（计算机应用技术专业论文）组播视频会议系统研究与实现.pdf

m st h e s i s t h e m u l t i s p e c m a s t e rd e g r e eca n d i d a t e ：l ，i nd u n x i n s u p e r v i s o r ：! q h 旦垦垒g 旦q n 西坠坠 s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e & e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，e r c l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：丞亟盘日期：j 丝l 年上月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 i p 网络技术和信息处理技术的迅猛发展使得视频会议系统得到了 广泛的关注。视频会议系统作为一种新型的通信和交流工具，突破了 地域的限制，可以提供更为便捷、灵活、全面的视音频信息的传递和 服务，具有极其广泛的发展前景和应用价值。 传统的面向连接的传输结构存在网络带宽开销过大、终端负担 重、伸缩性差以及控制复杂等缺点。为此，本文首先引入了三个评价 会议系统传输结构性能的度量指标，对传统会议系统传输结构进行分 类和评价，然后特别比较了面向连接的传输结构与组播传输结构之间 的性能区别；描述了我们提出的基于源根组播树的会议系统模型、基 于该模型开发的一个i p 组播多点交互式桌面视频会议系统，包括系统 结构和有关实现技术。 实际使用表明，基于组播树的多点会议系统具有网络传输开销 小、系统复杂度低、支持更多用户等特点。 关键词组播，视频会议系统，t a p i a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi pn e t w o r ka n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , v i d e oc o n f e r e n c i n gs y s t e mb e c o m e sm o r e a n dm o r e i m p o r t a n ta n dv a l u et h a nb e f o r e a st h em e a n so fn e wc o m m u n i c a t i o n p l a t f o r ma n di n f o r m a t i o ne x c h a n g i n g ，m o r ec o n v e n i e n t ，f l e x i b l ea n d c o m p l e t es e r v i c ea n dt r a n s m i s s i o nc a nb eo f f e r e db yv i d e oc o n f e r e n c i n g s y s t e m w i t h o u tl i m i to fa r e a s i th a sv e r ye x t e n s i v e d e v e l o p m e n t f o r e g r o u n da n dc a nb eu s e di nm a n yd i f f e r e n ta r e a s r e c o g n i z i n g t r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nm o d e l so f v i d e o c o n f e r e n c i n gs y s t e m s h a v em a n yd i s a d v a n t a g e ss u c ha s m a n y c o n n e c t i o n s ，h i g hc o m p l e x i t ya n dl o ws c a l a b i l i t y , t h i sp a p e rf i r s tp r o p o s e s t h r e em e a s u r e m e n ti n d i c a t o r st oc a t e g o r ya n de v a l u a t et r a n s m i s s i o no f t r a d i t i o n a l c o n f e r e n c i n gs y s t e m s a n dt h e nc o m p a r e dt h es p e c i a l c o n n e c t i o n o r i e n t e dm u l t i c a s tt r a n s m i s s i o ns t r u c t u r ea n dt r a n s m i s s i o n p r o p e r t i e so ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns t r u c t u r e w eh a v ed e v e l o p e da ni p m u l t i - p o i n t i n t e r a c t i v ed e s kv i d e o c o n f e r e n c i n g s y e t e m b a s eo no u r s y s t e mm o d e l a c t u a lu s es h o wt h a tt h em u l t i - p o i n tv i d e oc o n f e r e n c i n gs y s t e m b a s e do nt h ei pm u l t i c a s tt r e eh a ss m a l ln e t w o r kt r a n s m i s s i o nc o s t s ，l o w s y s t e mc o m p l e x i t y ，m o r eu s e r st os u p p o r ta n ds oo n k e yw o r d sm u l t i c a s t ，v i d e oc o n f e r e n c es y s t e m ，t a p i l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论。l 1 1 研究背景l 1 2 国内外研究现状2 1 3 研究意义6 1 4 研究内容与文章结构7 第二章视频会议系统传输结构分析一9 2 1视频会议系统的传输结构9 2 2传输结构的性能评价9 2 3 几种传输结构的比较分析lo 2 4本章小结1 3 第三章组播在视频会议系统中的应用1 4 3 1网络组播算法与协议1 4 3 2i p 组播在多点通信中的优势2 0 3 3基于源根组播的会议模型2 2 3 4本章小结2 5 第四章基于t a p i 的组播会议系统设计2 6 4 1t a pi3 0 体系结构2 6 4 2i a p i3 0 多播会议体系结构2 7 4 3会议安全模型2 9 4 4基于组播树的多点会议系统设计3 l 4 5本章小结3 4 第五章系统实现与应用3 5 5 1 系统基本描述一3 5 5 2 开发平台3 5 5 3 应用系统的实现3 7 5 4 本章小结4 2 第六章结论4 3 6 1研究工作总结4 3 6 2下一步研究方向和目标4 3 参考文献4 5 致 射5 0 攻读学位期间主要的研究成果5 1 发表论文5 1 v 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 视频会议系统( v i d e oc o n f e r e n c e ) ，又称会议电视系统，是指两个或两个 以上不同地方的个人或群体，通过传输线路及多媒体设备，将声音、影像及文件 资料互传，实现即时且互动的沟通，以实现会议目的的系统。 视频会议系统集通信技术、计算机技术、多媒体技术于一体。在召开视频会 议时，处于两地或多个不同地点的与会代表，既可以听到对方的声音，又能看到 对方的形象，同时还能看到对方会议室的场景，以及会议中展示的实物、图片、 表格、文件等，与真实的会议无异，使每个与会者都能有身临其境之感。 在视频会议技术出现| j ，政府机关、企事业单位及一些社会团体平时工作上 的交流主要依靠电话联系，或者长途跋涉集中到某个城市参加会议。据相关资料， 各级管理机构的工作人员每年参加会议的时间约占全部工作时间的3 0 以上：每 年用于公务出差的费用高达3 0 0 亿元，而每次开会或会面中约有8 0 的时间需花 费在路途中。另外，对于一些突发事件，如救灾、防汛，战地会议等，若只能采 用传统的电话沟通，而不能即时的有组织的进行讨论，这样将大大的损失了时间 与效率，而通过视频会议系统就能及时了解或发布紧急情况和作出决策。因此， 传统的交流方式在某些特殊的条件下已经无法适应社会发展的需要犯1 。 视频会议系统的历史可追溯到上个世纪6 0 年代初，当时叫模拟会议电视系 统( p i c t u r e p h o n e ) ，是由美国电报电话公司( a t & t ) 公司推出的。但由于当时 市场需求不强，加上技术和成本的限制，影响了该产品的推广，甚至最后终于停 止发展。此后，视频会议系统的发展进入一个相对平静的时期，但研究工作并未 中断。 8 0 年代中期以后，通信技术、编码和信息压缩技术的长足进步，和数字式 网络的迅速发展，把视频会议系统重新推向市场。另外，技术的进步也带来一定 程度上价格的下降。但此时的视频会议系统由于价格和技术的因素，仍只限于高 档的会议室视频会议系统的应用，从而限制了它的进一步普及。 自从上个世纪9 0 年代以来，基于t c p i p 协议的i n t e r n e t 网络不论是规模、 用户数量还是业务量均呈指数型增长，网络的性能也不断得到改善。尤其到了 9 0 年代中期，计算机互联网的飞速发展对电信业产生了巨大而深刻的影响。基 于分组交换网络的多媒体通信系统逐渐成为研究人员和电信、网络及计算机厂商 关注的焦点，也成为计算机网络应用领域研究的一个热点。 1 鉴于此，国际标准组织陆续开发出一系列视频会议的标准，以保证各系统间 互联互通。随着视频技术的发展，于1 9 9 0 年提出并通过h 3 2 卜第一套国际 标准协议。使其成为广泛接受的关于i s d n 会议电视的标准。h 3 2 0 系列标准支 持i s d n 、e 1 及t 1 ，规范了i s d n 网上的视频会议系统的主要技术环节，这是第 一个基于特定网络制订的协议，对于视频会议业务的互通以及不同公司产品之间 的互联提供了基本保障。这个标准的推出，在视频会议发展史上具有里程碑的意 2 硕士学位论文第一章绪论 义，为视频会议的发展和普及奠定了基础。h 3 2 0 的主要组成设备有多点控制单 元( m c u ) 和终端设备，这在当时是一个非常完备的系统n 3 1 。 电路交换的特点是面向连接，传输速率稳定、时延小、误码率低，因此质量 好。但它的缺点是需要专用网络，连接固定，用户投资费用过高。用户层的接入 一般采用e l 专线方式或i s d n2 b + d 的接入方式连接，专线虽然能保证良好的稳 定性和图像质量，但网络利用率低；i s d n 则受线路影响较大，对于线路同步等 要求较高。这两种传输方式都限制了会议的规模和可扩展性，实际组网时的网络 规模很难再进行更进一步的扩展n 钔。 基于电路交换网络的视频会议，是由电信运营部门建设专用的电视会议室， 用户必须到专用电视会议室才能进行通信，用户使用很不方便；因传输带宽过宽， 当时的网络状况非常不稳定并且带宽不理想，全动态的视频图像几乎是不可能 的，得到的图像质量一般也都不太稳定，并且图像窗口尺寸也不尽如人意，所以 这种视频传输业务很难大规模地投入到商用视频通信市场中去；由于造价不菲， 预算往往高达百万、千万元，只能应用在政府、金融、集团公司等高端市场，主 要在专网中运行，使得视频会议的应用贵族化n 钉。 随着人们对视频和音频信息的需求愈来愈强烈，传统的视频会议很难提供视 频音频之外的数据功能和会议管理功能及各种多媒体业务，无法适应用户的新 需要。追求远距离的面对面的视频交流成为新的时尚，以及越来越多的企业在办 公模式、内部管理和提高运作效率方面希望实现新的突破，希冀通过远程办公、 远程视频会议等高效的通信方式，降低差旅费用，提高工作效率，促使了视频会 议系统被越来越多的企业用户所接受，为其面向公众广泛运营提供了市场支持。 当前，我国在教育、医疗、企业等各行业中已经出现了对视频会议业务的巨大需 求n 引。 与此同时，互联网普及和应用及通信视讯技术的迅猛发展，为视讯通信业务 面向公众广泛运营己经准备好了技术条件。1 9 9 7 年3 月是视频会议领域的发展 过程中的重要时刻之一，i t u t 发布了用于局域网上的视频会议标准协议 h 3 2 3 ，为那些与i n t e r n e t 和i n t r a n e t 相连的视频会议系统提供了互通的 标准，各厂商纷纷推出符合该标准的视频会议产品。这保证了所有厂商生产的终 端和m c u 都可以互联互通7 1 。h 3 2 3 体系是一种兼顾p s t n 呼叫流程和i p 网特点 而发展的开放标准体制，吸取了许多电信网的组网、互联和运营经验，能与p s t n 网、窄带视频业务以及其他数据业务和应用网互联互通，近年来得到了广泛的应 用，尤其是现在组建的v o i p 网方面突显了其技术优势。h 3 2 3 协议范围广，涵 盖了各种独立设备、个人计算机技术以及点对点和点对多点的视频会议，该协议 解决了视频会议中呼叫与会话控制、多媒体与带宽管理等许多问题。也正是因为 3 硕士学位论文第一章绪论 i - i 3 2 3 系统在设计的时候考虑的问题太多，整个体系结构显得庞大且较为复杂， 限制了其在中小企业的部署n 引。 基于i p 的h 3 2 3 标准可以充分利用网络资源，其组成元素包括视频终端、 多点控制单元、关守和网关，可以将视频引到办公桌面，利用数据实时交互功能， 完成协调办公，使用户从根本上摆脱开会必须去固定会议室的限制，实现真正意 义上的视频通信，并且互联互通性能好，支持所有厂家设备均能互联互通n 引。 此阶段的视频会议的特点是通过软硬结合的方式实现。能很好适应复杂网络 环境，在普通宽带互联网上有比较好的音频、视频和数据效果，能在保证清晰度 的同时，有效降低成本啪1 。被越来越多企业用户所应用，视频会议已进入商用的 发展阶段。 随着i t u - t 建议h 3 2 3 的出台，目前，大规模商用v o l p 网络和会议系统都 采用h 3 2 3 标准，但随着v o l p 技术的进一步发展和视频会议系统应用的逐渐普 及，s i p 协议( 会话发起协议) 正r 益受到业界的重视，基于i p 标准的视频会 议技术的应用相应展开心。s i p 是有i e t f 提出的i p 电话信令协议，s i p 是用来 建立、修改和终结多媒体会话的应用层控制协议，主要完成用户定位、用户能力 交换、呼叫建立、处理等功能。它继承了互联网协议的设计理念，与h 3 2 3 协议 相比，具有简单灵活、扩展方便的特点，可方便地与其他互联网协议结合提供丰 富的i p 多媒体业务，以便在各种网络环境下部署。业界也已经确定将s i p 作为 下一代网络( n g n ) 的核心控制协议。基于s i p 的视频会议系统必将获得越来越 广泛的应用晗2 | 。 伴随着计算机能力的增强和网络带宽的迅速增加，以及用户群体在不断延伸 和变化，企业信息化步伐的加快，视频会议系统已无法满足不断更新变化的用户 需求，他们需要更多的多媒体业务为其服务，因此需要功能多样化的系统，要求 朝着“可视协同工作平台 方向发展。可视协同工作可以提供视音频、文档、数 据交换、协同浏览、应用程序共享等能力。所以基于i p 网络的新一代视频会议 系统将是视频会议的一大发展趋势。新一代视频会议产品将使市场进入新一轮快 速发展阶段瞳3 i 。新一代视频会议必须具有多重特性和优势，以满足企业用户的多 元化应用需求。这包括对传输网络线路的高适应性、大容量并发、综合数据会议 功能、高性价比、音视频高清晰度、安全性、稳定性等特点。同时，人性化设计 和方便的可扩展性是新一代视频会议产品的两大特征。对于一个处于快速增长时 期的市场来说，产品势必紧随用户需求的改变而不断升级。 从h 3 2 0 至0h 3 2 3 至0s i p ，从g 7 1l 至0g 7 2 3 1 、g 7 2 9 ，从h 2 6 1 至uh 2 6 2 3 、 m p e g l 2 4 到h 2 6 4 ，从t 1 2 0 到t 1 2 4 ，以及m p l s 、v p n 、r s v p 、网络多播的应 用普及，软交换构架的逐渐形成，都说明视频会议系统的技术越来越成熟化，越 4 硕士学位论文第一章绪论 来越完善化，标准化阱1 。在未来的十年内，视讯标准和技术将体现出多种应用协 议并存、接入手段多样的特点。在协议标准方面，h 3 2 3 协议得到目前国内通信 网( 电路交换网) 的支持，很好地形成了商业市场；h 3 2 3 系统的开放性与互操 作性、普及迅速、系统价格低等特点，也受到了广泛的欢迎；而s i p 协议凭借其 简单灵活、扩展方便等特点，提供丰富的i p 多媒体业务并且逐渐成为技术标准 和市场的主流比副。 视频会议系统按实现方式可以分为硬件视频和软件视频。硬件视频借助专门 的硬件设备，利用专线网络传输。这种架构能有效保证质量，但其投入是非常昂 贵的，非一般的公司和单位所能承担。软件视频可以不使用专线网络，使用互联 网传输，此类系统利用了企业现有的p c 资源和各类互联网络接入，为企业构建 具有视频、音频、白板、文档协作、程序共享等功能的及时沟通平台，其建设和 维护费用仅为硬件视频系统的1 1 0 乜叼。充分利用软件替代硬件，还可有效减少 由硬件设备使用带来的如一氧化碳等废气的排放。除了避免电子垃圾带来的环保 问题之外，一项来自第三方环保组织的调查还显示，通过软件视频会议、多种数 据互联共享等方式，避免了纸张印刷、通信传真、会议环境搭建以及长途跋涉所 带来的其他环保问题。从电子垃圾产生及能源节约角度来看，专家认为，通过网 络会议系统构建一个虚拟的互动会场是一种现实的环保之道，通过软件系统实现 与硬件系统相同功能的解决方案正日益获得重视，并获大力提倡与推广乜7 l 。 在目前的技术条件下，软件视频会议在音视频质量上已非常接近硬件系统的 效果。相比之下，软件视频会议具备许多优势，包括丰富的数据协作、会议管理 和控制功能；非常方便的系统安装部署、扩容和产品升级；使用灵活，可以随时 随地地召开网络会议；还有满足客户个性化的定制等等瞳引。 如一个全球性或全国性的企业单位组织，它需要将系统覆盖总部、省、市、 县四层级的所有营业网点，整个系统需要上万个终端点数，如果选择硬件视频会 议产品将是一个天价工程，而软件视频会议的大容量则完全适合大规模的扩展： 所具有的高兼容性也可整合原有网络设备及硬件视频会议产品，以高性价比将会 议系统直接部署到各个pc 终端，并结合软件特有的i m 即时通讯系统，形成强 大的协同办公体系，迅速提高沟通和决策效率。 此外，软件视频会议具有更强大的行业适用性，可以根据行业客户不同的需 求，来灵活实现其个性化的功能。如企业关注的销售数据和培训系统功能，教育 机构关注的课件功能，卫生系统关注的高清晰视频功能，军警部门关注的远程指 挥监控功能等等。这是硬件视频会议所不能具有的优越性。 目前，国内市面上有多家生产i p 视频会议产品的厂商，比如上海华平计算 机技术有限公司的a v c o ni p 视频会议系统、威速公司的v 2c o n f e r e n c e 系列视 5 硕士学位论文 第一章绪论 频会议系统。v i e w g o o d 的w e b c o n f e r e n c e 视频会议系统、中太多媒体通信有 限公司的p e n t e v i e w 系列视频产品等。它们都是构筑在i p 网络上的视频解决方案， 并且大部分的系统在服务器端和终端都采用了纯软件的解决方案，显示出视频会 议系统由“硬件向“软件 发展的趋势。由于用户终端计算机处理能力的不断 增强，以及网络技术的突飞猛进，用户迫切希望将各类应用，包括视频、语音和 数据统一在一个网络平台上实现。软件视频会议系统在网络带宽得到保证的前提 下，其传输效果与硬件视频系统并无太大区别，而且还可以提供很多附加功能， 使得其低成本的投入可以获得高的收益啪1 。因此，软件化将会成为视频会议领域 的另一个发展趋势。 然而，以上提到的商用视频会议系统都是集中式的，即需要通过软件m c u 进行交叉互连，提供媒体流的转播分发。真正成熟的i p 组播视频会议系统仍不 多见。v c o n 公司的交互式组播视频会议系统在商业上算是比较成功的，但没有 完全实现i p 组播功能，不能同时传输各与会者的音视频数据，沿用了m c u 控 制模式，不能提供讨论式的会议功能，此外其软件与具体的编解码硬件有关，价 格高，部署缺乏灵活性。m b o n e 是较早研究i p 组播的国际性组织，v i c 是其 免费发布的视频会议系统软件，该软件实现了组播功能，但其交互性不强，音 视频质量有待提高。 1 3 研究意义 实现i p 网络上的视频会议系统有着技术和社会发展两方面的意义。 从它的技术发展意义来讲，研究网络视频会议系统促进了网络中多媒体信息 的编码、压缩、解压缩技术的发展，同时还促进了网络对媒体的实时传输技术、 多点传输技术和业务保障( o o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 技术的不断发展。 从它的社会发展意义来讲，视频会议可以节省大量的会议费用，还兼顾了 环境保护问题。视频会议系统有着广泛的应用前景圈，它可以应用在商务交流、 商业会议、企业客户服务、产品开发、招聘员工、远程医疗、远程教学等方面。 尤其是美国“9 1 1 事件和s a r s 传染病流行以后，人们更加意识到远程交通 和大规模人群聚会可能会造成的负面影响，因此更加重视视频会议这样一种举 行会议的方式。视频会议能够使用户摆脱地域限制，进行实时的语音视频交流， 不但节省了参加会议的时间和经费，而且还消除了交通事故、传染疾病等各种 潜在的危害，受到越来越多用户的青睐，也成为计算机网络应用领域研究的一 个热点。 近几年来，随着网络技术的飞速发展，i p 组播这种新兴的技术也不断地完 善发展，c i s c o ，3 c o m 和l u c e n t 等各大网络设备公司提供的新一代路由器和交换 机都支持i p 组播：i n t e r n e t 的各个i s p 相继丌放组播服务，这为以l p 组播基干为 6 硕士学位论文第一章绪论 传输平台的分布式视频会议系统提供了基础网络条件。 从技术角度来看，视频会议系统正在向着系统开放化和软件化、i p 网络化、 应用桌面化、功能多样化与系统化等方向发展。这也正是纯软件视频会议系统的 长处所在。但是，许多视频会议系统的实现采用了直接从底层开发的方法，这样 需要理解国际标准及协议、解决多媒体信息处理与传输等复杂问题，所以使得系 统开发的工作量大、开发周期长，代价大，并且可能得不到很好的效果。 而本系统并非从底层进行开发，而是基于微软的t a p l 3 0 组件开发，t a p l 3 0 是一组适应i p 技术的普及而发展起来的基于c o m 规范的a p i s ，它支持传统的 p s t n 电话和i p 电话口。t a p l 3 0 采用一系列先进技术在现存的l a n s 、w a n s 和i n t e m e t i n t r a n e t 上传输声音、视频和数据。它提供了一种简单而统一的方法建 立两个或多个机器之间的连接，实现多媒体通讯。t a p l 3 0 将呼叫功能抽象出来， 屏蔽不同的、互不兼容的通讯协议，为应用程序提供了一个统一的接口。t a p l 3 0 支持标准的h 3 2 3 会议和i p 组播会议，并采用w i n d o w s2 0 0 0 活动目录( a c t i v e d i r e c t o r y ) 简化会议的部署。t a p l 3 0 还提供q o s 控制功能，提高了会议服务质量 和网络的可管理性。它通过d i r e c s h o w 提供对媒体流的访问，大大改善了媒体流 播放质量。 综上所述，开发一个组播视频会议系统具有较大的实用价值，技术上也是 可行的。 1 4 研究内容与文章结构 考虑到传统的面向连接的传输结构存在资源开销大、终端过于复杂、部署困 难等问题，本文提出了一个基于源根组播的多点视频会议系统模型，该模型使系 统结构得到简化，可靠性、易用性和规模伸缩性得到提高。基于新的系统模型， 设计并实现了一个功能强大的全交互式多点视频会议系统软件。系统摈弃复杂的 m c u 机制，提供自然流畅的音视频通信，支持t 1 2 0 数据会议，支持用户认证和会 议分组与分隔。实践表明，该系统具有良好的应用效果。 本论文共分为六章，现将文章结构及各章主要内容安排介绍如下： 第一章：介绍论文的项目背景，视频会议系统的历史、现状、趋势、分类、 应用和研究视频会议系统的意义。 第二章：提出三个评价视频会议系统传输结构性能的度量指标，并对几种 传统的面向连接的传输结构进行比较分析。 第三章：介绍了组播技术及其在多点通信中的优势，并提出了一个基于源 根组播传输结构的简化多点会议模型。 第四章：设计了一个基于t a p l 3 0 的组播多点视频会议系统。 第五章：阐述了基于组播树的多点视频会议系统的实现方法。 7 l 硕士学位论文 第一章绪论 第六章：结束语。对论文和系统进行了总结。总结了取得的成绩和不足， 提出了下一步的研究方向和目标。 论文的结尾是致谢和参考文献部分。 8 硕士学位论文第二章视频会议系统传输结构分析 第二章视频会议系统传输结构分析 视频会议系统是一种比较复杂的分布式多媒体通信系统，涉及的主要技术有 用户界面、编解码技术、会议控制技术和媒体传输技术四个方面口幻，其中传输技 术对多点会议系统是至关重要的。 2 1视频会议系统的传输结构 视频会议系统可分为点对点个人会议系统和多点会议系统1 ，本文主要讨论 多点会议系统。有三种多点会议模式，一是多方全交互会议模式( 也可以称为头 脑风暴会议模式) ，每个与会者可以自由交谈，彼此能够相互听到或者看到。这 就需要系统提供多通道声音的合成、多视频流的组合，同时通过建立多个连接或 要求网络基础结构提供多点传输服务来实现交互式通信。二是所谓有组织的会议 模式，每个时刻只有一个数据源，所有与会者只能听到和或看到这个对象的视 听信息。这种模式的会议应用需要建立一个一到多的连接或传输结构，同时通过 某种控制使数据源在多个与会者之间切换。三是发布式会议模式，这种会议模式 与第二种类似，但数据源不具有移动性，它只需要一个静态的一对多的网络连接 或一对多的传输结构即可支持会议。 根据h 3 2 3 标准，多点视频会议模式主要分为集中式和分布式两种1 。集中 式视频会议是采用面向连接的单播( u n i c a s t i n g ) 技术，将基于硬件编解码、中央控 制单元( m c u ) 的方案移植到i p 网络，这种称为传统的面向连接的会议系统。分 布式视频会议不需要m c u ，采用i p 组播技术，通过以i p 组播基干网络( m b o n e ) 为支撑平台将异地分布且动态变化的与会人员组织起来，实现分布的会议功能。 2 2 传输结构的性能评价 为了客观评价传输结构的优劣，我们提出三个评价视频会议系统传输结构性 能的度量指标。 定义2 1 ：连接复杂度连接复杂度是传输结构所消耗的端对端逻辑连接的数量，用于 度量一个传输模型的网络连接开销，用c o r m s 表示。 连接复杂度描述了一个传输结构对端到端连接数的需求。一个传输结构要求 的连接数越多，该结构的可伸缩性将越差，因为一个新用户想要加入该通信结构， 它必须知道已经建立连接的对象，连接数越多，通信结构要求它知道的对象也越 多，其负担就越重，传播在线用户信息的工作也越复杂。 考察连接复杂度可以仅关心端系统，也可以从整个传输结构评估。 定义2 - 2 ：实体复杂度实体复杂度是一个用来度量传输结构中主机、多点控制单元以 9 硕士学位论文第二章视频会议系统传输结构分析 及路由器在建立该通信结构时而付出的资源开销，用e c 表示实体复杂度。 实体复杂度描述了通信实体用于建立通信结构而付出的本地资源开销。实际 上，资源开销包括c p 队存储空间、端口、进程、线程等，但是为了便于比较， 可以通过连接数和单位通信量的乘积来代表性地反映实体的整体资源开销。 例如，一个实体有c o n n s 个连接，每一个连接接收到r r a f f数据速率的数_in 据流，并发送t r a f f数据速率的数据流，则该实体的复杂度为：_out e c = c o n n s r r a f f i n + c o n n s t r a f f i c o u t ( 2 1 ) 定义2 3 将用到逻辑链路的概念，所以我们先给出逻辑链路的涵义。逻辑链 路是指单个源数据流在传输过程中通过的链路。一个通信结构中，如果某实体发 出3 个源数据流，那么虽然该实体的输出链路( 物理链路) 只有一条，但是逻辑 链路数为3 。 图2 1 显示了物理链路与逻辑链路的区别。 图2 - 1源j 通过3 个连接分别向尼、尼和见发 送出3 个数据流，故s 输出端口的逻辑链路数为3 。 定义2 - 3 ：传输复杂度传输复杂度是指一个传输结构所需要的逻辑链路数( 1 0 9 i c a l h o p ) 的总和，用l o g i c h o p s 表示。 传输复杂度描述了通信结构对通信子网的资源需求。就网络而言，传输开销 主要包括链路带宽、路由器缓冲区大小、处理器等。不失一般性，考虑到逻辑链 路包括了物理链路、带宽因素，同时还与缓冲区大小、c p u 时间等相关，因此 用逻辑链路数来评价传输结构的网络资源需求性能，具有综合、简便的特点。 由于般性地计算传输结构的逻辑链路数比较困难，我们主要在比较组播与 单播传输结构时使用传输复杂度指标。 2 3 几种传输结构的比较分析 对传统视频会议系统的传输结构进行分析有助于了解基于i p 组播会议系统 传输结构的优越性。 1 0 硕士学位论文第二章视频会议系统传输结构分析 2 3 1 基于全连接的结构 这种连接结构就是每个成员主机都与其它成员主机建立一个连接，图2 - 2 表 示了一个全连接实例。 图2 - 2通过全连接实现多对多通信 设m 为会议成员主机数。为了使一个成员都能和所有成员主机进行全双工 通信，它必须和m j 个主机建立连接。m 个主机之间建立的连接总数为： m - i 1 ( m - i ) = 1 ( 肌一1 ) ( 2 - 2 ) i f f i l i - 这种连接方式的终端复杂度为： e c = c o n n s t a f f i c i n + c o n n s t r a f f i c o u t ( 2 - 3 ) = b 1 ) ( t r a f f i c i n + r r a f f c o u t ) 从( 2 2 ) 和( 2 3 ) 式可以看到，基于全连接的传输结构需要消耗很多网络 连接，占用大量带宽；用户复杂度也很高，其度量值近似等于其连接数的两倍( 如 果r r a f 笏c 等于 。最致命的是，当一个主机想连接到传输网络中时，i nt r a f f i co u t ) 它必须知道在线主机的标识( 地址) ，这进一步加重了主机负担，并使会议管理 复杂化。因此采用全连接传输结构的多点视频会议系统比较少见。美国康奈尔大 学的c u - s e e m e 嘶1 视频会议系统属于这一类产品的代表，由于受到连接数的限制， 它只能支持少量用户同时在线工作。 2 3 2 基于多点控制单元连接的结构 图2 3 为基于多点控制单元( 们u ) 连接的传输结构。 图2 - 3 基于m c t l 连接的传输结构 硕士学位论文第二章视频会议系统传输结构分析 设会议成员主机数为m 。一个主机仅需要和m c u 建立一个连接，该主机通 过这个连接向m c u 发送它的数据流，并接受来自于m c u 的复合数据。因此， 就主机来看，其连接数为j ，用户复杂度为m + l ( 如果m c u 传输所有成员源数 据) 。站在m c u 的立场上看，其连接数为m ，复杂度为m + m ? 。这可以证明如下： m c u 要接收m 个主机发送来的数据，复杂度为聊；又因为m c u 将一个复合数 据流分别传送给m 个主机，复杂度为mxm ，两者和为聊+ ，此即为要证明的 结果。可见，m c u 的复杂度非常高，这必然使其伸缩性不好，难以支持大规模 的用户群。但是，在m c u 具有较强的计算能力时，该结构的规模伸缩性比起基 于全连接的结构要好一些，因此目前相当多的系统采用了这种结构汹3 。不过， 由于受到m c u 复杂度的限制，这些系统都避免同时传送所有终端音视频数据， 而是通过切换，使m c u 在一个时刻只传送一个或几个终端用户的媒体数据，以 便支持较多的用户。这种切换有的通过主席控制方式实现，有的采用声音控制方 法切换( 音量较大的用户取得发送数据权) 。结果，这些机制导致基于m c u 连 接的会议系统控制复杂化了，并降低了系统的稳定性和可靠性。 2 3 3 基于端系统群组通信的结构 一些研究人员看到i n t e m e t 组播迟迟得不到大规模部署，而组播结构又优于 面向连接的结构，就转而研究应用层的群组通信机制，即端系统组播( e n d s y s t e m m u l t i c a s t ) 或应用层组播( a p p l i c a t i o n 1 e v e lm u l t i c a s ti n f r a s t r u c t u r e ，彳三埘驯) 。端 系统组播把网络组播思想上升到应用层实现，依靠主机之间的协作，建立一个以 单播传输( 连接) 为基础的树形虚拟覆盖网( o v e r l a y ) ，一部分主机即是数据接 收者和数据源，同时还承担复制与转发其它主机数据的任务，以此来降低源主机 的发送复杂度，并减少带宽消耗。 从这一基本原理出发，文献 3 8 1 提出了一个成员主机通过自组织建立源基组 播树的算法，采用类似d v m r p 的所谓n a r a d a 协议，让成员主机周期性广播更 新报文，以保持组播树的完整。n a r a d a 试图优化o v e r l a y 的端到端延时。但是该 文的试验表明，n a r a d a 只能支持较小规模的群组。而且不难看出，这种方案中 承担复制与转发任务的节点计算能力与稳定性无法保证。文献 3 9 1 研究了一种基 于交互对象集合的群组通信模型，通过对象实现独立于应用的交互。 文献1 4 0 研究了一种所谓a 阶扩散平衡树信息传输结构，基本思想是让一些 已经接收到信息的节点将所得信息转发给另一些尚未获悉该信息的节点，并限制 传播的延时。图2 4 为一个4 阶扩散平衡树( 扩散延时限制为4 个单位) 。 1 2 硕士学位论文第二章视频会议系统传输结构分析 图2 - 44 阶扩散平衡树( 数字表示传送序号) 在一对多情况下，a 阶扩散平衡树的最大连接复杂度和实体复杂度均为a ( 例 如图2 4 中的s 节点) 。要实现多对多通信，需要m ( 组成员数) 个a 阶扩展平 衡树，这时最大连接和实体复杂度为a 锄。a 阶扩展平衡树还存在一些应用上的 问题，首先它支持的节点数有限，其次是它的节点不能灵活退出，一个承担转发 任务的节点强制性退出，会引起部分节点通信的中断。此外，该方法建立在节点 以串行方式发送数据的假设之上，然而，这个假设也未免过于保守。文献 4 1 】讨 论了一个类似a 阶扩展平衡树的多媒体会议系统分层通信结构。 总而言之，端系统组播结构存在控制复杂、延时大、支持的群组规模小、主 机在承担复制与转发任务时性能与可靠性难以保证等问题。文献 4 2 1 提出了一个 基于代理服务器的多点间通信机制，它通过代理服务器间的单播连接构成一个虚 拟覆盖树形网络，为主机群组提供一个通信结构。这种做法试图克服主机覆盖组 播树方法中主机性能低和可靠性差等问题，用功能强大的服务器来提供较稳定的 通信结构。但是，这又会引入服务器如何配置和部署的问题。 三种传统传输结构的最大连接复杂度、实体复杂度可归纳为表2 1 。 表2 - 1 三种传输结构比较 传输结构连接复杂度实体复杂度 全连接结构 m ( 脚一，) 22 宰沏一，) 基t - m c u 的结构mm + 九阶扩散平衡树( 端系统组播) a + 所a m 2 4 本章小结 在视频会议系统所涉及的主要技术中，传输技术是非常重要的，为了评价传 输结构的优劣，本章提出了三个评价视频会议系统传输结构性能的度量指标，定 量分析了三种传统传输结构的性能。 1 3 硕士学位论文第三章组播在视频会议系统中的应用 第三章组播在视频会议系统中的应用 随着i n t e r n e t 的迅速发展，群组通信特别是计算机视频会议、网络电视、 股市行情发布、远程教育、计算机支持的协同工作( c s c w ) 、新闻发布等大量兴起。 这些新型应用大大推进了社会的信息化进程。这些业务的共同特点是“在时间上 具有一致性，空间上具有分布性”h 朝。组播技术正是这些应用的重要基础。 3 1 网络组播算法与协议 算法是建立组播树的计算过程，指明经过什么样的操作步骤使组播路由 器建立起组播转发表；而协议则是为实现算法所规定的相关数据结构以及交 换这些数据的规程。 3 1 1 组播路由算法 由于组播路由是一个权衡各种因素以寻找最优解的过程，因此研究人员 站在不同观点、强调不同需求，提出了各式各样的组播路由算法。在可接触 的文献范围内，我们把散见于各种论文中的算法归纳成如下几种类型。 1 ) 集中算法与分布式算法 集中路由算法( c e n t r a l i z e dr o u t i n ga l g o r i t h m ) 也称显式路由( e x p l i c i t r o u t i n g ) 或源路由( s o u r c er o u t i n g ) 算法【4 4 1 。其特点是，源节点计算出从源 端到目标节点的整个组播树。为此，网络中的每个路由器都必需维护一个全 局状态( g l o b a ls t a t e ) 信息库，并且周期性地对其更新。p r i m 算法【4 5 】是集中 式最小生成树算法，它从任意的根节点开始不断扩展树，每一步在部分树上 加入一个代价最小的树外节点直到所有节点均加入生成树。文献 4 6 1 提出的 即p 集中算法得到了较多关注。对于给定的源s 和群组m ，即p 首先采用动 态规划方法计算例u m 上的延时受限闭图g ，接着即p 使用p r i m 算法计 算g 上的最小生成树，具体过程是从源开始，找到从在树节点u 到非在树节 点v 的延时受限的最小代价路径，每次添加一个非在树节点，直到所有接收 者全部被包括进组播树。采用集中算法的组播协议是m o s p 一47 。当一个 m o s p f 路由器第一次接收到一个组播数据包时，它就使用d i j k s t r a 算法计算 出以该数据报源端为根的最短路径树( s h o r t e s tp a t ht r e e ) 。