CH8 音頻視頻 電子簡明

1、.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)簡明教程第 8 章 因特網(wǎng)上的音頻/視頻服務(wù)1.第 8 章 因特網(wǎng)上的音頻/視頻服務(wù) 8.1 概述8.2 流式存儲音頻/視頻 8.2.1 具有元文件的萬維網(wǎng)服務(wù)器 8.2.2 媒體服務(wù)器 8.2.3 實時流式協(xié)議 RTSP8.3 交互式音頻/視頻 8.3.1 IP 電話概述 8.3.2 IP 電話所需要的幾種應(yīng)用協(xié)議2.8.4 改進(jìn)“盡最大努力交付”的服務(wù) 第 8 章 因特網(wǎng)上的音頻/視頻服務(wù)（續(xù)） 3.8.1 概述 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最初是為傳送數(shù)據(jù)信息設(shè)計的。因特網(wǎng) IP 層提供的“盡最大努力交付”服務(wù)，以及每一個分組獨(dú)立交付的策略，對傳送數(shù)據(jù)信息也是很合適的。因特網(wǎng)使用的 TCP 協(xié)

2、議可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)不能提供可靠交付這一問題。4.多媒體信息的特點(diǎn)多媒體信息（包括聲音和圖像信息）與不包括聲音和圖像的數(shù)據(jù)信息有很大的區(qū)別。多媒體信息的信息量往往很大。在傳輸多媒體數(shù)據(jù)時，對時延和時延抖動均有較高的要求。多媒體數(shù)據(jù)往往是實時數(shù)據(jù)(real time data)，它的含義是：在發(fā)送實時數(shù)據(jù)的同時，在接收端邊接收邊播放。 5.因特網(wǎng)是非等時的 模擬的多媒體信號經(jīng)過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，再組裝成分組。這些分組的發(fā)送速率是恒定的（等時的）。傳統(tǒng)的因特網(wǎng)本身是非等時的。因此經(jīng)過因特網(wǎng)的分組變成了非恒定速率的分組。 tt因特網(wǎng)t模擬信號t采樣后的信號構(gòu)成分組恒定速率非恒定速率6.接收

3、端需設(shè)置適當(dāng)大小的緩存。當(dāng)緩存中的分組數(shù)達(dá)到一定的數(shù)量后再以恒定速率按順序把分組讀出進(jìn)行還原播放。緩存實際上就是一個先進(jìn)先出的隊列。圖中標(biāo)明的 T 叫做播放時延。 在接收端設(shè)置緩存 tT緩存（隊列）恒定速率t非恒定速率有可能發(fā)生分組丟失7.緩存使所有到達(dá)的分組都經(jīng)受了遲延。早到達(dá)的分組在緩存中停留的時間較長，而晚到達(dá)的分組在緩存中停留的時間則較短。以非恒定速率到達(dá)的分組，經(jīng)過緩存后再以恒定速率讀出，就能夠在一定程度上消除了時延的抖動。但我們付出的代價是增加了時延。 緩存的影響 8分組發(fā)出1 2 3 4 5 6t到達(dá)分組數(shù)6543211 2 3 4 5 6t緩存時間緩存時間再推遲播放時間如果網(wǎng)絡(luò)

4、無時延推遲播放分組遲到網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時延分組 1 的時延分組到達(dá)1 2 3 4 5 6t實際的網(wǎng)絡(luò)9.需要解決的問題 在傳送時延敏感(delay sensitive)的實時數(shù)據(jù)時，不僅傳輸時延不能太大，而且時延抖動也必須受到限制。對于傳送實時數(shù)據(jù)，很少量分組的丟失對播放效果的影響并不大（因為這是由人來進(jìn)行主觀評價的），因而是可以容忍的。丟失容忍(loss tolerant)也是實時數(shù)據(jù)的另一個重要特點(diǎn)。 10.需要解決的問題（續(xù)）由于分組的到達(dá)可能不按序，但將分組還原和播放時又應(yīng)當(dāng)是按序的。因此在發(fā)送多媒體分組時還應(yīng)當(dāng)給每一個分組加上序號。這表明還應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的協(xié)議支持才行。要使接收端能夠?qū)⒐?jié)目中本來

5、就存在的正常的短時間停頓（如音樂中停頓幾拍）和因某些分組的較大遲延造成的“停頓”區(qū)分開來。這就需要增加一個時間戳(timestamp)，以便告訴接收端應(yīng)當(dāng)在什么時間播放哪個分組。11.必須改造現(xiàn)有的因特網(wǎng) 大量使用光纜和高速路由器，網(wǎng)絡(luò)的時延和時延抖動就可以足夠小，在因特網(wǎng)上傳送實時數(shù)據(jù)就不會有問題。把因特網(wǎng)改造為能夠?qū)Χ说蕉说膸拰崿F(xiàn)預(yù)留(reservation)，把使用無連接協(xié)議的因特網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蜻B接的網(wǎng)絡(luò)。 部分改動因特網(wǎng)的協(xié)議棧所付出的代價較小，而這也能夠使多媒體信息在因特網(wǎng)上的傳輸質(zhì)量得到改進(jìn)。 12.目前因特網(wǎng)提供的音頻/視頻服務(wù)大體上可分為三種類型 流式(streaming)存儲

6、音頻/視頻 邊下載邊播放。流式實況音頻/視頻 邊錄制邊發(fā)送 。交互式音頻/視頻實時交互式通信。13.“邊下載邊播放”中的“下載” “邊下載邊播放”結(jié)束后，在用戶的硬盤上沒有留下有關(guān)播放內(nèi)容的任何痕跡。流媒體(streaming media)，即流式音頻/視頻。流媒體特點(diǎn)就是“邊下載邊播放” (streaming and playing) 。14.8.2 流式存儲音頻/視頻 傳統(tǒng)的下載文件方法 萬維網(wǎng)服務(wù)器客戶機(jī)服務(wù)器媒體播放器 GET: 音頻/視頻文件 RESPONSE 音頻/視頻文件瀏覽器15.傳統(tǒng)的瀏覽器從服務(wù)器下載音頻/視頻文件 用戶從客戶機(jī)(client machine)的瀏覽器上用

7、HTTP 協(xié)議向服務(wù)器請求下載某個音頻/視頻文件。 服務(wù)器如有此文件就發(fā)送給瀏覽器。在響應(yīng)報文中就裝有用戶所要的音頻/視頻文件。整個下載過程可能會花費(fèi)很長的時間。 當(dāng)瀏覽器完全收下這個文件后，就可以傳送給自己機(jī)器上的媒體播放器進(jìn)行解壓縮，然后播放。 具有元文件的萬維網(wǎng)服務(wù)器 元文件就是一種非常小的文件，它描述或指明其他文件的一些重要信息。 萬維網(wǎng)服務(wù)器客戶機(jī)服務(wù)器媒體播放器 元文件瀏覽器 GET: 元文件 RESPONSEGET: 音頻/視頻文件 RESPONSE17.使用元文件下載音頻/視頻文件 瀏覽器用戶使用 HTTP 的 GET 報文接入到萬維網(wǎng)服務(wù)器。這個超鏈指向一個

8、元文件。這個元文件有實際的音頻/視頻文件的統(tǒng)一資源定位符 URL。 萬維網(wǎng)服務(wù)器把該元文件裝入 HTTP 響應(yīng)報文的主體，發(fā)回給瀏覽器。 客戶機(jī)瀏覽器調(diào)用相關(guān)的媒體播放器，把提取出的元文件傳送給媒體播放器。 媒體播放器使用元文件中的 URL ，向萬維網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送 HTTP 請求報文，要求下載音頻/視頻文件。 萬維網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送 HTTP 響應(yīng)報文，把該音頻/視頻文件發(fā)送給媒體播放器。媒體播放器邊下載邊解壓縮邊播放。 媒體服務(wù)器 媒體服務(wù)器也稱為流式服務(wù)器(streaming server) ，它支持流式音頻和視頻的傳送。媒體播放器與媒體服務(wù)器的關(guān)系是客戶與服務(wù)器的關(guān)系。 媒體播

9、放器不是向萬維網(wǎng)服務(wù)器而是向媒體服務(wù)器請求音頻/視頻文件。媒體服務(wù)器和媒體播放器之間采用另外的協(xié)議進(jìn)行交互。 19.使用媒體服務(wù)器 萬維網(wǎng)服務(wù)器媒體播放器 元文件瀏覽器 GET: 元文件 RESPONSEGET: 音頻/視頻文件 RESPONSE媒體服務(wù)器客戶機(jī)服務(wù)器20.采用媒體服務(wù)器下載音頻/視頻文件的步驟 前三個步驟仍然和上一節(jié)的一樣，區(qū)別就是后面兩個步驟。 媒體播放器使用元文件中的 URL 接入到媒體服務(wù)器，請求下載瀏覽器所請求的音頻/視頻文件。下載可以借助于使用 UDP 的任何協(xié)議，例如使用實時運(yùn)輸協(xié)議 RTP。 媒體服務(wù)器給出響應(yīng)，把該音頻/視頻文件發(fā)送給媒體播放器。媒體播放器在遲

10、延了若干秒后，以流的形式邊下載邊解壓縮邊播放。 實時流式協(xié)議 RTSP(Real-Time Streaming Protocol) RTSP 協(xié)議以客戶服務(wù)器方式工作，它是一個多媒體播放控制協(xié)議，用來使用戶在播放從因特網(wǎng)下載的實時數(shù)據(jù)時能夠進(jìn)行控制，如：暫停/繼續(xù)、后退、前進(jìn)等。因此 RTSP 又稱為“因特網(wǎng)錄像機(jī)遙控協(xié)議”。要實現(xiàn) RTSP 的控制功能，我們不僅要有協(xié)議，而且要有專門的媒體播放器(media player)和媒體服務(wù)器(media server)。 22萬維網(wǎng)服務(wù)器客戶機(jī)服務(wù)器媒體播放器 元文件瀏覽器媒體服務(wù)器音頻/視頻流 GET: 元文件 RESPONSE

11、SETUP RESPONSEPLAY RESPONSE RESPONSE TEARDOWN 23.使用 RTSP 的媒體服務(wù)器的工作過程 瀏覽器向萬維網(wǎng)服務(wù)器請求音頻/視頻文件。 萬維網(wǎng)服務(wù)器從瀏覽器發(fā)送攜帶有元文件的響應(yīng)。 瀏覽器把收到的元文件傳送給媒體播放器。 RTSP 客戶與媒體服務(wù)器的 RTSP 服務(wù)器建立連接。 RTSP 服務(wù)器發(fā)送響應(yīng) RESPONSE 報文。 RTSP 客戶發(fā)送 PLAY 報文，開始下載音頻/視頻文件。 RTSP 服務(wù)器發(fā)送響應(yīng) RESPONSE 報文。 RTSP 客戶發(fā)送 TEARDOWN 報文斷開連接。 RTSP 服務(wù)器發(fā)送響應(yīng) RESPONSE 報文。 24

12、.8.3 交互式音頻/視頻 8.3.1 IP 電話概述狹義的 IP 電話就是指在 IP 網(wǎng)絡(luò)上打電話。所謂“IP 網(wǎng)絡(luò)”就是“使用 IP 協(xié)議的分組交換網(wǎng)”的簡稱。廣義的 IP 電話則不僅僅是電話通信，而且還可以是在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行交互式多媒體實時通信（包括話音、視像等），甚至還包括即時傳信IM (Instant Messaging)。25IP 電話網(wǎng)關(guān)的幾種連接方法 分組交換電路交換電路交換 因特網(wǎng)PC 到 PC公用電話網(wǎng)IP 電話網(wǎng)關(guān) 因特網(wǎng)PC 到固定電話機(jī)公用電話網(wǎng)IP 電話 網(wǎng)關(guān)公用電話網(wǎng)IP 電話 網(wǎng)關(guān)因特網(wǎng)固定電話機(jī)到固定電話機(jī)26.IP 電話的通話質(zhì)量IP 電話的通話質(zhì)量主要由兩

13、個因素決定。一個是通話雙方端到端的時延和時延抖動，另一個是話音分組的丟失率。但這兩個因素是不確定的，是取決于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)上的通信量。經(jīng)驗證明，在電話交談中，端到端的時延不應(yīng)超過 250 ms，否則交談?wù)呔湍芨械讲蛔匀弧?27.IP 電話的端到端時延 (1) 話音信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換要經(jīng)受時延。(2) 話音比特流裝配成話音分組的時延。(3) 話音分組的發(fā)送需要時間，此時間等于話音分 組長度與通信線路的數(shù)據(jù)率之比。(4) 話音分組在因特網(wǎng)中的存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延。(5) 話音分組在接收端緩存中暫存所引起的時延。(6) 話音分組還原成模擬話音信號的時延。(7) 話音信號在通信線路上的傳播時延。(8) 終端設(shè)備的硬件

14、和操作系統(tǒng)產(chǎn)生的接入時延。 28.低速率話音編碼的標(biāo)準(zhǔn) (1) G.729速率為 8 kb/s 的共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼激勵線性預(yù)測聲碼器 CS-ACELP (Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear Prediction)。(2) G.723.1速率為 5.3/6.3 kb/s 的為多媒體通信用的低速率聲碼器。 29.D播放時延有一個最佳值 分組丟失率端到端時延20 %10 %5 %100 ms150 ms400 msABCN良好基本可用不好長途電話 質(zhì)量接收端播放 時延增大30.線速路由器 提高路由器的轉(zhuǎn)發(fā)分組的速率對提高 IP 電話的質(zhì)量

15、也是很重要的。據(jù)統(tǒng)計，一個跨大西洋的 IP 電話一般要經(jīng)過 2030 個路由器。若能改用吉比特路由器（又稱為線速路由器），則每秒可轉(zhuǎn)發(fā) 5 百萬至 6 千萬個分組（即交換速率達(dá) 60 Gb/s 左右）。這樣還可進(jìn)一步減少由網(wǎng)絡(luò)造成的時延。 31.關(guān)于 SkypeSkype 采用了 P2P 和全球索引技術(shù)提供快速路由選擇機(jī)制，管理成本大大降低。由于用戶路由信息分布式存儲于因特網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)中，因此呼叫連接完成得很快。Skype 采用了端對端加密方式，保證信息的安全性。Skype 使用 P2P 的技術(shù)，用戶數(shù)據(jù)主要存儲在 P2P 網(wǎng)絡(luò)中，因此必須保證存儲在公共網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)是可靠的和沒有被篡改的。Skyp

16、e 對公共目錄中存儲的和用戶相關(guān)的數(shù)據(jù)都采用了數(shù)字簽名，保證了數(shù)據(jù)無法被篡改。Skype的問世給全球信息技術(shù)和通信產(chǎn)業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響，也給每一位網(wǎng)絡(luò)使用者帶來生活方式的改變。 328.3.2 IP電話所需要的幾種應(yīng)用協(xié)議 TCPUDP信令服務(wù)質(zhì)量IPv4/IPv6RTSPRTCPRSVPH.323SIPRTP應(yīng)用層協(xié)議音頻/視頻SDP底層網(wǎng)絡(luò)33.1. 實時運(yùn)輸協(xié)議 RTP (Real-time Transport Protocol) RTP 為實時應(yīng)用提供端到端的運(yùn)輸，但不提供任何服務(wù)質(zhì)量的保證。多媒體數(shù)據(jù)塊經(jīng)壓縮編碼處理后，先送給 RTP 封裝成為 RTP 分組，再裝入運(yùn)輸層的 UDP 用

17、戶數(shù)據(jù)報，然后再交給 IP 層。RTP 是一個協(xié)議框架，只包含了實時應(yīng)用的一些共同的功能。RTP 自己并不對多媒體數(shù)據(jù)塊做任何處理，而只是向應(yīng)用層提供一些附加的信息，讓應(yīng)用層知道應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行處理。 34.RTP 的層次 從應(yīng)用開發(fā)者的角度看，RTP 應(yīng)當(dāng)是應(yīng)用層的一部分。在應(yīng)用的發(fā)送端，開發(fā)者必須編寫用 RTP 封裝分組的程序代碼，然后把 RTP 分組交給 UDP 插口接口。在接收端，RTP 分組通過 UDP 插口接口進(jìn)入應(yīng)用層后，還要利用開發(fā)者編寫的程序代碼從 RTP 分組中把應(yīng)用數(shù)據(jù)塊提取出來。35.RTP 也可看成是運(yùn)輸層的一個子層 RTP 封裝了多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)塊。由于 RTP 向多媒

18、體應(yīng)用程序提供了服務(wù)（如時間戳和序號），因此也可以將 RTP 看成是在 UDP 之上的一個運(yùn)輸層的子層。 運(yùn)輸層應(yīng)用層IP數(shù)據(jù)鏈路層物理層RTPUDP36RTP 分組封裝到 UDP 用戶數(shù)據(jù)報中發(fā)送RTP 分組UDP 用戶數(shù)據(jù)報IP 數(shù)據(jù)報IP 首部 UDP 首部 RTP 首部 RTP 數(shù)據(jù)部分（應(yīng)用層數(shù)據(jù)）37.2. 實時運(yùn)輸控制協(xié)議 RTCP (RTP Control Protocol) RTCP 是與 RTP 配合使用的協(xié)議。RTCP 協(xié)議的主要功能是：服務(wù)質(zhì)量的監(jiān)視與反饋、媒體間的同步，以及多播組中成員的標(biāo)識。RTCP 分組也使用 UDP 傳送，但 RTCP 并不對聲音或視像分組進(jìn)行封

19、裝。可將多個 RTCP 分組封裝在一個 UDP 用戶數(shù)據(jù)報中。RTCP 分組周期性地在網(wǎng)上傳送，它帶有發(fā)送端和接收端對服務(wù)質(zhì)量的統(tǒng)計信息報告。 38.3. H.323H.323 是 ITU-T 于 1996 年制訂的一個名稱很長的建議書，1998 年的第二個版本改用的名稱是“基于分組的多媒體通信系統(tǒng)”。H.323 包括系統(tǒng)和構(gòu)件的描述，呼叫模型的描述，呼叫信令過程，控制報文，復(fù)用，話音編解碼器，視像編解碼器，以及數(shù)據(jù)協(xié)議等，但不保證服務(wù)質(zhì)量 QoS。 39.H.323 終端使用 H.323 協(xié)議進(jìn)行多媒體通信 分組交換網(wǎng)（例如，因特網(wǎng)）H.323H.323 終端H.323 終端 40.H.32

20、3 標(biāo)準(zhǔn)指明的四種構(gòu)件 (1) H.323 終端(2) 網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)連接到兩種不同的網(wǎng)絡(luò)，使 H.323 網(wǎng)絡(luò)可以和非 H.323 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。(3) 網(wǎng)閘(gatekeeper)所有的呼叫都要通過網(wǎng)閘，因為網(wǎng)閘提供地址轉(zhuǎn)換、授權(quán)、帶寬管理和計費(fèi)功能。(4) 多點(diǎn)控制單元 MCU (Multipoint Control Unit)MCU 支持三個或更多的 H.323 終端的音頻或視頻會議。 41.H.323 網(wǎng)關(guān)用來和非 H.323 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接 因特網(wǎng)公用電話網(wǎng)網(wǎng)關(guān)網(wǎng)閘H.323 終端 42.4. 會話發(fā)起協(xié)議 SIP (Session Initiation Protocol) SIP 是一套

21、較為簡單且實用的標(biāo)準(zhǔn)，目前已成為因特網(wǎng)的建議標(biāo)準(zhǔn)。SIP 協(xié)議以因特網(wǎng)為基礎(chǔ)，把 IP 電話視為因特網(wǎng)上的新應(yīng)用。SIP 協(xié)議只涉及到 IP 電話的信令和有關(guān)服務(wù)質(zhì)量問題，而沒有提供像H.323那樣多的功能。SIP沒有指定使用 RTP 協(xié)議，但實際上大家還是選用 RTP 和 RTCP 作為配合使用的協(xié)議。 43.SIP 系統(tǒng)的構(gòu)件SIP系統(tǒng)的兩種構(gòu)件是用戶代理和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。用戶代理包括用戶代理客戶和用戶代理服務(wù)器，前者用來發(fā)起呼叫，而后者用來接受呼叫。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器分為代理服務(wù)器和重定向服務(wù)器。代理服務(wù)器接受來自主叫用戶的呼叫請求，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳代理服務(wù)器，最后將呼叫請求轉(zhuǎn)發(fā)給被叫用戶。重定向服務(wù)器不接受呼叫，它通過響應(yīng)告訴客戶下一跳代理服務(wù)器的地址，由客戶按此地址向下一跳代理服務(wù)器重新發(fā)送呼叫請求。44.SIP 的地址十分靈活可以是電話號碼，也可以是電子郵件地址、IP 地址或其他類型的地址。但一定要使用 SIP 的地址格式，例如：電話號碼 sip:zhangsan8625-87654321IPv4 地址 sip:zhangsan6電子郵件地址 sip:zhangsan45.8.4 改進(jìn)“