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基于H.323協(xié)議的IP視頻會(huì)議質(zhì)量技術(shù)

王建波 2002/12/13

　　摘要：近年來(lái)，基于H.323的IP視頻會(huì)議系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展，已經(jīng)具備了公眾運(yùn)營(yíng)的條件，而實(shí)現(xiàn)這一條件，服務(wù)質(zhì)量是關(guān)鍵。本文從兩個(gè)層面：網(wǎng)絡(luò)層面和業(yè)務(wù)層面給出了IP視頻會(huì)議的服務(wù)質(zhì)量技術(shù)。

　　1 引言

　　2001年，國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)商把目光投向IP視頻會(huì)議系統(tǒng)的建設(shè)。由于H.323協(xié)議本身的不成熟，這給IP視頻會(huì)議的公眾運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定的困難。IP視頻會(huì)議的公眾運(yùn)營(yíng)化，必須解決用戶管理、業(yè)務(wù)管理、計(jì)費(fèi)管理和視頻交換的互操作性等問(wèn)題。由于Internet是一個(gè)無(wú)連接網(wǎng)絡(luò)，只提供一種承載業(yè)務(wù)-盡力傳送(best effort)業(yè)務(wù)。也就是說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)并不保證向應(yīng)用數(shù)據(jù)流提供所需的帶寬，也不保證數(shù)據(jù)流的傳送時(shí)延和丟失率等質(zhì)量指標(biāo)。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，盡力傳送能夠滿足要求，但是對(duì)于音頻或視頻等實(shí)時(shí)通信應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)必須能支持具有一定QoS的端到端承載業(yè)務(wù)。如何提高實(shí)時(shí)性能，確保通信的QoS，是IP視頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)要求，也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。在IP視頻會(huì)議中，QoS的策略可分為兩個(gè)層面來(lái)實(shí)現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)層面和業(yè)務(wù)層面。本文從這兩個(gè)層面出發(fā)分析了IP承載網(wǎng)適合用于視頻會(huì)議的QoS策略和H.323協(xié)議本身的QoS實(shí)現(xiàn)，提出了IP視頻會(huì)議的QoS的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

　　2 確保視頻系統(tǒng)QoS的方法

　　Internet上確保IP視頻系統(tǒng)QoS有兩種方法。

　　2.1 超量工程法(overengineering)

　　即在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)預(yù)留足夠的帶寬，使得任何時(shí)候都能獲得可接受的QoS。這種方法十分簡(jiǎn)單，不需要資源預(yù)留協(xié)議和接納控制功能，但是要求部署足夠多的路由器和高速鏈路，保證即使在忙時(shí)網(wǎng)絡(luò)資源也有足夠的余量。它可用于網(wǎng)絡(luò)資源便宜、同時(shí)網(wǎng)絡(luò)最大業(yè)務(wù)量又可以預(yù)測(cè)的情況。

　　2.2綜合服務(wù)Internet方法

　　由IETF綜合服務(wù)(IntServ)工作組定義。它需定義呼叫接納控制功能資源預(yù)留協(xié)議，如RSVP。利用RSVP消息，端點(diǎn)應(yīng)用程序可以提出數(shù)據(jù)傳送全程必須保留的網(wǎng)絡(luò)資源（如帶寬、緩沖區(qū)大小等），同時(shí)也確定了沿途各路由器的傳輸調(diào)度策略，藉此，可以對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)流的QoS依次進(jìn)行控制。

　　3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上對(duì)QoS的保證

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　城域IP網(wǎng)絡(luò)通常由核心層、匯接層和接入層組成，匯接層的各節(jié)點(diǎn)通過(guò)高速鏈路連接到核心層。在城域IP網(wǎng)中，在路由器連接上考慮路由跳數(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信路由跳數(shù)最多為4跳，配置高性能路由器，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，在采用光傳輸?shù)那闆r下，一個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)一跳其延遲一般為10ms，該值不由線路的長(zhǎng)度和路由器的性能所決定（對(duì)于7500以上的路由器），所以數(shù)據(jù)包在骨干網(wǎng)中的正常延時(shí)大概在50ms左右。從這個(gè)角度考慮，延時(shí)問(wèn)題不是影響IP視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量的主要問(wèn)題。

　　3.2 路由振蕩問(wèn)題

　　路由振蕩原因分為兩個(gè)方面。

　　一個(gè)是由于鏈路狀態(tài)的改變?cè)斐傻穆酚筛淖�，如果采用IS-IS或OSPF的路由發(fā)現(xiàn)，由于該問(wèn)題要靠Hello包的檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)一次還不行，還需要檢測(cè)幾次。一般情況下，從鏈路中斷到新路由選定需要幾秒到幾十秒的時(shí)間，這樣的問(wèn)題發(fā)生在骨干網(wǎng)上將大大地影響實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)的質(zhì)量，該問(wèn)題主要通過(guò)使用MPLS的FRR能力加以保護(hù)。另一個(gè)路由振蕩問(wèn)題主要是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)造成的，對(duì)于出現(xiàn)大量的同值選路或大量的Route ReLookup或路由狀態(tài)更新振蕩的情況，防止問(wèn)題的主要方案是在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)要求所有的流量的方向和選路都需要監(jiān)控者明確地加以檢查。

　　3.3 處理振蕩問(wèn)題

　　振蕩是一個(gè)非常難于解決的問(wèn)題，由于路由器原理的問(wèn)題（相對(duì)于交換機(jī)來(lái)說(shuō)），總有一些時(shí)間可能處于較忙的時(shí)間，這可能令到單臺(tái)路由器的延遲增加到100ms以上，這樣就會(huì)造成多媒體會(huì)議系統(tǒng)的質(zhì)量發(fā)生下降。產(chǎn)生這樣的情況有時(shí)候不見(jiàn)得是由于線路上流量過(guò)多造成的，有可能在20%~30%的帶寬下也會(huì)發(fā)生這樣的事情。這樣的問(wèn)題主要是由于路由器的Buffer設(shè)置的問(wèn)題造成的。改善的方案是將路由器的Buffer設(shè)置專門為會(huì)議系統(tǒng)這樣的情況進(jìn)行優(yōu)化，不過(guò)有可能造成傳統(tǒng)IP業(yè)務(wù)的效率下降。最好的情況是采用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)進(jìn)行服務(wù)，這里有一個(gè)決策的問(wèn)題。

　　3.4 網(wǎng)絡(luò)擁塞

　　除了振蕩，網(wǎng)絡(luò)擁塞對(duì)IP視頻會(huì)議業(yè)務(wù)也有著重大影響。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要防止網(wǎng)絡(luò)擁塞的產(chǎn)生。在部署擁塞管理時(shí)，使用以下幾個(gè)步驟：

　　（1）測(cè)定WAN是否發(fā)生擁塞現(xiàn)象。

　�。�2）根據(jù)所需要管理的通信的種類、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案來(lái)決定目標(biāo)。在確定需要取得什么樣的結(jié)果的時(shí)候，考慮目標(biāo)是否位于幾條標(biāo)準(zhǔn)之中：

　　·能夠?yàn)樗_定的所有通信類型建立一種公平的帶寬分配方式；

　　·對(duì)于從IP視頻業(yè)務(wù)發(fā)送出來(lái)的通信，都能夠指定嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)。這樣可能會(huì)傷害到同時(shí)也支持的、但不是緊急的通信業(yè)務(wù)的利益；

　　·能夠自定義帶寬分配，以便在所服務(wù)的所有的應(yīng)用之間共享網(wǎng)絡(luò)資源。每一個(gè)應(yīng)用都具有特定的、已經(jīng)確定好的帶寬需求。

　�。�3）用所選定的那種排隊(duì)策略配置接口，并且觀察所得到的結(jié)果。

　　4 IP視頻業(yè)務(wù)本身的QoS的實(shí)現(xiàn)

　　如何提高實(shí)時(shí)性，確保通信的QoS，是IP視頻會(huì)議的關(guān)鍵技術(shù)要求。在這一點(diǎn)上，基于H.323的視頻會(huì)議系統(tǒng)采用IETF提出的實(shí)時(shí)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。首先，話音信號(hào)采用實(shí)時(shí)傳送協(xié)議RTP封裝傳輸。但是，RTP本身并不提供任何保證QoS的機(jī)制，要確保通信的實(shí)時(shí)性還需要IP網(wǎng)絡(luò)本身具有這方面的增強(qiáng)能力。

　　4． 1 RTP功能及設(shè)計(jì)思想

　　RTP協(xié)議為音頻、視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供端到端的傳遞服務(wù)，可以向接收端點(diǎn)傳送恢復(fù)實(shí)時(shí)信號(hào)必需的定時(shí)和順序的信息，并向收發(fā)雙方和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者提供QoS監(jiān)測(cè)的手段，降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。RTP可以大大減少你的帶寬占用。RTP還可以使視頻會(huì)議中容忍少量的丟包，以避免數(shù)據(jù)包重傳造成的時(shí)延。RTP實(shí)際包括兩個(gè)協(xié)議。

　　（1）RTP本身：用以傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其功能提供凈荷類型指示、數(shù)據(jù)分組序號(hào)、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)戳和數(shù)據(jù)源標(biāo)識(shí)。

　�。�2）RTCP：用以傳送實(shí)時(shí)信號(hào)傳遞的質(zhì)量參數(shù)，提供QoS監(jiān)視機(jī)制；同時(shí)還可傳送會(huì)議通信中的參會(huì)者的信息，向沒(méi)有顯式的成員控制和呼叫建立的"松弛型"會(huì)議通信提供控制機(jī)制。

　　H.323協(xié)議利用RTCP的SR和RR包監(jiān)測(cè)QoS。

　　SR：主要用于多RTP流，如音頻和視頻之間的同步，和H.225.0密切相關(guān)。和流同步相關(guān)的字段是RTP時(shí)戳和NTP時(shí)戳。

　　RR：用戶監(jiān)測(cè)QoS指標(biāo)，包括長(zhǎng)時(shí)指標(biāo)和短時(shí)指標(biāo)。如果丟包率高于設(shè)定值，就應(yīng)降低媒體速率。如接收?qǐng)?bào)告間隔超過(guò)設(shè)定值，則應(yīng)根據(jù)RR包中的丟失率字段判斷網(wǎng)絡(luò)是否嚴(yán)重阻塞，如是，應(yīng)降低媒體速率。如果連續(xù)3個(gè)接收?qǐng)?bào)告的到達(dá)時(shí)延抖動(dòng)值增加，發(fā)送端應(yīng)采取措施。

　　在H.245中也有測(cè)量往返時(shí)延的消息："往返時(shí)延請(qǐng)求"和"往返時(shí)延響應(yīng)"，該消息不含時(shí)間參數(shù)，請(qǐng)求發(fā)送端根據(jù)兩個(gè)消息的收發(fā)時(shí)間差即得往返時(shí)延，該時(shí)延為傳播時(shí)延、接受端排隊(duì)時(shí)延和處理時(shí)延之總和。而RTCP中根據(jù)SR和RR消息計(jì)算得出的是單純的傳播時(shí)延，直接反映網(wǎng)絡(luò)傳送的QoS。因此，二者監(jiān)測(cè)的是不同物理量，相互之間并不沖突。

　　4． 2 證QoS具體手段

　　為了維持一定的服務(wù)質(zhì)量，當(dāng)監(jiān)測(cè)到QoS指標(biāo)下降時(shí)，H.323終端采取一定措施。實(shí)際上這些措施并不是保持原有的Qos，而按照一定順序依次減低各種媒體的質(zhì)量，使得在給定的帶寬和負(fù)荷條件下仍然能向用戶提供可接受的服務(wù)。首先考慮降低質(zhì)量的是視頻信號(hào)，然后依次是數(shù)據(jù)、音頻和控制信號(hào)。采取措施可分為兩類：短時(shí)響應(yīng)和長(zhǎng)時(shí)響應(yīng)。前者旨在解決包短時(shí)丟失和時(shí)延增加的短期問(wèn)題；后者用于網(wǎng)絡(luò)擁塞日益嚴(yán)重的情況。

　　(1)動(dòng)態(tài)調(diào)整圖像帶寬

　　人們對(duì)圖像和語(yǔ)音的敏感程度是不一樣的，當(dāng)圖像碼流出現(xiàn)延遲、抖動(dòng)時(shí)，解碼后圖像表現(xiàn)為誤碼、丟幀；當(dāng)語(yǔ)音碼流出現(xiàn)延遲、抖動(dòng)時(shí)，解碼后聲音斷續(xù)。從人的感覺(jué)上對(duì)圖像的誤碼更寬容一些。為提高QoS，可以利用RTP/RTCP報(bào)告，得到關(guān)于網(wǎng)絡(luò)狀況的信息，如丟包率、包抖動(dòng)、延遲，根據(jù)這些信息動(dòng)態(tài)調(diào)整圖像帶寬。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況不好時(shí)，可以通知編碼器，降低圖像帶寬，優(yōu)先保證聲音帶寬；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況好時(shí)，通知編碼器，提高圖像帶寬。

　　(2) 唇音同步

　　接收方：對(duì)于接收方語(yǔ)音和圖像的同步，終端收到語(yǔ)音、圖像數(shù)據(jù)之后，分別放到語(yǔ)音緩沖和圖像緩沖中，定時(shí)從語(yǔ)音緩沖中取出語(yǔ)音包解碼，如果取出的語(yǔ)音包時(shí)戳與圖像吻合，就把相應(yīng)的圖像包解碼。這樣做的好處是考慮語(yǔ)音的敏感性。

　　發(fā)送方：打時(shí)戳。發(fā)送方應(yīng)該給數(shù)據(jù)包打上時(shí)戳，一方面是數(shù)據(jù)包（RTP包）的時(shí)戳，另一方面是數(shù)據(jù)控制包（RTCP包）的時(shí)戳。

　　5 結(jié)論

　　據(jù)目前種種跡象表明，基于H.323的IP視頻會(huì)議系統(tǒng)將成為寬帶IP網(wǎng)的一種潛力很大的增值業(yè)務(wù)。而它的終極目標(biāo)是公眾運(yùn)營(yíng)化，使千家萬(wàn)戶享受視頻服務(wù)。但I(xiàn)P視頻會(huì)議系統(tǒng)的公眾運(yùn)營(yíng)化，涉及到很多問(wèn)題，服務(wù)質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)IP視頻會(huì)議開(kāi)展的關(guān)鍵，所以在IP視頻的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要統(tǒng)一做好服務(wù)質(zhì)量的設(shè)計(jì)。由于IP視頻會(huì)議是一項(xiàng)新興的技術(shù)，本身還處于發(fā)展中，很多技術(shù)有待于進(jìn)一步的研究和探討。

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