利用衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)外地到演示中心的遠(yuǎn)程視頻傳輸設(shè)計(jì)

引言

TCP／IP是目前應(yīng)用最廣泛的Internet通信協(xié)議，各種通信媒介都被用來(lái)傳輸IP數(shù)據(jù)，由于衛(wèi)星通信具有覆蓋而廣、組網(wǎng)靈活、建網(wǎng)快和不受地理環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，因此Internet與衛(wèi)星的聯(lián)姻成為必然。隨著Internet的迅猛發(fā)展和多媒體通信技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不僅支持文字、語(yǔ)音等慕本業(yè)務(wù)，靜態(tài)圖像、動(dòng)態(tài)圖像、音頻、視頻復(fù)合等多媒體業(yè)務(wù)的需求也逐漸增多。IP技術(shù)是寬帶網(wǎng)絡(luò)的骨干技術(shù)，基于IP的開發(fā)具有普遍性。而且通過(guò)協(xié)議的增強(qiáng)，IP網(wǎng)絡(luò)適合作為廣泛的多媒體通信介質(zhì)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)傳輸系統(tǒng)由遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)(外地實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等)和視頻演示中心組成，遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的圖像通過(guò)寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)傳回視頻演示中心進(jìn)行顯示，可供監(jiān)控及觀看。其中衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)可提供單向的2 Mbit／s高速信道，雙向9.6 khit／s低速信道。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 視頻壓縮算法的選擇

由攝像頭或其他視頻采集設(shè)備采到的視頻原始信息帶寬很大，一般的傳輸信道很難滿足要求，必須對(duì)視頻信息進(jìn)行壓縮編碼。對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮算法有很多，有的著重速度，有的著重壓縮比。常用的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)有H.263，M-JPEG，MPEG-1，MPEG-4等。MPEG-4是MPEG(活動(dòng)圖像專家組)在1999年制定的一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，名稱為“甚低速率視聽編碼”，是針對(duì)低速率(小于640 kbit／s)下的視頻、音頻編碼和交互播放開發(fā)的算法和工具，其顯著特點(diǎn)是基于內(nèi)容的編碼，更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性、操作性和靈活性。與其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)相比，MPEG-4具有節(jié)約存儲(chǔ)空間、占用網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬少、錯(cuò)誤恢復(fù)能力強(qiáng)、圖像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。本方案選擇的視頻壓縮算法就為MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)。

3 視頻傳輸協(xié)議

為了保證數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和圖像的質(zhì)量，傳輸層協(xié)議的選擇是整個(gè)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。Internet在IP層上使用兩種傳輸協(xié)議：一種是TCP(傳輸控制協(xié)議)，它是面向連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；另一種是UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)，它是無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

TCP／IP最初是為提供非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的。IP負(fù)責(zé)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，不進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。因此，經(jīng)常發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或失序現(xiàn)象。為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，人們將TCP用于IP數(shù)據(jù)的傳輸，以提高接收端的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力。當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)包丟失或錯(cuò)誤時(shí)，就會(huì)要求發(fā)送端重新發(fā)送，這樣就不可避免地引起了傳輸延時(shí)和耗用網(wǎng)絡(luò)的帶寬。鑒于TCP本身的重傳機(jī)制、擁塞控制機(jī)制、報(bào)頭長(zhǎng)且不提供時(shí)間戳及啟動(dòng)速度慢等特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的TCP／IP實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸視頻數(shù)據(jù)是不適合的。為了實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，需要尋求其他途徑。

本方案的視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的通信功能建立在IP協(xié)議上。網(wǎng)絡(luò)層使用IP，為了實(shí)現(xiàn)通信，在網(wǎng)絡(luò)層之上分為連接控制和媒體數(shù)據(jù)傳輸兩大部分。為了使通信過(guò)程的建立更加可靠，連接控制部分使用TCP提供可靠的分組遞交，而媒體傳輸部分則使用UDP協(xié)議。

媒體數(shù)據(jù)傳輸部分使用UDP的理由是：TCP不適合網(wǎng)絡(luò)多媒體的實(shí)時(shí)傳輸；使用UDP不必與對(duì)方建立連接，因此在多點(diǎn)通信時(shí)不必管理過(guò)多的連接。

但是，由于UDP沒(méi)有差錯(cuò)控制，屬于不可靠的分組遞交，這就意味著可能會(huì)丟包，由于雙方?jīng)]有建立連接，所以發(fā)放無(wú)法知道對(duì)方的接收情況?？赡苡捎诎l(fā)送過(guò)快，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞，因而大量的數(shù)據(jù)包被延誤或丟失，或者對(duì)方根本就沒(méi)有收到任何數(shù)據(jù)包。為了避免這種情況，最好對(duì)方能夠向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)反饋信息以報(bào)告其接收情況，必要時(shí)發(fā)送方要調(diào)整其數(shù)據(jù)處理方法或發(fā)送速率。例如，當(dāng)發(fā)送方認(rèn)為數(shù)據(jù)發(fā)送得太快，它可以調(diào)整圖像壓縮器的參數(shù)，以較大的量化誤差來(lái)降低圖像數(shù)據(jù)的速度。RTP(實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議)和RTCP(實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議)是IETF(Internet Engineer-ing Task Force)為實(shí)現(xiàn)上述目的而定義的兩個(gè)協(xié)議。所有的實(shí)時(shí)媒體數(shù)據(jù)都使用RTP協(xié)議進(jìn)行傳輸，RTCP協(xié)議提供接收方向發(fā)送方反饋信息的功能，它們都是基于UDP的。

RTP／RTCP是一種應(yīng)用型的傳輸層協(xié)議，并不提供任何傳輸可靠性的保證和流量的擁塞控制機(jī)制。它是由IETF為音視頻的實(shí)時(shí)傳輸而設(shè)計(jì)的傳輸協(xié)議。RTP位于UDP之上，在功能上獨(dú)立于下面的傳輸層(UDP)和網(wǎng)絡(luò)層，但不能單獨(dú)作為一個(gè)層次存在，通常是利用低層的UDP對(duì)實(shí)時(shí)音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行多播或單播，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)或單點(diǎn)音視頻數(shù)據(jù)的傳輸。一般是在UDP數(shù)據(jù)包之前建立一個(gè)RTP包頭，其中包含一些保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連續(xù)性的信息(如序列號(hào)、時(shí)間戳等)；提供時(shí)間信息和流同步。RTP本身不提供流量控制和擁塞控制功能。它靠一個(gè)專門的RTCP來(lái)實(shí)現(xiàn)。RTCP周期性地統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)的丟失情況等信息，服務(wù)器根據(jù)這些反饋信息來(lái)制定流量控制的策略。改變傳輸碼率甚至負(fù)載類型，大大提高了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸性能。

UDP是一種無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)投遞服務(wù)，雖然沒(méi)有TCP那么可靠，并且無(wú)法保證實(shí)時(shí)音視頻傳輸業(yè)務(wù)的QoS(服務(wù)質(zhì)量)，需要RTCP實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸和Qos，但是，由于UDP的傳輸延時(shí)低于TCP服務(wù)質(zhì)量，能與音頻和視頻流很好地匹配。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，RTP／RTCP／UDP用于音視頻媒體，而TCP用于數(shù)據(jù)和控制信令的傳輸。

4 衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

利用TCP／IP協(xié)議，通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)與IP網(wǎng)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，已成為衛(wèi)星通信中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。但由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)固有的一些特性，如長(zhǎng)延時(shí)、高誤碼率、網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱性，都影響了TCP在高速數(shù)據(jù)傳輸中的性能。為提高衛(wèi)星TCP的性能，人們提出了許多有效的解決方案，這些方案針對(duì)長(zhǎng)延時(shí)、高誤碼率、網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱性帶來(lái)的不同影響，通過(guò)修改流量控制窗口以及改進(jìn)擁塞控制算法，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星TCP的高效傳輸。

衛(wèi)星IP傳輸比較典型的一種解決方案是協(xié)議網(wǎng)關(guān)。協(xié)議網(wǎng)關(guān)的工作原理是采用TCP欺騙技術(shù)與TCP分段技術(shù)，分割端到端的TCP連接，用最適合衛(wèi)星環(huán)境的一種協(xié)議取代衛(wèi)星鏈路上的TCP。見圖3。

網(wǎng)關(guān)1和網(wǎng)關(guān)2把端到端的TCP連接分為3段獨(dú)立的連接，而TCP源端認(rèn)為它仍與TCP目的端直接連接，然而實(shí)際上是由網(wǎng)關(guān)完成了協(xié)議轉(zhuǎn)換。在圖3中，TCP Reno指擴(kuò)展TCP，它包括慢啟動(dòng)、擁塞避免、快速重發(fā)、快速恢復(fù)、支持大窗口及延遲的ACK(確認(rèn))。在網(wǎng)關(guān)中，數(shù)據(jù)從TCP Reno轉(zhuǎn)換成DLP(數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議)或是從DLP轉(zhuǎn)換成TCP Reno。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)分割端到端的連接，可在衛(wèi)星鏈路上采用最適合于衛(wèi)星條件的協(xié)議，而在地面段繼續(xù)使用TCP。這樣，在對(duì)最終用戶保持完全透明的同時(shí)，提供了更好的性能?？蛻魴C(jī)或服務(wù)器不需做任何修改，所有的應(yīng)用也無(wú)需改變而繼續(xù)有效。TCP避免擁塞控制機(jī)制在地面連接中仍然有效，以保護(hù)Internet的穩(wěn)定性。因此，目前新推出的衛(wèi)星Internet系統(tǒng)幾乎都是基于協(xié)議網(wǎng)關(guān)技術(shù)的。切斷TCP連接帶來(lái)的不利足TCP層端到端的語(yǔ)法被破壞，網(wǎng)關(guān)處需設(shè)置大容量的緩存以保存未被接收方確認(rèn)的數(shù)據(jù)，而且由于對(duì)每個(gè)TCP連接都要進(jìn)行控制，因此，網(wǎng)關(guān)需要強(qiáng)大的處理能力。

網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換具體協(xié)議框架如圖4所示。

系統(tǒng)中通信雙方采用非透明傳輸方式，網(wǎng)關(guān)將TCP連接分段。站A和站B之間要通信的網(wǎng)絡(luò)終端之間不直接建立TCP連接，而是與本地的衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)建立TCP連接，發(fā)送端(站A的網(wǎng)絡(luò)終端)先將數(shù)據(jù)發(fā)到本地的衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)，本地衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)在以特定的協(xié)議將數(shù)據(jù)傳遞到站B的衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)，此衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)通過(guò)TCP發(fā)送給接收終端。通信過(guò)程包括以下幾個(gè)階段：建立TCP連接、接收TCP數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的緩存、數(shù)據(jù)的拆分、可靠UDP傳輸、數(shù)據(jù)的組裝、發(fā)送TCP數(shù)據(jù)、發(fā)送重傳請(qǐng)求和重傳數(shù)據(jù)。

傳輸過(guò)程中，衛(wèi)星鏈路中信息的傳遞通過(guò)可靠UDP實(shí)現(xiàn)，它是在標(biāo)準(zhǔn)UDP基礎(chǔ)上，通過(guò)網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊為其增加應(yīng)答控制、重傳算法和流量控制等功能，在保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)耐瑫r(shí)保證數(shù)據(jù)正確性的。可靠UDP在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，所以不用修改操作系統(tǒng)的協(xié)議內(nèi)核，因此協(xié)議代碼容易編寫，移植性強(qiáng)；應(yīng)答控制、重傳算法和流量控制等功能可以根據(jù)需要，靈活定制?？煽縐DP的基本構(gòu)成如圖5所示。

5 視頻傳輸?shù)能浖?shí)現(xiàn)

Winsock(Windows Sockets)是微軟WOSA(窗口系統(tǒng)結(jié)構(gòu))的一部分，基于UNIX系統(tǒng)上BSD(BerkeleySoftware Distribution)版本的套接字，并且為Windows系統(tǒng)進(jìn)行了專門的擴(kuò)展，是目前Windows環(huán)境下應(yīng)用最廣泛、開放式、支持多種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口。

最初，WINSOCK1.1版是專門為Internet設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在的WINSOCK 2.x版已經(jīng)不再局限于Internet和TCP／IP，它通過(guò)提供擴(kuò)展的SPI編程接口，把自己的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到現(xiàn)存的和正在出現(xiàn)的各種網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，其中包括PSTN(公共電話交換網(wǎng))、ISDN(綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng))、無(wú)線網(wǎng)、所有的局域網(wǎng)協(xié)議以及ATM(異步傳輸模式)等，并且允許應(yīng)用程序?qū)λ⑦B接的可靠性、冗余度和帶寬進(jìn)行控制。Windows Sockets規(guī)范、定義并記錄了如何使用WINSOCK API與Internet協(xié)議族(IPS，包含IP、ICMP、TCP和UDP等4種不同的協(xié)議)連接。尤其要指出的是，所有Windows Sockets實(shí)現(xiàn)都支持流式套接字(stream Socket)和數(shù)據(jù)報(bào)套接字(Datagram Socket)。

流式套接字是面向連接的，采用的是TCP，提供了雙向、有序、無(wú)重復(fù)并且無(wú)報(bào)文邊界的數(shù)據(jù)流服務(wù)，在這種方式下，兩個(gè)相互通信的應(yīng)用程序之間首先需要建立一種虛擬的連接。流式套接字的特點(diǎn)是：通信可靠，對(duì)資料有校驗(yàn)和重發(fā)機(jī)制，通常用于數(shù)據(jù)文件的傳輸，如ftp、telnet等，適合于大量資料的傳輸。

數(shù)據(jù)報(bào)套接字是面向無(wú)連接的，采用的是UDP，建立在IP之上，提供無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸，支持雙向的數(shù)據(jù)流，但并不保證數(shù)據(jù)的可靠、有序和無(wú)重復(fù)。也就是說(shuō)，在一個(gè)從數(shù)據(jù)報(bào)套接字接收信息的進(jìn)程中有可能發(fā)現(xiàn)信息重復(fù)了，或者與發(fā)出時(shí)的數(shù)據(jù)順序有所不同。數(shù)據(jù)報(bào)套接字的另一個(gè)重要特點(diǎn)是它保留了記錄邊界，對(duì)于這一特點(diǎn)，數(shù)據(jù)報(bào)套接字采用了與現(xiàn)在許多包交換網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng)等)非常類似的模型。數(shù)據(jù)報(bào)文方式由于取消了校驗(yàn)、重發(fā)機(jī)制，能夠達(dá)到較高的通信速率，可以用做一些對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求不高而對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，如實(shí)時(shí)語(yǔ)音和視頻傳送、消息廣播等。

本方案中的視頻數(shù)據(jù)接收播放模塊需建立控制通道和數(shù)據(jù)通道兩個(gè)通信通道。控制通道用來(lái)在服務(wù)端和客戶端之間建立會(huì)話，包括發(fā)送一些數(shù)據(jù)請(qǐng)求和確認(rèn)控制等信息?？刂菩诺啦捎每煽啃暂^高的TCP，可用流式套接字來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)通道用來(lái)傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)，選用UDP，可用數(shù)據(jù)報(bào)套接字來(lái)實(shí)現(xiàn)。選用Win-dows線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)接收端播放視頻信息。視頻流的解碼和播放通過(guò)調(diào)用DirectShow SDK實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本方案利用衛(wèi)星IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了外地到演示中心的遠(yuǎn)程視頻傳輸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，視頻傳輸流暢，圖像清晰，滿足了實(shí)際需要。