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i po v e r m p e g 网关中多协议封装的研究和实现 摘要 f 嵫字电视取代模拟电视而成为未来的广播模式是一个必然的趋势。数字电视不 仅能够提供高质量的音、视频节目，节省频率资源，更重要的是它可以提供丰富 的数据业务。近年来，数字电视相关技术已经从过去的纯学术研究走上了高度商 业化的道路，使数字电视成为是一个非常大的产业，具有广阔的市场前景。我国 是电视消费大国，随着电视体制从模拟向数字的过渡，国内巨大的市场潜力也将 转化为巨大的经济利益。数据广播作为数字电视系统的一个重要组成部分，可以 用来提供高效而经济的i n t e r n e t 宽带接入服务或其它增值业务。目前我国的数字 电视系统正处于起步阶段，在使用数据广播形式提供宽带接入方面的研究开展得 也是极为有限，面对庞大的宽带接入市场及正在启动的数字广播服务，在这一方 面进行一些研究和尝试就显得十分重要。 i po v e rm p e g 网关的作用是将i p 协议数据封装到m p e g 一2 的传输流中，以便 在数字电视信道上进行传输，它是数据广播系统中关键的设备寿本文结合i po v e r m p e g 网关项目中多协议封装系统的研发工作对数据广播领域作了初步的研究。 本文简要介绍了数据广播方面的标准化组织，引入了基于d v b 数据广播协议 的i n t e m e t 宽带接入系统参考模型，指出i po v e rm p e g 网关是该系统中关键 的组成部分。 本文整理了d v b 数据广播相关的协议和标准，这些协议标准都是开发i po v e r m p e g 网关的基础，通过分析研究，文中给出了数据广播传输层协议栈之间的 层次关系。 本文重点分析了d v b 协议数据封装方面的标准，主要涉及i s o i e c1 3 8 1 8 1 和e n3 0 11 9 2 ，对多协议封装中d a t a g r a m 结构的语法进行了仔细的_sectiono 研究。了将i p 数据封装到m p e g - 2t s 流中，必须首先将i p 数据封装成 d a t a g r a ms e c t i o n ( ) 结构，从而实现对协议数据封装的优化。在多协议封装的实 现中，主要参考了以上两个标准一 本文对三种数据封装方式进行了比较，得出得结论是，多协议封装是对i p 数 据进行封装的理想方案。( 文中给出了多协议封装流程示意图，并结合m p e g 一2 t s 流的语法，探讨了对多协议封装进行优化的方式。通过分析并结合实验， 证明了优化的多协议封装方式对封装效率有一定的改善。l 本文结合我们课题组对i po v e rm p e g 网关的开发工作，讨论了对其中多协议 封装( m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ) 模块的设计和实现，文中给出了软件的 功能框图，类的继承关系，几个主要类的实现。还给出了多协议封装实现的软 件流程图，对软件中一些重要函数的算法进行了较为具体的阐述。此外还介绍 了对封装后的数据进行还原的方法，给出了实验数据。陕验生成的码流经上海 交通大学图像所的分析，完全符合标准，证明软件已经完成了数据封装的主要 功能、 本文最后还探讨了在系统层面上封装的优化方案，在项目的进一步开发工作 中，可以参考这些方案。 关键字：多协议封装；i po v e rm p e g 网关；传输流i m p e g 一2 ；d v b 女 as t u d ya n d i m p l e m e n t a t i o no f m u l t i p r o t o c o l e n c a p s u l a t i o ni ni po v e r m p e gg a t e ，a y a b s t r a c t i ti sn od o u b tt h a tt h ed i g i t a lt e l e v i s i o n ( d t v ) s y s t e mw i l lb e t h ef u t u r e b r o a d c a s t i n gm o d ei n s t e a do f a n a l o g i ct vs y s t e m t h ed t vs y s t e mc a n n o to n l y p r o v i d eh i g hq u a l i t ya p r o g r a m s ，s a v et h ef r e q u e n c yr e s o u r c e ， b u ta l s op r o v i d ev a r i o u sd i g i t a ls e r v i c e s i nr e c e n t y e a r s ，t h ed t vs y s t e m h a ss t e p p e di n t ot h eb u s i n e s sf i e l df r o mt h ep u r er e s e a r c hf i e l d ，a n di s b e c o m i n g a h u g ei n d u s t r y i t sf u t u r ei sp r o s p e r o u s c h i n ai sa v e r yb i gt v c o n s u m i n gc o u n t r y w i t ht h eu p r i s i n go fd r v t h eh u g e m a r k e t i n gp o t e n t w i l lb et u r n e di n t o p l e n t yo fp r o f i t a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ed t v s y s t e m ，d a t ab r o a d c a s t i n gs y s t e mc a nb eu s e dt op r o v i d ee f f i c i e n ta n d e c o n o m i c a lb r o a d b a n di n t e m e ta c c e s sa p p l i c a t i o n so ro t h e rv a l u e a d d e d s e r v i c e s i nc h i n ad t vi ss t i l l i ni t si n f a n c y , a n dt h er e s e a r c ho nh o w t o u s ed a t a b r o a d c a s t i n gs y s t e m t op r o v i d eb r o a d b a n da c c e s sa p p l i c a t i o n si s v e r yl i m i t e d s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt om a k es o m es t u d yo nt h i sf i e l d t h ei po v e rm p e g g a t e w a y i sa ni m p o r t a n tp a r ti nd a t ab r o a d c a s t i n g s y s t e m i tc a ne n c a p s u l a t ei pd a t a g r a m i n t om p e g - 2t s p a c k e t sa n d t h e n t h ei pd a t a g r a mc a nb e t r a n s p o r t e do v e rd t vc h a n n e l s b yt h i sw a y , t h e s u b s c r i b e r sc a ne n j o yh i g hq u a l i t ya n de c o n o m i c a li n t e r n e ts e r v i c e sa t t h e i rh o m e i nt h i sp a p e r , s o m er e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nt h eg a t e w a y a n dt h em u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o nw a sa c h i e v e d t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ep a p e rg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h es t a n d a r do r g a n i z a t i o n si n d i g i t a lt e l e v i s i o n ，t h e r e f e r e n c em o d e lo fb r o a d b a n di n t e r a c ta c c e s s a p p l i c a t i o n so v e rd v b d a t ab r o a d c a s t i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d ，a n dt h e c o n c l u s i o nt h a tt h ei po v e rm p e g g a t e w a y i st h ek e y c o m p o n e n t o ft h i s m o d e li sg i v e n s e c o n d ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ed a t ab r o a d c a s t i n gp r o t o c o ls t a c ki nd v b t h e s ep r o t o c o l sa r eb a s i cs t a n d a r d si n d e v e l o p i n gt h e i po v e rm p e g g a t e w a y , a n dt h e s ea n a l y s e sm a k ec l e a rt h eh i e r a r c h yo f t h ep r o t o c o l s t a c k t h i r d t h ep a p e r p a ym o r ea t t e n t i o no nt h ed a t ae n c a p s u l a t i o ns t a n d a r d si n d v b ，m a i n l y i s o i e c1 3 8 1 8 - 1a n de n3 0 11 9 2 t h e s y n t a x o f d a t a g r a m _ s e c t i o n ( ) i se x p l a i n e di nd e t a i l f o u r t h ，t h ep a p e rc o m p a r e st h r e ee n c a p s u l a t i n gm e t h o d sa n d g e t t h e c o n c l u s i o nt h a t m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n i sm o r es u i t a b l ef o r e n c a p s u l a t i n g i p d a t a g r a m t h e f l o w c h a r to f m u l t i p r o t o c o l e n c a p s u l a t i o ni sg i v e n ，a n da no p t i m i z e ds c h e m ef o re n c a p s u l a t i n gi s p r o v i d e d t h er e s u l t o ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a t h i g h e ru t i l i z a t i o n o f b a n d w i d t hc a nb ea c h i e v e db y u s i n gt h i so p t i m i z e da l g o r i t h m f i f m t h ep a p e rp r e s e n t st h es o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e m u l t i p r o t o c 0 1e n c a p s u l a t i o nd e v e l o p e db yo u rr e s e a r c hg r o u p t h ed a t a s t r u c t u r ea n dt h ei n h e r i t a n c eo fs o m em a i nc l a s si s g i v e n t h er e s u l to f t h et e s ti sc o m p l e t e l ya c c o r dw i t ht h es t a n d a r d a tl a s t ，t h e p a p e r d i s c u s s e st h e o p t i m i z e de n c a p s u l a t i o n s c h e m eo n s y s t e ml a y e r t h i ss c h e m e c a nb er e f e r e n c e di nf u t u r ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n ，i po v e r m p e g g a t e w a y , t s ， m p e g 2 ，d v b f ：海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着i n t e r n e t 市场的迅猛发展，人们对接入带宽的需求也越来越高，因此对 提高接入带宽技术的研究，已成为一个热门课题。但是对于当前几种主要的宽带 接入技术来说，光纤入户由于网络建设成本太高，暂时还只能作为一种设想或者 最多是小范围的试点，而a d s l 和c a b l em o d e m 也由于投入费用偏高而未能被广 泛地接受。因此如何为广大用户提供一种实用而且廉价的宽带服务，成为各个商 家热切追求的目标。 另一方面，急速发展的数字技术为计算机与电视的融合提供了契机，数字音 视频与数据已无本质区别，它本身就是一种格式化的、特殊的数据。数字技术的 应用使得计算机数据可以在原来的电视信道上传输，而数字音视频数据也可以在 计算机网络上传输，并在计算机上播放。特别是自九十年代以来，数字电视“3 3 在世界范围内掀起了一场信息产业革命的新浪潮，它带来的不仅是高质量的图象 声音、高容量的数据传输、高性能的抗干扰接收效果，更重要的是它使电视不再 只是人们被动收看节目的渠道，而成为主动、方便地获取信息、相互沟通和休闲 娱乐的载体，成为与电信、电脑共同构成的信息高速公路的一部分，并且以独有 的优势深入到每个家庭。 数字音视频是对以往的模拟音视频信号进行压缩编码后得到的，这样就可以 在以前只能传送一套电视节目的频段资源内传送多套数字音视频节目，例如在 8 m h z 的信道中若采用6 4 q a m 调制方式可以传送高达4 0 m 比特的数据，也就是4 - 5 路采用m p e g 一2 格式压缩的音视频节目。由此可见，数字电视信道的带宽资源是 非常丰富的，完全能够满足目前宽带接入i n t e r n e t 的需求。此外，在数字电视 系统中用户端的解决方案一般采用机顶盒“1 ( s e t - t o pb o x ) 或者是视频接收卡， 它们不仅价格比a d s lm o d e m 和c a b l em o d e m 更加低廉，而且对普通用户来说使 用更加方便，在不久的将来，当各项技术都趋于成熟后，数字电视系统将得到迅 速的发展，走入更多普通百姓的家庭。因此，利用数字电视系统实现i n t e r n e t 的宽带接入，有着广阔的发展前景。 在i n t e r n e t 上流动的数据格式符合t c p i p 协议，而在数字电视信道进行传 输的数据则要遵循m p e g - 2 传输流标准。为此，要实现i p 数据在数字电视信道的 传输，或者反过来，数字音视频数据在i n t e r n e t 上的传输，都必须首先对要传 型坚望里查! 型堂笙苎 笙二皇堕堡 输的数据进行处理，使它们符合各自传输系统的数据格式。两种数据之间的转换 一般是由处在两种网络交界处的网关来完成，前者可以称之为i p0 v e rm p e g 网 关，后者称为m p e go v e r i p 网关，图卜l 给出了两种数据转换的示意图。 厂磊i i ，j 降 厂 匕：! ：! ! ! l mp eg g m u j t ica 6 t f app l ica t 目on s udp ip。 mpeg 一2ts terr esmr ia 1 sa te _ 1 i te webacc ess d tv ne two rk 图1 一i i po v e rm p e g 和m p e go v e ri p f i g u r e1 1 i po v e rm p e ga n dm p e go v e ri p 1 2 数字电视方面的标准组织 数字电视系统是一个非常复杂、庞大的系统，它包括发送端( 服务提供商， 内容提供商) 、接收端以及网络传输部分。如此大的系统必须由许多的生产厂商 合作才能最终实现，为此必须制定一整套统一的标准，使得各个生产厂商的产品 可以协调工作。 目前，国际上有许多组织致力于数字电视相关标准的制定，其中包括欧洲的 d v b 组织，欧洲的d a v i c 组织以及美国的a t s c 组织等。下面简单介绍一下这三 个组织。 1 2 1 欧洲的d v b 欧洲的d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 计划开始于1 9 9 3 年9 月，目前 已有来自欧洲和美国的2 5 个国家约2 0 0 多个组织的参加，它的目标是制定欧洲 的d v b 标准以及尽早引入d v b 业务。参加者都是自愿的，其中包括制造商、广播 商、节目供应商以及网络运行者，也包括研究机构。 d v b 提出的标准必须经过e t s i 批准才能成为e t s 标准。e t s i 是欧洲的标准化 组织，e t s 是e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s 的缩写，即欧洲电信标 准。 d v b 制定了大量数字电视方面的标准“1 “，而这些标准都是建立在m p e g 一2 标 堕奎望查兰塑堂堡壅 塑二皇竺笙 准“”的基础上，以推动交互式数字电视的发展。 d v b 标准的核心为： 系统采用m p e g 压缩的音频、视频及数据格式作为数据源 系统采用公共m p e g 一2 传输流( t s ) 复用方式 系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息( s i ) 系统的第一级信道编码采用r s 前向纠错编码保护 调制与其它附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定 使用通用的加扰方式以及条件接收界面 同时d v b 标准也允许在d v b 信道内传输非电视节目流的数据信息。比如图文 电视，股票信息等等，这样就大大扩展了d v b 的应用范围，可以利用空余的带宽 插播其他信息。 有关d v b 的信息可以从呷哪d v b o r g 获得。 1 2 2 欧洲的d a v i c d a v i c ( d i g i t a l a u d i o v i s u a lc o u n c i l ) 是于1 9 9 4 年在日内瓦注册成立的组 织，该组织是非赢利性的，目前拥有许多成员。d a v i c 的目的是通过制定一套 开放的接口和协议来推动交互式数字音、视频应用和业务的发展。 d a v i c 制定的规范”“的版本已经由最初的d a v i c1 0 升级到了目前的 d a v i c1 5 。d a v i c 给出了整个交互式数字音、视频系统的框架，通过对不同应 用的需求分析，d a v i c 将整个系统划分为如下几个参与者： 内容提供商( c o n t e n t p r o v i d e r s ) 服务提供商( s e r v i c e p r o v i d e r s ) 网络运营商( d e l i v e r ys y s t e mp r o v i d e r s ) 终端用户( e n d u s e r s ) d a v i c 规范定义了在数字音、视频系统中实现跨国家、应用及业务的端对端 的交互性所需的最小工具集和系统动态行为。d a v i c 规范定义了数字音、视频 系统主要构件所需的技术以及这些构件间通信所用到的信息流格式。d a v i c 在 系统框架中定义了许多参考点( r e f e r e n c ep o i n t s ) ，通过定义在参考点处系统的 动态行为规范来保证系统不同构件间的互操作性。一个参考点是由一个或多个逻 辑( 非物理) 信息传递接口以及一个或多个物理信号传递接口组成。一个逻辑接 口是由一套信息流及相应的协议栈定义的。物理接口是一个外部接口，完全由它 的物理和电器特性确定。 有关d a v i c 的标准及其它信息可以从网站w w w d a v i e o r g 上得到。 j 翌堑! 望查兰塑主兰竺堡苎 塑二皇笙堡 1 2 3 美国的a t s c a t s c ，即美国先进电视制式委员会，制定了美国的数字电视标准，其中主 要包括a t s ca 5 3d i g i t a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d ，该标准描述了一个设计在6 m h z 信 道内传输高质量视频、音频和辅助信息的系统。该系统可以在6 m h z 地面广播频 道内可靠地发送约1 9 m b i t s 的数据量；或者可以在6 m h z 有线电视频道内可靠地 发送约3 8 m b i t s 的数据量。 a t s c 还制定了业务信息标准p r o g r a ma n ds y s t e mi n f o r m a t i o np r o t o c o l ( p s i p ) ”，该协议于1 9 9 7 年1 1 月2 3 日被收录为a t s c 的正式标准，用于描述码 流中的节目信息。 有关a t s c 的信息可以从w w w a t s c o r g 获得。 1 3 基于d v b 的i po v e rm p e g 宽带网络解决方案 i po v e rm p e g 是宽带接入和数字视频广播技术相结合的最新研究成果。它利 用数字电视的广播标准来传送i p 数据，从而在不铺设新线路的前提下为用户提 供廉价的宽带接入服务。 这种方式可以利用现在的单向有线电视网络或者是卫星信道，以广播的方式 将i p 数据传到用户端，用户端则通过有线电视或卫星接收天线接收广播数据。 用户端的回传可以使用普通的拨号方式，通过公用电话网将数据上传到i s p 端， 并通过i s p 接入i n t e r n e t 。这有些类似于a d s l 的非对称方式，即上行和下行的 速率不同。由于网络的浏览大部分是下行的数据，所以对于上行，普通电话线的 5 6 k 带宽已经足够了，而下行则是通过有线电视网或卫星的广播实现，所以在下 行中用户可以获得近4 0 m 的带宽。 使用这种数据广播服务方式，不需要对现有的广播电视网络进行任何改造， 用户只需要购买一个机顶盒或者为计算机配一块插卡，即可浏览因特网信息，免 去了高昂的电话费和上网费，让用户真正获得廉价宽带上网方式。 这种实现方案需要选择一套适合i p 数据广播的协议标准。由于我国在数字电 视领域倾向于采用欧洲的d v b 标准，因此该方案也是在d v b 数据广播标准基础上 实现的。 图1 2 所示为在d v b 系统中实现i n t e r n e t 数据广播的系统示意图，图中i p o v e rm p e gg a t e w a y 用来实现从i p 数据报到m p e g 一2t s 包的转换，用户的上行 信道利用的是公用电话网，下行信道可以是有线电视电缆也可以是卫星信道。监 控器( m o n i t o r ) 用于对网关进行监视和配置，复用器( m u l t i p l e x e r ) 的作用是将 i p 数据转换后的m p e g 一2t s 流和编码的音视频信号进行混合传输，从而提供多 堡堕皇里查型兰垡堡茎 兰二兰堑堡 媒体业务。图中没有绘出信号调制器，在实际应用中，复用后的数据必须经过调 制才能发送。 鱼 a vs t r e m 叫至圣至彗司 n c e r n e 甲婴烹尹“1 1 e x e 。书s a t e l l i t e + “” 【壑 。l ，盈一 1 4 本文的内容安排 图1 - 2d v b 数据广播系统 f i g u r e1 - 2d v b d a t ab r o a d c a s t s y s t e m 直 s u b s c r i b e t 本章简要叙述了论文研究内容的背景，介绍了数据广播方面的三个主要的标 准化组织，并提出了基于d v b 数字广播标准的i po v e rm p e g 宽带接入方案。i p o v e rm p e g 实现的核心是上面所说的i po v e rm p e g 网关，即将i p 数据封装为d v b 信道传输的m p e g 一2t s 码流。网关的实现涉及到数字电视系统的许多方面，涉及 的相关标准也十分多，具有很强的系统性，不易把握。本文将主要围绕i p 数据 包的协议封装标准进行研究，并把重点放在对其中多协议封装标准的研究和实现 上，具体内容安排如下： 第二章介绍和分析与数据封装相关的协议标准。其中包括m p e g 一2 系统层协议 i s o i e c1 3 8 1 8 1 ，这是整个数据封装相关协议的基础；此外还介绍了d v b 中的 服务信息标准d v b s i ( e n3 0 04 6 8 ) 、i p 相关协议标准、d s m c c 标准以及有关 d v b 数据广播的标准。这些标准都是数据封装的基础，了解这些标准对理解数据 封装的整个流程十分重要。 第三章重点研究了d v b 数据封装的标准( e n3 0 11 9 2 ) ，数据封装的实现必须 严格遵守该协议，这样才能保证系统的通用性。本章还研究了多协议封装的优化 方法，并通过实验证明了经过优化，封装的效率得到了提高，从而也使得传输时 上海交通大学硕十学位论文 第一章绪论 带宽利用率得到了提高。本章最后比较了三种数据封装方式的优劣，说明t 我t f 在网关开发过程中首先采用多协议封装的理由。本章的研究为下一章的进行作了 理论上的准备。 第四章详细讨论了用软件实现多协议封装的方法。包括封装实现以及数据还 原的处理。对所涉及的多协议封装( m p e ) 以及m p e g 一2 传输流封装的算法作了详 细讨论。其中包括i p 层的i p 包拆分、d s m c c 的m p e 封装模块、m p e g 一2t s 的封 装模块、m p e g 一2t s 的还原模块，以及i p 数据的还原模块等。限于篇幅，算法 实现的源程序没有全部列出，正文只对算法的流程作介绍。这一章是整个设计的 关键，对于在这基础上开发更为完善的软件以及通过硬件来实现数据封装都有重 要的参考价值。 第五章对优化问题进行了进一步的讨论。提出了在系统层进一步提高带宽利 用率的方案，这对于实际系统的设计有极大的参考价值。 文章的结束语总结了本文所做工作，并对i po v e rm p e g 网关的应用前景进行 了展望。 附录中主要收录了正文中没有列出的协议内容、算法实现以及实验数据。 2 1 引言 第二章i po v e rm p e g 相关协议及原理 本章将对i po v e rm p e g 网关系统设计过程中所涉及的有关协议和标准进行 介绍和研究。限于篇幅，在此对各协议的细节不作全面的阐述，而只对与本系统 直接相关的部分进行分析和介绍。 国际上的标准化组织为d v b 广播系统制定了许多相关的协议，本系统所涉及 的协议大致有下列几方面： 1 i s o i e c1 3 8 1 8 - 1 ：”i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y g e n e r i cc o d i n g o fm o v i n g p i c t u r e sa n da s s o c i a t e da u d i oi n f o r m a t i o n - p a r tl ：s y s t e m s - i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d ( i s ) ”。 2 i s o 1 e c1 3 8 1 8 6 ：”i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ：c o d i n g o f m o v i n gp i c t u r e sa n d a s s o c i a t e da u d i o - p a r t 6 - d i g i t a ls t o r a g e m e d i ac o m m a n da n dc o n t r o l ( d s m - c c ) ”。 3 e t s3 0 0 8 0 2 ：”n e t w o r k i n d e p e n d e n tp r o t o c o l s f o rd v bi n t e r a c t i v e s e r v i c e s ”。 4 e n3 0 11 9 2 ：”s p e c i f i c a t i o n f o r d a t a b r o a d c a s t i n gs e r v i c e s i n d v b ”。 5 d v b s i - d a t ：”i m p l e m e n t a t i o n g u i d e l i n e sf o rd a t a b r o a d c a s t i n g ”。 6 e n3 0 0 4 6 8 ：”s p e c i f i c a t i o nf o rs e r v i c ei n f o r m a t i o nf s i ) i nd v b s t r e a m s ”。 7 t c p i p 。 协议1 、2 是整个d v b 数据广播标准的基础。其中，协议1 涉及m p e g 2t s 码 流的格式标准，协议2 是数据封装的基础；协议3 是与低层网络无关的标准，规定 了各信道实现数据传输所使用的协议栈；协议4 是如何在广播信道中封装数据的 标准，该标准是本技术方案研究的重点，通常提到的数据广播标准就是指该标准； 协议5 、6 涉及d v b 业务信息服务( d v b s i ) 的标准：而协议7 则是有关i n t e m e t 数据传输的标准。 d v b 数据广播的协议架构如图2 1 所示。 l 海交通人学颂士学位论文 第一章i p o v e rm p e g 相关协议及原理 a p p l i c a t i o n a p p l i c a t i o np r o g r a 册i n gi n t e r f a c e d v bo b j e c t 。 c a r o u s e l 2 d s m _ c cu s e r t o u s e r 【】d p 0 b j e c t dvb stcarousel 1 f d s m cd a t ad v bm u l l 【i p r o t o c o l c a r o u s e l e n c a p s u l a t i o n m p e g 一2s e c t i o n ( d s mc cs e c t i o n s ) 肝e g _ 2t r a n s p o r ts t r e a m 图2 - 1d v b 数据广播信道协议栈 f i g u r e2 - 1 d v bd a t ab r o a d c a s tc h a n n e lp r o t o c o ls t a c k 2 2i s o i e c1 3 8 1 8 1 i s o i e c l 3 8 1 8 1 是m p e g 家族的一员。m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t g r o u p ) 的意思是“运动图像专家组”，这个专家组的任务是给用于数字储存介质、电视 广播和通信的运动图像和它的伴音制定种通用的编码方法。符合这种编码方法 的视频可以作为计算机数据的形式加以管理，可以存储于各种存储媒体，可以在 现有的或将来的网络上进行传送和接收，也可以在现有和将来的广播频道中进行 分配。 当前在m p e g 家族中包括m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 以及m p e g 一7 等标准， 但以m p e g 一2 的应用最为成熟，相关的软硬件产品也比较多，而且d v b 系统的整 个传输标准也是建立在m p e g 2 之上的。 m p e g 一2 标准目前分为9 个部分，统称为i s 0 i e c l 3 8 1 8 国际标准。各部分的内 容描述如下： 第一部分一i s o i e c l 3 8 1 8 1 ，s y s t e m ：系统，描述多个视频、音频和数据基 本码流合成传输码流和节目码流的方式。 第二部分- - i s o t e c l 3 8 1 8 2 ，v i d e o ：视频，描述视频编码方法。 第三部分一i s 0 i e c l 3 8 1 8 3 ，a u d i o ：音频，描述与m p e g 一1 音频标准反向兼 容的音频编码方法。 第四部分一i s 0 i e c l 3 8 1 8 4 ，c o m p l l a n c e ：符合测试，描述测试一个编码码 流是否符合m p e g - 2 码流的方法。 第五部分一i s 0 i e c l 3 8 1 8 5 ，s o f t w a r e ：软件，描述了m p e g 一2 标准的第一、 海交通大学硕士学位论立 第二章i po v e rm p e g 相关协议及原埋 二、三部分的软件实现方法。 第六部分- - 1 s o i e c l 3 8 1 8 - 6 ，d s m c c ：数字存储媒体一命令与控制，描述交 互式多媒体网络中服务器与用户问的会话信令集。 由于i po v e r m p e g 网关要实现的主要功能是将i p 数据封装至i j m p e g 2 的t s 流 中，并在m p e g - 2 的系统运输层进行传输，因此我们在系统设计过程中主要参考 i s o i e c l 3 8 1 8 i 部分。 根据在i s o i e c l 3 8 1 8 - 1 标准的规定，视频或者音频数据经过编码器编码后得 到的基本码流( e l e m e n t a r yb i ts t r e a m ) 是不能直接进到运输子系统( t sm u x ) 或节目子系统( p s m u x ) 中去的，而是要经过一个打包器的打包( 也就是数据 分组) ，被打成一个又一个称之为p e s ( p a c k e t e l e m e n t a r ys t r e a m ) ，即打包的 基本码流，其小包结构长度可变，然后才能进入节目子系统或运输子系统。这个 p e s 的数据长度最大可达至0 6 5 5 3 6 个字节，但一般是一个存取单元的长度。一个存 取单元相当于一幅视频图像，也可以是一个音频帧。在p e s 的头部包含有许多信 息，可以籍以识别这个p e s 是视频还是音频，或者是数据，也可以知道小包有多 长等。 在m p e g 一2 标准中有两种不同类型的码流输出到信道中去，一种叫节目码流 ( p s p r o g r a ms t r e a m ) ，另一种叫运输码流( t s t r a n s p o r ts t r e a m ) 。 节目码流是将一个或者几个具有公共时间基准的p e s 组合成单一的码流，所 有的基本码流就象单个的节目码流那样用同步来解码。节目码流比较适用于相对 无误差的环境，如用在交互式多媒体中，因为涉及的是系统信息的软件处理。节 目码流中小包的长度相对比较长，并且是可变的。 运输码流也是将一个或几个p e s 组合成单一的码流，但是这些p e s 可以是有一 个公共的时间基准，也可以是几个独立的时间基准。如果有几个基本码流有公共 的时f 自j 基准，那么这几个基本码流先组合成一组，这叫节目( p r o g r a m ) 复用。 然后由若干个节目复用后再进行运输复用。形成的运输码流是适合于有误差发生 的环境，例如在噪声或者有损耗介质中的存储或传输。运输码流中的小包长度是 固定的，总是1 8 8 个字节，这对于处理误码很有好处。 节目码流和传输码流针对不同的应用而设计，它们的定义并不严格地遵从分 层模式。从一种形式转换到另一种形式是可能而且合理的，但是它们之间并不存 在子集或超集的关系。经常遇到的情况是，从传输码流中提取一道节目的内容并 产生有效的节目码流，这里只要通过普通的p e s 分组格式变换就行了。需要强调 的是，并不是节目码流需要的所有域值都可以从传输码流中直接得到，有一些必 须经过推导，在多层模式中，传输码流可能跨过几层范围，为的是更有效地、更 简便地实现高带宽应用。 卜海交通大学硕士学位论文 第二章i po v e rm p e g 相关协议及原理 对于i po v e rm p e g 网关中数据封装的实现来说，只涉及到有关运输码流( t s 流) 的协议标准，因此本文对节目码流不作介绍。 p e s 包通常由音视频编码数据构成，但是也可以用来携带i p 数据“，在i p o v e r m p e g 网关实现过程中，利用p e s 对i p 数据进行封装，也是一种可以参考 的方案，本文第三章将对此进行介绍。 在p e s 包的前端有一个p e s 头部。这个头部包含了许多信息，首先是包起始 码( p a c k e t )，它由一个起始码前缀和后面的起始码数值组成。起始_start c o d e 码前缀是一串共2 3 个“0 ”和一个“1 ”，即“0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 1 ”。 起始码数值是个8 比特的整数，说明起始码的种类，也就是：s t r e a mi d ( 包 标识) ，它说明这个包所属码流的性质( 视频音频或数据) 以及序号。例如： 1 1 0 x x x x x 一一m p e g a u d i os t r e a m ，n u m b e r x x x x 1 111 x x x x 一一m p e gv e d i os t r e a m ，n u m b e rx x x x 起始码流的比特格式是专用的，在码流中不会有这种组合代表别的意思。接 在后面的是p e sa g a c k e t 的长度)，说明在这个字段后面有多少个字1ength(pes 节。 p e sh e a d e r f l a g s ( p e s 的头部识别标志) ，由1 4 个比特组成。由于和本文关 系不大，在此对各比特的含义不作详细介绍。p e s 包的组成如图2 2 所示。 i 1 p es he der 2 1 卜c c w i 0 7 “叫出d 饿a ta 出i eopyr i t h t 卜嚣1h 。lh爨ea d e r p t i o 。n a l l 5 t 怂u f 鬣f in 1 22。 。 “ ”8 7 芦一， 5 f i dck t h d r f ie 1d 图2 - 2p e s 包结构m 3 f i g u r e2 - 2 p e sp a c k e t 具有相同s t r e a m _ i d 的连续的p e s 包构成了p e s 流，当p e s 包被用来组成 p e s 流时，它的头部可选域必须包含e l e m e n t a r ys t r e a mc l o c kr e f e r e n c e ( e s c r ) 1 0 上海交通人学硕_ 上学位论文 第二章i po v e rm p e g 相关协议及原理 项和e l e m e n t a r ys t r e a mr a t e ( e s _ r a t e ) 。p e s 流中的各个p e s 包应当按它们在基 本码流(