基于分組網(wǎng)的多媒體視聽業(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(yīng)用進(jìn)行了比較，討論了在LAN上運(yùn)行實(shí)時視聽業(yè)務(wù)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(wù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 分組網(wǎng) 多媒體視聽業(yè)務(wù) 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(wù)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(yīng)用的角度來談?wù)勂浒l(fā)展。

二、分組網(wǎng)和電路交換網(wǎng)上多媒體應(yīng)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(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(yù)知的時間和順序到達(dá)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(shè)計(jì)為傳送bursty數(shù)據(jù)包。在傳輸過程中，會發(fā)生不可預(yù)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(diǎn)的每個數(shù)據(jù)包傳輸路徑不一定相同，到達(dá)接收端的順序和時間也不定。顯然這不利于視頻/音頻實(shí)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(jìn)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(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(yīng)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(yīng)用呢？ITU-T H.323是基于分組的多媒體系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。它促進(jìn)了IP上多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展。

——（1）編碼標(biāo)準(zhǔn)

——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(shè)備中，具有音頻能力的必須（最少）支持G.711語音編碼標(biāo)準(zhǔn)，具有視頻能力的必須（最少）支持H.261圖象編碼標(biāo)準(zhǔn)。這樣確保不同廠商的設(shè)備有共同遵循的標(biāo)準(zhǔn)，為互通提供了必要條件。

——（2）交互能力

——H.323標(biāo)準(zhǔn)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(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(luò)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(yīng)用的獨(dú)立性

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

——（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，如在一個多點(diǎn)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(luò)上單向無返回地發(fā)送信息到目地端，所有站點(diǎn)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(luò)最初設(shè)計(jì)為承載數(shù)據(jù)包，發(fā)生擁塞是自然的，這對傳輸實(shí)時數(shù)據(jù)不利。如果能克服這個缺點(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(xiàn)多點(diǎn)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(luò)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(luò)建設(shè)的初期投資，能更迅速的發(fā)展。

三、LAN上運(yùn)行實(shí)時視聽業(yè)務(wù)的幾個問題及解決方案

——1.影響多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的的因素

——傳統(tǒng)LAN網(wǎng)，包括以太（10Mbit/s）網(wǎng)和令牌環(huán)（4/16Mbit/s），設(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)用的帶寬需求取決于：

——①幀/圖像的大��；

——②圖像幀頻；

——③端點(diǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它應(yīng)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(shí)現(xiàn)雙向的384kbit/s的呼叫實(shí)際需要768kbit/s帶寬。因此要實(shí)現(xiàn)實(shí)時雙向的視頻/音頻傳輸，無形中加重了帶寬負(fù)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(wù)質(zhì)量。在任意時間內(nèi)，不同網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(biāo)。

——（3）時延

——影響QoS的另一個因素是在點(diǎn)對點(diǎn)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(duì)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(luò)上。在網(wǎng)絡(luò)上，兩端點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的緩存可能會溢出而引入時延；在工作平臺上，當(dāng)操作系統(tǒng)忙于其它工作（為保持解碼運(yùn)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(yīng)的協(xié)議支持IP網(wǎng)上實(shí)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(shù)提高IP網(wǎng)上實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

——（1）協(xié)議介紹

——①資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）

——RSVP（Resource Reservation Protocol）是IETF標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行在應(yīng)用層。給實(shí)時數(shù)據(jù)流建立初始資源預(yù)留。當(dāng)一個應(yīng)用有服務(wù)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(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(yīng)用：首先協(xié)議檢查確定服務(wù)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(wù)質(zhì)量和服務(wù)器的響應(yīng)能力。其次，檢查所有連接到服務(wù)器上各網(wǎng)絡(luò)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(yù)留協(xié)議保證用戶bursty數(shù)據(jù)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載的危險(xiǎn)，協(xié)議會使服務(wù)器給用戶發(fā)出“忙”信息。這種機(jī)制是建立傳送需求服務(wù)的好連接。確保從一開始就不會出錯。

——②實(shí)時協(xié)議/實(shí)時控制協(xié)議（RTP/RTCP）

——對于實(shí)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(duì)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(bào)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(wù)，沒有錯誤恢復(fù)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(yīng)用于實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑颉?/p>

——（2）新技術(shù)介紹

——①帶寬的靈活管理

——增加帶寬來提高網(wǎng)絡(luò)的承載能力勢在必行，網(wǎng)絡(luò)的寬帶化也是現(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(luò)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?yàn)樵賹挼膸捯膊荒艹惺苎杆僭鲩L的網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(luò)負(fù)載使這個自由空間越來越小，最終導(dǎo)致?lián)砣�。這很自然會干擾傳輸，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(jìn)行帶寬管理。

————限制用戶最大實(shí)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(wù)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(luò)段上最大實(shí)時數(shù)據(jù)速率；

——由于網(wǎng)絡(luò)上不僅要傳送實(shí)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(luò)段上的實(shí)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?yàn)檫^多的實(shí)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(wù)質(zhì)量的下降。

————將LAN上實(shí)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(jìn)行實(shí)時通信用戶的數(shù)量。

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

——②多廣播（Multicast）的應(yīng)用

——多廣播技術(shù)是指在網(wǎng)上數(shù)據(jù)由一個源端點(diǎn)單向傳送到多個目的端點(diǎn)。應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)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(shí)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(diǎn)控制功能，形成交互式多廣播。這種技術(shù)的特點(diǎn)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(diǎn)而言，既實(shí)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(yīng)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)器為每個數(shù)據(jù)包設(shè)置了多廣播比特位。所有這些設(shè)置了標(biāo)志位的數(shù)據(jù)包都前向傳送到網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)，即使只有少部分節(jié)點(diǎn)需要這些信息。為確保每個想得到視頻數(shù)據(jù)流的設(shè)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(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過載。選擇性的多廣播通過控制網(wǎng)絡(luò)上的音頻、視頻流來節(jié)省帶寬。當(dāng)一個客戶需要接入到某一視頻通道，只有這個網(wǎng)絡(luò)段承載視頻流。接收視頻流的網(wǎng)絡(luò)段通過帶寬預(yù)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(biāo)準(zhǔn)的一部分。

——③輸出隊(duì)列優(yōu)先級設(shè)置

——網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用先得到所需帶寬。用戶輸出隊(duì)列定義多個隊(duì)列，每一個上標(biāo)注總帶寬。例如，用戶輸出隊(duì)列給某一Novell 網(wǎng)上應(yīng)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(biāo)注總帶寬的30％；而其它應(yīng)用共享剩下的30％。當(dāng)視頻會議資源貧乏時，從其它任務(wù)上撥取。路由器上這種功能的延時是可以忽略的，因?yàn)橹粰z查包頭標(biāo)志。給隊(duì)列加權(quán)限是保證為某些急時服務(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(yīng)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?zhèn)鹘y(tǒng)路由器，加快尋路時間，減少時延；增大隊(duì)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(shù)，但在其上同時運(yùn)行音頻、視頻和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)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(shù)減小時延、丟包和抖動給實(shí)時數(shù)據(jù)帶來的影響是很關(guān)鍵的。

——電路交換網(wǎng)對實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，各種高速接入技術(shù)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(luò)結(jié)構(gòu)（如IP網(wǎng)）上的多媒體系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。補(bǔ)償了LAN潛在不定因素的影響，允許用戶在不更改網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的情況下應(yīng)用多媒體業(yè)務(wù)。這樣節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(qiáng)有力承載大量實(shí)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(luò)的承載能力提高。

——3.通過提供設(shè)備-設(shè)備、應(yīng)用-應(yīng)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(jī)更快的處理器、增強(qiáng)的指令設(shè)置和強(qiáng)大的多媒體加速芯片使其正在成為更強(qiáng)大的多媒體平臺。端點(diǎn)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(luò)間的互通標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)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(fù)載，從而保證服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)和通信公司的支持，包括Intel、Microsoft、Cisco和IBM。

《計(jì)算機(jī)世界》2000/09