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TCP/UDP传输协议:TCP/IP协议和实时传输

2021-03-19 16:56云杰小编阅读:161

TCP/UDP传输协议:TCP/IP协议和实时传输

为了保证数字视频网络传输的实时性和图像的质量,传输层协议的选择是整个设计和实现的关键。Internet在IP层上使用两种传输协议:一种是TCP(传输控制协议),它是面向连接的网络协议;另一种是UDP(用户数据报协议),它是无连接的网络协议。

TCP传输:TCP(传输控制协议)是一种面向连接的网络传输协议。支持多数据流操作,提供流控和错误控制,乃至对乱序到达报文的重新排序,因此,TCP传输提供了可靠的数据传输服务。

使用TCP传输的一般的过程:

客户机向服务器发出连接的请求后,服务器接收到后,向客户机发出连接确认,实现连接后,双方进行数据传输。

UDP传输: UDP(用户数据报协议)是一种无连接的网络传输协议。提供一种基本的低延时的称谓数据报的传输服务。不需要像TCP传输一样需预先建立一条连接。UDP无计时机制、流控或拥塞管理机制。丢失的数据不会重传。因此提供一种不可靠的的应用数据传输服务。但在一个良好的网络环境下如 局域网内,使用UDP传输数据还是比较可靠,且效率很高。

IP组播技术:组播技术是一种允许一个或多个发送者发送单一或多个发送者的数据包到多个接收者的网络技术。组播源把数据报发送到特定的组播组,而只有加入到该组播组的主机才能接收到这些数据包。组播可大大节省网络宽带,因为无论有多少个目标地址,在整个网络的任何一条链路上只船送单一的数据包。

1.TCP/IP协议和实时传输

TCP/IP协议最初是为提供非实时数据业务而设计的。IP协议负责主机之间的数据传输,不进行检错和纠错。因此,经常发生数据丢失或失序现象。为保证数据的可靠传输,人们将TCP协议用于IP数据的传输,以提高接收端的检错和纠错能力。当检测到数据包丢失或错误时,就会要求发送端重新发送,这样一来就不可避免地引起了传输延时和耗用网络的带宽。因此传统的TCP/IP协议传输实时音频、视频数据的能力较差。当然在传输用于回放的视频和音频数据时,TCP协议也是一种选择。如果有足够大的缓冲区、充足的网络带宽,在TCP协议上,接近实时的视音频传输也是可能的。然而,如果在丢包率较高、网络状况不好的情况下,利用TCP协议进行视频或音频通信几乎是不可能的。

TCP和其它可靠的传输层协议如XTP不适合实时视音频传输的原因主要有以下几个方面:

1 .TCP的重传机制

我们知道,在TCP/IP协议中,当发送方发现数据丢失时,它将要求重传丢失的数据包。然而这将需要一个甚至更多的周期(根据TCP/IP的快速重传机制,这将需要三个额外的帧延迟),这种重传对于实时性要求较高的视音频数据通信来说几乎是灾难性的,因为接收方不得不等待重传数据的到来,从而造成了延迟和断点(音频的不连续或视频的凝固等等)。

2 .TCP的拥塞控制机制

TCP的拥塞控制机制在探测到有数据包丢失时,它就会减小它的拥塞窗口。而另一方面,音频、视频在特定的编码方式下,产生的编码数量(即码率)是不可能突然改变的。正确的拥塞控制应该是变换音频、视频信息的编码方式,调节视频信息的帧频或图像幅面的大小等等。

3 .TCP报文头的大小

TCP不适合于实时视音频传输的另一个缺陷是,它的报文头比UDP的报文头大。TCP的报文头为40个字节,而UDP的报文头仅为12个字节。并且,这些可靠的传输层协议不能提供时间戳(Time Stamp)和编解码信息(Encoding Information),而这些信息恰恰是接收方(即客户端)的应用程序所需要的。因此TCP是不适合于视音频信息的实时传输的。

4 .启动速度慢

即便是在网络运行状态良好、没有丢包的情况下,由于TCP的启动需要建立连接,因而在初始化的过程中,需要较长的时间,而在一个实时视音频传输应用中,尽量少的延迟正是我们所期望的。

由此可见,TCP协议是不适合用来传输实时视音频数据的,为了实现视音频数据的实时传输,我们需要寻求其它的途径。

2.RTP协议适合实时视音频传输

RTP(Real-Time Transport Protocol)/RTCP(Real-Time Transport Control Protocol)是一种应用型的传输层协议,它并不提供任何传输可靠性的保证和流量的拥塞控制机制。它是由IETF(Internet Engineering Task Force)为视音频的实时传输而设计的传输协议。RTP协议位于UDP协议之上,在功能上独立于下面的传输层(UDP)和网络层,但不能单独作为一个层次存在,通常是利用低层的UDP协议对实时视音频数据进行组播(Multicast)或单播(Unicast),从而实现多点或单点视音频数据的传输。

UDP是一种无连接的数据报投递服务,虽然没有TCP那么可靠,并且无法保证实时视音频传输业务的服务质量(QoS),需要RTCP实时监控数据传输和服务质量,但是,由于UDP的传输延时低于TCP,能与音频和视频流很好地匹配。因此,在实际应用中,RTP/RTCP/UDP用于音视频媒体,而TCP用于数据和控制信令的传输。

总结:如果接收端和发送端处于同一个局域网内,由于有充分的带宽保证,在满足视频传输的实时性方面,TCP也可以有比较好的表现,TCP和基于UDP的RTP的视频传输性能相差不大。由于在局域网内带宽不是主要矛盾,此时视频数据传输所表现出来的延时主要体现为处理延时,它是由处理机的处理能力以及采用的处理机制所决定的 。但是当在广域网中进行视频数据传输时,此时的传输性能极大地取决于可用的带宽,由于TCP是面向连接的传输层协议,它的重传机制和拥塞控制机制,将使网络状况进一步恶化,从而带来灾难性的延时。同时,在这种网络环境下,通过TCP传输的视频数据,在接收端重建、回放时,断点非常明显,体现为明显的断断续续,传输的实时性和传输质量都无法保障。相对而言,采用RTP传输的视频数据的实时性和传输质量就要好得多。

四.视频图像的异地显示

当压缩过的视频通过互联网传输到异地的时候,对于互联网传输过来的视频信息,首先是要进行解码,然后才是显示。解码的芯片有一定的性能要求,比编码器低些,但是毕竟是视频数据处理,通用的芯片(不支持MMX等多媒体指令)可能会比较吃力。显示设备主要有电视、监视器和显示器,他们的信号接口是不一样的,电视监视器是模拟的电信号,显示器的输入应该是数字信号。

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文章标题:《TCP/UDP传输协议:TCP/IP协议和实时传输》

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