第八章 互聯(lián)網(wǎng)中的音視頻

1、第08章 因特網(wǎng)上的音頻視頻講師：韓立剛講師：韓立剛QQ：458717185QQ教學(xué)群：教學(xué)群：247549141指引指引概述流式存儲音頻/視頻交互式音頻/視頻改進“盡最大努力交付”的服務(wù)概述概述計算機網(wǎng)絡(luò)最初是為傳送數(shù)據(jù)信息設(shè)計的。因特網(wǎng) IP 層提供的“盡最大努力交付”服務(wù)，以及每一個分組獨立交付的策略，對傳送數(shù)據(jù)信息也是很合適的。因特網(wǎng)使用的 TCP 協(xié)議可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)不能提供可靠交付這一問題。多媒體信息的特點多媒體信息的特點多媒體信息（包括聲音和圖像信息）與不包括聲音和圖像的數(shù)據(jù)信息有很大的區(qū)別。多媒體信息的信息量往往很大。在傳輸多媒體數(shù)據(jù)時，對時延和時延抖動均有較高的要求。多媒體

2、數(shù)據(jù)往往是實時數(shù)據(jù)(real time data)，它的含義是：在發(fā)送實時數(shù)據(jù)的同時，在接收端邊接收邊播放。 因特網(wǎng)是非等時的因特網(wǎng)是非等時的模擬的多媒體信號經(jīng)過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，再組裝成分組。這些分組的發(fā)送速率是恒定的（等時的）。傳統(tǒng)的因特網(wǎng)本身是非等時的。因此經(jīng)過因特網(wǎng)的分組變成了非恒定速率的分組。 tt因特網(wǎng)t模擬信號t采樣后的信號構(gòu)成分組恒定速率非恒定速率在接收端設(shè)置緩存在接收端設(shè)置緩存 接收端需設(shè)置適當(dāng)大小的緩存。當(dāng)緩存中的分組數(shù)達到一定的數(shù)量后再以恒定速率按順序把分組讀出進行還原播放。緩存實際上就是一個先進先出的隊列。圖中標明的 T 叫做播放時延。 tT緩存（隊列）恒定速

3、率t非恒定速率有可能發(fā)生分組丟失緩存的影響緩存的影響 緩存使所有到達的分組都經(jīng)受了遲延。早到達的分組在緩存中停留的時間較長，而晚到達的分組在緩存中停留的時間則較短。以非恒定速率到達的分組，經(jīng)過緩存后再以恒定速率讀出，就能夠在一定程度上消除了時延的抖動。但我們付出的代價是增加了時延。 分組發(fā)出1 2 3 4 5 6t到達分組數(shù)6543211 2 3 4 5 6t緩存時間緩存時間再推遲播放時間如果網(wǎng)絡(luò)無時延推遲播放分組遲到網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時延分組 1 的時延分組到達1 2 3 4 5 6t實際的網(wǎng)絡(luò)需要解決的問題需要解決的問題 在傳送時延敏感(delay sensitive)的實時數(shù)據(jù)時，不僅傳輸時延不能

4、太大，而且時延抖動也必須受到限制。對于傳送實時數(shù)據(jù)，很少量分組的丟失對播放效果的影響并不大（因為這是由人來進行主觀評價的），因而是可以容忍的。丟失容忍(loss tolerant)也是實時數(shù)據(jù)的另一個重要特點。 需要解決的問題需要解決的問題由于分組的到達可能不按序，但將分組還原和播放時又應(yīng)當(dāng)是按序的。因此在發(fā)送多媒體分組時還應(yīng)當(dāng)給每一個分組加上序號。這表明還應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的協(xié)議支持才行。要使接收端能夠?qū)⒐?jié)目中本來就存在的正常的短時間停頓（如音樂中停頓幾拍）和因某些分組的較大遲延造成的“停頓”區(qū)分開來。這就需要增加一個時間戳(timestamp)，以便告訴接收端應(yīng)當(dāng)在什么時間播放哪個分組。必須改造現(xiàn)

5、有的因特網(wǎng)必須改造現(xiàn)有的因特網(wǎng) 大量使用光纜和高速路由器，網(wǎng)絡(luò)的時延和時延抖動就可以足夠小，在因特網(wǎng)上傳送實時數(shù)據(jù)就不會有問題。把因特網(wǎng)改造為能夠?qū)Χ说蕉说膸拰崿F(xiàn)預(yù)留(reservation)，把使用無連接協(xié)議的因特網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蜻B接的網(wǎng)絡(luò)。 部分改動因特網(wǎng)的協(xié)議棧所付出的代價較小，而這也能夠使多媒體信息在因特網(wǎng)上的傳輸質(zhì)量得到改進。 目前因特網(wǎng)提供的音頻目前因特網(wǎng)提供的音頻/視頻服務(wù)大體上可分為三種類型視頻服務(wù)大體上可分為三種類型 流式(streaming)存儲音頻/視頻 邊下載邊播放。流式實況音頻/視頻 邊錄制邊發(fā)送 。交互式音頻/視頻實時交互式通信?！斑呄螺d邊播放邊下載邊播放”中的中的“

6、下載下載” “邊下載邊播放”結(jié)束后，在用戶的硬盤上沒有留下有關(guān)播放內(nèi)容的任何痕跡。流媒體(streaming media)，即流式音頻/視頻。流媒體特點就是“邊下載邊播放” (streaming and playing) 。指引指引概述流式存儲音頻/視頻交互式音頻/視頻改進“盡最大努力交付”的服務(wù)流式存儲音頻流式存儲音頻/視頻視頻 傳統(tǒng)的下載文件方法 萬維網(wǎng)服務(wù)器客戶機服務(wù)器媒體播放器 GET: 音頻/視頻文件 RESPONSE 音頻/視頻文件瀏覽器具有元文件的萬維網(wǎng)服務(wù)器具有元文件的萬維網(wǎng)服務(wù)器元文件就是一種非常小的文件，它描述或指明其他文件的一些重要信息。 萬維網(wǎng)服務(wù)器客戶機服務(wù)器媒體播放

7、器 元文件瀏覽器 GET: 元文件 RESPONSEGET: 音頻/視頻文件 RESPONSE媒體服務(wù)器媒體服務(wù)器 媒體服務(wù)器也稱為流式服務(wù)器(streaming server) ，它支持流式音頻和視頻的傳送。媒體播放器與媒體服務(wù)器的關(guān)系是客戶與服務(wù)器的關(guān)系。 媒體播放器不是向萬維網(wǎng)服務(wù)器而是向媒體服務(wù)器請求音頻/視頻文件。媒體服務(wù)器和媒體播放器之間采用另外的協(xié)議進行交互。 使用媒體服務(wù)器使用媒體服務(wù)器 萬維網(wǎng)服務(wù)器媒體播放器 元文件瀏覽器 GET: 元文件 RESPONSEGET: 音頻/視頻文件 RESPONSE媒體服務(wù)器客戶機服務(wù)器2134發(fā)布點名稱發(fā)布點名稱 TV1路徑路徑 c:WMP

8、ubWMRootTVArchive.wmvURL mms:/mediaServer/TV1IP電話概述電話概述狹義的 IP 電話就是指在 IP 網(wǎng)絡(luò)上打電話。所謂“IP 網(wǎng)絡(luò)”就是“使用 IP 協(xié)議的分組交換網(wǎng)”的簡稱。廣義的 IP 電話則不僅僅是電話通信，而且還可以是在IP網(wǎng)絡(luò)上進行交互式多媒體實時通信（包括話音、視像等），甚至還包括即時傳信IM (Instant Messaging)。IP 電話網(wǎng)關(guān)的幾種連接方法電話網(wǎng)關(guān)的幾種連接方法 分組交換電路交換電路交換 因特網(wǎng)PC 到 PC公用電話網(wǎng)IP 電話網(wǎng)關(guān) 因特網(wǎng)PC 到固定電話機公用電話網(wǎng)IP 電話 網(wǎng)關(guān)公用電話網(wǎng)IP 電話 網(wǎng)關(guān)因特網(wǎng)固

9、定電話機到固定電話機IP電話通話質(zhì)量電話通話質(zhì)量IP 電話的通話質(zhì)量主要由兩個因素決定。一個是通話雙方端到端的時延和時延抖動，另一個是話音分組的丟失率。但這兩個因素是不確定的，是取決于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)上的通信量。經(jīng)驗證明，在電話交談中，端到端的時延不應(yīng)超過 250 ms，否則交談?wù)呔湍芨械讲蛔匀弧?指引指引概述流式存儲音頻/視頻交互式音頻/視頻改進“盡最大努力交付”的服務(wù)改進改進“盡最大努力交付盡最大努力交付”的服務(wù)的服務(wù)服務(wù)質(zhì)量 QoS 是服務(wù)性能的總效果，此效果決定了一個用戶對服務(wù)的滿意程度。因此在最簡單的意義上，有服務(wù)質(zhì)量的服務(wù)就是能夠滿足用戶的應(yīng)用需求的服務(wù)。服務(wù)質(zhì)量可用若干基本的性能指標來描

10、述，包括可用性、差錯率、響應(yīng)時間、吞吐量、分組丟失率、連接建立時間、故障檢測和改正時間等。服務(wù)提供者可向其用戶保證某一種等級的服務(wù)質(zhì)量。 主機主機 H1 和和 H2 分別向主機分別向主機 H3 和和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù) 1.5 Mb/s 鏈路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 鏈路輸出隊列1 Mb/s的實時音頻數(shù)據(jù) FTP 文件數(shù)據(jù) 需要給不同性質(zhì)的分組打上不同的標記。當(dāng) H1 和 H2 的分組進入 R1 時， R1 應(yīng)能識別實時數(shù)據(jù)分組，并使這些分組以優(yōu)先級進入輸出隊列，而僅在隊列有多余空間時才準許優(yōu)先級的 FTP 數(shù)據(jù)分組進入。 主機主機 H1 和和 H2 分別向主機分別

11、向主機 H3 和和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù) 1.5 Mb/s 鏈路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 鏈路輸出隊列1 Mb/s的實時音頻數(shù)據(jù) 高優(yōu)先級的 FTP 文件數(shù)據(jù) 應(yīng)當(dāng)使路由器增加分類(classification)機制，即路由器根據(jù)某些準則（例如，根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的地址）對輸入分組進行分類，然后對不同類別的通信量給予不同的優(yōu)先級。 主機主機 H1 和和 H2 分別向主機分別向主機 H3 和和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù) 1.5 Mb/s 鏈路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 鏈路輸出隊列數(shù)據(jù)率異常的實時音頻數(shù)據(jù) FTP 文件數(shù)據(jù) 路由器應(yīng)能將對數(shù)據(jù)流進行通信量的

12、管制(policing)，使該數(shù)據(jù)流不影響其他正常數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中通過。例如，可將 H1 的數(shù)據(jù)率限定為 1 Mb/s。R1 不停地監(jiān)視 H1 的數(shù)據(jù)率。只要其數(shù)據(jù)率超過規(guī)定的 1 Mb/s，R1 就將其中的某些分組丟棄。 主機主機 H1 和和 H2 分別向主機分別向主機 H3 和和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù) 1.5 Mb/s 鏈路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 鏈路輸出隊列數(shù)據(jù)率異常的實時音頻數(shù)據(jù) FTP 文件數(shù)據(jù) 應(yīng)在路由器中再增加調(diào)度(scheduling)機制。利用調(diào)度功能給實時音頻分配 1.0 Mb/s 的帶寬，給文件傳送分配 0.5 Mb/s 的帶寬（相當(dāng)于在帶寬為 1.5 Mb/s 的鏈路中劃分出兩個邏輯鏈路），因而對這兩種應(yīng)用都有相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保證。 主機主機 H1 和和 H2 分別向主機分別向主機 H3 和和 H4 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù) 1.5 Mb/s 鏈路H1H2H3H4R2R1H1H21.5 Mb/s 鏈路輸出隊列1 Mb/s 的實時數(shù)據(jù) 總數(shù)據(jù)率已超過了 1.5 Mb/s 鏈路的帶寬。比較合理的做法是讓一個數(shù)據(jù)流通過 1.5 Mb/s 的鏈路，而阻止另一個數(shù)據(jù)流的通過。這就需要呼叫接納(call admission)機制。數(shù)據(jù)流要預(yù)先聲明所需的服務(wù)質(zhì)量，然后或者被準