TCP/IP協(xié)議及發(fā)展和IP視頻傳輸特點(diǎn)

1 TCP/IP協(xié)議

　　TCP/IP是一組完整的數據協(xié)議集，得名于兩個(gè)最重要的協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol .縮寫(xiě)TCP）和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（Internet Protocol.縮寫(xiě)IP）。目前TCP/IP協(xié)議已成為占主導地位的通訊協(xié)議，它能使各種業(yè)務(wù)在不同的網(wǎng)上實(shí)現互聯(lián)互通，從技術(shù)上為網(wǎng)絡(luò )融合奠定了基礎。它之所以能夠獲得如此成就，是因為它具有如下的特點(diǎn)： 開(kāi)放的協(xié)議標準，可以獨立于特定計算機和操作系統的開(kāi)放方式。 獨立于特定的物理網(wǎng)絡(luò )硬件，可以運行在多種網(wǎng)絡(luò )傳輸介質(zhì)上。

　　共同的地址規劃方案使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的任何TCP/IP設備都具有一個(gè)唯一的地址。 標準化的高層協(xié)議提供了多種可靠的用戶(hù)服務(wù)。

2 IP技術(shù)的發(fā)展

　　TCP/IP是Internet網(wǎng)絡(luò )中的重要的技術(shù)基礎。1989年WWW的出現，使Internet發(fā)生了根本的變化，使其從單純的數據通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)展成為能夠在世界范圍內共享和發(fā)送信息的分布式文件系統，其利用價(jià)值飛速提高，TCP/IP協(xié)議也因此得到廣泛應用。特別是1993年因特網(wǎng)商業(yè)化后，網(wǎng)絡(luò )規模平均以半年翻一番的速度發(fā)展，使人們認識到應該在網(wǎng)絡(luò )層用網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)協(xié)議實(shí)現不同種類(lèi)網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)，形成一個(gè)獨立于網(wǎng)絡(luò )基礎設施的平臺，這就是IP網(wǎng)。普通IP網(wǎng)傳送實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)不能保證服務(wù)質(zhì)量，因此，寬帶IP網(wǎng)應運而生。隨著(zhù)一些關(guān)鍵術(shù)如IP Over DWDM, MPLS流量工程等出現。它可以提供能夠和ATM網(wǎng)相當的服務(wù)質(zhì)量，可以實(shí)現無(wú)縫連接多種不同網(wǎng)絡(luò )的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。寬帶IP網(wǎng)為開(kāi)拓新的寬帶數據通信和寬帶交互式媒體新業(yè)務(wù)提供了平臺。IP網(wǎng)絡(luò )對多媒體通信的需求也在日溢膨脹。為此，國際電聯(lián)（ITU）制定了H.323標準，使得在現有通信網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行視頻傳輸成為可能。 以TCP/IP協(xié)議為基礎的寬帶IP網(wǎng)必將融合三大網(wǎng)絡(luò )即：有線(xiàn)電視網(wǎng)、電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )資源，成為未來(lái)信息公路的主流。 　　

3 IP視頻傳輸

　　3．1 網(wǎng)絡(luò )多媒體的應用要求 　

　　因為多媒體信號是交互的互動(dòng)的，它對網(wǎng)絡(luò )提出了以下的應用要求：

　?。?） 吞吐(throughtput)的要求，是指對高傳輸帶寬，大存儲緩沖帶寬的要求，和對流量的控制。
　?。?） 可靠性的要求：在這里對可靠性的要求不是重點(diǎn)。適當的數據丟失不會(huì )過(guò)多影響視頻播出的實(shí)際效果。
　?。?） 網(wǎng)絡(luò )延時(shí)要求：對網(wǎng)絡(luò )延時(shí)，抖動(dòng)要求較高，因為多媒體視頻流對網(wǎng)絡(luò )傳輸延時(shí)和抖動(dòng)比較敏感。如傳輸的視頻信號與音頻信號必須同步等。

　　3．2 IP組播

　　IP組播，英語(yǔ)原文IP Multicast ，也可譯為“成組通信”。1999年IP組播具有了發(fā)展的三個(gè)關(guān)鍵條件：①支持IP組播的路由協(xié)議；②使用開(kāi)放標準的可測試管理協(xié)議；③發(fā)展的商業(yè)機遇。從而使其進(jìn)入高速發(fā)展階段。 IPv4定義了3種IP數據通信方式：①點(diǎn)點(diǎn)通信；②全網(wǎng)廣播；③組播。點(diǎn)點(diǎn)通信是指兩個(gè)IP地址間進(jìn)行的數據通信；全網(wǎng)廣播是指在IP子網(wǎng)內向所有網(wǎng)內IP地址以廣播的方式發(fā)送數據包，所有子網(wǎng)內的IP站都能收到全網(wǎng)廣播；組播是指在IP網(wǎng)上對一組特定IP地址進(jìn)行數據傳送，是居于以上①與②之間的通信方式。 對IPv4定義的3種數據通信方式比較我們發(fā)現，IP組播具有明顯區別于①、②方式的特點(diǎn)：某個(gè)IP站點(diǎn)向IP網(wǎng)多個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)，可減少不必要的重疊發(fā)送，可有效地利用網(wǎng)絡(luò )的帶寬，可減少網(wǎng)絡(luò )延時(shí)與抖動(dòng)。IP成組通信的可靠性較之①、②方式差些。

　　3．3 IP視頻應用要求

　　因為網(wǎng)上信息的交互性和互動(dòng)性，使網(wǎng)絡(luò )中的信息傳輸量日益劇增，網(wǎng)絡(luò )傳輸的瓶徑問(wèn)題是突出的！在多媒體應用中，視頻傳輸帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò )帶寬問(wèn)題更突出些。當n個(gè)IP地址同時(shí)接收網(wǎng)絡(luò )多媒體視頻流時(shí)，設每個(gè)視頻流所需傳輸帶寬為1.5M，按現在網(wǎng)絡(luò )結構，所需帶寬為n*1.5M，同時(shí)會(huì )帶來(lái)無(wú)法忍受的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)和抖動(dòng)?，F有的大部分網(wǎng)絡(luò )多是使用TCP/IP點(diǎn)到點(diǎn)的協(xié)議構置，因此我們研究的重點(diǎn)是如何在現有網(wǎng)絡(luò )條件下不作過(guò)多的改變來(lái)實(shí)現視頻的傳輸，即IP組播解決方案要與現有網(wǎng)絡(luò )兼容。 如前所述：多媒體視頻流對數據可靠性要求不高，適當的數據丟失不會(huì )過(guò)多影響視頻播出的實(shí)際效果。雖然多媒體視頻流對網(wǎng)絡(luò )傳輸延時(shí)和抖動(dòng)比較敏感，而IP組播在網(wǎng)絡(luò )中延時(shí)與抖動(dòng)是很少的。所以用IP成組通信來(lái)傳輸IP視頻信號是可行的。

4 用IP組播實(shí)現視頻傳輸的一種方法和它的特點(diǎn)

　　目前在IP網(wǎng)上提供視頻服務(wù)的方式主要有兩種:

　　1)完全利用路由器的Multicast技術(shù)，不需另加服務(wù)器轉發(fā)，但會(huì )增加路由器負擔，有“廣播風(fēng)暴”危險，網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議也需調整。
　　2）利用軟件和服務(wù)器，在整個(gè)IP寬帶網(wǎng)上迭加一個(gè)處理流媒體的迭加網(wǎng)，由迭加網(wǎng)實(shí)現點(diǎn)到多點(diǎn)組播、媒體流路由和多點(diǎn)注入等功能。 我們所用的視頻服務(wù)方式為2)方案。具體的說(shuō)就是：計算機配合專(zhuān)用軟件組成服務(wù)器，實(shí)現實(shí)時(shí)控制?？刂频哪渴牵簩τ诙嗝襟w視頻服務(wù)器端，必須具有最大效率發(fā)送機制，也就是說(shuō)，系統能夠最大限度地在最短時(shí)間內響應和滿(mǎn)足從多媒體視頻接收端送來(lái)的視頻請求，一次完成指向需求用戶(hù)所有地址的數據發(fā)送，計算機實(shí)時(shí)控制系統隨時(shí)監控視頻傳輸的質(zhì)量，同時(shí)自動(dòng)調整帶寬等。當然傳輸方法的實(shí)現能與目前的網(wǎng)絡(luò )設施兼容?！　?br />　　以上方案實(shí)施過(guò)程中，計算機（服務(wù)器）時(shí)刻監控著(zhù)系統，達到盡可能好的廣播質(zhì)量和高效率，絕不用發(fā)生辟如“廣播風(fēng)暴” 等危險。 根據以上要求我們設計了如下系統，它由四部分組成它們是：視頻發(fā)送、視頻轉發(fā)、視頻接收、視頻控制。以下具體說(shuō)明各部份的功能：

　?、?視頻發(fā)送 　　

　　視頻發(fā)送為預制視頻或者稱(chēng)為實(shí)時(shí)視頻，它可以是獨立的計算機，也可以與第一級“視頻轉發(fā)”單元共用一臺計算機。具體地說(shuō)，我們先將視頻按MPEG－1 編碼技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻壓縮，此格式的數碼率為1.5Mbit/s，圖象采用SIF格式（352х288），每秒30幀，兩路立體聲伴音。之所以按MPEG－1 編碼技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻壓縮，因為通過(guò)它壓縮后的視頻信號質(zhì)量令人滿(mǎn)意，而數碼率帶寬相對比較窄，有利于IP組播。（當然也可以用其它編碼技術(shù)）。然后我們將壓縮后的訊號送到視頻轉發(fā)端。訊號從視頻發(fā)送連接到視頻轉發(fā)是點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸（此單元屬于IPv4的通信方式①）。

　?、谝曨l轉發(fā)

　　視頻轉發(fā)主要作用，是將從視頻發(fā)送端發(fā)送來(lái)的視頻信號，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)給視頻接收端或下一級的視頻轉發(fā)端。它是IP組播傳輸視頻信號的核心，視頻信號用IP組播方式轉發(fā)，即對一組特定IP地址（同一類(lèi)請求的用戶(hù)）進(jìn)行數據傳送。視頻轉發(fā)，由轉發(fā)計算機（服務(wù)器）完成。

　?、垡曨l接收

　　視頻接收是用戶(hù)的多媒體終端。當然要求用戶(hù)的多媒體終端設備，須能支持IP組播。

　?、芤曨l控制

　　其主要功能是對轉發(fā)站點(diǎn)進(jìn)行控制，用來(lái)建立和管理轉發(fā)站點(diǎn)上的IP組播數據組的傳輸?？刂葡到y要最大限度地滿(mǎn)足，完成指向需求用戶(hù)的數據發(fā)送，同時(shí)密切注意視頻傳輸的質(zhì)量。具體的說(shuō)就是，要盡可能多地為同類(lèi)請求用戶(hù)發(fā)送數據，但要在允許的帶寬范圍之內。這個(gè)帶寬，是通過(guò)計算機實(shí)時(shí)控制的，計算機實(shí)時(shí)控制系統隨時(shí)監控視頻傳輸的質(zhì)量，自動(dòng)調整帶寬；同時(shí)對網(wǎng)絡(luò )其它各項參數也實(shí)現實(shí)時(shí)監控?？梢?jiàn)視頻控制，實(shí)質(zhì)上也就是計算機的實(shí)時(shí)控制。計算機實(shí)時(shí)控制的好環(huán)真接決定了IP組播效果。 　

　　此方案的關(guān)鍵技術(shù)是合理的視頻轉發(fā)，尋求最大的效益，又有滿(mǎn)意的傳輸質(zhì)量。此方案的實(shí)現，得益于計算機的實(shí)時(shí)控制技術(shù)。 我們用此方法在100MEthernetLAN網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )IP組播視頻傳輸的試播，傳輸MPEG－1視頻信號（每個(gè)視頻流帶寬1.5M），視頻信號傳輸效果良好。證明以上方案是可行的。