基于分組網(wǎng)的多媒體視聽業(yè)務的發(fā)展

張 薇

摘   要 對基于分組網(wǎng)和基于電路交換網(wǎng)的多媒體應用進行了比較，討論了在LAN上運行實時視聽業(yè)務的幾個主要問題和現(xiàn)有的解決方案以及其市場發(fā)展前景。介紹了ITU-T H.323建議在多媒體視聽業(yè)務中的應用。

關鍵詞 分組網(wǎng) 多媒體視聽業(yè)務 LAN

一、引 言

——隨著ITU-T H.323建議的出臺，基于分組網(wǎng)的多媒體業(yè)務越來越受到重視。在IP上傳送語音、視頻和數(shù)據(jù)比現(xiàn)有的電路交換網(wǎng)有著更為廣闊的發(fā)展空間。然而由于IP本身存在的問題阻止了其迅速占有市場，因此完全取代電路交換尚待時日。本文將從應用的角度來談談其發(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，支持連續(xù)雙向的比特流。例如，有一個128kbit/s的鏈接，在通信過程中任何時刻，任何方向上都會得到128kbit/s的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)是以可預知的時間和順序到達接收端的。這非常有利于視頻/音頻這樣對時間敏感的信息的傳輸。

——（2）分組網(wǎng)最初設計為傳送bursty數(shù)據(jù)包。在傳輸過程中，會發(fā)生不可預知的數(shù)據(jù)“碰撞”和“交通”擁塞，因此數(shù)據(jù)包會丟失或被重發(fā)，也會有時延和抖動產(chǎn)生；另外，相同起始點的每個數(shù)據(jù)包傳輸路徑不一定相同，到達接收端的順序和時間也不定。顯然這不利于視頻/音頻實時數(shù)據(jù)的傳輸。再有，分組網(wǎng)沒有固定帶寬和持續(xù)帶寬的概念。目前，在IP上進行“一個128kbit/s的呼叫”不能保證得到連續(xù)的128kbit/s的數(shù)據(jù)流；并且數(shù)據(jù)傳輸是單向的（半雙工），如果想在以太網(wǎng)上與其它終端進行128kbit/s的通信，則實際需要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)的特點分析，電路交換網(wǎng)比分組網(wǎng)更適合傳送視頻/音頻實時數(shù)據(jù)。那么，是什么原因使人們越來越重視基于IP的多媒體應用呢？ITU-T H.323是基于分組的多媒體系統(tǒng)的標準。它促進了IP上多媒體業(yè)務的發(fā)展。

——（1）編碼標準

——H.323為音頻和視頻數(shù)據(jù)建立了壓縮/解壓算法，規(guī)定所有H.323設備中，具有音頻能力的必須（最少）支持G.711語音編碼標準，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（Gateway）和網(wǎng)守（Gatekeeper）。網(wǎng)關主要用于分組網(wǎng)和電路交換網(wǎng)（SCN）之間協(xié)議的轉(zhuǎn)換，包括傳輸格式轉(zhuǎn)換（ 如H.225.0～H.221）、通信流程轉(zhuǎn)換（如H.245～H.242）、音頻視頻編碼轉(zhuǎn)換及在LAN端與SCN端執(zhí)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(zhuǎn)換。這不僅使網(wǎng)絡資源得到有效利用，也為信息的無縫傳輸提供了條件。

——（3）平臺和應用的獨立性

——H.323設備不受硬件和操作系統(tǒng)的限制。其平臺可應用于各種形式：視頻個人計算機、專用平臺、IP電話、有線電視機頂盒等�？梢哉fH.323設備可滿足社會各層次的需要。

——（4）多點支持

——H.323不需多點控制單元（MCU）也可支持多點會議，多點控制能力可包含在H.323的其它實體（entity）中，如在一個多點會議的任一終端里。

——（5）多廣播支持

——H.323支持多廣播（Multicast）。多廣播在網(wǎng)絡上單向無返回地發(fā)送信息到目地端，所有站點讀到的是一個單向數(shù)據(jù)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會議中能夠與其它具有視頻和數(shù)據(jù)能力的終端通信。再有，一個H.323終端能夠與一個只具有數(shù)據(jù)傳輸能力的終端共享數(shù)據(jù)而同時與其它H.323終端共享音頻、視頻。

——分組網(wǎng)絡最初設計為承載數(shù)據(jù)包，發(fā)生擁塞是自然的，這對傳輸實時數(shù)據(jù)不利。如果能克服這個缺點，將比電路交換網(wǎng)有更大的發(fā)展空間。例如，在分組網(wǎng)上很容易實現(xiàn)多點會議、廣播和多廣播。并且由于它是建立在已普遍存在的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上，企業(yè)、校園等內(nèi)部的桌面系統(tǒng)和會議室都存在著LAN連接，因此省去了網(wǎng)絡建設的初期投資，能更迅速的發(fā)展。

三、LAN上運行實時視聽業(yè)務的幾個問題及解決方案

——1.影響多媒體業(yè)務服務質(zhì)量的的因素

——傳統(tǒng)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(shù)據(jù)包，而視頻和音頻是連續(xù)數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)是連續(xù)的并且需要維持帶寬。因此在LAN上傳送實時數(shù)據(jù)流必然會引起質(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��；

——②圖像幀頻；

——③端點壓縮/解壓能力。

——若要滿足一定的圖象質(zhì)量，既使用較好的壓縮算法H.263，其視頻數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸是單向的，在LAN上要實現(xiàn)雙向的384kbit/s的呼叫實際需要768kbit/s帶寬。因此要實現(xiàn)實時雙向的視頻/音頻傳輸，無形中加重了帶寬負載。

——（2）丟包

——無論提供多少帶寬，在共享網(wǎng)上的“碰撞”仍會影響服務質(zhì)量。在任意時間內(nèi)，不同網(wǎng)絡段上存在各種類型的擁塞，因此傳輸過程中丟包不可避免。而視頻和音頻數(shù)據(jù)的實時性不允許其數(shù)據(jù)包重發(fā)，對接收端而言，數(shù)據(jù)包丟失率是質(zhì)量的重要衡量指標。

——（3）時延

——影響QoS的另一個因素是在點對點傳輸中，數(shù)據(jù)包經(jīng)歷延時（這里主要指可變時延）的頻率和持續(xù)時間。延時主要是由于交換或?qū)ぢ窌r處理時間和排隊時間造成的。500ms的延時會降低會議電視的質(zhì)量，而相同的延時則不會對文件傳輸和電子郵件造成影響。如果時延不能解決，單純通過增加交換來給每個用戶提供更多的帶寬并不能很好解決QoS問題。

——（4）抖動

——絕對時延，連續(xù)數(shù)據(jù)流對時延的變化敏感性，稱為抖動。抖動源可能在工作平臺上或網(wǎng)絡上。在網(wǎng)絡上，兩端點間網(wǎng)絡實體的緩存可能會溢出而引入時延；在工作平臺上，當操作系統(tǒng)忙于其它工作（為保持解碼運行平滑而填滿去抖動緩存，引入更多延時）時可能會斷續(xù)釋放數(shù)據(jù)包。抖動影響語音/視頻傳送和會議水平。

——2.現(xiàn)有的解決方案

——針對上述問題，已經(jīng)有相應的協(xié)議支持IP網(wǎng)上實時數(shù)據(jù)的傳輸，如RTP/RTCP、RSVP、UDP等；致力于開發(fā)H.323產(chǎn)品的廠商也不斷采用新技術提高IP網(wǎng)上實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(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。給實時數(shù)據(jù)流建立初始資源預留。當一個應用有服務質(zhì)量的要求，RSVP將這個要求傳送到路徑中的每一個路由器，決定路由器是否支持這種服務水平。這樣，RSVP使得基于路由器的網(wǎng)絡象基于電路交換網(wǎng)一樣得到最好的傳輸效果。RSVP的優(yōu)點是可在任何物理層上工作，無論在互連網(wǎng)還是在企業(yè)網(wǎng)上都能提供點-點服務。

——協(xié)議的應用：首先協(xié)議檢查確定服務器本身沒有過載能夠處理另一個視頻流。很多因素影響這個決定，包括數(shù)據(jù)速率，希望的視頻編碼類型，用戶需要的服務質(zhì)量和服務器的響應能力。其次，檢查所有連接到服務器上各網(wǎng)絡段的數(shù)據(jù)，如視頻等。通過限制各段上承載視頻的數(shù)量，資源預留協(xié)議保證用戶bursty數(shù)據(jù)服務接入到剩余頻帶。如果服務器和與它連接的網(wǎng)絡段對加入視頻都有過載的危險，協(xié)議會使服務器給用戶發(fā)出“忙”信息。這種機制是建立傳送需求服務的好連接。確保從一開始就不會出錯。

——②實時協(xié)議/實時控制協(xié)議（RTP/RTCP）

——對于實時數(shù)據(jù)，RTP（Real-time Protocol）在每個包頭加入時間和順序信息。路由器看到信息，會優(yōu)先處理這些數(shù)據(jù)包，減少由于排隊引起的時延和抖動。即使偶而有丟包，音頻和視頻也能平滑傳輸。

——③用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）

——UDP（User Datagram Protocol）工作于傳輸層，是一個面向無連接的協(xié)議。它提供的是不可靠服務，沒有錯誤恢復能力。但它的格式和協(xié)議本身都很簡單，因此效率高，這也是它應用于實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑颉?/p>

——（2）新技術介紹

——①帶寬的靈活管理

——增加帶寬來提高網(wǎng)絡的承載能力勢在必行，網(wǎng)絡的寬帶化也是現(xiàn)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(xiàn)在的千兆以太。增加帶寬就是增加了網(wǎng)絡的承載能力，有利于視頻這樣大信息量數(shù)據(jù)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的網(wǎng)絡負載。例如，給每個用戶一個專用的10Mbit/s以太段，發(fā)送段和接收段通過高速骨干網(wǎng)（FDDI/CDDI、ATM、100BaseT、千兆以太）連接。這就象給每個人一個專用路段通向多道高速路一樣。然而，持續(xù)增長的網(wǎng)絡負載使這個自由空間越來越小，最終導致?lián)砣＿@很自然會干擾傳輸，引起時延。因此，對帶寬的靈活管理是很重要的。

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

————限制用戶最大實時數(shù)據(jù)速率；

——限制用戶數(shù)據(jù)速率到需要的水平，只要保證需求的服務質(zhì)量即可。避免由于大的數(shù)據(jù)量造成緩存溢出或CPU過載中斷而丟包。

————限制一個網(wǎng)絡段上最大實時數(shù)據(jù)速率；

——由于網(wǎng)絡上不僅要傳送實時數(shù)據(jù)，還要承載大量其它類型的數(shù)據(jù)包。因此需要將一個網(wǎng)絡段上的實時數(shù)據(jù)速率限制到一定范圍內(nèi)，確保其它類型的數(shù)據(jù)不會因為過多的實時數(shù)據(jù)而中斷傳輸或使用戶等待不能忍受的長時間，這同樣也造成了分組網(wǎng)服務質(zhì)量的下降。

————將LAN上實時數(shù)據(jù)速率總和限制到帶寬一定比例以內(nèi)；

——這一限制與上述功能相仿，只是針對整個LAN而言。

————限制網(wǎng)上同時進行實時通信用戶的數(shù)量。

——在有限的帶寬內(nèi)如何為已經(jīng)進行實時通信的用戶提供服務質(zhì)量保證呢？在帶寬不夠的情況下，拒絕新的視頻會議的申請。通過限制網(wǎng)上同時進行視頻會議用戶的數(shù)量，來為用戶提供必要的服務質(zhì)量。

——通過以上措施，帶寬得到有效管理，減少傳輸過程中的丟包、延時和抖動，提高了分組網(wǎng)對實時數(shù)據(jù)的服務質(zhì)量。

——②多廣播（Multicast）的應用

——多廣播技術是指在網(wǎng)上數(shù)據(jù)由一個源端點單向傳送到多個目的端點。應用這項技術最大的好處是節(jié)省帶寬。由于多廣播數(shù)據(jù)是單向傳輸，對于實時雙向的視頻會議而言節(jié)省了一半帶寬。一些產(chǎn)品在終端上增加多點控制功能，形成交互式多廣播。這種技術的特點是數(shù)據(jù)仍為單向傳輸，在需要時由主席控制切換廣播數(shù)據(jù)流向。對于與會站點而言，既實現(xiàn)了視頻會議的交互性，又節(jié)省了帶寬。再有，許多視頻應用于共享實況廣播和實況錄像，即將錄制好的信息播放出去。服務器為每個數(shù)據(jù)包設置了多廣播比特位。所有這些設置了標志位的數(shù)據(jù)包都前向傳送到網(wǎng)絡上所有節(jié)點，即使只有少部分節(jié)點需要這些信息。為確保每個想得到視頻數(shù)據(jù)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)絡過載。選擇性的多廣播通過控制網(wǎng)絡上的音頻、視頻流來節(jié)省帶寬。當一個客戶需要接入到某一視頻通道，只有這個網(wǎng)絡段承載視頻流。接收視頻流的網(wǎng)絡段通過帶寬預留協(xié)議而保證不過載。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)絡管理者將數(shù)據(jù)通道分成幾個等級，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。用戶輸出隊列定義多個隊列，每一個上標注總帶寬。例如，用戶輸出隊列給某一Novell 網(wǎng)上應用，定義其包交換能力為在任何時刻接收總帶寬的40％；為確保平滑接收，使用在IP上的視頻會議標注總帶寬的30％；而其它應用共享剩下的30％。當視頻會議資源貧乏時，從其它任務上撥取。路由器上這種功能的延時是可以忽略的，因為只檢查包頭標志。給隊列加權限是保證為某些急時服務提供急需帶寬。

——④增大緩存，提高尋路速度

——除了上述網(wǎng)絡管理技術的提高和軟件應用的改進之外，對網(wǎng)絡上各實體硬件技術的提高與改進也是必要的。如用高速交換路由器代替?zhèn)鹘y(tǒng)路由器，加快尋路時間，減少時延；增大隊列的緩存，降低因過載而溢出的比率，減少丟失數(shù)據(jù)包。

四、市場發(fā)展前景

——分組交換并不是新技術，但在其上同時運行音頻、視頻和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多媒體業(yè)務還面臨著很大挑戰(zhàn)。從現(xiàn)在發(fā)展來看，帶寬似乎已不是大問題，而如何管理帶寬，引入各種新技術減小時延、丟包和抖動給實時數(shù)據(jù)帶來的影響是很關鍵的。

——電路交換網(wǎng)對實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，各種高速接入技術的發(fā)展以及IP本身存在的問題都阻礙其迅速占有市場，若要取代電路交換網(wǎng)尚需時日。然而，H.323產(chǎn)品最終是否能成為市場主流呢？筆者想答案是肯定的：

——1.H.323是建立在已有網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)（如IP網(wǎng)）上的多媒體系統(tǒng)的標準。補償了LAN潛在不定因素的影響，允許用戶在不更改網(wǎng)絡基礎結(jié)構(gòu)的情況下應用多媒體業(yè)務。這樣節(jié)省了網(wǎng)絡建設的初期投資，更易于向市場推廣。

——2.現(xiàn)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時數(shù)據(jù)。以太帶寬從10Mbit/s升級到100Mbit/s，而千兆以太已在市場嶄露頭腳。帶寬的增加使網(wǎng)絡的承載能力提高。

——3.通過提供設備-設備、應用-應用、廠商-廠商的交互能力，允許不同廠商的產(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。端點能力的提高使視頻會議可采用桌面系統(tǒng)，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)絡間的互通標準，在現(xiàn)在多網(wǎng)共存的情況下可充分利用網(wǎng)絡資源。

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

——7.還有一個不容忽視的原因：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