Видеоконференции в сети INTERNET
Подобная модель построения нескольких уровней протоколов называется "многоуровневым передаванием сетевых протоколов". Под этим подразумеваем, что протокол на более высоком уровне при своей работе использует сервисы, передавленные протоколами более низкого уровня. Семейство протоколов TCP/IP имеет 4 ярко выраженных уровня:
уровень приложений ( прикладной уровень)
уровень, реализующий транспортные функции ( транспортный уровень)
уровень , обеспечивающий доставку и маршрутизацию пакета ( сетевой уровень)
уровень сопряжения с физической средой ( канальный уровень)
Опишем состав и основные функции протоколов каждого уровня семейства TCP/IP:
Уровень сопряжения с физической средой ( канальный) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Этот уровень решает задачи физической адресации, уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.
Ниже этого уровня расположен только аппаратный уровень, который определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активизации, поддержания и деактивизации физического канала между конечными системами ( уровни напряжений, синхронизации изменений напряжений, скорость передачи физической информации , максимальные расстояния передачи информации, физические соединения и др.)
Сетевой уровень - это комплексный уровень. Он обеспечивает возможность соединение и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находится разных географических пунктах. К этому уровню в TCP/IP относится межсетевой протокол IP, который является базовым в структуре TCP/IP и обеспечивает доставку пакету по месту назначения - маршрутизацию , фрагментацию и сборку поступивших пакетов на хосте получателя. Этому уровню принадлежит протокол ICMP, в функции которого входят, в основном, сообщения об ошибках и сбор информации о работе сети.
Транспортный уровень представляет услуги по транспортировке данных. Эти услуги избавляют механизмы передачи данных прикладного уровня от необходимости вникать в детали транспортировки данных. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как надежная и достоверная транспортировка данных через сеть. Транспортный уровень реализует механизмы установки, поддержания и упорядоченного закрытия каналов соединение, механизмы систем обнаружения и устранения неисправности транспортировки, управления информационным потоком.
Транспортный уровень семейства TCP/IP представлен протоколами ТСР и UDP. ТСР обеспечивает транспортировку данных с установлением соединения, в то время как UDP работает без установления соединения. Оба эти протокола имеют дело с конкретными процессами ( приложениями ) на компьютере и могут обеспечивать связь процессов на различных компьютерах сети, хоть в их компетенцию не входит управлением сеансом работы. Если ТСР обеспечивает полный сервис транспортного уровня - надежность, достоверность и контроль соединения, то UDP может отправлять пакеты от одного процесса к другому без какого либо дополнительного сервиса, за исключением, разве что, проверки контрольной суммы переданных данных.
Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи , синхронизирует совместно работающие прикладные программы , устанавливает соглашения по процедурам устранения ошибок и управления целостности информации. Кроме того протоколы прикладного уровня определяют , имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи. Прикладной уровень также отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы была читаемой на прикладном уровне другой системы. При необходимости он осуществят трансляцию между множеством форматов представлений путем использования общего формата и структур данных, а также согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня. Прикладной уровень устанавливает и завершает сеансы связи взаимодействия между прикладными задачами , управляет этими сеансами, синхронизирует диалог между объектами и управляет обменом информации между ними. Кроме того прикладной уровень предоставляет средства для отправки информации и уведомления об исключительных ситуациях передачи данных.
Комплект протоколов Internet включает в себя большое число протоколов высших уровней, имеющих самые разнообразные применения, в том числе управление сети, передача файлов, распределенные услуги пользования файлами, эмуляция терминалов и электронная почта.
Стремительный рост Internet предъявляет новые требования к скорости и объемам передачи данных. И для того , чтобы удовлетворить все эти запросы, одного уведомления емкости сети недостаточно , необходимы разумные и эффективные методы управления трафиком и контролем загруженности линий передач.
Наиболее широко используемый протокол транспортного уровня - это, как было описано выше, ТСР. Несмотря на то, что ТСР позволяет поддерживать множество разнообразных распределенных приложений, он не подходит для приложения реального времени. Использование ТСР в качестве транспортного протокола ТСР для этих приложений невозможно по нескольким причинам:
1. Этот протокол позволяет установить соединение только между двумя конечными точками, следовательно, он не подходит для многоадресной передачи.
2. ТСР предусматривает повторную передачу потерянных сегментов, прибывающих, когда приложение реального времени уже их не ждет.
3. ТСР не имеет удобного механизма привязки информации о синхронизации к сегментам = дополнительное требование приложений реального времени.
Другой широко используемый протокол транспортного уровня - UDP не имеет части ограничений ТСР, но и он не представляет критической информации о синхронизации.
Эту задачу и призван решить новый транспортный протокол реального времени - RTP ( Real-Time Transport Protocol), который гарантирует доставку данных одному или более адресатам с задержкой в заданных пределах, т.е. данные могут быть воспроизведены в реальном времени.
Пакеты RTP содержат следующие поля: идентификатор отправителя, указывающий, кто из участников генерирует данные, отметки о времени генерирования пакета, чтобы данные могли быть воспроизведены принимающей стороной с правильными интервалами, информация о порядке передачи, а также информация о характере содержимого пакета, например, о типе кодировки видеоданных (MPEG, Indeo и др.). Наличие такой информации позволяет оценить величину начальной задержки и объема буфера передачи.
Протокол RTP используется только для передачи пользовательских данных - обычно многоадресной - всем участникам сеанса. Совместно с RTP работает протокол RTCP (Real-Time Transport Control Protocol). , основная задача которого состоит в обеспечении управления передачей RTP, RTCP использует тот же самый базовый транспортный протокол, что и RTP ( обычно UDP), но другой номер порта.
RTCP выполняет несколько функций:
1. Обеспечение и контроль качества услуг и обратная связь в случае перегрузки. Так как RTCP-пакеты являются много адресными, все участники сеанса могут оценить, насколько хороша работа и прием других участников. Сообщения отправителя позволяют получателям оценить скорость данных и качества передачи. Сообщения получателей содержат информацию о проблемах, с которыми они сталкиваются, включая утерю пакетов и избыточную неравномерность передачи.
Обратная связь с получателями важна также для диагностирования ошибок при распространении. Анализируя сообщения всех участников сеанса, администратор сети может определить, касается данная проблема одного участника или носит общий характер. Если приложение - отправитель приходит к выводу, что проблема характерна для системы в целом, например, по причине отказа одного из каналов связи, то оно может увеличить степень сжатия данных за счет снижения качества или вообще отказаться от передачи видео - это позволяет передавать данные по соединению низкой емкости.
2. Идентификация отправителя. Пакеты RTCP содержат стандартное текстовое описание отправителя. Они проставляют больше информации об отправителе пакетов данных, чем случайным образом выбранный идентификатор источник синхронизации. Кроме того, они помогают пользователю идентифицировать потоки, относящиеся к различным сеансам.
3. Оценка размеров сеанса и масштабирование. Для обеспечения качества услуг и обратной связи с целью управления загруженностью, а также с целью идентификации отправителю все участники периодически посылают пакеты RTCP. Частота передачи этих пакетов снижается с ростом числа участников. При небольшом числе участников один пакет RTCP посылается максимум каждые 5 секунд.
ЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА СЕТЕВОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.
(ПРОТОКОЛ ОБМЕНА ДАННЫХ)
приложения
Формат UDP- пакета
Заголовок TCP – пакета ИНТЕРНЕТ
Рис. 3
Таким образом с протоколом сетевого уровня IP (Internet Prortocol) взаимодействуют два протокола транспортного уровня: TCP и UDP. TCP (transmission control protocol) обеспечивает надежную связь за счет мощных средств контроля ошибок при отправке пакетов и повторной отправки пакета в случае ошибки. UDP (user datagram protocol) такими средствами контроля над ошибками и повторной отправки пакета не обладает. Настольные системы видеоконференций, работающие по сетям Internet, используют протокол UDP для передачи аудио- и видеосигнала. Протокол TCP используется для передачи данных, таких, например, как данные с "настенной доски" или из разделяемых прикладных программ. При организации конференций по сетям Internet возникает одна проблема. Суть конференции в том, чтобы передавать изображение/голос/данные в общем случае в режиме широкого вещания. Однако протокол IP подразумевает связь "точка-точка". Чтобы преодолеть это препятствие, в 1989 г. было предложено расширение IP для поддержки широковещательных пакетов в Internet — RFC (Request for Comments). Благодаря RFC появилась возможность проводить конференции в Internet в режиме "широковещательной магистрали" Multicast Backbone (MBone), что означает возможность для одного участника конференции в Internet связываться одновременно с несколькими участниками. В режиме MBone группы хостов, поддерживающих широковещательный IP, связаны друг с другом по каналам чистого IP со связью "точка-точка". Данные к хостам группы передаются через широковещательный маршрутизатор. Это, как правило, рабочая станция, работающая в системе Unix. Для выбора оптимального пути от отправителя к получателю широковещательный маршрутизатор использует один из протоколов: DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol), MOSPF (Multicast Open Shortest Path First), PIM (Protocol Independent Multicast).
Необходимость передачи аудио- и видеоинформации по Internet привела к созданию нового транспортного протокола RTP (Real-time Transport Protocol). Его рабочая спецификация была предложена группой AVT (Audio/Video Transport working group) разработчиков средств передачи аудио/видеоинформации, входящей в организацию IETF (Internet Engineering Task Force). Протокол RTP отвечает за очередность, тайминг и качество аудио/видеоинформации, передаваемой в режиме "точка-точка" или "точка-многоточка". Большинство разработчиков систем MBone используют в своих системах RTP. Среди них такие как Communique! (InSoft), InPerson (Silicon Graphics), ShowMe (Sun Microsystems).
На сегодняшний день системы настольных видеоконференций, разработанные разными производителями, практически несовместимы друг с другом. Поэтому возникла острая необходимость создания общепринятых стандартов на эти системы.
Организация ITU, о которой речь уже шла ранее, является агентством ООН. В рамках этой организации государственные и частные компании координируют работы по созданию сетей телекоммуникаций и телекоммуникационных услуг. Сектор ITU-T занимается разработкой стандартов для систем видеоконференций, работающих по каналам ISDN. Рекомендация стандарта для систем конференц-связи H.320, предложенная ITU-T, носит название "Narrow-Band Visual Telephone System and Terminal Equipment". Спецификацию H.320 зачастую называют Р*64, где Р — целое число, поскольку она была разработана для каналов ISDN с пропускной способностью, кратной 64 Кбит/c. H.320 представляет из себя набор рекомендаций по использованию стандартов компрессии/декомпрессии аудио- и видеосигнала, а также cинхронизации, мультиплексирования и фрагментирования данных. Рекомендация T.120 ITU-T называется "Transmission Protocols For Multimedia Data". Рекомендация разработана для обмена данными в режиме конференц-связи. Такими данными могут являться изображения и заметки "настенной доски", бинарные файлы и пр.
Рекомендация ITU-T H.324 называется "Multimedia terminal for low bitrate visual telephone services over the GSTN". H.324 определяет стандарты для передачи аудио, видео и данных через модемы V.34 со скоростью 28,8 Кбит/с по аналоговым телефонным линиям общего назначения.
Настольные системы видеоконференц-связи можно использовать для самых разнообразных целей: проведения совещаний территориально рассредоточенных рабочих групп, для дистанционной связи со специалистами, для целей заочного обучения, при трансляции телевизионных программ, проведении брифингов и т.п. Если члены группы, разрабатывающей программный продукт, находятся на значительном расстоянии друг от друга, они могут отказаться от личных встреч и согласовывать свои действия посредством видеоконференций, экономя тем самым время и деньги.
П. 2.2. Выбор метода кодирования - декодирования, описание стандарта кодирования.
Современный рынок требует сокращения производственных циклов, повышения качества поставляемой продукции, сотрудничества между различными фирмами и глобализации их деятельности. Средства связи, их расширенные возможности, играют при этом решающую роль. Наличие быстрой и эффективной связи определяет конкурентоспособность фирмы. Выигрывает тот, кто стартует раньше других, используя самые современные технологии. На данный момент самым широко используемый протоколом, по моему мнению , является стандарт Н.323.
Рассмотрим, что представляет собой рекомендация Н.323.
Рекомендация Международного Телекоммуникационного Объединения (ITU) H.323 - международная спецификация, определяющая взаимодействие компьютеров при передаче аудио- и видео- потоков по сетям intra- или Internet.
Система Intel Internet Phone создана на основе набора коммуникационных средств, предлагаемых стандартом H.323 для работы с Internet. Передача звука при использовании системы Intel Internet Phone осуществляется с помощью кодека G.723, который обеспечивает возможность трансляции очень небольшого звукового потока при сохранении хорошего качества звука.
Основное преимущество коммуникационных программных продуктов, совместимых с H.323, - возможность правильного взаимодействия друг с другом. Смысл введения стандарта H.323 прост - он предлагает протокол, с помощью которого коммуникационные программные продукты, созданные различными производителями, могут работать совместно (то есть взаимодействовать). Компания Intel внесла большой вклад в создание, развитие и распространение технологии H.323.
Совместимые с H.323 приложения и поддерживающая их инфраструктура Internet являются основой нового направления развития коммуникационных возможностей, связанных с использованием ПК. Программное обеспечение, разработанное Intel и другими компаниями на основе стандарта H.323, впервые позволит нам без проблем, с помощью простого нажатия кнопки, осуществлять обмен аудио- и видео- данными.
Технический обзор H.323
Рекомендация H.323 описывает требования к терминалам, другому оборудованию и различным службам, предъявляемые при передаче мультимедиа-потоков по локальной сети с негарантированным качеством соединения. Терминалы, а также другое оборудование, соответствующее требованиям H.323, могут использоваться для передачи голоса, цифровых данных и видеоинформации, а также произвольного сочетания этих потоков (например, для видеотелефонной связи) в реальном масштабе времени.
Локальная сеть, с помощью которой связаны совместимые с H.323 терминалы, может быть простым сегментом, соединением по типу "кольцо" или целым набором сегментов сложной топологии соединений. Необходимо заметить, что сложность структуры сети влияет на производительность H.323-терминалов. К сожалению, рассмотрение способов, с помощью которых можно добиться нужной производительности терминалов при работе со сложными сетями, выходит за рамки рекомендации H.323.
H.323-совместимые терминалы могут быть встроены в персональные компьютеры или выполнены в виде отдельных устройств, например, видеотелефонов. Поддержка обмена звуковыми данными для них обязательна, в то время как возможность передачи цифровой информации и видеоданных является дополнительной. Однако, при использовании режима обмена видеоданными или цифровой информацией для совместной работы требуется поддержка нужного режима всеми устройствами. H.323 дает возможность одновременно передавать данные по нескольким каналам каждого типа. Среди стандартов, связанных с H.323, - рекомендации по сжатию и синхронизации H.225.0, управлению H.245, видеокодированию H.261 и H.263, аудиокодированию G.711, G.722, G.728, G.729 и G.723, а также серия коммуникационных мультимедиа-протоколов T.120.
Стандарт H.323 разработан с учетом Рекомендаций H.245, описывающих последовательность специальных процедур при открытии логического канала передачи информации. Эти процедуры, определяющие содержание логического канала, необходимы для согласования передающего устройства с приемным - таким образом, передатчик будет транслировать только ту информацию, которую способен воспринять приемник. Приемник может потребовать от передатчика ведения обмена данными в нужном ему режиме. Поскольку аналогичные процедуры, описанные стандартом H.245, предлагаются также в Рекомендациях H.310 для ATM-сетей, H.324 для GSTN и V.70, взаимодействие H.323-систем с системами на их основе возможно без преобразования H.242-H.245, как этого потребовали бы системы стандарта H.320.
Терминалы стандарта H.323 могут работать в многоточечных конфигурациях и взаимодействовать с терминалами стандарта H.310 для B-ISDN, стандарта H.320 для N-ISDN, стандарта H.321 для B-ISDN, стандарта H.322 для локальных сетей с гарантированным качеством соединения, стандарта H.324 для GSTN и беспроводных сетей и стандарта V.70 для GSTN.
Для передачи видеоизображения стандарт Н.323 требует использования стандарта Н.261.
Видеопоток стандарта Н.261.
Рекомендация ITU-T Н.261. была разработана для передачи видеоинформации при уровнях битового потока Рх64 Кбит/с, где р - может меняться от1 до 30. Стандарт включает как кодирование отдельных кадров в стиле JPRG, так и использование компенсации движения для устранения временной корреляции между кадрами. Он относится к гибридным системам сжатия в пространственной и временной областях.
Burst bandwidth assumes that the transfer of video occurs only during the active period.
Continuous bandwidth assumes entire frame time is used to transfer active video
Форматы исходных данных CIF QCIF
| Формат | Разрешение | Ширина Полосы Частот | ||
|
Мбайт/сек (1) |
Мбайт/сек (непрерывный) |
|||
| QCIF | 216x156 | 176x144 | 1.69 | 1.27 |
| CIF | 432x312 | 352x288 | 6.74 | 5.07 |
Для того, чтобы обеспечить преобразование данных различных систем телевидения к единому стандарту, был разработан стандарт CIF (общий промежуточный стандарт). Для яркостной компоненты Y разрешение составляет 288 по вертикали и 360 пикселов по горизонтали, из которых не используется по четыре крайних пиксела с каждой стороны для обеспечения кратности 16 Используется цветовая модель - 4:2:0 с серединным расположением пикселов цветности. Для яркости используется разрешение 352х288 ( область значимых пикселов, а для обоих цветоразностных компонентов разрешение - 176х144. Используется также формат QCIF с половинным разрешением.
Частота кадров составляет 29,97 кадров/сек, но может быть и понижена до 10-15 кадров/се. Декодер должен способен рас кодировать поток с пропущенными кадрами , так. Как для увеличения сжатия предусмотрена возможность опускать при кодировании отдельные кадры вместо того, чтобы поддерживать постоянную частоту кадров.
Стандартом предусмотрено разбиение видео потока на четыре уровня:
- уровень кадров ( для CIF-формата - 352х288 пикселов, 396 макроблока, 1584 блока, 12 групп блоков):
код начала кадра ( 20 бит, 0000 0000 0000 0001 0000)
номер кадра в последовательности ( 5 бит)
тип кадра в последовательности ( 6 бит)
дополнительные данные
- уровень группы блоков (GOB) ( 176х48 пикселов, 132 блока. 33 макроблока)
код начала группы ( 16 бит , 0000 0000 0000 0001)
номер группы в кадре ( 4бита)
уровень квантования в группе ( 5 бит)
дополнительные данные
- уровень макроблока ( 16х16 пикселов, , 4 блока)
код адреса макроблока ( код переменной дилны, до11 бит)
код типа макроблока ( код переменной дины)
-уровень квантования маклоблока ( 5 бит)
код вектора движения ( код переменной длины, до 11 бит)
код присутствия данных блоков ( код переменной длины, до 9 бит)
-уровень блока ( 8х8 пикселов)
коэффициенты ДКП ( коды переменной длины, до 13 бит)
СТРУКТУРА СВЕРТКИ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ В ДЕКОДЕРЕ
ПО
СТАНДАРТУ Н.
261
БЛОКМАКРОБЛОК (MB)
ЦВЕТОРАЗНОСТНЫЕ ЯРКОСТНЫЕ
составляющие
КАДРЫ QCIF
ГРУППА БЛОКОВ (GOB) КАДРЫ CIF
Рис. 4.
Алгоритм кодирования.
Стандарт не специализирует конкретных методов сжатия, и поиск наиболее эффективных алгоритмов сжатия является задачей разработчиков кодера. Для передачи CIF изображения по каналу (64 кбит/сек) степень сжатия должна превышать 300:1. В алгоритме кодирования можно выделить следующие этапы:
1.Входной поток подвергается предварительной обработке:
Если исходное изображение передается в виде чересстрочных полей, то из них формируются кадры с прогрессивной разверткой, кадры передискретизиуются до формата CIF или QCIF;
Производится преобразование RGB в YUV
Производится преобразование из формата цветности 4:4:4 в 4:2:0 ( горизонтальная и вертикальная поддискретизация цветоразностных компонентов).
Схема выборки 4:2:2 Схема выборки 4:2:0
- выборка только Y
- выборка Y, Cb, Cr
- выборка
Сb, Cr
Рис. 5.
Эта схема преобразования обычно используется для стандарта Н. 261 .
На рис.5 изображена двумерная 2:1 подвыборка цветоразностных элементов по отношению к элементам яркости. Элементы Cb и Cr не совпадают по расположению с элементами яркости, но представляют информацию о цвете для группы четырех элементов яркости, расположенных по углам