基于分组网的多媒体视听业务的发展

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一、引 言

——随着ITU-T H.323建议的出台，基于分组网的多媒体业务越来越受到重视。在IP上传送语音、视频和数据比现有的电路交换网有着更为广阔的发展空间。然而由于IP本身存在的问题阻止了其迅速占有市场，因此完全取代电路交换尚待时日。本文将从应用的角度来谈谈其发展。
二、分组网和电路交换网上多媒体应用的比较
——1.分组网和电路交换网的重要不同
——（1）电路交换网，以ISDN为例，是全双工服务，支持连续双向的比特流。例如，有一个128kbit/s的链接，在通信过程中任何时刻，任何方向上都会得到128kbit/s的数据流。数据是以可预知的时间和顺序到达接收端的。这非常有利于视频/音频这样对时间敏感的信息的传输。
——（2）分组网最初设计为传送bursty数据包。在传输过程中，会发生不可预知的数据“碰撞”和“交通”拥塞，因此数据包会丢失或被重发，也会有时延和抖动产生；另外，相同起始点的每个数据包传输路径不一定相同，到达接收端的顺序和时间也不定。显然这不利于视频/音频实时数据的传输。再有，分组网没有固定带宽和持续带宽的概念。目前，在IP上进行“一个128kbit/s的呼叫”不能保证得到连续的128kbit/s的数据流；并且数据传输是单向的（半双工），假如想在以太网上与其它终端进行128kbit/s的通信，则实际需要256kbit/s的带宽、128kbit/s发送、128kbit/s接收。
——2.分组网和电路交换网上多媒体应用的比较
——从上述分组网和电路交换网的特点分析，电路交换网比分组网更适合传送视频/音频实时数据。那么，是什么原因使人们越来越重视基于IP的多媒体应用呢？ITU-T H.323是基于分组的多媒体系统的标准。它促进了IP上多媒体业务的发展。
——（1）编码标准
——H.323为音频和视频数据建立了压缩/解压算法，规定所有H.323设备中，具有音频能力的必须（最少）支持G.711语音编码标准，具有视频能力的必须（最少）支持H.261图象编码标准。这样确保不同厂商的设备有共同遵循的标准，为互通提供了必要条件。
——（2）交互能力
——H.323标准中定义了网关（Gateway）和网守（Gatekeeper）。网关主要用于分组网和电路交换网（SCN）之间协议的转换，包括传输格式转换（ 如H.225.0～H.221）、通信流程转换（如H.245～H.242）、音频视频编码转换及在LAN端与SCN端执行呼叫建立和清除；网守的主要功能是治理带宽，并为终端和网守提供地址转换。这不仅使网络资源得到有效利用，也为信息的无缝传输提供了条件。
——（3）平台和应用的独立性
——H.323设备不受硬件和操作系统的限制。其平台可应用于各种形式：视频个人计算机、专用平台、IP电话、有线电视机顶盒等。可以说H.323设备可满足社会各层次的需要。
——（4）多点支持
——H.323不需多点控制单元（MCU）也可支持多点会议，多点控制能力可包含在H.323的其它实体（entity）中，如在一个多点会议的任一终端里。
——（5）多广播支持
——H.323支持多广播（Multicast）。多广播在网络上单向无返回地发送信息到目地端，所有站点读到的是一个单向数据流，因此多广播传输能更有效地利用带宽。
——（6）灵活性
——具有不同能力的H.323 终端可以互通。例如，只具有音频能力的终端在一个会议中能够与其它具有视频和数据能力的终端通信。再有，一个H.323终端能够与一个只具有数据传输能力的终端共享数据而同时与其它H.323终端共享音频、视频。
——分组网络最初设计为承载数据包，发生拥塞是自然的，这对传输实时数据不利。假如能克服这个缺点，将比电路交换网有更大的发展空间。例如，在分组网上很轻易实现多点会议、广播和多广播。并且由于它是建立在已普遍存在的网络结构上，企业、校园等内部的桌面系统和会议室都存在着LAN连接，因此省去了网络建设的初期投资，能更迅速的发展。
三、LAN上运行实时视听业务的几个问题及解决方案
——1.影响多媒体业务服务质量的的因素
——传统LAN网，包括以太（10Mbit/s）网和令牌环（4/16Mbit/s），设计为支持bursty数据包，而视频和音频是连续数据流，这些数据是连续的并且需要维持带宽。因此在LAN上传送实时数据流必然会引起质量下降。其主要原因如下所述。
——（1）带宽
——视频应用的带宽需求取决于：
——①帧/图像的大小；
——②图像帧频；
——③端点压缩/解压能力。
——若要满足一定的图象质量，既使用较好的压缩算法H.263，其视频数据量仍然远远大于其它应用，因此视频的加入对带宽提出更高的要求。IP网的数据传输是单向的，在LAN上要实现双向的384kbit/s的呼叫实际需要768kbit/s带宽。因此要实现实时双向的视频/音频传输，无形中加重了带宽负载。
——（2）丢包
——无论提供多少带宽，在共享网上的“碰撞”仍会影响服务质量。在任意时间内，不同网络段上存在各种类型的拥塞，因此传输过程中丢包不可避免。而视频和音频数据的实时性不答应其数据包重发，对接收端而言，数据包丢失率是质量的重要衡量指标。
——（3）时延
——影响QoS的另一个因素是在点对点传输中，数据包经历延时（这里主要指可变时延）的频率和持续时间。延时主要是由于交换或寻路时处理时间和排队时间造成的。500ms的延时会降低会议电视的质量，而相同的延时则不会对文件传输和电子邮件造成影响。假如时延不能解决，单纯通过增加交换来给每个用户提供更多的带宽并不能很好解决QoS问题。


——（4）抖动
——绝对时延，连续数据流对时延的变化敏感性，称为抖动。抖动源可能在工作平台上或网络上。在网络上，两端点间网络实体的缓存可能会溢出而引入时延；在工作平台上，当操作系统忙于其它工作（为保持解码运行平滑而填满去抖动缓存，引入更多延时）时可能会断续释放数据包。抖动影响语音/视频传送和会议水平。
——2.现有的解决方案
——针对上述问题，已经有相应的协议支持IP网上实时数据的传输，如RTP/RTCP、RSVP、UDP等；致力于开发H.323产品的厂商也不断采用新技术提高IP网上实时数据传输的质量。
——（1）协议介绍
——①资源预留协议（RSVP）
——RSVP（Resource Reservation Protocol）是IETF标准，运行在应用层。给实时数据流建立初始资源预留。当一个应用有服务质量的要求，RSVP将这个要求传送到路径中的每一个路由器，决定路由器是否支持这种服务水平。这样，RSVP使得基于路由器的网络象基于电路交换网一样得到最好的传输效果。RSVP的优点是可在任何物理层上工作，无论在互连网还是在企业网上都能提供点-点服务。
——协议的应用：首先协议检查确定服务器本身没有过载能够处理另一个视频流。很多因素影响这个决定，包括数据速率，希望的视频编码类型，用户需要的服务质量和服务器的响应能力。其次，检查所有连接到服务器上各网络段的数据，如视频等。通过限制各段上承载视频的数量，资源预留协议保证用户bursty数据服务接入到剩余频带。假如服务器和与它连接的网络段对加入视频都有过载的危险，协议会使服务器给用户发出“忙”信息。这种机制是建立传送需求服务的好连接。确保从一开始就不会出错。
——②实时协议/实时控制协议（RTP/RTCP）
——对于实时数据，RTP（Real-time Protocol）在每个包头加入时间和顺序信息。路由器看到信息，会优先处理这些数据包，减少由于排队引起的时延和抖动。即使偶而有丢包，音频和视频也能平滑传输。
——③用户数据报协议（UDP）
——UDP（User Datagram Protocol）工作于传输层，是一个面向无连接的协议。它提供的是不可靠服务，没有错误恢复能力。但它的格式和协议本身都很简单，因此效率高，这也是它应用于实时数据传输的原因。
——（2）新技术介绍
——①带宽的灵活治理
——增加带宽来提高网络的承载能力势在必行，网络的宽带化也是现今的发展趋势。从10Mbit/s以太发展到100Mbit/s快速以太，以至现在的千兆以太。增加带宽就是增加了网络的承载能力，有利于视频这样大信息量数据的传输，但是，单纯增加带宽并不是好的方法。因为再宽的带宽也不能承受迅速增长的网络负载。例如，给每个用户一个专用的10Mbit/s以太段，发送段和接收段通过高速骨干网（FDDI/CDDI、ATM、100BaseT、千兆以太）连接。这就象给每个人一个专用路段通向多道高速路一样。然而，持续增长的网络负载使这个自由空间越来越小，最终导致拥塞。这很自然会干扰传输，引起时延。因此，对带宽的灵活治理是很重要的。
——H.323定义了网守（Gatekeeper），它的一个重要功能是进行带宽治理。
————限制用户最大实时数据速率；
——限制用户数据速率到需要的水平，只要保证需求的服务质量即可。避免由于大的数据量造成缓存溢出或CPU过载中断而丢包。
————限制一个网络段上最大实时数据速率；
——由于网络上不仅要传送实时数据，还要承载大量其它类型的数据包。因此需要将一个网络段上的实时数据速率限制到一定范围内，确保其它类型的数据不会因为过多的实时数据而中断传输或使用户等待不能忍受的长时间，这同样也造成了分组网服务质量的下降。
————将LAN上实时数据速率总和限制到带宽一定比例以内；
——这一限制与上述功能相仿，只是针对整个LAN而言。
————限制网上同时进行实时通信用户的数量。
——在有限的带宽内如何为已经进行实时通信的用户提供服务质量保证呢？在带宽不够的情况下，拒绝新的视频会议的申请。通过限制网上同时进行视频会议用户的数量，来为用户提供必要的服务质量。
——通过以上措施，带宽得到有效治理，减少传输过程中的丢包、延时和抖动，提高了分组网对实时数据的服务质量。
——②多广播（Multicast）的应用
——多广播技术是指在网上数据由一个源端点单向传送到多个目的端点。应用这项技术最大的好处是节省带宽。由于多广播数据是单向传输，对于实时双向的视频会议而言节省了一半带宽。一些产品在终端上增加多点控制功能，形成交互式多广播。这种技术的特点是数据仍为单向传输，在需要时由主席控制切换广播数据流向。对于与会站点而言，既实现了视频会议的交互性，又节省了带宽。再有，许多视频应用于共享实况广播和实况录像，即将录制好的信息播放出去。服务器为每个数据包设置了多广播比特位。所有这些设置了标志位的数据包都前向传送到网络上所有节点，即使只有少部分节点需要这些信息。为确保每个想得到视频数据流的设备都能接入而提供大量多广播视频通道，增大了多视频流，最终导致网络过载。选择性的多广播通过控制网络上的音频、视频流来节省带宽。当一个客户需要接入到某一视频通道，只有这个网络段承载视频流。接收视频流的网络段通过带宽预留协议而保证不过载。选择性的多广播成为GARP（Group Address Registration Protocol）IEEE802.1标准的一部分。
——③输出队列优先级设置
——网络治理者将数据通道分成几个等级，按优先级顺序提供带宽。高优先级应用先得到所需带宽。用户输出队列定义多个队列，每一个上标注总带宽。例如，用户输出队列给某一Novell 网上应用，定义其包交换能力为在任何时刻接收总带宽的40％；为确保平滑接收，使用在IP上的视频会议标注总带宽的30％；而其它应用共享剩下的30％。当视频会议资源贫乏时，从其它任务上拨取。路由器上这种功能的延时是可以忽略的，因为只检查包头标志。给队列加权限是保证为某些急时服务提供急需带宽。


——④增大缓存，提高寻路速度
——除了上述网络治理技术的提高和软件应用的改进之外，对网络上各实体硬件技术的提高与改进也是必要的。如用高速交换路由器代替传统路由器，加快寻路时间，减少时延；增大队列的缓存，降低因过载而溢出的比率，减少丢失数据包。
四、市场发展前景
——分组交换并不是新技术，但在其上同时运行音频、视频和数据，实现多媒体业务还面临着很大挑战。从现在发展来看，带宽似乎已不是大问题，而如何治理带宽，引入各种新技术减小时延、丢包和抖动给实时数据带来的影响是很要害的。
——电路交换网对实时数据传输的可靠性，各种高速接入技术的发展以及IP本身存在的问题都阻碍其迅速占有市场，若要取代电路交换网尚需时日。然而，H.323产品最终是否能成为市场主流呢？笔者想答案是肯定的：
——1.H.323是建立在已有网络结构（如IP网）上的多媒体系统的标准。补偿了LAN潜在不定因素的影响，答应用户在不更改网络基础结构的情况下应用多媒体业务。这样节省了网络建设的初期投资，更易于向市场推广。
——2.现在，LAN的发展很迅速，带宽的不断增加使其更具有强有力承载大量实时数据。以太带宽从10Mbit/s升级到100Mbit/s，而千兆以太已在市场崭露头脚。带宽的增加使网络的承载能力提高。
——3.通过提供设备-设备、应用-应用、厂商-厂商的交互能力，答应不同厂商的产品间能互通。
——4.由于PC机更快的处理器、增强的指令设置和强大的多媒体加速芯片使其正在成为更强大的多媒体平台。端点能力的提高使视频会议可采用桌面系统，已有的企业网和校园网就可以有效利用，而不用花资金另建新网。
——5.H.323提供了LAN与其它网络间的互通标准，在现在多网共存的情况下可充分利用网络资源。
——6.能治理网络负载，从而保证服务质量。网络治理者能够限制会议的带宽。多广播支持也能减少带宽需求。
——7.还有一个不容忽视的原因：H.323得到许多计算机和通信公司的支持，包括Intel、Microsoft、Cisco和IBM。