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分布式視頻會(huì )議系統的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現

2005/11/23

　　引言
　　
　　在目前已成為計算機領(lǐng)域熱點(diǎn)的群組協(xié)作計算工具中，視頻會(huì )議系統是其中的一個(gè)重要組成部分。電路交換網(wǎng)絡(luò )中的視頻會(huì )議系統已有較成熟的模型，如ITU的H.320標準等，但分組交換網(wǎng)（包括Ethernet、Internet等）的使用正日益普及，新的解決方案必須著(zhù)重考慮如何利用這種網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現視訊系統。
　　
　　本文提出的方案并不針對某種具體網(wǎng)絡(luò )，而是根據Internet上多點(diǎn)視頻會(huì )議系統的需要設計的。它充分利用了分組交換網(wǎng)多播功能和高帶寬特點(diǎn)，是基于RTP協(xié)議的分布式多點(diǎn)會(huì )議系統，端主機是支持IP多播的Solaris 2.x系統，具有以下特點(diǎn)：

每個(gè)節點(diǎn)的數據通過(guò)多播到達其他節點(diǎn)。

音頻和視頻的合成由端主機完成。

不使用參考時(shí)鐘實(shí)現發(fā)送/接收編解碼器的良好同步，對分組抖動(dòng)和丟失有較好控制。

動(dòng)態(tài)流控機制允許視頻壓縮器根據網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)調整發(fā)送率。

采用一種適合IP網(wǎng)絡(luò )并能穿越防火墻的目錄服務(wù)體系。

　　分布式視頻會(huì )議系統的關(guān)鍵技術(shù)
　　會(huì )議系統的控制和數據傳送
　　這是集中式方案中MCU的主要功能，在分布式系統中，MCU
　　
　　的功能可由網(wǎng)絡(luò )和/或端節點(diǎn)來(lái)實(shí)現。在我們的方案中，數據傳送主要利用了分布式網(wǎng)絡(luò )的多播功能，不少控制功能都由端主機和網(wǎng)絡(luò )共同實(shí)現。
　　
　　帶寬的有效使用和服務(wù)質(zhì)量保證
　　分組交換網(wǎng)的復用機制可有效利用帶寬，但也可能導致報文抖
　　
　　動(dòng)甚至丟失。Internet大部分還未實(shí)現服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證，傳統應用中通常由較高層TCP/IP協(xié)議來(lái)保證可靠傳輸。TCP用重傳機制實(shí)現可靠傳輸，其內部流控機制根據確認包動(dòng)態(tài)調整發(fā)送率。對于實(shí)時(shí)會(huì )議，重傳導致的延遲是無(wú)法忍受的，因此傳輸層協(xié)議使用不具有可靠傳輸和內部流控制的UDP，而端到端同步和流控的任務(wù)則轉嫁到視頻會(huì )議系統上。
　　
　　目錄服務(wù)功能

　　Internet不像電路交換網(wǎng)，它沒(méi)有統一的尋址機制，另外還存在
　　
　　防火墻和地址不公開(kāi)的問(wèn)題，因此目錄服務(wù)是分布式會(huì )議系統中要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。
　　
　　分布式多點(diǎn)視頻會(huì )議系統的具體實(shí)現方案

　　整體結構

該系統的主要硬件如下：

音頻/視頻捕捉/回放卡。聲音、圖像和數據作為不同的流進(jìn)行傳送，接收者可選擇從某個(gè)源只接收聲音，這對于沒(méi)有圖像處理功能的端節點(diǎn)特別有用，用靜默檢測避免不發(fā)言時(shí)發(fā)送音頻流。

Codec和DSP（數字信號處理器）卡。DSP根據端用戶(hù)的選擇合成視頻和音頻源，它還具有屏蔽時(shí)鐘不同步、聲音/圖像不同步和分組丟失等功能。卡上還有一個(gè)Ethernet網(wǎng)卡，會(huì )議系統可直接連到LAN上，無(wú)需CPU的參與。音頻/視頻捕捉/回放卡和Codec/DSP卡之間有直接接口，可繞過(guò)系統總線(xiàn)，節省CPU時(shí)間。

　　傳輸層協(xié)議的選擇

　　由于UDP不提供端到端可靠傳輸，出現了基于UDP、專(zhuān)為實(shí)時(shí)
　　
　　通信提供傳輸層服務(wù)的RTP協(xié)議。盡管RTP本身不實(shí)現服務(wù)質(zhì)量保證，但它提供的多路復用、順序號、時(shí)標、監控及對IP多播的靈活接口對我們設計的多播、同步、會(huì )話(huà)數據加密、動(dòng)態(tài)流控、目錄服務(wù)、安全穿越防火墻等方法非常重要。RTP是一個(gè)開(kāi)放協(xié)議，為上層應用提供了充分的靈活性。但RTP的組成部分之一RTCP（實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議）提供的松散管理和監控功能還不能滿(mǎn)足我們所需的控制和管理功能（如動(dòng)態(tài)獲取和分發(fā)多播地址、分發(fā)會(huì )話(huà)密鑰等），所以我們采用H.323的集中管理模型。
　　
　　網(wǎng)絡(luò )的多播
　　
　　多播在現有網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現的并不多，在這種情形下，我們認為實(shí)
　　
現多播的途徑可有以下幾中：

使用實(shí)現了DVMRP的交換式以太網(wǎng)Hub，通過(guò)Hub之間的Tunnel功能在Internet上構造多播網(wǎng)絡(luò )。

在Internet上以傳統方式進(jìn)行分組的復制和轉發(fā)，端系統通過(guò)為每個(gè)目的節點(diǎn)復制和轉發(fā)分組的方式來(lái)模擬多播。

當數據從實(shí)現多播的局域網(wǎng)向未實(shí)現的局域網(wǎng)發(fā)送時(shí)，使用RTP的Translator模擬多播功能。我們使用的是第三種，為了實(shí)現更方便的地址分配和安全保密功能，還需具有動(dòng)態(tài)、分布式和安全特性的目錄服務(wù)的配合。

　　壓縮數據流的合成

　　在分布式系統中，網(wǎng)絡(luò )的多播功能使每個(gè)端節點(diǎn)可同時(shí)接收多個(gè)源的圖像和聲音，而合成由端系統實(shí)現。為了降低開(kāi)銷(xiāo)，我們的合成是對壓縮視頻流進(jìn)行的。壓縮視頻流的合成算法也是當前的研究熱點(diǎn)，我們的算法利用了以下事實(shí)；幾乎所有的標準視頻壓縮數據都包含一系列獨立的由預定義分隔符分隔的編碼組，通過(guò)檢查分隔符可將壓縮數據流分成像素區域。將各段壓縮數據與像素區域對應起來(lái)后，就可根據用戶(hù)設置來(lái)重新組裝這些數據。
　　
　　會(huì )話(huà)的保密

　　接收方發(fā)起的多播使得發(fā)送方無(wú)法控制接收數據的用戶(hù)，局域網(wǎng)的廣播性質(zhì)使得局域網(wǎng)上任何主機都有可能監聽(tīng)會(huì )話(huà)，因此有必要對會(huì )話(huà)數據加密。可以用會(huì )話(huà)初始協(xié)議分發(fā)會(huì )話(huà)密鑰，也可用RTP會(huì )話(huà)配置文件保存會(huì )話(huà)密鑰（這種方法安全性低）。為了防止已知明文攻擊，每個(gè)消息中應加入一次性且不可預測的信息。RTP報頭的時(shí)標字段為我們提供了這個(gè)機制，而加密RTCP報文之前應在要加密的報文前添加一個(gè)隨機數。
　　
　　時(shí)鐘同步和聲音/視頻同步

　　點(diǎn)到點(diǎn)連接中接收方根據數據到達速率實(shí)現與服務(wù)方的同步。
　　
　　分布式多點(diǎn)會(huì )議中有多個(gè)發(fā)送/接收對需同步，這種方案就不適合了。我們設計了一種簡(jiǎn)單有效的方法解決時(shí)鐘不同步和同一源的聲音/圖像不同步問(wèn)題。該方法使用了RTP提供的時(shí)標，可簡(jiǎn)單概括為：靜音抑制音頻數據包的發(fā)送。聲音在接收端以接收方的音頻時(shí)鐘回放，音頻時(shí)鐘的不同步在靜默期間被抵消。音頻/視頻的同步是在每個(gè)音頻突發(fā)的開(kāi)始時(shí)刻，通過(guò)丟棄一些延遲的視頻幀或者重用一些視頻幀實(shí)現的。此機制不需回放時(shí)鐘與捕捉時(shí)鐘的同步，它能達到預期性能是基于以下事實(shí)：

突發(fā)平均持續時(shí)間相對靜默持續時(shí)間較短；

捕捉端和回放端時(shí)鐘的不同步較小。這兩點(diǎn)使音頻/視頻的同步在較短的突發(fā)持續期間內不可能漂移很多。我們對不同源數據流之間的順序關(guān)系沒(méi)有采取任何控制。隨著(zhù)RMP（可靠多點(diǎn)發(fā)送協(xié)議）等協(xié)議在群組通信中的使用，我們將對這種順序進(jìn)行控制。

　　IP網(wǎng)目錄服務(wù)

　　目錄服務(wù)在集中和分布式會(huì )議中都很重要。電路交換網(wǎng)中節點(diǎn)
　　
　　由固定號碼標識，分組交換網(wǎng)中節點(diǎn)由IP地址來(lái)標識。異質(zhì)網(wǎng)絡(luò )中，ATM節點(diǎn)由E.164標識，POTS和ISDN節點(diǎn)由電話(huà)號碼標識，Internet
　　
　　節點(diǎn)由IP地址標識，如果目錄服務(wù)能將會(huì )議參加者的名字轉換成其物理地址，將帶來(lái)很大方便。在移動(dòng)通信中，會(huì )議參加者可能從不同地方接入Internet，使用動(dòng)態(tài)地址，目錄服務(wù)更顯得必要。如果防火墻內的用戶(hù)不想暴露自己的IP地址，目錄服務(wù)的功能將更復雜。
　　
　　Internet域名服務(wù)系統（DNS）是一種分布式目錄服務(wù)解決方案，但普通的DNS系統不支持動(dòng)態(tài)分配的IP地址。動(dòng)態(tài)IP地址查詢(xún)方案要求有一個(gè)實(shí)時(shí)登記機制獲取用戶(hù)登錄時(shí)動(dòng)態(tài)分配的IP地址。目前已有的實(shí)時(shí)登記協(xié)議有SDP、LDAP、安全動(dòng)態(tài)更新的DNS等（分布式）。Internet數據庫提供商也為各種應用提供了專(zhuān)用實(shí)時(shí)登記協(xié)議（集中式）。集中式方案易實(shí)現，但擴展性差，且要求所會(huì )議成員向同一服務(wù)提供商登記也不大可能。分布方式基于有DNS系統，實(shí)踐證明它運行穩定、擴展性良好。安全動(dòng)態(tài)更新的DNS就是一個(gè)理想選擇。
　　
　　目前人們提出的目錄服務(wù)都未考慮穿越防火墻的問(wèn)題。穿越防火墻最常用的方法是使用代理服務(wù)器。通用代理服務(wù)器也能進(jìn)行IP地址轉換，且有一整套強大的安全功能，但它們的通用性也帶來(lái)了以下問(wèn)題：

同時(shí)有許多應用使用可能造成延遲，無(wú)法保證實(shí)時(shí)性；

為黑客提供了可突破的漏洞；

無(wú)法提供不同子網(wǎng)間域名查詢(xún)服務(wù)；

在IP地址轉換級連的情況下會(huì )產(chǎn)生無(wú)法預料的情況。我們使用的專(zhuān)用代理能克服以上缺點(diǎn)，可在RTP的Mixer或Translator上實(shí)現

　　假設A和B分別位于兩個(gè)不同的防火墻之內，我們可在A(yíng)和B所在子網(wǎng)的防火墻上各設一個(gè)代理PA和PB，在它們共同連接的Internet有一個(gè)公共目錄服務(wù)提供商。假設A是呼叫方，B是被呼叫方。下面是穿越防火墻通信的過(guò)程：

用戶(hù)A登錄到網(wǎng)上時(shí)向PA登記。PA為A建立一個(gè)內部記錄，登記A的IP地址和E-mail地址。然后，PA向外部目錄服務(wù)提供商登記A的用戶(hù)名（E-mail地址）和自己的IP地址。用戶(hù)B登錄時(shí)，B和PB進(jìn)行同樣的操作。

當A要與B通信時(shí)，A向PA發(fā)一個(gè)呼叫請求，給出呼叫目標B的E-mail地址。

PA向外部目錄服務(wù)提供商發(fā)出解析名字B的請求。外部目錄服務(wù)將返回步驟1中為B登記的地址（即PB的IP）。根據B的域名或目錄服務(wù)提供的一些特殊信息，PA可以知道B處于某個(gè)防火墻內。

PA向PB發(fā)出一個(gè)連接請求，給出呼叫方和被呼方的名字A和B。這樣PA和PB就可為A和B建立一個(gè)虛連接，后面的通信可以通過(guò)A-PA-PB-B這條鏈路進(jìn)行。

　　結束語(yǔ)

　　Internet 的發(fā)展促使了新的分布式多點(diǎn)視頻會(huì )議解決方案的出現，分布式解決方案與電路交換網(wǎng)絡(luò )中的集中式方案有很大區別。作為群組計算的一個(gè)重要應用，分布式多點(diǎn)視頻會(huì )議系統會(huì )得到新的群組通信技術(shù)的進(jìn)一步支持，如：更理想的多播路由算法和協(xié)議；能適應復雜網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的資源預留和信息過(guò)濾技術(shù)；可靠有序的通信保障；針對會(huì )議系統應用的支持。然而，如何最有效地使用這些支持來(lái)適應視頻會(huì )議中復雜、多樣的需求將繼續是我們的研究主題。

中寬網(wǎng)

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