Системы видеоконференц связи

 

2 Технические требования к абонентским устройствам видеоконференцсвязи

2.1 Выбор структуры и форматов данных в системе видеоконференций

Идея создания Internet была предложения в связи с необходимостью построения коммуникационной отказоустойчивой сети, которая могла бы продолжить операции, если даже большая часть ее стала не доступной для работы. Решение состояло с том, чтобы создать сеть , где информационные пакеты могли бы передаваться от одного узла к другому без какого-либо централизованного контроля. Если основная часть сети не работает, пакеты самостоятельно передвигалась бы по доступным узлам  до тех пор, пока не попадут в точку своего назначения. Кроме того сеть должна быть устойчива к возможным ошибкам при передаче пакетов.

В начале 80-х годов были подключены первые локальные сети и для использования в построенной сети (Internet) был выбран, адаптирован и затем повсеместно принят для работы набор протоколов Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) [9]. (TCP/IP) вполне удовлетворял всем требованиям, которые на него возлагались.

Существует много причин, почему протоколы семейства TCP/IP  были выбраны  за основу Internet. Это прежде всего возможность работы с этими протоколами как локальных (LAN), так и в глобальных (WAN) сетях, способность протоколов управлять большим количеством стационарных и мобильных пользователей.

К данному протоколу больше подходит название «Комплекс протокол Internet». В его состав входят протоколы UDP,ARP, ICMP, TELNET, FTP и многие и другие, но часто используют только термин TCP/IP.

Часть из семейства протоколов TCP/IP обеспечивает выполнение "низкоуровленых" сетевых функций для множества приложений, таких, как работа с аппаратными протоколами, поддержка механизма доставки пакета по адресу, назначения через множества сетей и хостов, обеспечение достоверности и надежности соединения и др..

Другая часть протоколов предназначена  для выполнения прикладных задач, таких, как передача файлов между компьютерами, отправка электронной почты или  чтение гипертекстовой страницы сервера.

Задачей ТСР является доставка всей информации компьютеру получателя, контроль последовательности передаваемой информации, повторная отправка не доставленных пакетов в случае сбоя работы сети. Кроме того, если сообщение достаточно большое, чтобы отправить его  в данном пакете, ТСР делит и  отправляет его несколькими блоками. ТСР также осуществляет контроль за составление первоначального сообщения из этих блоков на компьютере получателя.

Подобно тому, как почтовый протокол использует ТСР, сам ТСР использует протокол IP, который обеспечивает доставку пакета по адресу, т.е. адресацию и маршрутизацию. Функции, которые представляет ТСР,  необходимы для работы множества приложений, однако существуют приложения, для работы которых эти функции не требуются. Эти приложения используют вместо ТСР свой протокол, обеспечивающий взаимодействие приложений, например UDP, которому для работы также необходимы механизм, который бы осуществлял доставку пакета по адресу (т.е. уровня IP).

Схему использования проколов легче  всего представить в виде дерева. На этом дереве листьями будут пользовательские приложения, которые работают с протоколами самого верхнего уровня (например почтовым протоколом). В свою очередь, протоколы верхнего уровня представляют собой ветви кроны. Уровень ТСР можно представить как толстые сучья, которые растут из ствола и держат крону. А сам ствол - это уровень IP.

Подобная модель построения нескольких уровней протоколов  называется "многоуровневым передаванием сетевых протоколов". Под этим подразумеваем, что протокол на более высоком уровне при своей работе использует сервисы, передавленные протоколами более низкого уровня. Семейство протоколов TCP/IP имеет 4 ярко выраженных уровня:

- уровень приложений ( прикладной уровень)

- уровень, реализующий транспортные функции (транспортный уровень)

- уровень, обеспечивающий доставку и маршрутизацию пакета (сетевой уровень)

- уровень сопряжения с физической средой (канальный уровень)

Опишем состав и основные функции  протоколов каждого уровня семейства TCP/IP:

Уровень сопряжения с физической средой (канальный) обеспечивает надежный транзит  данных через физический канал. Этот уровень решает задачи  физической адресации, уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Ниже этого уровня расположен только аппаратный уровень, который определяет электротехнические, механические, процедурные  и функциональные характеристики активизации, поддержания и деактивизации физического канала между конечными системами (уровни напряжений, синхронизации изменений напряжений, скорость передачи  физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединения и др.)

Сетевой уровень - это комплексный уровень. Он обеспечивает возможность соединение и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находится разных географических пунктах. К этому уровню в TCP/IP относится межсетевой протокол IP, который является базовым в структуре TCP/IP и обеспечивает доставку пакету по месту назначения - маршрутизацию, фрагментацию и сборку поступивших пакетов на хосте получателя. Этому уровню принадлежит протокол ICMP, в функции которого входят, в основном, сообщения об ошибках и сбор информации о работе сети.

Транспортный уровень представляет услуги по транспортировке данных. Эти услуги избавляют механизмы  передачи данных прикладного уровня от необходимости вникать в детали транспортировки данных. В частности, заботой транспортного уровня является  решение таких вопросов, как надежная и достоверная транспортировка  данных через сеть. Транспортный уровень  реализует механизмы установки, поддержания и упорядоченного закрытия каналов соединение, механизмы систем обнаружения и устранения неисправности  транспортировки, управления информационным потоком.

Транспортный уровень семейства TCP/IP представлен протоколами ТСР  и UDP. ТСР обеспечивает транспортировку  данных с установлением соединения, в то время как UDP работает без  установления соединения. Оба эти  протокола имеют дело с конкретными  процессами (приложениями ) на компьютере и могут обеспечивать связь процессов на различных компьютерах сети, хоть в их компетенцию не входит управлением сеансом работы. Если ТСР обеспечивает полный сервис транспортного уровня - надежность, достоверность и контроль соединения, то UDP может отправлять пакеты от одного процесса к другому без какого либо дополнительного сервиса, за исключением, разве что, проверки контрольной суммы переданных данных.

Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы , устанавливает соглашения по процедурам устранения ошибок и управления целостности информации. Кроме того протоколы прикладного уровня определяют, имеется ли в наличии достаточно ресурсов  для предполагаемой связи. Прикладной уровень также отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы была читаемой на прикладном уровне другой системы. При необходимости он осуществят  трансляцию между множеством форматов представлений путем использования общего формата и структур данных, а также согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня. Прикладной уровень устанавливает и завершает сеансы связи взаимодействия между прикладными задачами, управляет этими сеансами, синхронизирует диалог между объектами и управляет обменом информации между ними. Кроме того прикладной уровень предоставляет средства для отправки  информации и уведомления об исключительных ситуациях передачи данных.

Комплект протоколов Internet включает в себя большое число протоколов высших уровней, имеющих самые разнообразные применения, в том числе управление сети, передача файлов, распределенные услуги пользования файлами, эмуляция терминалов и электронная почта.

Стремительный рост Internet  предъявляет новые требования к скорости и объемам передачи данных. И для того , чтобы удовлетворить все эти запросы, одного уведомления емкости сети недостаточно , необходимы разумные и эффективные методы управления трафиком и контролем загруженности линий передач.

Наиболее  широко используемый протокол транспортного  уровня - это, как было описано выше, ТСР. Несмотря на то, что ТСР позволяет  поддерживать множество разнообразных распределенных приложений, он не подходит для приложения реального времени. Использование ТСР в качестве транспортного протокола ТСР для этих приложений невозможно по нескольким причинам:

1 Этот протокол позволяет установить соединение только между двумя конечными точками, следовательно, он не подходит для многоадресной передачи.

2 ТСР предусматривает повторную  передачу потерянных сегментов,  прибывающих, когда приложение  реального времени уже их не  ждет.

3 ТСР не имеет удобного механизма  привязки  информации о синхронизации  к сегментам = дополнительное  требование приложений реального  времени.

Другой широко используемый протокол  транспортного уровня - UDP не имеет  части ограничений ТСР, но и он не представляет критической информации о синхронизации.

Эту задачу и призван решить новый  транспортный протокол реального времени - RTP ( Real-Time Transport Protocol), который гарантирует доставку данных одному или более адресатам с задержкой в заданных пределах, т.е. данные могут быть воспроизведены в реальном времени.

Пакеты RTP содержат следующие поля: идентификатор отправителя, указывающий, кто из участников генерирует данные, отметки о времени генерирования  пакета, чтобы данные могли быть воспроизведены принимающей стороной  с правильными интервалами, информация о порядке передачи, а также  информация о характере содержимого  пакета, например, о типе кодировки  видеоданных (MPEG, Indeo и др.). Наличие такой информации позволяет оценить величину начальной задержки и объема буфера передачи.

Протокол RTP используется только для  передачи пользовательских данных - обычно многоадресной - всем участникам сеанса. Совместно с RTP работает протокол RTCP (Real-Time Transport Control Protocol). , основная задача которого состоит в обеспечении управления передачей RTP, RTCP использует тот же самый базовый транспортный протокол, что и  RTP ( обычно  UDP), но другой номер порта.

RTCP выполняет несколько функций:

1 Обеспечение и контроль качества  услуг и обратная связь в  случае перегрузки. Так как RTCP-пакеты  являются много адресными, все участники сеанса могут оценить, насколько хороша работа и прием других участников. Сообщения отправителя позволяют получателям оценить скорость данных и качества передачи. Сообщения получателей содержат информацию о проблемах, с которыми они сталкиваются, включая утерю пакетов и избыточную неравномерность передачи.

Обратная  связь с получателями важна также  для диагностирования ошибок при  распространении. Анализируя сообщения  всех участников сеанса, администратор  сети  может определить, касается данная проблема одного участника или  носит общий характер. Если приложение - отправитель приходит к выводу, что проблема характерна для системы  в целом, например, по причине отказа одного из каналов связи, то оно может  увеличить степень сжатия данных  за счет снижения качества или вообще отказаться от передачи видео - это позволяет передавать данные по соединению низкой емкости.

2 Идентификация отправителя. Пакеты RTCP содержат стандартное текстовое  описание отправителя. Они проставляют  больше информации об отправителе  пакетов данных, чем случайным  образом выбранный идентификатор  источник синхронизации. Кроме  того, они помогают пользователю  идентифицировать потоки, относящиеся  к различным сеансам.

3 Оценка размеров сеанса и  масштабирование. Для обеспечения  качества услуг и обратной  связи с целью управления загруженностью, а также с целью идентификации  отправителю все участники периодически  посылают пакеты RTCP. Частота передачи  этих пакетов снижается с ростом  числа участников. При небольшом  числе участников один пакет  RTCP посылается максимум каждые 5 секунд.

 

Рисунок 4 - Логическая структура сетевого программного обеспечения (протокол обмена данных)

 

Таким образом, с протоколом сетевого уровня IP (Internet Prortocol) взаимодействуют два протокола транспортного уровня: TCP и UDP. TCP (transmission control protocol) обеспечивает надежную связь за счет мощных средств контроля ошибок при отправке пакетов и повторной отправки пакета в случае ошибки. UDP (user datagram protocol) такими средствами контроля над ошибками и повторной отправки пакета не обладает. Настольные системы видеоконференций, работающие по сетям Internet, используют протокол UDP для передачи аудио- и видеосигнала. Протокол TCP используется для передачи данных, таких, например, как данные с "настенной доски" или из разделяемых прикладных программ. При организации конференций по сетям Internet возникает одна проблема. Суть конференции в том, чтобы передавать изображение/голос/данные в общем случае в режиме широкого вещания. Однако протокол IP подразумевает связь "точка-точка". Чтобы преодолеть это препятствие, в 1989 г. было предложено расширение IP для поддержки широковещательных пакетов в Internet — RFC (Request for Comments). Благодаря RFC появилась возможность проводить конференции в Internet в режиме «широковещательной магистрали» Multicast Backbone (MBone), что означает возможность для одного участника конференции в Internet связываться одновременно с несколькими участниками. В режиме MBone группы хостов, поддерживающих широковещательный IP, связаны друг с другом по каналам чистого IP со связью "точка-точка". Данные к хостам группы передаются через широковещательный маршрутизатор. Это, как правило, рабочая станция, работающая в системе Unix. Для выбора оптимального пути от отправителя к получателю широковещательный маршрутизатор использует один из протоколов: DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol), MOSPF (Multicast Open Shortest Path First), PIM (Protocol Independent Multicast).