（计算机应用技术专业论文）ip网络多媒体会议系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 本文对d 网络多媒体通信技术进行了系统的分析和研究，并在此基 础上参照h 3 2 3 协议，设计实现了一套基于i p 网络的多点视频会议系统。 系统采用了集中与分布式多点控制单元( m c u ) 相结合的设计，使得 m c u 和每个终端都具有召开多方会议的多点控制器功能。系统同时支持 多组的多点会议，会议人员通过i p 组播网互连，实现实时的多媒体数据 通信。 论文首先对多点视频会议系统f j 勺整体设计方案进行了阐述，包括系 统的功能设计，模块划分和会议过程。然后阐述了多点控制服务器m c s 的详细设计与实现，包括m c s 的功能设计和会议控制信令的设计。论文 还对会议过程中，网络传输层的设计与实现进行了系统的分析，包括r a s 信道的建立，会议控制信道的建立和媒体信道的建立。最后，对数据会 议子系统中的电子白板较详细地叙述了设计思路和实现方法。 关键词：视频会议，多媒体通信，h 3 2 3 ，m c u ，多点控制，控制信令 数据会议，组播 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i s p a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e sa n dr e s e a r c h e st h e m u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e so ni pn e t w o r k ，o nb a s i so fw h i c hw ed e s i g na n d r e a l i z eas e to fm u l t i p o i n tv i d e o c o n f e r e n c i n gs y s t e mo nt h ei pn e t w o r k a c c o r d i n gt oh 3 2 3p r o t o c o l s w em a k eu s eo fa c o m b i n a t i o no fc e n t r a l i z e d m c ua n dd i s t r i b u t e dm c ut od e s i g nt h i ss y s t e m ，w h i c he n a b l et h em c ua n d e v e r yt e r m i n a lt oh o l dam u l t i p o i n tc o n f e r e n c e t h i ss y s t e mc a na l s os u p p o r t m u l t i g r o u pc o n f e r e n c e s a l lt h em e m b e r sf r o md e f e r e n tp l a c ea r ec o n n e c t e d b yt h ei pm u l t i c a s tn e t w o r k ，w i t hh e l po fw h i c ht h e yc a l la c c o m p l i s ht h e r e a l t i m em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eo v e r a l ld e s i g no ft h em u i l t i p o i n t v i d e o c o n f c r e n i n gs y s t e mi n c l u d i n gt h ef u n c t i o n a ld e s i g n ，m o d u l ed i v i s i o n a n dc o n f e r e n c i n gp r o c e s s t h e n ，w ea c c o m p l i s ht h ed e t a i l e dd e s i g na n d r e a l i z eo f t h em u l t i p o i n tc o n t r o ls e r v e r ( m c s ) i n c l u d i n gt h ef u n c t i o n a ld e s i g n o fm c sa n dt h ec o n t r o ls i g n a l i n gd e s i g n t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h e d e s i g na n dr e a l i z e o fn e t w o r kt r a n s m i s s i o nm o d u l e i n e h i d i n g t h e e s t a b l i s h m e n to fr a s c h a n n e l ，c o n f e r e n c i n gc o n t r o lc h a n n e la n d m u l t i m e d i a c h a n n e l f i n a l l y , w ei n t r o d u c et h ed a t ac o n f e r e n c i n gs u b s y s t e ma n dm a i n l y f o c u so nt h ed e s i g na n dr e a l i z eo f w h i t e b o a r d k e y w o r d s ：v i d e oc o n f e m n c i n g , m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ，h 3 2 3 ，m c u ， m u l t i p o i n tc o n t r o l ，c o n t r o ls i g n a l i n g ，d a t ac o n f e r e n c i n g ， m u l t i c a s t 绪论 1 绪论 “e v e r y t h i n go v e ri p ”“1 ，这句话非常精辟地叙述了未来通信和 网络的发展趋势，当今网络技术的发展正在逐步证实这句话的正确性和 预见性。因为，今天提供语音、视频和数据等多媒体传输服务的无处不 在的高速i p 网络正在由预言变为现实，并在深刻地影响着人们的生活， 其中v o i p 、i p 视频会议系统等就是i p 多媒体通信最为成功的应用。 1 1 基于i p 网络的多媒体会议系统 基于i p 网络的多媒体会议是利用多媒体技术和i p 通信技术，通过 i p 网络在两点或多个地点之间建立可视通信，实现图像、语音及数据交 流的一种会议形式。与会者利用p c 终端、摄像机和话筒既能实时地看到 对方发言人和会场场景，也能听到对方的声音，若辅以电子白板、书写 电话、传真机等通信设备，即可实现与对方会场的与会人员进行研讨或 磋商，在效果上完全可以代替现场会议1 2 1 。作为一种现代化的多媒体通 信工具，它在及时召开重要会议、做出重要决策、发布重要信息、提高 工作效率、节约时间和经费开支等方面的重要价值已逐渐为人们所认识。 我们通常把多媒体会议系统形象的称为视频会议系统。 1 2 多媒体会议系统的发展历程 视频会议在电讯行业已经存在了3 0 多年，但在9 0 年代以前，这些 系统一直使用专用的编解码硬件和软件，会议呼叫的各终端使用的编解 北京交通人学硕士学位论文 码器必须来自同一个厂商，否则不能正常工作，这种非标准化系统产品 的使用极大阻碍了视频会议领域的发展， 另外。当时的网络状况非常不稳定并且带宽不理想，这样限制了视 频会议系统的传输速度。视频传输在理论上可以达到3 0 帧s 以上，能 够与电视的视频传输速度相符( 电视视频传输n t s c 制式为3 0 帧s ，p a l 制式为2 5 帧s ) ，而当时视频传输速度一般不超过1 5 帧s ，这样一来， 全动态的视频图像几乎是不可能的，锝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。 互联网的迅速崛起所引发的i p 通信技术的广泛应用，使得i p 通信 技术成为通信舞台上的主角，并与语音通信、视频通信形成新的产业会 聚，使一个崭新的通信世界日渐凸现出来。通信业在经历了将近一个世 纪的电路交换通信模式后，目前其技术的整体发展趋势是由电路交换向 分组交换演化，i p 网络将是未来通信网络最大的通信基础设施。 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 ( 国际电联电信委员会) 发布了用于无q o s 保证的分组交换网络上 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。在此以前，用于i s d n 上的群视频会议标准协议- h 3 2 0 一直 主导着视频会议领域的技术和产品发展。 随着国内外大型网络运营商对网络环境的建设和改造，视频会议系 统的使用环境也变得越来越好。因此无论是通讯行业还是i t 行业，都对 视频会议领域重新进行关注，视音频编解码技术趋于成熟；视频会议系 统价格开始下调；图像传输质量大为提高 绪论 1 3 论文的组织结构 论文在阅读大量的国内外文献、资料和源代码的基础上，用软件实 现了一套基于i p 网络的多点视频会议系统，并对相关技术进行了深入的 研究。我们已经将系统应用到实践中，取得了非常好的实用效果。 本文对i p 网络多媒体通信技术进行了系统的分析和研究，并在此基 础上参照h 3 2 3 ”1 协议，设计实现了一套基于i p 网络的多点视频会议系 统。系统采用了集中与分布式多点控制单元( m c u ) “1 相结合的设计，使 得u 和每个终端都具有召开多方会议的多点控制器功能。系统同时支 持多组的多点会议，会议人员通过i p 组播网互连，实现实时的多媒体数 据通信。 本论文的内容结构安排如下： 第一章“绪论”，分析了当今i p 网络技术的发展状况，并由此给多 媒体会议系统带来的影响和机遇。 第二章“i p 网络多媒体通信技术研究”，对i p 网络多媒体通信技术 进行了系统的分析和研究，包括i p 网络多媒体通信的发展过程、i p 网 络多媒体通信的相关技术以及多媒体数据在i p 网络中的传输特点。 第三章“基于i p 网络的多媒体通信协议”，详细介绍了目前在国际 上比较有影响力的基于i p 网络的多媒体通信协议_ h 3 2 3 协议。我们 的多点视频会议系统将参照h 3 2 3 协议来设计和实现。 第四章“多点视频会议系统的整体设计”，对多点视频会议系统的整 体设计方案进行了阐述，包括系统的功能设计，模块划分和会议过程。 第五章“多点控制服务器m c s 的设计与实现”，完成了作为集中式m c u 的多点控制服务器m c s 的详细设计与实现，包括m c s 的功能设计和会议 北京交通火学硕士学位论文 控制信令的设计。 第六章“网络传输层的设计与实现”，对会议过程中，网络传输层 的设计与实现进行了系统的分析，包括r a s 信道的建立，会议控制信道 的建立和媒体信道的建立。 第七章“数据会议子系统的设计与实现”，对数据会议子系统进行了 介绍，主要分析了子系统中电子白板的设计思路和实现。 第八章“系统应用和总结”，介绍了目前系统的实际应用状况，并对 系统的整体性能进行了测试和分析。此外，还对下一步的目标和论文的 更深层次的研究方向进行了展望。 4 i p 网络多媒体通信技术研究 2lp 网络多媒体通信技术研究 通信技术的持续迸步在很大程度上影响着我们信息交换方式的变 革，这种影响使得我们正处在一个新时代的开端。其主要特征就是互联 网的迅速崛起所引发的i p 通信技术的广泛应用，即第三次通信革命。i p 通信技术己开始成为通信舞台上的主角，并与语音通信、视频通信形成 新的产业会聚，使个崭新的通信世界日渐凸现出来。通信业在经历了 将近一个世纪的电路交换通信模式后，目前其技术的整体发展趋势是由 电路交换向分组交换演化，i p 网络将是未来通信网络最大的通信基础设 施。 2 1lp 网络多媒体通信的发展过程 2 1 1i p 网络通信技术的发展 从1 8 3 7 年莫尔斯发明电报和1 8 7 6 年贝尔发明电话以来，通信服务经 历了长达一个多世纪的发展，并已走进了千家万户，成为社会生活、工 作和人们交流信息所不可缺少的重要工具。通信服务由传统的电报、电 话单一品种扩大到传真、数据通信、图像通信、电视广播、多媒体通信 等新业务领域；通信技术的日新月异，传输媒介有缆线、无线短波、微 波、卫星和光缆；交换设备由机电制布线逻辑方式向计算机程序控制方 式发展；传输设备由模拟载波向数字脉码调制方式发展；终端设备由机 电方式向微处理控制的多功能终端发展；通信方式由人工、半自动向全 自动方向发展；通信网由单一的业务网向综合方向发展；通信地点由固 北京交通大学硕士学位论文 定向移动发展。总之，最近2 0 年来电信技术和业务发生了巨大变化。 综观通信技术发展的全历程，可以将其发展过程分为3 次革命。 第一次通信技术的革命是百年前电话的问世。电话网是开放电话业 务为广大用户服务的通信网络。最早的电话通信形式只是两部电话机中 间用导线连接起来进行通话。但当某一地区电话用户增多时要想使众多 用户相互间都能两两通话，便需设立一部电话交换机，由交换机完成任 意两个用户的连接。这就形成一个以交换机为中心的单局制电话网。在 某一地区( 或城市) 随着用户数继续增多，便需设立多个电话局，然后 由局间中继线路将各局连接起来，形成多局制电话网。电话网络采用的 交换技术是基于电路交换的通信技术。电路交换是两台通信设备或终端 相通信时，使用的同一条实际物理链路，在通信中自始至终使用该链路 传输，且不允许其他设备同时共享该链路。电路交换包括公用电话网， 公用电报网和电路交换公用数据网。电路交换适用于一次接续后传输长 报文的通信。其优点是实时性强，延时很小，一般是一个字符甚至到一 个比特均可传送，交换设各成本较低，缺点是链路，尤其是中继线利用 率低。电话网当前的发展方向为程控数字网，即各级交换中心均装用程 控数字交换机，传输电路均为数字电路。程控数字网通信质量优良，自 动化程度高，故发展很快。 第二次革命是半个世纪前电视和有线电视网的出现。电视的出现改 变了电话网只能传输话音的缺点，它不仅使用户能闻其声，同时还能见 其人。特别是有线电视网络的出现。使视频信号的传输质量和带宽都得 到很大的改善。也使得基于广播电视的通信技术进入快速发展的阶段， 达到了鼎盛时期，成为三大媒体通信技术之一。 第三次通信革命是因特网的迅速崛起所引发的i p 通信技术。i p 通 6 i p 网络多女i l 体通信技术研究 信技术已开始成为通信舞台上的主角，并与语音通信、视频通信形成新 的产业汇聚，世界通信网络基础设施就此出现新层次的突破，一个崭新 的通信世界日渐凸现出来。 2 1 2i p 网络通信技术的特点 这种新兴的以i p 分组交换为核心的通信技术具有如下特点“1 ： 1 从技术上说，新的变革实际上就是从基于电路交换的技术转变为 i p 分组交换( p a c k e ts w i t c h i n g ) 技术。分组交换也称为包交换，它将 用户发来的报文分割成若干定长的数据块( 分组) ，让它们以“存储一 一转发”方式在网络中传输。每一个分组信息都载有接收地址和发送地 址的标识在传送数据分组之前，必须首先进行路由建立虚电路，然后 延虚电路传送。分组交换在链路上采用动态复用的技术传送各个分组， 所以链路利用率较高。分组交换兼有电路交换和报文交换的优点，是数 据交换方式中一种比较理想的方式。传统电话网络只是简单的建立连接， 而新的网络中i p 分组承载的信息在i p 头的比特编码下具有更强的智能化 功能。 2 从模式上看，i p 通信是一种全新的通信模式。在该模式中，数据 正迅速取代语音成为主要的网络流量类型。因特网、内联网( i n t r a n e t ) 和外联网( e x t r a n e t ) 上的数据流量激剧增加，i p 网际互联已无可争辩 地成为新世界的基础。 3 从业务上看，传统电信业务主要就是电话业务，所以电信公司实 际上只是电话公司。因特网应用的普及使这一格局很快发生了改变，一 批因特网服务供应商迅速崛起，其服务范围越来越广，因特网具备更丰 富的业务内涵。这其中包括很多多媒体数据业务的实现，如i p 话音、i p 7 北京交通大学硕士学位论文 图像、i p 电视会议等等。更加丰富的是增值服务，其中最具代表性的是 目前极为流行的i p 虚拟专用网等。越来越多的人开始意识到，未来通信 市场的竞争不是“卖带宽”，而是“增值服务”。 另外，i p 通信是通信技术发展的趋势所在。通信业务在经历了将近 一个世纪的电路交换通信模式后，目前其技术的整体发展趋势是由电路 交换向分组交换演化，i p 网络将是未来通信的基础。其突出表现在以下 几个方面。 1 i p 与i s d n ( 综合业务数字网) 、a t m ( 异步转移模式) 等网络技 术不同，i p 网络是典型的由市场驱动发展起来的。i s d n 和a t m 的发展历史 都是技术驱动型的，先有技术，再找应用。历史证明，这种模式是不成 功的。而因特网从诞生的那一天起，就是由应用推动技术的发展，技术 发展又反过来刺激应用，形成了技术和应用的良性互动。 2 在i p 业务迅猛发展的同时，i p 网络技术也在不断升级，逐步迈向 更高的台阶。i p 对底层承载技术有广泛的适应性，i p 核心网络由数年前 的软件路由器加窄带中继发展到吉比特甚至太比特i p 路由交换机加宽带 传输网络。i p 接入网络由传统的低速调制解调器、i s d n 发展到a d s l 和 c a b l em o d e m 。几年前人们广泛批评的i p 网络的弱点和缺点，如q o s 、网 络安全性等，随着光网路技术和交换式路由器的进步都将会得到彻底解 决。 3 i p 与移动通信必将紧密结合，互相渗透。伴随着因特网的飞速发 展，移动通信也在突飞猛进。但是移动通信的业务迄今为止都是传统的 语音通信占主导地位，移动通信网络本质上是电路交换网。随着用户量 的激增，运营商之间的竞争如剧，单一的语音业务远远不能满足用户的 业务需求。发展移动数据业务是移动通信运营商的战略方向。让消费者 i p 网络多媒体通信技术研究 拥有和因特网无缝结合的移动i p 业务是运营商的竞争利器。借助于w a p 的w e b 浏览，随时随地进行的移动电子商务、移动网上银行、移动i p 电话 等业务预示着因特网和移动通信无缝结合的前景和未来。特别是第三代 移动网络发展随着分组业务量的急剧增长和i p 技术的完全成熟，所有的 业务将会统- - 蛰j i p 网络，形成一个真正的综合业务网络。 2 1 3 基于i p 网络的多媒体通信 顾名思义，多媒体通信是指在一次呼叫过程中能同时提供多种媒体 信息( 例如声音、图像、图形、数据、文本等) 的新型通信方式。和电 话、电报、传真及计算机通信等传统的单一媒体通信比较多媒体通信 使得相隔万里的用户能声像图文并茂地交流信息，分布在不同地点的多 媒体信息能步调一致地作为一个完整的信息呈现在用户面前，而且用户 对通信全过程具有完备的交互控制能力。 目前基于i p 网络的多媒体通信“1 异军突起，发展势头极为迅猛。因 特网目前已经家喻户晓了，因特网的w e b 技术也已广为使用。随着w e b 技 术的发展，特别是j a v a 、j a v as c r i p t 和p l u g i n 技术的不断引入，w e b 系 统的能力越来越强大，他已经不只是提供简单的文本、图片等的信息检 索服务，它还可以提供动画、声音乃至实时运动图像的服务。目前的因 特网是不能提供多媒体服务的，其主要原因是因特网无法确保服务质量。 在网络负载很轻的时候可以提供一些较高档次和一些实时的业务，当网 络拥挤时甚至连普通的信息检索都不能提供的很好。但是基于i p 的多媒 体通信网应能保证所提供业务的服务质量和主干网应该是宽带网，以便 能向用户提供令人满意的多媒体信息服务。虽然说，因特网是不能提供 多媒体通信服务，但是因特网的核心技术i p 技术及t c p i p 是可以用 9 北京交通大学硕士学位论文 于多媒体通信。 目前世界各国、各大厂商都在研究基于i p 的多媒体通信。一些国际 标准化组织，包括i s o ( 国际标准化组织) 、i e t f ( 因特网工程任务组) 和i t u t ( 国际电联电信标准部) 也都在积极进行基于i p 的多媒体通信的 研究，制定相应的标准。 基于i p 网络的多媒体通信最有代表性的业务之一是i p 电话，它是近 几年来发展最快的一种通信业务，也代表未来语音通信的发展趋势。另 外一种具有代表性的业务是视频点播( v o d ，v i d e oo nd e m a n d ) ，这个 业务被认为是宽带业务中一种具有代表性的业务，在各国的b - i s d n 试验 网中几乎无一例外地引入这一业务。这项业务目前在i p 网络上已能很好 的开放，国内外已有这样的设备。 基于i p 网的另一类多媒体通信业务是多媒体会议系统。由于多媒 体系统要求的实时性是最高的，特别是在会议中的对话，因而以前会议 通常在电路交换网络中实现。近年来基于i p 网络的多媒体会议业务有了 突破性的进展，h 3 2 3 标准的制定，以及与h 3 2 3 相关联的s i p 的提出，特 别是由于i p 网的特殊性，要求图像编码和语音编码尺度可交而提出了 h 2 6 3 和g 7 2 9 等标准，使得在i p 网上的多媒体会议业务可以很好的开展 了。 在多媒体会议业务上，可以产生多种应用系统。最具有代表性的应 用系统有3 种。首先是综合业务多媒体会议系统。这是一项应用面相当广 泛的应用。多媒体会议业务目前在国内的普及率是很低的，其主要原因 是设各的价格问题，还包括接入网的带宽问题。基于i p 的会议系统，由 于大量智能化布线大楼的存在及其迅速普及，以及桌面系统价格豹大幅 下降，在很大程度上克服了上述难点，因而近期它将会有一个很大的发 0 i p 网络多媒体通信技术研究 展。另外一类多媒体会议业务是远程医疗系统。远程医疗是一项综合度 很高的多媒体通信业务，多媒体会议是它的项核心内容，此外还包括 多媒体信息检索、多媒体信息分配和多媒体信息采集业务等。远程医疗 的发展已经经过了几个阶段，从p s t n 、d d n 到i s d n 和i p 网络，经过了业务 从低级到高级的发展过程，目前普遍认为i p 网上的远程医疗是未来的发 展方向。多媒体会议还有一个应用系统是远程教学系统，由于校园网的 建设。包括一些中小学都相继建立起自己的网络系统，使得基于i p 网络 的多媒体通信的应用要求得到了很好的解决，目前远程教学9 0 以上是利 用i p 网络。 2 2lp 网络多媒体通信的相关技术 多媒体通信是个伴随着应用要求的不断增长而迅速发展的领域， 从推动多媒体发展的技术因素来看，如果没有在计算处理能力、存储能 力、压缩算法和网络技术等方面的显著进步，就不会有今天的多媒体通 信。 2 2 1 压缩编码技术 多媒体系统最基本的特征是对各种独立媒体的综合处理能力，而完 成综合处理的关键是各种媒体信息的数字化显示，以及各种不同媒体和 不同数据之间的同步。这涉及到编码压缩技术和媒体同步技术。 1 视频压缩编码标准及其应用范围 视频是多媒体通信中最重要的媒体之一，由于视频的信息量非常大， 尤其是数字化后，如果没有高效的压缩技术，是无法传输和存储的。目 北京交通人学硕士学位论文 前，由国际标准化组织( i s o ) 和国际电联电信标准部( i t u t ) 正式公 布的视频压缩编码标准中有m p e g 系列和h 2 6 x 系列建议。 h 2 6 1 是c c l l v r 制定的国际上第一个视频压缩标准，主要用于电视电 话和会议电视，以满足i s d n 日益发展的需要。该标准于1 9 9 0 年1 2 月获得 批准。h 2 6 1 标准的名称为“视听业务码率为p * 6 4 k b i t s 的视频编译码”。 m p e g 一1 标准叫作“运动图像和伴随声音的编码一一用于码率约在 1 5 m b i t s 以下的数字存储媒体”，主要用于多媒体存储与再现血u v c d 等。m p e g 一1 采用c i f 视频格式，帧码率为2 5 帧秒或3 0 帧秒，码率为 1 5 m b i t s ( 其中视频约1 2 m b i t s ，音频约0 3 m b i t s ) 。 m p e g 一2 是继m p e g l 之后，m p e g 制定的又一视频压缩标准。它能适用 于更广泛的应用领域，主要包括数字存储媒体、广播电视和通信。制定 m p e g 一2 标准的出发点是保持通用性，适用于广泛的应用领域和服务。 m p e g 一2 适于高于2 m b i t s 的视频压缩，这包括了原计划为h d t v 的发展而制 定m p e g - 3 标准的内容。 h 2 6 3 是i t u t 的关于低于6 4 k b i t s 比特率的窄带通道视频编码建 议，其目的是能在现有的电话网上传输活动图像。由于h 2 6 3 是面向低速 信道的，所以必须在帧频和图像失真之间做出选择。 虽然在低比特率，低分辨率的应用中h 2 6 3 有它的优点，但它也有一 定的局限性。对此，最近i t u _ t 对h 2 6 3 进行了修改，提出了h 2 6 3 + 建议。 h 2 6 3 + 建议增加了许多新技术，以扩大建议的应用范围，提高重建图像 的主观质量以及加强对编码比特率的控制嘲。 2 音频压缩编码标准及其应用范围 1 9 7 2 年c c i t t 为电话质量和语音压缩制定了p c m 标准g 7 1 l 。其码率为 6 4 k b i t s ，使用| l 律或 律的非线性置化技术，主要用于公共电话网中。 1 2 i p 网络多媒体通信技术研究 1 9 8 8 年c c i t t 为调幅广播质量的音频信号压缩制定了g 7 2 2 标准，它 使用子带编码( s b c ) 方案，其滤波器组将输入信号分成高低两个子带信 号，然后分别使用a d p c m 进行编码。g 7 2 2 能将2 2 4 k b i t s 的调幅广播质量 的音频信号压缩为6 4 k b i t s ，主要用于视听多媒体和会议电视等。 1 9 9 6 年i t u - t 通过了g 7 2 3 标准“用于多媒体传输的5 3 k b i t s 或6 3 k b i t s 双码率话音编码”。它采用多脉冲激励最大似然量化 ( m p - m l q ) 算法，此标准可应用于视频电话及i p 传输电话等方面。 为了进一步降低压缩的码率，c c i t t 于1 9 9 2 年制定了g 7 2 8 标准，使 用基于低时延码本激励线性预测( l d c e l p ) 编码算法，其码率为 1 6 k b i t s ，主要用于公共电话网中。 i t o t 于1 9 9 6 年3 月通过t g 7 2 9 a 标准，它使用8 k b i t s 的共轭结构 代数码激励性预测算法，此标准将在无线移动网、数字多路复用系统和 计算机通信系统中应用。 2 2 2i p 网络技术 近几年来因特网网络用户数量急剧增长，已成为不可阻挡的潮流。 因特网技术的最大生命力在于采用了t c p i p ，统一了上层通信协议，而 其基础可以是任何现有网络。t c p i p 代表网络分组化、无连接化和全球 寻址的大趋势和大方向，而其低廉的通信成本又为其大规模开发建立了 广泛的群众基础。由于i p 寻址简单易用。因而应用日益广泛，特别是目 前i p 网的骨干网码率在快速提高，接入网的码率也在提高，i p 网上的业 务正在从非实时业务向实时业务演变，从窄带业务向宽带业务发展，尤 其i p 寻址方式很容易与智能布线和局域网技术结合起来，可很好解决宽 带接入问题。 北京交通大学硕士学位论文 i p 宽带多媒体通信网是基于t c p i p ，因此l p 和t c p 是i p 网中的一对重 要协议，同时为了能保证实时业务在i p 网中很好运行，还需要使用实时 传输协议( r t p ) 和实时传输控制协议( r t c p ) 。为了给实时业务或其他 特定业务提供足够宽的通道，还要用到资源预留协议( r s v p ) 。这五个 通信协议是i p 网的主要通信协议，是i p 网的通信基础，i p 网的所有业务 基本是在这些通信协议的基础上建立起来的。 1 i p t c p i p 是为包含多种物理网络技术丽设计的，包容性主要体现在i p 层当中。各种网络技术的帧格式，地址格式等上层协议因素差别很大， 设置i p 层的重要思想之一就是通过r p 向上层( t c p i p 等) 提供统一的i p 数据报和i p 地址，使得各种物理帧的差异性对上层协议不复存在，从而 达到屏蔽低层细节提供一致性向上接口的目的。i p 主要涉及两个方面的 内容：第一是i p 层的数据报传输机制和i p 层的无连接服务；第二是i p 数 据报的数据格式。 2 。t c p t c p 和u d p 是i p 网中传输层两个并列的协议。传输控制协议( t c p ) 除 了提供和u d p 一样的进程通信能力外，其主要特点是可靠性很高。其主要 工作是：连接管理，流量控制等。t c p 是建立在不可靠的i p 协议之上的， i p 协议不可能提供任何可靠性机制。因此t c p 的可靠性完全由自身来实 现。t c p 采用的最基本的可靠性技术是：确认与超时重传，流量控制和拥 塞控制。t c p 是面向连接的，提供高可靠服务。高可靠性的t c p 用于一次 传输要交换大量报文的情况( 如文件传输、电子信箱、远程登录等) 。 3 u d p 用户数据报协议建立在i p 上，同i p 协议一样提供无连接数据报传输。 4 i p 网络多媒体通信技术研究 不提供可靠性通信服务，而是提供高效及时的用户数据报服务。相当于 i p ，唯一增加的能力是提供协议端口，以保证进程通信。u d p 是无连接的， 提供高效率的服务。高效率的u d p 用于一次交换少量报文或实时性要求较 高的信息( 如：i p 电话、会议系统、交易型应用及一些管理和控制信息) 。 4 r t p 和r t c p 实时传送协议提供具有实时特性的、端到端的数据传送服务，可蛆 用来传送声音和运动图像数据。在这项数据传送服务中包含了装载数据 的标识符、序列技术、时戳和传送监视。通常r t p 的协议元是用u d p 的协 议元来装载的，并利用u d p 的复用、校验来实现r t p 的复用。r t c p 的基本 做法是周期性地向会话的所有参加者进行通信，采用和数据分组分配传 送的相同机制来发送控制分组喇。 5 r s v p r s v p 是一个资源预约协议，提供一种有效的资源预约方式，可以有 效地描述应用程序对资源的需求。r s v p 建立在i p 之上，可以利用i p 数据 报传输r s v p 消息。r s v p 是一个工协议，只在一个方向上预定资源。r s v p 主要是一个面向用户端协议，由信宿负责资源预约，可满足点到多点群 通信中客户端异构的需求，每个客户端可以预定不同数量的资源，接受 不同的数据流。r s v p 还提供了动态适应成员关系的变化和动态适应路由 变化的能力。r s v p 可以满足大型点到多点通信群的资源预订需求。 2 2 。3 分布式处理技术 对于多媒体通信系统，往往需要实现点对点、一点对多点、多点之 间的实时同步交互通信，最典型的就是多点视频会议系统。系统要求不 同媒体、不同位置的终端的收发同步协调。多点控制单元( m c u ) 有效地统 1 5 北京交通大学硕十学位论文 一控制，使与会终端数据共享，有效协调各种媒体的同步传输，使系统 更具有人性化的信息交流和处理方式。通信、合作、协调正是分布式处 理的要求，也是交互式多媒体协同工作系统( c s c w ) 的基本内涵。 对于多点视频会议系统，会议管理和多点控制是实现多媒体通信分 布式控制的关键技术。会议管理和多点控制是一个综合的协调机构，它 应该完成会议召集、成员控制、会议进程控制、网络通信及各功能模块 的协调工作，作为视频会议系统的中心，应实现与各功能模块的连接。 会议管理和多点控制研究的是数据连接的问题，多媒体信息流的调度问 题，以及会议管理机制。同时，良好的用户接口也来自对会议管理和控 制功能的合理组织，这也是视频会议系统需要解决的问题 。 2 2 4 媒体回放和同步技术 在多媒体通信中，音、视频数据先天是不同步的，而且，由于数据 包毕竟采用不保证服务质量的u d p 传输，客观存在着网络丢包，数据包 到达不连续和失序等问题。所以，为使多媒体通信系统达到一定的q o s ， 那么，对媒体同步和回放的技术就显得非常重要。 具有一定q o s 的多媒体通信系统，是指在回放端，用户感觉不到明 显的延时和抖动，唇音基本同步，视频和音频质量能够接受。为此，我 们可以采取下列措施。 1 优化音、视频质量的技术 为了优化音、视频质量，我们可以采用语音优先的技术，在多媒体 通信系统中，语音往往在最重要的，同时，视频帧少量的丢失对系统影 响不大，当前，许多路由器把话音包的优先级作为最高，支持资源预留 协议( r s v p ) 的i p 网，也会专门为话音通信预留带宽，直到通信结束，带 1 6 i p 网络多媒体通信技术研究 宽才释放。在应用层上，当带宽出现竞争时，我们可以通过减少视频帧 的采集速度和发送速度( r t c p 来实现) ，优先传输语音包来实现语音优 先策略。 这里要说明的是，r t c p 是r t p 的控制协议，它周期性地与所有会话 的参与者进行通信，并采用和传送数据包相同的机制，由收端向发送端 发送控制包。 另一项优化音、视频质量的技术是静音抑制。一般来说，在多媒体 通信中，很多情况下处于静音状态，例如，一方在讲话时，另一方在听， 而且讲话过程中有大量显著的停顿。有关调查结果表明，在一路全双工 电话交谈中，只有4 0 左右的信号是有效的。静音抑制技术会检测通话 过程的安静时段，并在这些安静对段停止发送语音包。这样，大蠡的网 络带宽节省下来用于其它数据通信，从而可提高视频质量。 2 处理传输延时的技术 网络延时是指一个i p 包在网络上传输平均所需的时间。当网络状况 不佳时，从采集端，我们可以通过减慢音、视频的采集和发送速度，来 避免进一步的拥塞，通过减少采集端音频的缓冲来减少采集的延时，通 过加大视频的压缩比来减小数据包等措施，以尽量减短因为源端带来的 时延；从播放端，减少时延的做法是丢包，适当的丢包策略不会引起明 显的抖动，但却促成了时延减少的效果。另外，缓冲技术对减少时延也 很重要，我们可以建立两个队列，一个用于音、视频包的解压，一个用 于包的回放，这样并发的处理无疑会减少播放时延。 3 处理抖动的技术 网络抖动是由i p 包传输时间的长短变化和u d p 传输带来的包失序引 起的，如果网络出现竞争，那么有的数据包因迟到被丢弃，会产生媒体 北京交通大学硕士学位论文 的断续及部分失真，严重影响播放质量。为实现多媒体在播放端稳定、 平滑的回放，我们可以采取三种做法：第一，可以采用去抖动缓冲技术， 即在接收设定一个缓冲池，对不均匀到来的数据包进行一定时间的缓冲， 取出的包进入解压队列，在播放队列再匀速播出；第二，在r t p 数据包 的头部中包含的序号( s n ) 字段，可用来在接收端对收到的数据包进行 正确的排序以及统计包丢失率，从而可以让视频流稳定有序的播放：第 三，当各种因素造成的话音延时超过2 0 0 毫秒时，通信双方一般就倾向 于采用半双工的通信方式，这同时也可以降低时延。 4 处理同步的技术 在r t p 数据包的头部中包含的时间戳标志( t i m e s t a m p ) ，使接收端能 够恢复数据包发送时的定时关系，从而可以对音、视频包进行同步。我 们可以“再现”采集时两种媒体发生的“当地时间”，控制音、视频包的 播放，对于失去对应时间戳的包，如果延时过大，则可以大胆的丢弃。 2 2 5 多媒体数据的实时传输 1 r t p 协议简介 r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) “1 是i e t f 开发的一种实时信 息传输协议。它是针对多媒体数据流的一种传输协议。r i p 为具有实时 特性的数据( 例如交互的音频和视频数据) 提供端到端的传送服务。这 些服务包括有效载荷类型标识、序列号计数、时间戳标记等等。r t p 通 过它的控制协议r t c p 来监控数据传送质量，提供最小的控制和标识功 能。r t p 包括数据和控制两种类型的信息包。数据包用于传送媒体数据， 而控制包则用于传送和r t c p 协议相关的控制信息。r t p 和r t c p 被设计 成独立于下面的传输层和网络层协议。它可以在面向连接或无连接的底 i p 网络多媒体通信技术研究 层协议上工作，应用通常运行r t p 于u d p 之上，两种协议均承担部分传 输层功能。 r t p 本身不提供任何保证及时提交的机制，也不提供其它q o s 保证， 而是依靠下层服务完成这些服务。它即不保证提交，也不防止错序提交， 还不假设下层基础网络可靠而且按序提交分组。r t p 中包含的顺序号允 许接受方重建发送分组序列，但是，在视频解码中，顺序号也可能用于 确定分组的适当位置，从而不必按序解码分组， r t p 主要用于有多个参加者的多媒体视频会议系统，还可以应用于 连续媒体的传输等领域。由r t p 支持的具有多点传送能力的u d p i p 通信 系统是当今许多i n t e r n e t 多媒体应用的基础。 2 r t p 数据报 r t p 数据报由1 2 字节的头部加上有效载荷( 如一个视频帧或一组音 频采样) 组成。r t p 通过每个数据包的r t p 报头中的序列号、时间戳等 字段提供一种基于无连接传输协议的端到端控制机制，r t p 报头组成如 图2 1 所示，其中主要包含了如下信息： v = 2p xc cmp t 序列号( s e q u e n c en u m b e r ) 时间戤( t i m e s t a m p ) 同步源s s r c 标识符 有贡献源c s r c 标识符 图2 - 1r t p 头部格式 有效载荷类型p t - 由一个字节组成，标识了r t p 数据报中有效载荷 的类型，例如h 2 6 3 视频或g 7 2 3 音频。它为接收方译码提供较大的灵 1 9 北京交通大学硕士学位论文 活性，发送者还可以在会议中更改编码方式来适应一个通过低带宽链路 连接的参加者或是用以指示网络拥塞。 时间戳( t i m e s t a m p ) ：3 2 位的时问戳记录了r t p 分组中所包含数据 的产生时刻，时间戳字段可作为流间同步标识，以保持视频和音频数据 流间同步和连续播放。并且时间戳还可用于测量分组延时、延时抖动等， 以此来评价当前网络传输质量是否满足应用的q o s 要求。 序列号( s e q u e n c en u m b e r ) ：1 6 位的序列号字段可用于估计分组丢 失数，重排序r t p 包以消除重复分组，保持视频或音频数据流内同步和 连续播放。 标记( m ) 位：标记位的解释依赖于有效载荷类型该位在分组流中标 记重大事件。对于音频，它可以标记一段会话的开始。 同步源标识( s s r c ) ；一个随机产生的3 2 位整数，在一个r t p 会话中 唯一地标识一个同步源。 r t p 协议通过为上层数据添加r t p 报头可提供一种基于无连接传输 协议地端到端控制机制，保证实时多媒体数据的有效传送。通过r t p 协 议，可以实现端到端的控制，使无连接协议地不稳定性得到一定补偿。 3 基于r t p 的服务质量控制 在多媒体应用中，用户一般对服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 有一定的要求。要求对网络带宽、吞吐量、端到端延时、延时抖动、分 组出错率等q o s 参数有相应的保证。因此对多媒体应用来说需要有一定 的q o s 管理来满足用户的需求。 现有的网络对q o s 概念的支持还比较弱，多数网络虽然允许用户说 明其对q o s 的要求，但是通常并不保证满足用户的q o s 要求。例如i p 协 议只允许用户通过i p 分组报头中的服务类型进行简单的定性q o s 说明 2 0 i p 网络多媒体通信技术研究 ( 如优先级等) 而不能严格对q o s 进行定量说明。并且下层机制也不提 供q o s 保证。 目前，q o s 需求呈多样化趋势。不同类型的媒体对q o s 参数的要求 差别很大。在视频会议系统中，对端到端的延时要求相当严格。般要 求在2 5 0 m s 以下。视频信号和音频信号对带宽要求差别也很大。如一个 电话质量的音频信号只需6 4 k b j t s 的带宽，但经过压缩的活动图像要求 的带宽在2 l o o m b i t s 。大多数基于r t p 的多媒体通信软件都没有提供 网络带宽的自动调整功能，当网络发生阻塞时，将无法保证多媒体应用 的q o s 。如果实现自动调整传送带宽，其前提条件是发送端如何获取网 络失调状态信息。一种可行的带宽控制镱略是：各个接收端将一种轻载 的网络失调状态信息( 如o o s 参数状态) 反馈给发送端，发送端据此进 行强制性带宽控制，以满足接收端演示质量的要求。 我们可以利用r t p 的协议机制来实现这种控制策略。其基本思想是： 接收端根据接收的r t p 数据包对网络状态进行评价，定期发送r t c