適應下一代IP網(wǎng)絡的遠程教學流媒體解決方案

1、適應下一代ip網(wǎng)絡的遠程教學流媒體解決方案摘要 本文針對下一代ipv6的新型寬帶網(wǎng)絡環(huán)境，分析了在新環(huán)境中遠程教學流媒體實時傳輸?shù)男绿攸c和面臨的一系列新問題，從網(wǎng)絡傳輸層實時傳輸協(xié)議和服務質(zhì)量（qos）兩個主要層面指出下一代ipv6網(wǎng)絡環(huán)境中遠程教學流媒體傳輸技術(shù)需要研究和解決的一系列重點和難點問題，并提出了相應的解決方案，最后給出了實際開發(fā)的系統(tǒng)對方案的實現(xiàn)進行支持，并列出了系統(tǒng)的達到的主要技術(shù)指標和水平。關(guān)鍵詞 ipv6 下一代ip網(wǎng)絡 遠程教學系統(tǒng) 流媒體 qos rtp rsvp rstp abstract in this paper, we analyse a series of n

2、ew 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 .

3、 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 sy

4、stem streaming media qos rtp rsvp rstp 一、下一代ip網(wǎng)絡遠程教學系統(tǒng)面臨的問題隨著計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，人們不再滿足于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡應用，如www服務、文件傳輸、電子信箱、遠程登錄等，集音頻、視頻和共享數(shù)據(jù)于一身的多媒體應用成為新型應用的熱點。多媒體會議、vod視頻點播、遠程實時教學、遠程醫(yī)療等都是新型多媒體應用的典型代表。作為新型多媒體應用的主要形式之一，多媒體遠程實時教學系統(tǒng)是網(wǎng)絡教育的核心組成部分，它為整個網(wǎng)絡教育提供基礎(chǔ)的教學系統(tǒng)及環(huán)境。為了滿足網(wǎng)絡教育所需的全新教學手段的要求，必須提供整合的、使用方便的、功能強大的系統(tǒng)供師生進行教學

5、活動。在多媒體遠程教學系統(tǒng)中，視音頻實時通信主要采用的技術(shù)是流媒體技術(shù)，其表現(xiàn)形式就是流式傳輸。流式傳輸把音頻、視頻、動畫等信息由視音頻服務器向用戶計算機連續(xù)、實時傳送。在采用流式傳輸?shù)南到y(tǒng)中，用戶不必等到整個文件全部下載完畢，而只需經(jīng)過幾秒或十數(shù)秒的啟動延時即可進行觀看。當音頻、視頻等媒體文件在客戶機上播放時，文件的剩余部分將在后臺從服務器內(nèi)繼續(xù)下載。流式傳輸不僅使啟動延時成十倍、百倍地縮短，而且不需要太大的緩存容量。到目前為止，internet上使用較多的流式媒體格式主要是以下三種：realnetworks公司的realmedia、apple計算機公司的quicktime以及microso

6、ft公司的media serviceadvanced streaming format （asf）。在ip網(wǎng)上開展遠程教學活動，需要解決兩個基本問題：音頻、視頻流信息的傳送以及它們與數(shù)據(jù)之間的同步。流媒體技術(shù)在解決上述問題時有很大的優(yōu)勢。此外，由于在教學過程中教師會經(jīng)常使用電子教案來輔助教學，比如用powerpoint，而電子教案的展示與音頻、視頻流之間有嚴格的時間同步關(guān)系，這就要求在傳輸過程中我們?nèi)匀灰３炙鼈冎g的同步關(guān)系。這里以microsoft的windows media service例來分析基于ip網(wǎng)的遠程實時教學系統(tǒng)的基本構(gòu)成和主要功能?；趍icrosoft media ser

7、vice的遠程教學系統(tǒng)框圖整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖所示。從圖中可以看到整個系統(tǒng)主要包括三個部分：媒體編碼器，媒體服務器和媒體播放器。系統(tǒng)的工作過程如下：輸入的視頻和音頻信號將送給mpeg4的編碼器進行編碼，編碼器輸出的節(jié)目流既可以存入存儲設(shè)備也可以直接送給媒體服務器。媒體服務器的主要功能是完成節(jié)目流的播出。媒體服務器播出的節(jié)目有三個來源，它可能是保存在存儲設(shè)備中的asf文件，也可以是encoder實時傳送來的節(jié)目，其次，它播出的節(jié)目還可以從其它的媒體服務器上獲取。普通的用戶可以通過lan或通過無線網(wǎng)絡接入到該系統(tǒng)之中參加遠程實時教學。下一代互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層協(xié)議將由ipv4轉(zhuǎn)到ipv6，以解決全球的ip

8、地址空間即將耗盡，和日益復雜和擴張的流媒體業(yè)務需要高效傳輸?shù)膯栴}。在下一代ipv6互聯(lián)網(wǎng)中，隨著網(wǎng)絡教育的迅猛發(fā)展，將會有越來越多的網(wǎng)絡教育機構(gòu)通過多媒體遠程實時教學系統(tǒng)為廣大學習者提供日益豐富的教學服務，流媒體教學數(shù)據(jù)的傳輸將占越來越大的比重。同時，迅速發(fā)展的寬帶多媒體業(yè)務對通信網(wǎng)載體提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在寬帶，大容量，高速，協(xié)議透明，通路高可靠性，操作和管理簡單等各個方面。在這些業(yè)務的驅(qū)動下，通信網(wǎng)的演化正在迅速進行，因此下一代互聯(lián)網(wǎng)載體通信網(wǎng)的主要發(fā)展方向是寬帶化，智能化，個人化和綜合化等。特別是internet的發(fā)展使得通信網(wǎng)的寬帶化演化更加急迫。為此各國政府和各運營者都加速了通

9、信網(wǎng)的建設(shè)和演化，以便適應寬帶實時業(yè)務對帶寬和容量的要求。正在日益成熟的光通信技術(shù)正不斷為通信網(wǎng)的寬帶演化鋪平前進的道路?？偟膩砜?，由于流媒體的時間敏感性和承載網(wǎng)絡的動態(tài)性，遲到分組、分組失序和延遲抖動等現(xiàn)象都將直接影響媒體的回放質(zhì)量。因此，在下一代ip網(wǎng)絡遠程實時教學系統(tǒng)中如何有效地進行流媒體的傳輸和服務質(zhì)量的控制將成為研究的重點。二、適應下一代ip網(wǎng)絡遠程教學流媒體解決方案1、適應新型底層網(wǎng)絡協(xié)議（ipv6）的流媒體傳輸協(xié)議的研究如上所述，新一代信息網(wǎng)的主要特點是網(wǎng)絡層協(xié)議將會由ipv4轉(zhuǎn)到ipv6，這一重大轉(zhuǎn)變相應地需要處于相對高層的一系列多媒體實時傳輸協(xié)議針對ipv6作優(yōu)化調(diào)整，這是適

10、應下一代ip網(wǎng)絡遠程實時教學流媒體解決方案的一個研究重點。為了補充ipv4網(wǎng)絡不能實時傳輸流媒體業(yè)務的能力，互聯(lián)網(wǎng)工程任務組ietf（internet engineering task force）規(guī)定了綜合業(yè)務結(jié)構(gòu)isa（integrated service architecture），開發(fā)了新的實時傳輸協(xié)議rtp（real-time transport protocol）和資源預留協(xié)議rsvp（resource reservation protocol）。rtp是專門為支持流媒體傳輸而設(shè)計的輕型傳輸層協(xié)議，它由緊密相關(guān)的兩部分組成：負責ip網(wǎng)絡上流媒體數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)膔tp協(xié)議和負責反饋控制

11、、監(jiān)測管理傳輸質(zhì)量的實時傳輸控制協(xié)議rtcp（real-time transport control protocol）。rsvp同樣處于傳輸層，其功能是在非連接的ip協(xié)議上實現(xiàn)帶寬預留，確保端對端間的傳輸帶寬，盡量減少實時多媒體通信中的傳輸延遲和數(shù)據(jù)到達時間間隔的抖動，從而提供一定程度的服務質(zhì)量控制?，F(xiàn)在internet上運行的ip協(xié)議是ipv4；在下一代互聯(lián)網(wǎng)中，ipv6保留了ipv4所賴以成功的許多優(yōu)點，但也有許多改進。主要的改進內(nèi)容包括：n 大大擴展了地址域長度（從32位擴展到128位）以解決地址枯竭問題；n 簡化了ipv4的頭標格式，采用等長頭方式以便于硬件實現(xiàn)分組解析；n 加強加密

12、功能以滿足安全性傳輸?shù)男枰瑥亩鰪娏薸p層的安全機制；n 采用24bit流標記方式可追蹤通信過程中的分組傳送，采用擴展到4bit的業(yè)務流類型優(yōu)先級標識以利于路由器進行調(diào)度處理，支持流媒體傳輸業(yè)務。以上可以看到，ipv6協(xié)議雖然作出了許多改進，但并沒有增加資源預留、接入管理控制以及通信監(jiān)管等操作，所以并不能真正解決流媒體傳輸業(yè)務需求。如上所述，rtp和rsvp主要是專門補ipv4之不足為解決多媒體實時傳輸開發(fā)的傳輸層次協(xié)議。在ipv4向未來的ipv6轉(zhuǎn)變的過程中，上層的流媒體傳輸協(xié)議簇必然要做出相應的改變來適應ipv6的轉(zhuǎn)變。因此新型遠程教學流媒體解決方案主要研究內(nèi)容之一就是上層的流媒體傳輸協(xié)

13、議簇適應ipv6的一系列優(yōu)化。具體包括：第一，rtp的優(yōu)化：rtp的最初設(shè)計目標是internet，但它更傾向于發(fā)展成為獨立于底層協(xié)議的傳輸機制。目前用于atm-aal5和ipv6的rtp正在實驗之中。ipv6特別針對未來飛速發(fā)展的多媒體實時傳輸業(yè)務在協(xié)議頭增加了24位的流標記，并將ipv4中3位的優(yōu)先級標記擴展到4位，從而將優(yōu)先級設(shè)置從8種擴展到16種。ipv6的變化需要處于其上層的rtp協(xié)議做出相應的優(yōu)化處理。第二，rtcp的優(yōu)化：rtcp是和rtp一起工作的控制協(xié)議。它對于大規(guī)模的遠程實時視音頻教學系統(tǒng)提供支持，包括支持源端身份確認，網(wǎng)關(guān)和多點對一點的翻譯器等。在rtp適應ipv6做出改

14、變的過程中也必然要求rtcp做出相應的改變。具體研究的優(yōu)化內(nèi)容包括：擁塞控制；確定rtp用戶源；控制rtcp傳輸間隔；傳輸最小進程控制信息等。第三，rsvp的優(yōu)化：未來的ipv6和現(xiàn)在的rtp協(xié)議一樣也沒有涉及資源預留，也就不可能為實時業(yè)務提供qos保障，這就意味著單憑ipv6仍不能保證實時業(yè)務的可靠傳輸。所以未來的ipv6也必須和rsvp協(xié)議配合來共同完成流媒體傳輸服務。rsvp協(xié)議所起的作用就是利用預留信息控制ip分組的傳輸方式；提供一定程度的服務質(zhì)量控制。但是，rsvp協(xié)議給出的只是框架性定義，具體資源預留方式和對流媒體傳輸業(yè)務的預測以及相應帶寬的測算，均由各廠家完成，這也為將來的ipv

15、6環(huán)境中多媒體實時通信帶來隱患，但同時也為開發(fā)商帶來了擴展的空間和余地。對rsvp協(xié)議具體需要解決的優(yōu)化內(nèi)容包括：延遲控制；延遲抖動控制；流量控制；服務質(zhì)量控制等。第四，rtsp的優(yōu)化：實時流協(xié)議rtsp（real time streaming protocol）的設(shè)計目的是為了和rtp/rtcp，rsvp，http等協(xié)議協(xié)同工作，形成一個強大的應用層協(xié)議體系，以實現(xiàn)ip上多媒體流的高效傳輸。它工作在應用層，提供了一個可擴展的框架使得實時視音頻數(shù)據(jù)的傳輸可以得到有效控制。它既支持單目傳輸（unicast）又支持多目傳輸（multicast），具有雙向流傳輸控制、高可靠性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡烷_銷性、對

16、現(xiàn)有的技術(shù)和協(xié)議的良好的兼容性以及安全性、可伸縮性等諸多優(yōu)點。rtsp已經(jīng)被ietf考慮作為internet多媒體流傳輸?shù)臉藴剩虼藃tsp將會允許不同廠家之間的客戶機/服務器產(chǎn)品的互操作性，這給了用戶極大的靈活性和可選擇性。rtsp工作在諸如：rtp/rtcp，rsvp，tcp，ip，ip multicast的上層，以實現(xiàn)對實時內(nèi)容的傳輸和控制。rtsp的不足之處是它還未正式成為國際標準，在ipv4向ipv6轉(zhuǎn)變的工程中，可能要經(jīng)歷較大的改動。因此，在研究rtp/rtcp、rsvp這些工業(yè)標準適應ipv6進行優(yōu)化的同時，必須研究工作在這些工業(yè)標準之上的rtsp協(xié)議，對它的優(yōu)化研究，主要目標是

17、最大限度地利用上述工業(yè)標準所做的改善和提高，真正發(fā)揮這些標準優(yōu)化后帶來的功效。具體的研究內(nèi)容包括：n 基于客戶機/服務器模式，支持客戶機和服務器間的相互操作；n 提供控制機制和處理更高層的問題，例如會話建立、注冊和管理；n 和優(yōu)化后的rtp協(xié)同工作使得用戶由單目傳輸向多目傳輸?shù)倪^渡更為順利（如新出現(xiàn)的rtp包頭壓縮標準等），而不需要廠商做很多額外的工作；n 與優(yōu)化后的rsvp協(xié)同工作共同建立和管理流會話和帶寬資源預留。以上所有研究方案擬解決的主要技術(shù)難點是：u 在ipv6寬帶環(huán)境中，上層流媒體協(xié)議簇對ipv6流標簽的訪問機制；u 在ipv6寬帶環(huán)境中，上層流媒體協(xié)議簇快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制；u 在i

18、pv6寬帶環(huán)境中，上層流媒體協(xié)議簇大規(guī)模用戶訪問的并發(fā)控制；u 在ipv6寬帶環(huán)境中，上層流媒體協(xié)議簇與ipv6的交互安全保密機制控制。u 在ipv6寬帶環(huán)境中，rtsp在上層流媒體協(xié)議簇支撐之上的透明服務。2、ipv6上的流媒體的服務質(zhì)量qos（quality of service）控制研究隨著ip網(wǎng)上的遠程教學流媒體傳輸業(yè)務量不斷增長，由于實時業(yè)務對網(wǎng)絡傳輸?shù)难訒r、延時抖動等特性較為敏感，當突發(fā)性高的ftp或含有圖像文件的http等業(yè)務量在網(wǎng)絡上傳輸時，實時業(yè)務會受到影響。因此要求在ip網(wǎng)絡上導入qos技術(shù)，以確保實時業(yè)務的通信質(zhì)量。新一代信息網(wǎng)的主要標志就是ipv4向ipv6的徹底轉(zhuǎn)變。

19、ipv4盡它的最大努力（best-effort）來傳送信息包，但是它不會保證提供給上層的服務是可靠的，缺乏qos的概念和機制，這個問題是ipv4的薄弱環(huán)節(jié)致命弱點之一。而ipv6與ipv4的一個顯著區(qū)別和改進就是在協(xié)議頭的流標簽中引入了qos標記來支持qos控制機制，同時擴大了優(yōu)先級的范圍（從8種到16種）。雖然引進了qos機制，但ipv6還必須與rsvp配合來共同實現(xiàn)對qos進行一定程度的控制。因此，下一代流媒體方案在qos控制方面解決的第一個重要問題是：如何對rsvp框架協(xié)議進行改進來適應ipv6的變化，研制實現(xiàn)新型的rsvp實現(xiàn)協(xié)議與ip6配合共同完成對下一代信息網(wǎng)環(huán)境中流媒體傳輸qos

20、的有效控制，為用戶提供更好的服務。方案在qos控制方面需要解決的第二個重要問題是：應用層qos控制接口的研究。在實際應用中，流媒體的傳輸除了通過下層協(xié)議對qos進行控制外，最終還應該在應用層設(shè)置一個透明的接口。通過這一接口，可以使應用層的程序和下層支持qos的協(xié)議相獨立；這一接口的形式，也要按照應用程序?qū)W(wǎng)絡的要求定義，然后轉(zhuǎn)化為下層協(xié)議能理解的形式；同時，這也要求在接口中，要考慮到應用層的許多因素，如：按應用程序理解的方式提供服務類型，考慮到用戶對網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量的容忍程度，以及本地資源情況等等。具體研究的接口參數(shù)包括：網(wǎng)絡帶寬參數(shù)，可以根據(jù)媒體流的質(zhì)量（包括圖像大小、分辨率、顏色深度等參）來定

21、義；傳輸時延和抖動參數(shù)，可以根據(jù)媒體流的類型（實時影像、白版數(shù)據(jù)、非同步數(shù)據(jù)等）來定義。在接口層的內(nèi)部，通過計算將這些應用層理解的參數(shù)形式變換為等價的qos參數(shù)形式。然后，使用下層服務來實現(xiàn)之。在參數(shù)轉(zhuǎn)化的過程中，可能有信息不完全，和網(wǎng)絡資源有限、要和用戶協(xié)商的服務參數(shù)的情況。這就要求要考慮到用戶端的資源情況。比如，用戶在某種服務不能達到時可以容忍一定程度的服務質(zhì)量下降；或者，通過收費調(diào)節(jié)，改變需求的分布等等。對于接口層的研究，這里的關(guān)鍵點在于其通用性的研究。只有在達到通用性的目標，和實現(xiàn)透明的qos服務接口層的基礎(chǔ)上，才能夠真正實現(xiàn)應用層對下層各種qos控制手段的綜合，為最終用戶提供了可操作

22、的qos控制。為了在應用層得到相對于底層協(xié)議比較獨立的、可以在實際流媒體業(yè)務中被廣為接受的通用型接口定義，具體展開的研究點包括：對上層應用的形式及其對網(wǎng)絡傳輸?shù)囊笞龀鲚^為普遍、深入的分析，提煉出共性的接口形式；同時針對不同的下層流媒體傳輸協(xié)議簇中的一系列協(xié)議，提出一組實現(xiàn)這一接口服務的方法。這其中，兩個重要的研究點是：n 考慮用戶對服務質(zhì)量的容忍程度；n 在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)應用層對網(wǎng)絡層需求分布的手段。以上研究方案擬解決的主要技術(shù)難點是：u 在ipv6寬帶環(huán)境中，改進rsvp協(xié)議預留帶寬的機制來完善qos控制；u 在ipv6寬帶環(huán)境中，完善rsvp協(xié)議besteffort和controlled

23、load級的 qos控制；u 在ipv6寬帶環(huán)境中，rsvp協(xié)議與ipv6對qos的聯(lián)合交互控制；u 在ipv6寬帶環(huán)境中，在應用層上定義一套新型的qos服務質(zhì)量等級；u 在ipv6寬帶環(huán)境中，在應用層實現(xiàn)對底層qos控制的整合和透明可管理性。三、適應下一代ip網(wǎng)絡遠程教學流媒體解決方案主要技術(shù)指標待添加的隱藏文字內(nèi)容2解決方案要達到的目標和主要技術(shù)指標和水平是： 在寬帶（2.5gbps*4）主干網(wǎng)絡環(huán)境中，構(gòu)建ipv6模擬寬帶實驗環(huán)境。 針對寬帶ipv6新環(huán)境，適應ipv6的全新變化對傳輸層的流媒體傳輸協(xié)議簇進行改進，主要的焦點是對流媒體傳輸qos的交互控制，提交新型rfc實現(xiàn)方案，并將新型

24、協(xié)議通過主動網(wǎng)絡的技術(shù)配置到路由器節(jié)點和主機中已進行真正的應用實驗； 在應用層定義一整套新型的qos服務質(zhì)量等級和標準； 為用戶提供下層協(xié)議透明的qos控制開發(fā)包； 在應用層開發(fā)可管理的qos控制模塊，具體形式為qos管理軟件套件； 在以上新型底層協(xié)議和管理套件支撐的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于ipv6寬帶環(huán)境的遠程實時流媒體點播和組播（直播）教學系統(tǒng)。實時教學系統(tǒng)主要技術(shù)指標和水平是：n 在ipv6寬帶環(huán)境中，在服務器端構(gòu)建多播和點播專用服務器；n 通過若干個ipv6路由器連接不同的子網(wǎng)構(gòu)建“多播島”，形成一定范圍的試驗性廣域網(wǎng)；n 在構(gòu)建的廣域網(wǎng)范圍內(nèi)，實現(xiàn)一定規(guī)模、可伸縮、可擴展的實時遠程教學；n 在底層新型多媒體實時傳輸協(xié)議和ipv6的支撐下，能夠保證10001500個用戶規(guī)模的多播和點播多媒體實時教學服務；n 在應用層通過管理套件對流媒體傳輸和回放各層次的qos服務質(zhì)量進行實時整合控制；n 針對不同接入帶寬（范圍為50kbps3mbps）的用戶通過應用層管理套件對底層傳輸層流媒體協(xié)議簇進行透明控制以提供不同服務質(zhì)量的服務參考文獻1 教育部，十五攻關(guān)網(wǎng)絡教育專項-專題二：網(wǎng)絡教學系統(tǒng)項目可行性報告方案，2000，7月