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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(lái)傳輸IP數據，由于衛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(diǎn)，因此Internet與衛星的聯(lián)姻成為必然。隨著(zhù)Internet的迅猛發(fā)展和多媒體通信技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)不僅支持文字、語(yǔ)音等慕本業(yè)務(wù)，靜態(tài)圖像、動(dòng)態(tài)圖像、音頻、視頻復合等多媒體業(yè)務(wù)的需求也逐漸增多。IP技術(shù)是寬帶網(wǎng)絡(luò )的骨干技術(shù)，基于IP的開(kāi)發(fā)具有普遍性。而且通過(guò)協(xié)議的增強，IP網(wǎng)絡(luò )適合作為廣泛的多媒體通信介質(zhì)。 1 系統構成 整個(gè)傳輸系統由遠程現場(chǎng)(外地實(shí)驗場(chǎng)地等)和視頻演示中心組成，遠程現場(chǎng)的圖像通過(guò)寬帶衛星IP網(wǎng)絡(luò )傳回視頻演示中心進(jìn)行顯示，可供監控及觀(guān)看。其中衛星IP網(wǎng)絡(luò )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(mǎn)足要求，必須對視頻信息進(jìn)行壓縮編碼。對視頻數據進(jìn)行壓縮算法有很多，有的著(zhù)重速度，有的著(zhù)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(dòng)圖像專(zhuān)家組)在1999年制定的一個(gè)國際標準，名稱(chēng)為“甚低速率視聽(tīng)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(kāi)發(fā)的算法和工具，其顯著(zhù)特點(diǎn)是基于內容的編碼，更加注重多媒體系統的交互性、操作性和靈活性。與其他壓縮標準相比，MPEG-4具有節約存儲空間、占用網(wǎng)絡(luò )傳輸帶寬少、錯誤恢復能力強、圖像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。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 為了保證數字視頻網(wǎng)絡(luò )傳輸的實(shí)時(shí)性和圖像的質(zhì)量，傳輸層協(xié)議的選擇是整個(gè)設計和實(shí)現的關(guān)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(luò )協(xié)議；另一種是UDP(用戶(hù)數據報協(xié)議)，它是無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。 TCP／IP最初是為提供非實(shí)時(shí)數據業(yè)務(wù)而設計的。IP負責主機之間的數據傳輸，不進(jìn)行檢錯和糾錯。因此，經(jīng)常發(fā)生數據丟失或失序現象。為保證數據的可靠傳輸，人們將TCP用于IP數據的傳輸，以提高接收端的檢錯和糾錯能力。當檢測到數據包丟失或錯誤時(shí)，就會(huì )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(shí)和耗用網(wǎng)絡(luò )的帶寬。鑒于TCP本身的重傳機制、擁塞控制機制、報頭長(cháng)且不提供時(shí)間戳及啟動(dòng)速度慢等特點(diǎn)，用傳統的TCP／IP實(shí)現實(shí)時(shí)傳輸視頻數據是不適合的。為了實(shí)現音視頻數據的實(shí)時(shí)傳輸，需要尋求其他途徑。 本方案的視頻網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議結構如圖2所示。 從圖2可以看出，整個(gè)系統的通信功能建立在IP協(xié)議上。網(wǎng)絡(luò )層使用IP，為了實(shí)現通信，在網(wǎng)絡(luò )層之上分為連接控制和媒體數據傳輸兩大部分。為了使通信過(guò)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。 媒體數據傳輸部分使用UDP的理由是：TCP不適合網(wǎng)絡(luò )多媒體的實(shí)時(shí)傳輸；使用UDP不必與對方建立連接，因此在多點(diǎn)通信時(shí)不必管理過(guò)多的連接。 但是，由于UDP沒(méi)有差錯控制，屬于不可靠的分組遞交，這就意味著(zhù)可能會(huì )丟包，由于雙方?jīng)]有建立連接，所以發(fā)放無(wú)法知道對方的接收情況�？赡苡捎诎l(fā)送過(guò)快，導致網(wǎng)絡(luò )堵塞，因而大量的數據包被延誤或丟失，或者對方根本就沒(méi)有收到任何數據包。為了避免這種情況，最好對方能夠向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)反饋信息以報告其接收情況，必要時(shí)發(fā)送方要調整其數據處理方法或發(fā)送速率。例如，當發(fā)送方認為數據發(fā)送得太快，它可以調整圖像壓縮器的參數，以較大的量化誤差來(lái)降低圖像數據的速度。RTP(實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議)和RTCP(實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議)是IETF(Internet Engineer-ing Task Force)為實(shí)現上述目的而定義的兩個(gè)協(xié)議。所有的實(shí)時(shí)媒體數據都使用RTP協(xié)議進(jìn)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(shí)時(shí)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(luò )層，但不能單獨作為一個(gè)層次存在，通常是利用低層的UDP對實(shí)時(shí)音視頻數據進(jìn)行多播或單播，從而實(shí)現多點(diǎn)或單點(diǎn)音視頻數據的傳輸。一般是在UDP數據包之前建立一個(gè)RTP包頭，其中包含一些保證數據實(shí)時(shí)連續性的信息(如序列號、時(shí)間戳等)；提供時(shí)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(gè)專(zhuān)門(mén)的RTCP來(lái)實(shí)現。RTCP周期性地統計數據包傳輸時(shí)的丟失情況等信息，服務(wù)器根據這些反饋信息來(lái)制定流量控制的策略。改變傳輸碼率甚至負載類(lèi)型，大大提高了實(shí)時(shí)數據的傳輸性能。 UDP是一種無(wú)連接的數據報投遞服務(wù)，雖然沒(méi)有TCP那么可靠，并且無(wú)法保證實(shí)時(shí)音視頻傳輸業(yè)務(wù)的QoS(服務(wù)質(zhì)量)，需要RTCP實(shí)時(shí)監控數據傳輸和Qos，但是，由于UDP的傳輸延時(shí)低于TCP服務(wù)質(zhì)量，能與音頻和視頻流很好地匹配。因此，在實(shí)際應用中，RTP／RTCP／UDP用于音視頻媒體，而TCP用于數據和控制信令的傳輸。 4 衛星IP網(wǎng)絡(luò )的構成 利用TCP／IP協(xié)議，通過(guò)衛星網(wǎng)與IP網(wǎng)的結合實(shí)現數據傳輸，已成為衛星通信中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。但由于衛星網(wǎng)絡(luò )固有的一些特性，如長(cháng)延時(shí)、高誤碼率、網(wǎng)絡(luò )不對稱(chēng)性，都影響了TCP在高速數據傳輸中的性能。為提高衛星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(cháng)延時(shí)、高誤碼率、網(wǎng)絡(luò )不對稱(chēng)性帶來(lái)的不同影響，通過(guò)修改流量控制窗口以及改進(jìn)擁塞控制算法，實(shí)現了衛星TCP的高效傳輸。 衛星IP傳輸比較典型的一種解決方案是協(xié)議網(wǎng)關(guān)。協(xié)議網(wǎng)關(guān)的工作原理是采用TCP欺騙技術(shù)與TCP分段技術(shù)，分割端到端的TCP連接，用最適合衛星環(huán)境的一種協(xié)議取代衛星鏈路上的TCP。見(jiàn)圖3。 網(wǎng)關(guān)1和網(wǎng)關(guān)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(shí)際上是由網(wǎng)關(guān)完成了協(xié)議轉換。在圖3中，TCP Reno指擴展TCP，它包括慢啟動(dòng)、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(guān)中，數據從TCP Reno轉換成DLP(數據鏈路協(xié)議)或是從DLP轉換成TCP Reno。這種結構的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)分割端到端的連接，可在衛星鏈路上采用最適合于衛星條件的協(xié)議，而在地面段繼續使用TCP。這樣，在對最終用戶(hù)保持完全透明的同時(shí)，提供了更好的性能�？蛻�(hù)機或服務(wù)器不需做任何修改，所有的應用也無(wú)需改變而繼續有效。TCP避免擁塞控制機制在地面連接中仍然有效，以保護Internet的穩定性。因此，目前新推出的衛星Internet系統幾乎都是基于協(xié)議網(wǎng)關(guān)技術(shù)的。切斷TCP連接帶來(lái)的不利足TCP層端到端的語(yǔ)法被破壞，網(wǎng)關(guān)處需設置大容量的緩存以保存未被接收方確認的數據，而且由于對每個(gè)TCP連接都要進(jìn)行控制，因此，網(wǎng)關(guān)需要強大的處理能力。 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉換具體協(xié)議框架如圖4所示。 系統中通信雙方采用非透明傳輸方式，網(wǎng)關(guān)將TCP連接分段。站A和站B之間要通信的網(wǎng)絡(luò )終端之間不直接建立TCP連接，而是與本地的衛星網(wǎng)關(guān)建立TCP連接，發(fā)送端(站A的網(wǎng)絡(luò )終端)先將數據發(fā)到本地的衛星網(wǎng)關(guān)，本地衛星網(wǎng)關(guān)在以特定的協(xié)議將數據傳遞到站B的衛星網(wǎng)關(guān)，此衛星網(wǎng)關(guān)再將數據通過(guò)TCP發(fā)送給接收終端。通信過(guò)程包括以下幾個(gè)階段：建立TCP連接、接收TCP數據、數據的緩存、數據的拆分、可靠UDP傳輸、數據的組裝、發(fā)送TCP數據、發(fā)送重傳請求和重傳數據。 傳輸過(guò)程中，衛星鏈路中信息的傳遞通過(guò)可靠UDP實(shí)現，它是在標準UDP基礎上，通過(guò)網(wǎng)關(guān)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(luò )數據高效傳輸的同時(shí)保證數據正確性的�？煽縐DP在應用層實(shí)現，所以不用修改操作系統的協(xié)議內核，因此協(xié)議代碼容易編寫(xiě)，移植性強；應答控制、重傳算法和流量控制等功能可以根據需要，靈活定制�？煽縐DP的基本構成如圖5所示。 5 視頻傳輸的軟件實(shí)現 Winsock(Windows Sockets)是微軟WOSA(窗口系統結構)的一部分，基于UNIX系統上BSD(BerkeleySoftware Distribution)版本的套接字，并且為Windows系統進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的擴展，是目前Windows環(huán)境下應用最廣泛、開(kāi)放式、支持多種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )編程接口。 最初，WINSOCK1.1版是專(zhuān)門(mén)為Internet設計的，現在的WINSOCK 2.x版已經(jīng)不再局限于Internet和TCP／IP，它通過(guò)提供擴展的SPI編程接口，把自己的應用范圍擴大到現存的和正在出現的各種網(wǎng)絡(luò )和協(xié)議，其中包括PSTN(公共電話(huà)交換網(wǎng))、ISDN(綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng))、無(wú)線(xiàn)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(jìn)行控制。Windows Sockets規范、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(shí)現都支持流式套接字(stream Socket)和數據報套接字(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(wú)重復并且無(wú)報文邊界的數據流服務(wù)，在這種方式下，兩個(gè)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(diǎn)是：通信可靠，對資料有校驗和重發(fā)機制，通常用于數據文件的傳輸，如ftp、telnet等，適合于大量資料的傳輸。 數據報套接字是面向無(wú)連接的，采用的是UDP，建立在IP之上，提供無(wú)連接的數據報傳輸，支持雙向的數據流，但并不保證數據的可靠、有序和無(wú)重復。也就是說(shuō)，在一個(gè)從數據報套接字接收信息的進(jìn)程中有可能發(fā)現信息重復了，或者與發(fā)出時(shí)的數據順序有所不同。數據報套接字的另一個(gè)重要特點(diǎn)是它保留了記錄邊界，對于這一特點(diǎn)，數據報套接字采用了與現在許多包交換網(wǎng)絡(luò )(例如以太網(wǎng)等)非常類(lèi)似的模型。數據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，可以用做一些對數據可靠性要求不高而對數據實(shí)時(shí)性要求較高的網(wǎng)絡(luò )數據通信，如實(shí)時(shí)語(yǔ)音和視頻傳送、消息廣播等。 本方案中的視頻數據接收播放模塊需建立控制通道和數據通道兩個(gè)通信通道�？刂仆ǖ烙脕�(lái)在服務(wù)端和客戶(hù)端之間建立會(huì )話(huà)，包括發(fā)送一些數據請求和確認控制等信息�？刂菩诺啦捎每煽啃暂^高的TCP，可用流式套接字來(lái)實(shí)現。數據通道用來(lái)傳輸視頻圖像數據，選用UDP，可用數據報套接字來(lái)實(shí)現。選用Win-dows線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現接收端播放視頻信息。視頻流的解碼和播放通過(guò)調用DirectShow SDK實(shí)現。 6 結束語(yǔ) 本方案利用衛星IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了外地到演示中心的遠程視頻傳輸，實(shí)驗結果顯示，視頻傳輸流暢，圖像清晰，滿(mǎn)足了實(shí)際需要。 |
