基于分組網(wǎng)的多媒體視聽(tīng)業(yè)務(wù)的發(fā)展

張 薇

摘   要 對基于分組網(wǎng)和基于電路交換網(wǎng)的多媒體應用進(jìn)行了比較，討論了在LAN上運行實(shí)時(shí)視聽(tīng)業(yè)務(wù)的幾個(gè)主要問(wèn)題和現有的解決方案以及其市場(chǎng)發(fā)展前景。介紹了ITU-T H.323建議在多媒體視聽(tīng)業(yè)務(wù)中的應用。

關(guān)鍵詞 分組網(wǎng) 多媒體視聽(tīng)業(yè)務(wù) LAN

一、引 言

——隨著(zhù)ITU-T H.323建議的出臺，基于分組網(wǎng)的多媒體業(yè)務(wù)越來(lái)越受到重視。在IP上傳送語(yǔ)音、視頻和數據比現有的電路交換網(wǎng)有著(zhù)更為廣闊的發(fā)展空間。然而由于IP本身存在的問(wèn)題阻止了其迅速占有市場(chǎng)，因此完全取代電路交換尚待時(shí)日。本文將從應用的角度來(lái)談?wù)勂浒l(fā)展。

二、分組網(wǎng)和電路交換網(wǎng)上多媒體應用的比較

——1.分組網(wǎng)和電路交換網(wǎng)的重要不同

——（1）電路交換網(wǎng)，以ISDN為例，是全雙工服務(wù)，支持連續雙向的比特流。例如，有一個(gè)128kbit/s的鏈接，在通信過(guò)程中任何時(shí)刻，任何方向上都會(huì )得到128kbit/s的數據流。數據是以可預知的時(shí)間和順序到達接收端的。這非常有利于視頻/音頻這樣對時(shí)間敏感的信息的傳輸。

——（2）分組網(wǎng)最初設計為傳送bursty數據包。在傳輸過(guò)程中，會(huì )發(fā)生不可預知的數據“碰撞”和“交通”擁塞，因此數據包會(huì )丟失或被重發(fā)，也會(huì )有時(shí)延和抖動(dòng)產(chǎn)生；另外，相同起始點(diǎn)的每個(gè)數據包傳輸路徑不一定相同，到達接收端的順序和時(shí)間也不定。顯然這不利于視頻/音頻實(shí)時(shí)數據的傳輸。再有，分組網(wǎng)沒(méi)有固定帶寬和持續帶寬的概念。目前，在IP上進(jìn)行“一個(gè)128kbit/s的呼叫”不能保證得到連續的128kbit/s的數據流；并且數據傳輸是單向的（半雙工），如果想在以太網(wǎng)上與其它終端進(jìn)行128kbit/s的通信，則實(shí)際需要256kbit/s的帶寬、128kbit/s發(fā)送、128kbit/s接收。

——2.分組網(wǎng)和電路交換網(wǎng)上多媒體應用的比較

——從上述分組網(wǎng)和電路交換網(wǎng)的特點(diǎn)分析，電路交換網(wǎng)比分組網(wǎng)更適合傳送視頻/音頻實(shí)時(shí)數據。那么，是什么原因使人們越來(lái)越重視基于IP的多媒體應用呢？ITU-T H.323是基于分組的多媒體系統的標準。它促進(jìn)了IP上多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展。

——（1）編碼標準

——H.323為音頻和視頻數據建立了壓縮/解壓算法，規定所有H.323設備中，具有音頻能力的必須（最少）支持G.711語(yǔ)音編碼標準，具有視頻能力的必須（最少）支持H.261圖象編碼標準。這樣確保不同廠(chǎng)商的設備有共同遵循的標準，為互通提供了必要條件。

——（2）交互能力

——H.323標準中定義了網(wǎng)關(guān)（Gateway）和網(wǎng)守（Gatekeeper）。網(wǎng)關(guān)主要用于分組網(wǎng)和電路交換網(wǎng)（SCN）之間協(xié)議的轉換，包括傳輸格式轉換（ 如H.225.0～H.221）、通信流程轉換（如H.245～H.242）、音頻視頻編碼轉換及在LAN端與SCN端執行呼叫建立和清除；網(wǎng)守的主要功能是管理帶寬，并為終端和網(wǎng)守提供地址轉換。這不僅使網(wǎng)絡(luò )資源得到有效利用，也為信息的無(wú)縫傳輸提供了條件。

——（3）平臺和應用的獨立性

——H.323設備不受硬件和操作系統的限制。其平臺可應用于各種形式：視頻個(gè)人計算機、專(zhuān)用平臺、IP電話(huà)、有線(xiàn)電視機頂盒等。可以說(shuō)H.323設備可滿(mǎn)足社會(huì )各層次的需要。

——（4）多點(diǎn)支持

——H.323不需多點(diǎn)控制單元（MCU）也可支持多點(diǎn)會(huì )議，多點(diǎn)控制能力可包含在H.323的其它實(shí)體（entity）中，如在一個(gè)多點(diǎn)會(huì )議的任一終端里。

——（5）多廣播支持

——H.323支持多廣播（Multicast）。多廣播在網(wǎng)絡(luò )上單向無(wú)返回地發(fā)送信息到目地端，所有站點(diǎn)讀到的是一個(gè)單向數據流，因此多廣播傳輸能更有效地利用帶寬。

——（6）靈活性

——具有不同能力的H.323 終端可以互通。例如，只具有音頻能力的終端在一個(gè)會(huì )議中能夠與其它具有視頻和數據能力的終端通信。再有，一個(gè)H.323終端能夠與一個(gè)只具有數據傳輸能力的終端共享數據而同時(shí)與其它H.323終端共享音頻、視頻。

——分組網(wǎng)絡(luò )最初設計為承載數據包，發(fā)生擁塞是自然的，這對傳輸實(shí)時(shí)數據不利。如果能克服這個(gè)缺點(diǎn)，將比電路交換網(wǎng)有更大的發(fā)展空間。例如，在分組網(wǎng)上很容易實(shí)現多點(diǎn)會(huì )議、廣播和多廣播。并且由于它是建立在已普遍存在的網(wǎng)絡(luò )結構上，企業(yè)、校園等內部的桌面系統和會(huì )議室都存在著(zhù)LAN連接，因此省去了網(wǎng)絡(luò )建設的初期投資，能更迅速的發(fā)展。

三、LAN上運行實(shí)時(shí)視聽(tīng)業(yè)務(wù)的幾個(gè)問(wèn)題及解決方案

——1.影響多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的的因素

——傳統LAN網(wǎng)，包括以太（10Mbit/s）網(wǎng)和令牌環(huán)（4/16Mbit/s），設計為支持bursty數據包，而視頻和音頻是連續數據流，這些數據是連續的并且需要維持帶寬。因此在LAN上傳送實(shí)時(shí)數據流必然會(huì )引起質(zhì)量下降。其主要原因如下所述。

——（1）帶寬

——視頻應用的帶寬需求取決于：

——①幀/圖像的大小；

——②圖像幀頻；

——③端點(diǎn)壓縮/解壓能力。

——若要滿(mǎn)足一定的圖象質(zhì)量，既使用較好的壓縮算法H.263，其視頻數據量仍然遠遠大于其它應用，因此視頻的加入對帶寬提出更高的要求。IP網(wǎng)的數據傳輸是單向的，在LAN上要實(shí)現雙向的384kbit/s的呼叫實(shí)際需要768kbit/s帶寬。因此要實(shí)現實(shí)時(shí)雙向的視頻/音頻傳輸，無(wú)形中加重了帶寬負載。

——（2）丟包

——無(wú)論提供多少帶寬，在共享網(wǎng)上的“碰撞”仍會(huì )影響服務(wù)質(zhì)量。在任意時(shí)間內，不同網(wǎng)絡(luò )段上存在各種類(lèi)型的擁塞，因此傳輸過(guò)程中丟包不可避免。而視頻和音頻數據的實(shí)時(shí)性不允許其數據包重發(fā)，對接收端而言，數據包丟失率是質(zhì)量的重要衡量指標。

——（3）時(shí)延

——影響QoS的另一個(gè)因素是在點(diǎn)對點(diǎn)傳輸中，數據包經(jīng)歷延時(shí)（這里主要指可變時(shí)延）的頻率和持續時(shí)間。延時(shí)主要是由于交換或尋路時(shí)處理時(shí)間和排隊時(shí)間造成的。500ms的延時(shí)會(huì )降低會(huì )議電視的質(zhì)量，而相同的延時(shí)則不會(huì )對文件傳輸和電子郵件造成影響。如果時(shí)延不能解決，單純通過(guò)增加交換來(lái)給每個(gè)用戶(hù)提供更多的帶寬并不能很好解決QoS問(wèn)題。

——（4）抖動(dòng)

——絕對時(shí)延，連續數據流對時(shí)延的變化敏感性，稱(chēng)為抖動(dòng)。抖動(dòng)源可能在工作平臺上或網(wǎng)絡(luò )上。在網(wǎng)絡(luò )上，兩端點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò )實(shí)體的緩存可能會(huì )溢出而引入時(shí)延；在工作平臺上，當操作系統忙于其它工作（為保持解碼運行平滑而填滿(mǎn)去抖動(dòng)緩存，引入更多延時(shí)）時(shí)可能會(huì )斷續釋放數據包。抖動(dòng)影響語(yǔ)音/視頻傳送和會(huì )議水平。

——2.現有的解決方案

——針對上述問(wèn)題，已經(jīng)有相應的協(xié)議支持IP網(wǎng)上實(shí)時(shí)數據的傳輸，如RTP/RTCP、RSVP、UDP等；致力于開(kāi)發(fā)H.323產(chǎn)品的廠(chǎng)商也不斷采用新技術(shù)提高IP網(wǎng)上實(shí)時(shí)數據傳輸的質(zhì)量。

——（1）協(xié)議介紹

——①資源預留協(xié)議（RSVP）

——RSVP（Resource Reservation Protocol）是IETF標準，運行在應用層。給實(shí)時(shí)數據流建立初始資源預留。當一個(gè)應用有服務(wù)質(zhì)量的要求，RSVP將這個(gè)要求傳送到路徑中的每一個(gè)路由器，決定路由器是否支持這種服務(wù)水平。這樣，RSVP使得基于路由器的網(wǎng)絡(luò )象基于電路交換網(wǎng)一樣得到最好的傳輸效果。RSVP的優(yōu)點(diǎn)是可在任何物理層上工作，無(wú)論在互連網(wǎng)還是在企業(yè)網(wǎng)上都能提供點(diǎn)-點(diǎn)服務(wù)。

——協(xié)議的應用：首先協(xié)議檢查確定服務(wù)器本身沒(méi)有過(guò)載能夠處理另一個(gè)視頻流。很多因素影響這個(gè)決定，包括數據速率，希望的視頻編碼類(lèi)型，用戶(hù)需要的服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)器的響應能力。其次，檢查所有連接到服務(wù)器上各網(wǎng)絡(luò )段的數據，如視頻等。通過(guò)限制各段上承載視頻的數量，資源預留協(xié)議保證用戶(hù)bursty數據服務(wù)接入到剩余頻帶。如果服務(wù)器和與它連接的網(wǎng)絡(luò )段對加入視頻都有過(guò)載的危險，協(xié)議會(huì )使服務(wù)器給用戶(hù)發(fā)出“忙”信息。這種機制是建立傳送需求服務(wù)的好連接。確保從一開(kāi)始就不會(huì )出錯。

——②實(shí)時(shí)協(xié)議/實(shí)時(shí)控制協(xié)議（RTP/RTCP）

——對于實(shí)時(shí)數據，RTP（Real-time Protocol）在每個(gè)包頭加入時(shí)間和順序信息。路由器看到信息，會(huì )優(yōu)先處理這些數據包，減少由于排隊引起的時(shí)延和抖動(dòng)。即使偶而有丟包，音頻和視頻也能平滑傳輸。

——③用戶(hù)數據報協(xié)議（UDP）

——UDP（User Datagram Protocol）工作于傳輸層，是一個(gè)面向無(wú)連接的協(xié)議。它提供的是不可靠服務(wù)，沒(méi)有錯誤恢復能力。但它的格式和協(xié)議本身都很簡(jiǎn)單，因此效率高，這也是它應用于實(shí)時(shí)數據傳輸的原因。

——（2）新技術(shù)介紹

——①帶寬的靈活管理

——增加帶寬來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )的承載能力勢在必行，網(wǎng)絡(luò )的寬帶化也是現今的發(fā)展趨勢。從10Mbit/s以太發(fā)展到100Mbit/s快速以太，以至現在的千兆以太。增加帶寬就是增加了網(wǎng)絡(luò )的承載能力，有利于視頻這樣大信息量數據的傳輸，但是，單純增加帶寬并不是好的方法。因為再寬的帶寬也不能承受迅速增長(cháng)的網(wǎng)絡(luò )負載。例如，給每個(gè)用戶(hù)一個(gè)專(zhuān)用的10Mbit/s以太段，發(fā)送段和接收段通過(guò)高速骨干網(wǎng)（FDDI/CDDI、ATM、100BaseT、千兆以太）連接。這就象給每個(gè)人一個(gè)專(zhuān)用路段通向多道高速路一樣。然而，持續增長(cháng)的網(wǎng)絡(luò )負載使這個(gè)自由空間越來(lái)越小，最終導致?lián)砣�。這很自然會(huì )干擾傳輸，引起時(shí)延。因此，對帶寬的靈活管理是很重要的。

——H.323定義了網(wǎng)守（Gatekeeper），它的一個(gè)重要功能是進(jìn)行帶寬管理。

————限制用戶(hù)最大實(shí)時(shí)數據速率；

——限制用戶(hù)數據速率到需要的水平，只要保證需求的服務(wù)質(zhì)量即可。避免由于大的數據量造成緩存溢出或CPU過(guò)載中斷而丟包。

————限制一個(gè)網(wǎng)絡(luò )段上最大實(shí)時(shí)數據速率；

——由于網(wǎng)絡(luò )上不僅要傳送實(shí)時(shí)數據，還要承載大量其它類(lèi)型的數據包。因此需要將一個(gè)網(wǎng)絡(luò )段上的實(shí)時(shí)數據速率限制到一定范圍內，確保其它類(lèi)型的數據不會(huì )因為過(guò)多的實(shí)時(shí)數據而中斷傳輸或使用戶(hù)等待不能忍受的長(cháng)時(shí)間，這同樣也造成了分組網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的下降。

————將LAN上實(shí)時(shí)數據速率總和限制到帶寬一定比例以?xún)龋?/p>

——這一限制與上述功能相仿，只是針對整個(gè)LAN而言。

————限制網(wǎng)上同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信用戶(hù)的數量。

——在有限的帶寬內如何為已經(jīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的用戶(hù)提供服務(wù)質(zhì)量保證呢？在帶寬不夠的情況下，拒絕新的視頻會(huì )議的申請。通過(guò)限制網(wǎng)上同時(shí)進(jìn)行視頻會(huì )議用戶(hù)的數量，來(lái)為用戶(hù)提供必要的服務(wù)質(zhì)量。

——通過(guò)以上措施，帶寬得到有效管理，減少傳輸過(guò)程中的丟包、延時(shí)和抖動(dòng)，提高了分組網(wǎng)對實(shí)時(shí)數據的服務(wù)質(zhì)量。

——②多廣播（Multicast）的應用

——多廣播技術(shù)是指在網(wǎng)上數據由一個(gè)源端點(diǎn)單向傳送到多個(gè)目的端點(diǎn)。應用這項技術(shù)最大的好處是節省帶寬。由于多廣播數據是單向傳輸，對于實(shí)時(shí)雙向的視頻會(huì )議而言節省了一半帶寬。一些產(chǎn)品在終端上增加多點(diǎn)控制功能，形成交互式多廣播。這種技術(shù)的特點(diǎn)是數據仍為單向傳輸，在需要時(shí)由主席控制切換廣播數據流向。對于與會(huì )站點(diǎn)而言，既實(shí)現了視頻會(huì )議的交互性，又節省了帶寬。再有，許多視頻應用于共享實(shí)況廣播和實(shí)況錄像，即將錄制好的信息播放出去。服務(wù)器為每個(gè)數據包設置了多廣播比特位。所有這些設置了標志位的數據包都前向傳送到網(wǎng)絡(luò )上所有節點(diǎn)，即使只有少部分節點(diǎn)需要這些信息。為確保每個(gè)想得到視頻數據流的設備都能接入而提供大量多廣播視頻通道，增大了多視頻流，最終導致網(wǎng)絡(luò )過(guò)載。選擇性的多廣播通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò )上的音頻、視頻流來(lái)節省帶寬。當一個(gè)客戶(hù)需要接入到某一視頻通道，只有這個(gè)網(wǎng)絡(luò )段承載視頻流。接收視頻流的網(wǎng)絡(luò )段通過(guò)帶寬預留協(xié)議而保證不過(guò)載。選擇性的多廣播成為GARP（Group Address Registration Protocol）IEEE802.1標準的一部分。

——③輸出隊列優(yōu)先級設置

——網(wǎng)絡(luò )管理者將數據通道分成幾個(gè)等級，按優(yōu)先級順序提供帶寬。高優(yōu)先級應用先得到所需帶寬。用戶(hù)輸出隊列定義多個(gè)隊列，每一個(gè)上標注總帶寬。例如，用戶(hù)輸出隊列給某一Novell 網(wǎng)上應用，定義其包交換能力為在任何時(shí)刻接收總帶寬的40％；為確保平滑接收，使用在IP上的視頻會(huì )議標注總帶寬的30％；而其它應用共享剩下的30％。當視頻會(huì )議資源貧乏時(shí)，從其它任務(wù)上撥取。路由器上這種功能的延時(shí)是可以忽略的，因為只檢查包頭標志。給隊列加權限是保證為某些急時(shí)服務(wù)提供急需帶寬。

——④增大緩存，提高尋路速度

——除了上述網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)的提高和軟件應用的改進(jìn)之外，對網(wǎng)絡(luò )上各實(shí)體硬件技術(shù)的提高與改進(jìn)也是必要的。如用高速交換路由器代替傳統路由器，加快尋路時(shí)間，減少時(shí)延；增大隊列的緩存，降低因過(guò)載而溢出的比率，減少丟失數據包。

四、市場(chǎng)發(fā)展前景

——分組交換并不是新技術(shù)，但在其上同時(shí)運行音頻、視頻和數據，實(shí)現多媒體業(yè)務(wù)還面臨著(zhù)很大挑戰。從現在發(fā)展來(lái)看，帶寬似乎已不是大問(wèn)題，而如何管理帶寬，引入各種新技術(shù)減小時(shí)延、丟包和抖動(dòng)給實(shí)時(shí)數據帶來(lái)的影響是很關(guān)鍵的。

——電路交換網(wǎng)對實(shí)時(shí)數據傳輸的可靠性，各種高速接入技術(shù)的發(fā)展以及IP本身存在的問(wèn)題都阻礙其迅速占有市場(chǎng)，若要取代電路交換網(wǎng)尚需時(shí)日。然而，H.323產(chǎn)品最終是否能成為市場(chǎng)主流呢？筆者想答案是肯定的：

——1.H.323是建立在已有網(wǎng)絡(luò )結構（如IP網(wǎng)）上的多媒體系統的標準。補償了LAN潛在不定因素的影響，允許用戶(hù)在不更改網(wǎng)絡(luò )基礎結構的情況下應用多媒體業(yè)務(wù)。這樣節省了網(wǎng)絡(luò )建設的初期投資，更易于向市場(chǎng)推廣。

——2.現在，LAN的發(fā)展很迅速，帶寬的不斷增加使其更具有強有力承載大量實(shí)時(shí)數據。以太帶寬從10Mbit/s升級到100Mbit/s，而千兆以太已在市場(chǎng)嶄露頭腳。帶寬的增加使網(wǎng)絡(luò )的承載能力提高。

——3.通過(guò)提供設備-設備、應用-應用、廠(chǎng)商-廠(chǎng)商的交互能力，允許不同廠(chǎng)商的產(chǎn)品間能互通。

——4.由于PC機更快的處理器、增強的指令設置和強大的多媒體加速芯片使其正在成為更強大的多媒體平臺。端點(diǎn)能力的提高使視頻會(huì )議可采用桌面系統，已有的企業(yè)網(wǎng)和校園網(wǎng)就可以有效利用，而不用花資金另建新網(wǎng)。

——5.H.323提供了LAN與其它網(wǎng)絡(luò )間的互通標準，在現在多網(wǎng)共存的情況下可充分利用網(wǎng)絡(luò )資源。

——6.能管理網(wǎng)絡(luò )負載，從而保證服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò )管理者能夠限制會(huì )議的帶寬。多廣播支持也能減少帶寬需求。

——7.還有一個(gè)不容忽視的原因：H.323得到許多計算機和通信公司的支持，包括Intel、Microsoft、Cisco和IBM。

《計算機世界》2000/09