

三个监管标准（时间尺度不同）：

标准	含义	讲义例子
1. （长期）平均速率	单位时间内能发多少分组（长期）	每分钟 6000 个分组
2. 峰值速率	在较短时间内能发的分组数上限	平均 6000 ppm，但每 5 秒最多 3000 个
3. （最大）突发大小	「瞬间」能发进网络的最大分组数	1500 个分组

注意「平均速率」的时间尺度很重要：每秒 100 个和每分钟 6000 个长期平均相同，但后者允许某一秒内发 6000 个。

令牌桶（Token Bucket）

用来同时限制突发大小和平均速率。

要素	说明
桶容量	最多个令牌
发送规则	分组要从桶里取走一个令牌才能发进网络
令牌生成	以个/秒的速率生成；桶满时新令牌被丢弃

在任意长度为的区间内，被准入的分组数：

时间尺度	结论
	最多个分组（最大突发）
	：长期平均速率个/秒

令牌生成速率限制了分组进入网络的速率。

十三、令牌桶 + WFQ = 时延上界（QoS 保证）

流 1 被令牌桶监管，再进入速率的 WFQ 调度器，权重。

最坏情况：桶是满的（个令牌），个分组一次涌入 WFQ 队列。流 1 至少以的速率被服务，所以最后一个分组的最大时延：

（：分组大小，以分组计；若以比特计就去掉。）

前提：，即令牌速率不超过保证速率，否则队列会无限增长。

算例： bit，， Mbps， → ms。

十四、DiffServ（区分服务）架构

要的是「定性」的服务类：相对的服务区分（白金/VIP、金、银）。 可扩展性：网络核心只做简单功能，复杂功能放在边缘路由器（或主机）。

位置	做什么
边缘路由器	每流流量管理；把分组标记为不同类别（例：Alice 的流量 high，Bob 的 high，Chris 的 low）
核心路由器	每类流量管理；根据边缘的标记做缓冲和调度（红色分组 vs 绿色分组）

边缘标记

profile：预先协商的速率、桶大小
在边缘按每流 profile 标记分组

标记方式	说明
类间标记	不同类的分组标不同的记号
类内标记	流中符合（conforming）的部分和不符合的部分标得不同

讲义例子 1：Bob 约定 1 Mbps，实际发 2 Mbps → 一半（符合部分）标绿，其余（不符合部分）标红（低优先级）或丢弃。

讲义例子 2（三色）：优先级 绿 > 黄 > 红。2 Mbps 链路；Bob 打电话，声明 1 Mbps，用令牌桶，符合标绿、不符合标红；Chris 网页浏览，标黄；核心用优先级队列。

情况	结果
Bob 发 ≤ 1 Mbps	Bob 保证拿到 1 Mbps
Bob 发 > 1 Mbps，Chris 发满 1 Mbps	所有红色都被丢弃，Bob 恰好 1 Mbps
Bob 发 > 1 Mbps，Chris 发 < 1 Mbps	部分红色仍能通过

分类与调节（Classification, conditioning）

用户声明流量 profile（速率、突发大小）
流量被计量（metered），不符合时被整形（shaped）
计量器把进入的流与协商的 profile 比较；网络管理员决定对不符合的分组：重新标记、转发、延迟还是丢弃

十五、每连接 QoS 与呼叫准入

基本事实：不能支持超过链路容量的流量需求。 两个 1 Mbps 电话 + 1.5 Mbps 链路 → 第二个被拒绝。

原则 4：呼叫准入 —— 流声明自己的需求，网络若无法满足可以阻止该呼叫（如忙音）。

第三部分：无线网络

十六、无线网络的组成

元素	说明
无线主机	笔记本、手机、IoT；跑应用；可能静止也可能移动 —— 无线不一定意味着移动！
基站	通常连到有线网络；中继：负责在有线网络和它「区域」内的无线主机之间收发分组；例：蜂窝基站塔、802.11 AP
无线链路	通常连接移动设备与基站，也用作骨干链路；多路访问协议协调链路访问；速率、距离、频段各异

常见无线链路（讲义图）

技术	速率（约）	范围
802.11ax	14 Gbps	室内 10–30 m
5G	10 Gbps	室外各种
802.11ac	3.5 Gbps	室内
802.11n	600 Mbps	室内/室外
4G LTE	—	中远距离（200 m–15 km）
802.11g / b	54 / 11 Mbps	室内
Bluetooth	2 Mbps	室内短距

IEEE 802.11 标准表（讲义，Week 11 重复出现）

标准	年份	最大速率	范围	频率
802.11b	1999	11 Mbps	30 m	2.4 GHz
802.11a	1999	54 Mbps	30 m	5 GHz
802.11g	2003	54 Mbps	30 m	2.4 GHz
802.11n（WiFi 4）	2009	600 Mbps	70 m	2.4、5 GHz
802.11ac（WiFi 5）	2013	3.47 Gbps	70 m	5 GHz
802.11ax（WiFi 6）	2020	14 Gbps	70 m	2.4、5 GHz
802.11af	2014	35–560 Mbps	1 km	未用的电视频段（54–790 MHz）
802.11ah	2017	347 Mbps	1 km	900 MHz

所有 802.11 都用 CSMA/CA 做多路访问，都有基站版和自组织版。

十七、两种模式与分类

模式	说明
基础设施模式	基站把移动设备接入有线网络；切换（handoff）：移动设备更换提供接入的基站
自组织（ad hoc）模式	没有基站；节点只能向链路覆盖范围内的其他节点发送；节点自己组织成网络、互相路由

无线网络分类（2 × 2）

	单跳	多跳
有基础设施	主机连基站（WiFi、蜂窝），基站连更大的 Internet	主机可能要经过几个无线节点中继才能接入 Internet：mesh 网
无基础设施	没有基站，不连更大的 Internet（蓝牙、ad hoc 网）	没有基站，不连 Internet，可能要中继才能到达某节点：MANET、VANET

十八、无线链路的特性

与有线链路的重要区别：

特性	说明
信号强度衰减	无线电信号穿过物质时衰减（路径损耗）
其他源的干扰	标准化的无线频段（如 2.4 GHz）被其他设备共享（如无绳电话、微波炉）
多径传播	信号经物体、地面反射，在稍有不同的时间到达目的地

→ 使得无线链路（即使是点到点）的通信「困难」得多。

分贝（dB）

对数单位，表示两个（功率）值的比：

	dB
10	10 dB
100	20 dB
1000	30 dB
10000	40 dB

口诀：每多一个 0 加 10 dB；3 dB ≈ 2 倍（）。

SNR 与 BER 的权衡

概念	说明
SNR（信噪比）	越大越容易从噪声中提取信号
BER（误码率）	收到的比特出错的概率

讲义图：三条 BER–SNR 曲线，BPSK（1 Mbps）、QAM16（4 Mbps）、QAM256（8 Mbps）。

视角	规律
给定调制方式	增大功率 → SNR 增大 → BER 降低
不同调制方式	速率越高 → BER 越高（同一 SNR 下 QAM256 的 BER 高于 BPSK）
给定 SNR 和 BER 要求	选能满足 BER 要求的、吞吐量最高的调制方式

讲义例题：SNR = 15 dB，要求 BER ≤ ，选哪种调制？ → QAM16。（15 dB 时 QAM256 的 BER 远高于，不满足；BPSK 满足但只有 1 Mbps；QAM16 满足且 4 Mbps 最快。）

这个思路就是 Week 11 要讲的 802.11 速率自适应。

十九、多发送方带来的额外问题

隐藏终端问题（Hidden terminal）

A ——— B ——— C          （A 与 C 之间有障碍物，或距离太远）

B、A 能互相听到
B、C 能互相听到
A、C 听不到对方 → A、C 不知道它们在 B 处互相干扰

两种成因：障碍物；信号衰减（讲义图：A 的信号强度和 C 的信号强度随距离衰减，在 B 处都够强，但互相到对方处都太弱）。

为什么这对 CSMA 是致命的：A 侦听信道空闲（因为听不到 C），就开始发；C 也一样 → 在 B 处碰撞，但 A、C 都察觉不到。解决方案是 Week 11 的 RTS/CTS。

第四部分：CDMA

二十、CDMA 原理

码分多址：给每个用户分配唯一的「码」（码片序列，chipping sequence）。 所有用户共享同一频率，但每个用户用自己的码片序列对数据编码。

要点	说明
码长
允许多个用户同时发送、干扰最小（如果码是正交的）
内积
正交	不同用户：；同一用户：
编码	编码信号 = 原始数据 × 码片序列：
解码	编码信号与码片序列做内积再除以：

（数据比特用 ±1 表示：1 → +1，0 → −1。）

二十一、讲义的编解码例子

用户 1 的码（）：；数据，。

	时隙 0（）	时隙 1（）
发送
用解码：逐项乘积
求和 ÷ 8	8/8 = 1 ✅	−8/8 = −1 ✅

用户 2 用自己的码去「解」用户 1 的信号（时隙 0）：

「什么都收不到」—— 因为两个码正交。 这就是 CDMA 的核心：不是自己的信号，内积为 0，自动「消失」。

二十二、多个发送方的叠加

信道把所有发送方的信号相加。接收方用用户 1 的码解码：

两发送方算例（自己验算）：发送方 1 发（码），发送方 2 发（码）：

解码	计算	结果
用	，	1 ✅
用	，	−1 ✅

每个接收方都从「混在一起」的信号里准确取出了自己那一路。 前提：码严格正交、各信号到达时功率相同、码片同步 —— 现实中需要功率控制。

第五部分：Tutorial —— Wireless networks（Lab 8）

Exercise 1：四节点无线中继

拓扑：A — B — C — D 排成一行，共享同一频率。

谁发送	谁能听到
A	只有 B
B	A 和 C
C	B 和 D
D	只有 C

规则：时间分槽，一条消息恰好占一个时隙；每个时隙节点可以发、收（恰好一条发给它的消息时）或静默；节点听到 ≥ 2 个同时传输 → 碰撞，都收不到；无比特错误。非邻居需要中继（A→D 走 A→B→C→D）。

Q1：全知控制器下，C → A 的最大速率（无其他流量）？

官方答案：1 条消息 / 2 个时隙。

推导：C→A 必须经过 B：C→B，然后 B→A，各占一个时隙。 能否流水线？ 若在 B→A 的同一时隙让 C 发下一条给 B：B 正在发送，不能同时接收（半双工）。所以每 2 个时隙最多完成一条，速率 1/2。

Q2：A → B 和 D → C 同时进行，总的最大速率？

官方答案：2 条消息 / 时隙。

A 发时只有 B 听到；D 发时只有 C 听到。B 只听到 A，C 只听到 D → 无碰撞，两条同时成功。

Q3：A → B 和 C → D 同时进行？

官方答案：1 条消息 / 时隙。

C 发送时 B 也能听到 → 若 A、C 同时发，B 处碰撞（B 同时听到 A 和 C）。所以两条流必须轮流，每个时隙 1 条。 这就是隐藏终端的变体：A 和 C 互相听不到，却在 B 处冲突。

Q4：换成有线（点到点）链路，重新回答 Q1–Q3

问题	无线	有线	原因
Q1：C→A	1/2	1	有线链路互不干扰，C→B 与 B→A 可流水线同时进行（稳态每时隙送达一条）
Q2：A→B + D→C	2	2	本来就没冲突
Q3：A→B + C→D	1	2	有线没有广播干扰，B 不会「听到」C

Q5：回到无线，每条数据消息都要回一个 ACK（占一个时隙）

问题	官方答案	调度
Q1：C→A	1 条 / 4 时隙	C→B（数据）、B→A（数据）、A→B（ACK）、B→C（ACK），4 步都要串行：每一步的接收者要么在发，要么会被干扰
Q2：A→B + D→C	2 条 / 3 时隙	槽 1：A→B 和 D→C 同时；槽 2：B→A 的 ACK；槽 3：C→D 的 ACK
Q3：A→B + C→D	2 条 / 3 时隙	槽 1：C→D；槽 2：D→C 的 ACK 和 A→B 同时；槽 3：B→A 的 ACK

⚠️ Q2 的官方答案偏保守：两个 ACK 是 B→A 和 C→D。按题目的碰撞规则（接收者同时听到 ≥ 2 个发送者才碰撞）， A 只在 B 的覆盖范围内、D 只在 C 的覆盖范围内，B 和 C 同时发 ACK 并不会在 A 或 D 处碰撞（B、C 此时都在发送，不需要接收）。这样可以安排成「槽 1：两条数据；槽 2：两个 ACK」，达到 2 条 / 2 时隙。官方答案把两个 ACK 分在两个时隙，给出 2/3。考试照官方答案写，必要时注明「若允许 B、C 同时发 ACK 则为 1 条/时隙」。

Q3 第 2 槽为什么可以并行：D 发 ACK 只有 C 听到；A 发数据只有 B 听到；B 听不到 D、C 听不到 A → 不冲突。

Exercise 2：CDMA

码（）：。

Q：数据位的编码输出？ 答：1,-1,1,1,-1,-1,-1（）

Q：收到输出 1,-1,1,1,-1,-1,-1，解码得到的比特？ 答：1

若（即比特 0），输出就是，解码得。

第六部分：本周考点速记

项	答案
SIP 默认端口	5060
SIP 跑在	TCP 或 UDP
SIP 是带内还是带外	带外（信令与媒体分开）
编码不支持时的响应	606 Not Acceptable
SIP 代理类比	本地 DNS 服务器
注册消息	REGISTER（含 Expires）
QoS 四原则	标记、隔离（监管）、高效、准入
优先级调度	非抢占
WFQ 吞吐	，只对活跃类求和
令牌桶上界
令牌桶 + WFQ 最大时延
DiffServ 分工	边缘每流标记，核心每类转发
dB 定义
同一调制下提高功率	SNR ↑，BER ↓
速率越高的调制	同 SNR 下 BER 越高
隐藏终端	A、C 听不到对方，在 B 处碰撞
CDMA 正交	不同码内积 0，同码内积 M
CDMA 解码	内积 ÷ M

易错点

无线 ≠ 移动：无线主机可能是静止的。
SIP 代理只转信令，媒体直接端到端走。
优先级调度是非抢占的，所以低优先级分组可能排在后到的高优先级前面。
WFQ 某类空闲时，其他类按权重瓜分它的份额，不是保持原值。
令牌桶限制的是「分组数」（或比特数），上界是。
CDMA 解码别忘了除以 ；码要正交才能消除其他用户。
隐藏终端题看「接收者」听到几个发送者，不是看发送者之间。