（计算机软件与理论专业论文）视频会议系统中nat机制的研究与实现.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学、计算机软件与理论 研究方向：软件技术及其在通信中的应用 作者：2 0 0 7 级研究生张萍 指导教师：陈春玲 中文题目：视频会议系统中n a t 机制的研究与实现 英文题目：r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h en a tm e c h a n i s mi n v i d e oc o n f e r e n c i n gs y s t e m 主题词：视频会议系统，m c u ，n a t ，终端，h 3 2 3 协议 k e y w o r d s ：v i d e oc o n f e r e n c es y s t e m , m u l t i p o i n tc o n t r o lu n i t , n e t w o r ka d d r e s s t r a n s l a t i o n , t e r m i n a l ，h 3 2 3p r o t o c o l s 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 在单体式m c u 中，m c 主控制板不仅对整个业务流程进行管理、配置和控制，音频 流和视频流也经过m c 板处理。随着网络带宽和媒体流路数的增加、以及会议规模( m c u 端i z i 数) 的扩大，m c u 和终端之间码流过高时极可能出现阻塞m c 主控的现象，而影响 m c u 的正常工作。针对上述问题，提出将n a t 机制应用于框架式m c u 中，以提高系统 的整体性能。 探讨了视频会议系统和m c u 的国内外研究现状；研究了视频会议系统的结构：详细 介绍了h 3 2 3 协议框架；在深入分析相关理论、技术基础上，通过对单体式m c u 和框架 式m c u 的结构及性能的比较，针对单体式m c u 和终端之间码流过高时极可能出现阻塞 m c 主控板而导致视频会议无法正常进行的问题，提出在框架式m c u 中引入n a t 机制， 消除过高的流量对系统的冲击。通过防火墙管理工具i p t a b l e s 实现n a t 功能，使用i p t a b l e s 配置n a t 表的规则实现p 地址及端口的转换，并对n a t 功能和系统性能进行了测试与分 析。 实验结果表明，将n a t 机制应用于框架式m c u 中，能消除过高码流对系统的冲击， 有效避免阻塞m c 主控的现象，该系统满足了用户的需求，达到了预期的研究目标。 关键词：视频会议系统，m c u ，n a t ，终端，h 3 2 3 协议 i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t t a c t a b s t r a c t i nt h es i n g l et y p em c u ，m cv e n e e rn o to n l ym a n a g e s ，c o n f i g u r e sa n dc o n t r o l st h ee n t i r e b u s i n e s sp r o c e s s ，b u ta l s ot h r o u g hw h i c ht h ea u d i oa n dv i d e os t r e a mi sh a n d l e x i w mt h e i n c r e a s i n go fn e t w o r kb a n d 淅d t ha n dm e d i as t r e a mc h a n n e l s ，a st h em e e t i n gs c a l e ( m c up o r t n u m b e r ) e x p a n d s ，c o n g e s t i o ni sv e r yl i k e l y t oo c c u ri nm cw h e nc o d es t r e a mi st o oh i g h b e t w e e nm c ua n dt e r m i n a l s ，w h i c hc a nr e n d e rm c ui n o p e r a t i v e t of i n da ne f f e c t i v em e t h o dt o r e s o l v et h ep r o b l e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t saw a yo fi n t r o d u c i n gn a tm e c h a n i s mt of l a m et y p e m c ui no r d e rt oi n c r e a s et h es y s t e m so v e r a l lp e r f o r m a n c e f i r s t , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e s e a r c hs t a t u so ft h ev i d e oe o n f e r e n c i n gs y s t e ma n dm c u a t h o m ea n da b r o a d s e c o n d , t h ea r t i c l es t u d i e s t h es t r u c t u r eo fv i d e oc o n f e r e n c es y s t e ma n d i n t r o d u c e sh 3 2 3p r o t o c o lf r a m e w o r k f i n a l l y , b a s i n go nt h ed e e pa n a l y s i so ft h er e l e v a n t t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s , t h ea r t i c l ea d o p t saf r a i b et y p em c us t n l c t u r e w i t ht h ec o m 叫s o l lo f t h es t m c t m ea n dp e r f o r m a n c eo fs i n g l et y p em c ua n df r a m et y p em c u ，aw a yo fi l 】灯妇i n g n a tm e c h a n i s mt of l a m et y p em c us oa st od i m i n a t et h ei m p a c to fh i g hf l o wr a t e0 1 1t h e s y s t e 也i sp u tf o r w a r d l t h i sm e t h o da d o p t si p t a b l e smc a r r yo u tt h ef u n c 6 0 no f n a t , a n di p t a b l e s r u l e so fc o n f i g u r i n gn a tt a b l et oa c h i e v ei pa d d r e s sa n dp o r tc o n v e r s i o n t h i sp a p e rt e s t e sa n d a n a l y z e st h ef u n c t i o no f n a ta n ds y s t e mp e r f o r m a n c e t h i se x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea p p l i c a t i o no fn a tm e c h a n i s mc a ne l i m i n a t et h e e x c e s s i v es t r e a mf r o mi m p a c t i n go nt h es y s t e ma n da v o i db l o c k i n gm cv e n e e ri nf r a m et y p e m c u e f f e c t i v e l y , w h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n t so fu s e r sa n da c h i e v e st h ed e s i r e dg o a lo ft h e r e s e a r c h k e y w o r d s ：v i d e oc o n f e r e n c es y s t e m ，m u l t i p o i n tc o n t r o lu n i t , n e t w o r k a d d r e s st r a n s l a t i o n , t e r m i n a l ，h 3 2 3p r o t o c o l s n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘! 要i a b s t r a c t i i 缩略词v 第一章绪论1 1 1 研究背景。l 1 2 研究现状2 1 2 1 视频会议系统研究现状2 1 2 2 视频会议系统中n a t 研究现状5 1 3 本文工作一6 1 4 论文组织结构7 第二章视频会议系统关键技术研究8 2 1h 3 2 3 视频会议系统结构8 2 2h 3 2 3 组件9 2 2 1 h 3 2 3 终端9 2 2 2 网守。1 0 2 2 3 多点控制单元1 1 2 3h 3 2 3 协议概述。一1 3 2 3 1h 3 2 3 协议栈13 2 3 2r a s 协议。1 4 2 3 3h 2 2 5 杉谚之1 6 2 3 4h 2 4 5 协议一17 2 4n a t 技术研究19 2 4 1 t 工作原理1 9 2 4 2h 3 2 3 穿越n a t 的方法2 2 2 5 本章小结2 3 第三章视频会议多点控制单元关键技术研究2 4 3 1h 3 2 3 基本呼叫过程研究一2 4 3 2n e t f ilt e r i p t a b l e s 研究2 8 3 3 框架式m c u 研究3 1 3 3 1 单体式m c u 和框架式m c u 比较3 l 3 3 2 框架式m c ul a n 板。3 2 3 3 3 框架式m c um c 板3 3 3 3 4 框架式m c ua p 板3 4 3 3 5 框架式m c uv p 板3 4 3 4l a n 板中n a t 功能的研究。3 5 3 5 本章小结一3 7 第四章视频会议m c u 中n a t 机制的实现3 8 4 1n a t 在l i n u x 内核中的实现。3 8 4 1 1n e t f 1t e r 钩子3 8 4 1 2 连接跟踪模块3 9 4 1 3n a t 模块4 0 4 1 4ip _ t a ble s 模块j 4 1 4 2 引入n a t 转发的呼叫过程实现4 1 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 3 本章小结4 3 第五章m c u 中n a t 的功能测试与分析4 4 5 1 测试目的4 4 5 2 测试对象4 4 5 3 测试环境。4 4 5 4 测试点及结果分析4 6 5 4 1 $ c p 传输的测试4 7 5 4 2u d p 传输的测试5 0 5 4 3 结果分析5 3 5 5 本章小结5 5 第六章总结与展望。5 6 6 1 论文的工作总结5 6 6 2 今后的研究展望5 6 致谢5 7 参考文献5 8 攻读硕士阶段发表的论文6 l i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 缩略词 缩略词英文全称译文 a l g a p p l i c a t i o nl e v e lg a t e w a y 应用层网关 a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传输模式 c p l d c o m p l e xp r o g r a m m a b l e 复杂可编程逻辑器件 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理器 f p g a f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y现场可编程门阵列 g e g i g a b i te t h e m e t 干兆以太网 g k g a t e k e e p e r 网守关守网闸 g s t ng e n e r a ls w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k 普通电话交换网 g w g a t e w a y 网关 i s d n i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k 综合业务数字网 i t ui n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n国际电信联盟 l a nl o c a la r e an e t w o r k 局域网 m c u m u l t i p o i n tc o n t r o lu n i t 多点控制单元 m p m u l t i p o i n tp r o c e s s o r 多点处理器 m c m u l t i p o i mc o n t r o l l e r 多点控制器 n a tn e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n网络地址转换，网络地址翻译 n g nn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k 下一代网络 p b np a c k e tb a s e dn e t w o r k 分组网络 p p pp o i n t - t o - p o i n tp r o t o c o l 点对点协议 p s t np u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k 公共交换电话网 q c i fq u a r t e rc o m m o ni n t e r m e d i a t ef o r m a t 四分之一c i f r a s r e g i s t r a t i o n , a d m i s s i o na n d s t a t u s 注册、接入和状态 r t c pr e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c o l 实时控制协议 r 伸r e a lc o n t r o lp r o t o c o l 实时协议 s i ps e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l 会话发起协议 u d p u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 用户数据包协议 v r o i pv o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l 互联网语音传输协议 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 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 es y s t e m ) l j 的出现主要得益于两个方面：首先，多媒体 技术与通信网络技术的飞速发展和进一步融合，全球性网络的广泛使用及性能的逐步改 善；其次，用户端计算机设备的处理能力越来越强大，主要表现在计算机主频时钟不断提 高、内存容量不断扩大。多媒体通信技术突破了计算机、通信、电子等传统领域的界限， 把计算机的交互性、通信网络的分布性和多媒体信息的综合性融为一体，提供了全新的信 息服务，对人类的生活和工作方式产生了深远的影响。 与传统的会议形式相比，视频会议作为一种现代化的多媒体通信工具，它可以使不同 的人在不同的地点参加同一会议；而通过多点控制单元m c u 对会议的管理功能，与会者 可以利用视频终端( 或者是p c 终端、摄像头和话筒) 看到发言者会场的图像并听到发言 者发言的内容，发言者也可以看到和听到其他指定会场的图像和声音；若有电子白板，与 会人员还可通过电子白板进行讨论和磋商。从效果上来说，视频会议完全等价于传统的现 场会议，而其先进的技术、强大的功能及不受地理位置限制等特点使它能提高人们的工作 效率，节约时间和经费开支，从而绝对地优于传统的现场会议。 n a t 是指网络地址转换网络地址翻译。目前，n a t 技术主要用于连接和安全方面。 一方面，解决企业i p 地址短缺问题，利用n a t 技术能够实现多个用户共同使用一个合法 的i p 地址连接互联网；另一方面，将内部l a n 与外部i n t e r n e t 隔离，使外部网络用户 无法了解通过n a t 设置的内部i p 地址，在一定程度上防范网络攻击的发生，除了在连接 和隐藏方面的应用，n a t 设备能实现负载平衡。中国面临的是在大量部署基于s i p h 3 2 3 的话音、视频以及基于软交换的下一代网络( n g n ) 业务时，如何解决穿越n a t 防火墙 的问题，现在中国在多媒体业务n a t 防火墙穿越方面取得很大进展，提出了相关国际标 准的立项建议，并获得批准( 项目号分别是h f w r e q 和h p r o x y ) ，中国方面目前承担着 这两个标准草案的编辑工作。 正是在这样的背景下，论文在深入研究视频会议系统、n a t 工作原理的基础上，将 n a t 机制应用于m c u 中，以提高系统的整体性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 研究现状 1 2 1 视频会议系统研究现状 视频会议系统又称会议电视系统，它是多媒体计算机技术与通信技术相结合的产物。 视频会议系统对数字化的视、音频及文本数据等多媒体信息进行综合处理，通过通信网络 对多媒体数据进行实时传输，利用计算机系统提供的良好的交互功能和管理功能，实现人 与人之间“面对面”的虚拟会议环境。 视频会议产生于2 0 世纪6 0 年代，随着7 0 年代数字传输的出现，8 0 年代编解码和信 息压缩技术的飞跃发展，到9 0 年代视频会议系统已发展较为成熟。如图1 1 所示，视频会 议的发展从时间和网络技术发展可分为如下四次浪潮：第一次浪潮是拨号群组视频会议系 统；第二次是i s d n 2 1 桌面视频会议系统；第三次是l a n 上的视频会议系统；第四次浪潮 就是即将到来的i n t e m e t 上的组播视频会议系统。 个人化、俺单亿、全球化、 h - 3 2 0 h 3 2 3 s i p 图1 1 视频会议的发展 拨号群组与其他方式相比，拨号群组电视会议可能更为成熟，但它不可能发展为最大 的潮流。拨号群组是一种“预先安排 的“共享式群组会议环境，它未必属于个人。 基于i s d n 的桌面视频会议系统第二个潮流与群组系统相比有它自已不同的特征，它 不是一种群组共享式环境，而且会议不必预先安排。导致第二个潮流迅猛发展的原因之一 是t 1 2 0 标准【3 】、数据交换标准的确定，以及协同工作软件的推出。用户不仅能够通信， 而且还能共享和传输信息资源。一系列新型视频信息处理器正在融入p c 产品中。尽管有 6 0 的p c 进入了商业领域，但应当注意到这样一个事实，即数量巨大的具有多媒体功能 2 南京邮电大学硕七研究生学位论文第一章绪论 的p c 正在转向家庭。于是在家用电脑市场上便形成了一种适于视频会议和协同环境生存 的良好氛围。最后，有关这一种潮流需要说明的是，它们都依赖于i s d n 。通信载体组织 正在加大它们在这一技术上的投资力度，以期增大它们在国际国内范围的覆盖面。 l a n 上的组播视频会议与前述两种会议方式相比，有它自己不同的特征，首先，它被 设计为多用户共用方式，考虑一下l a n 的多路复用运作方式可以发现，在其中与多人通 信是一件非常简单的事情，它有内置的协议，并使多用户会议以及加入或退出会议变得非 常简便。事实上，这正是这一模式非常诱人之处。其次，在于它的使用非常自然方便，它 支持过去的工作环境以及目前一直使用的工件环境。在熟悉的p c 协作环境上层，媒体工 具如视频邮件与集中式存储环境等在l a n 中都是可访问和可使用的。最大的不同在于， 它是一种公司内部的应用，而不是全球性的应用。首先它是一种低代价网络，而且它是公 司业务所需的最基本的部分。 目前i n t e m e t 视频会议技术已经成熟，它的特征正被人们所掌握，很显然它具有许多 l a n 产品所具有的特征，并且也被设计为多用户共同模式，它是一种支持多人讨论会的高 效方式。只要愿意，一个人可以随时加入或退出会议，桥式工作模式只允许每一个人有一 条线，而它在任何时段内都是开放的。6 4 k b s 或1 2 $ k b s 随时可用，不论你愿意与否，它 是一种颇为自然顺畅的会议环境使用过i n t e m e t 和w e b 的人都知道，在i n t e m o t 和w e b 上要快速到达许多地点是非常容易的。l m e n g = t 视频会议具有其服务器环境所具有的所有特 征，它把i n t e m e t 本身的财富作为自已通信能力的一部分，所以它是通信能力和信息资源 结合的产物，同时它还在全球性环境适用时区不同已不成问题。 标准化是产业兴旺发达的前提，视频会议系统各种设备的生产商考虑到产品的互通 性，于是在2 0 世纪8 0 年代，国际电信联盟( n u ) 专门成立了一个小组研究视频会议， 并建立了一系列的建议和标准。 2 0 世纪9 0 年代初，i t u 一电信标准部( i t u - t ) 推出的h 3 2 0 标准【4 】，结束了各制造 商因编解码标准、算法不统一而带来的混乱无序。该标准对视频会议系统的性能指标、信 息结构、控制命令、规程和组网原则做了完整的规定，还规定了编解码器的主要结构，同 时也规定了视频会议的信号的组成、数据结构，这一系列标准的制定为各种产品在网络上 的互通提供了保证。 1 9 9 6 年6 月，i t u t 又制定了基于分组交换网络视频会议标准一h 3 2 3 协议【5 】。分组 交换网络包括局域网、企业网、城域网、a t m 网、i n t r a n e t 和i n t e m e t ，还包括遵循分组交 换协议如p p p 的p s t n 6 1 和i s d n 等。i t u th 3 2 3 标准解决了点对点及多点视频会议中诸 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 如呼叫与会话控制、多媒体与带宽管理等许多问题，提供了一种连接基于包交换的视频会 议系统与基于电路交换( h 3 2 0 、h 3 2 4 ) 或基于i s d n 等的视频会议系统的手段。h 3 2 3 标准凭借t c p i p 协议，使网上的多媒体应用和业务与基础传输网络无关，电视会议也只 是这一标准的应用之一。另外，像许多呼叫补充业务( 如呼叫转移、呼叫传送、呼叫等待 等) ，i p 电话业务，i p 传真业务等都以h 3 2 3 标准为基础，h 3 2 3 已经逐渐演变成下一代 通信网的基石，也是未来视讯会议的必然方向。 9 0 年代后期，随着i p 网络迅速发展和普及，人们对视频业务的需求量急剧增加，这 促进了视频会议标准的形成和视频会议产品的发展。基于口网络的h 3 2 3 标准视频会议系 统已经成为目前主流的视频会议产品。从大型会议室视频系统到桌面型视频会议系统，从 嵌入式产品到p c 机上软件产品，应有尽有。 视频会议系统自1 9 9 3 年进入中国，十几年来已得到了快速的发展，从政府机关、金 融系统逐渐发展到远程医疗、远程教学、企业管理等领域。国内开始对视频会议设备的研 究，始于8 0 年代末期。2 0 世纪9 0 年代末期，已经有不少国产视频会议系统出台，如华为、 中兴等都开发出基于h 3 2 0 标准视频会议系统，在应用中能做到与国外同类产品互通兼容。 近几年，随着h 3 2 3 标准的成熟和相对于h 3 2 0 标准的优势，国内众厂家纷纷转到h 3 2 3 标准视频会议产品的研究和开发中，并且国产的m c u 产品众多，性能也都很好，占据了 国内m c u 市场的主导地位。 随着视频会议技术的飞速发展，用户对视频会议的画质也提出了更高的要求，如实况 转播、产品设计会议、远程医疗、远程教育等应用领域都需要非常高清的画质，因此催生 了像科研、法院、公安机关等单位对视频会议系统画质的超高要求，而传统的标清的视频 会议系统显然已经无法满足这些的用户的需要。2 0 0 6 年的高清趋势让视频会议领域有了质 的飞跃因为高清在短短一年时间内，成为了主流厂商产品的走势，2 0 0 6 年是视频会议 行业的高清起步年。随着高清显示设备价格的下降和网络应用的推广，高清会议体验将 颠覆传统的会议模式，给与会者带来更高质量的会议体验。 随着网络技术和各种视音频设备的发展，视频会议技术在本世纪有了飞速的发展。从 2 0 世纪6 0 年代的模拟视频技术到9 0 年代拥有自己的协议体系，经历了3 0 年；而从2 0 0 0 年后的h 2 6 4 i 7 】高清编解码技术到最近几年的7 2 0 p & 1 0 8 0 p 高清视频会议只用了不到7 年时 间。最近，视频会议领域最新的技术t e l e p r e s e n e e t 3 j ( 远程呈现) 又在市场中掀起了波高 潮，它作为一种全新的视频会议模式为视频会议行业带来了新的力量。 多点视频会议系统允许3 个或3 个以上不同地点的参加者同时参与会议。多点视频会 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 议系统一个关键技术是多点控制问题，多点控制单元m c u 在通信网络上控制各个点的视 频、音频、通用数据和控制信号的流向，使与会者可以接收到相应的视频、音频等信息， 维持会议正常进行。m c u 是一个数字处理单元，通常设置在网络节点汇接处，可供多个 地点的会议同时进行相互间的通信。m c u 是视频会议系统的核心设备，其主要功能是将 各终端送来的信号进行分离，抽取出音频、视频、数据和信令信号，分别送到相应的处理 单元，进行音频混合或切换、数据广播和确定路由选择、定时和处理会议控制等。 m c u 产品基本上使用硬件来实现，价格异常昂贵，因此仅应用于大型通信服务提供 商。目前参与中国视频会议市场竞争的国内外设备供应商众多，主要包括：p o l y c o m 、v t e l 、 v c o n 、t a n d b e r g 、r a d v i s i o n 、中兴和华为等。p o l y c o m 作为视频通迅产品的主流厂商， 目前在中国视频会议系统市场上占据了主导地位。 这些m c u 产品以硬件实现为主，遵循h 3 2 3 会议系统规范，适应宽带多媒体网络； 具有多种控制模式；多会场音视频融合功能；一定规模扩容能力；先进的音视频解码技术。 其中部分产品可提供自适应宽带多媒体网络功能；并提供视频交互辅助工具，如应用程序 共享、电子白板等虽然这些m c u 产品提供了强大的功能，但也存在相当多的不足：缺 少自适应的q o s 机制；对音视频采取固定编码，不能随用户需求自主选择和动态转换； 单纯的集中式管理，导致系统负担过重；硬件实现价格昂贵，移植性差，不易于进行升级 和功能扩充等。 1 2 2 视频会议系统中n a t 研究现状 n a t 是为了解决地址短缺和可扩展性而采取的一种对外隐藏内部网络拓扑的解决方 案，但同时也给视讯业务的应用带来巨大的麻烦。h 3 2 3 等语音视频协议消息包一般是在 特定区段中内嵌i p 地址和端口号，而不是放置在i p 包头，如果仅仅使用n a t ，协议里的 i p 和端口号不能指向正确的地方。h 3 2 3 的n a t 穿越问题非常关键，目前国际上没有可 以参考的标准或草案。国内的一些厂家纷纷提出自己的解决方案，包括可以通过应用层网 关( a l g ) 、m i d c o mm i d d l e b o xc o m m u n i c a t i o n s 协议、协议修改和代理机制等实现对n a t 的穿越。目前我国正在制定有关n a t 穿越方案的行业标准，标准建议采用这些方案时对终 端设备不做改动，但在某些方案下仍会对终端提出一些要求。 目前，与硬件n a t 设备对应，许多厂商开发了软件n a t ，这种软件n a t 作为插件运 行在p c 机或服务器的操作系统之上，这种方式的n a t 虽然性能与硬件n a t 有一定差距 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 但是价格低廉，更多的得到了中小企业和家庭用户的采用，主要的软件n a t 有w i n d o w s 平台上的s y g a t ew m g a t e 和l i n u x 平台上的i p t a b l e s 等。 1 3 本文工作 目前很多厂商推出了带有n a t 功能的路由器或网关产品，例如：c i c s 0 2 6 2 1 、c i e s 0 6 5 0 9 等产品，这些硬彳牛n a t 设备能够提供高效的地址转换和高速的网络连接但是价格昂贵并不 适合中小企业和家庭上网。与硬件n a t 对应，许多厂商开发了软件盯，软件| n a t 作为插 件运行在p c 机或服务器的操作系统之上，软件n a t 虽然性能与硬件n a t 有一定差距但是 价格低廉，更多的得到了中小企业和家庭用户的采用，目前主要的软件虹有w i n d o w s 平 台上的s y g a t ew i n g a t e 和l i n u x 平台上的i p t a b l e s 等。 m c u 的容量是衡量m c u 性能好坏的一个重要参数。m c u 的容量可定义为在基于 h 3 2 3 协议的m 网络视频会议系统中，在能及时正确地处理和回送所接收到的音视频信号 并保证视频会议系统正常工作的情况下，统计得到的被测m c u 能建立的最大连接数。m c u 的“规格斗即容量是按端口计算，每个端口可以是一个视频终端。为了增加节点的数量， 可以通过级联的方式，但是级联一般不超过两级，因为级联的级数过多时，信号的延迟将 会对会议的质量造成不可容忍的影响。i t u 关于视频会议的标准只允许采用两级级连的组 网模型，这样可以满足传输延时、视频音频同步以及网络控制的要求。随着网络带宽增加 和媒体流路数的上升、会议规模( m c u 端口数) 的增加，极可能出现阻塞m c 主控的现 象，影响m c u 的正常工作。 本课题的研究主要目标是在m c u 硬件架构改进的基础上，研究其软件相关技术，达 到使m c u 各单板协调工作，提高m c u 的性能和服务质量。框架式m c u 主要由m c 主控 板、a p 音频板、v p 视频板和l a b 板组成。研究的最终目的即通过框架式m c u 在减轻 m c 主控制板负担基础上引入n a t 功能，在m c 的控制下，利用n a t 地址转换的功能，将 码流合理的转发至各台终端或者m c u 各单板。 论文主要的工作和创新点如下： 1 介绍和分析了单体式m c u 和框架式m c u 的硬件架构，框架式m c u 解决了单体 式m c u 中m c 主控负载过重的问题，从硬件上对m c u 的性能进行提高。 2 结合h 3 2 3 协议栈，利用i p t a b l e s 防火墙管理工具，实现了软件n a t 。利用n a t 将实现负载均衡【9 】，负载均衡有2 方面含义：一是大量的并发访问或者码流分担到多个单 板上分别处理，减少用户等待响应的时间；二是单个重负载的运算分担到多个单板上并行 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 处理，每个单板处理结束后，将结果返回给用户，系统处理能力大幅度提高；从而消除了 过高流量对系统的冲击。 3 对视频会议系统进行了实验，结果表明引入n a t 后设备达到了设计要求：实践中 还找到了系统的一些不足并进行了部分改进，能够满足最初设计的需求。 1 4 论文组织结构 论文内容共分为六章，安排如下： 第一章绪论。介绍研究背景、国内外研究现状及本人所做的主要工作。 第二章视频会议系统关键技术研究。介绍了基于h 3 2 3 的视频会议系统结构、h 3 2 3 组件及其功能，重点研究了h 3 2 3 相关子协议、n a t 工作原理和系统所采用的h 3 2 3 穿越 n a t 的方案。 ，第三章视频会议多点控制单元关键技术的研究。首先介绍了h 3 2 3 基本呼叫过程，重 点对于框架式m c u 硬件架构做了详细的分析，对如何弥补单体式m c u 的缺陷，给出了 具体的方案。 第四章视频会议m c u 中n a t 机制的实现。介绍了在l i n u x 内核中n a t 的实现，具 体地介绍了内核中三个重要模块，重点介绍了n a t 工作流程以及引入n a t 后m c u 和终 端之间的呼叫控制过程的实现。 第五章m c u 中n a t 的功能测试与分析。首先介绍了测试的目的、对象、环境，然后 根据第四章的主要流程进行全方位地测试。 第六章总结与展望。对论文工作进行总结，并对未来工作进行展望。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章视频会议系统关键技术研究 第二章视频会议系统关键技术研究 为了对基于h 3 2 3 的视频会议有深入全面的了解，本章介绍了基于h 3 2 3 的视频会议 系统结构、h 3 2 3 组件及其功能；重点研究了h 3 2 3 相关子协议、n a t 工作原理和系统所 采用的h 3 2 3 穿越n a t 的方案。 2 1h 3 2 3 视频会议系统结构 h 3 2 3 标准制定了不能保证服务质量( q o s ) 的分组网络p b n 上的多媒体系统的技术 要求。这些分组网络可包括局域网l a n 、企业网( e n t e r p r i s ea r e an e t w o r k ) 、城域网 ( m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ) 、内部网( i n t r a - n e t w o r k ) 以及互联网，还包括采用基于分组 传输( 如p p p ) 的g s t n 或i s d n 上的拨号连接或点对点连接。这些网络可由单个网段构 成，也可以是由多个网段通过其它通信链路互联而成的复杂的拓扑结构。 h 3 2 3 标准范围不包括网络接口、物理网络和网络上的传输协议。本标准所述网络包 括( 但并不限于) ：以太网、快速以太网、f d d i 、令牌环、a t m 。因此，i - i 3 2 3 标准为l a n 、 w a n 、i n t e m e t 以及因特网上的多媒体通信应用提供了技术基础和保障。 h 3 2 3 系统结构如图2 1 所示，图中还显示h 3 2 3 系统和其它系统终端的互通【l o l 。h 3 2 3 视频会议网络在结构上属于总线型结构，每个h 3 2 3 实体( 包括m c u ) 都通过本身主机 上的普通l a b 网卡挂接在网络上。 图2 1h 3 2 3 视频会议系统结构 8 会议终端 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章视频会议系统关键技术研究 2 2h 3 2 3 组件 h 3 2 3 系统的组成部分包括终端、网关g w 、网守g k 、多点控制器m c 、多点处理器 m p 、多点控制单元m c u 【1 1 l 。其中，终端、网关和m c u 统称为端点，端点可以发起呼叫， 也可以接收呼叫，媒体信息流就在端点生成或终结。网守、m c 和m p 则不可呼叫，但是 网守参与呼叫的控制，具有运输层地址，是可寻址的h 3 2 3 实体；m c 和m p 执行多点呼 叫信息流的处理，是系统的功能实体，物理上总是位于某个端点之中，因此没有独立的运 输层地址，是既不可呼叫又不可寻址的h 3 2 3 实体。由于论文后面章节所实现的视频会议 系统是在一个网之内，所以对网关不作详细分析。 2 2 1h 3 2 3 终端 h 3 2 3 终端【1 2 l 提供了点对点或多点会议中音频( 以及可选的视频及数据) 通信能力。 ， 终端系统将摄像头、麦克风采集到的音视频模拟信号，进行采集、压缩编码、多路复用后 经传输线路送到m c u ；同时终端将从传输线路上接收到的视讯信号进行解码处理，还原 成图像、语音( 即终端就是视频会议中视频信号和语音信号的采集点和播放点) 。 音频编码器对从麦克风输入的音频信息进行编码传输，在接收端进行解码以便输出到 扬声器，音频信号包含数字化且压缩的语音。h 3 2 3 支持的压缩算法符合r r u 标准。为进? 行语音压缩，h 3 2 3 终端必须支持g ：7 1l 语音标准【1 3 】，传送和接收a 律和u 律。其它音频 编解码器标准如g 7 2 2 、g 7 2 3 1 、g 7 2 9 a 、m p e g 1 音频则可选择支持。编码器使用的音 频算法必须由h 2 4 5 来确定。h 3 2 3 终端应能对本身所具有的音频编解码能力进行非对称 操作，如以q 7 1 l 发送，以g 7 2 8 接收。 视频编解码器在视频源处将视频信息进行解码传输，在接收端进行解码显示。虽然视 频功能可选，但任何具有视频功能的h 3 2 3 终端必须支持h 2 6 1 q c i f 格式；支持h 2 6 1 【1 4 j 的其它格式以及可选支持h 2 6 3 标准【1 5 】。在分组网络上，使用h 2 6 1 、h 2 6 3 编解码无需 b c h 纠错和纠错帧。数据会议t 1 2 0 是可选功能。当支持数据会议时，数据会议可出现协 同工作，如白板、应用共享、文件传输、静态图像传输、数据库访问、音频图像会议等。 通过h 2 4 5 处理后也可以使用其它的数据应用和协议【1 6 j 。 一 在一个视频会议中仅仅看到远端图像和听到远端声音是不够的，为了能将视频会议和 普通会议一样方便，这就需要终端具有强大的会议控制功能，因此终端还需要将本端的这 些会议控制信号( 如：申请发言) 传送到m c u ；同时还需要执行m c u 对本端的控制指令。 南京邮