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语音技术问题:语音处理高手请进。 |
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语音技术问题:语音处理高手请进。 -- 无痕 - (834 Byte) 2003-12-30 周二, 12:28 (1460 reads) |
安普若 [博客] [个人文集]


头衔: 海归元勋 声望: 大师 性别:  加入时间: 2004/02/21 文章: 26038 来自: 中国美国的飞机上 海归分: 4196257
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作者:安普若 在 海归商务 发贴, 来自【海归网】 http://www.haiguinet.com
Internet上的多媒体群体广播架构
(The Framework for Multicast Multimedia Presentation over Internet) 黄崇明 龚旭阳 刘沛川
国立成功大学 资讯工程研究所 摘要
在目前的网络应用服务中,多方多媒体播放系统 (Multiparty Multimedia Presentation System),例如视讯会议 (Video Conference) 无疑地将是重要的一项,因为它可以带来可观的时间与经济上的效益。但是如果想在网络上达到多方的实时多媒体数据播放,在网络通讯技术部份,必须藉由群体广播 (Multicast) 的功能才有可能达成。在本篇论文中,我们介绍现今最普遍的因特网 (Internet) 的群体广播通讯协议 (protocols),并利用现行的因特网群体广播通讯协议,提出一个传输层 (Transport layer) 之上的多方多媒体网络架构 (Multiparty Multimedia Network Architecture)以及多方多媒体播放系统 (Multiparty Multimedia Presentation System),目的在达成于网络上进行多方的实时多媒体数据播放,并利用多方多媒体播放系统中的数据同步 (synchronization)机置,达成较为平顺的多媒体播放服务品质 (QoS)。
1. Introduction
随着网络知识的普及以及多媒体计算机的盛行﹐并且拜网络传送技术的提升,及压缩储存技术的突破﹐诸如随选电影观赏 (Movie On Demand)﹑视讯会议 (Video Conference)﹑或远距教学 (Distant Learning)﹐都将渐渐走入我们的生活之中。随着因特网 (Internet) 的狂热流行,及其逐渐深入各个社会层次的事实, 因此如何在现行的因特网上,成功地实现这些应用,将会是一大挑战。在这些应用中,不管是声讯会议 (Audio Conference),随选电影观赏 (Movie on Demand), 或视讯会议 (Video Conference),就网络传输技术部份而言,皆是采用群体广播 (multicast) [1,3,4,10,11,13]。
所谓群体广播乃是指数据只传输给属于某同一群体 (Group) 的成员们 (membership)。而这些成员 (members),则可能分别分布在不同的网络上,并且具有相同的网络地址 (network address)。由此特性可知,群体广播会比一次只对一个网络节点 (network node) 作传输的单一传播 (unicast),更节省网络频宽 (bandwidth) 和网络地址 (network address) 的使用。因特网的通讯协议 (protocol) 为因特网协议 (Internet Protocol, IP)。架构在因特网上的群体广播通讯协议计有(1)定义群体广播寻址方式与功能的文件RFC1112 [2],(2)定义群体成员的加入 (join) 与离开 (leave) 功能的因特网群体管理协议 (Internet Group Management Protocol, IGMP) [15],(3)定义在因特网的群体广播路由器(Multicast Router)中,找出供群体广播数据传输路径的距离向量群体广播路由协议 (Distance Vector Multicast Routing Protocol, DVMRP) [16],以及(4)定义找出所有路由路径 (routing path) 中最短者 (shortest path) 的群体广播开放最短路径协议 (Multicast Open Shortest Path First protocol, MOSPF) [12]。
过去数年来,有关群体广播的研究大都针对传输层 (Transport layer) 之下的通讯协议、架构、和系统,非常少的研究是专注于传输层之上的通讯协议、架构、和系统。由于多媒体的出现,定位于传输层以上,但在应用层 (Application layer) ,即应用软件系统,之下的通讯协议、架构、和系统将日渐重要且需要。若以较浅显的定义来看,即是位在视讯框架层次 (a video frame level) 的通讯协议、架构、和系统。因此在本论文中,我们将利用在因特网上现有的群体广播通讯协议,提出多方多媒体网络架构 (Multiparty Multimedia Network Architecture) 以及多方多媒体播放系统 (Multiparty Multimedia Presentation System)。
多方多媒体网络架构 (Multiparty Multimedia Network Architecture),以OSI七层网络来看,是位在传输层之上,即会议层 (session layer)、表达层 (Presentation layer) 与应用层 (Application layer) 之中。多方多媒体网络架构,系在每一个想达到多方多媒体播放 (例如讯会议) 的局域网络上,皆设有一个多方多媒体服务器 (Multiparty Multimedia Server) 来管理其局域网络上,所属的终端多媒体播放计算机 (Multimedia Presentation Clients)。终端计算机可能为网络计算机 (Networking Computers,NC)、Basic Computers、Set-Top-Box、网络电视 (Networking TV) 等。每一个终端计算机,皆可以藉由多方多媒体服务器的控制,而自由的加入某群体 (Group) 作多媒体的播放,并且可以藉由多方多媒体服务器的多媒体数据同步 (synchronization) 功能,来补偿 (compensate) 由于网络拥紧所造成的多媒体数据讯号间差与歪斜误差 (jitters and skews) [5,6,8,9,14,17],而达到较为平顺 (smooth) 而且实时 (real time) 的多媒体数据播放品质。 在多方多媒体播放架构中,为了实现群体多媒体数据实时广播通讯的目的,多方多媒体服务器中设计了三层软件系统架构,分别为多媒体数据同步层、群体广播控制层、以及网络传输控制层。在终端多媒体播放计算机 (client) 端,则设计了四层软件系统架构﹐分别为使用者接口层、多媒体数据同步层、群体广播控制层、以及网络传输控制层等。
在本篇论文的其余部份,我们将在第2节详细介绍群体广播在因特网上的定义,原理及功能,这其中会包括RFC1112,IGMP,DVMRP,以及MOSPF。在第3节中,我们针对在广域网络上执行群体多媒体播放的功能,而提出了一个称作多方多媒体网络架构 (Multiparty Multimedia Network Architecture),以及多方多媒体播放系统 (Multiparty Multimedia Presentation System),可以满足多方通话的需求。在第4节则对本论文作一总结。 2. Multicast Operations
在因特网上的数据传输方式有三种 [15], 单一传播 (unicast), 广播 (broadcast), 及群体广播 (multicast)。 现兹分述如下:
1. 单一传播 (unicast) 系指数据传输的目的节点 (destination node) 只有一个。现有一般的网络应用, 大部份采用此种方式来传送其数据.
2. 广播 (broadcast) 系将数据传输到指定的目的网络上, 而在目的网络上的所有节点皆为目的节点。以IP地址格式 (address format) 而言, 基本上位 (bit) 皆1时,表示执行广播动作,而且广播分为四种方式。
a. 有限广播 (Limited Broadcast):只有目前所在的局域网络 (LAN) 上作广播,其IP的地址格式为255.255.255.255。
b. 网络取向广播 (Net-directed Broadcast):在某特定 (指定) 的网络作广播,例如向某一类别为A (Class A) 的网络广播,其IP地址格式为netid.255.255.255。
c. 子网络取向广播 (Subnet-directed Broadcast):针对某等级(class) 中的某子网络 (Subnetwork) 作广播。以类别B的网络来看,若其子网掩码 (subnet mask) 为255.255.255.0,而IP地址为140.116.46.255,则是表示将数据广播到类别B的网络140.116.中的子网络46上,而最后一个255则是代表广播的意思。
d. 全子网络取向广播 (All-subnets-directed Broadcast):针对某一等级中所有的子网络皆作广播。此种广播方式必须与路由器 (router) 的子网掩码配合。例如有一类别B的子网掩码为255.255.255.0,则若有一IP地址为140.116.255.255时,则表示将数据广播到类别B的网络140.116中的所有子网络上。在实际的网络架构中,归属于某一类别网络的所有子网络,可能位在不同路由器 (router) 的不同输出入埠上(port),因此藉由子网掩码,路由器可以将数据传送到所属的所有子网络上进行广播 [15] 。
3. 群体广播 (multicast) 则是将数据传送给某一特定群体 (Group) 的所有成员 (members),而属于同一群体的各个成员可能是散布在各个不同的网络上。在RFC1112 [2]这份文件中,定义了三种等级 (levels) 的IP群体广播方式。
a. 等级0 (level 0):成员 (host) 无法执行收、送群体广播数据。
b. 等级1 (level 1):成员只能执行收取群广播数据。
c. 等级2 (level 2):成员可以执行收取及传送群体广播数据。 在因特网协议 (Internet Protocol) 中,将群体广播定为类别D (class D),其格式如图1所示,而每一个群体 (Group) 都有一个唯一的multicast group ID代表其地址,其范围为244.0.0.0~239.255.255.255,其中224.0.0.0~224.0.0.255仅用在局域网络 (local network) 上。另外有些群体地址是固定而专用的,例如224.0.0.1代表在此子网络上的所有系统 (system) 皆为群体的成员,又如224.0.0.2代表"在此子网络上的所有路由器 (routers) 皆是群体成员"。在以太网络 (Ethernet) 所用的地址中,也制定群体广播专用的地址,而其格式与IP层的群体地址有相对应的关系。以太网络的群体地址格式与IP层的群体地址对应关系则如图2所示:
其中region A表示在IP群体址中的后面23个位 (bits) 必须拷贝 (copy) 到以太网络地址的后面的23个位上; 而region B则表示在IP群体地址中的前五个位 (bits) 不对应到以太地址上。另外以太网络地址的前24个位固定为01:00:5e (以16进制表示),而第25个位固定为0。在以太网络地址中订定群体广播地址的目的,在于加快群体广播的速度,在数据链路层 (data-link layer) 即可判断此资料是否为所属的群体数据,若不是,则在数据链路层即可放弃该笔数据; 若是,则往上送到因特网层 (IP layer)。但由于可以有32个multicast group IDs对应到同一个以太网络地址,因此在因特网层 (IP layer) 必须再作一次过滤 (filtering),以确定是否为所属的群体资料。 在因特网中对于群体成员的管理,系利用群体管理协议 (Internet Group Management Protocol; IGMP) [15]。IGMP属于IP层,制定IGMP有2个目的 1)管理群体成员的加入 (join) 或离开 (leave)。(2)可以使群体路由器 (Multicast router, Mrouter) 知道群体的各个成员位在那些网络上。IGMP的message format如图3与图4:
其中:
• IGMP version: 通常为1。 • IGMP Type: 指IGMP的封包种类有
1. 代表由群体广播路由器 (Multicast Router, Mrouter) 送出的询问 (query),而此时之group address为0。
2. 代表由host送出之响应 (response),亦可称为IGMP report, 即回应本身所属之群体地址 (the group address), 并可以用来向群体广播路由器 (Mrouter) 注册用。 群体成员的加入 (join) 或离开 (leave) 皆为动态式的 (dynamic),意即可以随时加入或离开。 对群体路由器而言,在找寻路由路径时,则可以采用距离向量群体广播路由协议 (Distance Vector Multicast Routing Protocol, DVMRP) [16],或是采用群体广播开放最短路径协议 (Multicast Open Shortest Path First protocol, MOSPF) [12]。距离向量群体广播路由协议 (DVMRP) 系在建立Mrouters间之通道 (tunnels),而群体广播数据封包在跨越因特网时,则是利用预先在各Mrouters之间所建立好的通道 (tunnel)。通道 (tunnels) 是一条虚拟 (virtual) 的点对点 (point-to-point) 网络联机 (link),负责传送各个Island间的群体广播数据封包。在每一通道 (tunnel) 上都有一个metric值以及一个基准值 (threshold value)。Metric值在定义路由 (routing) 此通道 (tunnel) 时的花费 (cost),用以反应此通道 (tunnel) 的数据流量 (traffic) 状态。而基准值 (threshold value) 则用在当群体广播资料封包上的生命周期值 (Time To Live, TTL) 大于Mrouter上的基准值时,此封包方允许可以经由通道 (tunnel) 被送往另一个Mrouter上,而且每作一次Mrouter跳跃时,则生命周期值 (TTL) 就减一,此作法可以控制群体广播数据封包的适度扩散,以节省网络频宽(bandwidth)。另外距离向量群体广播路由协议利用各条通道上的metric值,计算出总合最小的路由路径 (routing path) 出来,以利群体广播数据封包的传送。而群体广播开放最短路径协议 (MOSPF) 系利用Dijkstra算法并采即需求 (on-demand) 的方式来计算出传输的最短路径,不再使用信道 (tunnels)装置,因此Mrouter不用再需要复制想要传送的群体广播数据封包,以增加效能 (performance),至于其详细的距离向量群体广播路由协议与群体广播开放最短路径协议运作则参考 [12,16]。 3. Multicast Multimedia Network Architecture and System 欲完成一个多媒体播放系统所必须面对的主要课题有(1)多媒体群体广播网络架构的设计,(2)多媒体群体广播网络系统的设计与实作,(3)以及多媒体群体广播网络协议的设计与建立。其中第3项已于前一节有所讨论,现在分述第1、2项如下。 1. 多媒体群体广播网络架构的设计 : 根据已经定义的因特网群体广播地址 (Class D),因特网群体管理协议 (IGMP),以及距离向量群体广播路由协议 (DVMPR),与群体广播开放最短路径协议 (MOSPF),我们可以设计出一个二阶层之阶层式多方多媒体网络架构 (Multiparty Multimedia Networking Architecture)。如图5-(a)所示,此二阶层架构为end-to-end的通讯控制架构。图5-(b)为其相对应于OSI七层架构的系统概念。
整个网络为各个局域网络经路由器 (router) 所串接而成。在每一个局域网络上,皆有一个多方多媒体服务器 (Multiparty Multimedia Server),以及连接在此局域网络上的一些终端多媒体播放计算机 (Multimedia Presentation Clients)。每一个多方多媒体服务器储存一些多媒体数据,当某一终端计算机C要求播放的多媒体数据是储存在多方多媒体服务器A时,则称多方多媒体服务器A为真服务器 (Physical Server),但可能终端计算机C所位在的局域网络其所属的多方多媒体服务器为B,则称多方多媒体服务器B为虚服务器 (Virtual Server)。虚服务器B (Virtual Server B) 自真服务器A (Physical Server A) 接收到多媒体数据时,由于此多媒体数据经过因特网的传送,会产生不可预期的延迟 (unpredictable delay),进而发生间差 (jitters) 与歪斜误差(skews) 造成多媒体数据不能同步的问题 (synchronization problems),因此虚服务器B必须先解决多媒体数据同步的问题后,再群体广播给位于自己管辖的局域网络上的终端计算机C。因此多方多媒体服务器的功能必包括 (1) 多媒体数据储存数据库; (2) 多媒体数据的同步处理﹐以作好多媒体服务品质 (QoS) 之控制﹔(3) 群体成员 (member) 加入 (join)﹐与离开 (leave) 的管理﹔(4) 群体广播 (multicast) 横跨网络时﹐路由路径 (routing path) 之决定与执行﹔(5) 允许控制(Admission Control) 之执行﹐在有限的网络频宽 (bandwidth) 上控制多媒体数据之传输数目﹐以求较完善之多媒体播放 (presentation) 品质。至于多方多媒体服务器的详细运作功能与多媒体数据同步问题之解决,则参考 [5,6,7]。 2. 多媒体群体广播网络系统以及多媒体群体广播网络协议的设计 :
为了实现多媒体群体实时广播播放的目的,我们提出一个多方多媒体播放系统 (Multiparty Multimedia Presentation System)﹐其作法是分别在多方多媒体服务器以及终端多媒体播放计算机建立若干软件系统。如图6所示﹐在多方多媒体服务器中设计了三层软件系统架构﹐分别为多媒体数据同步层,群体广播控制层,以及网络传输控制层。在终端多媒体播放计算机,则设计了四层软件系统架构﹐分别为使用者接口层﹐多媒体数据同步层,群体广播控制层,以及网络传输控制层等﹐其功能现兹分述如下。 A. 多方多媒体服务器系统:
在每一个局域网络上,皆有一个多方多媒体服务器系统﹐图7为依据图4的系统架构﹐再将多方多媒体服务器系统细分为六部份,现分述其功能如下。 1. 多媒体数据处理与同步层 :
此层包括多媒体数据同步控制 (synchronization control)﹐允许控制 (admission control)﹐以及多媒体数据库查询三部份部份。多媒体数据库查询是在达成多媒体数据的搜寻与抓取,如果所要求播放的多媒体数据是储存在目前的 (local) 多方多媒体服务器时,由于局域网络的传输延迟较小,因此再配合以适当的允许控制 (admission control),则多媒体数据可以不经由同步处理,而直接送到终端计算机。但是如果所要求播放的多媒体数据并非储存在目前的 (local) 多方多媒体服务器,而是储存在远程的 (remote) 多方多媒体服务器时,则多媒体数据经广域网络传输时,由于广域网络的传输延迟 (delay) 难以控制,而造成多媒体数据的时间误差,例如jitters以及 skews。因此若想达到实时 (real time) 而且符合服务品质要求(Quality of Service) 的多媒体数据传输,则必须采用同步的技术,以平顺 (smooth) 终端计算机的多媒体播放。可以采用的多媒体数据同步策略很多 [5,6,14],例如对于声讯 (audio) 数据可以采用停滞同步策略 (blocking synchronization scheme),这是针对人类的耳朵可以容忍声音小时间的中断,所采用的方法。另外目前的 (local) 多方多媒体服务器与远程的 (remote) 多方多媒体服务器的控制方法,以及群体广播下的多媒体数据同步机置的设计则于 [5,6,7] 有所讨论。
2. 群体广播控制层 :
此层包括IGMP﹐DVMRP﹐MOSPF﹐以及RFC1112四部份。此层所包括IGMP,DVMP,MOSPF﹐以及RFC 1112四种有关群体广播协议的设计与实作。此四种协议中的RFC1112为群体广播寻址方式与功能的文件。而IGMP是在执行因特网群体管理协议,以及管理某群体成员的加入或离开,并且记录其各个成员的所在网络。而DVMP以及MOSPF则可以求出在因特网上的最短群体广播路径,以供群体广播控制使用。此层为执行群体广播的功能并配合来自网络传输控制层得到的多媒体数据,再传送给多媒体数据同步处理层作同步处理,或反之自多媒体数据同步处理层所得到已作同步处理的多媒体数据,再传送给网络传输控制层。
3. 网络传输控制层 :
现行的因特网为采用UDP/TCP IP网络传输协议,其中TCP可用于传输要求无误 (error-free) 的静止媒体 (static media),例如文字 (text) 以及影像 (image) 数据等。UDP则可用于传输要求实时 (real time) 而允许少量错误的连续媒体 (continuous media),例如视讯 (video) 以及声讯 (audio) 数据等。而群体广播 (multicast) 在因特网上所使用的网络传输协议为使用者数据单元协议 (User Datagram Protocol, UDP),UDP是不可靠 (unreliable) 而且不保证数据封包有顺序 (sequence order) 的网络传输协议,因此在设计网络传输控制层时,必须加入适当的可靠度与数据封包顺序控制,并且避免” 确认讯息接收破裂 (acknowledgment implosion) “的问题。因此Reliable&Sequence Control Protocol的设计在满足实时 (real time) 的而且可以允许少数数据流失的网络传输协议。而另一方面﹐为了达到某些数据不可以因网络传输协议的关系而有所流失,因此必须有符合实时性与可靠度两种特性﹐即具有QoS性质的网络传输协议,并且解决自广域网络上所接收的数据时,所面临网络延迟的变异性 (network delay variance) 较大的问题,并且完成流量控制以及封包顺序的安排。 B. 终端多媒体播放系统 :
终端多媒体播放计算机除配备有麦克风、喇吧、声卡等相关的硬设备外﹐软件系统如图6所示﹐依所提供的功能而划分成使用者接口层,多媒体数据同步层,群体广播控制层,以及网络传输控制层等四层。图8为依据图6的系统架构﹐再将终端多媒体播放系统细分,现分述其功能如下。
1. 使用者接口层: 依所需之应用而执行多媒体数据之接口程序。
2. 多媒体数据同步层: 目的在将多媒体数据以同步的方式播放出来,例如影像 (video) 数据与语音 (audio) 数据的lip synchronization.。并且由于方多媒体服务器已经执行了多媒体数据的同步控制,因此在终端多媒体播放计算机端可以减少大量的多媒体数据同步控制负担 (synchronization control load) 以及资源的需求 (例如buffers等)。
3. 群体广播控制层 : 此层包括IGMP以及RFC1112二部份有关群体广播协议的设计与实作。此二种协议中的IGMP是在执行网络群体管理协议属于成员 (member) 端部份,以完成某群体成员的加入或离开的需求。而RFC1112为群体广播寻址方式与功能的文件。此层并配合来自多媒体数据同步层所得到的多媒体数据,再传送给网络传输控制层﹐其目的在将自多方多媒体服务器所传送过来的群体多媒体数据,转换成多媒体数据同步层所需要的格式后,送往多媒体数据同步层作播放。
4. 网络传输控制层: 此层执行Reliable&Sequence Control Protocol。Reliable&Sequence Control Protocol的设计﹐如A)之(3)所述﹐亦在满足多媒体数据传输的特性,亦即必需具有QoS性质的网络传输协议﹐以解决自因特网上所接收的数据时,所面临网络延迟的变异性 (network delay variance) 较大的问题,并完成流量控制以及封包顺序的安排。另外必须注意的是在终端部份的Reliable&Sequence Control Protocol时﹐其运作方式与服务器端 (Server) 的Reliable&Sequence Control Protocol是有所区别的﹐例如必须考虑主﹑从 (Master and Slave) 的关系。 4. Conclusion
网络与多媒体是目前应用最为广泛的系统,两者结合可以提供给使用者各式各样的应用服务,其中利用网络来达到实时的多媒体播放传送的功能,并且可以多方播放传送,势必可以为人类生活带来相当的效益。例如,一群分散在全球各地的会议参与者,可以藉广域网络将其声音、影像与会议数据同时、同步地播放出来,以达到互相讨论的目的,而且不必花费巨额的国际差旅费用,以及为赴开会地点所付出的时间。
在本文中我们提出了一个可行的多方多媒体播放网络架构与系统,其中说明了如何达到群体多媒体数据广播的功能,以及针对多媒体数据播放时所要求的服务品质 (QoS),加入一个解决的机置 (mechanism),以达到较为平顺的多媒体数据播放品质。 Reference 1. G. J. Armitage, “Multicat and Multiprotocol support for ATM based Internets,” Proc. of ACM SIGCOMM, VOL. 25, NO. 1, pp. 34-46, 1995.
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语音技术问题:语音处理高手请进。 -- 无痕 - (834 Byte) 2003-12-30 周二, 12:28 (1460 reads) - Internet上的多媒体群体广播架构 (转贴) -- 安普若 - (27818 Byte) 2003-12-30 周二, 13:16 (942 reads)
- . -- 无痕 - (30 Byte) 2003-12-30 周二, 13:30 (368 reads)
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