Раздел: Документация
0 ... 25 26 27 28 29 30 31 ... 55 ГЛАВА 4. СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ВКС Системы компьютерной видеоконференцсвязи представляют собой распределенные мультимедиа приложения, и свойства сетевой среды являются фактором, в решающей степени определяющим их функциональные и качественные характеристики. Сетевые технологии, первоначально ориентированные исключительно на обслуживание сервисов пересылки файлов и печати, под воздействием растущих требований мультимедийных приложений бурно развиваются в направлении расширения пропускной способности их коммуникационных каналов и предоставляемого сервиса. Существующее многообразие сетевых технологий делает актуальным оценку их возможностей в отношении поддержки приложений КВКС. 4.1. ТРЕБОВАНИЯ К СЕТЕВОЙ СРЕДЕ Реализация распределенных мультимедиа приложений предъявляет свои специфические требования к пропускной способности сетевых коммуникаций, к величине и характеру задержки передачи трафика, к синхронизации каналов передачи различных составляющих мультимедиа потоков, к надежности транспортировки данных. Рассмотрим эти требования подробнее. Пропускная способность коммуникационного канала. В мультимедиа потоке наиболее объемной составляющей является видеокомпонента. В настоящее время для передачи подвижного изображения применяются три основных алгоритма цифровой обработки: MPEG, DVI и Н.26х. Эти алгоритмы обеспечивают генерацию битового потока интенсивностью 1,2 - 40 Мбит/с - MPEG, 1,2 - 1,8 Мбит/с -DVI, 0,064 - 2,048 Мбит/с - Н.26х. В системах КВКС алгоритмы MPEG и DVI имеют пока очень ограниченное применение по целому ряду причин, основной из которых является высокая стоимость каналов гакой пропускной способности. Существующие реализации Н.26х-кодеков показывают, что кодирование, обеспечивающее выходной поток интенсивностью 64 кбит/с, является минимально приемлемым для передачи статичных сцен (например, «говорящая голова»); кодирование, обеспеченное каналом передачи с пропускной способностью 384 кбит/с, дает изображения вполне приемлемое для систем КВКС бизнес-качества. Естественно, что передача других компонент мультимедиа данных конференции и служебной информации также требует определенных резервов пропускной способности канала. В целом, можно считать, что для каждой станции КВКС в сети с коммутацией каналов необходимо располагать пропускной способностью порядка 200 кбит/с и в сети с коммутацией пакетов - 400 кбит/с. Задержки в канале передачи. В мультимедиа распределенных системах весьма жесткие требования предъявляются к величине времени доставки данных. Опыт использования спутниковой телефонии наглядно свидетельствует, что время задержки распространения аудиосигнала более 0.6 секунд делает общение весьма сложным. Стандарты ITU ограничивают сверху задержку передачи аудио/видеотрафика величиной 150 мс. Еще более, чем от собственно величины задержки, передача аудио/видеопотоков страдает от ее неравномерности, т.е. от неизохронности потоков. В этой связи отметим, что трафик в сети, не располагающей никакими механизмами регулирования величины задержки передачи, является асинхронным; в се (и, где есть возможность ограничить этот параметр сверху, трафик может считаться синхронным и, наконец, в сети, где величина задержки передачи постоянна - трафик изохронен. С точки зрения конечного пользователя изохронность может рассматриваться не как свойство сетевой технологии, хотя последняя и является определяющей, а как характеристика собственно приложения. Такого рода изохронность может обеспечиваться не только канальным уровнем, но и посредством использования техники буферизации потоков на уровне приложений. Отталкиваясь от величины полной задержки в 150 мс, дадим оценки ее составляющих. В состав времени передачи входят: -время кодирования, сжатия и формирования канального кадра -время передачи в сети -задержка буферизации в приемнике -время разборки канального кадра, декодирования и вывода. Оценим вклад каждой из этих составляющих в общую величины задержки передачи. Видеопоток обычно имеет интенсивность 25-30 кадр/с, т.е. кодирование, сжатие, декомпрессия и декодирование в реальном времени должны занимать 30-40 мс. Ограничившись 15 кадрами в секунду, можно удвоить эту величину. Таким образом, будем считать, что на обработку каждого кадра видео последовательности отводится 60 мс. Оценивая время передачи в сети, необходимо принимать во внимание наличие сетевых коммуникационных устройств (коммутаторы, маршрутизаторы), время обработки каждого кадра на которых оценивается в 10-15 мс на каждое устройство. Будем считать, что в простейшем случае сеть содержит, как минимум, два таких устройства (конфигурация LAN-WAN-LAN), и время обработки пакетов на них составляет 30 мс. Надежность доставки данных между компонентами распределенной системы оказывает заметное, но разное влияние на качество воспроизведения медиа компонент. С позиций сетевой инфраструктуры важен вопрос о механизме коррекции ошибок. Традиционно используемый в IP сетях метод повторной передачи плохо подходит для передачи трафика реального времени, ибо способствует росту неизохронности потоков. В силу этого проблемы контроля достоверности и коррекции ошибок переносятся на уровень приложений. Сетевая же среда для мультимедийных приложений должна обеспечить низкий уровень ошибок на уровне физического канала. Синхронизация каналов передачи составляющих медиа потоков является весьма существенной задачей для систем КВКС. Обычно эта проблема решается использованием временных меток и дополнительной буферизации. Эти функции выполняются средствами протоколов уровня приложений и при сравнительном анализе сетевых технологий их можно не учитывать. С позиций перечисленных характеристик проанализируем наиболее распространенные сетевые технологии. 4.2. ВОЗМОЖНОСТИ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПО ПОДДЕРЖКЕ МУЛЬТИМЕДИА КОММУНИКАЦИЙ Особенности сетевых технологий с интересующей нас точки зрения более всего проявляются в отличиях реализаций физического и канального уровней стека сетевых протоколов. Для анализа возможностей построения мультимедиа систем в локальных сетях было бы вполне достаточно сравнения характеристик этих уровней. Однако поскольку системы КВКС работают в средах, объединяющих как локальные, так и территориальные сети передачи данных (Х.25, ISDN, ATM, ISDN и т.д.), то в этот анализ необходимо будет включить и характеристики, соответветствующие сетевым протоколам. В этом анализе для простоты при обсуждении характеристик территориальных сетей мы будем учитывать лишь сервис, предоставляемый конечному пользователю, оставляя без внимания проблемы межсетевого взаимодействия. С учетом требований к сети, приведенных выше, примем в качестве параметров, характеризующих сеть, следующие: -пропускная способность сетевого канала -время задержки передачи данных, приемлемой величиной задержки может считаться 10 ~ 15 мс и, поскольку входная буферизация может обеспечить изохронность потока, то возможная величина джиттера учитываться не будет -возможность многоточечных соединений; многоадресная передача относительно просто реализуется в пакетных сетях, но порождает ряд сложных проблем для сетей коммутации каналов -надежность, т.е контроль ошибок и механизм их коррекции. Для локальных сетей эти проблемы решаются аппаратно посредством механизмов проверки контрольной суммы и отбраковки испорченных кадров на МАС-уровне. Такая стратегия является вполне приемлемой для мультимедийного трафика. В территориальных сетях эти механизмы более сложны и далеко не всегда подходят для рассматриваемых приложений; поэтому проблемы обеспечения достоверности передачи следует учитывать при оценке WAN-технологий. Проведем краткий анализ ряда распространенных сетевых технологий. Ethernet (10 BaseT). Эта технология является наиболее широко используемой в локальных сетях Пропускная способность ее канала (10 Мбит/с) позволяет существовать нескольким потокам аудио/видеотрафика одновременно. Однако доступ к каналу по методу CSMA/CD (множественный доступ с обнаружением коллизий) приводит к принципиально непредсказуемой величине задержки при передаче каждого кадра. В ситуации высокой загрузки сегмента нет возможности контролировать полосу, выделяемую каждому приложению, или время ожидания доступа к каналу. Кроме того, Ethernet-технология не обладает механизмами установления приоритета ни для приложений, ни для рабочих станций и, тем самым, не способна обеспечить благоприятные условия для передачи трафика приложений реального времени. Тем не менее, многие мультимедийные приложения работают в сетях Ethernet, решая перечисленные проблемы на высших протокольных уровнях, главным образом, путем ограничения загрузки сегментов. Перспективным решением для этого является технология коммутируемой Ethernet сети. Таким образом, не располагая механизмами ограничения величины задержки передачи, Ethernet-технология является мало пригодной для развертывания мультимедиа приложений; вместе с этим она обеспечивает достаточно производительный канал передачи, располагает механизмом многоадресной передачи и в условиях невысокой нагрузки на сегмент может удовлетворить требованиям большинства систем КВКС, что и нашло свое подтверждение в разработке специального стандарта Н.323 для систем КВКС в Ethernet-сетях. Fast Ethernet (100 Base Т) Относительно недавно принятый стандарт IEEE 802.3 технологии «быстрого» Ethernet обеспечил подъем пропускной способности каналов локальных сетей с 10 до 100 Мбит/с. Используя протокол доступа к среде CSMA/CD, эта технология наследует основные недостатки традииионного Ethernet, касающиеся мультимедийного трафика, - негарантированное время задержки, отсутствие механизмов определения приоритетов трафика, заметное снижение эффективной пропускной способности канала при росте числа станций в сегменте. Вместе с тем, при условии ограничения средст вами высокоуровневых протоколов числа мультимедийных потоков, одновременно генерируемых в сети, можно получить приемлемые условия для работы приложений реального времени. Таким образом, в сети Fast Ethernet обеспечиваются каналы с пропускной способностью, достаточной для десятков таких приложений, как КВКС, видео по требованию, и т.п., поддерживается режим многоадресной передачи, но не гарантируется малость и постоянство времени пересылки данных. В целом, эта технология может обеспечить мультимедиа приложения в локальной сети малого и среднего масштабов (до 30 ~ 50 станций). Коммутируемый Ethernet. Построение локальной сети на основе коммутаторов Ethernet может обеспечить каждой паре клиентских станций выделенный канал с пропускной способностью 10 Мбит/с, а при использовании дуплексного режима и 20 Мбит/с. Эта возможность снимает проблемы пропускной способности и непостоянства времени задержки передачи пакетов. Решение задач многоадресной передачи данных требует объединения станций-получателей в единый коллизионный домен, что снова ставит проблему непостоянства времени передачи. Таким образом, коммутируемая Ethernet-сеть решает проблемы создания мультимедиа сети (до 24 станций - по числу портов коммутатора). Изохронный Ethernet (IsoEthernet). Стандарт IFEE 802.9, принятый по инициативе корпораций IBM и National Semiconductor, определил сетевую технологию, объединившую в себе идеи пакетной и канальной коммутации. На канальном уровне эта сеть представляет собой сочетание 10-мегабитной составляющей обычного Ethernet и 98 В-каналов (по 64 кбит/с каждый) ISDN (всего 6 Мбит/с). Такое расширение общей полосы пропускания канала достигается применением более эффективной схемы кодирования (5В/4В вместо манчестерского кода) и не требует какой-либо модернизации кабельной инфраструктуры сети. На канальном уровне обычный пакетный трафик Ethernet оказывается отделенным от изохронного трафика мультимедийных приложений и не порождает обычных для Ethernet-сетей проблем вариации времени задержки передачи. Изохронные каналы синхронизируются на основе стандарта Q.931, обычно используемого в сетях ISDN. Для передачи трафика, требующего относительно широкополосного канала, предусмотрена возможность мультиплексирования любого числа В-каналов. Таким образом, IsoEthernet является технологией сети с разделяемой средой передачи, способной обеспечить изохронность передачи аудио/видеоинформации; она располагает относительно ограниченной пропускной способностью канала (6 Мбит/с) и не поддерживает режим многоадресной передачи на изохронных каналах. Для передачи большого числа MJPEG и MPEG-кодированных потоков пропускная способность такой сети может оказаться недостаточной, однако ее ISDN-подобные каналы хороши для обеспечения работы систем КВКС с кодеками, соответствующими рекомендациям Н.261. IP сети с пакетной коммутацией. Как правило, составляющие распределенных приложений работают в ЛВС, объединяемых каналами территориальных (WAN) сетей передачи данных, подавляющее число которых сегодня является сетями с пакетной коммутацией. Такие сети включают довольно широкий спектр сетевых технологий, отличающихся своими физическими и канальными уровнями. В данном рассмотрении мы объединим их в единый класс по признаку использования IP-протокола в качестве протокола сетевого уровня. Протокол IP не налагает сколько-нибудь существенных ограничений на пропускную способность канала, определяемую свойствами протоколов физического и канального уровней. Однако поскольку IP-протокол базируется на каналах, не предусматривающих установления соединения, то на пути от источника к получателю пакеты данных одного сообщения могут перемещаться по разным маршрутам, приобретая разные задержки. Режим многоадресной передачи изначально не был предусмотрен в IP-протоколе, но с появлением мультимедийных приложений было создано его многоадресное расширение и внутри Интернет реализована специальная экспериментальная сеть Mbone, поддерживающая этот режим. В настоящее время ведется активная работа над протоколом IP следующего поколения (IPng), включающим описания механизма потоков. Такой механизм отработан на ряде фирменных протоколов компаний 3Com, Cisco, Ipsilon и т.д. Он позволяет отличать высокоприоритетные пакеты приложений реального времени от «обычных» данных и идентифицировать каждый из мультимедийных пакетов. Этот механизм дает возможность более тонкой настройки каналов IP-сетей. Отметим, что как протокол сетевого уровня, IP не является ограничением для высокоскоростных каналов связи. Вследствие ориентации но технологию передачи без установления соединений этот протокол не предоставляет никаких гарантий ограничения величины задержки или ее вариации. Многоадресная передача данных им поддерживается. Будучи усовершенствованным для поддержки трафика реального времени, этот базисный протокол Интернет может стать надежной платформой для работы распределенных мультимедиа систем. Узкополосная ISDN. Технология ISDN создавалась для расширения спектра услуг телефонной сети общего пользования, т.е. для передачи по ней разнородного трафика, включаюидего пакетные данные локальных компьютерных сетей, факсимильных сообщений, речь, графику и подвижное видео (видеотелефон). Как указывалось выше (Глава 1), в качестве транспортной среды эти сети используют синхронные цифровые В-каналы с пропускной способностью 64 кбит/с, причем базовой канальной единицей в ISDN является объединение двух В-каналов (интерфейс BRI), а для удовлетворения потребностей более требовательных к пропускной способности приложений существует интерфейс PRI, объединяющий 30 В-каналов и обладающий общей пропускной способностью 2,048 Мбит/с. Однако объединение нескольких BRI-интерфейсов в один общий канал порождает проблему их синхронизации, что обычно приводит к необходимости буферизации битового потока в приемнике и, как следствие, к появлению дополнительной задержки в передаче сообщений. Используя технологию коммутации каналов, сеть ISDN наилучшим образом приспособлена к передаче потоков изохронного трафика с пренебрежимо малой задержкой. Это совершенно справедливо в 0 ... 25 26 27 28 29 30 31 ... 55
|
