利用衛(wèi)星IP網(wǎng)絡實現(xiàn)外地到演示中心的遠程視頻傳輸設計

引言

TCP／IP是目前應用最廣泛的Internet通信協(xié)議，各種通信媒介都被用來傳輸IP數(shù)據(jù)，由于衛(wèi)星通信具有覆蓋而廣、組網(wǎng)靈活、建網(wǎng)快和不受地理環(huán)境限制等優(yōu)點，因此Internet與衛(wèi)星的聯(lián)姻成為必然。隨著Internet的迅猛發(fā)展和多媒體通信技術的進步，網(wǎng)絡業(yè)務不僅支持文字、語音等慕本業(yè)務，靜態(tài)圖像、動態(tài)圖像、音頻、視頻復合等多媒體業(yè)務的需求也逐漸增多。IP技術是寬帶網(wǎng)絡的骨干技術，基于IP的開發(fā)具有普遍性。而且通過協(xié)議的增強，IP網(wǎng)絡適合作為廣泛的多媒體通信介質。

1 系統(tǒng)構成

整個傳輸系統(tǒng)由遠程現(xiàn)場(外地實驗場地等)和視頻演示中心組成，遠程現(xiàn)場的圖像通過寬帶衛(wèi)星IP網(wǎng)絡傳回視頻演示中心進行顯示，可供監(jiān)控及觀看。其中衛(wèi)星IP網(wǎng)絡可提供單向的2 Mbit／s高速信道，雙向9.6 khit／s低速信道。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 視頻壓縮算法的選擇

由攝像頭或其他視頻采集設備采到的視頻原始信息帶寬很大，一般的傳輸信道很難滿足要求，必須對視頻信息進行壓縮編碼。對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮算法有很多，有的著重速度，有的著重壓縮比。常用的視頻壓縮標準有H.263，M-JPEG，MPEG-1，MPEG-4等。MPEG-4是MPEG(活動圖像專家組)在1999年制定的一個國際標準，名稱為“甚低速率視聽編碼”，是針對低速率(小于640 kbit／s)下的視頻、音頻編碼和交互播放開發(fā)的算法和工具，其顯著特點是基于內容的編碼，更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性、操作性和靈活性。與其他壓縮標準相比，MPEG-4具有節(jié)約存儲空間、占用網(wǎng)絡傳輸帶寬少、錯誤恢復能力強、圖像質量高等優(yōu)點。本方案選擇的視頻壓縮算法就為MPEG-4標準。

3 視頻傳輸協(xié)議

為了保證數(shù)字視頻網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性和圖像的質量，傳輸層協(xié)議的選擇是整個設計和實現(xiàn)的關鍵。Internet在IP層上使用兩種傳輸協(xié)議：一種是TCP(傳輸控制協(xié)議)，它是面向連接的網(wǎng)絡協(xié)議；另一種是UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)，它是無連接的網(wǎng)絡協(xié)議。

TCP／IP最初是為提供非實時數(shù)據(jù)業(yè)務而設計的。IP負責主機之間的數(shù)據(jù)傳輸，不進行檢錯和糾錯。因此，經(jīng)常發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或失序現(xiàn)象。為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，人們將TCP用于IP數(shù)據(jù)的傳輸，以提高接收端的檢錯和糾錯能力。當檢測到數(shù)據(jù)包丟失或錯誤時，就會要求發(fā)送端重新發(fā)送，這樣就不可避免地引起了傳輸延時和耗用網(wǎng)絡的帶寬。鑒于TCP本身的重傳機制、擁塞控制機制、報頭長且不提供時間戳及啟動速度慢等特點，用傳統(tǒng)的TCP／IP實現(xiàn)實時傳輸視頻數(shù)據(jù)是不適合的。為了實現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸，需要尋求其他途徑。

本方案的視頻網(wǎng)絡傳輸協(xié)議結構如圖2所示。

從圖2可以看出，整個系統(tǒng)的通信功能建立在IP協(xié)議上。網(wǎng)絡層使用IP，為了實現(xiàn)通信，在網(wǎng)絡層之上分為連接控制和媒體數(shù)據(jù)傳輸兩大部分。為了使通信過程的建立更加可靠，連接控制部分使用TCP提供可靠的分組遞交，而媒體傳輸部分則使用UDP協(xié)議。

媒體數(shù)據(jù)傳輸部分使用UDP的理由是：TCP不適合網(wǎng)絡多媒體的實時傳輸；使用UDP不必與對方建立連接，因此在多點通信時不必管理過多的連接。

但是，由于UDP沒有差錯控制，屬于不可靠的分組遞交，這就意味著可能會丟包，由于雙方?jīng)]有建立連接，所以發(fā)放無法知道對方的接收情況?？赡苡捎诎l(fā)送過快，導致網(wǎng)絡堵塞，因而大量的數(shù)據(jù)包被延誤或丟失，或者對方根本就沒有收到任何數(shù)據(jù)包。為了避免這種情況，最好對方能夠向發(fā)送方發(fā)送一個反饋信息以報告其接收情況，必要時發(fā)送方要調整其數(shù)據(jù)處理方法或發(fā)送速率。例如，當發(fā)送方認為數(shù)據(jù)發(fā)送得太快，它可以調整圖像壓縮器的參數(shù)，以較大的量化誤差來降低圖像數(shù)據(jù)的速度。RTP(實時傳輸協(xié)議)和RTCP(實時傳輸控制協(xié)議)是IETF(Internet Engineer-ing Task Force)為實現(xiàn)上述目的而定義的兩個協(xié)議。所有的實時媒體數(shù)據(jù)都使用RTP協(xié)議進行傳輸，RTCP協(xié)議提供接收方向發(fā)送方反饋信息的功能，它們都是基于UDP的。

RTP／RTCP是一種應用型的傳輸層協(xié)議，并不提供任何傳輸可靠性的保證和流量的擁塞控制機制。它是由IETF為音視頻的實時傳輸而設計的傳輸協(xié)議。RTP位于UDP之上，在功能上獨立于下面的傳輸層(UDP)和網(wǎng)絡層，但不能單獨作為一個層次存在，通常是利用低層的UDP對實時音視頻數(shù)據(jù)進行多播或單播，從而實現(xiàn)多點或單點音視頻數(shù)據(jù)的傳輸。一般是在UDP數(shù)據(jù)包之前建立一個RTP包頭，其中包含一些保證數(shù)據(jù)實時連續(xù)性的信息(如序列號、時間戳等)；提供時間信息和流同步。RTP本身不提供流量控制和擁塞控制功能。它靠一個專門的RTCP來實現(xiàn)。RTCP周期性地統(tǒng)計數(shù)據(jù)包傳輸時的丟失情況等信息，服務器根據(jù)這些反饋信息來制定流量控制的策略。改變傳輸碼率甚至負載類型，大大提高了實時數(shù)據(jù)的傳輸性能。

UDP是一種無連接的數(shù)據(jù)報投遞服務，雖然沒有TCP那么可靠，并且無法保證實時音視頻傳輸業(yè)務的QoS(服務質量)，需要RTCP實時監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸和Qos，但是，由于UDP的傳輸延時低于TCP服務質量，能與音頻和視頻流很好地匹配。因此，在實際應用中，RTP／RTCP／UDP用于音視頻媒體，而TCP用于數(shù)據(jù)和控制信令的傳輸。

4 衛(wèi)星IP網(wǎng)絡的構成

利用TCP／IP協(xié)議，通過衛(wèi)星網(wǎng)與IP網(wǎng)的結合實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，已成為衛(wèi)星通信中的一個重要研究領域。但由于衛(wèi)星網(wǎng)絡固有的一些特性，如長延時、高誤碼率、網(wǎng)絡不對稱性，都影響了TCP在高速數(shù)據(jù)傳輸中的性能。為提高衛(wèi)星TCP的性能，人們提出了許多有效的解決方案，這些方案針對長延時、高誤碼率、網(wǎng)絡不對稱性帶來的不同影響，通過修改流量控制窗口以及改進擁塞控制算法，實現(xiàn)了衛(wèi)星TCP的高效傳輸。

衛(wèi)星IP傳輸比較典型的一種解決方案是協(xié)議網(wǎng)關。協(xié)議網(wǎng)關的工作原理是采用TCP欺騙技術與TCP分段技術，分割端到端的TCP連接，用最適合衛(wèi)星環(huán)境的一種協(xié)議取代衛(wèi)星鏈路上的TCP。見圖3。

網(wǎng)關1和網(wǎng)關2把端到端的TCP連接分為3段獨立的連接，而TCP源端認為它仍與TCP目的端直接連接，然而實際上是由網(wǎng)關完成了協(xié)議轉換。在圖3中，TCP Reno指擴展TCP，它包括慢啟動、擁塞避免、快速重發(fā)、快速恢復、支持大窗口及延遲的ACK(確認)。在網(wǎng)關中，數(shù)據(jù)從TCP Reno轉換成DLP(數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議)或是從DLP轉換成TCP Reno。這種結構的主要優(yōu)點是通過分割端到端的連接，可在衛(wèi)星鏈路上采用最適合于衛(wèi)星條件的協(xié)議，而在地面段繼續(xù)使用TCP。這樣，在對最終用戶保持完全透明的同時，提供了更好的性能?？蛻魴C或服務器不需做任何修改，所有的應用也無需改變而繼續(xù)有效。TCP避免擁塞控制機制在地面連接中仍然有效，以保護Internet的穩(wěn)定性。因此，目前新推出的衛(wèi)星Internet系統(tǒng)幾乎都是基于協(xié)議網(wǎng)關技術的。切斷TCP連接帶來的不利足TCP層端到端的語法被破壞，網(wǎng)關處需設置大容量的緩存以保存未被接收方確認的數(shù)據(jù)，而且由于對每個TCP連接都要進行控制，因此，網(wǎng)關需要強大的處理能力。

網(wǎng)關協(xié)議轉換具體協(xié)議框架如圖4所示。

系統(tǒng)中通信雙方采用非透明傳輸方式，網(wǎng)關將TCP連接分段。站A和站B之間要通信的網(wǎng)絡終端之間不直接建立TCP連接，而是與本地的衛(wèi)星網(wǎng)關建立TCP連接，發(fā)送端(站A的網(wǎng)絡終端)先將數(shù)據(jù)發(fā)到本地的衛(wèi)星網(wǎng)關，本地衛(wèi)星網(wǎng)關在以特定的協(xié)議將數(shù)據(jù)傳遞到站B的衛(wèi)星網(wǎng)關，此衛(wèi)星網(wǎng)關再將數(shù)據(jù)通過TCP發(fā)送給接收終端。通信過程包括以下幾個階段：建立TCP連接、接收TCP數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的緩存、數(shù)據(jù)的拆分、可靠UDP傳輸、數(shù)據(jù)的組裝、發(fā)送TCP數(shù)據(jù)、發(fā)送重傳請求和重傳數(shù)據(jù)。

傳輸過程中，衛(wèi)星鏈路中信息的傳遞通過可靠UDP實現(xiàn)，它是在標準UDP基礎上，通過網(wǎng)關的協(xié)議轉換模塊為其增加應答控制、重傳算法和流量控制等功能，在保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)耐瑫r保證數(shù)據(jù)正確性的。可靠UDP在應用層實現(xiàn)，所以不用修改操作系統(tǒng)的協(xié)議內核，因此協(xié)議代碼容易編寫，移植性強；應答控制、重傳算法和流量控制等功能可以根據(jù)需要，靈活定制?？煽縐DP的基本構成如圖5所示。

5 視頻傳輸?shù)能浖崿F(xiàn)

Winsock(Windows Sockets)是微軟WOSA(窗口系統(tǒng)結構)的一部分，基于UNIX系統(tǒng)上BSD(BerkeleySoftware Distribution)版本的套接字，并且為Windows系統(tǒng)進行了專門的擴展，是目前Windows環(huán)境下應用最廣泛、開放式、支持多種協(xié)議的網(wǎng)絡編程接口。

最初，WINSOCK1.1版是專門為Internet設計的，現(xiàn)在的WINSOCK 2.x版已經(jīng)不再局限于Internet和TCP／IP，它通過提供擴展的SPI編程接口，把自己的應用范圍擴大到現(xiàn)存的和正在出現(xiàn)的各種網(wǎng)絡和協(xié)議，其中包括PSTN(公共電話交換網(wǎng))、ISDN(綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng))、無線網(wǎng)、所有的局域網(wǎng)協(xié)議以及ATM(異步傳輸模式)等，并且允許應用程序對所建立連接的可靠性、冗余度和帶寬進行控制。Windows Sockets規(guī)范、定義并記錄了如何使用WINSOCK API與Internet協(xié)議族(IPS，包含IP、ICMP、TCP和UDP等4種不同的協(xié)議)連接。尤其要指出的是，所有Windows Sockets實現(xiàn)都支持流式套接字(stream Socket)和數(shù)據(jù)報套接字(Datagram Socket)。

流式套接字是面向連接的，采用的是TCP，提供了雙向、有序、無重復并且無報文邊界的數(shù)據(jù)流服務，在這種方式下，兩個相互通信的應用程序之間首先需要建立一種虛擬的連接。流式套接字的特點是：通信可靠，對資料有校驗和重發(fā)機制，通常用于數(shù)據(jù)文件的傳輸，如ftp、telnet等，適合于大量資料的傳輸。

數(shù)據(jù)報套接字是面向無連接的，采用的是UDP，建立在IP之上，提供無連接的數(shù)據(jù)報傳輸，支持雙向的數(shù)據(jù)流，但并不保證數(shù)據(jù)的可靠、有序和無重復。也就是說，在一個從數(shù)據(jù)報套接字接收信息的進程中有可能發(fā)現(xiàn)信息重復了，或者與發(fā)出時的數(shù)據(jù)順序有所不同。數(shù)據(jù)報套接字的另一個重要特點是它保留了記錄邊界，對于這一特點，數(shù)據(jù)報套接字采用了與現(xiàn)在許多包交換網(wǎng)絡(例如以太網(wǎng)等)非常類似的模型。數(shù)據(jù)報文方式由于取消了校驗、重發(fā)機制，能夠達到較高的通信速率，可以用做一些對數(shù)據(jù)可靠性要求不高而對數(shù)據(jù)實時性要求較高的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信，如實時語音和視頻傳送、消息廣播等。

本方案中的視頻數(shù)據(jù)接收播放模塊需建立控制通道和數(shù)據(jù)通道兩個通信通道?？刂仆ǖ烙脕碓诜斩撕涂蛻舳酥g建立會話，包括發(fā)送一些數(shù)據(jù)請求和確認控制等信息。控制信道采用可靠性較高的TCP，可用流式套接字來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)通道用來傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)，選用UDP，可用數(shù)據(jù)報套接字來實現(xiàn)。選用Win-dows線程技術實現(xiàn)接收端播放視頻信息。視頻流的解碼和播放通過調用DirectShow SDK實現(xiàn)。

6 結束語

本方案利用衛(wèi)星IP網(wǎng)絡實現(xiàn)了外地到演示中心的遠程視頻傳輸，實驗結果顯示，視頻傳輸流暢，圖像清晰，滿足了實際需要。