1、中国海洋大学硕士学位论文基于校园网的视频组播系统研究与应用姓名：周跃东申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：郭忠文20070603基于校园网的视频组播系统研究与应用摘要随着计算枧网络技术的发展，像视频会议这样的多媒体业务得到了越来越多的应用。一方面，在这些业务 中，很适合用组播的方式一次性地将报文传送到多个接收者。口组播是目前解决流媒体一对多点传输的理想技术，它能够更好地节约网络资源。提高传输效率，以节省网络资源。和两大组织分别提出自己的网络流媒体架构，高速的压缩技术和相关协议标准的制定，使在数字信道上进行交互式流媒体传输成为可能。视频会议系统是融计算机技术、通信网络技术、微电子技术
2、于一体的多媒体通信系统，它已 经由传统基于的型系统转变为基于网的型系 统，会 议中视音频 的传输不再采用单播，而采用组播技术实现。另一方面， 这些业务都是一些实时性很强的业务，需要提供服务质量（）保障，并利用策略和机制实现对媒体流的服务质量迸行控制，以达到视频会议所需的实时和交互要求。校园数字化建设分为既相对独立又紧密协作的两个部分：实时视频交互系统和多媒体交互式教学平台。目前，许多校园已经实现“主干千兆，桌面百”的网络升级改造，如何利用高带宽的校园网络，在高 质量地提供传统网络服务的同时，进行丰富多彩的多媒体应用，更好地服务于教学和科研，已经成为今后校园网建设的中心任务。在良好的校园网络环境
3、下，利用先 进的流媒体技术来开展两络教学、视频点播、网络电视、视频 会议、网络真播和网络监控等应用有非常大的实用价值。本文主要内容是围绕着解决在校园网环境内建立起网络多点视频会议系统的问题，并对支持的 视频组播系统设计中的一些关键技术做了深入研究与分析。本文分为六个部分，第一部分提出了支持组播的视频会议系统的研究目标与背景，简单介绍了视频会议的发展和应用，介 绍了视频会议的重要技术基础四组播与技术的 发展和应用。第二部分主要介绍了视频会议涉及的主要协议及技术一视频会议标准、协议和口组播技术。第三部分根据校园网的实际情况设计构建了视频组播会议系统方案。并配置实现组播校园网络。第四部针对口网络在方
4、面的缺陷，通 过对网络 服务质量保障技术的研，笛时，鞠珞】，蜘，柚（），（，雠觚”， ，、撕，（），：；独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得！注；堑遗直基焦爰噩缱塑直蛆的：奎拦亘窒！或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作一：峄南一舭庐月；日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文
5、的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签字：参建苦签字日期：年月日签字日期：年月日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址；电话：邮编基于校园网的视频组插系统研究与应用引言研究的背景、目的和意义近年来，网络传输和处理能力的大幅度提高，网上 应用业务越来越多，如网络视频会议、多媒体远程教育、软件分发、网络音瓤视频广播、信息发布（如股市行情发布、缓存更新等）、协同计算、远程医疗川【等，这些新的应用都有一个共同的特征：
6、点到多点或多点到多点的新型数据传输业务。而口 组播技术有其独特的优越性，在组播网络中，即使用户数量成倍增长，主干 带宽不需要随之增加。视频组播技术已经成为越来越多的基于组通信多方参与的多媒体应用的核心组成部分。随着网络技术、多媒体处理技术的发展，视频组播系 统已经成为网络多媒体技术领域的个研究热点嘲。通过视频组播系统实现了人与人之间的又一种便捷的沟通方式，这也必然会成为发挥现有校园网作用的最佳选择。随着数字化校园的建设，使得校园网络多媒体通信的应用成为可能，跨校区网络视频会议及教学支撑平台作为教育信息化的基础设施，成为目前最紧迫的首要任务。视频 会议系统是集语音、 图像、数据于一体的一种交互式
7、多媒体通信业务。根据校园网络的特点，实现基于校园网络的视频应用应选择视频技术。而基于校园网的视频组播系统平台是数字化校园的核心组成部分，其基本特征是能在计算机网络上进行高效率实时多媒体信息多点传输，真正实现分布式会议、实时远程授课，在网 络虚拟空间中完成传统教学过程的模拟，有力促进教育改革和教学手段现代化。某大学在市内包括三个校区，现己具有一个覆盖个校区的高带宽校园网。由于各个校区相距甚远，集中开会较难，若能在校园网上召开视频会议，可以节约许多人力、 财力， 节约时间 ，提高办事效率。另外，教师们不必经常奔波于各个校区，同时还 可以利用视频会议系统进行网上教学，机房、实验室的远程监控，无人监考
8、以及语音聊天，网上座谈，极大地丰富校园网的多媒体应用，改进教学工作、丰富校园生活。为 此，需要以校园网 为依托，建设一个包含个会议终端的多点视频会议系统，把三校区各会场实时的现场场景和语音通过网络互连起来，使各方入会用户有“面对面”交谈的感觉，提高学校管理和决策效率是非常必要的。它的建设将为学校教学、科研和管理提供了全新的支撑（研究）平台，同基于校园网的视颁组播系统研究与应用时，通过这个平台，使各校区沟通更加 经济、高效和灵活。国内外研究状况和应用前景视频会议的最初形式是会议电视，年，美国贝尔实验室在纽约国际博览会上展出了世界上最早的可视电话机，它的频带为到，即在一个模拟话 路上传送黑白静止硬
9、拷贝图 像，其 图像和话音采用时分传送方式。其后，美国公司研制出带宽黑白会议电视系统，可提供黑白、静止或活动的点对点会议电视业务。 经过改进后的于年代初在匹兹堡和芝加哥之间开始用于商业业务。其后也出现了各种改进及其它的会议电视系统，但此时的会议电视系统由于其大带宽要求使其实用性不大，故其性能、价格和成本都不具有良好的推广条件。年，原制定出适合或通信网的系列建议，首次为会议电视和可视电话制定了标准。国际标准的制定大大激发了世界各国对会议电视系统的研制、开发的积极性。但是由于系列建议采用固定的基群速率传输及简单的图像压缩技术，因而仍不能满足实际会议电视的需要。年，原和共同开展了图像标准化方面的工作
10、，不断提出和完善会议电视的统一标准系列建议，把会议电视标准化推向新的阶段，同时也为会议电视的实用化铺平了道路。年，原的第十五研究小组提出了视频会议、可视电话的建议，并于年月通过。该建议不仅规定了编码器的主要结构，也规定了会议电视视频信号的组成、 纠错方法和数据结构， 为各种产品的国际间互通提供了保证。从此，会 议电视作为一种产业开始迅速发展，也就是从这个时候开始，会议电视才可以称得上是视频会议。世纪年代初，推出的标准， 结束了各制造商因 标准、算法不统一而带来的混乱无序。年，又制定了基于口分组交换网的视频会议标准，先后推出的 【系列，使得视频会议的研究转向网发展，有力地推 动了视频会议、可 视
11、电话等多点音，视频通信系统的发展。综上所述，随着等标准的制定和完善，基于网的视频会议系统将成为该领域发展的主流”。视频会议系统自年进入我国，在十多年来得到了快速的发展。早期，我国研究开发的视频会议系统多是面向，或，如国防科技大学基于校园同的视频组播系统研究与应用的基于校园网的多点桌面会议系统，中科院声学所开发的基于的视听多媒体桌面视频会议系统，北京邮电大学研究的简单桌面会议电视系统等。近年来，随着视频会议技术和网络建设的发展出现了基于组播的视频会议技术】【】。它首先由美国加州大学伯克利分校于上个世纪年代初研制成功，是现有基于组播视频会议系统的技术基础。清华大学对基于组播视频会议系统的研究与实验
12、在国内起步很早，年月，基于隧道技术，通过鼢咂的国际连接，与美国加州大学（由个分校组成）成功地进行了我国首例基于组播的视频会议试验，实现了与其中两校的校长级网络会谈。年月年月，清华大学网络中心参加国家主题重大课题。基于高速两的多媒体远程教育示范系统”，负责 研制基于组播视频会议技术的多点实时授课系统。年月，基于隧道技术，依托高速主干网，成功地 进行了有清华大学、复旦大学、东南大学和华南理上大学个学校共同参加的系统演示，是我国首例在国内主干网上基于组播的视频会议实验。年月，视频会议系统正式大规模运行。和其他的视频会议系统相比，系统的交互能力比较强，任何一个会场都可以显示所有会场的图像并随时成为主会
13、场，进行自由的讨论。从理论 上讲，只要有充足的带宽，该系统可以支持无限多个会场同时举行会议。清华大学、复旦大学等所高校 举行视频会议，所需带宽仅在左右。系统的运行成功，使中国人在组播视频会议这个领域有了发言权。组播技术是视频会议系统中不可或缺的技术。年最先提出了组播模型，历经多年的研究和 发展，口组播已经形成了较为完整的组播协议体系，具体包括组播主机和网络的交互协议、组播路由协议和组播的地址管理协议等。在他的一篇论文中提出了利用网络层实现组播的架构】。在这个架构中路由器分布式的定义了一个组播树，当数据包从树的根节点即数据源发出后，数据包在不同的树结点路由器上进行复制，最后到达每个接收终端。由于
14、能有效地减少数据包的复制到最小的限度，口组播一直以来被认为是最有效的一种用来实现数据的群分发的方法，这也正是当初提出组播的原因【”。组播技术被认为是、椰技 术 推广之后出现的最激动人心的网络技术之一。年出现支持口组播的（组播主干网）和桌面工具；年到基于校园网的视频组播系统研究与应用年间，组播成为业界关注的焦点，然而因 发展条件不成熟使得组播只为业界所关注；进入年以来，组播具备了发展的三个关键条件：支持组播的路由协议：基于开放标准的可测试管理协议；因商业发展机遇而进入高速发展阶段，因此，又一次掀起了 组播实践的高潮。虽然对组播的研究一直都在进行，但是由于组播本身所带来的缺点，使得 组播至今并没有
15、能够得到广泛的应用。现有网络视频会议系统一般基于协议，通过多点控制单元（集中控制和反射实现多点视频会议。这使得成 为单一故障点和流量拥塞点【嘲。组播技 术通过在网络传输路径上生成共享传递树的方式，克服了单播通信在相同路径上重复占用带宽的局限【枷，对于大数据量的多点视频流传输具有重要意义。在世界各国开展的下一代互联网研究计划中，基于组播的视频会议是典型应用之一【”。众所周知，网构建在“分组交换”的技术基础之上，提供的是“尽力而为”（，）的服务，无法保 证传输的实时性和到达的顺序性。 这对于要求保证准确性而对时延和抖动不敏感的数据业务来说是较为合适的，但对于视、音频等对时延和抖动敏感的媒体业务来说
16、显然是不合适的，这也正是限错 视频会议系统在网上大规模应用的一个很大的障碍。如何克服这个障碍呢？其中一个可行的方案就是在现有网络的基础上，实施服务质量（，）控制，通过提高网络的服务质量来满足不同的业务传输要求】。尽管国内外相应的研究已经开展了很长一段时间，但是到目前为止还未出现成熟的实施技术。因此无论对于视频会议系统的发展还是对于网络演进，如何保证都是一个重要而且紧迫的研究方向。当前主要的技术有集成服务（），区分服务（），路由和口钠。集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的保证：区分服务的基木思想是将用户的数据流按照服务质量要求来划分等级，
17、任何用户的数据流都可以自由进入网络，但是当网络出现拥塞时， 级别高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。多协议标签交换并不是主要的机制，也不是的体系结 构，但的显式路由功能大大增强了在网络基于校园两的视频组插系统研究与应用中实施流量工程的能力。对于骨干网业务提供者来说，这是目前使用最普遍，可实现性最强的一种机制。目前，研究的另一发展 趋势是多种技术的结合，即多层次（应用层、传输层、网络层 、链路层、物理层），多平面（数据平面、控制平面和管理平面）的研究相结合，研究各层、各面之间的交互作用，将各种机制综合起来，改善口网的服务质量【。本文研究主要内容本论文首先讨论了视频会议系统
18、和组播技术的国内外研究状况和发展趋势，然后，对基于校园网的 视频组播系统的几个关键技术，包括视频会议标准，协议 ，组播技术，基于口网络视频流传输策略等，进行了深入的分析讨论。结合这些技术，通 过对一个实际的校园网建设项目的分析研究，提出一种基于校园网的多点视频组播会议系统的设计方案，包括会议系统的需求、设计原则 、总体设计 和实现等方面，最后， 针对 如何提高该系统的服务质量，通过对系统 实现机制的研究，提出系统 优化构思和初步解决方法，达到提高该系统的服务质量的目的。本论文组织结构本文的结构作如下的安排：第一章是引言，阐述论文研究的背景、目的和意义，介绍国内外研究状况和应用前景和存在的问题，
19、介绍本文的研究目标、主要内容和组织结构。第二章是主要介绍了视频会议涉及的主要协议及技术视频会议标准、协议和组播技术。第三章是根据校园网的实际情况，设计并提出构建视频组播会议系统方案，并配置实现组播校园网络。第四章是针对网络在方面的缺陷，通过对网络服务质量保障技术的研究，论述了的解决途径和 实施方法。第五章是针对如何提高系统的服务质量保证，介绍该会议系统在终端会议系统中的设计构思和解决方案。第六章是对全文的总结和未来工作的展望。摹校园网的视频组播系统研究与应用基于校园网的视频组播系统相关技术分析为了提出本文校园网视频组播会议系统设计方案，这里首先简单分析下与本系统相关通信协议和技术。视频会议标准
20、的概述视频会议系统有众多的标准，而目前应用最广泛的主要是标准和标准。 视频会议终端为了达到基本的音视频效果，系统要求至少保证的 专用带宽。视频会议终端最好能达到以上的 专用带宽。以前的视频会议系绀】是基于的，需要固定路由及保 证，协议的用户层的较成熟的接入方式是专线接入（如，专线等），这种方式稳定性高，通信速率可达到，图像质量好，它的缺点是网络的利用率低、设置联接不方便、接入不灵活、开放性很差，而且通信成本较高，在分组交换网络无法实现。为了能在无保证的分组交换网络上展开视频会议，由的第研究组于年通过建议的第一版，并在年提出了，的第二版，近年又推出第版【。制定了保证的分组网络上的多媒体通信系统标
21、准，这些分组网络主宰了当今的桌面网络系统，包括基于，分组交换的以太网、快速以太网、令牌网、技术。因此， 标准为，上的多媒体通信应用提供了技术基础和保障。协议的视频会议系统只需要的带宽，且使用非常灵活， 设备价格相对便宜，可被大多数用户接受。协议是对不保证服务质量的分组交换网的多媒体通信给出的一系列多媒体数据压缩和数据传输协议技术规范，主要应用于视频会议。视频会议系统和其他应用系统不同的是：分组交换网上的通信对时延和抖动较为敏感，如果网络的服务质量不能保证，会议是无法召开的。采用作为传输层协议，以协议作 为音频和视频流的同步机制，并测量网络的，采取测量和降低服 务质量相结合的办法来保证会议正常进
22、行。实际上，可用于任意分组交换网，与底 层物理层无关。网 络应提供可基干校园网的视频组擂系统研究与应用靠的传输机制（如）和不可靠的机制（如）。可靠的传输的机制用确认和重传方式保证分组的正确传输，而不可靠的传输机制尽快传输分组而不纠错。典型的个例子是运行或协议的以太网。该标准独立于网络拓扑结构。终端可以是星型结构或多路结构，通过集线器、网 桥、路由器拨号连接进行通信。会议系统的组成局域网上视频会议系统的组成功能部件包括：终端、网关（）、网闸（侧 ）和多点控制 单 元（：），如 图所示。臣口圈 无鲫僻的圳南奴曲卤图视频会议系统的组成终端：终端是分组网络的一个端点，可以与其他实体进行实时双向（音视频
23、和数据）通信。它必须能支持声音通信，但支持视频及数据通信是可选的。下面是一个典型的终端设备组成框图，如图所示。视频输脯出设备黢糍接收音频输入确出设备音藏 慧用户敦据应用蛸接口统控制层聂统控嗣控制用户接呼叫控镧控制图终端框图基于校园网的视频组播系统研究与应用网关：网关在系统中是可选的，提供端点和非端点之间的呼叫建立、连接和清除功能，完成 终端和其他终端之问的转换功能，包括不同传输格式和不同通信规程之间的转换。所有终端可通过网关实现与其他类型终端的互通。网闸：也可以称为关守或网闸，有对整个网络进行控制的功能，基本功能有地址翻译、带宽控制、许可控制等；可选功能有呼叫鉴权、呼叫控制信令和呼叫管理等，类
24、 似于传统计算机网络中的网管。 执行两个重要的控制功能。第一是地址翻译功能，将终端和网关的别名翻译成；第二是带宽控制功能。例如，网络管理员可定义同时参加会议用户数的门限值，一旦用户数达到此设定值，网闸就可以拒绝任何超过该门限值的连接请求。这将使整个会议所占有的带宽限制在网络总带宽的某一可行的范围内，剩余部分则留给、文件传输和其他协议。虽然从逻辑 上，网 闸 和节点设备是分离的，但是实际上可以将网闸的功能融入终端、网关和多点控制单元等设备中。：是会议 通信的重要设备 ，提供三点或更多点之间的会议的功能，它相当于一个交换机，不 仅要管理和控制会议，而且还要对各个终端送来的信号进行音频混合、 视频交
25、换或混合以及数据分配，然后将处理后的音视频流和数据流再送回参加会议的终端。由必不可少的多点控制器（）以及零个或多个多点处理器（）组成。对终端等会议资源进行控制，对多媒体信息流进行处理。协议簇标准规定了一组协议，如图所示。 该协议簇是一个有机的整体，根据功能可以将其分为四类协议，也就是说该协议从系统的总体框架（）、视频编解码（）、音频编解码（）、系统控￥（）、数据流的复用（）等各方面作了比较详细的规定。基于校园网的视频组播系统研究与应用圜回圈圈 电子痨扳缒文件传虚用控廖共事，皴髫协议呼叫撩制 僖令僵图协议层次结构图系统控制是终端的核心。整个系统控制由控制信道、呼叫信令信道和（注册、许可、状 态）
26、信道提供，多媒体会 议数据协议是。按照中对信息分包和同步的 规定，（） 协议允许对音频和视频流开放不同的信道。（）协议可以根据接收到的服务质量调整带宽。协议是在连接建立之前，用于协商节点的音频和视频的编解码方式，以使各节点可以根据自己的服务质量选择提供什么样的视频、音频效果。而各种信令，控制和维护的相关操作则由，以及网闸规范提供。这些控制信息使用方式来传送。协议视频会议系统采用协议传输控制信令，协议传输视音频流。是用于计算机通信的一组协议，我们通常称它为协议簇。由四层组成， 这四层包括【引：网 络接口 层（）、网 络互联层（），传输层（）、应用层（）。而其中的和疋是两个独立且紧密结合的协议，负
27、责管理和引导数据报文在上的传输。二者使用专门的报文头定义每个报文的内容。负责和远程主机的连接：口负责寻址，使报文正确的至达目的地。网际协议口协议已经成为世界上最重要的网际协议。年月发布的，基于校园网的视频组播系统研究与应用是今天版本的基础文档。一直在演进， 现在的版本是，新的版本几近完成。但是当前的标准且被广泛接受。协议是一个简单的无连接服务，它不能提供重发功能，允许两台主机之间交换通信数据而无须先进行呼叫建立。数据报协议非常简单，它没有可靠性机制，不具有底层网络进行差错恢复的功能，也没有流量控制机制。因此，必须依靠一个上层协议（如）来保证数据传输的可靠性。下图是它的包头格式：葳奉号曩又长曩暑
28、灸童摹长囊掾祆符艨毫簟分冀位移生成时两协坦号头擅蕾地址目的域麓任选磺其茏鼍图包头格式主要的网络功能有：）处理来自传输层的分组发送请求，收到 请 求后，将分 组装入数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据 报发往适当的网络接口。（）处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻址。假如本主机 为该数据报的信宿主机，则去掉报头，将剩下部分交 给适当的传输协议；假如本主机不是，则转发该数据报。（）处理路径、流控，拥塞等问题。这些功能和传输协议及数据链路层协议协同工作。传输控制协议是传输层协议。它使用数据报，提供可靠的应用数据传输。在两个或多个主机之间建立面向连接的通信。支持多数据流操作，提供
29、流控和错误控制，对 乱序到达的报文重新排序。 这个协议在年月 发布的中进行定义【，但是直到现在，还在不断地发展和完善当中。提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用基于校园网的视频组播系统研究与应用的应用在彼此交换数据之前必须先建立一个连接。在一个连接中，仅有两方进行通信，广播和组播不能用于提供可靠的数据传输也是有代价的，它需要更多的处理时间和网络带宽 ，模块的复杂度也比大得多。下图是它的报文格式：螺口专船口粤一序号认甩副慑曩位粥目吣控蕾口羹丘砷大小）控羹譬曩竹正骞乜叠长童￥母 赛墨图包 头格式在通信会话中提供非常重要的作用。其功能包括：（）多路复用数据流提供用户应 用与网络
30、通信 协议之间的接口。并不只被限制于一个应用，能同时 接收多个应用数据。把它们打包到数据段中，之后传给。这是通过不同的应用对应不同的端口来实现的。（）测试数据的完整性封装在段中的数据经过 数学计算。并把结果放在头的校验和域中。数据到达目的地后，对接收数据执行相同的数学计算，如果二者相同，则数据没被改变过。否则，就要给源主机发送请求，要求其重 发数据。（）重新排序在传输过程中，路由 协议很可能对报文选择不同的网络路径。另外，报文在传输过程中可能丢失或损坏，因此到达目的机的报文段经常是乱序的。因此目的机器会通过查看头中的序列号把它们正确地重新排序（）流量控制会话中的源和目的主机称为对等实体。每一对
31、等实体有对流向其物理缓冲中数据流的控制能力。流量控制使用的是的滑动窗口。源和目的主机的窗口大小通过头进行通信。任何一台主机接收的数据量过大的时候，只要基于校园网的视频组播系统研究与应用通知减小新的窗口大小就会减小发送主机的发送速率。这个简单的机制能有效地调整两台机器之间的数据流。（）计时机制每次传输 一个数据段时 ，设置一个计时器。假如计时器在减少到之前没有收到应答，数据段就被认为己丢失，然后重 传数据。不能很好地管理网络拥塞，但它会减小自身对拥塞的影响。另一个 计时机制称为最大段生存时间（，）。使机器识别已经在网络中传输了很长时间的无意义数据报。（）确认机制这项机制要求确认方在收到数据段后发
32、送（） 报文，在规定时间内没被应答的数据段被认为在传输过程中已丢失，必须进行重传。用户数据报协议用户数据报协议是的另一个传输层协议。提供了一种基本的、低延时的传输。在中 间定义。的简单性使不适合于一些 应用，但对一些更复杂的、自身提供面向链接功能的应用却很适合。提供的 协议端口能够区分在一台机器上运行的多个程序，即每个报文不仅传送用户数据，还包括传 送发送方和接收方的协议端口号，这使得接收方的 软件能够把报文送到正确的接收进程，而接收进程也能回送应答报文。主要提供高效率服务，可以用于广播和 组 播。由于使用底层的互连网协议来传送报文，提供尽量传递的无连接数据报服务，因而无法保证任何数据报的传递或验证数据报的顺序。但在实时视频会议系统中，重点在于及时收到当前视频画面，不一定要每次都保证视频数据传输的准确到位，而且的组播能力又可以降低网络开销，因此对于组播视频会议来说
