Мультисервисные сети: передача видео

Алексей Шереметьев

В последние годы все большее распространение получают различные мультимедийные технологии. Основой для передачи мультимедийной информации все чаще становятся мультисервисные сети. Они способны к передаче данных разных типов и интеграции различных видов трафика, обладают «интеллектом», достаточным для того, чтобы можно было определять способы обработки программных приложений разных типов, а также политику поддержки пользователей разных классов, повышают эффективность использования вложенных средств. Одним из наиболее ярких и сложных примеров использования технологий мультимедиа является передача видео.

Концепция передачи видео по сети охватывает довольно-таки широкий спектр вопросов, включая создание и хранение видеоданных, передачу по локальной или глобальной сети и, естественно, воспроизведение. Эта статья посвящена одной из ключевых тем: передаче видео по сети с коммутацией пакетов.

Наибольшее распространение получили два варианта передачи видео по сети.

Первый — это видео реального времени, когда запись осуществляется одновременно с ее просмотром, например видеоконференции. Второй — это потоковое видео, известное также как видео по запросу, когда предварительно записанные «фильмы» или другие объекты видео хранятся на сервере и запрашиваются приложением конечного пользователя, например, специальным модулем расширения Web-браузера или выделенным видеоклиентом, и воспроизводятся при получении.

Рассмотрим технологию передачи видео в реальном масштабе времени.

Некоторые особенности организации передачи видео

При передаче видеосигнала необходимо учитывать следующие параметры:

• разрешающую способность — горизонтальные и вертикальные размеры видеоизображения;
• глубину цвета — число битов, используемых для отображения цвета;
• частоту смены кадров — число кадров, отображаемых в секунду.

Основываясь на этих параметрах, можно определить ширину полосы пропускания для передачи видеопотока. Например, для передачи по сети несжатого цифрового видеосигнала NTSC-качества требуется ширина полосы пропускания приблизительно 27 Мбайт/с: 640x480x3x30=27,648 Мбайт/с (или 221 184 Мбит/с), где 640 и 480 — это разрешающая способность в пикселах, 3 — цвет с 24 битами (3 байта) и 30 — число кадров в секунду.

В табл. 1 приводятся наиболее распространенные размеры изображений с указанием глубины цвета, а также минимально необходимой пропускной способности сети для передачи несжатых данных.

Поскольку требования к передаче полноэкранного видео с качеством телевизионного сигнала превышают возможности типичной сети передачи пакетов, используется два метода снижения требуемой ширины полосы пропускания:

• манипуляция с захватом видеосигнала;
• сжатие видеосигнала.

Манипуляция с захватом видеосигнала — управление параметрами захвата видеоданных — включает изменение разрешающей способности, глубины цвета и частоты кадров. Для уменьшения требуемой полосы пропускания часто изменяют все три параметра. Например, некоторые прикладные программы мультимедиа формируют видеоизображение размером 320Ѕ240 с восьмиразрядным цветом и частотой 15 кадров в секунду. Тогда требования к полосе пропускания снижаются до 9,216 Mбит/с. Но и этот уровень недостижим для 10 Mбит/с сети Ethernet; поэтому необходимо использование 16 Mбит/с Token Ring, 100 Mбит/с Fast Ethernet, ATM и других высокоскоростных технологий.

Сжатие видеосигнала — процесс замены первоначальной информации, представленной в виде совокупности пикселов, более компактными математическими описаниями, основанными на использовании специальных методов и алгоритмов. Декомпрессия — обратный процесс декодирования математических описаний к первоначальному пиксельному представлению, необходимому для вывода на дисплей.

Сжатие видеосигнала выполняется с использованием кодеков (КОдер-ДЕКодер). Кодек может быть выполнен программно или аппаратно и отвечает за прием цифрового потока видео, его сжатие, а также за получение предварительно сжатого потока и его декомпрессию.

Различают компрессию с потерей и без потери качества. В первом случае удается получить существенно более высокие коэффициенты сжатия при приемлемом качестве изображения, поэтому компрессия с потерей качества используется наиболее широко.

В дополнение к методам сжатия с потерями механизмы сжатия видео используют два других метода компрессии:

• межкадровое сжатие (Interframe сompression) — сжатие между кадрами, известное также как временная компрессия (temporal compression);
• внутрикадровое сжатие (Intraframe сompression) — сжатие внутри кадров, также известное как пространственное сжатие (spatial compression).

Некоторые алгоритмы сжатия видео используют и межкадровый, и внутрикадровый механизмы компрессии. Например, группа MPEG использует как алгоритм JPEG, являющийся внутрикадровым алгоритмом, так и отдельный алгоритм межкадрового сжатия. М-JPEG использует только внутрикадровое сжатие.

Основным стандартом, описывающим сжатие неподвижных изображений, является JPEG. За компрессию/декомпрессию движущихся изображений отвечают стандарт H.261 и различные варианты MPEG. Кроме того, распространение получили корпоративные стандарты, такие как Cell компании Sun Microsystems и Indeo компании Intel. Их применение позволяет сжать поток видеоданных более чем на порядок и добиться приемлемого качества при передаче по глобальным сетям.

Телекоммуникации как основа организации видеоконференций

Системы видеоконференц-связи (ВК) могут использовать различные телекоммуникационные средства, во многом определяющие качество предоставляемых услуг.

К основным группам таких средств можно отнести:

• аналоговые телефонные сети;
• цифровые каналы и сети.

Ко второй группе относятся выделенные цифровые каналы, цифровые сети с коммутацией каналов (прежде всего — ISDN) и сети с коммутацией пакетов.

Аналоговые телефонные сети, как правило, не позволяют обеспечить приемлемого качества ВК и не рекомендуются для профессионального использования.

Выделенные цифровые каналы, несмотря на гарантированно высокое качество ВК, вследствие высокой стоимости канала и невозможности использования преимуществ коммутируемых сетей не могут рассматриваться как широко используемое средство передачи ВК.

Использование каналов ISDN, регламентируемое серией рекомендаций H.320, разработанных Сектором по стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-Т), стало классической схемой проведения ВК и получило широкое распространение.

Однако время не стоит на месте, и в последние годы все более широкое распространение получают ВК, использующие сети с коммутацией пакетов, в частности IP-сети, как локальные, так и территориально распределенные и глобальные. Соответствующие рекомендации (H.323) для видеоконференц-связи по IP-сетям, были приняты ITU-Т в конце 1996 года. В целом можно сказать, что сегодня для видеоконференц-связи можно использовать практически любые цифровые каналы связи с достаточно широкой полосой пропускания.

Общая характеристика H. 323

Рекомендации H. 323 определяют основные требования к оборудованию и программному обеспечению систем для обмена аудио-, видеоинформацией и данными в IP-сетях и обеспечивают совместимость продуктов разных производителей.

Рекомендации H. 323 разработаны специально для поддержки мультимедиатехнологий в сетях с негарантируемым качеством обслуживания (QoS).

Обзор архитектуры H.323

На самом верхнем уровне H. 323 позволяет подключить пользователей через систему гетерогенных сетей с универсальной схемой адресации и едиными протоколами управления. Используя стандартные блоки, сгруппированные в общий стек, оконечные устройства, удовлетворяющие рекомендациям H. 323, могут находить друг друга и связываться по сети. Они могут также выявлять сервисные возможности различных сетевых компонентов, совместимых с H.323.

Все описываемые ниже компоненты H. 323 используют стек протоколов H. 323 для передачи и приема данных.

Компоненты H. 323

Рекомендациями H. 323 определяются следующие четыре основных компонента:

• Терминал.
• Шлюз.
• Устройство управления доступом (Gatekeeper).
• Блок управления многоточечными конференциями (MCU, Multipoint Conference Unit), который часто называют видеосервером.

Терминал

В H. 323 терминалом называется любое оконечное сетевое устройство, обеспечивающее возможность двухсторонней связи в реальном масштабе времени. Эта связь состоит из сигналов управления, индикации, аудио-, подвижных видеоизображений и/или данных между двумя терминалами. Согласно рекомендации H. 323, H. 323-терминал должен обеспечивать передачу речи. Прием/передача видеоинформации и данных является необязательной.

Все H. 323-терминалы для оценки возможностей канала связи должны поддерживать функции управления логическим каналом, определенные рекомендациями H.245, для сигнализации и вызова — Q.931, для контроля над доступом, регистрации участников и определения их текущего состояния — RAS; для передачи аудио- и видеоинформации по сетям с коммутацией пакетов — RTP/RTCP.

Устройство управления доступом (Gatekeeper)

Устройство управления доступом (Gatekeeper, GK) — объект H. 323, обеспечивающий трансляцию имен терминалов и шлюзов в IP- или IPX-адреса в соответствии со спецификацией RAS и управляющий полосой пропускания канала видеоконференц-связи. GK может также предоставлять другие услуги терминалам, шлюзам и многоточечным блокам управления, например, определение местонахождения шлюзов. Совокупность всех терминалов, шлюзов и многоточечных блоков управления, управляемых с помощью одного устройства управления доступом, называется H.323-зоной. Зона включает по крайней мере один терминал и может содержать шлюзы или многоточечные блоки управления. Зона независима от топологии сети и может быть составлена из множества сегментов, которые соединяются с помощью маршрутизаторов или других устройств. Хотя устройство управления доступом является логически отдельным устройством, в большинстве реальных H.323-систем он интегрируется с терминалом, шлюзом или MCU.

Шлюз

Шлюз H. 323 (GW) является оконечной точкой, которая обеспечивает в реальном масштабе времени двухстороннюю связь между H. 323-терминалами и терминалами других, основанных на стандартах ITU серии H, систем. Реализация такой функции требует трансляции формата кадров и преобразования коммуникационных процедур (например, H.225 в H.221 и H.245 в H.242 при обмене информацией H. 323-терминала с H.320-терминалом). Кроме того, шлюз осуществляет перекодировку аудио- и видеопотоков и некоторые другие функции. Однако если отсутствует необходимость соединения терминалов различных систем, то наличие шлюза является необязательным.

Блок управления многоточечными конференциями (MCU)

Блок управления многоточечными конференциями H. 323 обеспечивает возможность конференции трех и более терминалов и шлюзов. В соответствии с рекомендациями H. 323 MCU обязательно содержит групповой контроллер (Multipoint Controller, MC) и, если необходимо, один (или более) групповой процессор (Multipoint Processor). Групповой контроллер оценивает общий объем аудио/видеотрафика, порождаемого всеми активными терминалами, но не производит обработку коммуникационных потоков. Эту задачу выполняет групповой процессор, мультиплексирующий, коммутирующий и, при необходимости, обрабатывающий аудио/видеопотоки. Процессор может обрабатывать отдельный поток данных или множество потоков в зависимости от типа поддерживаемой конференции.

Организация обмена информацией в H.323

Коммуникационный поток в H.323 состоит из видео-, аудиосигналов, данных и сигналов управления:

• Аудио. Аудиосигнал представляет собой оцифрованную компрессированную по выбранному алгоритму речь. Рекомендации H.323 позволяют использовать любой одобренный ITU алгоритм компрессии. H.323-терминалы обязаны поддерживать стандарт G.711. Поддержка других стандартов G.7xx необязательна. Алгоритм сжатия, определенный в G.711, ориентирован на канал с пропускной способностью 64 Кбит/с, что является приемлемым для терминалов в ЛВС. Однако потребность снижения нагрузки на полосу пропускания приводит к все более широкой поддержке кодека на основе G.723.
• Видео. Видеосигналы содержат цифровое представление видеоизображения. Возможность передачи/приема видеоизображения является необязательной функцией терминала. В случае реализации этой функции поддержка требований рекомендации H.261/QCIF (кодирование видеоинформации в аудиовизуальных телекоммуникационных системах) является обязательной, а рекомендации H.263 — необязательной. Процедуры кодирования в H.263 являются расширением рекомендации H.261 и обеспечивают более высокое качество подвижного видео для низкоскоростных каналов.
• Данные. Сигналы данных включают неподвижные картинки, факсимиле, документы, компьютерные файлы и другие потоки данных.
• Сигналы управления. Сигналы управления являются критически важными для работы H.323-терминала. Они включают в себя:

1.  сигнализацию установления соединения;
2.  сигнализацию возможностей обмена данными;
3.  сигнализацию вызова команд и индикацию их выполнения;
4.  сообщения открытия и описание логического канала.

IP-сети и видеоконференц-связь

Стек протоколов H.323 систем представлен в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что H.323 использует как «надежные» (ТСР), так и «ненадежные» (UDP) соединения. По «надежному» каналу передается управляющая информация (передача сигналов управления H.245 и сигнализации установления ВК по протоколу Q.931), по «ненадежному» — аудио- и видеоданные и RAS-процедуры.

«Надежный» канал гарантирует доставку сообщений и сборку на приемном конце в их исходной последовательности, исправление ошибок и восстановление потерянных данных, но обладает низкой пропускной способностью и создает значительные задержки.

«Ненадежный» канал на основе протокола UDP в многоточечных конференциях с множественными аудио/видеопотоками использует технологию групповой адресации и протокол RTP. В свою очередь, RTP работает поверх IP-групповой адресации (в случае ее использования) и поверх UDP. Заголовок пакета UDP дополняется полем временной метки и порядковым номером пакета. При буферизации пакетов приемником эти поля позволяют исключить повторяющиеся пакеты, восстановить требуемый порядок их следования, произвести синхронизацию потоков аудио- и видеоданных, что в конечном итоге позволяет достичь эффекта непрерывности при воспроизведении, несмотря на разброс задержек в доставке пакетов.

В группу протоколов, обеспечивающих работу H.323-систем, входят также протоколы RTCP и RSVP. Протокол RTCP контролирует и управляет параметрами качества обслуживания, распространяет информацию об участниках конференции, периодически рассылает информацию о качестве функционирования системы (частота кадров, уровень ошибок и др.).

Основными функциями протокола RSVP являются формирование и поддержание канала с необходимыми характеристиками для проведения ВК. Этот протокол определяет механизмы, позволяющие приемнику мультимедиаинформации запросить необходимую ему полосу пропускания у всех сетевых устройств на пути к передающему узлу и сообщить последнему свои требования к характеристикам потока, который он сможет принять. Хотя протокол RSVP формально не является частью H.323, большинство современных ВК-систем для IP-сетей его поддерживает, поскольку резервирование полосы пропускания является критически важным условием реализации ВК. Естественно, что этот протокол должны поддерживать все компоненты H.323-системы (терминалы, шлюзы, MCU), а также все сетевые устройства — коммутаторы и маршрутизаторы.

Продолжение следует

КомпьютерПресс 10'1999