Nghiên cứu ứng dụng giao thức RTP Mục Trang Mục lục Lời nói đầu Chơng 0:Truyền dòng liệu thời gian thực 0.1 Khái niệm truyền dòng 0.2 Quá trình truyền dòng Chơng I: Lựa chọn giao thức phù hợp với ứng dụng thêi gian thùc 1.1 Giao thøc TCP: ( Transmision Control Protocol) 1.2 Giao thøc UDP: (User Datagram Protocol) 1.3 Định tuyến multicast 1.4 Giao thức đáp ứng đợc yêu cầu thời gian thực? 11 16 17 19 Ch¬ng II: Tỉng quan Giao thøc thêi gian thùc RTP (real time protocol) .1 Những khái niệm ban đầu 3.2 ứng dụng RTP hội thảo đa phơng tiện 22 24 Chơng III: Giao thức truyền tải thời gian thùc (real time transport protocol) 3.1 Mét sè kh¸i niệm liên quan đến RTP 3.2 Cấu trúc phần tiêu đề gói RTP 3.3 Ghép phiên truyền RTP 3.4 Sự thay đổi phần tiêu đề số trờng hợp 28 32 36 37 Chơng IV: Giao thức điều khiển RTP (RTCP: RTP control protocol) 4.1 Chức hoạt động RTCP 4.2 Các loại gói tin RTCP 4.3 Khoảng thời gian truyền gói RTCP 4.4 Cập nhật số thành viên tham gia phiên truyền 4.5 Qui định việc gởi nhận gói RTCP 4.6 Các tin thông báo ngời gởi ngời nhận 4.7 Gói tin mô tả thông tin cña nguån 4.8 Gãi BYE 4.9 Gãi APP 39 41 44 47 48 54 64 70 71 Chơng V: RTP Translators RTP Mixers 5.1 Khái niệm chung 5.2 Hoạt động Translators 5.3 Hoạt động Mixers 5.4 Các mixer mắc phân tầng.mixer mắc phân tầng mắc phân tầng 73 76 78 80 Phần VI: Một số thuật toán cần ý Nghiên cứu ứng dụng giao thức RTP 6.1 Phân phối định danh SSRC 6.2 Vấn đề bảo mật RTP 6.3 Điều khiển tắc nghẽn 6.4 RTP với giao thức lớp mạng lớp giao vận 82 86 87 88 Chơng VII: ứng dụng lý thuyết vào thực tế 7.1 Phân tích yêu cầu đặt 7.2 thực 7.3 Kết Phụ lục Kết luận Tài liệu tham khảo 90 92 93 96 99 100 Lời nói đầu Hiện nay, mạng máy tính không khái niệm xa lạ sau 40 năm phát triển, mạng máy tính, mạng máy tính đà trải rộng toàn cầu, với chất lợng đờng truyền có chất lợng cao Ngoài tính bảo mật, độ tin cậy mạng ngày đợc củng cố Những ứng dụng mạng ngày phong phú Chính phát triển làm nảy sinh vấn đề, truyền thông đa phơng tiện mạng Yếu tè rÊt quan träng, cã mỈt rÊt nhiỊu lÜnh vực Trong buổi hội thảo trực tuyến, đào tạo từ xa mạng, dịch vụ video/audio theo yêu cầu.Tuy nhiên phát triển truyền thông đa ph.Tuy nhiên phát triển truyền thông đa ph ơng tiện đòi hỏi tính thời gian thực cao, chùm giao thức TCP/IP đợc sử dụng phổ biến đáp ứng đợc yêu cầu Do vậy, đòi hỏi chuyên gia mạng phải tìm giải pháp mới, giao thức đáp ứng đợc việc truyền tải liệu thời gian thực mạng Hiện nay, giao thức RTP đà chứng tỏ u điểm việc đáp ứng ứng dụng thời gian thực Tại Việt Nam, ứng dụng thời gian thực cha phát triển, nhng với nh cầu cấp thiết thực tế, thời gian tới chắn ứng dụng thời gian thực phát triển mạnh mẽ Đây lý để em chọn lựa đề tài Nghiên cứu ứng dụng giao thức RTP Chơng 0: truyền dòng liệu thời gian thùc (real time streaming) Cã rÊt nhiỊu øng dơng đòi hỏi tính thời gian thực (real time) Trong dịch vụ truyền hình qua mạng, hội thảo trực tuyến, chat hình, chat tiếngmỗi ứng dụng có đặc điểm riêng nó, nhiên có số điều chung mà dịch vụ yêu cầu việc truyền liệu theo dòng (streaming) Do bắt đầu với việc tìm hiểu khái niệm truyền dòng 0.1 Khái niệm truyền dòng: Khái niệm truyền dòng hiểu nội dung audio hay video đợc truyền tới nơi nhận, nơi nhận thể đợc trình truyền mà không cần phải đợi đến toàn nội dung video đợc truyền xong Cơ chế hoàn toàn khác với chế download file giao thức HTTP hay FTP Truyền dòng cho phép thể dòng video thời gian thực mà không phụ thuộc vào độ dài video Điều có ý nghĩa truyền file video có kích thớc lớn hay dòng video có độ dài không xác định Khi đó, giao thức khác nh FTP hay HTTP sử dụng đợc Chúng ta bắt gặp nhiều trờng hợp sử dụng chế truyền dòng nh chơng trình truyền hình trực tiếp, hội thảo qua mạng Với khả truyền tải nội dung video, audio thông qua mạng, có phơng pháp giao tiếp truy nhập thông tin Với góc nhìn bao quát, truyền dòng phơng pháp truyền thông tin liên tục, nội dung video đợc truyền theo thời gian thể nội dung video Bên nhận nhận dòng thông tin nội dung video có thĨ thĨ hiƯn néi dung cđa video theo thêi gian Khả có ý nghĩa loại liệu phụ thuộc thời gian nh video, audio, để đảm bảo chất lợng cảm thụ video phải đảm bảo đợc mối quan hệ mặt thời gian khung hình Nghiên cứu ứng dụng giao thức RTP Để hình dung cách đơn giản chế truyền dòng thêi gian thùc, chóng ta lÊy mét vÝ dơ nh sau Giả thiết có hai máy đợc kết nối với nhau, máy đóng vai trò máy truyền máy đóng vai trò máy nhận Bên truyền đợc trang bị camera để thu hình giảng viên giảng liệu video thu đợc đợc truyền tới máy nhận Bên nhận có nhiệm vụ nhận dòng liệu từ bên truyền gửi tới thể lên thiết bị nh TV hay hình máy tính Khi với việc sử dụng chế truyền dòng thời gian thực, hình ảnh giảng viên mà bên nhận thể phản ánh cách tức thời (về mặt lí thuyết) xảy giảng viên bên truyền Còn với giảng đợc lu trữ trớc, truyền dòng thời gian thực đảm bảo việc thể video tơng đơng nh đợc thể máy truyền Khi đó, môi trờng mạng suốt ®èi víi ngêi sư dơng, ngêi sư dơng cã c¶m giác việc thể đoạn video nh đợc thực máy cục 0.2 Quá trình truyền dòng: Truyền dòng video hay audio phải trải qua nhiều công đoạn với nhiệm vụ riêng để đến kết cuối đạt đợc khả thể bên nhận Nghiên cứu vµ øng dơng giao thøc RTP Giải nén video/audio Dịng video/audio Khôi phục liệu đồng Lấy mẫu Network RTP Packets Hình 0.1: Quá trình truyền dòng video/audio Để tìm hiểu sâu đợc chế truyền dòng, cần sâu vào trình mà thông tin đợc truyền thông qua môi trờng mạng Bất nội dung video hay audio đợc truyền dới dạng truyền dòng phải trải qua c¸c bíc sau: Bíc - M· ho¸: ViƯc m· hoá video, mà cụ thể nén video công đoạn không bắt buộc nhng cần thiết Với loại liệu video thô nh liệu thu từ camera, việc lu trữ hay truyền video không nén phải trả giá cao, điều Ta lấy ví dụ với định dạng tiêu biểu thờng đợc sử dụng ứng dụng hội Nghiên cứu ứng dụng giao thức RTP nghị từ xa video định dạng CIF (Common Intermediate Format) CIF sử dụng độ phân giải 352 pixel dòng 288 dòng tất Một ảnh không nén cho frame hình (chế độ 352x288x16bpp) chiếm 202752 byte Việc ghi video không nén với tốc độ 15 hình giây cần xấp xỉ MB giây truyền qua mạng băng thông cần thiết cho dòng video không nén 24 Mbps Từ ví dụ đây, ta thấy việc nén video gần nh thiếu đợc dòng video đợc truyền môi trờng mạng tốc độ thấp Bảng sau cho biết độ nén cần thiết môi trờng mạng khác nhau: Dng kt ni Bit Rate Tỉ lệ nén 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 B¶ng 0-2: Băng thông mạng tỉ lệ nén yêu cầu Có thĨ sư dơng nhiỊu chn nÐn kh¸c cho viƯc nén video Tuỳ theo yêu cầu chất lợng băng thông, mà ta lựa chọn đợc phơng pháp nén thích hợp Với việc áp dụng chuẩn nén cho liệu video, không gian lu trữ cần thiết nh băng thông mạng yêu cầu cho dòng video giảm đột ngột Ví nh dòng video trên, sử dụng chuẩn nén H.263 băng thông yêu cầu cho việc truyền dòng video vào khoảng 140 Kbps không gian lu trữ cần thiết cho ngày với 24 vào khoảng 1.4 MB HiƯn phỉ biÕn hai hä chn nÐn, lµ hä CCITT với chuẩn dạng H.26x, H.36x họ ISO MPEG víi c¸c chn MPEG1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7 Sù ph¸t triĨn chuẩn nén tham khảo sơ ®å díi ®©y: H.261 - Một kĩ thuật với tốc độ dòng bit nhỏ, đưa vào năm 1984 ITU sử dụng cho dịch vụ audio-visual MPEG-1 - Chuẩn ISO, ứng dụng ngành công nghiệp quảng bá MPEG-1 tạo sửa đổi H.261 cho việc MPEG-2 - Được phát triển cho việc quảng bá video chất lượng cao cách sử dụng tỉ lệ nén thấp H.263 - Một sửa đổi theo MPEG-2 với mục đích thu độ nén cao đảm bảo chất lượng hình ảnh cao H.263+ MPEG-4 - Được phát triển song song với H.263 phương pháp thay cho MPEG-1 với tốc độ dòng bit thấp H.323 - Một hệ thống hồn hảo cho việc truyền thơng multimedia, thành phần video thực sở H.261/263 H.264 - Mở rộng H.263, chưa c phỏt trin Nghiên cứu ứng dụng giao thức RTP Hình 0.3: phát triển chuẩn nén Bíc - LÊy mÉu: ViƯc lÊy mÉu thùc chÊt lµ viƯc chia nhá néi dung cđa video hay audio thành khối nhỏ thích hợp để truyền môi trờng mạng Đối với liệu audio, việc lấy mẫu đợc thực theo thời gian Tơng ứng sau khoảng thời gian chu kì lấy mẫu phần liệu audio tơng ứng khoảng thời gian đợc sử dụng để truyền đi.Với liệu video, việc lấy mẫu theo thời gian có việc lấy mẫu theo không gian ViƯc lÊy mÉu theo thêi gian t¬ng øng víi thêi gian thể khung hình việc lấy mẫu theo không gian đợc thực cách chia nhỏ khung hình thành phần với kích thớc thích hợp việc truyền Khi lấy mẫu, mẫu phải chứa đựng đầy đủ thông tin dùng cho việc khôi phục lại liệu video hay audio mặt không gian nh thời gian bên nhận nhận đợc mẫu Với viƯc sư dơng mét giao thøc nh giao thøc trun thông thời gian thực nh RTP, trình lấy mẫu đợc tiến hành tự động Bớc - Truyền mẫu qua mạng: Việc truyền mẫu liệu video đợc thực cách trực tiếp thông qua giao diện môi trờng mạng nh Socket hay đợc thực thông qua giao thức cấp cao tầng ứng dụng nh RTP Thông thờng ngời ta chọn Nghiên cứu ứng dụng giao thức RTP giải pháp thứ hai, tức sử dơng mét giao thøc trun dßng thêi gian thùc cho việc truyền mẫu nh giao thức đợc hỗ trợ phần cứng nh phần mềm ViƯc sư dơng mét giao thøc trun dßng thêi gian thực có nhiều u điểm Ưu điểm thứ tính hiệu quả, giao thức truyền thông thời gian thực đợc thiết kế cho việc truyền loại liệu động, nh liệu video chẳng hạn, tính thời gian thực đợc trọng tính xác mặt liệu Ví dơ nh ®èi víi giao thøc RTP, giao thøc trun thông lớp dới thờng đợc sử dụng UDP (User Datagram Protocol) giao thức với độ tin cậy thấp nhng có tốc độ truyền liệu cao giao thức với độ tin cậy cao nh TCP Ưu điểm thứ hai giao thức thời gian thực hỗ trợ mạnh việc đồng dòng liệu tõ c¸c ngn kh¸c nhng cã quan hƯ víi mặt thời gian thực Ví dụ nh việc truyền âm hình ảnh vật, bên nhận thể phải đảm bảo yêu cầu âm phải phù hợp với hình ảnh Ngoài ra, giao thức điều khiển cung cấp dịch vụ cho phép quản lí thành viên tham gia điều khiển chất lợng việc phân phối liệu Với việc sử dơng mét giao thøc trun th«ng thêi gian thùc cho việc truyền, mẫu đợc đóng gói thành gói tin Các gói tin mang đầy đủ thông tin nh nhÃn thời gian, số thứ tự gói tin thông tin khác đủ dùng cho việc khôi phục liệu đồng dòng bên nhận tiến hành nhận thể nội dung video hay audio Thông qua giao thức lớp dới, gói tin đợc truyền môi trờng mạng Bớc - Nhận khôi phục liệu đồng dòng: Đây trình ngợc với bớc thứ ba, đợc thực bên nhận liệu dới dạng gói tin đợc truyền đến Các gói tin đợc truyền đến nhiều dòng tơng ứng với nhiều nguồn liệu khác thứ tự gói tin nhận đợc không giống nh chúng đợc gửi Khi bên nhận phải vào thông tin đợc ghi gói tin để xác định đợc vị trí mặt không gian thời gian mẫu liệu mà gói tin mang theo Việc xác định đợc vị trí mẫu liệu gói tin giúp cho việc khôi phục lại nội dung video hay audio mét c¸ch chÝnh x¸c nhÊt Víi viƯc truyền dòng đơn lẻ quan hệ với măth thời gian, nội dung audio hay video vừa đợc khôi phục đuợc sử dụng để trình diễn Còn trờng hợp có nhiều dòng khác có có quan hệ với mặt thời gian thực cần phải đồng dòng mặt thời gian Nghiên cứu ứng dụng giao thức RTP Việc đồng dòng cần thiết dòng có quan hệ với mặt thời gian, chẳng hạn nh việc đồng hình với tiếng truyền video, thời gian thể dòng phải đợc tính toán cho phù hợp với Việc đồng công việc phức tạp, thờng đợc thực tự động giao thức truyền thông thời gian thực nh RTP Khi đó, thứ tự gói tin nhận đợc không giống nh thứ tự đợc gửi, chí có số gói tin bị nhng giao thức phải đảm bảo tính đồng cho dòng đợc thể nơi nhận Bớc - Giải nén: Bớc tiến hành giải nén dòng video/audio với chuẩn nén đợc sử dụng nén Dữ liệu sau giải nén đợc thể thiết bị hay đợc ghi file Chơng I: Lựa chọn giao thức phù hợp với ứng dụng thời gian thực Trong chơng trớc đà tìm hiểu qua khái niệm truyền dòng phần đà hiểu số yêu cầu truyền dòng Chúng ta ®· ®Ị cËp ®Õn viƯc sư dơng giao thøc RTP cho việc truyền dòng liệu thời gian thực Vậy ta lại có lựa chọn đấy? Trong phần lý giải sâu việc chọn lựa này, thông qua việc tìm hiểu sơ giao thức lớp truyền tải: TCP, UDP với khái niệm truyền đa điểm multicast .3 Giao thøc TCP: ( Transmision Control Protocol) TCP lµ mét giao thức kiểu có liên kết (Connection Oriented), tức phải có giai đoạn thiết lập liên kết cặp thực thể TCP trớc truyền liệu Là giao thức tầng giao vận TCP nhận thông tin từ lớp chia thành nhiều đoạn cần thiết Mỗi gói liệu đợc chuyển tới giao thức lớp mạng (thờng IP) để truyền định tuyến Bộ xử TCP nhận thông báo đà nhận gói, nhận thành công, gói liệu thông báo đợc truyền lại TCP nơi nhận lắp ráp lại thông tin chuyển tới tầng cao nhận đợc toàn Nghiên cứu ứng dụng giao thức RTP Trớc gói liệu đợc gửi tới máy đích nơi gửi nơi nhận phải thơng lợng để thiết lập kết nối logic tạm thời Kết nối đặc trng trạng thái mở suốt phiên truyền 1.1.1 Đặc điểm giao thức TCP: Trong bé giao thøc TCP/IP TCP lµ giao thøc đợc phát triển nh cách để kết nối mạng máy tính khác phơng pháp truyền dẫn hệ điều hành TCP thiết lập kết nối hai đờng hai hệ thống cần trao đổi thông tin với nhau, thông tin trao đổi hai hệ thống đợc chia thành gói TCP có đặc điểm sau: Sự bắt tay: Hai hệ thống cần kết nối với cần phải thực loạt bắt tay để trao đổi thông tin việc chúng muốn kết nối Quá trình bắt tay đảm bảo ngăn trặn tràn mát liệu truyền Xác nhận: Trong phiên truyền thông tin, hệ thống nhận liệu cần phải gửi xác nhận cho hệ thống phát để xác nhận đà nhận đợc liệu Trật tự: Các gói tin đến đích không theo thứ tự xếp dòng liệu liên tục gói tin từ nguồn tin theo ®êng dÉn kh¸c ®Ĩ ®i tíi cïng mét ®Ých Vì thứ tự gói tin phải đợc đảm bảo xếp lại hệ thống nhận Phát lại: Khi phát gói tin bị lỗi nơi gửi phát lại gói tin bị lỗi nhằm để tránh loại bỏ toàn dòng liÖu Sending Application Receiving Application Presentation Presentation TCP End to End Commmunication Secssion Secssion TCP Router Router TCP IP IP IP IP Dadalink Dadalink Dadalink Dadalink Physical Physical Physical Physical Subnet Subnet