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宽带IP网上的MPEG实时视频
作者/来源：未知
采用IP网进行视频传输的必要性
这几年通信技术发展的最大特点之一是电路交换向包交换转变，IP网络成为基础传输网。
IP数据网络一直是电信传输网的一种增值服务，人们一度做大量的努力使IP over Everything成为现实，使得任何传统电信和其他的网络都能提供IP数据网络服务，但随着几年因特网的发展，用户对IP数据网络的需求有超过传统电信网络的趋势，在北美一些发达国家，这种状况已经发生。在这种情况下，人们重新定义IP网络，认为IP网应该是一种基础传输网络，可用Everything over IP或IP汇聚概括，北美的Uunet Level 3 Qwest等和中国网通以IP为基础传输网新类或新兴电信服务商的发展或出现，以及IP电话在中国的迅猛发展更加证明了这一点。
传输网的基本目的是承载和传输数据、话音和视频业务，IP网络天生是承载数据业务的，技术发展使得IP网络大量使用承载话音也成为不争实事，那么IP网络的另一个重要业务发展方向显然是承载视频。
为什么采用MPEG压缩/解压缩
数字视频压缩标准中最著名的有MPEG，INDEO（微软avi文件格式），CINEPAC（Apple Quicktime格式）。INDEO和CINEPAC只提供每秒15帧的图象质量，而NTSC每秒30帧而PAL每秒25帧，INDEO和CINEPAC达不到传输电视节目的要求，同时INDEO和CINEPAC并不总是实时压缩方式，INDEO限于PC平台，CINEPAC限于MAC平台也限制了这两种格式的使用，上述三点是INDEO和CINEPAC压缩方式的主要缺点。
MPEG标准由隶属于国际标准化组织的动态图像专家组制定，由MPEG1、MPEG2、MPEG3、MPEG4组成。
MPEG1提供VCD质量的画质，速率200Kbps~1.5Mbps。
ü MPEG2提供广播级的DVD质量图像，速率1.5Mbps~15Mbps。
MPEG3的原本是为高清晰电视定义，后来委员会认为所有MPEG3的要求已为MPEG2标准所包含，所以该标准没有完成。
MPEG4是第一个转为为实时图像优化的标准，但在当前其只是停留在草案阶段还没有为官方接受。
MPEG采用有损帧间压缩方式，MPEG提供以下好处：
MPEG提供全屏全动态，每秒30帧（NTSC）或25帧（PAL）图像。而码流只有1~15Mbps
MPEG可提供高质量图像，使得其比其他方式具有更大的使用范围。
MPEG是国际标准，所以受到最广泛的支持。
MPEG是跨平台压缩/解压缩方式，所以可在多种播放器上播放，如VCD、DVD、PC、MAC和顶置盒上 播放。
当前能够常见IP网络高质量MPEG2视频编码设备厂商有：
Minerva 公司。
DiviCom和Harmnic(两公司已合并)。
Optibase公司。
Optivision 公司。
对网络的需求
对IP话音，一般都压缩到5k~15Kbps的码流，所以希望网络传输包长尽可能短，因为如果包长很长如1500字节即12Kbps，那么光打包本身就造成了1秒左右的时延，显然时不行的。所以话音在IP网中传输采用的是短包。由于路由器对短包传输需要跟大的交换能力，所以对路由器的包交换能力要求很高。
MPEG图像在IP网上进行传输，传输速率时200K-15Mbps。对于典型的MPEG2广播级视频假设为8Mbps ，如果采用1500字节的包长，则压缩传输设备每秒要打将近 700个包，这对压缩传输设备的CPU的压力非常大，所以希望网络路由交换设备支持超常包（Jumbo Frame）。超长帧在以太网多协议环境中时不能存在的（802.3和以太网协议之间的冲突决定了以太网包长不能超过1512）。单在纯IP协议的网络中这种障碍可以消除。当前由很多厂商声明多超长帧的支持。
综合起来MPEG视频在IP网的传输多网络有以下几点基本需求：
1. 超长帧支持，降低CPU和路由设备压力。
2. 极低时延，保证视频的实时性。
3. 极低抖动，保证视频的连续。
4. 高带宽，适应突发通信。
网络设计
传统的IP网络进行业务包的传递采用的尽力传递算法（Best effect），这种算法只尽最大可能保证数据传递到目的，而并不保证数据的时延和抖动特性，这对于“迟到不如不到”的多媒体应用特别不利。而且传统IP包传输设备（路由器）包传递和路径计算和选择依靠于同一中央处理器，性能很低，无法提供足够交换能力，不能提供低时延低抖动特性，更不能提供QOS保证。在用IP网进行MPEG视频传输应该根据其业务特点而进行设备选择，传输方式设计，协议设计和QOS设计。
设备选择
IP网路设备具有两部分基本功能：
路由表维护部分 ,当前只能以软件实现, 该部分的功能控制包装路径.
包转发部分: 传统路由器利用软件实现, 当前的交换路由器利用专有芯片硬件ASIC实现。
传统的路由器因为路由表维护和包转发都依靠软件实现,所以导致因特网: 不能提供高带宽(交换能力不足) , 时延大且不稳定, 不能保证一些具有QOS 保证的应用，其交换能力一般小于500Kpps
为了保证视频的传输，在网络设备选型上应采用这样一种路由器，其路由表维护和包转发分离开来, 路由表的维护采用软件实现, 包转发采用硬件实现, 这样降低了运行路由表维护的CPU 的负担, 并且由于包转发采用了硬件实现从而能够提供很高的带宽, 提供极低的时延和抖动,能够实现COS ,从而保证一些带宽要求高,时延敏感的多媒体应用。
所采用路由器交换能力应大于> 10 M pps，在体系结构上避免采用总线共享内存方式（难以扩展），而采用分布式共享内存或并行访问共享内存，这种结构，能够提供足够的背板带宽和线速组播能力，并且没有影响系统性能和时延抖动参数的行前阻塞现象。交叉连杆方式能够提供足够的背板带宽，但其行前阻塞现象难以消除，组播时性能会下降，从而影响了其应用性能，如能采用很好的算法消除交叉连杆方式的行前阻塞现象，则也是一种好的选择。
所选设备应该提供多组输入/输出队列，实现多种队列算法，如 优先级队列，公平加权队列。
当前市场常见的相关产品有
交换路由器(switch router)
Juniper M160，M40，M20
Cisco GSR12012 GSR12008 GSR12016 (必须是ASIC交换线卡)
路由交换机（routing switch）
Alcatel omniCore 5052 5022 5010
Extreme Black diamond 和 Summit 系列
Cabletron SSR系列
Foundry NetIron BigIron系列
IP传输方式选择
典型骨干高带宽IP包的传输方式有三种，有IP over ATM，POS，和现在最流行的IP over GE（千兆以太网）。IP over ATM有很多方式，如RFC1483、RFC1577、LANE 、MPOA、MPLS 。由于ATM可以直接承载MPEG视频，所以在ATM上承载IP，IP上再承载MPEG视频显然是很不经济的，所以这种方式只用在已有ATM网，但ATM网不能完全到达目的的情况下。
POS 技术能够利用传统的SDH网络进行宽带IP业务的承载，其原理监下图，POS技术能够很好利用SDH网络的长距离传输机制和快速自保护切换技术实现高效的可靠的IP数据传输，从而实现高质量MPEG视频的传输。但SDH也能传输MPEG视频，所以这种情况也是用在SDH网不能完全到达目的情况。
千兆已经成为了一种国外很流行IP城域网和园区传输方式，随着万兆以太网标准的制定，以太网显然会成为一种统一LAN MAN WAN传输方式，以太网采取全双工方式，从而消除了碰撞，达到线速性能，没有了传输距离的限制。利用802.1p/1q提供的第二层的COS机制能够对视频流进行很好的保证。所以以太网这种传输方式时较为合理的MPEG video over IP的方式。
协议设计
IP网上进行MPEG视频的传输一般采用UDP或RTP协议，因为这两种协议效率很高并且时延要比TCP 低得多，但缺点是这两种协议容易加重网络拥塞，并且不能根据网络的运行情况而调整数据的传输。所也在设计中要加以注意。
视频的播出为了节省系统资源，一般采用组播方式，组播协议路由器之间有DVMRP，PIM-Dense mode 和PIM-Spare mode，路由器和主机之间有IGMP组管理协议。组播经过二层交换机时要特别注意，因为二层交换机缺省把组播包广播到本广播域内的每个端口，这样会影响二层交换机上其他应用的性能。有些交换具有IGMP snooping 功能，能够自己学习，只把组播包发往声明接受该包的端口上，提高交换机上应用的性能（Cisco 使用专有协议CGMP实现这一功能）。
拓扑设计
IP网络可以以任何拓扑架构，但实际中往往在易于实施、高效和可靠之间进行折衷。典型是星型拓扑和环型拓扑。
星型拓扑的优点是符合信息的流动趋势，并能从拓扑上保证每两点之间通信不超过三跳，从而保证时延特性。但星型拓扑没有自愈能力，并且核心节点压力很大，其容易失效导致整个网络瘫痪。
环形拓扑最大的特点是具有自愈能力。容易进行覆盖，减少光纤铺设成本，环形IP网络没有单点失效，增加系统可靠性，但这种方式不完全符合流量的走向，容易造成近出口端拥塞瓶颈。并且没有固定跳数限制（取决于环大小），时延特性不好控制。
具体采用那种拓扑，必须根据本地实际情况，如果采用星型拓扑，则要尽力保证传输路径和核心节点的可靠性。选用环形拓扑，则要仔细进行流量工程设计和时延参数设计。
QOS设计
网络设计时采用富裕带宽设计（Non-oversubscribed network）。典型的例子时，如果骨干带宽是一吉，如果用百兆网接入，则接入数不会超过十个，这样保证了骨干网络无法产生拥塞，或采用独立的波长，使应用间隔离。从而保证MPEG视频应用，在后面的Wnet3就采用这种方式。
大多情况下很难实现富裕带宽方式，而采用多种质量保证。
服务质量QOS（quality of service）指为特定用户和应用提供指定服务水平和性能以满足其需求而进行网络体系资源分配的能力。QOS能够区分不同的数据流以进行资源分配，有QOS能力的网络能更好地利用带宽，保证视频传输等关键应用。
为了达到高质量MPEG视频在IP网上传输这一目的，我们在网络设计时一定使网络嫩够对对应用进行服务类别分类，即COS（class of service）。通过识别不同的COS，我们就可以进行服务质量保证QoS。
根据COS我们可以有两种实现服务质量保证方式，即软QOS和硬QOS。
软QOS 当实现COS而没有信令，带宽的管理和策略的实现在每个单独的网络节点上则称之为软QOS（Soft QOS）。这种基于每个设备的QOS不能提供完全端到端的保证。但对不同类别COS提供优先级最大可能的管理的拥塞。这种方式简单且能适应很大的网络入INTERNET。象IETF所定义的 DiffServ和基于TOS的路由。还有基于802.1p/1q的优先控制,都可称为软QOS
硬QOS(hard QOS) 硬QOS通过交换机间的信令协商为用户提供端对端的质量保证。端对端的质量保证仍旧用COS来把具有相似特性应用分类。交换机互相协商每个COS类中的每个应用的QOS参数。根据自己的资源进行QOS保障。这种端对端的QOS利用InterServ 和Rsvp进行实现。
硬QOS能实现端对端的QOS保障。代价是复杂性和不能很好扩充。很难适应大网。
结束语
IP网络上的MPEG视频是一种非常有前途的技术，能够大大降低总拥有成本TCO。但这一技术在国内还没有普遍接受，鼎诚网络公司不但作为宽带IP网络的倡导者，而且要成为其应用的推广者，我们将提供一个IP网络上进行多路MPEG2广播级视频传输的测试环境，使大家对这一技术有直观的了解，并和大家共同解决发现的问题。起到推广这一技术，为大家服务的目的。
这几年通信技术发展的最大特点之一是电路交换向包交换转变，IP网络成为基础传输网。
IP数据网络一直是电信传输网的一种增值服务，人们一度做大量的努力使IP over Everything成为现实，使得任何传统电信和其他的网络都能提供IP数据网络服务，但随着几年因特网的发展，用户对IP数据网络的需求有超过传统电信网络的趋势，在北美一些发达国家，这种状况已经发生。在这种情况下，人们重新定义IP网络，认为IP网应该是一种基础传输网络，可用Everything over IP或IP汇聚概括，北美的Uunet Level 3 Qwest等和中国网通以IP为基础传输网新类或新兴电信服务商的发展或出现，以及IP电话在中国的迅猛发展更加证明了这一点。
传输网的基本目的是承载和传输数据、话音和视频业务，IP网络天生是承载数据业务的，技术发展使得IP网络大量使用承载话音也成为不争实事，那么IP网络的另一个重要业务发展方向显然是承载视频。
为什么采用MPEG压缩/解压缩
数字视频压缩标准中最著名的有MPEG，INDEO（微软avi文件格式），CINEPAC（Apple Quicktime格式）。INDEO和CINEPAC只提供每秒15帧的图象质量，而NTSC每秒30帧而PAL每秒25帧，INDEO和CINEPAC达不到传输电视节目的要求，同时INDEO和CINEPAC并不总是实时压缩方式，INDEO限于PC平台，CINEPAC限于MAC平台也限制了这两种格式的使用，上述三点是INDEO和CINEPAC压缩方式的主要缺点。
MPEG标准由隶属于国际标准化组织的动态图像专家组制定，由MPEG1、MPEG2、MPEG3、MPEG4组成。
MPEG1提供VCD质量的画质，速率200Kbps~1.5Mbps。
ü MPEG2提供广播级的DVD质量图像，速率1.5Mbps~15Mbps。
MPEG3的原本是为高清晰电视定义，后来委员会认为所有MPEG3的要求已为MPEG2标准所包含，所以该标准没有完成。
MPEG4是第一个转为为实时图像优化的标准，但在当前其只是停留在草案阶段还没有为官方接受。
MPEG采用有损帧间压缩方式，MPEG提供以下好处：
MPEG提供全屏全动态，每秒30帧（NTSC）或25帧（PAL）图像。而码流只有1~15Mbps
MPEG可提供高质量图像，使得其比其他方式具有更大的使用范围。
MPEG是国际标准，所以受到最广泛的支持。
MPEG是跨平台压缩/解压缩方式，所以可在多种播放器上播放，如VCD、DVD、PC、MAC和顶置盒上 播放。
当前能够常见IP网络高质量MPEG2视频编码设备厂商有：
Minerva 公司。
DiviCom和Harmnic(两公司已合并)。
Optibase公司。
Optivision 公司。
对网络的需求
对IP话音，一般都压缩到5k~15Kbps的码流，所以希望网络传输包长尽可能短，因为如果包长很长如1500字节即12Kbps，那么光打包本身就造成了1秒左右的时延，显然时不行的。所以话音在IP网中传输采用的是短包。由于路由器对短包传输需要跟大的交换能力，所以对路由器的包交换能力要求很高。
MPEG图像在IP网上进行传输，传输速率时200K-15Mbps。对于典型的MPEG2广播级视频假设为8Mbps ，如果采用1500字节的包长，则压缩传输设备每秒要打将近 700个包，这对压缩传输设备的CPU的压力非常大，所以希望网络路由交换设备支持超常包（Jumbo Frame）。超长帧在以太网多协议环境中时不能存在的（802.3和以太网协议之间的冲突决定了以太网包长不能超过1512）。单在纯IP协议的网络中这种障碍可以消除。当前由很多厂商声明多超长帧的支持。
综合起来MPEG视频在IP网的传输多网络有以下几点基本需求：
1. 超长帧支持，降低CPU和路由设备压力。
2. 极低时延，保证视频的实时性。
3. 极低抖动，保证视频的连续。
4. 高带宽，适应突发通信。
网络设计
传统的IP网络进行业务包的传递采用的尽力传递算法（Best effect），这种算法只尽最大可能保证数据传递到目的，而并不保证数据的时延和抖动特性，这对于“迟到不如不到”的多媒体应用特别不利。而且传统IP包传输设备（路由器）包传递和路径计算和选择依靠于同一中央处理器，性能很低，无法提供足够交换能力，不能提供低时延低抖动特性，更不能提供QOS保证。在用IP网进行MPEG视频传输应该根据其业务特点而进行设备选择，传输方式设计，协议设计和QOS设计。
设备选择
IP网路设备具有两部分基本功能：
路由表维护部分 ,当前只能以软件实现, 该部分的功能控制包装路径.
包转发部分: 传统路由器利用软件实现, 当前的交换路由器利用专有芯片硬件ASIC实现。
传统的路由器因为路由表维护和包转发都依靠软件实现,所以导致因特网: 不能提供高带宽(交换能力不足) , 时延大且不稳定, 不能保证一些具有QOS 保证的应用，其交换能力一般小于500Kpps
为了保证视频的传输，在网络设备选型上应采用这样一种路由器，其路由表维护和包转发分离开来, 路由表的维护采用软件实现, 包转发采用硬件实现, 这样降低了运行路由表维护的CPU 的负担, 并且由于包转发采用了硬件实现从而能够提供很高的带宽, 提供极低的时延和抖动,能够实现COS ,从而保证一些带宽要求高,时延敏感的多媒体应用。
所采用路由器交换能力应大于> 10 M pps，在体系结构上避免采用总线共享内存方式（难以扩展），而采用分布式共享内存或并行访问共享内存，这种结构，能够提供足够的背板带宽和线速组播能力，并且没有影响系统性能和时延抖动参数的行前阻塞现象。交叉连杆方式能够提供足够的背板带宽，但其行前阻塞现象难以消除，组播时性能会下降，从而影响了其应用性能，如能采用很好的算法消除交叉连杆方式的行前阻塞现象，则也是一种好的选择。
所选设备应该提供多组输入/输出队列，实现多种队列算法，如 优先级队列，公平加权队列。
当前市场常见的相关产品有
交换路由器(switch router)
Juniper M160，M40，M20
Cisco GSR12012 GSR12008 GSR12016 (必须是ASIC交换线卡)
路由交换机（routing switch）
Alcatel omniCore 5052 5022 5010
Extreme Black diamond 和 Summit 系列
Cabletron SSR系列
Foundry NetIron BigIron系列
IP传输方式选择
典型骨干高带宽IP包的传输方式有三种，有IP over ATM，POS，和现在最流行的IP over GE（千兆以太网）。IP over ATM有很多方式，如RFC1483、RFC1577、LANE 、MPOA、MPLS 。由于ATM可以直接承载MPEG视频，所以在ATM上承载IP，IP上再承载MPEG视频显然是很不经济的，所以这种方式只用在已有ATM网，但ATM网不能完全到达目的的情况下。
POS 技术能够利用传统的SDH网络进行宽带IP业务的承载，其原理监下图，POS技术能够很好利用SDH网络的长距离传输机制和快速自保护切换技术实现高效的可靠的IP数据传输，从而实现高质量MPEG视频的传输。但SDH也能传输MPEG视频，所以这种情况也是用在SDH网不能完全到达目的情况。
千兆已经成为了一种国外很流行IP城域网和园区传输方式，随着万兆以太网标准的制定，以太网显然会成为一种统一LAN MAN WAN传输方式，以太网采取全双工方式，从而消除了碰撞，达到线速性能，没有了传输距离的限制。利用802.1p/1q提供的第二层的COS机制能够对视频流进行很好的保证。所以以太网这种传输方式时较为合理的MPEG video over IP的方式。
协议设计
IP网上进行MPEG视频的传输一般采用UDP或RTP协议，因为这两种协议效率很高并且时延要比TCP 低得多，但缺点是这两种协议容易加重网络拥塞，并且不能根据网络的运行情况而调整数据的传输。所也在设计中要加以注意。
视频的播出为了节省系统资源，一般采用组播方式，组播协议路由器之间有DVMRP，PIM-Dense mode 和PIM-Spare mode，路由器和主机之间有IGMP组管理协议。组播经过二层交换机时要特别注意，因为二层交换机缺省把组播包广播到本广播域内的每个端口，这样会影响二层交换机上其他应用的性能。有些交换具有IGMP snooping 功能，能够自己学习，只把组播包发往声明接受该包的端口上，提高交换机上应用的性能（Cisco 使用专有协议CGMP实现这一功能）。
拓扑设计
IP网络可以以任何拓扑架构，但实际中往往在易于实施、高效和可靠之间进行折衷。典型是星型拓扑和环型拓扑。
星型拓扑的优点是符合信息的流动趋势，并能从拓扑上保证每两点之间通信不超过三跳，从而保证时延特性。但星型拓扑没有自愈能力，并且核心节点压力很大，其容易失效导致整个网络瘫痪。
环形拓扑最大的特点是具有自愈能力。容易进行覆盖，减少光纤铺设成本，环形IP网络没有单点失效，增加系统可靠性，但这种方式不完全符合流量的走向，容易造成近出口端拥塞瓶颈。并且没有固定跳数限制（取决于环大小），时延特性不好控制。
具体采用那种拓扑，必须根据本地实际情况，如果采用星型拓扑，则要尽力保证传输路径和核心节点的可靠性。选用环形拓扑，则要仔细进行流量工程设计和时延参数设计。
QOS设计
网络设计时采用富裕带宽设计（Non-oversubscribed network）。典型的例子时，如果骨干带宽是一吉，如果用百兆网接入，则接入数不会超过十个，这样保证了骨干网络无法产生拥塞，或采用独立的波长，使应用间隔离。从而保证MPEG视频应用，在后面的Wnet3就采用这种方式。
大多情况下很难实现富裕带宽方式，而采用多种质量保证。
服务质量QOS（quality of service）指为特定用户和应用提供指定服务水平和性能以满足其需求而进行网络体系资源分配的能力。QOS能够区分不同的数据流以进行资源分配，有QOS能力的网络能更好地利用带宽，保证视频传输等关键应用。
为了达到高质量MPEG视频在IP网上传输这一目的，我们在网络设计时一定使网络嫩够对对应用进行服务类别分类，即COS（class of service）。通过识别不同的COS，我们就可以进行服务质量保证QoS。
根据COS我们可以有两种实现服务质量保证方式，即软QOS和硬QOS。
软QOS 当实现COS而没有信令，带宽的管理和策略的实现在每个单独的网络节点上则称之为软QOS（Soft QOS）。这种基于每个设备的QOS不能提供完全端到端的保证。但对不同类别COS提供优先级最大可能的管理的拥塞。这种方式简单且能适应很大的网络入INTERNET。象IETF所定义的 DiffServ和基于TOS的路由。还有基于802.1p/1q的优先控制,都可称为软QOS
硬QOS(hard QOS) 硬QOS通过交换机间的信令协商为用户提供端对端的质量保证。端对端的质量保证仍旧用COS来把具有相似特性应用分类。交换机互相协商每个COS类中的每个应用的QOS参数。根据自己的资源进行QOS保障。这种端对端的QOS利用InterServ 和Rsvp进行实现。
硬QOS能实现端对端的QOS保障。代价是复杂性和不能很好扩充。很难适应大网。
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