Đang tải... (xem toàn văn)
Hiện nay, mạng máy tính không còn là khái niệm xa lạ gì. sau hơn 40 năm phát triển, mạng máy tính, giờ đây mạng máy tính đ• trải rộng trên toàn cầu, với chất lượng đường truyền có chất lượng cao. Ngoài ra tính bảo mật, độ tin cậy trên mạng cũng ngày càng được củng cố. Những ứng dụng trên mạng đang ngày càng phong phú. Chính những sự phát triển này làm nảy sinh một vấn đề, đó là truyền thông đa phương tiện trên mạng. Yếu tố rất quan trọng, có mặt trong rất nhiều lĩnh vực. Trong các buổi hội thảo trực tuyến, trong đào tạo từ xa trên mạng, trong dịch vụ video/audio theo yêu cầu….Tuy nhiên sự phát triển của truyền thông đa phương tiện đòi hỏi tính thời gian thực rất cao, chùm giao thức TCP/IP hiện đang được sử dụng rất phổ biến không thể đáp ứng được yêu cầu này. Do vậy, đòi hỏi các chuyên gia mạng phải tìm ra một giải pháp mới, một giao thức mới có thể đáp ứng được việc truyền tải dữ liệu thời gian thực trên mạng. Hiện nay, giao thức RTP đ• và đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong việc đáp ứng các ứng dụng thời gian thực. Tại Việt Nam, các ứng dụng thời gian thực còn chưa phát triển, nhưng với như cầu cấp thiết của thực tế, trong thời gian tới chắc chắn các ứng dụng thời gian thực sẽ phát triển mạnh mẽ.
Nghiên cứu và ứng dụng giao thức RTP. Mục Trang Mục lục. 1 Lời nói đầu. 3 Chơng 0:Truyền dòng dữ liệu thời gian thực. 0.1. Khái niệm truyền dòng. 4 0.2. Quá trình truyền dòng. 5 Chơng I: Lựa chọn các giao thức phù hợp với các ứng dụng thời gian thực. 1.1. Giao thức TCP: ( Transmision Control Protocol) . 11 1.2. Giao thức UDP: (User Datagram Protocol). 16 1.3. Định tuyến multicast. 17 1.4. Giao thức nào có thể đáp ứng đợc yêu cầu thời gian thực? 19 Chơng II: Tổng quan Giao thức thời gian thực RTP (real time protocol). 3.1Những khái niệm ban đầu. 22 3.2 ứng dụng của RTP trong hội thảo đa phơng tiện. 24 Chơng III: Giao thức truyền tải thời gian thực (real time transport protocol). 3.1. Một số khái niệm liên quan đến RTP. 28 3.2. Cấu trúc phần tiêu đề gói RTP. 32 3.3 Ghép các phiên truyền RTP. 36 3.4. Sự thay đổi phần tiêu đề trong một số trờng hợp. 37 Chơng IV: Giao thức điều khiển RTP (RTCP: RTP control protocol). 4.1 Chức năng và hoạt động của RTCP. 39 4.2. Các loại gói tin RTCP. 41 4.3 Khoảng thời gian truyền các gói RTCP. 44 4.4 Cập nhật số thành viên tham gia phiên truyền. 47 4.5 Qui định đối với việc gởi và nhận các gói RTCP. 48 4.6. Các bản tin thông báo của ngời gởi và ngời nhận. 54 4.7 Gói tin mô tả các thông tin của nguồn. 64 4.8. Gói BYE. 70 1 Nghiên cứu và ứng dụng giao thức RTP. 4.9. Gói APP. 71 Chơng V: các bộ RTP Translators và RTP Mixers . 5.1. Khái niệm chung. 73 5.2. Hoạt động của bộ Translators. 76 5.3. Hoạt động của Mixers. 78 5.4. Các mixer mắc phân tầng. 80 Phần VI: Một số thuật toán cần chú ý. 6.1. Phân phối các định danh SSRC. 82 6.2 Vấn đề bảo mật trong RTP. 86 6.3. Điều khiển tắc nghẽn. 87 6.4. RTP với các giao thức lớp mạng và lớp giao vận. 88 Chơng VII: ứng dụng lý thuyết vào thực tế. 7.1 Phân tích yêu cầu đặt ra. 90 7.2. thực hiện. 92 7.3. Kết quả. 93 Phụ lục. 96 Kết luận. 99 Tài liệu tham khảo. 100 Lời nói đầu Hiện nay, mạng máy tính không còn là khái niệm xa lạ gì. sau hơn 40 năm phát triển, mạng máy tính, giờ đây mạng máy tính đã trải rộng trên toàn cầu, với chất lợng đờng truyền có chất lợng cao. Ngoài ra tính bảo mật, độ tin cậy trên mạng cũng ngày càng đợc củng cố. Những ứng dụng trên mạng đang ngày càng phong phú. Chính những sự phát triển này làm nảy sinh một vấn đề, đó là truyền thông đa phơng tiện trên mạng. Yếu tố rất quan trọng, có mặt trong rất nhiều lĩnh vực. Trong các buổi hội thảo trực 2 Nghiên cứu và ứng dụng giao thức RTP. tuyến, trong đào tạo từ xa trên mạng, trong dịch vụ video/audio theo yêu cầu .Tuy nhiên sự phát triển của truyền thông đa ph ơng tiện đòi hỏi tính thời gian thực rất cao, chùm giao thức TCP/IP hiện đang đợc sử dụng rất phổ biến không thể đáp ứng đợc yêu cầu này. Do vậy, đòi hỏi các chuyên gia mạng phải tìm ra một giải pháp mới, một giao thức mới có thể đáp ứng đợc việc truyền tải dữ liệu thời gian thực trên mạng. Hiện nay, giao thức RTP đã và đang chứng tỏ những u điểm của mình trong việc đáp ứng các ứng dụng thời gian thực. Tại Việt Nam, các ứng dụng thời gian thực còn cha phát triển, nhng với nh cầu cấp thiết của thực tế, trong thời gian tới chắc chắn các ứng dụng thời gian thực sẽ phát triển mạnh mẽ. Đây cũng là một trong những lý do chính để em chọn lựa đề tài này. Chơng 0: truyền dòng dữ liệu thời gian thực (real time streaming) Có rất nhiều ứng dụng hiện nay đòi hỏi tính thời gian thực (real time). Trong các dịch vụ truyền hình qua mạng, hội thảo trực tuyến, chat hình, chat tiếngmỗi ứng dụng có những đặc điểm riêng của nó, tuy nhiên có một số điều chung nhất mà các dịch vụ này đều yêu cầu đó là việc truyền dữ liệu theo dòng (streaming). Do vậy chúng ta sẽ bắt đầu với việc tìm hiểu về khái niệm truyền dòng. 3 Nghiên cứu và ứng dụng giao thức RTP. 0.1. Khái niệm truyền dòng: Khái niệm truyền dòng có thể hiểu là khi nội dung của audio hay video đợc truyền tới nơi nhận, nơi nhận có thể thể hiện đợc ngay trong quá trình truyền mà không cần phải đợi đến khi toàn bộ nội dung video đợc truyền xong. Cơ chế này hoàn toàn khác với cơ chế download file của các giao thức HTTP hay FTP. Truyền dòng cho phép chúng ta thể hiện các dòng video thời gian thực mà không phụ thuộc vào độ dài của video. Điều này rất có ý nghĩa khi truyền các file video có kích thớc lớn hay các dòng video có độ dài không xác định. Khi đó, các giao thức khác nh FTP hay HTTP sẽ không thể sử dụng đợc. Chúng ta có thể bắt gặp rất nhiều trờng hợp sử dụng cơ chế truyền dòng nh các chơng trình truyền hình trực tiếp, hội thảo qua mạng. Với khả năng truyền tải nội dung video, audio thông qua mạng, chúng ta có một phơng pháp giao tiếp và truy nhập thông tin mới. Với góc nhìn bao quát, truyền dòng là một phơng pháp truyền thông tin liên tục, trong đó nội dung video đợc truyền đi theo thời gian thể hiện của nội dung video đó. Bên nhận khi nhận dòng thông tin nội dung video sẽ có thể thể hiện ngay nội dung của video theo thời gian. Khả năng này rất có ý nghĩa đối với các loại dữ liệu phụ thuộc thời gian nh video, audio, bởi vì để đảm bảo chất lợng cảm thụ video thì phải đảm bảo đợc mối quan hệ về mặt thời gian giữa các khung hình. Để có thể hình dung một cách đơn giản về cơ chế truyền dòng thời gian thực, chúng ta lấy một ví dụ nh sau. Giả thiết có hai máy đợc kết nối với nhau, trong đó một máy đóng vai trò là máy truyền và một máy đóng vai trò là máy nhận. Bên truyền đợc trang bị camera để thu hình giảng viên giảng bài và dữ liệu video thu đ- ợc đợc truyền tới máy nhận. Bên nhận có nhiệm vụ nhận dòng dữ liệu từ bên truyền gửi tới và thể hiện lên thiết bị ra nh TV hay màn hình máy tính. Khi đó với việc sử dụng cơ chế truyền dòng thời gian thực, các hình ảnh của giảng viên mà bên nhận thể hiện sẽ phản ánh một cách tức thời (về mặt lí thuyết) những gì đang xảy ra đối với giảng viên ở bên truyền. Còn với các bài giảng đợc lu trữ trớc, truyền dòng thời gian thực sẽ đảm bảo việc thể hiện của video tơng đơng nh khi nó 4 Nghiên cứu và ứng dụng giao thức RTP. đợc thể hiện trên máy truyền. Khi đó, môi trờng mạng là trong suốt đối với ngời sử dụng, ngời sử dụng có cảm giác việc thể hiện đoạn video nh là đợc thực hiện ngay trên máy cục bộ. 0.2. Quá trình truyền dòng: Truyền dòng đối với video hay audio phải trải qua nhiều công đoạn với từng nhiệm vụ riêng để đi đến kết quả cuối cùng là đạt đợc khả năng thể hiện ngay ở bên nhận. Hình 0.1: Quá trình truyền dòng video/audio Để có thể tìm hiểu sâu đợc cơ chế truyền dòng, chúng ta cần đi sâu vào quá trình mà thông tin đợc truyền đi thông qua môi trờng mạng. Bất cứ một nội dung video hay audio nào đợc truyền đi dới dạng truyền dòng đều phải trải qua các bớc sau: Bớc 1 - Mã hoá: Việc mã hoá video, mà cụ thể là nén video là một công đoạn không bắt buộc nhng rất cần thiết. Với các loại dữ liệu video thô nh dữ liệu thu từ camera, thì việc Gii nộn video/audio Gii nộn video/audio RTP Packets Ly mu Ly mu Khụi phc d liu v ng b Khụi phc d liu v ng b Network Dũng video/audio 5 Nghiên cứu và ứng dụng giao thức RTP. lu trữ hay truyền video không nén sẽ phải trả giá cao, đôi khi là điều không thể. Ta lấy ví dụ với một định dạng tiêu biểu thờng đợc sử dụng trong các ứng dụng hội nghị từ xa bằng video là định dạng CIF (Common Intermediate Format). CIF sử dụng độ phân giải 352 pixel mỗi dòng và 288 dòng tất cả. Một ảnh không nén cho một frame hình (chế độ 352x288x16bpp) chiếm 202752 byte. Việc ghi video không nén với tốc độ 15 hình một giây sẽ cần xấp xỉ 3 MB một giây và nếu truyền qua mạng thì băng thông cần thiết cho một dòng video không nén là 24 Mbps. Từ ví dụ trên đây, ta thấy việc nén video gần nh là không thể thiếu đợc nếu các dòng video đợc truyền trên môi trờng mạng tốc độ thấp. Bảng sau cho biết độ nén cần thiết đối với từng môi trờng mạng khác nhau: Dng kt ni Bit Rate T l nộn OC3 155 Mbps 1:1 T3 42 Mbps 4:1 Ethernet 10 Mbps 17:1 T1 1.5 Mbps 110:1 ISDN 128 Kbps 1300:1 Modem 56 Kbps 3000:1 Bảng 0-2: Băng thông mạng và tỉ lệ nén yêu cầu Có thể sử dụng nhiều chuẩn nén khác nhau cho việc nén video. Tuỳ theo yêu cầu chất lợng và băng thông, mà ta có thể lựa chọn đợc phơng pháp nén thích hợp. Với việc áp dụng một chuẩn nén cho dữ liệu video, không gian lu trữ cần thiết cũng nh băng thông mạng yêu cầu cho dòng video giảm đột ngột. Ví nh đối với dòng video ở trên, nếu sử dụng chuẩn nén H.263 thì băng thông yêu cầu cho việc truyền dòng video này chỉ vào khoảng 140 Kbps và không gian lu trữ cần thiết cho một ngày với 24 giờ vào khoảng 1.4 MB. Hiện phổ biến hai họ chuẩn nén, là họ CCITT với các chuẩn dạng H.26x, H.36x và họ ISO MPEG với các chuẩn MPEG- 1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7. Sự phát triển của các chuẩn nén có thể tham khảo trong sơ đồ dới đây: 6 Nghiªn cøu vµ øng dông giao thøc RTP. H×nh 0.3: sù ph¸t triÓn cña c¸c chuÈn nÐn. Bíc 2 - LÊy mÉu: ViÖc lÊy mÉu thùc chÊt lµ viÖc chia nhá néi dung cña video hay audio ra thµnh c¸c khèi nhá thÝch hîp ®Ó cã thÓ truyÒn ®i trong m«i trêng m¹ng. §èi víi c¸c d÷ 7 H.261 - Một kĩ thuật với tốc độ dòng bit nhỏ, được đưa ra vào năm 1984 bởi ITU sử dụng cho các dịch vụ audio-visual. MPEG-1 - Chuẩn ISO, ứng dụng trong ngành công nghiệp quảng bá. MPEG-1 được tạo ra như là một sự sửa đổi của H.261 cho việc chuyển video vào đĩa CD với tốc độ dòng bit thấp. MPEG-2 - Được phát triển cho việc quảng bá video chất lượng cao bằng cách sử dụng tỉ lệ nén thấp. H.263 - Một sửa đổi phỏng theo MPEG-2 với mục đích thu được độ nén cao trong khi vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh cao. H.263+ và H.263++ là các phiên bản mở rộng của H.263. MPEG-4 - Được phát triển song song với H.263 như là một phương pháp thay thế cho MPEG-1 với tốc độ dòng bit thấp. H.323 - Một hệ thống hoàn hảo cho việc truyền thông multimedia, trong đó thành phần video được thực hiện trên cơ sở H.261/263. JPEG-2000 - Chuẩn JPEG mới nhất, dựa trên cơ sở DWT (Discrete Wavelet Transform), ban đầu được phát triển cho việc nén ảnh tĩnh, hiện nay được áp dụng cho cả video. H.264 - Mở rộng H.263, hiện chưa được phát triển Nghiên cứu và ứng dụng giao thức RTP. liệu audio, việc lấy mẫu đợc thực hiện theo thời gian. Tơng ứng sau một khoảng thời gian bằng chu kì lấy mẫu phần dữ liệu audio tơng ứng trong khoảng thời gian đó sẽ đợc sử dụng để truyền đi.Với các dữ liệu video, ngoài việc lấy mẫu theo thời gian còn có việc lấy mẫu theo không gian. Việc lấy mẫu theo thời gian tơng ứng với thời gian thể hiện của các khung hình và việc lấy mẫu theo không gian sẽ đợc thực hiện bằng cách chia nhỏ các khung hình thành các phần với kích thớc thích hợp đối với việc truyền đi. Khi lấy mẫu, các mẫu phải chứa đựng đầy đủ các thông tin dùng cho việc khôi phục lại dữ liệu video hay audio về cả mặt không gian cũng nh thời gian khi bên nhận nhận đợc các mẫu này. Với việc sử dụng một giao thức nh giao thức truyền thông thời gian thực nh RTP, quá trình lấy mẫu sẽ đợc tiến hành tự động. Bớc 3 - Truyền các mẫu qua mạng: Việc truyền các mẫu dữ liệu video có thể đợc thực hiện một cách trực tiếp thông qua các giao diện của môi trờng mạng nh Socket hay đợc thực hiện thông qua một giao thức cấp cao ở tầng ứng dụng nh RTP. Thông thờng ngời ta sẽ chọn giải pháp thứ hai, tức là sử dụng một giao thức truyền dòng thời gian thực cho việc truyền các mẫu nếu nh giao thức đó đợc hỗ trợ trên nền phần cứng cũng nh phần mềm. Việc sử dụng một giao thức truyền dòng thời gian thực có nhiều u điểm. Ưu điểm thứ nhất là tính hiệu quả, bởi vì các giao thức truyền thông thời gian thực đợc thiết kế cho việc truyền các loại dữ liệu động, nh dữ liệu video chẳng hạn, khi đó tính thời gian thực sẽ đợc chú trọng hơn là tính chính xác về mặt dữ liệu. Ví dụ nh đối với giao thức RTP, giao thức truyền thông lớp dới thờng đợc sử dụng là UDP (User Datagram Protocol) là giao thức với độ tin cậy thấp nhng có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn các giao thức với độ tin cậy cao nh TCP. Ưu điểm thứ hai là các giao thức thời gian thực hỗ trợ mạnh việc đồng bộ các dòng dữ liệu từ các nguồn khác nhau nhng có quan hệ với nhau về mặt thời gian thực. Ví dụ nh đối với việc truyền âm thanh và hình ảnh của cùng một sự vật, khi đó bên nhận khi thể hiện phải đảm bảo yêu cầu là âm thanh phải phù hợp với hình ảnh. 8 Nghiên cứu và ứng dụng giao thức RTP. Ngoài ra, các giao thức điều khiển còn cung cấp các dịch vụ cho phép quản lí các thành viên tham gia và điều khiển chất lợng của việc phân phối dữ liệu. Với việc sử dụng một giao thức truyền thông thời gian thực cho việc truyền, khi đó các mẫu sẽ đợc đóng gói thành các gói tin. Các gói tin sẽ mang đầy đủ các thông tin nh nhãn thời gian, số thứ tự của gói tin và các thông tin khác đủ dùng cho việc khôi phục dữ liệu và đồng bộ các dòng khi bên nhận tiến hành nhận và thể hiện nội dung của video hay audio. Thông qua các giao thức lớp dới, các gói tin sẽ đợc truyền đi trong môi trờng mạng. Bớc 4 - Nhận và khôi phục dữ liệu và đồng bộ các dòng: Đây là quá trình ngợc với bớc thứ ba, đợc thực hiện ở bên nhận khi dữ liệu dới dạng các gói tin đợc truyền đến. Các gói tin đợc truyền đến có thể là của nhiều dòng tơng ứng với nhiều nguồn dữ liệu khác nhau và cũng có thể thứ tự các gói tin nhận đợc không giống nh khi chúng đợc gửi đi. Khi đó bên nhận phải căn cứ vào các thông tin đợc ghi trong từng gói tin để có thể xác định đợc vị trí về mặt không gian và thời gian của các mẫu dữ liệu mà gói tin mang theo. Việc xác định đợc vị trí của các mẫu dữ liệu trong gói tin giúp cho việc khôi phục lại nội dung của video hay audio một cách chính xác nhất. Với việc truyền các dòng đơn lẻ không có quan hệ với nhau về măth thời gian, thì nội dung của audio hay video vừa đợc khôi phục có thể đuợc sử dụng để trình diễn. Còn trong trờng hợp có nhiều dòng khác nhau có có quan hệ với nhau về mặt thời gian thực thì cần phải đồng bộ các dòng về mặt thời gian. Việc đồng bộ các dòng chỉ cần thiết khi các dòng có quan hệ với nhau về mặt thời gian, chẳng hạn nh việc đồng bộ hình với tiếng khi truyền video, khi đó thời gian thể hiện của các dòng phải đợc tính toán sao cho phù hợp với nhau. Việc đồng bộ là một công việc phức tạp, thờng đợc thực hiện tự động bởi các giao thức truyền thông thời gian thực nh RTP. Khi đó, mặc dù thứ tự các gói tin nhận đợc có thể không giống nh thứ tự khi đợc gửi, thậm chí có một số gói tin bị mất nhng giao thức vẫn phải đảm bảo tính đồng bộ cho các dòng khi đợc thể hiện ở nơi nhận Bớc 5 - Giải nén: 9 Nghiên cứu và ứng dụng giao thức RTP. Bớc này sẽ tiến hành giải nén dòng video/audio với chuẩn nén đợc sử dụng khi nén. Dữ liệu sau khi giải nén có thể đợc thể hiện ra các thiết bị ra hay đợc ghi ra file. Chơng I: Lựa chọn các giao thức phù hợp với các ứng dụng thời gian thực Trong chơng trớc chúng ta đã tìm hiểu qua khái niệm truyền dòng và phần nào đã hiểu một số yêu cầu cơ bản của truyền dòng. Chúng ta cũng đã đề cập đến việc sử dụng giao thức RTP cho việc truyền dòng dữ liệu thời gian thực. Vậy tại sao ta lại có sự lựa chọn đấy? Trong phần này chúng ta sẽ đi lý giải sâu hơn việc chọn lựa này, thông qua việc tìm hiểu sơ bộ về các giao thức lớp truyền tải: TCP, UDP cùng với khái niệm truyền đa điểm multicast. 1.3. Giao thức TCP: ( Transmision Control Protocol) TCP là một giao thức kiểu có liên kết (Connection Oriented), tức là phải có giai đoạn thiết lập liên kết giữa một cặp thực thể TCP trớc khi truyền dữ liệu. Là một giao thức ở tầng giao vận TCP nhận thông tin từ các lớp trên chia nó thành nhiều đoạn nếu cần thiết. Mỗi gói dữ liệu đợc chuyển tới giao thức lớp mạng (thờng là IP) để truyền và định tuyến. Bộ xử TCP của nó nhận thông báo đã nhận từng gói, nếu nó nhận thành công, các gói dữ liệu không có thông báo sẽ đợc truyền lại. TCP của nơi nhận lắp ráp lại thông tin và chuyển nó tới tầng cao hơn khi nó nhận đợc toàn bộ. Trớc khi các gói dữ liệu đợc gửi tới máy đích nơi gửi và nơi nhận phải thơng l- ợng để thiết lập một kết nối logic tạm thời. Kết nối này về đặc trng sẽ ở trạng thái mở trong suốt phiên truyền. 10
