TCP/IP協(xié)議及發(fā)展和IP視頻傳輸特點

1 TCP/IP協(xié)議

　　TCP/IP是一組完整的數(shù)據(jù)協(xié)議集，得名于兩個最重要的協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol .縮寫TCP）和網(wǎng)絡協(xié)議（Internet Protocol.縮寫IP）。目前TCP/IP協(xié)議已成為占主導地位的通訊協(xié)議，它能使各種業(yè)務在不同的網(wǎng)上實現(xiàn)互聯(lián)互通，從技術上為網(wǎng)絡融合奠定了基礎。它之所以能夠獲得如此成就，是因為它具有如下的特點： 開放的協(xié)議標準，可以獨立于特定計算機和操作系統(tǒng)的開放方式。 獨立于特定的物理網(wǎng)絡硬件，可以運行在多種網(wǎng)絡傳輸介質上。

　　共同的地址規(guī)劃方案使得整個網(wǎng)絡中的任何TCP/IP設備都具有一個唯一的地址。 標準化的高層協(xié)議提供了多種可靠的用戶服務。

2 IP技術的發(fā)展

　　TCP/IP是Internet網(wǎng)絡中的重要的技術基礎。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)絡發(fā)展成為能夠在世界范圍內共享和發(fā)送信息的分布式文件系統(tǒng)，其利用價值飛速提高，TCP/IP協(xié)議也因此得到廣泛應用。特別是1993年因特網(wǎng)商業(yè)化后，網(wǎng)絡規(guī)模平均以半年翻一番的速度發(fā)展，使人們認識到應該在網(wǎng)絡層用網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議實現(xiàn)不同種類網(wǎng)絡的互聯(lián)，形成一個獨立于網(wǎng)絡基礎設施的平臺，這就是IP網(wǎng)。普通IP網(wǎng)傳送實時業(yè)務不能保證服務質量，因此，寬帶IP網(wǎng)應運而生。隨著一些關鍵術如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?shù)姆召|量，可以實現(xiàn)無縫連接多種不同網(wǎng)絡的綜合業(yè)務網(wǎng)。寬帶IP網(wǎng)為開拓新的寬帶數(shù)據(jù)通信和寬帶交互式媒體新業(yè)務提供了平臺。IP網(wǎng)絡對多媒體通信的需求也在日溢膨脹。為此，國際電聯(lián)（ITU）制定了H.323標準，使得在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡上進行視頻傳輸成為可能。 以TCP/IP協(xié)議為基礎的寬帶IP網(wǎng)必將融合三大網(wǎng)絡即：有線電視網(wǎng)、電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)的先進技術和網(wǎng)絡資源，成為未來信息公路的主流。 　　

3 IP視頻傳輸

　　3．1 網(wǎng)絡多媒體的應用要求 　

　　因為多媒體信號是交互的互動的，它對網(wǎng)絡提出了以下的應用要求：

　?。?） 吞吐(throughtput)的要求，是指對高傳輸帶寬，大存儲緩沖帶寬的要求，和對流量的控制。
　?。?） 可靠性的要求：在這里對可靠性的要求不是重點。適當?shù)臄?shù)據(jù)丟失不會過多影響視頻播出的實際效果。
　?。?） 網(wǎng)絡延時要求：對網(wǎng)絡延時，抖動要求較高，因為多媒體視頻流對網(wǎng)絡傳輸延時和抖動比較敏感。如傳輸?shù)囊曨l信號與音頻信號必須同步等。

　　3．2 IP組播

　　IP組播，英語原文IP Multicast ，也可譯為“成組通信”。1999年IP組播具有了發(fā)展的三個關鍵條件：①支持IP組播的路由協(xié)議；②使用開放標準的可測試管理協(xié)議；③發(fā)展的商業(yè)機遇。從而使其進入高速發(fā)展階段。 IPv4定義了3種IP數(shù)據(jù)通信方式：①點點通信；②全網(wǎng)廣播；③組播。點點通信是指兩個IP地址間進行的數(shù)據(jù)通信；全網(wǎng)廣播是指在IP子網(wǎng)內向所有網(wǎng)內IP地址以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，所有子網(wǎng)內的IP站都能收到全網(wǎng)廣播；組播是指在IP網(wǎng)上對一組特定IP地址進行數(shù)據(jù)傳送，是居于以上①與②之間的通信方式。 對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：某個IP站點向IP網(wǎng)多個站點發(fā)送數(shù)據(jù)時，可減少不必要的重疊發(fā)送，可有效地利用網(wǎng)絡的帶寬，可減少網(wǎng)絡延時與抖動。IP成組通信的可靠性較之①、②方式差些。

　　3．3 IP視頻應用要求

　　因為網(wǎng)上信息的交互性和互動性，使網(wǎng)絡中的信息傳輸量日益劇增，網(wǎng)絡傳輸?shù)钠繌絾栴}是突出的！在多媒體應用中，視頻傳輸帶來的網(wǎng)絡帶寬問題更突出些。當n個IP地址同時接收網(wǎng)絡多媒體視頻流時，設每個視頻流所需傳輸帶寬為1.5M，按現(xiàn)在網(wǎng)絡結構，所需帶寬為n*1.5M，同時會帶來無法忍受的網(wǎng)絡延時和抖動?，F(xiàn)有的大部分網(wǎng)絡多是使用TCP/IP點到點的協(xié)議構置，因此我們研究的重點是如何在現(xiàn)有網(wǎng)絡條件下不作過多的改變來實現(xiàn)視頻的傳輸，即IP組播解決方案要與現(xiàn)有網(wǎng)絡兼容。 如前所述：多媒體視頻流對數(shù)據(jù)可靠性要求不高，適當?shù)臄?shù)據(jù)丟失不會過多影響視頻播出的實際效果。雖然多媒體視頻流對網(wǎng)絡傳輸延時和抖動比較敏感，而IP組播在網(wǎng)絡中延時與抖動是很少的。所以用IP成組通信來傳輸IP視頻信號是可行的。

4 用IP組播實現(xiàn)視頻傳輸?shù)囊环N方法和它的特點

　　目前在IP網(wǎng)上提供視頻服務的方式主要有兩種:

　　1)完全利用路由器的Multicast技術，不需另加服務器轉發(fā)，但會增加路由器負擔，有“廣播風暴”危險，網(wǎng)絡路由協(xié)議也需調整。
　　2）利用軟件和服務器，在整個IP寬帶網(wǎng)上迭加一個處理流媒體的迭加網(wǎng)，由迭加網(wǎng)實現(xiàn)點到多點組播、媒體流路由和多點注入等功能。 我們所用的視頻服務方式為2)方案。具體的說就是：計算機配合專用軟件組成服務器，實現(xiàn)實時控制。控制的目是：對于多媒體視頻服務器端，必須具有最大效率發(fā)送機制，也就是說，系統(tǒng)能夠最大限度地在最短時間內響應和滿足從多媒體視頻接收端送來的視頻請求，一次完成指向需求用戶所有地址的數(shù)據(jù)發(fā)送，計算機實時控制系統(tǒng)隨時監(jiān)控視頻傳輸?shù)馁|量，同時自動調整帶寬等。當然傳輸方法的實現(xiàn)能與目前的網(wǎng)絡設施兼容。　　
　　以上方案實施過程中，計算機（服務器）時刻監(jiān)控著系統(tǒng)，達到盡可能好的廣播質量和高效率，絕不用發(fā)生辟如“廣播風暴” 等危險。 根據(jù)以上要求我們設計了如下系統(tǒng)，它由四部分組成它們是：視頻發(fā)送、視頻轉發(fā)、視頻接收、視頻控制。以下具體說明各部份的功能：

　?、?視頻發(fā)送 　　

　　視頻發(fā)送為預制視頻或者稱為實時視頻，它可以是獨立的計算機，也可以與第一級“視頻轉發(fā)”單元共用一臺計算機。具體地說，我們先將視頻按MPEG－1 編碼技術進行實時視頻壓縮，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 編碼技術進行實時視頻壓縮，因為通過它壓縮后的視頻信號質量令人滿意，而數(shù)碼率帶寬相對比較窄，有利于IP組播。（當然也可以用其它編碼技術）。然后我們將壓縮后的訊號送到視頻轉發(fā)端。訊號從視頻發(fā)送連接到視頻轉發(fā)是點到點的傳輸（此單元屬于IPv4的通信方式①）。

　　②視頻轉發(fā)

　　視頻轉發(fā)主要作用，是將從視頻發(fā)送端發(fā)送來的視頻信號，通過IP網(wǎng)絡轉發(fā)給視頻接收端或下一級的視頻轉發(fā)端。它是IP組播傳輸視頻信號的核心，視頻信號用IP組播方式轉發(fā)，即對一組特定IP地址（同一類請求的用戶）進行數(shù)據(jù)傳送。視頻轉發(fā)，由轉發(fā)計算機（服務器）完成。

　　③視頻接收

　　視頻接收是用戶的多媒體終端。當然要求用戶的多媒體終端設備，須能支持IP組播。

　?、芤曨l控制

　　其主要功能是對轉發(fā)站點進行控制，用來建立和管理轉發(fā)站點上的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，同時密切注意視頻傳輸?shù)馁|量。具體的說就是，要盡可能多地為同類請求用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，但要在允許的帶寬范圍之內。這個帶寬，是通過計算機實時控制的，計算機實時控制系統(tǒng)隨時監(jiān)控視頻傳輸?shù)馁|量，自動調整帶寬；同時對網(wǎng)絡其它各項參數(shù)也實現(xiàn)實時監(jiān)控。可見視頻控制，實質上也就是計算機的實時控制。計算機實時控制的好環(huán)真接決定了IP組播效果。 　

　　此方案的關鍵技術是合理的視頻轉發(fā)，尋求最大的效益，又有滿意的傳輸質量。此方案的實現(xiàn)，得益于計算機的實時控制技術。 我們用此方法在100MEthernetLAN網(wǎng)絡，實現(xiàn)實時網(wǎng)絡IP組播視頻傳輸?shù)脑嚥?，傳輸MPEG－1視頻信號（每個視頻流帶寬1.5M），視頻信號傳輸效果良好。證明以上方案是可行的。