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(shù)據(jù)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(dǎo)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(xiàn)互聯(lián)互通，從技術(shù)上為網(wǎng)絡(luò)融合奠定了基礎(chǔ)。它之所以能夠獲得如此成就，是因?yàn)樗哂腥缦碌奶攸c(diǎn)： 開(kāi)放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以獨(dú)立于特定計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)的開(kāi)放方式。 獨(dú)立于特定的物理網(wǎng)絡(luò)硬件，可以運(yùn)行在多種網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上。

　　共同的地址規(guī)劃方案使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的任何TCP/IP設(shè)備都具有一個(gè)唯一的地址。 標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議提供了多種可靠的用戶服務(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(chǔ)。1989年WWW的出現(xiàn)，使Internet發(fā)生了根本的變化，使其從單純的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成為能夠在世界范圍內(nèi)共享和發(fā)送信息的分布式文件系統(tǒng)，其利用價(jià)值飛速提高，TCP/IP協(xié)議也因此得到廣泛應(yīng)用。特別是1993年因特網(wǎng)商業(yè)化后，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模平均以半年翻一番的速度發(fā)展，使人們認(rèn)識(shí)到應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)層用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同種類網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，形成一個(gè)獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的平臺(tái)，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(yīng)運(yùn)而生。隨著一些關(guān)鍵術(shù)如IP Over DWDM, MPLS流量工程等出現(xiàn)。它可以提供能夠和ATM網(wǎng)相當(dāng)?shù)姆?wù)質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)通信和寬帶交互式媒體新業(yè)務(wù)提供了平臺(tái)。IP網(wǎng)絡(luò)對(duì)多媒體通信的需求也在日溢膨脹。為此，國(guó)際電聯(lián)（ITU）制定了H.323標(biāo)準(zhǔn)，使得在現(xiàn)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(chǔ)的寬帶IP網(wǎng)必將融合三大網(wǎng)絡(luò)即：有線電視網(wǎng)、電信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)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(yīng)用要求 　

　　因?yàn)槎嗝襟w信號(hào)是交互的互動(dòng)的，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了以下的應(yīng)用要求：

　?。?） 吞吐(throughtput)的要求，是指對(duì)高傳輸帶寬，大存儲(chǔ)緩沖帶寬的要求，和對(duì)流量的控制。
　?。?） 可靠性的要求：在這里對(duì)可靠性的要求不是重點(diǎn)。適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)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(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，抖動(dòng)要求較高，因?yàn)槎嗝襟w視頻流對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和抖動(dòng)比較敏感。如傳輸?shù)囊曨l信號(hào)與音頻信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)的可測(cè)試管理協(xié)議；③發(fā)展的商業(yè)機(jī)遇。從而使其進(jìn)入高速發(fā)展階段。 IPv4定義了3種IP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信；全網(wǎng)廣播是指在IP子網(wǎng)內(nèi)向所有網(wǎng)內(nèi)IP地址以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，所有子網(wǎng)內(nèi)的IP站都能收到全網(wǎng)廣播；組播是指在IP網(wǎng)上對(duì)一組特定IP地址進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，是居于以上①與②之間的通信方式。 對(duì)IPv4定義的3種數(shù)據(jù)通信方式比較我們發(fā)現(xiàn)，IP組播具有明顯區(qū)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(shù)據(jù)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(yīng)用要求

　　因?yàn)榫W(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?shù)钠繌絾?wèn)題是突出的！在多媒體應(yīng)用中，視頻傳輸帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)帶寬問(wèn)題更突出些。當(dāng)n個(gè)IP地址同時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)多媒體視頻流時(shí)，設(shè)每個(gè)視頻流所需傳輸帶寬為1.5M，按現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(gòu)置，因此我們研究的重點(diǎn)是如何在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件下不作過(guò)多的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻的傳輸，即IP組播解決方案要與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容。 如前所述：多媒體視頻流對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求不高，適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)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(duì)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(hào)是可行的。

4 用IP組播實(shí)現(xiàn)視頻傳輸?shù)囊环N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(zhuǎn)發(fā)，但會(huì)增加路由器負(fù)擔(dān)，有“廣播風(fēng)暴”危險(xiǎn)，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議也需調(diào)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(xiàn)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(jì)算機(jī)配合專用軟件組成服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制?？刂频哪渴牵簩?duì)于多媒體視頻服務(wù)器端，必須具有最大效率發(fā)送機(jī)制，也就是說(shuō)，系統(tǒng)能夠最大限度地在最短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)和滿足從多媒體視頻接收端送來(lái)的視頻請(qǐng)求，一次完成指向需求用戶所有地址的數(shù)據(jù)發(fā)送，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)隨時(shí)監(jiān)控視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量，同時(shí)自動(dòng)調(diào)整帶寬等。當(dāng)然傳輸方法的實(shí)現(xiàn)能與目前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施兼容。　　
　　以上方案實(shí)施過(guò)程中，計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）時(shí)刻監(jiān)控著系統(tǒng)，達(dá)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(xiǎn)。 根據(jù)以上要求我們?cè)O(shè)計(jì)了如下系統(tǒng)，它由四部分組成它們是：視頻發(fā)送、視頻轉(zhuǎn)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(yù)制視頻或者稱為實(shí)時(shí)視頻，它可以是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，也可以與第一級(jí)“視頻轉(zhuǎn)發(fā)”單元共用一臺(tái)計(jì)算機(jī)。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(shù)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?yàn)橥ㄟ^(guò)它壓縮后的視頻信號(hào)質(zhì)量令人滿意，而數(shù)碼率帶寬相對(duì)比較窄，有利于IP組播。（當(dāng)然也可以用其它編碼技術(shù)）。然后我們將壓縮后的訊號(hào)送到視頻轉(zhuǎn)發(fā)端。訊號(hào)從視頻發(fā)送連接到視頻轉(zhuǎn)發(fā)是點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸（此單元屬于IPv4的通信方式①）。

　　②視頻轉(zhuǎn)發(fā)

　　視頻轉(zhuǎn)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(hào)，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給視頻接收端或下一級(jí)的視頻轉(zhuǎn)發(fā)端。它是IP組播傳輸視頻信號(hào)的核心，視頻信號(hào)用IP組播方式轉(zhuǎn)發(fā)，即對(duì)一組特定IP地址（同一類請(qǐng)求的用戶）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。視頻轉(zhuǎn)發(fā)，由轉(zhuǎn)發(fā)計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）完成。

　?、垡曨l接收

　　視頻接收是用戶的多媒體終端。當(dāng)然要求用戶的多媒體終端設(shè)備，須能支持IP組播。

　　④視頻控制

　　其主要功能是對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)站點(diǎn)進(jìn)行控制，用來(lái)建立和管理轉(zhuǎn)發(fā)站點(diǎn)上的IP組播數(shù)據(jù)組的傳輸。控制系統(tǒng)要最大限度地滿足，完成指向需求用戶的數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)密切注意視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量。具體的說(shuō)就是，要盡可能多地為同類請(qǐng)求用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，但要在允許的帶寬范圍之內(nèi)。這個(gè)帶寬，是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制的，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)隨時(shí)監(jiān)控視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量，自動(dòng)調(diào)整帶寬；同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)其它各項(xiàng)參數(shù)也實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?？梢?jiàn)視頻控制，實(shí)質(zhì)上也就是計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制。計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)發(fā)，尋求最大的效益，又有滿意的傳輸質(zhì)量。此方案的實(shí)現(xiàn)，得益于計(jì)算機(jī)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(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)IP組播視頻傳輸?shù)脑嚥?，傳輸MPEG－1視頻信號(hào)（每個(gè)視頻流帶寬1.5M），視頻信號(hào)傳輸效果良好。證明以上方案是可行的。