多媒体通信与网络

第十章多媒体通信与网络10.1多媒体通信概述多媒体数据流的基本特征比特率可变性恒定比特率(constantbitrate,CBR)：多媒体数据源以恒定速率产生出多媒体数据流，网络也必须按照恒定的比特率传输这些数据流，如CD－ROM可变比特率(variablebitrate,VBR)：多媒体数据源以可变比率产生多媒体数据流，在不同的时间周期内产生数目不定的数据，网络传输速率也随时间的变化而变化，目前只有ATM网能处理此类传输10.1多媒体通信概述时间依赖性：实时的，端到端的时间控制在短时间内信道对称性：上行和下行信道可能不同多媒体通信的特点数据量数据量大、存储量大、传输带宽高、可压缩实时性时空约束交互性：通信网络需要双向的数据传输能力分布式处理和协同工作电视电话、视频会议系统等10.1多媒体通信概述多媒体通信的实现途径及关键技术实现途径话路＋视频，在话路传送视频信息网络＋视频，利用网络如Internet传送多媒体有线电视＋交换功能，使用有线电视传送多媒体关键技术声音、视频、动画的传输技术数据压缩和解压缩技术解决多媒体实时同步问题解决协议和标准化问题10.2多媒体通信网的服务质量多媒体通信的性能要求吞吐量(throughput)定义：指有效的网络带宽，通常定义成物理链路的传输速率减去各种传输开销，反映的是网路的最大极限容量。通常直接把网络传输速率当作吞吐量。影响吞吐量的主要因素：网络故障、网络拥塞、瓶颈、差错、缓冲区容量、流量控制多媒体通信的吞吐量需求与网络传输速率、接收缓冲区容量以及数据流量有关会议质量电视：H.261标准CIF格式，352×288，10帧/秒，数据率128kbps话音64kbps，压缩后32,16,4kbps10.2多媒体通信网的服务质量延时(delay)，也叫延迟传播延时：表示两点之间传输一个二进制位需要的时间，受光速限制的物理常数，仅与传输距离有关传输延时(Transmissiondelay)：从信源发出第1个比特到信宿接收到第1个比特之间的时间差，它包含信号在物理介质中的传播延时和数据在网中的处理延时。接口延时：发送端从开始准备发送数据块到实际利用网络发送所需要的时间端到端延时：一组数据在信源上准备好数据发送的时刻到信宿接收到这组数据的时刻之间的时间差。包括：发送端的接口延时、传输这组数据(从第1个比特到最后一个比特)的时间、传输延时三个部分10.2多媒体通信网的服务质量延时抖动(delayjitter)：网络传输延时的变化。在以分组方式传输数据流时(例如IP包)，各分组所经过的路径不同，到达接收端的延时也可能不同。度量延时抖动的方法有多种，其中一种是用在一段时间内最长和最短的传输延时之差来表示。产生延时抖动的因素：信号间的相互干扰、导体的变化、共享传输介质的局域网的介质访问时间的变化、存储转发的排队延时人耳对声音抖动比较敏感，人眼对视频抖动不敏感。CD质量声音，延时抖动小于100ms；电话质量小于400ms；广播质量电视小于100ms；会议质量电视小于400ms；虚拟现实等小于20-30ms。10.2多媒体通信网的服务质量错误率(errorrate)，也叫差错率误码率(BitErrorRate,BER)：出错的位数与所传输的总位数之比。帧错误率(FrameErrorRate,FBR)：出错的帧数与所传输的总帧数之比。包(分组)错误率(PacketErrorRate,PBR)：出错的包数与所传输的总包数之比。错误率参考指标压缩的CD质量音乐，BER10-4未压缩的CD质量音乐，BER10-3电话，BER10-2压缩的广播电视，BER10-9压缩的会议质量电视，BER10-810.2多媒体通信网的服务质量多点通信对于音频和视频数据，涉及广播和多播广播(Broadcast)：把相同数据传送到其他所有站点多播(Multicast)：又称组播，把相同数据传送到其他一组相关的站点同步流内同步：保持单个媒体流内部的时间关系，即按照一定的延迟和抖动约束来传送媒体分组流。如果流内同步不能满足，则音频会出现断续，视频不连续。流间同步：不同媒体间的同步，当音频、视频、文本以及其他数据流经过不同的路径或从不同的信源传过来时，为达到媒体表现的同步，需要在目的地对这些媒体流进行同步。10.2多媒体通信网的服务质量服务质量(QualityofService,QoS)服务质量：是一个抽象的概念，用于说明网络服务的好坏程度。它是分布式多媒体信息系统为了达到应用要求的能力所需要的一组定量的和定性的特性。ITU将QoS定义为用户对服务的满意程度的一组性能参数，典型的有吞吐量、延时、延时抖动、差错率等。不同的应用对网络的要求不同，QoS的分类也不同。分类方法参数举例按性能分端到端延迟、比特率等按格式分视频分辨率、帧率、存储格式、压缩方法按同步分音频和视频序列起始点之间的时滞按费用分连接和数据传输的费用和版权费从用户可接受性分主管视觉和听觉质量10.2多媒体通信网的服务质量对连续媒体传输来说，端到端的延迟和延迟抖动是两个关键的参数。多媒体对象最大延迟/ms最大延迟抖动/ms平均吞吐量/(Mbps)可接受的BER语音0.25100.06410-1视频(TV质量)0.251010010-2压缩视频0.2512-1010-6数据(文件传送)1—1-1000实时数据0.001-1—100图像1—2-1010-910.2多媒体通信网的服务质量其他QoS参数通量：单位时间内在一连接上传送的最大字节数连接失败率：建立连接失败的概率传输失败率：传输失败的概率释放失败率：释放连接时失败的概率优先级：包括传输优先级和使用优先级成本：信息传输时所消耗的资源或资金以及访问权限等一旦通信双方协商好QoS，网络就要为此通信预留资源，并在通信过程中随时根据网络状况动态调整资源分配或重新协商QoS，甚至终止通信。10.2多媒体通信网的服务质量为支持QoS，多媒体网络系统必须提供QoS参数定义方法和相应的QoS管理机制。QoS参数的体系结构在实际的网络中，各层的QoS的参数要求是不同的，因此采用层次化的QoS参数体系来定义QoS参数应用层QoS运输层网络层数据链路层10.2多媒体通信网的服务质量应用层QoS：面向端用户的，采用直观、形象的表达方式供用户选择运输层QoS：吞吐量、端到端延迟、延迟抖动、分组差错率、传输优先级网络层QoS：无连接的服务。其参数与运输层相似数据链路层QoS：与网络类型密切相关，不是所有网络的数据链路层都支持QoS，各种以太网就不支持QoS。其主要参数有：峰值信元速率、最小信元速率、信元丢失率、信元传输延迟等。在QoS参数体系结构中，通信双方的对等层之间表现为一种对等协商关系，双方按照所承诺的QoS参数提供相应的服务10.2多媒体通信网的服务质量QoS服务的分类确定型(Deterministic)：在数据传输过程中，网络对所承诺的QoS必须严格保证，否则会出现严重后果。一般用于硬实时应用统计型(Statistical)：在数据传输过程中，网络对所承诺的QoS允许一定范围的波动，并且不会造成不良的后果。一般用于软实时应用尽力型(Best-Effort)：也称最佳效果传输，网络不提供任何QoS保证，网络性能将随着负载的增加而明显下降。由于受带宽的限制，现有Internet上的分布式多媒体应用大多提供这种服务10.3多媒体通信协议基于Internet的多媒体应用目前主要有以下几种现场声音和视频广播声音点播视频点播IP电话分组实时视频会议由于Internet的特点，为保证多媒体业务实时性要求，需要考虑扩大链路带宽：但费用太大改进Internet协议：对网络系统做较大变更10.3多媒体通信协议IP组播单播(unicast)：点对点传输广播(broadcast)：网上一点到所有其他点传输组播(multicast)：也称多播，指网上一点到多个指定点(同一个工作组内成员)传输在IP地址中，有D类(224.0.0.0-239.255.255.255)用于组播地址。为支持组播功能，发送端和接收端及其之间的网络设备必须支持组播IP网络QoS保障机制资源预留区分服务10.3多媒体通信协议资源预定协议(ResourceReserveProtocol,RSVP)用RSVP预留一部分网络资源（即带宽），能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS运行环境10.3多媒体通信协议定义GS和CLS两个QoS类GS：保证服务(GuaranteedService)，为合法的数据分组提供一种保证的带宽级、恒定的端到端延迟和无排队丢失的服务CLS：被控负载服务(Controlled-LoadService)，提供有一定延迟量和数据丢失的服务，但延迟和数据丢失被限制在一定范围之内10.3多媒体通信协议实时传输协议(Real-timeTransportProtocol,RTP)常和UDP协议一起使用当应用程序开始一个RTP会话时将使用两个端口：一个给RTP，一个给RTCP。RTP本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务。通常RTP算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。10.3多媒体通信协议实时传输控制协议RTCP(Real-timeTransportControlProtocol)和RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务。在RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP包。RTCP包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。RTP和RTCP配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。10.4应用举例流媒体解决方案内容采集：节目源可以是摄像机、电视台节目、VCD光盘、卫星输入信号等；视音频捕获和压缩编码：硬件一般为视音频捕获卡，编码软件如RealProducer、MSMediaEncoder等；内容编辑：对内容进行编辑修改、归档、做索引，如VirageVideoLogger可以对视频文件做索引入库；内容存储和播放：节目不多时可使用文件系统，当节目量大，就必须编制数据库管理系统。使用数据库存储视音频文件、视频服务器运行流播放服务软件如realserver或MSMediaService等播放视音频；10.4应用举例应用服务器内容管理、发布：发行模块负责将节目提交到网页，或将视频流地址邮寄给用户。内容管理主要完成视频存储、查询；用户管理可能包括用户的登记和授权10.4应用举例网上直播最大范围的让观众观看到高质量的节目，象电视直播一样达到宣传、广告或满足观众需求的目的。这就要求系统具备高传输速率、数据同步、数据流的分流、高稳定性等特性。实现网络的视、音频传输最好的解决方案就是流式媒体的传输方式。对于普通的ICP网站，通过使用流式媒体技术可以为网名提供更加精彩的内容，如音乐、电影片段等。组成节目源：节目源可以是摄像机、电视台节目、VCD光盘、卫星输入信号等；10.4应用举例视音频捕获和压缩编码：硬件一般为视音频捕获卡，编码软件如RealProducer、MSMediaEncoder等；视频服务器：运行流播放服务软件如realserver或MSMediaService等播放视音频；客户浏览器：视音频收看客户端一般情况下，视音频通过网络发布，还需要WEB服务器。