Лекция 13. Видеоконференцсвязь и организация потокового вещания

Для общения в режиме видеоконференции абонент должен иметь терминальное устройство (кодек) видеоконференцсвязи (ВКС), видеотелефон или иное средство вычислительной техники. Как правило, в комплекс устройств для видеоконференцсвязи входит: центральное устройство – кодек с видеокамерой и микрофоном, обеспечивающего кодирование/декодирование аудио и видео информации, захват и отображение контента; устройство отображения информации и воспроизведения звука.

В качестве кодека может использоваться персональный компьютер с программным обеспечением для видеоконференций.

Большую роль в видеоконференции играют каналы связи, то есть транспортная сеть передачи данных. Для подключения к каналам связи используются сетевые протоколы IP или ISDN.

Существует два режима работы ВКС, которые позволяют проводить двусторонние (режим «точка – точка») и многосторонние (режим «многоточ- ка») видеоконференции.

Инфраструктура сети видеоконференцсвязи. К инфраструктуре сети видеоконференцсвязи относится совокупность аппаратно-программных средств администрирования/управления с использованием различного оконечного оборудования и программного обеспечения – сервера многоточечной видео- конференцсвязи (MCU); интеграция с Унифицированными (объединенные) коммуникациями (UC); системы управления видеоконференциями (учёт, управления конфигурацией, безопасностью, производительностью и ошибками узлов, линий и оконечного оборудования видеоконференцсвязи), системы распределения нагрузки распределенных серверов, шлюзы для прохождения трафика через межсетевые экраны, шлюзы с мобильными сетями и абонентами H.320.

Унифицированные коммуникации (UC) – это технология, представляю- щая собой интеграцию услуг реального времени таких как: мгновенные сообщения (чат), информация о присутствии (presence), телефония (включая IP-телефонию), видеоконференция, совместная работа над документами, управление вызовами и распознаванием речи с унифицированными почтовыми системами (голосовая почта, электронная почта, SMS и факс).

Организация каналов связи. Основную роль в видеоконференции играют каналы связи между абонентами.

В сети Интернет. Самый простой и дешёвый метод организации видеоконференцсвязи — через Интернет. Однако качество сеанса связи в данном случае может быть низким, так как интернет не является гарантированным каналом передачи аудио и видеоданных. К этому добавляется проблема безопасности видеоконференции, то есть она может стать «общественным достоянием». Для организации видеоконференцсвязи через Интернет требуется иметь статические IP-адреса и каналы связи с пропускной способностью не менее 384 кБит/с в обе стороны (для исходящего и входящего трафика).

Немного сложнее настраивается связь по протоколу инкапсуляции видовой маршрутизации GRE. Протокол принадлежит к сетевому уровню. Он может инкапсулировать другие протоколы, а затем осуществлять маршрутизацию всего набора до места назначения. В данном случае обеспечивается минимальная защита видеотрафика в сети Интернет, что позволяет предотвратить основное число «неопытных» вторжений в информационное облако видеоконференцсвязи. Тот же принцип заложен и в протоколе IPsec.

По протоколу ISDN. Цифровые сети с интегральными услугами относятся к сетям, в которых основным режимом связи является режим коммутации каналов, а данные обрабатываются в цифровой форме. DN имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными аналоговыми сетями, однако, по сравнению с новыми телекоммуникационными технологиями передачи данных, имеет ряд критичных недостатков: тяжело отследить, на каком участке произошел сбой связи; низкая оперативность восстановления каналов связи; небольшая распространенность; сравнительно высокая стоимость применения услуги связи при межрегиональном соединении.

По технологии IP VPN MPLS. Услуга связи по технологии IP VPN MPLS в настоящее время является одной из самых надежных и дешевых для организации видеоконференций. Этому способствует:

–VPN – виртуальная частная сеть, то есть обобщённое название технологий, позволяющих обеспечить одно или несколько сетевых соединений (логическую сеть) поверх другой сети;

–MPLS – мультипротокольная коммутация по меткам, то есть механизм передачи данных, который эмулирует различные свойства сетей с коммутацией каналов поверх сетей с коммутацией пакетов.

Основные стандарты видеоконференцсвязи.

Стандарт мультимедийных приложений H.323. С целью проведения аудио и видеоконференций по телекоммуникационным сетям ITU-T разработала серию рекомендаций H.32x. Эта серия включает в себя ряд стандартов по обеспечению проведения видеоконференций:

1) H.320 — по сетям ISDN;

2) H.321 — по сетям Ш-ЦСИО и ATM;

3) H.322 — по сетям с коммутацией пакетов с гарантированной пропускной способностью;

4) H.323 — по сетям с коммутацией пакетов с негарантированной пропускной способностью;

5) H.324 — по телефонным сетям общего пользования;

6) H.324/C — по сетям мобильной связи;

7) H.239 — поддержка двух потоков от разных источников, изображение участника и данных (вторая камера или презентация) выводятся на два разных дисплея или в режиме PIP на один дисплей.

8) H.460.17/.18/.19 — поддержка прохождения аудио и видеотрафика видеоконференцсвязи через NAT и Firewall.

Видеоконференцсвязь на базе протокола SIP.Протокол определяет способ согласования между клиентами об открытии каналов обмена на основе других протоколов, которые могут использоваться для непосредственной передачи информации. Допускается добавление или удаление таких каналов в течение установленного сеанса, а также подключение и отключение дополнительных клиентов (то есть допускается участие в обмене более двух сторон — конференцсвязь). Протокол также определяет порядок завершения сеанса.

В основу протокола SIP заложены следующие принципы: независимость от транспортного уровня, может использовать UDP, TCP, ATM и т. д.; персо- нальная мобильность пользователей; масштабируемость сети; расширяемость протокола.

При интеграции решения для видеоконференций в среду объединенных коммуникаций (UC) на базе протокола SIP можно достичь выигрыша в открытости системы, ее гибкости и дружественности к пользователю.

В видеоконференции можно интегрировать разнообразные типы конечных устройств: системы видеоконференцсвязи, программные или традиционные телефоны. Кроме того, в пользу SIP говорит тот факт, что, как и IP, этот протокол базируется на стандартах и может выступить в качестве важного фактора унификации.

Являясь протоколом из семейства IP, SIP работает на уровне приложений, обеспечивая построение и разрыв соединений, при этом автоматически определяется оптимальный режим взаимодействия. В настоящее время в плане функций управления удаленной камерой и раздвоения потока SIP обладает такими же характеристиками, как и протокол H.323: каждый участник сам выбирает нужное ему поле изображения. Параллельная передача потоков видео и данных позволяет демонстрировать документы. Транспорт потоков видео, аудио и данных осуществляется с помощью протокола реального времени (RTP), а доступ к каталогу, контроль конференции и качество сервиса обеспечивают другие стандартизованные протоколы.

Стандарты сжатия видеоизображения.

Стандарт H.261 – разработан организацией по стандартам телекомму- никаций ITU. На практике первый кадр в стандарте H.261 всегда представляет собой изображение стандарта JPEG, компрессированное с потерями и с высокой степенью сжатия.

Стандарт H.263 – это стандарт сжатия видео, предназначенный для пере- дачи видео по каналам с довольно низкой пропускной способностью (обычно ниже 128 кбит/с). Применяется в программном обеспечении для видео- конференций.

Стандарт H.264 – это новый расширенный кодек, также известный как AVC и MPEG-4, часть 10.

Стандарт H.264 High Profile – это самый производительный профайл H.264 с алгоритмом сжатия видео Context Adaptive Binary Arithmetic Coding (CABAC), впервые внедрен на оборудовании Polycom, позволяет устраивать HD-видеоконференции на канале от 512 Kbps.

Для видеоконференций на сегодняшний день чаще всего используется стандарт H.263 и H.264.

Стандарты сжатия звука.

Некоторые стандарты компрессии аудиосигнала основаны на технологии оцифровки звука, называемой импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ.

Для всех типов кодеков справедливо правило: чем меньше плотность цифрового потока, тем больше восстановленный сигнал отличается от оригинала. Однако восстановленный сигнал гибридных кодеков обладает вполне высокими характеристиками, восстанавливается тембр речевого сигнала, его динамические характеристики, другими словами, его «узнаваемость» и «распознаваемость».

Организация потокового вещания через IP-сети. На сегодняшний день основу трафика в сетях составляют две большие группы – эластичный трафик, который генерирует традиционные сервисы (электронная почта, WWW, FTP и т. д.) и трафик реального времени, который генерирует мультимедийные сервисы, такие как IP-телефония и видеоконференции.

Потоковая передача данных (streaming) – способ передачи данных малыми порциями (пакетами), причем каждая переданная порция может использоваться без того, чтобы ожидать окончания передачи всего файла.

Суть потоковой передачи данных заключается в следующем. Передаваемые данные сжимаются и разделяются на части (пакеты), а затем последовательно передаются пользователю. Размер пакетов определяется пропускной способностью участка сети или канала связи между клиентом и сервером, передающим данные. Накопив достаточное количество пакетов в буфер, программа-клиент приступает к воспроизведению одного из них и одновременно получает и выполняет декомпрессию следующих. Основной задачей буфера является обеспечение плавного и непрерывного воспроизведения потока информации.

Для потокового видео требуется непрерывный перенос информации в режиме реального времени. Однако протоколы передачи данных изначально не были предназначены для переноса информации в режиме реального времени. Поэтому были разработаны специальные протоколы, методы резервирования пропускной способности канала передачи и обеспечения требуемого уровня QoS, в критерии оценки которого входят требуемая скорость передачи, максимальная величина задержки пакетов, неравномерность трафика и т. д. (RTP, RTCP, RTSP, RSVP, MPLS и др.), а также способы экономии трафика (многоадресная рассылка).

Датаграмные протоколы, такие как UDP, отправляют поток медиаинформации как поток отдельных маленьких пакетов. Он прост и эффективен; в то же время, в спецификации протокола нет гарантии доставки данных получателю. Это очень сильно затрудняет поиск и исправление получаемых данных принимающим информацию приложением. При потере данных поток может быть отключен.

Надежные протоколы, такие как TCP, гарантируют корректность получаемых данных клиентов потокового вещания. Однако при большом количестве ошибок при соединении/подтверждении получаемой информации передаваемая информация может стать неактуальной. Это также может вызвать значительные задержки при передаче информации на время, затраченное на пересылку поврежденной информации. Одним из решений данной проблемы является буферизация информации на стороне клиента.

Уровень QoS обеспечивается следующими методами:

– поддержкой заданной полосы пропускания канала связи;

– сокращением вероятности потерь пакетов данных;

– исключением или максимально возможным сокращением перегрузок сети;

– конфигурированием сетевого трафика;

– установкой количественных характеристик трафика в сети.

Основная литература: 1[44 – 46]

Дополнительная литература: 17[44 – 46, 101 – 118]

Контрольные вопросы:

1. Какие варианты передачи видео по сети IP знаете?

2. Как организуются каналы связи для видеоконференцсвязи?

3. Какие протоколы организации видеоконференцсвязи вы знаете?

4. Что означает потоковая передача данных?

5. Какими методами обеспечивается уровень QoS?