适应下一代IP网络的远程教学流媒体解决方案

适应下一代适应下一代 IP 网络的远程教学网络的远程教学 流媒体解决方案流媒体解决方案 摘要摘要 本文针对下一代 IPv6 的新型宽带网络环境 分析了在新环境中远程教学流 媒体实时传输的新特点和面临的一系列新问题 从网络传输层实时传输协议和服务 质量 QoS 两个主要层面指出下一代 IPv6 网络环境中远程教学流媒体传输技术需 要研究和解决的一系列重点和难点问题 并提出了相应的解决方案 最后给出了实 际开发的系统对方案的实现进行支持 并列出了系统的达到的主要技术指标和水平 关键词关键词 IPv6 下一代 IP 网络 远程教学系统 流媒体 QoS RTP RSVP RSTP Abstract In this paper we analyse a series of new characteristics and problems of streaming real time transport in long distance instruction systems of next generation IPv6 broadband network environments and point out a series of emphases and difficulties to research and develop from the two sides of both real time transport protocol and QoS Based on these analysis this paper proposes corresponding solutions At last we develop a true long distance instruction system to implement these solutions and summarize main technique targets and parameters of the system Key Words IPv6 Next generation IP Network Long distance Instruction System Streaming Media QoS RTP RSVP RSTP 一 下一代一 下一代 IPIP 网络远程教学系统面临的问题网络远程教学系统面临的问题 随着计算机网络通信技术和多媒体技术的发展 人们不再满足于传统的网络应用 如 WWW 服务 文件传输 电子信箱 远程登录等 集音频 视频和共享数据于一身的多媒 体应用成为新型应用的热点 多媒体会议 VOD 视频点播 远程实时教学 远程医疗等都 是新型多媒体应用的典型代表 作为新型多媒体应用的主要形式之一 多媒体远程实时教学系统是网络教育的核心组 成部分 它为整个网络教育提供基础的教学系统及环境 为了满足网络教育所需的全新教 学手段的要求 必须提供整合的 使用方便的 功能强大的系统供师生进行教学活动 在 多媒体远程教学系统中 视音频实时通信主要采用的技术是流媒体技术 其表现形式就是 流式传输 流式传输把音频 视频 动画等信息由视音频服务器向用户计算机连续 实时 传送 在采用流式传输的系统中 用户不必等到整个文件全部下载完毕 而只需经过几秒 或十数秒的启动延时即可进行观看 当音频 视频等媒体文件在客户机上播放时 文件的 剩余部分将在后台从服务器内继续下载 流式传输不仅使启动延时成十倍 百倍地缩短 而且不需要太大的缓存容量 到目前为止 Internet 上使用较多的流式媒体格式主要是以下 三种 RealNetworks 公司的 RealMedia Apple 计算机公司的 QuickTime 以及 Microsoft 公 司的 Media Service Advanced Streaming Format ASF 在 IP 网上开展远程教学活动 需要解决两个基本问题 音频 视频流信息的传送以及 它们与数据之间的同步 流媒体技术在解决上述问题时有很大的优势 此外 由于在教学 过程中教师会经常使用电子教案来辅助教学 比如用 PowerPoint 而电子教案的展示与音 频 视频流之间有严格的时间同步关系 这就要求在传输过程中我们仍然要保持它们之间 的同步关系 这里以 Microsoft 的 Windows Media Service 例来分析基于 IP 网的远程实时教 学系统的基本构成和主要功能 整个系统的构成如图所示 从图中可以看到整个系统主要包括三个部分 媒体编码器 媒体服务器和媒体播放器 系统的工作过程如下 输入的视频和音频信号将送给 MPEG4 的编码器进行编码 编码器输出的节目流既可以存入存储设备也可以直接送给媒体服务器 媒体服务器的主要功能是完成节目流的播出 媒体服务器播出的节目有三个来源 它可能 是保存在存储设备中的 ASF 文件 也可以是 Encoder 实时传送来的节目 其次 它播出的 节目还可以从其它的媒体服务器上获取 普通的用户可以通过 LAN 或通过无线网络接入 到该系统之中参加远程实时教学 下一代互联网的网络层协议将由 IPv4 转到 IPv6 以解决全球的 IP 地址空间即将耗尽 和日益复杂和扩张的流媒体业务需要高效传输的问题 在下一代 IPv6 互联网中 随着网络 教育的迅猛发展 将会有越来越多的网络教育机构通过多媒体远程实时教学系统为广大学 习者提供日益丰富的教学服务 流媒体教学数据的传输将占越来越大的比重 同时 迅速 发展的宽带多媒体业务对通信网载体提出了更高的要求 主要体现在宽带 大容量 高速 协议透明 通路高可靠性 操作和管理简单等各个方面 在这些业务的驱动下 通信网的 演化正在迅速进行 因此下一代互联网载体 通信网的主要发展方向是宽带化 智能化 个人化和综合化等 特别是 Internet 的发展使得通信网的宽带化演化更加急迫 为此各国 政府和各运营者都加速了通信网的建设和演化 以便适应宽带实时业务对带宽和容量的要 求 正在日益成熟的光通信技术正不断为通信网的宽带演化铺平前进的道路 总的来看 由于流媒体的时间敏感性和承载网络的动态性 迟到分组 分组失序和延迟抖动等现象都 将直接影响媒体的回放质量 因此 在下一代 IP 网络远程实时教学系统中如何有效地进行 基于基于 Microsoft Media Service 的远程教学系统框图的远程教学系统框图 流媒体的传输和服务质量的控制将成为研究的重点 二 适应下一代二 适应下一代 IPIP 网络远程教学流媒体解决方案网络远程教学流媒体解决方案 1 适应新型底层网络协议 适应新型底层网络协议 IPv6 的流媒体传输协议的研究 的流媒体传输协议的研究 如上所述 新一代信息网的主要特点是网络层协议将会由 IPv4 转到 IPv6 这一重大转 变相应地需要处于相对高层的一系列多媒体实时传输协议针对 IPv6 作优化调整 这是适应 下一代 IP 网络远程实时教学流媒体解决方案的一个研究重点 为了补充 IPv4 网络不能实时传输流媒体业务的能力 互联网工程任务组 IETF Internet Engineering Task Force 规定了综合业务结构 ISA Integrated Service Architecture 开发了新的实时传输协议 RTP Real time Transport Protocol 和资源预留协 议 RSVP Resource Reservation Protocol RTP 是专门为支持流媒体传输而设计的轻型传输层协议 它由紧密相关的两部分组成 负责 IP 网络上流媒体数据实时传输的 RTP 协议和负责反馈控制 监测管理传输质量的实 时传输控制协议 RTCP Real time Transport Control Protocol RSVP 同样处于传输层 其 功能是在非连接的 IP 协议上实现带宽预留 确保端对端间的传输带宽 尽量减少实时多媒 体通信中的传输延迟和数据到达时间间隔的抖动 从而提供一定程度的服务质量控制 现在 Internet 上运行的 IP 协议是 IPv4 在下一代互联网中 IPv6 保留了 IPv4 所赖以 成功的许多优点 但也有许多改进 主要的改进内容包括 大大扩展了地址域长度 从 32 位扩展到 128 位 以解决地址枯竭问题 简化了 IPv4 的头标格式 采用等长头方式以便于硬件实现分组解析 加强加密功能以满足安全性传输的需要 从而增强了 IP 层的安全机制 采用 24bit 流标记方式可追踪通信过程中的分组传送 采用扩展到 4bit 的业务流 类型优先级标识以利于路由器进行调度处理 支持流媒体传输业务 以上可以看到 IPv6 协议虽然作出了许多改进 但并没有增加资源预留 接入管理控 制以及通信监管等操作 所以并不能真正解决流媒体传输业务需求 如上所述 RTP 和 RSVP 主要是专门补 IPv4 之不足为解决多媒体实时传输开发的传输 层次协议 在 IPv4 向未来的 IPv6 转变的过程中 上层的流媒体传输协议簇必然要做出相 应的改变来适应 IPv6 的转变 因此新型远程教学流媒体解决方案主要研究内容之一就是上 层的流媒体传输协议簇适应 IPv6 的一系列优化 具体包括 第一 RTP 的优化 RTP 的最初设计目标是 Internet 但它更倾向于发展成为独立于底 层协议的传输机制 目前用于 ATM AAL5 和 IPv6 的 RTP 正在实验之中 IPv6 特别针对未 来飞速发展的多媒体实时传输业务在协议头增加了 24 位的流标记 并将 IPv4 中 3 位的优 先级标记扩展到 4 位 从而将优先级设置从 8 种扩展到 16 种 IPv6 的变化需要处于其上 层的 RTP 协议做出相应的优化处理 第二 RTCP 的优化 RTCP 是和 RTP 一起工作的控制协议 它对于大规模的远程实 时视音频教学系统提供支持 包括支持源端身份确认 网关和多点对一点的翻译器等 在 RTP 适应 IPv6 做出改变的过程中也必然要求 RTCP 做出相应的改变 具体研究的优化内容 包括 拥塞控制 确定 RTP 用户源 控制 RTCP 传输间隔 传输最小进程控制信息等 第三 RSVP 的优化 未来的 IPv6 和现在的 RTP 协议一样也没有涉及资源预留 也就 不可能为实时业务提供 QoS 保障 这就意味着单凭 IPv6 仍不能保证实时业务的可靠传输 所以未来的 IPv6 也必须和 RSVP 协议配合来共同完成流媒体传输服务 RSVP 协议所起的作用就是利用预留信息控制 IP 分组的传输方式 提供一定程度的服 务质量控制 但是 RSVP 协议给出的只是框架性定义 具体资源预留方式和对流媒体传 输业务的预测以及相应带宽的测算 均由各厂家完成 这也为将来的 IPv6 环境中多媒体实 时通信带来隐患 但同时也为开发商带来了扩展的空间和余地 对 RSVP 协议具体需要解 决的优化内容包括 延迟控制 延迟抖动控制 流量控制 服务质量控制等 第四 RTSP 的优化 实时流协议 RTSP Real Time Streaming Protocol 的设计目的 是为了和 RTP RTCP RSVP HTTP 等协议协同工作 形成一个强大的应用层协议体系 以实现 IP 上多媒体流的高效传输 它工作在应用层 提供了一个可扩展的框架使得实时视 音频数据的传输可以得到有效控制 它既支持单目传输 unicast 又支持多目传输 multicast 具有双向流传输控制 高可靠性 数据传输的低开销性 对现有的技术和协 议的良好的兼容性以及安全性 可伸缩性等诸多优点 RTSP 已经被 IETF 考虑作为 Internet 多媒体流传输的标准 因此 RTSP 将会允许不同厂家之间的客户机 服务器产品的互 操作性 这给了用户极大的灵活性和可选择性 RTSP 工作在诸如 RTP RTCP RSVP TCP IP IP Multicast 的上层 以实现对实时内容的传输和控制 RTSP 的不足之处是它还未正式成为国际标准 在 IPv4 向 IPv6 转变的工程中 可能要经历 较大的改动 因此 在研究 RTP RTCP RSVP 这些工业标准适应 IPv6 进行优化的同时 必须研究工作在这些工业标准之上的 RTSP 协议 对它的优化研究 主要目标是最大限度 地利用上述工业标准所做的改善和提高 真正发挥这些标准优化后带来的功效 具体的研 究内容包括 基于客户机 服务器模式 支持客户机和服务器间的相互操作 提供控制机制和处理更高层的问题 例如会话建立 注册和管理 和优化后的 RTP 协同工作使得用户由单目传输向多目传输的过渡更为顺利 如 新出现的 RTP 包头压缩标准等 而不需要厂商做很多额外的工作 与优化后的 RSVP 协同工作共同建立和管理流会话和带宽资源预留 以上所有研究方案拟解决的主要技术难点是 以上所有研究方案拟解决的主要技术难点是 在 IPv6 宽带环境中 上层流媒体协议簇对 IPv6 流标签的访问机制 在 IPv6 宽带环境中 上层流媒体协议簇快速数据转发控制 在 IPv6 宽带环境中 上层流媒体协议簇大规模用户访问的并发控制 在 IPv6 宽带环境中 上层流媒体协议簇与 IPv6 的交互安全保密机制控制 在 IPv6 宽带环境中 RTSP 在上层流媒体协议簇支撑之上的透明服务 2 IPv6 上的流媒体的服务质量上的流媒体的服务质量 QoS Quality of Service 控制研究 控制研究 随着 IP 网上的远程教学流媒体传输业务量不断增长 由于实时业务对网络传输的延时 延时抖动等特性较为敏感 当突发性高的 FTP 或含有图像文件的 HTTP 等业务量在网络上 传输时 实时业务会受到影响 因此要求在 IP 网络上导入 QoS 技术 以确保实时业务的 通信质量 新一代信息网的主要标志就是 IPv4 向 IPv6 的彻底转变 IPv4 尽它的最大努力 Best Effort 来传送信息包 但是它不会保证提供给上层的服务是可靠的 缺乏 QoS 的概念和 机制 这个问题是 IPv4 的薄弱环节致命弱点之一 而 IPv6 与 IPv4 的一个显著区别和改进 就是在协议头的流标签中引入了 QoS 标记来支持 QoS 控制机制 同时扩大了优先级的范 围 从 8 种到 16 种 虽然引进了 QoS 机制 但 IPv6 还必须与 RSVP 配合来共同实现对 QoS 进行一定程度的控制 因此 下一代流媒体方案在 QoS 控制方面解决的第一个重要问题是 如何对 RSVP 框架协议进行改进来适应 IPV6 的变化 研制实现新型的 RSVP 实现协议与 IP6 配合共同完 成对下一代信息网环境中流媒体传输 QoS 的有效控制 为用户提供更好的服务 方案在 QoS 控制方面需要解决的第二个重要问题是 应用层 QoS 控制接口的研究 在实际应用中 流媒体的传输除了通过下层协议对 QoS 进行控制外 最终还应该在应用层 设置一个透明的接口 通过这一接口 可以使应用层的程序和下层支持 QoS 的协议相独立 这一接口的形式 也要按照应用程序对网络的要求定义 然后转化为下层协议能理解的形 式 同时 这也要求在接口中 要考虑到应用层的许多因素 如 按应用程序理解的方式 提供服务类型 考虑到用户对网络传输质量的容忍程度 以及本地资源情况等等 具体研究的接口参数包括 网络带宽参数 可以根据媒体流的质量 包括图像大小 分辨率 颜色深度等参 来定义 传输时延和抖动参数 可以根据媒体流的类型 实时影 像 白版数据 非同步数据等 来定义 在接口层的内部 通过计算将这些应用层理解的 参数形式变换为等价的 QoS 参数形式 然后 使用下层服务来实现之 在参数转化的过程 中 可能有信息不完全 和网络资源有限 要和用户协商的服务参数的情况 这就要求要 考虑到用户端的资源情况 比如 用户在某种服务不能达到时可以容忍一定程度的服务质 量下降 或者 通过收费调节 改变需求的分布等等 对于接口层的研究 这里的关键点在于其通用性的研究 只有在达到通用性的目标 和实现透明的 QoS 服务接口层的基础上 才能够真正实现应用层对下层各种 QoS 控制手 段的综合 为最终用户提供了可操作的 QoS 控制 为了在应用层得到相对于底层协议比较独立的 可以在实际流媒体业务中被广为接受 的通用型接口定义 具体展开的研究点包括 对上层应用的形式及其对网络传输的要求做 出较为普遍 深入的分析 提炼出共性的接口形式 同时针对不同的下层流媒体传输协议 簇中的一系列协议 提出一组实现这一接口服务的方法 这其中 两个重要的研究点是 考虑用户对服务质量的容忍程度 在一定范围内调节应用层对网络层需求分布的手段 以上研究方案拟解决的主要技术难点是 以上研究方案拟解决的主要技术难点是 在 IPv6 宽带环境中 改进 RSVP 协议预留带宽的机制来完善 QoS 控制 在 IPv6 宽带环境中 完善 RSVP 协议 best effort 和 controlled load 级的 QoS 控制 在 IPv6 宽带环境中 RSVP 协议与 IPV6 对 QoS 的联合交互控制 在 IPv6 宽带环境中 在应用层上定义一套新型的 QoS 服务质量等级 在 IPv6 宽带环境中 在应用层实现对底层 QoS 控制的整合和透明可管理性 三 适应下一代三 适应下一代 IPIP 网络远程教学流媒体解决方案主要技术指标网络远程教学流媒体解决方案主要技术指标 解决方案要达到的目标和主要技术指标和水平是解决方案要达到的目标和主要技术指标和水平是 在宽带 2 5Gbps 4 主干网络环境中 构建 IPv6 模拟宽带实验环境 针对宽带 IPV6 新环境 适应 IPv6 的全新变化对传输层的流媒体传输协议簇进行 改进 主要的焦点是对流媒体传输 QoS 的交互控制 提交新型 RFC 实现方案 并将新型协议通过主动网络的技术配置到路由器节点和主机中已进行真正的应用 实验 在应用层定义一整套新型的 QoS 服务质量等级和标准 为用户提供下层协议透明的 QoS 控制开发包 在应用层开发可管理的 QoS 控制模块 具体形式为 QoS 管理软件套件 在以上新型底层协议和管理套件支撑的基础上 构建基于 IPv6 宽带环境的远程实 时流媒体点播和组播 直播 教学系统 实时教学系统主要技术指标和水平是 实时教学系统主要技术指标和水平是 在 IPv6 宽带环境中 在服务器端构建多播和点播专用服务器 通过若干个 IPv6 路由器连接不同的子网构建 多播岛 形成一定范围的试 验性广域网 在构建的广域网范围内 实现一定规模 可伸缩 可扩展的实时远程教学 在底层新型多媒体实时传输协议和 IPv6 的支撑下 能够保证 1000 1500 个 用户规模的多播和点播多媒体实时教学服务 在应用层通过管理套件对流媒体传输和回放各层次的 QoS 服务质量进行实时 整合控制 针对不同接入带宽 范围为 50Kbps 3Mbps 的用户通过应用层管理套件 对底层传输层流媒体协议簇进行透明控制以提供不同服务质量的服务 参考文献参考文献 1 教育部 十五攻关网络