TCP/IP协议和IP组播的视频传输

TCP/IP协议和IP组播的视频传输

1 TCP／IP协议

TCP／IP是一组完整的数据协议集，得名于两个最重要的协议：传输控制协议（Transmission Control Protocol .缩写TCP）和网络协议（Internet Protocol.缩写IP）。

目前TCP／IP协议已成为占主导地位的通讯协议，它能使各种业务在不同的网上实现互联互通，从技术上为网络融合奠定了基础。它之所以能够获得如此成就，是因为它具有如下的特点： 开放的协议标准，可以独立于特定计算机和操作系统的开放方式。 独立于特定的物理网络硬件，可以运行在多种网络传输介质上。

共同的地址规划方案使得整个网络中的任何TCP／IP设备都具有一个唯一的地址。 标准化的高层协议提供了多种可靠的用户服务。

2 IP技术的发展

TCP／IP是Internet网络中的重要的技术基础。1989年WWW的出现，使Internet发生了根本的变化，使其从单纯的数据通信网络发展成为能够在世界范围内共享和发送信息的分布式文件系统，其利用价值飞速提高，TCP／IP协议也因此得到广泛应用。特别是1993年因特网商业化后，网络规模平均以半年翻一番的速度发展，使人们认识到应该在网络层用网络互联协议实现不同种类网络的互联，形成一个独立于网络基础设施的平台，这就是IP网。普通IP网传送实时业务不能保证服务质量，因此，宽带IP网应运而生。随着一些关键术如IP Over DWDM, MPLS流量工程等出现。它可以提供能够和ATM网相当的服务质量，可以实现无缝连接多种不同网络的综合业务网。宽带IP网为开拓新的宽带数据通信和宽带交互式媒体新业务提供了平台。IP网络对多媒体通信的需求也在日溢膨胀。为此，国际电联（ITU）制定了H.323标准，使得在现有通信网络上进行视频传输成为可能。 以TCP／IP协议为基础的宽带IP网必将融合三大网络即：有线电视网、电信网、计算机网的先进技术和网络资源，成为未来信息公路的主流。

3 IP视频传输

3．1 网络多媒体的应用要求

因为多媒体信号是交互的互动的，它对网络提出了以下的应用要求：

（1） 吞吐(throughtput)的要求，是指对高传输带宽，大存储缓冲带宽的要求，和对流量的控制。

（2） 可靠性的要求：在这里对可靠性的要求不是重点。适当的数据丢失不会过多影响视频播出的实际效果。

（3） 网络延时要求：对网络延时，抖动要求较高，因为多媒体视频流对网络传输延时和抖动比较敏感。如传输的视频信号与音频信号必须同步等。

3．2 IP组播

IP组播，英语原文IP Multicast ，也可译为“成组通信”。1999年IP组播具有了发展的三个关键条件：①支持IP组播的路由协议；②使用开放标准的可测试管理协议；③发展的商业机遇。从而使其进入高速发展阶段。 IPv4定义了3种IP数据通信方式：①点点通信；②全网广播；③组播。点点通信是指两个IP地址间进行的数据通信；全网广播是指在IP子网内向所有网内IP地址以广播的方式发送数据包，所有子网内的IP站都能收到全网广播；组播是指在IP网上对一组特定IP地址进行数据传送，是居于以上①与②之间的通信方式。 对IPv4定义的3种数据通信方式比较我们发现，IP组播具有明显区别于①、②方式的特点：某个IP站点向IP网多个站点发送数据时，可减少不必要的重叠发送，可有效地利用网络的带宽，可减少网络延时与抖动。IP成组通信的可靠性较之①、②方式差些。

3．3 IP视频应用要求

因为网上信息的交互性和互动性，使网络中的信息传输量日益剧增，网络传输的瓶径问题是突出的！在多媒体应用中，视频传输带来的网络带宽问题更突出些。当n个IP地址同时接收网络多媒体视频流时，设每个视频流所需传输带宽为1.5M，按现在网络结构，所需带宽为n*1.5M，同时会带来无法忍受的网络延时和抖动。现有的大部分网络多是使用TCP／IP点到点的协议构置，因此我们研究的重点是如何在现有网络条件下不作过多的改变来实现视频的传输，即IP组播解决方案要与现有网络兼容。 如前所述：多媒体视频流对数据可靠性要求不高，适当的数据丢失不会过多影响视频播出的实际效果。虽然多媒体视频流对网络传输延时和抖动比较敏感，而IP组播在网络中延时与抖动是很少的。所以用IP成组通信来传输IP视频信号是可行的。

4 用IP组播实现视频传输的一种方法和它的特点

目前在IP网上提供视频服务的方式主要有两种:

1)完全利用路由器的Multicast技术，不需另加服务器转发，但会增加路由器负担，有“广播风暴”危险，网络路由协议也需调整。

2）利用软件和服务器，在整个IP宽带网上迭加一个处理流媒体的迭加网，由迭加网实现点到多点组播、媒体流路由和多点注入等功能。 我们所用的视频服务方式为2)方案。具体的说就是：计算机配合专用软件组成服务器，实现实时控制。控制的目是：对于多媒体视频服务器端，必须具有最大效率发送机制，也就是说，系统能够最大限度地在最短时间内响应和满足从多媒体视频接收端送来的视频请求，一次完成指向需求用户所有地址的数据发送，计算机实时控制系统随时监控视频传输的质量，同时自动调整带宽等。当然传输方法的实现能与目前的网络设施兼容。

以上方案实施过程中，计算机（服务器）时刻监控着系统，达到尽可能好的广播质量和高效率，绝不用发生辟如“广播风暴” 等危险。 根据以上要求我们设计了如下系统，它由四部分组成它们是：视频发送、视频转发、视频接收、视频控制。以下具体说明各部份的功能：

① 视频发送

视频发送为预制视频或者称为实时视频，它可以是独立的计算机，也可以与第一级“视频转发”单元共用一台计算机。具体地说，我们先将视频按MPEG－1 编码技术进行实时视频压缩，此格式的数码率为1.5Mbit/s，图象采用SIF格式（352х288），每秒30帧，两路立体声伴音。之所以按MPEG－1 编码技术进行实时视频压缩，因为通过它压缩后的视频信号质量令人满意，而数码率带宽相对比较窄，有利于IP组播。（当然也可以用其它编码技术）。然后我们将压缩后的讯号送到视频转发端。讯号从视频发送连接到视频转发是点到点的传输（此单元属于IPv4的通信方式①）。

②视频转发

视频转发主要作用，是将从视频发送端发送来的视频信号，通过IP网络转发给视频接收端或下一级的视频转发端。它是IP组播传输视频信号的核心，视频信号用IP组播方式转发，即对一组特定IP地址（同一类请求的用户）进行数据传送。视频转发，由转发计算机（服务器）完成。

③视频接收

视频接收是用户的多媒体终端。当然要求用户的多媒体终端设备，须能支持IP组播。

④视频控制

其主要功能是对转发站点进行控制，用来建立和管理转发站点上的IP组播数据组的传输。控制系统要最大限度地满足，完成指向需求用户的数据发送，同时密切注意视频传输的质量。具体的说就是，要尽可能多地为同类请求用户发送数据，但要在允许的带宽范围之内。这个带宽，是通过计算机实时控制的，计算机实时控制系统随时监控视频传输的质量，自动调整带宽；同时对网络其它各项参数也实现实时监控。可见视频控制，实质上也就是计算机的实时控制。计算机实时控制的好环真接决定了IP组播效果。

此方案的关键技术是合理的视频转发，寻求最大的效益，又有满意的传输质量。此方案的实现，得益于计算机的实时控制技术。 我们用此方法在100MEthernetLAN网络，实现实时网络IP组播视频传输的试播，传输MPEG－1视频信号（每个视频流带宽1.5M），视频信号传输效果良好。证明以上方案是可行的。 5 结束语 以上设计方案兼容现有网络，有满意的效果，具有推广应用价值。