多媒体技术基础及应用 刘建第10章 网络多媒体应用技术

第10章网络多媒体应用技术10.1计算机网络上的多媒体应用概述1．VOD服务2．视频会议3．网络电话4．远程教学10.1.1网络上的多媒体应用实例5．产品广告及购物6．远程医疗7．娱乐和游戏10.1.2网络多媒体技术的发展方向多媒体技术的发展趋势集中在以下几点：高分辨率化，提高显示质量；  简单化，便于操作；  高维化，三维、四维或更高维；        智能化，提高信息识别能力；        标准化，便于信息交换和资源共享。多媒体技术总的发展趋势是具有更好、更自然的交互性，更大范围的信息存取服务，为未来人类生活创造出一个在功能、空间、时间及人与人交互方面更完美崭新的世界10.2网络多媒体技术原理多媒体计算机网络是在网络协议的控制下，通过网络通信设备和线路将分布在不同地理位置，且具有独立功能的多个多媒体计算机系统进行连接，并通过多媒体网络操作系统等网络软件实现资源共享的多机系统。10.2.1FDDI网FDDI是采用光纤分布式数据接口的一种高性能光纤标记环型局域网。FDDI的速率为100Mb/s，使用光纤传输介质，适用于各项指标要求比较严格的高数据流网络的主干部分。FDDI和令牌环网一样使用令牌传递作为介质访问控制。不同的是，在令牌环网络中，令牌绕行整个环一周回到发送节点后才被释放，绕行期间的这段延迟时间被浪费掉了，发送节点释放前，其他任何节点都不能发送信息。而FDDI采用一种称为早期令牌释放的技术，即发送节点在帧发送完毕后立刻释放令牌，这个令牌能够被环中一个要发送信息的节点捕获，此时环上将有不止一个令牌在同时传输数据。这种令牌释放技术使得每个节点平均等待时间减少，提高了网络利用率，从而达到提高速度的目的。 10.2.2以太网以太网（Ethernet）是一种以10Mb/s的速度传输数据的通信协议标准，是一种世界上应用最广泛、最为常见的网络技术。20世纪90年代中期，出现了快速以太网（100Mb/s），它在保持帧格式、MAC（介质存取控制）机制和MTU（最大传送单元）质量的前提下，其速率增加到原来的10倍。千兆以太网是一种新型高速局域网，它可以提供1Gb/s的通信带宽，采用和传统10M、100M以太网同样的CSMA/CD协议和帧格式，因此可以实现在原有低速以太网基础上平滑、连续性的网络升级。1．以太网具有的一般特征(1)共享媒体。所有网络设备依次使用同一通信媒体。    (2)广播域。需要传输的帧被发送到所有节点，但只有寻找到的节点才会收到帧。  (3)CSMA/CD。以太网中利用载波监听多路访问冲突检测方法（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）以防止多节点同时发送。 (4)MAC地址。媒体访问控制层的所有Ethernet网络接口卡（NIC）都采用48位网络地址，这种地址全球唯一。2．以太网基本网络组成(1)共享媒体和电缆(2)转发器或集线器(3)网桥(4)交换机3．以太网的传输速率 10Mb/s-10Base-TEthernet（IEEE802.3） 100Mb/s-FastEthernet（IEEE802.3u） 1000Mb/s-GigabitEthernet（IEEE802.3z） 10GigabitEthernet（IEEE802.3ae）10.2.3ATM技术ATM是异步传输模式的英文缩写。ATM技术是在电路交换方式和高速分组交换方式基础上发展起来的一种新技术，它继承了电路交换方式中速率的独立性和高速分组交换方式对任意速率的适应性，并针对两者的缺点采取有效对策，以实现高速传送综合业务信息的能力。在电路交换模式中，收发两端之间建立了一条传输速率固定的信息通路。在通信过程中，不论是否收发了信息，该通路均被某呼叫所独占，这种信息传送模式被称为同步传输模式。而在分组交换模式中，不对呼叫分配固定电路，仅当发送信息时才送出分组。ATM技术所基于的是分解业务信号，把这些信号映射成固定长度的ATM信元，以异步方式多路复用这些ATM信元，从而组成连续传输的数据流，接着通过网络上的虚拟通信信道，使数据流实现高速交换和传输。ATM信元的固定长度为53个字节，其中5个字节为头标，其余48字节为数据。 10.2.4宽带IP网新一代宽带IP网络是建立在现有的网络技术及当前最先进的网络传输技术基础上。典型的相关技术有IPoverATM、IPoverSDH、IPoverWDM等。1．IPoverATMIPoverATM的基本原理和工作方式是将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元，以ATM信元形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址的处理，按路由转发。随后按已计算的路由在ATM网上建立虚电路（VC）。以后的IP数据包将在此虚电路VC上以直通方式经过路由器传输。IPoverATM具有以下优点： 由于ATM技术本身能提供QoS保证，因此可利用此特点提高IP业务的服务质量。 具有良好的流量控制均衡能力以及故障恢复能力，网络可靠性高。 适应于多业务，具有良好的网络可扩展能力。 对其他几种网络协议如IPX等提供支持。IPoverATM具有以下不足 目前，IPoverATM还不能提供完全的QoS保证。 对IP路由的支持一般，IP数据包分割加入大量头信息，造成很大的带宽浪费。 在复制多路广播方面缺乏高效率。 由于ATM本身技术复杂，导致管理复杂。2．IPoverSDHIPoverSDH技术是将IP分组通过点到点协议PPP直接映射到SDH帧，省掉了中间的ATM层，从而保留了Internet的无连接特征，网络体系结构简单，传输效率较高，技术较为成熟。IPoverSDH具有以下优点： 对IP路由的支持能力强，具有很高的IP传输效率。 符合Internet业务的特点，如有利于实施多路广播方式。 能利用SDH技术本身的环路，故可利用愈合能力达到链路纠错，同时又利用OSPF协议防备因链路故障造成的网络停顿，提高网络的稳定性。 省略了不必要的ATM层，简化了网络结构，降低了运行费用。IPoverSDH具有以下不足 仅对IP业务提供好的支持，不适于多业务平台。 不能像IPoverATM技术那样提供较好的服务质量保障（QoS）. 对IPX等其他主要网络技术支持有限。3．IPoverWDMIPoverWDM也称光因特网。其基本原理和工作方式是在发送端，将不同波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输，在接收端，又将组合光信号分开（解复用）并送入不同终端。高性能路由器通过光ADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。IPoverWDM具有以下优点： 充分利用光纤的带宽资源，极大地提高了带宽和相对的传输速率。 传输码率、数据格式及调制方式透明。可以传送不同码率的ATM、SDH和千兆以太网格式的业务。 不仅可以与现有通信网络兼容，还可以支持未来的宽带业务网及网络升级，并具有可推广性、高度生存性等特点。IPoverWDM具有如下不足 目前波长标准化还没有实现。一般取193.1THz为参考频率，间隔为100GHz。 WDM系统的网络管理应与其传输的信号的网管分离，由于光信号的处理技术还不完善，从而导致WDM系统的网络管理还不成熟。 目前WDM系统的网络拓朴结构只有基于点对点的方式，还没有形成“光网”。10.3网络多媒体的标准和通讯协议10.3.1Ipv6协议Internet起源于1968年开始研究的ARPANET，当时的研究者过于保守地估计了网络的发展速度，因此他们将IP协议的地址长度设定为32个二进制位，其前8位标识网络，后24位标识主机。随着网络需求和应用的快速发展，引发了地址不足的危机，为了彻底解决IPv4存在的问题，IETF（互联网工程任务组）从1995年开始研究开发下一代IP协议，即IPv6。IPv6具有长达128位的地址空间，可以彻底解决IPv4地址不足的问题，除此之外，IPv6还采用分级地址模式、高效IP包头、主机地址自动配置、服务质量保证、认证和加密等许多技术。1．IPv6协议规范IPv6数据报有一个40个字节的基本首部（BaseHeader）。其后可允许有0个或多个扩展首部（ExtensionHeader），再后面是数据。基本首部具有固定的长度（40字节），放置所有路由器都需要处理的信息。IPv4的首部有15个域，而IPv6只有8个域，IPv4的首部长度是由IHL域来指定的，而IPv6的首部长度是固定40个字节。这就使得路由器在处理IPv6报头时显得更为轻松。与此同时，IPv6还定义了多种扩展首部，这使得IPv6变得极其灵活，能提供对多种应用的强力支持，同时又为以后支持新的应用提供了可能。IPv6的首部格式IPv6首部字段说明2．IPv6的主要特点（1）无限的地址空间IPv6的地址是128字节的，可能的地址数是2128个。（2）头部的简化和可扩展性报头的简化是IPv6的另一个主要进步，IPv6仅包含8个字段。这使路由器处理分组的速度加快，提高了吞吐率。（３）安全性的提高IPv6利用数据报头的扩展部分，可以提供路由器级的安全性。（４）高性能和高服务质量保证加长的PayloadLength使数据包可以远远超过64KB，应用程序可以利用最大传输单元（MTU）特征获得更快、更可靠的数据传输。 3．IPv4向IPv6的演进       (1)逐步演进：已有的IPv4网络节点可以随时演进，不受限于相关网络节点运行IP协议的版本；       (2)逐步部署：新的IPv6网络节点可以随时增加到网络中； (3)地址兼容：当IPv4网络节点演进到IPv6时，IPv4的IP地址还可以继续使用；    (4)降低费用：在演进时，只需很低的费用和很少的准备工作。为了实现以上4个目标，IETF推荐了双协议栈、隧道技术以及网络地址转换等演进方案。10.3.2RTP和RTCP协议RTP（实时传输协议）是在点对点通信和多点广播网络上实时传输流媒体数据的实时传输协议,定义RTP协议的目的就是为了满足音频、视频和仿真这些连续媒体数据实时通信的要求，是Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议。RTP协议由RTP（数据协议）和RTCP（控制协议）两部分组成。RTP数据报文头格式位V：示版本号P：如果消息中有附加的填充字节，填充标志打开。E：指明12个字节后是否有扩展部分。CC：指明紧跟在固定头后的CSRC的数目。M：由应用规定其含义，典型地用于在数据流中（为不同意义的数据，如音频数据流中的静音帧和语音帧）建立划分边界。PT：数据域中的业务类型和媒体的编码方式。SN：一个表示数据分组顺序的数字，每发送一个RTP数据分组，序列号就增加1。时间戳：描述RTP数据报文第一个字节的采样时刻，主要用于同步和计算时延。同步源标识：用于标识同步资源。贡献源标识列表：0-15项，每项32bit。用于识别与RTP报文中负荷相关的源。标识的数量由CC段给出。由于CC段只有4位，当贡献源超过15个时，只能识别15个。 10.3.3资源预订协议RSVPRSVP（ResourceReserveProtocol资源预订协议）是用来为Internet中的一次会话预留资源（即带宽）的。由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，为了在网络中传输高质量的音频、视频信息，除带宽满足要求之外，还应提供一种有效的资源预定机制，可以有效地描述应用程序对资源的需求。RSVP协议的目的是通过在参与支持业务（比如视频或音频会议）的每台机器上预留必要的资源来提供性能保证。10.3.4实时流协议RTSPRTSP（Real-timeStreamingProtocol，实时流协议）定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。RTSP在体系结构上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成数据传输。HTTP与RTSP相比，HTTP传送HTML，而RTSP传送的是多媒体数据。HTTP请求由客户机发出，服务器做出响应；使用RTSP时，客户机和服务器都可以发出请求，即RTSP可以是双向的。10.4流媒体技术和编码方法流媒体简单的说就是应用流技术在网络上传输的多媒体文件，而流技术就是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放在网站服务器中，让用户一边下载一边观看、收听，而不需要等整个压缩文件下载到自己机器后才可以观看的网络传输技术。该技术先在用户端的电脑上创造一个缓冲区，于播放前预先下载一段资料作为缓冲，当网络实际连接速度小于播放所需要信息的速度时，播放程序就会取用这一小段缓冲区内的信息，避免播放的中断，也使得播放品质得以维持。10.4.1流媒体技术原理实现流式传输一般都需要一个专用的服务器和播放器，传输过程是这样的：用户选择某一流媒体服务后，Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP/TCP交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的Web浏览器启动相应的媒体播放器程序（A/VPlayer），使用HTTP从Web服务器检索相关参数对媒体播放器程序进行初始化。这些参数可能包括目录信息、A/V数据的编码类型或与A/V检索相关的服务器地址。10.4.2流媒体传输方式流媒体的传输方式有单播、组播、点播和广播四种。(1)单播：在客户端与服务器之间建立一个单独的数据通道，从一台服务器送出的每个数据只能传给一个客户机。(2)组播：IP组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制到多个通道上。采用组播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续数据流而无延时。(3)点播：客户端对服务器的主动连接。在点播过程中，用户通过选择项目来初始化客户端连接。用户可以开始、停止、快进、后退或暂停流。(4)广播：广播是对所有用户发送信息，客户将被动接受流，广播过程中客户只能接收流，不能控制流，10.4.3媒体常用的文件格式1．压缩媒体文件格式压缩媒体格式中包含描述一段声音和图像的同样信息，尽管它的文件大小被处理的更小。很明显，压缩过程改变了数据位的编排。在压缩媒体文件再次成为媒体格式被播放前，2．流式文件格式流式文件格式经过特殊编码，使其适合在网络上边下载边播放，而不是等到下载完整个文件才能播放。也可以在网上以流的方式播放标准媒体文件，但效率不高。将压缩媒体文件编码成流式文件，必须加入一些附加信息，如计时、压缩和版权信息。10.5网络视频会议和网络电话服务10.5.1网络视频会议概述视频会议系统通过通信网络把两个或多个地点的多媒体会议终端连接起来，在其间传送各种图像、话音和数据信号，使出席会议者有亲临现场的感觉。1．视频会议系统的构成2．多点控制器（MCU）MCU（MultipointControlUnit）作为视频会议系统的重要组成部分，是实现各与会终端之间信息交换和控制的主要设备。MCU的作用是实现多点呼叫、连接，以及完成对输入的多路视频会议信号的交换。但是由于视频会议系统包含图像、语音及数据三类不同的信号，因此，MCU完成的交换不像电话交换那样只是简单地将语音进行连接，而是要对三类信号进行不同的处理。3．视频会议终端视频会议终端实际上也就是多媒体通信终端，它将本地会场的视频图像、语音和数据信息进行压缩编码、处理后发送出来，同时将接收到的各种信息进行解码，再现图像、语音和数据信号。10.5.2视频会议系统的关键技术（1）多媒体信息处理技术（2）宽带网络技术（3）分布式处理技术（4）芯片技术10.5.3IP网上的H.323视频会议系统H.323标准是ITU-T在1996年制定的，称为不保证服务质量（QoS）的局域网上的多媒体通信标准，并在1998年扩展为“基于分组的多媒体通信系统”，即ITU-TH.323V2，该协议采用RTP（实时传输协议）来解决发送数据包的时序问题，采用RSVP（资源预订协议）解决多个用户分享带宽时超载的问题。1．终端的协议结构H.323v2标准的分层结构主要包括： H.225标准的分组和同步 H.261和H.263标准的视频编解码 G.711、G.722、G.728、G.723等标准的音频编解码 通信控制协议H.245等2．多点控制器多点控制器为基于IP的电视会议系统提供多点会议服务。如多点会议的管理、定义、安排和控制；信道的建立和控制；声音和图像的混合、切换和模式选择等。3．服务质量（Qos） IP网络中引入实时视频通信后，网络服务一方面要保证视频通信质量，另一方面还要保证原有的数据通信不受影响。H.323网关的带宽控制和管理功能保证了视频通道只能占用所有网络带宽的一个给定部分，因而不会冲击其它重要数据通信。主要有两种常见的带宽管理策略：(1)预留资源管理。  (2)业务优先级管理10.5.4IP电话1．IP电话的概念IP电话（IPTelephony）也称因特网电话，主要采用的是一种称为国际协议画外音VoIP技术。IP电话是在IP网络即信息包交换网络上进行的呼叫和通话，不是在传统的PSTN（公众交换电话网络）网上进行的呼叫和通话。当前，IP电话用于长途通信时的价格比较PSTN网电话便宜得多，但质量相对较低。2．IP电话与PSTN电话的技术差别从原理上说，IP电话和PSTN电话之间在技术上的主要差别是它们的交换方式。IP电话运用的是分组交换技术，信息根据IP协议形成一个个的分组进行传输，每个分组上都有目的地址与分组序号，分组可以走不同的路径到达目的地，到达目的地后再还原成原来的信号，而传统电话用的是电路交换的方式，即电话通信电路一旦接通后，电话用户就占用了一个信道，无论用户是否在讲话，只要不挂断，信道就一直被占用，所以电路交换方式线路利用率低。3．IP电话的3种类型(1)PC到PC通话双方同时利用计算机和Modem拨号上网，然后利用电脑中多媒体技术，实现通话的声音传送。(2)PC到电话通话时一方利用PC连上因特网，然后通过商业公司提供的IP电话服务器（网关）将电话拨叫到普通电话上，且把IP信息包转换成线路交换网络上传送的声音信号，或者相反。(3)电话到电话这种类型分为3种不同的应用形式：①通话双方都有PC与电话直接连接，用户不必直接操作PC，②通话双方都不需要使用计算机，只需各自配备上网账号和专用的IP电话设备（如Aplio和InfoTalk话机等，用来完成电话号码与IP地址的互译以及拨叫、通话等功能）。 ③IP电话服务器支持下的“电话到电话”方式，由服务提供商提供全套服务，通话双方不需增加任何软硬件设备，只需利用现有电话即可实现IP电话功能（单点对多点、多点对单点、普通拨号、随时通话等），这种方式主要是用在长途通信中，在通话双方的IP网络边沿都需要配置有电话功能的网关，进行IP信息包和声音之间的转换及控制信息的传输。目前通过这种方式的用户可以直接拨对方的电话号码，只需在前面加一串特服号码，就可以和对方通话，十分方便。10.6常用网络流媒体服务技术10.6.1微软公司的WindowsMediaMicrosoftWindowsMedia技术是一个能适应多种网络带宽条件的流式多媒体信息发布平台，随着流媒体的广泛应用，推出了整套的流媒体制作、发布和播放产品。WindowsMedia产品的一大特点是其制作、发布和播放软件与Windows操作系统集成在一起，不需要额外购买。Media服务能够用.asf、wma、MP3、wav等格式向客户端提供多媒体内容。1.WindowsMedia文件①ASF文件：WindowsMedia技术将影音文件分为WindowsVideo和Windowsaudio两种，分别对应WMV和WMA两种格式。随着流媒体技术的发展，Microsoft公司将WindowsMedia的核心转向ASF。微软将ASF定义为同步媒体的统一容器文件格式，音频、视频、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过这种格式以网络数据包的形式传输，实现流式多媒体内容发布。。②ASX文件：ASX文件是一个文本文件，它主要的目的是对流信息进行重新定向，在ASF中包含了媒体内容对应的URL，当我们在HTML中让一个HYPERLINK（超链接）与ASX联系时，浏览器会直接将ASX的内容送给媒体播放器，媒体播放器会根据ASX文件的信息用相应的协议去打开指定位置上的多媒体信息流或多媒体文件。 （2）WindowsMedia系统组成MicrosoftWindowsMedia技术是一个能适应多种网络带宽条件的流式多媒体信息的发布平台，包括流式媒体的制作、发布、播放和管理的一整套解决方案。WindowsMedia视频服务器系统包括以下三个部分： WindowsMedia服务器组件 WindowsMedia工具 WindowsMediaPlayer10.6.2RealNetworks公司的RealSystem美国的RealNetworks公司是世界上第一个推出流媒体的公司。它所提供的媒体格式、制作软件、集成工具语言、媒体发布和播放技术等也是较完整的、功能丰富的流媒体技术系列。1.RealMedia文件格式RealNetworks公司制定的音/视频压缩规范称为RealMediaFileFormat（RMFF）文件格式。RealMedia包括RealAudio、RealVideo、RealFlash和RealPresentation四类文件。2．RealSystem系统组成RealSystem由媒体内容制作工具RealProducer、服务器端RealServer、客户端软件RealPlayer三部分组成。RealProducer制作软件可以将标准的音频或视频文件转换成流式媒体剪辑文件。RealServer使用两种通道与客户端软件RealPlayer通讯：一种是控制通道，用来传输诸如“暂停”、“向前”等命令，使用TCP协议；另一个是数据通道，用来传输实际的媒体数据，使用UDP协议。RealServer主要使用两个协议来与客户端联系：RTSP和PNA。10.6.3Apple公司的QuickTimeApple公司的QuickTime系列是目前流媒体技术的另一大流派，它也提供了一整套的媒体制作、发布和播放技术。Apple公司本身具有很强的硬件生产和软件开发能力，在国际市场上，它所生产的Apple系列商业和个人微机，和IBM系列微机各占半壁江山。而Apple系列微机所使用的MACOS系列操作系统，和Windows操作系统也是并驾齐驱，由于它主要是面向专业领域的用户，所以我们可能对Apple系列的硬件和软件技术还不十分了解。，其他的软件大都是基于MACOS平台的。10.6.4P2P流媒体技术P2P是peer-to-peer的缩写，是当前Internet网上较热门的技术，已应用到网络文件共享和点到点传输下载，其基本思想是通过P2P技术，除了服务器外，每个用户都可以将其文件或信息与其他用户共享。P2P技术也应用到流媒体，每个流媒体用户也是一个P2P中的一个结点，用户可以根据他们的网络状态和设备能力与一个或几个用户建立连接来分享数据，这种连接能减少服务器的负担和提高每个用户的视频质量。