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        一種適用于自組網(wǎng)的流媒體協(xié)議設計

        2015-04-14 03:05:08畢海霞
        火控雷達技術 2015年3期
        關鍵詞:應用層音視頻服務器

        畢海霞

        (西安電子工程研究所 西安 710100)

        0 引言

        當前戰(zhàn)爭中,多軍兵種協(xié)同的需求越來越迫切,協(xié)同作戰(zhàn)所需的傳輸信息量急劇上升,傳輸業(yè)務種類也越來越多。自組網(wǎng)因其無中心、自組織、多跳路由和動態(tài)拓撲的特征,網(wǎng)絡快速部署、抗毀性強和組網(wǎng)靈活等優(yōu)點,成為了近年來軍事信息化應用中的研究熱點。自組網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)議分為物理層,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡層,傳輸層和應用層四部分。應用層的設計高效與否會影響整個自組網(wǎng)系統(tǒng)的性能,本文就此開展研究,提出了一種適用于自組網(wǎng)的流媒體應用層設計。

        自組網(wǎng)應用層是一套基于PC 或嵌入式平臺的軟件系統(tǒng),主要實現(xiàn)通信業(yè)務、運維管理類兩部分功能。通信業(yè)務實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能,主要包括語音、視頻、撥號通話、短消息、01 數(shù)據(jù)、02 指令通信功能;此外,運維管理類用戶信息管理可以從點名業(yè)務中獲取應用層用戶信息,包括用戶狀態(tài)、漫游狀態(tài)等信息等。

        網(wǎng)絡管理包括拓撲顯示、用戶信息管理、網(wǎng)絡參數(shù)配置和自組網(wǎng)設備狀態(tài)管理四部分功能,其中拓撲顯示實現(xiàn)點到點鏈路查詢、業(yè)務拓撲查詢和實時拓撲查詢,分別反映網(wǎng)絡本地節(jié)點和任意另外一個節(jié)點間的鏈路連接信息,網(wǎng)絡傳輸業(yè)務的連接信息和即時的網(wǎng)絡拓撲連接信息;用戶信息管理通過點名及自組網(wǎng)設備狀態(tài)管理功能獲取自組網(wǎng)用戶信息,生成用戶信息數(shù)據(jù)庫,一方面為通信業(yè)務類功能提供通信時所需的通信錄,另一方面為運維管理類功能提供網(wǎng)絡維護時所需的用戶信息;網(wǎng)絡參數(shù)配置主要對自組網(wǎng)設備的IP 地址、網(wǎng)關地址、頻段及頻點等信息進行配置。

        ANI(Application Network Interface)接口及隊列調度,對通信業(yè)務、網(wǎng)絡管理及運維支撐三部分功能產(chǎn)生及收到的數(shù)據(jù)包進行封包或解包,并根據(jù)業(yè)務的優(yōu)先級進行發(fā)送和接收隊列的調度。

        1 系統(tǒng)總體架構

        自組網(wǎng)應用層通信示意圖如下所示。對音視頻業(yè)務,應用層采集攝像頭和話筒數(shù)據(jù)后,進行音視頻編碼,然后在網(wǎng)絡協(xié)議控制下,進入通信網(wǎng)絡進行傳輸,對端收到音視頻數(shù)據(jù),進行解碼及恢復工作;對數(shù)據(jù)類通信業(yè)務,應用層接收到數(shù)據(jù)后,在網(wǎng)絡協(xié)議處理后,進入通信網(wǎng)絡傳輸至對端;對網(wǎng)絡管理類及運維支撐類數(shù)據(jù),應用層進行解析后,與底層協(xié)議進行交互,或進入通信網(wǎng)路。

        通過對應用層軟件功能進行分析,可將其分解為以下子功能:

        (1)實現(xiàn)VOIP 語音及視頻,包括語音及視頻的采集、編碼及封包和解包。

        (2)實現(xiàn)對通信業(yè)務的差異化處理(封裝ANI頭,不同的優(yōu)先級及QoS 處理策略),并實現(xiàn)網(wǎng)絡管理及運維支撐類業(yè)務的功能。

        (3)實現(xiàn)一個可移植、穩(wěn)健的平臺,功能包括操作系統(tǒng)適配,socket 抽象,消息包管理,進程監(jiān)控,定時器管理及日志等。

        (4)實現(xiàn)UI用戶界面,便于用戶操作。

        綜上分析,應用層邏輯架構如下圖所示。

        圖1 應用層邏輯架構

        2 信令面協(xié)議設計

        2.1 VoIP 協(xié)議分析

        VoIP(Voice Over Internet Protocol)是建立在Internet 基礎上的新型數(shù)字化傳輸技術,是在IP(Internet Protocol)網(wǎng)上進行實時音視頻,數(shù)據(jù)和文件等業(yè)務傳輸?shù)募夹g[1]。

        H.323[2]和SIP[3]是VoIP 協(xié)議中最主要的兩種信令面協(xié)議,分別由ITU-T 和IETF 制定。兩者均利用RTP/RTCP(Real-Time Protocol/Real-Time Control Protocol)作為多媒體通信的應用層控制協(xié)議,因此,兩者所提供的信令功能類似;但由于制定機構不同,兩者在設計風格上差別巨大。

        下表從幾個方面對兩種協(xié)議進行比較與分析:

        表1 H.323 和SIP 協(xié)議比較

        續(xù)表

        綜上分析,H.323 基于傳統(tǒng)的電話信令架構而設計,協(xié)議發(fā)展較成熟,但由于架構龐雜,難以理解和實現(xiàn)。并且,H.323 的版本更新必須遵循向前兼容的原則,這意味著,隨著應用的不斷更新,即使某些舊特性不再具有應用價值也不會被淘汰掉,而同時新特性不斷累加,這無疑將導致協(xié)議越來越來龐雜。而SIP 協(xié)議在設計時遵循了簡單、開放、兼容和可擴展等原則。隨著應用的發(fā)展,被淘汰的舊的首部和取值將逐漸消失,保證了協(xié)議的簡潔。同時,SIP 協(xié)議在消息格式上編碼更方便,使得SIP 協(xié)議在擴展方面能夠產(chǎn)生更有效率的應用。因此,本設計中選用SIP 協(xié)議作為VoIP 信令面協(xié)議。

        2.2 傳統(tǒng)的SIP 系統(tǒng)及呼叫流程

        一個SIP 系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡服務器和用戶代理(User Agent)組成。UA(User Agent)也稱作SIP 終端,而網(wǎng)絡服務器包括代理服務器、注冊服務器和重定向服務器等。SIP 會話主要由這四個應用實體來完成[6]。

        ●用戶代理

        UA 為終端用戶的通信提供多功能的界面。目前的SIP UA 通??芍С终Z音,即時消息和視頻等多種業(yè)務。其主要功能包括會話發(fā)起,會話保持,會話轉接等6]。

        ●代理服務器

        代理服務器的主要功能是路由并轉發(fā)用戶的呼叫請求。當某用戶發(fā)起會話時,其UA 會生成一個SIP 請求消息并發(fā)送至對應的代理服務器,然后,代理服務器將請求消息轉發(fā)至對端的UA,從而搭建起用戶間交互的橋梁[6]。

        ●重定向服務器

        重定向服務器的功能不同于代理服務器。當收到用戶請求時,重定向服務器并不轉發(fā),而是執(zhí)行查找操作,獲得被請求用戶的地址信息,并將其回復給請求用戶。請求用戶接收到地址信息后,將直接向被請求用戶發(fā)送會話請求[6]。

        ●注冊服務器

        注冊服務器的主要功能是處理用戶的注冊請求,從而完成用戶地址的更新。當用戶登錄時,UA會向注冊服務器發(fā)送注冊消息,并將自己的IP 地址告訴注冊服務器,注冊服務器將用戶的IP 地址與用戶綁定,以方便其他用戶對其進行查找[6]。

        傳統(tǒng)的SIP 呼叫流程如下圖所示。

        圖2 SIP 會話的建立過程

        2.3 適用于自組網(wǎng)系統(tǒng)的SIP 協(xié)議

        傳統(tǒng)的SIP 協(xié)議采用了C/S 架構。由于SIP 協(xié)議用戶數(shù)目過于龐大,必須由專門的服務器完成用戶注冊(用戶自身信息,包括ID 與地址之間的映射關系等注冊于服務器上),以及用戶的鑒權,重定向等工作。再通過邀請(INVITE)流程發(fā)起會話建立,協(xié)商雙方的用戶面(語音)編碼方式、傳輸?shù)刂?端口等信息,為后續(xù)傳輸用戶面語音幀的RTP/RTCP協(xié)議協(xié)商和分配資源,除此之外,INVITE 流程還包括一系列后續(xù)雙方的行為交互,包括振鈴、轉接、接聽/拒絕等等。

        而自組網(wǎng)應用層的需求具有以下幾個特點:,

        ●節(jié)點數(shù)目少

        自組網(wǎng)節(jié)點數(shù)目一般為幾十個。

        ●SIP 終端IP 地址固定

        由于應用場景的特殊性,每個SIP 終端在使用前必須配置好IP 地址。即使IP 地址發(fā)生變更,也會通過網(wǎng)絡傳輸告知其他相關SIP 終端。且,每個SIP 終端上均保存了其他SIP 終端的IP 地址。

        ●自組網(wǎng)中節(jié)點地位平等

        出于抗毀性的考慮,自組網(wǎng)各節(jié)點地位平等,任何一個節(jié)點損毀都不會影響其他節(jié)點的通信。如果設置其中某些節(jié)點作為SIP 網(wǎng)絡中的服務器,那如果該節(jié)點被毀,則網(wǎng)絡將癱瘓。

        綜上分析,自組網(wǎng)應用場景下,SIP 協(xié)議中的服務器是不可以也無需存在的。針對該需求,剔除服務器的功能,將SIP 會話流程修改如下:

        圖3 適用于自組網(wǎng)的SIP 會話流程

        (1)用戶A 向用戶B 通過“INVITE”消息發(fā)起會話請求,會話請求消息體中帶有用戶A 的媒體屬性描述;

        (2)用戶B 振鈴,向用戶A 返回響應消息“180 RINGING”,用戶A 播放回鈴音;

        (3)用戶B 摘機,并向用戶A 返回對“INVITE”請求的響應消息“200 OK”,響應消息的消息體中帶有用戶B 的媒體屬性描述;

        (4)用戶A 發(fā)送針對響應消息“200 OK”的ACK 確認請求消息。此時,用戶A 與B 會話建立,開始進行多媒體會話;

        (5)用戶B 掛機,用戶B 向用戶A 發(fā)送Bye 請求消息;

        (6)用戶A 返回對Bye 請求消息的“200 OK”響應消息,通話結束。

        3 用戶面協(xié)議設計

        3.1 RTP/RTCP 協(xié)議分析

        在流媒體研究中,對音視頻文件的實時傳輸要求較低的時延和較小的丟包率?;谶B接的TCP協(xié)議是一種可靠的傳輸層協(xié)議,但為保證可靠傳輸而設計的三次握手機制,擁塞控制技術和重發(fā)機制導致開銷增大,時延增加,無法很好地支持穩(wěn)定速率的流媒體數(shù)據(jù)的平滑傳輸;而無連接的傳輸層協(xié)議UDP 沒有任何QoS 保證,無法保證數(shù)據(jù)的可靠傳送。為解決上述矛盾,實現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)在IP 上的實時可靠傳輸,需要在傳輸層和應用層協(xié)議之間增加一個通信控制層,即RTP/RTCP[7]協(xié)議。RTP 可提供編碼數(shù)據(jù)的實時傳輸,RTCP 則向會話中的所有成員周期性地發(fā)送控制信息反饋數(shù)據(jù)傳送情況,以便對發(fā)送速率,服務質量和擁塞進行控制。其端到端傳輸流程描述如下:

        音視頻信息經(jīng)編碼器處理后形成多媒體數(shù)據(jù)流,RTP 協(xié)議對多媒體數(shù)據(jù)進行封裝后交由網(wǎng)絡傳輸。對端網(wǎng)絡傳輸模塊接收到多媒體數(shù)據(jù)后交由RTP 協(xié)議進行解封處理,然后音視頻解碼模塊對數(shù)據(jù)進行解碼,恢復原有音視頻信號。在對多媒體數(shù)據(jù)進行封裝和解封時,RTP 協(xié)議會根據(jù)數(shù)據(jù)包中所攜帶的載荷類型、時間戳、幀邊界等包頭信息對音視頻信號進行同步控制。

        在多媒體數(shù)據(jù)傳輸過程中,RTP/RTCP 協(xié)議多運行于UDP 協(xié)議之上。這是因為RTCP 協(xié)議能實時進行質量和擁塞控制,無需下層的傳輸層協(xié)議進行QoS 保證;同時,UDP 協(xié)議的傳輸時延低于TCP協(xié)議,能保證多媒體數(shù)據(jù)流的流暢傳輸。當然,當存在對可靠性要求非常高的數(shù)據(jù)傳輸需求時,也可將RTP/RTCP 協(xié)議運行于TCP 協(xié)議之上,數(shù)據(jù)和控制信令的傳輸即適用于該類情況。

        圖4(a)表示了RTP/RTCP 與各種網(wǎng)絡協(xié)議的關系。

        3.1 適用于自組網(wǎng)系統(tǒng)的用戶面協(xié)議

        軍事應用中,自組網(wǎng)系統(tǒng)的業(yè)務主要分為音視頻和數(shù)據(jù)兩部分。按照傳統(tǒng)的RTP 使用方法,音視頻一般采用UDP 傳輸,而數(shù)據(jù)和控制指令采用TCP傳輸。考慮到系統(tǒng)對時延要求較高,尤其是火控數(shù)據(jù),而TCP 連接建立過程中需要三次握手,若采用該協(xié)議,將對時延指標的實現(xiàn)帶來巨大壓力。因此,本系統(tǒng)所有通信業(yè)務的傳輸均采用UDP 協(xié)議。

        由于音視頻數(shù)據(jù)對時延和抖動要求較高,因此,必須使用RTP/RTCP 監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸,保證傳輸質量,因此,音視頻傳輸協(xié)議棧定義如圖4(b)所示

        由于軍事應用中的某些數(shù)據(jù)(比如火指控數(shù)據(jù))對時延要求非常高,若使用SIP+RTP/RTCP 的方式進行傳輸,則在真正的數(shù)據(jù)傳輸前,必須首先進行四次SIP 握手,這將導致時延大幅增加。因此,建議數(shù)據(jù)傳輸時,不使用SIP 進行信令交互,同時,數(shù)據(jù)面協(xié)議中不封裝RTP/RTCP 頭以減小數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧修改如圖4(c)所示。

        圖4 自組網(wǎng)用戶面協(xié)議棧圖示

        4 結束語

        本文分析了應用層流媒體協(xié)議的特性,針對自組網(wǎng)的應用需求,進行了協(xié)議選型。由于自組網(wǎng)系統(tǒng)具有節(jié)點平等,移動性強及無線傳輸質量差的網(wǎng)絡特性,對所選擇的SIP 和RTP/RTCP 協(xié)議架構及呼叫流程進行了修改,使其適用于自組織網(wǎng)絡,是一種可行的自組網(wǎng)流媒體協(xié)議。

        [1]郝中偉,郝中娜.基于WEB 的呼叫中心[J].信息技術,2002,(6):61-64.

        [2]H.323 Standards.http://www.h323forum.org/standards/.

        [3]J.Rosenberg,H.Schulzrinne,G.Camarillo.SIP:Session Initiation Protocol.RFC 3261,IETF,June,2002.

        [4]林韜.基于SIP 的多媒體通信研究與實現(xiàn),[D].北京:北京郵電大學,2009:2-18.

        [5]崔學敏.視頻通信協(xié)議技術的分析研究與應用[D].昆明:昆明理工大學,2007:3-12.

        [6]韓磊磊.基于P2P-SIP 的VoIP 關鍵技術研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2010:44-20.

        [7]RFC3550,RTP:A Transport Protocol for Real-Time Applications.

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