一種適用于自組網的流媒體協議設計

畢海霞

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

當前戰爭中，多軍兵種協同的需求越來越迫切，協同作戰所需的傳輸信息量急劇上升，傳輸業務種類也越來越多。自組網因其無中心、自組織、多跳路由和動態拓撲的特征，網絡快速部署、抗毀性強和組網靈活等優點，成為了近年來軍事信息化應用中的研究熱點。自組網的網絡協議分為物理層，數據鏈路層，網絡層，傳輸層和應用層四部分。應用層的設計高效與否會影響整個自組網系統的性能，本文就此開展研究，提出了一種適用于自組網的流媒體應用層設計。

自組網應用層是一套基于PC 或嵌入式平臺的軟件系統，主要實現通信業務、運維管理類兩部分功能。通信業務實現網絡通信功能，主要包括語音、視頻、撥號通話、短消息、01 數據、02 指令通信功能;此外，運維管理類用戶信息管理可以從點名業務中獲取應用層用戶信息，包括用戶狀態、漫游狀態等信息等。

網絡管理包括拓撲顯示、用戶信息管理、網絡參數配置和自組網設備狀態管理四部分功能，其中拓撲顯示實現點到點鏈路查詢、業務拓撲查詢和實時拓撲查詢，分別反映網絡本地節點和任意另外一個節點間的鏈路連接信息，網絡傳輸業務的連接信息和即時的網絡拓撲連接信息;用戶信息管理通過點名及自組網設備狀態管理功能獲取自組網用戶信息，生成用戶信息數據庫，一方面為通信業務類功能提供通信時所需的通信錄，另一方面為運維管理類功能提供網絡維護時所需的用戶信息;網絡參數配置主要對自組網設備的IP 地址、網關地址、頻段及頻點等信息進行配置。

ANI(Application Network Interface)接口及隊列調度，對通信業務、網絡管理及運維支撐三部分功能產生及收到的數據包進行封包或解包，并根據業務的優先級進行發送和接收隊列的調度。

1 系統總體架構

自組網應用層通信示意圖如下所示。對音視頻業務，應用層采集攝像頭和話筒數據后，進行音視頻編碼，然后在網絡協議控制下，進入通信網絡進行傳輸，對端收到音視頻數據，進行解碼及恢復工作;對數據類通信業務，應用層接收到數據后，在網絡協議處理后，進入通信網絡傳輸至對端;對網絡管理類及運維支撐類數據，應用層進行解析后，與底層協議進行交互，或進入通信網路。

通過對應用層軟件功能進行分析，可將其分解為以下子功能:

(1)實現VOIP 語音及視頻，包括語音及視頻的采集、編碼及封包和解包。

(2)實現對通信業務的差異化處理(封裝ANI頭，不同的優先級及QoS 處理策略)，并實現網絡管理及運維支撐類業務的功能。

(3)實現一個可移植、穩健的平臺，功能包括操作系統適配，socket 抽象，消息包管理，進程監控，定時器管理及日志等。

(4)實現UI用戶界面，便于用戶操作。

綜上分析，應用層邏輯架構如下圖所示。

圖1 應用層邏輯架構

2 信令面協議設計

2.1 VoIP 協議分析

VoIP(Voice Over Internet Protocol)是建立在Internet 基礎上的新型數字化傳輸技術，是在IP(Internet Protocol)網上進行實時音視頻，數據和文件等業務傳輸的技術［1］。

H.323［2］和SIP［3］是VoIP 協議中最主要的兩種信令面協議，分別由ITU-T 和IETF 制定。兩者均利用RTP/RTCP(Real-Time Protocol/Real-Time Control Protocol)作為多媒體通信的應用層控制協議，因此，兩者所提供的信令功能類似;但由于制定機構不同，兩者在設計風格上差別巨大。

下表從幾個方面對兩種協議進行比較與分析:

表1 H.323 和SIP 協議比較

續表

綜上分析，H.323 基于傳統的電話信令架構而設計，協議發展較成熟，但由于架構龐雜，難以理解和實現。并且，H.323 的版本更新必須遵循向前兼容的原則，這意味著，隨著應用的不斷更新，即使某些舊特性不再具有應用價值也不會被淘汰掉，而同時新特性不斷累加，這無疑將導致協議越來越來龐雜。而SIP 協議在設計時遵循了簡單、開放、兼容和可擴展等原則。隨著應用的發展，被淘汰的舊的首部和取值將逐漸消失，保證了協議的簡潔。同時，SIP 協議在消息格式上編碼更方便，使得SIP 協議在擴展方面能夠產生更有效率的應用。因此，本設計中選用SIP 協議作為VoIP 信令面協議。

2.2 傳統的SIP 系統及呼叫流程

一個SIP 系統主要由網絡服務器和用戶代理(User Agent)組成。UA(User Agent)也稱作SIP 終端，而網絡服務器包括代理服務器、注冊服務器和重定向服務器等。SIP 會話主要由這四個應用實體來完成［6］。

●用戶代理

UA 為終端用戶的通信提供多功能的界面。目前的SIP UA 通?？芍С终Z音，即時消息和視頻等多種業務。其主要功能包括會話發起，會話保持，會話轉接等6］。

●代理服務器

代理服務器的主要功能是路由并轉發用戶的呼叫請求。當某用戶發起會話時，其UA 會生成一個SIP 請求消息并發送至對應的代理服務器，然后，代理服務器將請求消息轉發至對端的UA，從而搭建起用戶間交互的橋梁［6］。

●重定向服務器

重定向服務器的功能不同于代理服務器。當收到用戶請求時，重定向服務器并不轉發，而是執行查找操作，獲得被請求用戶的地址信息，并將其回復給請求用戶。請求用戶接收到地址信息后，將直接向被請求用戶發送會話請求［6］。

●注冊服務器

注冊服務器的主要功能是處理用戶的注冊請求，從而完成用戶地址的更新。當用戶登錄時，UA會向注冊服務器發送注冊消息，并將自己的IP 地址告訴注冊服務器，注冊服務器將用戶的IP 地址與用戶綁定，以方便其他用戶對其進行查找［6］。

傳統的SIP 呼叫流程如下圖所示。

圖2 SIP 會話的建立過程

2.3 適用于自組網系統的SIP 協議

傳統的SIP 協議采用了C/S 架構。由于SIP 協議用戶數目過于龐大，必須由專門的服務器完成用戶注冊(用戶自身信息，包括ID 與地址之間的映射關系等注冊于服務器上)，以及用戶的鑒權，重定向等工作。再通過邀請(INVITE)流程發起會話建立，協商雙方的用戶面(語音)編碼方式、傳輸地址/端口等信息，為后續傳輸用戶面語音幀的RTP/RTCP協議協商和分配資源，除此之外，INVITE 流程還包括一系列后續雙方的行為交互，包括振鈴、轉接、接聽/拒絕等等。

而自組網應用層的需求具有以下幾個特點:，

●節點數目少

自組網節點數目一般為幾十個。

●SIP 終端IP 地址固定

由于應用場景的特殊性，每個SIP 終端在使用前必須配置好IP 地址。即使IP 地址發生變更，也會通過網絡傳輸告知其他相關SIP 終端。且，每個SIP 終端上均保存了其他SIP 終端的IP 地址。

●自組網中節點地位平等

出于抗毀性的考慮，自組網各節點地位平等，任何一個節點損毀都不會影響其他節點的通信。如果設置其中某些節點作為SIP 網絡中的服務器，那如果該節點被毀，則網絡將癱瘓。

綜上分析，自組網應用場景下，SIP 協議中的服務器是不可以也無需存在的。針對該需求，剔除服務器的功能，將SIP 會話流程修改如下:

圖3 適用于自組網的SIP 會話流程

(1)用戶A 向用戶B 通過“INVITE”消息發起會話請求，會話請求消息體中帶有用戶A 的媒體屬性描述;

(2)用戶B 振鈴，向用戶A 返回響應消息“180 RINGING”，用戶A 播放回鈴音;

(3)用戶B 摘機，并向用戶A 返回對“INVITE”請求的響應消息“200 OK”，響應消息的消息體中帶有用戶B 的媒體屬性描述;

(4)用戶A 發送針對響應消息“200 OK”的ACK 確認請求消息。此時，用戶A 與B 會話建立，開始進行多媒體會話;

(5)用戶B 掛機，用戶B 向用戶A 發送Bye 請求消息;

(6)用戶A 返回對Bye 請求消息的“200 OK”響應消息，通話結束。

3 用戶面協議設計

3.1 RTP/RTCP 協議分析

在流媒體研究中，對音視頻文件的實時傳輸要求較低的時延和較小的丟包率?；谶B接的TCP協議是一種可靠的傳輸層協議，但為保證可靠傳輸而設計的三次握手機制，擁塞控制技術和重發機制導致開銷增大，時延增加，無法很好地支持穩定速率的流媒體數據的平滑傳輸;而無連接的傳輸層協議UDP 沒有任何QoS 保證，無法保證數據的可靠傳送。為解決上述矛盾，實現流媒體數據在IP 上的實時可靠傳輸，需要在傳輸層和應用層協議之間增加一個通信控制層，即RTP/RTCP［7］協議。RTP 可提供編碼數據的實時傳輸，RTCP 則向會話中的所有成員周期性地發送控制信息反饋數據傳送情況，以便對發送速率，服務質量和擁塞進行控制。其端到端傳輸流程描述如下:

音視頻信息經編碼器處理后形成多媒體數據流，RTP 協議對多媒體數據進行封裝后交由網絡傳輸。對端網絡傳輸模塊接收到多媒體數據后交由RTP 協議進行解封處理，然后音視頻解碼模塊對數據進行解碼，恢復原有音視頻信號。在對多媒體數據進行封裝和解封時，RTP 協議會根據數據包中所攜帶的載荷類型、時間戳、幀邊界等包頭信息對音視頻信號進行同步控制。

在多媒體數據傳輸過程中，RTP/RTCP 協議多運行于UDP 協議之上。這是因為RTCP 協議能實時進行質量和擁塞控制，無需下層的傳輸層協議進行QoS 保證;同時，UDP 協議的傳輸時延低于TCP協議，能保證多媒體數據流的流暢傳輸。當然，當存在對可靠性要求非常高的數據傳輸需求時，也可將RTP/RTCP 協議運行于TCP 協議之上，數據和控制信令的傳輸即適用于該類情況。

圖4(a)表示了RTP/RTCP 與各種網絡協議的關系。

3.1 適用于自組網系統的用戶面協議

軍事應用中，自組網系統的業務主要分為音視頻和數據兩部分。按照傳統的RTP 使用方法，音視頻一般采用UDP 傳輸，而數據和控制指令采用TCP傳輸?？紤]到系統對時延要求較高，尤其是火控數據，而TCP 連接建立過程中需要三次握手，若采用該協議，將對時延指標的實現帶來巨大壓力。因此，本系統所有通信業務的傳輸均采用UDP 協議。

由于音視頻數據對時延和抖動要求較高，因此，必須使用RTP/RTCP 監控數據傳輸，保證傳輸質量，因此，音視頻傳輸協議棧定義如圖4(b)所示

由于軍事應用中的某些數據(比如火指控數據)對時延要求非常高，若使用SIP+RTP/RTCP 的方式進行傳輸，則在真正的數據傳輸前，必須首先進行四次SIP 握手，這將導致時延大幅增加。因此，建議數據傳輸時，不使用SIP 進行信令交互，同時，數據面協議中不封裝RTP/RTCP 頭以減小數據量。數據傳輸協議棧修改如圖4(c)所示。

圖4 自組網用戶面協議棧圖示

4 結束語

本文分析了應用層流媒體協議的特性，針對自組網的應用需求，進行了協議選型。由于自組網系統具有節點平等，移動性強及無線傳輸質量差的網絡特性，對所選擇的SIP 和RTP/RTCP 協議架構及呼叫流程進行了修改，使其適用于自組織網絡，是一種可行的自組網流媒體協議。

［1］郝中偉，郝中娜.基于WEB 的呼叫中心［J］.信息技術，2002，(6):61-64.

［2］H.323 Standards.http://www.h323forum.org/standards/.

［3］J.Rosenberg，H.Schulzrinne，G.Camarillo.SIP:Session Initiation Protocol.RFC 3261，IETF，June，2002.

［4］林韜.基于SIP 的多媒體通信研究與實現，［D］.北京:北京郵電大學，2009:2-18.

［5］崔學敏.視頻通信協議技術的分析研究與應用［D］.昆明:昆明理工大學，2007:3-12.

［6］韓磊磊.基于P2P-SIP 的VoIP 關鍵技術研究［D］.鄭州:解放軍信息工程大學，2010:44-20.

［7］RFC3550，RTP:A Transport Protocol for Real-Time Applications.