第8章 音频视频02194(精品).ppt
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1、计算机网络(第 5 版)第 8 章 因特网上的音频/视频服务第 8 章 因特网上的音频/视频服务 8.1 概述8.2 流式存储音频/视频 8.2.1 具有元文件的万维网服务器 8.2.2 媒体服务器 8.2.3 实时流式协议 RTSP8.3 交互式音频/视频 8.3.1 IP 电话概述 8.3.2 IP 电话所需要的几种应用协议 8.3.3 实时运输协议 RTP 8.3.4 实时运输控制协议 RTCP 8.3.5 H.323 8.3.6 会话发起协议 SIP第 8 章 因特网上的音频/视频服务(续)8.4 改进“尽最大努力交付”的服务 8.4.1 使因特网提供服务质量 8.4.2 调度和管制机
2、制 8.4.3 综合服务 IntServ 和资源预留 协议 RSVP 8.4.4 区分服务 DiffServ第 8 章 因特网上的音频/视频服务(续)8.1 概述 计算机网络最初是为传送数据信息设计的。因特网 IP 层提供的“尽最大努力交付”服务,以及每一个分组独立交付的策略,对传送数据信息也是很合适的。因特网使用的 TCP 协议可以很好地解决网络不能提供可靠交付这一问题。多媒体信息的特点多媒体信息(包括声音和图像信息)与不包括声音和图像的数据信息有很大的区别。多媒体信息的信息量往往很大。在传输多媒体数据时,对时延和时延抖动均有较高的要求。多媒体数据往往是实时数据(real time data
3、),它的含义是:在发送实时数据的同时,在接收端边接收边播放。因特网是非等时的 模模拟拟的的多多媒媒体体信信号号经经过过采采样样和和模模数数转转换换变变为为数数字字信信号号,再再组组装装成成分分组组。这这些些分分组组的的发发送送速速率率是是恒恒定的定的(等时的等时的)。)。传传统统的的因因特特网网本本身身是是非非等等时时的的。因因此此经经过过因因特特网网的分组变成了的分组变成了非恒定速率非恒定速率的分组。的分组。tt因特网t模拟信号t采样后的信号构成分组恒定速率非恒定速率接收端需设置适当大小的缓存。当缓存中的分组接收端需设置适当大小的缓存。当缓存中的分组数达到一定的数量后再以恒定速率按顺序把分组
4、数达到一定的数量后再以恒定速率按顺序把分组读出进行还原播放。读出进行还原播放。缓存实际上就是一个先进先出的队列。图中标明缓存实际上就是一个先进先出的队列。图中标明的的 T T 叫做叫做播放时延播放时延。在接收端设置缓存 tT缓存(队列)恒定速率t非恒定速率有可能发生分组丢失缓存使所有到达的分组都经受了迟延。早到达的分组在缓存中停留的时间较长,而晚到达的分组在缓存中停留的时间则较短。以非恒定速率到达的分组,经过缓存后再以恒定速率读出,就能够在一定程度上消除了时延的抖动。但我们付出的代价是增加了时延。缓存的影响 分组发出1 2 3 4 5 6t到达分组数6543211 2 3 4 5 6t缓存时间
5、缓存时间再推迟播放时间如果网络无时延推迟播放分组迟到网络出现时延分组 1 的时延分组到达1 2 3 4 5 6t实际的网络需要解决的问题 在传送时延敏感(delay sensitive)的实时数据时,不仅传输时延不能太大,而且时延抖动也必须受到限制。对于传送实时数据,很少量分组的丢失对播放效果的影响并不大(因为这是由人来进行主观评价的),因而是可以容忍的。丢失容忍(loss tolerant)也是实时数据的另一个重要特点。需要解决的问题(续)由于分组的到达可能不按序,但将分组还原和播由于分组的到达可能不按序,但将分组还原和播放时又应当是按序的。因此在发送多媒体分组时放时又应当是按序的。因此在发
6、送多媒体分组时还应当给每一个分组加上还应当给每一个分组加上序号序号。这表明还应当有。这表明还应当有相应的协议支持才行。相应的协议支持才行。要使接收端能够将节目中本来就存在的正常的短要使接收端能够将节目中本来就存在的正常的短时间停顿(如音乐中停顿几拍)和因某些分组的时间停顿(如音乐中停顿几拍)和因某些分组的较大迟延造成的较大迟延造成的“停顿停顿”区分开来。这就需要增区分开来。这就需要增加一个加一个时间戳时间戳(timestamp)(timestamp),以便告诉接收端应当,以便告诉接收端应当在什么时间播放哪个分组。在什么时间播放哪个分组。必须改造现有的因特网 大大量量使使用用光光缆缆和和高高速速
7、路路由由器器,网网络络的的时时延延和和时时延延抖抖动动就就可可以以足足够够小小,在在因因特特网网上上传传送送实实时时数数据就不会有问题。据就不会有问题。把把因因特特网网改改造造为为能能够够对对端端到到端端的的带带宽宽实实现现预预留留(reservation)(reservation),把把使使用用无无连连接接协协议议的的因因特特网网转变为面向连接的网络。转变为面向连接的网络。部部分分改改动动因因特特网网的的协协议议栈栈所所付付出出的的代代价价较较小小,而而这这也也能能够够使使多多媒媒体体信信息息在在因因特特网网上上的的传传输输质质量得到改进。量得到改进。目前因特网提供的音频/视频服务大体上可分
8、为三种类型 流式(streaming)存储音频/视频 边下载边播放。流式实况音频/视频 边录制边发送。交互式音频/视频实时交互式通信。“边下载边播放”中的“下载”“边下载边播放边下载边播放”结束后,在用户的硬盘上没有结束后,在用户的硬盘上没有留下有关播放内容的任何痕迹。留下有关播放内容的任何痕迹。流媒体流媒体(streaming media)(streaming media),即流式音频,即流式音频/视频。视频。流媒体特点就是流媒体特点就是“边下载边播放边下载边播放”(streaming(streaming and playing)and playing)。8.2 流式存储音频/视频 传统的下
9、载文件方法 万维网服务器客户机服务器媒体播放器 GET:音频/视频文件 RESPONSE 音频/视频文件浏览器传统的浏览器从服务器下载音频/视频文件 用户从客户机用户从客户机(client machine)(client machine)的浏览器上用的浏览器上用 HTTP HTTP 协议向服务器请求下载某个音频协议向服务器请求下载某个音频/视频文件。视频文件。服务器如有此文件就发送给浏览器。在响应报文服务器如有此文件就发送给浏览器。在响应报文中就装有用户所要的音频中就装有用户所要的音频/视频文件。整个下载过视频文件。整个下载过程可能会程可能会花费很长的时间花费很长的时间。当浏览器当浏览器完全收
10、下完全收下这个文件后,就可以传送给自这个文件后,就可以传送给自己机器上的媒体播放器进行解压缩,然后播放。己机器上的媒体播放器进行解压缩,然后播放。8.2.1 具有元文件的万维网服务器 元文件元文件就是一种非常小的文件,它描述或指明其他文件的就是一种非常小的文件,它描述或指明其他文件的一些重要信息。一些重要信息。万维网服务器客户机服务器媒体播放器 元文件浏览器 GET:元文件 RESPONSEGET:音频/视频文件 RESPONSE使用元文件下载音频/视频文件 浏览器用户使用浏览器用户使用 HTTP HTTP 的的 GET GET 报文接入到万维网服务报文接入到万维网服务器。这个超链指向一个元文
11、件。这个元文件有实际的器。这个超链指向一个元文件。这个元文件有实际的音频音频/视频文件的统一资源定位符视频文件的统一资源定位符 URLURL。万维网服务器把该元文件装入万维网服务器把该元文件装入 HTTP HTTP 响应报文的主体,响应报文的主体,发回给浏览器。发回给浏览器。客户机浏览器调用相关的媒体播放器,把提取出的元客户机浏览器调用相关的媒体播放器,把提取出的元文件传送给媒体播放器。文件传送给媒体播放器。媒体播放器使用元文件中的媒体播放器使用元文件中的 URL URL,向万维网服务器发,向万维网服务器发送送 HTTP HTTP 请求报文,要求下载音频请求报文,要求下载音频/视频文件。视频文
12、件。万维网服务器发送万维网服务器发送 HTTP HTTP 响应报文,把该音频响应报文,把该音频/视频文视频文件发送给媒体播放器。媒体播放器边下载边解压缩边件发送给媒体播放器。媒体播放器边下载边解压缩边播放。播放。8.2.2 媒体服务器 媒体服务器媒体服务器也称为也称为流式服务器流式服务器(streaming server)(streaming server),它支持流式音频和视频的传送。,它支持流式音频和视频的传送。媒体播放器与媒体服务器的关系是客户与服务器媒体播放器与媒体服务器的关系是客户与服务器的关系。的关系。媒体播放器不是向万维网服务器而是向媒体服务媒体播放器不是向万维网服务器而是向媒体
13、服务器请求音频器请求音频/视频文件。视频文件。媒体服务器和媒体播放器之间采用另外的协议进媒体服务器和媒体播放器之间采用另外的协议进行交互。行交互。使用媒体服务器 万维网服务器媒体播放器 元文件浏览器 GET:元文件 RESPONSEGET:音频/视频文件 RESPONSE媒体服务器客户机服务器采用媒体服务器下载音频/视频文件的步骤 前三个步骤仍然和上一节的一样,区别就是前三个步骤仍然和上一节的一样,区别就是后面两个步骤。后面两个步骤。媒体播放器使用元文件中的媒体播放器使用元文件中的 URL URL 接入到接入到媒体服务媒体服务器器,请求下载浏览器所请求的音频,请求下载浏览器所请求的音频/视频文
14、件。下视频文件。下载可以借助于使用载可以借助于使用 UDP UDP 的任何协议,例如使用实的任何协议,例如使用实时运输协议时运输协议 RTPRTP。媒体服务器给出响应,把该音频媒体服务器给出响应,把该音频/视频文件发送视频文件发送给媒体播放器。媒体播放器在迟延了若干秒后,给媒体播放器。媒体播放器在迟延了若干秒后,以流的形式边下载边解压缩边播放。以流的形式边下载边解压缩边播放。8.2.3 实时流式协议 RTSP(Real-Time Streaming Protocol)RTSP RTSP 协议以客户服务器方式工作,它是一个协议以客户服务器方式工作,它是一个多媒体播放控制协议,用来使用户在播放从因
15、多媒体播放控制协议,用来使用户在播放从因特网下载的实时数据时能够进行控制,如:暂特网下载的实时数据时能够进行控制,如:暂停停/继续、后退、前进等。因此继续、后退、前进等。因此 RTSP RTSP 又称为又称为“因特网录像机遥控协议因特网录像机遥控协议”。要实现要实现 RTSP RTSP 的控制功能,我们不仅要有协议,的控制功能,我们不仅要有协议,而且要有专门的而且要有专门的媒体播放器媒体播放器(media player)(media player)和和媒媒体服务器体服务器(media server)(media server)。万维网服务器客户机服务器媒体播放器 元文件浏览器媒体服务器音频音频
16、/视频流视频流 GET:元文件 RESPONSESETUP RESPONSEPLAY RESPONSE RESPONSE TEARDOWN 使用 RTSP 的媒体服务器的工作过程 浏览器向万维网服务器请求音频浏览器向万维网服务器请求音频/视频文件。视频文件。万维网服务器从浏览器发送携带有元文件的响应。万维网服务器从浏览器发送携带有元文件的响应。浏览器把收到的元文件传送给媒体播放器。浏览器把收到的元文件传送给媒体播放器。RTSP RTSP 客户与媒体服务器的客户与媒体服务器的 RTSP RTSP 服务器建立连接。服务器建立连接。RTSP RTSP 服务器发送响应服务器发送响应 RESPONSE
17、RESPONSE 报文。报文。RTSP RTSP 客户发送客户发送 PLAY PLAY 报文,开始下载音频报文,开始下载音频/视频文件。视频文件。RTSP RTSP 服务器发送响应服务器发送响应 RESPONSE RESPONSE 报文。报文。RTSP RTSP 客户发送客户发送 TEARDOWN TEARDOWN 报文断开连接。报文断开连接。RTSP RTSP 服务器发送响应服务器发送响应 RESPONSE RESPONSE 报文。报文。8.3 交互式音频/视频 8.3.1 IP 电话概述狭义的 IP 电话就是指在 IP 网络上打电话。所谓“IP 网络”就是“使用 IP 协议的分组交换网”的
18、简称。广义的 IP 电话则不仅仅是电话通信,而且还可以是在IP网络上进行交互式多媒体实时通信(包括话音、视像等),甚至还包括即时传信IM(Instant Messaging)。IP 电话网关的几种连接方法 分组交换电路交换电路交换 因特网PC 到 PC公用电话网IP 电话网关 因特网PC 到固定电话机公用电话网IP 电话 网关公用电话网IP 电话 网关因特网固定电话机到固定电话机IP 电话的通话质量IP 电话的通话质量主要由两个因素决定。一个是通话双方端到端的时延和时延抖动,另一个是话音分组的丢失率。但这两个因素是不确定的,是取决于当时网络上的通信量。经验证明,在电话交谈中,端到端的时延不应超
19、过 250 ms,否则交谈者就能感到不自然。IP 电话的端到端时延(1)(1)话音信号进行模数转换要经受时延。话音信号进行模数转换要经受时延。(2)(2)话音比特流装配成话音分组的时延。话音比特流装配成话音分组的时延。(3)(3)话音分组的发送需要时间,此时间等于话音分话音分组的发送需要时间,此时间等于话音分 组长度与通信线路的数据率之比。组长度与通信线路的数据率之比。(4)(4)话音分组在因特网中的存储转发时延。话音分组在因特网中的存储转发时延。(5)(5)话音分组在接收端缓存中暂存所引起的时延。话音分组在接收端缓存中暂存所引起的时延。(6)(6)话音分组还原成模拟话音信号的时延。话音分组还
20、原成模拟话音信号的时延。(7)(7)话音信号在通信线路上的传播时延。话音信号在通信线路上的传播时延。(8)(8)终端设备的硬件和操作系统产生的接入时延。终端设备的硬件和操作系统产生的接入时延。低速率话音编码的标准(1)G.729速率为 8 kb/s 的共轭结构代数码激励线性预测声码器 CS-ACELP(Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear Prediction)。(2)G.723.1速率为 5.3/6.3 kb/s 的为多媒体通信用的低速率声码器。D播放时延有一个最佳值 分组丢失率端到端时延20%10%5%100 ms 150 ms
21、400 msABCN良好基本可用不好长途电话 质量接收端播放 时延增大线速路由器 提高路由器的转发分组的速率对提高 IP 电话的质量也是很重要的。据统计,一个跨大西洋的 IP 电话一般要经过 2030 个路由器。若能改用吉比特路由器(又称为线速路由器),则每秒可转发 5 百万至 6 千万个分组(即交换速率达 60 Gb/s 左右)。这样还可进一步减少由网络造成的时延。关于 SkypeSkypeSkype 采用了采用了 P2P P2P 和全球索引技术提供快速路由选择和全球索引技术提供快速路由选择机制,管理成本大大降低。由于用户路由信息分布式机制,管理成本大大降低。由于用户路由信息分布式存储于因特
22、网的结点中,因此呼叫连接完成得很快。存储于因特网的结点中,因此呼叫连接完成得很快。SkypeSkype 采用了端对端加密方式,保证信息的安全性。采用了端对端加密方式,保证信息的安全性。SkypeSkype 使用使用 P2P P2P 的技术,用户数据主要存储在的技术,用户数据主要存储在 P2P P2P 网网络中,因此必须保证存储在公共网络中的数据是可靠络中,因此必须保证存储在公共网络中的数据是可靠的和没有被篡改的。的和没有被篡改的。SkypeSkype 对公共目录中存储的和用对公共目录中存储的和用户相关的数据都采用了数字签名,保证了数据无法被户相关的数据都采用了数字签名,保证了数据无法被篡改。篡
23、改。SkypeSkype的问世给全球信息技术和通信产业带来深远的影的问世给全球信息技术和通信产业带来深远的影响,也给每一位网络使用者带来生活方式的改变。响,也给每一位网络使用者带来生活方式的改变。8.3.2 IP电话所需要的几种应用协议 TCPUDP信令服务质量IPv4/IPv6RTSPRTCPRSVPH.323SIPRTP应用层协议音频/视频SDP底层网络8.3.3 实时运输协议 RTP(Real-time Transport Protocol)RTP RTP 为实时应用提供端到端的运输,但不提供任为实时应用提供端到端的运输,但不提供任何服务质量的保证。何服务质量的保证。多媒体数据块经压缩编
24、码处理后,先送给多媒体数据块经压缩编码处理后,先送给 RTP RTP 封封装成为装成为 RTP RTP 分组,再装入运输层的分组,再装入运输层的 UDP UDP 用户数用户数据报,然后再交给据报,然后再交给 IP IP 层。层。RTP RTP 是一个协议框架,只包含了实时应用的一些是一个协议框架,只包含了实时应用的一些共同的功能。共同的功能。RTP RTP 自己并不对多媒体数据块做任何处理,而只自己并不对多媒体数据块做任何处理,而只是向应用层提供一些附加的信息,让应用层知道是向应用层提供一些附加的信息,让应用层知道应当如何进行处理。应当如何进行处理。RTP 的层次 从应用开发者的角度看,RTP
25、 应当是应用层的一部分。在应用的发送端,开发者必须编写用 RTP 封装分组的程序代码,然后把 RTP 分组交给 UDP 插口接口。在接收端,RTP 分组通过 UDP 插口接口进入应用层后,还要利用开发者编写的程序代码从 RTP 分组中把应用数据块提取出来。RTP 也可看成是运输层的一个子层 RTP RTP 封装了多媒体应用的封装了多媒体应用的数据块。由于数据块。由于 RTP RTP 向多媒向多媒体应用程序提供了服务体应用程序提供了服务(如时间戳和序号),因(如时间戳和序号),因此也可以将此也可以将 RTP RTP 看成是在看成是在 UDP UDP 之上的一个运输层的之上的一个运输层的子层。子层
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