Мультимедиа: обратной дороги нет

Передавать изображение и звук по Internet в реальном времени не так-то просто, однако многим компаниям уже удалось привлечь к себе внимание первыми обнадеживающими результатами в этой области.

Скорость передачи мультимедийных файлов по сети Internet определяется только финансовыми возможностями пользователя. В чем же тогда проблема? Во-первых, при загрузке файла по сети на свою машину пользователь, как правило, не может ознакомиться с его содержимым (попросту говоря, что-нибудь увидеть или услышать) до полного окончания загрузки. Это чревато потерей времени и непроизводительными затратами пропускной способности (если пользователь загрузит не то, что ему нужно). Но более важным представляется тот факт, что мультимедиа реального времени может работать в диалоговом режиме. Возможность отправить видеофайл по сети несомненно никогда не будет лишней, однако обмен потоками видеоинформации происходит в видеоконференциях в реальном времени. Разница тут примерно такая же, как между "живым" концертом и его высококачественной видеозаписью. По-видимому, наиболее интересные приложения мультимедиа будут основаны именно на использовании потоков данных в реальном времени.

БЫСТРО -ХОРОШО НЕ БЫВАЕТ

Первое, о чем следует упомянуть в связи с обменом мультимедийной информацией по Internet, - это то, что используемые файлы или потоки данных имеют большие размеры (см. статью "Мультимедийные локальные и глобальные сети" в этом номере). Для сравнения напомним, что односкоростной CD-ROM (а именно с появления этих устройств началось широкое распространение мультимедиа) обеспечивает обмен данными со скоростью 150 Кбайт/с. Переведя байты в биты, получим примерно 1,2 Мбит/с. Такой пропускной способности достаточно, чтобы обеспечить воспроизведение видеоинформации с качеством видеоленты в формате VHS.

Современные дисководы компактных дисков могут передавать данные примерно в шесть-восемь раз быстрее односкоростных устройств. К сожалению, современным средствам связи такие скорости недоступны: передача эквивалентного объема данных на большие расстояния по сети (например Internet) потребует выделенной линии T-1 (1,544 Мбит/с) или чего-то в том же роде. Технические возможности ISDN не позволяют передавать видеоинформацию как есть: либо картинка должна быть уменьшена в размере, либо количество кадров в секунду должно быть не более 15; даже объединив два канала B, невозможно добиться полноценной передачи видео. Что касается хоть сколько-нибудь качественной передачи изображения в реальном времени по модемным линиям, то об этом пока нечего даже и говорить.

При передаче аудиоинформации проблема пропускной способности стоит не так остро. Хотя телефонисты и отводят по 64 Кбит/с на обычный голосовой канал относительно невысокого качества, при правильном использовании сжатия данных по одному каналу B ISDN можно передавать стереозвук с качеством, характерным для частотной модуляции (FM), а по модему на 14,4 Кбит/с - монофонический звук с качеством, характерным для амплитудной модуляции (AM); при этом, загадочным образом, голос звучит лучше, чем при обычном телефонном разговоре.

Дополнительные проблемы может вызвать естественное желание передавать мультимедийную информацию в многоадресном или широковещательном режиме. Разумеется, суммарная пропускная способность, необходимая для обмена информацией по схеме "один со многими", возрастает пропорционально числу зрителей или слушателей. Однако при организации аудио- или видеоконференций суммарное число потоков данных растет с числом участников куда быстрее. Даже если для передачи одного потока нужно всего лишь пять процентов от пропускной способности сегмента Ethernet (10 Мбит/с), то двусторонний обмен информацией между пятью людьми по схеме "каждый с каждым" (всего 20 потоков) насытит всю теоретическую полосу пропускания. Ровно такая же пропускная способность будет необходима и для организации аудиоконференции для 32 людей (1000 потоков) - и это несмотря на то, что один поток данных требует всего лишь 10 Кбит/с, то есть 0,1% полной пропускной способности сети. Ясно, что даже если небольшая группа безответственных людей начнет обмениваться видеоинформацией, то эффект от этого скажется на общей пропускной способности Internet.

ПРОБЛЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ

Следующее, о чем нужно помнить, говоря о передаче мультимедиа по Internet, это то, что высокая пропускная способность еще не гарантирует высокого качества передачи мультимедиа. Наши глаза и, пожалуй, еще в большей степени, уши весьма чувствительны к различным разрывам передачи, дрожанию изображения, сбоям в синхронизации (последнее проявляется особенно наглядно, когда движения губ не совпадают с произносимыми словами). Тот факт, что по телефонным сетям речь передается в виде синхронных потоков данных - следствие весьма жестких требований к синхронизации при передаче голоса. Произвольные паузы между периодами бесперебойной работы сети сильно снижают качество связи и считаются недопустимыми, в то время как при передаче обычных данных небольшие задержки и неопределенность времени доставки проблемой не считаются.

Однако человеческое восприятие страдает от потери небольшой части передаваемой аудио- и видеоинформации значительно меньше, чем компьютерные программы. Один ошибочный бит порой приводит к серьезному сбою в приложении; для человека же пропуски кадров в видеоинформации зачастую попросту незаметны. Именно благодаря данному обстоятельству работа с мультимедиа на базе Internet и становится возможной. Тому есть несколько причин.

Во-первых, потоки мультимедийных данных можно сжимать при помощи алгоритмов с потерей информации. Алгоритмы сжатия без потерь (например pkzip) полностью обратимы; полученная после восстановления информация идентична с исходной. При использовании алгоритмов для сжатия с потерями полное восстановление информации невозможно; такие потери - плата за достижение большей эффективности и более значительных степеней сжатия по сравнению с алгоритмами без потерь. При правильном подборе методов сжатия потери данных становятся почти, если не совсем, незаметными.

Во-вторых, при передаче мультимедиа совершенно не обязательно обеспечение абсолютно необходимой при работе с другими приложениями целостности данных. При передаче по сети целостность данных проверяется на канальном уровне (использование контрольных сумм позволяет отсечь испорченные данные) и на транспортном уровне, где проверяется, все ли пакеты дошли по назначению; утерянные пакеты передаются повторно.

Повторная передача - одна из главных причин задержек при передаче данных. Когда утерянные пакеты можно просто игнорировать, затраты времени довольно ощутимо сокращаются. Такое решение представляется еще более привлекательным, если вспомнить, что потеря данных не приводит к существенному снижению качества.

Таким образом, для того, чтобы успешно передавать мультимедийные пакеты по Internet, необходимо провести серьезную подготовительную работу, а именно сжать аудио- и видеофайлы в сотни или в тысячи раз - тогда их удастся перекачать по "тоненькому" проводу Internet. Аудиоданные надо сжимать как минимум в десять (а лучше в 50) раз, в особенности если их предполагается передавать синхронно с видео.

Кроме того, необходимы сети специальной архитектуры, предназначенной для передачи мультимедийного трафика, где видеоизображение передается синхронно со звуком и где, по возможности, поддерживаются различные способы сжатия данных. Далее эти потоки необходимо распределить между большим числом людей таким образом, чтобы не исчерпать пропускную способность сети (это вполне возможно, если пользоваться современными методами).

Одной из основных задач является обеспечение своевременной доставки данных. Даже если локальные сети способны справиться с этой задачей [благодаря, например, высокой пропускной способности, наличию выделенных изохронных каналов или схем приоритезациии, примерами которых могут служить Priority Access Control Enabled (PACE, разработка 3Com) или 100VG-AnyLAN (Hewlett-Packard)], надо еще добиться того, чтобы протоколы Internet, а также маршрутизаторы и хост-машины, где они реализованы, отвечали требованиям передачи мультимедиа. Следует избегать повторных передач, а также заторов и больших запаздываний, поскольку именно они и приводят к задержкам в передаче и дрожанию изображения.

Наконец, для решения описываемой задачи необходимо, чтобы у клиента имелось оборудование для работы с мультимедийными потоками.

ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ПРОГРАММНОЕОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ МУЛЬТИМЕДИА

Нескольким производителям удалось-таки решить многие из вышеперечисленных проблем и представить потребителям работоспособные изделия. Одно из наиболее полных решений предложила компания Precept Software, основанная в 1995 г. и приступившая к поставкам в начале этого года. Netscape Communications заключила с Precept договор о сотрудничестве, а Cisco приобрела часть акций компании и заключила с Precept дилерское соглашение.

Выпускаемый Precept продукт, Flashware, представляет собой промежуточное программное обеспечение как для сервера, так и для клиентских станций; оно располагается на уровне между интерфейсом Winsock с TCP и UDP (user datagram protocol) и мультимедийными приложениями, например программой просмотра, плейером или программой для воспроизведения видео по требованию. (В отличие от TCP, протокол UDP не предусматривает установление соединения, так что подтверждения получателем не посылаются.) Программный продукт обеспечивает передачу мультимедийных данных по сети в реальном времени.

В соответствии с транспортным протоколом реального времени (real-time transport protocol, RTP), пакеты IP имеют дополнительные поля, где содержатся отметки о времени, информация о порядке передачи, а также информация о характере содержимого пакета, например о типе кодировки видеоданных (MPEG, Indeo, H.261). Наличие такой информации позволяет оценить величину начальной задержки и объема буфера, чтобы дрожание не было заметно. RTP одобрен в качестве стандарта Группой инженерной поддержки Internet (IETF) RFC 1889 и RFC 1890. RTP version 2 принят к рассмотрению в качестве нового стандарта.

В тех же документах, RFC 1889 и RFC 1890, был утвержден протокол управления передачей реального времени (RTCP). Этот протокол определяет организацию обратной связи между отправителем и получателями многоадресной рассылки в целях контроля качества передачи. Поскольку обратную связь с отправителем имеют все получатели, то становится возможным определить, являются ли возникающие проблемы локальными или они имеют место в системе в целом. Если приложение-отправитель приходит к выводу, что проблема характерна для системы в целом (например, по причине отказа одного из каналов связи), то оно может увеличить степень сжатия данных за счет снижения качества или вообще отказаться от передачи видео - это позволяет передавать данные по соединению низкой емкости.

Протокол RTCP может также определять, кто из пользователей получает многоадресные пакеты. В системах передачи мультимедийных потоков на базе UDP такая обратная связь обычно невозможна.

С точки зрения маршрутизаторов, обеспечивающих прохождение информации по сети, пакеты RTP и RTCP - это обычные данные. Чтобы обеспечить приоритет мультимедийного трафика и гарантировать высокое качество услуг, был разработан протокол резервирования ресурсов (resource reservation protocol, RSVP). (Сегодня данный протокол существует только в виде проекта; он пока еще не стандартизован.) Маршрутизаторы, поддерживающие этот протокол, резервируют часть своей полосы пропускания под передачу видео- и аудиопотоков с целью избежания непредвиденных задержек при передаче информации.

FlashWare может эмулировать локальный дисковод CD-ROM при помощи разработанного Microsoft интерфейса управления носителями (media control interface, MCI). Совместимое с Video for Windows аппаратное и программное обеспечение также взаимодействует с MCI. Архитектура Video for Windows часто используется для передачи файлов или синхронных мультимедийных потоков данных. Это архитектура разработана и для среды Mac. Однако Mac имеет свою аналогичную архитектуру, под названием QuickTime.

Microsoft Media Player, входящий в комплект поставки Windows, может использоваться и для воспроизведения мультимедийных потоков, например при многоадресных рассылках по многоадресной магистрали (MBONE), как если бы оно осуществлялось с локального дисковода CD-ROM. Более полную информацию об MBONE смотрите во врезке "MBONE соединяется с магистралью".

В состав FlashWare входит также программное обеспечение для кодирования/декодирования (подсистема для сжатия - восстановления данных), отвечающая стандартом ITU (International Telecommunications Union) за номером H.320/H.261. Этим программным обеспечением можно также пользоваться для работы с потоками информации, сжатой по алгоритмам GSM и DVI, часто встречающимся в многоадресных рассылках по MBONE.

Percept выпускает также продукт IP/TV, приложение, использующее услуги, предоставляемые FlashWare. IP/TV состоит из программы для воспроизведения (Viewer), справочника (Program Guide) и сервера. Справочник хранит расписание мультимедийного вещания, его можно просмотреть через программу просмотра Web по HTTP. Кроме того, Program Guide контролирует допустимое количество потоков для данного участка сети и формат этих потоков - только аудио, аудио и видео или какая-то другая комбинация. Сервер осуществляет доставку мультимедийных потоков в соответствии с расписанием и параметрами Program Guide.

IP/TV Viewer представляет собой средство для подписки на мультимедийные "передачи". Интерфейс пользователя напоминает пульт управления видеомагнитофоном с кнопками для "переключения каналов". Использование программного кодировщика/декодировщика H.320/H.361 (представляющего собой часть FlashWare) позволяет получать видеокартинку на четверть экрана при скорости воспроизведения 30 кадров в секунду по каналу с пропускной способностью 500 Кбит/с. Можно надеяться, что переход к более современным технологиям сжатия позволит получать полноэкранные изображения или снизить необходимую пропускную способность.

Продукция Percept уникальна в том смысле, что в ней используются только уже принятые или почти принятые стандарты. С FlashWare можно применять различные кодировщики/декодировщики, прикладные программы и стеки протоколов под TCP/IP, где используются специальные протоколы для передачи в реальном времени.

ЦИФРОВАЯ ПЛЕЯДА

Progressive Networks предлагает клиентские и серверные приложения для работы с аудио специально для медленных модемных линий связи с Internet. В программе под названием RealAudio применяются нестандартные протоколы и сжатие информации на основе алгоритма CELP; при этом RealAudio обеспечивается качество звука на уровне AM-радиопередач на линиях 14,4 Кбит/с и качество монофонических FM-радиопередач на линиях 28,8 Кбит/с.

Клиентская часть RealAudio имеет кнопки управления, напоминающие кнопки плейера: быстрая перемотка к началу и к концу и поиск. Они используются для воспроизведения звуковых файлов. Протокол RealAudio может работать и с TCP, однако производитель настоятельно советует использовать UDP, поскольку TCP предусматривает обязательную повторную передачу дефектных пакетов (см. Таблицу 1).

ТАБЛИЦА 1 - СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВУХ МЕХАНИЗМОВ ДОСТАВКИ ПОТОКОВ ИНФОРМАЦИИ: HTTP И RA

Клиентская часть RealAudio вычисляет, какие звуки пропали при потере пакетов, и вставляет их для избежания разрывов при воспроизведении. Серверы RealAudio на основе UDP обеспечивают более эффективную доставку потоков аудиоинформации, чем это могут делать сегодня Web-серверы. (Разумеется, сервер RealAudio может находиться на той же машине, что и Web-сервер.) Компания Progressive объявила о намерении представить в конце 1996 года продукты на базе RTP.

Клиентскую часть RealAudio можно бесплатно загрузить через Internet; по словам представителей Progressive, на данный момент уже примерно 4 миллиона копий нашли своих хозяев. Некоторые узлы Web используют RealAudio для передачи музыкальных фрагментов в реальном времени. National Public Radio и ABC News регулярно организуют в Internet программы с использованием RealAudio.

Progressive Networks также выпускает RealAudio Encoder и RealAudio Server. Первый преобразует цифровые аудиопотоки реального времени или файлы стандартного формата в формат RealAudio. Второй осуществляет доставку по Internet потоков или файлов (аудио по требованию) пользователям RealAudio Player.

Корпоративные пользователи мультимедиа в Internet часто сталкиваются с проблемой брандмауэров и фильтров, установленных для защиты корпоративной сети. Руководство ряда компаний исповедует в отношении трафика Internet принцип "запрещено все, что явным образом не разрешено". Такой подход может побудить их полностью перекрыть входящий трафик UDP или, во всяком случае, ограничить его.

Progressive Networks предлагает Firewall Proxy Kit, благодаря которому RealAudio может работать и с брандмауэром, при этом безопасность сети не страдает. RealAudio Player можно сконфигурировать и для работы с TCP, однако тогда пострадают качество звука и эффективность передачи данных. Как правило, соображения безопасности мешают нормальной работе пользователей мультимедиа в Internet.

Программа StreamWorks производства Xing Technology предназначена для передачи аудио и видео по линиям пропускной способностью, начиная всего от 8,5 Кбит/с (правда, по таким линиям можно передавать только звук). При использовании сжатия по алгоритму MPEG, StreamWorks может передавать картинку в четверть экрана со скоростью воспроизведения 30 кадров в секунду по линиям 112 Кбит/с.

В состав StreamWorks входят: бесплатно загружаемый клиент Player, декодирующий MPEG-данные на программном уровне; StreamWorks Transmitter, кодирующий "на лету" видео- и аудиоданные, предназначенные для передачи в реальном времени; StreamWorks Server, осуществляющий "вещание" и маршрутизацию потоков данных.

NBC и Reuters пользуются изделиями Xing для доставки подписчикам финансовых новостей в мультимедийном формате. Чтобы обеспечить эффективность вещания, Xing предлагает дополнительный пакет для серверов под названием Propagation PLUSpack. По сути данное приложение является альтернативой архитектуре многоадресной рассылки MBONE.

DSP Group предоставила лицензии на свои алгоритмы сжатия речи, в частности, компаниям Microsoft, Intel, AT&T, US Robotics и Creative Labs. Эта технология, известная под названием TrueSpeech 6,3/5,3 Кбит/с, была принята ITU в качестве кодировщика/декодировщика речи G.723 для стандарта видеоконференций H.324. ITU также рекомендовал данную технологию для использования в стандарте H.323 для аудио и видео в качестве метода передачи звука по линиям с малой пропускной способностью.

TrueSpeech G.723 обеспечивает передачу речи по низкоскоростным линиям: полнодуплексный обмен может осуществляться по модемной линии пропускной способностью всего в 14,4 Кбит/с. Ни одна другая схема сжатия из упомянутых в этой статье не может обеспечить такого результата.

TrueSpeech Internet Player производства DSP Group можно загрузить по сети. Пользователи Windows 95 или Windows NT избавлены от необходимости не то что покупать, а даже загружать кодировщик TrueSpeech: он встроен в эти операционные системы. Для преобразования стандартного .wav-файла в формат TrueSpeech достаточно открыть такой файл программой Sound Recorder и записать его в формате TrueSpeech. DSP Group оставляет обработку потоков реального времени и прочие прелести Internet на усмотрение держателей лицензий. Собственные продукты DSP Group, впрочем, тоже могут передавать аудиоинформации высокой степени сжатия по HTTP.

ДЛЯ ВЫХОДА В INTERNET НАБЕРИТЕ "I"

Поначалу все решили, что телефонные переговоры по Internet - это очередная дутая новость. Качество передачи звука, мягко говоря, оставляло желать лучшего, а кроме того, переговоры можно было вести только в полудуплексном режиме (собеседники должны были говорить по очереди).

Однако компания VocalTec добилась существенного прогресса, предложив продукт Internet Phone, поддерживающий полнодуплексные телефонные переговоры в реальном времени. В мае 1996 года VocalTec представила Internet Phone 4.0 со средствами голосовой почты. Программа поддерживает до четырех одновременных сеансов голосовой связи, обмена данными и конференций документов. Продукт работает на различных платформах.

Но, пожалуй, еще более важным продуктом VocalTec является Internet Phone Telephony Gateway. Эта серверная система на базе платы для компьютерной телефонии производства Dialogic, подключаемая к телефонной сети и Internet по каналу пропускной способностью не менее 28,8 Кбит/с, позволяет переключать местные телефонные звонки на Internet. После подключения телефонный вызов может быть передан на любой другой сервер, а тот, в свою очередь, передаст звонок по назначению через местную телефонную сеть.

Работая в этой системе, набирать номер и отвечать на звонок, можно как при помощи обычных телефонных программ для Internet, так и при помощи обычных телефонных аппаратов (если только с них можно позвонить на Telephony Gateway). Остается только установить сеть таких серверов - и готова то ли альтернативная, то ли подпольная, похожая на описанную в романе Томаса Пинчона "The Crying of Lot 49", система дальней телефонной связи по Internet.

Пожалуй, наибольшая пропускная способность необходима для организации видеоконференций в Internet. В самом крайнем случае, когда организуется отдельный поток для каждого участника, в наиболее невыгодном положении оказываются пользователи, использующие для доступа к Internet обычные модемы.

Продукт CU-SeeMe, вначале разработанный в Корнелльском университете для Unix-систем, распространяется бесплатно. White Pine Software предложил усовершенствованные коммерческие версии CU-SeeMe для Windows и Macintosh.
White Pine приобрел у Crystal Net лицензию на технологию кодирования/декодирования SFM. Скорость и эффективность программного кодека SFM позволяют обеспечить передачу не слишком хорошего, но все же вполне разборчивого видеоизображения по каналу на 14,4 Кбит/с. Он также позволяет вместить два потока в канал на 28,8 Кбит/с. При использовании одного или нескольких каналов ISDN B качество изображения существенно возрастает.

Enhanced CU-SeeMe может использоваться с MBONE, однако для аудио- и видеовещания CU-SeeMe применяются и отражатели. Отражателей для CU-SeeMe насчитывается уже несколько штук. Передача пакетов осуществляется с использованием протокола UDP, поэтому, чтобы обойти различные средства защиты сети, пользователям придется проявить изобретательность.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

Ожидать быстрых темпов развития мультимедиа на Internet было бы беспочвенно, если бы они целиком зависели от развития собственно средств связи (полнодуплексные модемы, ATM, ADSL). Хорошие новости приходят вовсе не оттуда: главное сейчас - это развитие алгоритмов сжатия/восстановления, разработка стандартных способов передачи данных и усовершенствование прокачки вязкой мультимедиа по узким трубам ISDN и POTS.

Решения для передачи звука и для телефонии уже практически готовы к выходу на широкий рынок; в то же время повсеместное применение видеоприложений, по-видимому, станет возможным только после того, как они выйдут на следующий уровень развития. Внедрение этих приложений приведет к неимоверному росту нагрузки на Internet. Остается только надеяться, что провайдеры Internet смогут обеспечить нас требуемой пропускной способностью.

АНАТОМИЯ INTERNET

MBONE соединяется с магистралью

Отзывы о многоадресной магистрали (MBONE) довольно противоречивые. Одни говорят, что это весьма грамотное решение проблемы многоадресной рассылки аудио- и видеопотоков, другие считают, что оно работает только по недоразумению. Участники проекта MBONE имеют адреса класса D (первый байт от 224 до 239 или первые четыре бита - 1110), специально зарезервированные для использования в экспериментальных целях (вроде этой). Данные адреса присваиваются группам пользователей или хостов, а не отдельным хостам.

Обычные маршрутизаторы не способны обрабатывать пакеты с адресами класса D. Необходимое программное обеспечение имеется только на специальных многоадресных маршрутизаторах (multicast routers, mrouters). Таким образом, MBONE можно представлять себе как сеть маршрутизаторов для многоадресной рассылки.

Протокола многоадресной маршрутизации по меньшей мере три. Эти протоколы позволяют эффективно использовать пропускную способность сети (например, путем рассылки широковещательных сообщений с последующим блокированием тех станций, которые не изъявляют желание участвовать в обмене информацией).

Приложения, установленные у пользователей или на хост-машинах, также должны поддерживать работу в многоадресном режиме. При подключении к MBONE пользователи чаще всего применяют инкапсулирование пакетов, или туннелирование, которое подразумевает организацию прямого канала для мультимедийного трафика. Пакеты с адресами класса D упаковываются в пакеты с обычными IP-адресами многоадресного маршрутизатора или получателя (multicast recipient). Многоадресный маршрутизатор удаляет IP-заголовок и направляет пакет по назначению, в соответствии с адресом класса D.
Клиенты многоадресной рассылки должны также использовать другой протокол, Internet Group Membership Protocol (IGMP). IGMP позволяет пользователям подписываться на рассылку и аннулировать подписку.

MBONE уже применялась для трансляции совещаний группы инженерной поддержки Internet (IETF), научных конференций и концерта Rolling Stones. Отбор событий для трансляций производился совершенно неупорядоченно, путем достижения согласия между всеми заинтересованными сторонами. "Хозяина" у MBONE пока нет.

Максимальный уровень трафика по MBONE составляет 500 Кбит/с. Передачи тщательно планируются, чтобы не нарушить работу остальной части сети.