Технологии передачи аудиоинформации через Интернет

Балтийская Государственная Академия РыбопромысловогоФлота

КАФЕДРА Судоавтоматикии Вычислительной техники

ДОКЛАД

на тему

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ АУДИОИНФОРМАЦИИ ЧЕРЕЗИНТЕРНЕТ

Выполнил: студент группы К-11

                   ЕфимовА. Е.

Научный руководитель:  доцент кафедрыСА и ВТ

                 Плешков В. М.

Калининград

2000

В настоящий момент Интернет – глобальная компьютерная сеть, своеобразная сеть сетей, подобнамировому океану информации, однако не стихийной, а структурированной иупорядоченной, подчиняющаяся самым передовым в мире законам и нормам информационногоправа, являющаяся самой демократичной и доступной практически каждому жителюЗемли. Интернет, вместе со своими меньшими братьями (корпоративными сетями)Интранет, давно и уверенно трансформируется в направлении от элитарнойкоммуникационной среды для обмена данными среди ученых и специалистов кпрообразу мировой коммуникационной мультимедийной супермагистрали, одинаковопригодной в качестве среды для множества видов профессиональной деятельности ибизнес-применений, включая такие виды массового обслуживания, как торговля,информационная и развлекательная индустрия, средства массовой информации.

Разработчикиаппаратно-программных приложений к ПЭВМ давно уже прошли этап освоениямультимедиа-функций для отдельно стоящих персональных компьютеров и компьютеровв локальных вычислительных сетях. Теперь многие сосредоточили свои усилия напередаче аудио- и видеоданных в режиме реального времени в компьютерных сетях.Если объединенные усилия увенчаются успехом, то Интернет станет привычной и повседневнойрабочей средой для не только для телефонии и видеоконференций, но и для радио-и телевизионного вещания, причем такие традиционные вещательные проблемы каксложный рельеф местности или расстояние от студии до слушателей и зрителей, также как нехватка эфирных частот в больших городах и промышленно развитыхстранах, могут просто перестать быть значимыми, причем даже быстрее, чем кажется.

Передачазвука в реальном времени

Компания ProgressiveNetworks разработала расширение языка HTML для прослушивания звуковых файлов спомощью системы RealAudio, состоящей из сервера, где хранятся звуковые файлы вгипертекстовом формате, и "проигрывателя", встраиваемого в программупросмотра. Щелчком мыши по значку звуковой связи на Web-странице пользовательинициирует непрерывную передачу пакетов информации с сервера по сети Интернет."Проигрыватель" системы RealAudio вместе со звуковой картойперсонального компьютера превращает этот поток данных в звук.

Как и многие другие компании,Progressive Networks ориентирует систему RealAudio на использование модемов соскоростью передачи 14,4 или 28,8 Кбит/с, которые установлены у большинствапользователей. Звуковая информация при этом пересылается сервером в виденепрерывного потока по протоколу транспортного уровня с доставкой данных безпредварительного установления соединения User Datagram Protocol (UDP). Данныепо упрощенному протоколу UDP передаются с большей скоростью, так как нетмеханизма повторной передачи, который протокол TCP использует дляпредотвращения потери части данных. В результате можно лишиться около 20% (вхудшем случае) исходящих пакетов, что не всегда приводит к снижению качества,поскольку существующие алгоритмы обработки звукового сигнала довольно точновосстанавливают оригинал при потере части данных.

Специалисты предсказываютдальнейшее повышение качества звука по мере совершенствования ПЭВМ. В настоящиймомент при пересылке звукоданных через модемы на скорости 14,4 Кбит/собеспечивается качество звучания, как у радиоприемников с амплитудноймодуляцией (АМ-качество). Однако при увеличении скорости передачи до 28,8Кбит/с можно добиться качества звучания радиоприемников с частотной модуляцией(ЧМ-качество). В общем, перспектива получения качественного звука с помощьюмикросхем обработки цифровых сигналов, расположенных на звуковой плате или вмодеме, выглядит весьма привлекательно.

Компьютернаятелефония

Самой заметной изпоследних новинок звуковых коммуникаций в Интернет является ПО, позволяющеегеографически удаленным пользователям устанавливать телефонную связь черезИнтернет и платить за нее намного меньше, чем за такой же звонок по обычнымтелефонным линиям. Попросту говоря, шлюз способен соединить обыкновенныйтелефон с сетью Интернет. Но данные могут поступать и из других источников. Втеории ограничений на способ связи нет: вы можете воспользоваться компьютером(если общаются два компьютера, иногда можно обойтись вовсе без шлюза),обыкновенным телефоном, радиопередатчиком, и т.п.

В общем виде схема связивыглядит так:

Абонент 1 - [локальная телефоннаясеть 1] - [шлюз 1] - Интернет - [шлюз 2] - [локальная телефонная сеть 2] -Абонент 2.

Ключевым элементом интернет-телефонииявляется связка шлюз – Интернет. Шлюз представляет собой компьютер-сервер,дополненный специальными платами расширения и соответствующим программнымобеспечением. Он служит интерфейсом между передающим звук устройствомпользователя (телефоном, компьютером и т.п.) и сетью Интернет. Шлюзобеспечивает прием и преобразование данных в форму, удобную для пересылки поСети (и обратное преобразование). Абоненту всего лишь нужно связаться с ним темили иным способом. Шлюз, имеющий выход в Интернет, передаст по Сети данные надругой такой же шлюз, ближайший к абоненту номер 2, после чего, претерпевобратное преобразование, звук достигнет цели своего путешествия.

Но, какое влияниеоказывает сеть Интернет на звуковой сигнал? Рассмотрим варианты использованияинтернет-телефона и оценим воздействие Сети в различных случаях.

1) Компьютер - компьютер

Два компьютера,подключенные к сети Интернет, могут общаться без посредников. Из общей схемыисчезнет шлюз, поскольку необходимость преобразования сигнала отпала (если бытьболее точным, в качестве шлюза выступает некая программа - интернет-телефон,запущенная на обоих компьютерах). Данные сразу передаются по стандартнымпротоколам Интернета, поэтому помехи проникнуть в пакет данных не могут.Единственное негативное воздействие помех – задержка пакетов. Неудивительно,что именно задержки являются главной проблемой интернет-телефонии. Причин ихвозникновения несколько. Одни связаны с принципом построения сетей TCP/IP иособенностями коммутации пакетов, другие зависят от общей загрузки сети,качества линии связи и скорости модема. Если задержка превышает 250миллисекунд, она становится заметной. Поскольку программа не контролируетконтекст передаваемого разговора, паузы вклиниваются в беседу случайным образом– чаще на полуслове. Окончание слова возникает в наушниках или колонках послесекундного затишья. Повлиять на качество звука можно, лишь купив более быстрыймодем и выбрав провайдера с мощными каналами связи.

2) Телефон - телефон

Звонок по такой схеме внешне мало,чемотличается от обычного телефонного. Последовательность действий такова: сначаланабирается телефонный номер ближайшего шлюза интернет-телефонии (предварительнонужно подписаться на его услуги); затем после переключения телефонного аппаратав тоновый режим, набирается номер абонента; вводится  идентификационный номер –и далее следует разговор Счет за разговор через сеть Интернет окажетсязначительно меньше (иногда на порядок) счета за идентичный по времени разговорпо традиционному междугородному телефону.

Для связи в режиме телефон - телефонне нужен ни компьютер, ни модем (подключение к сети Интернет и связанные с этимрасходы тоже не потребуются). До шлюза сигнал передается как и обычныетелефонные звонки. При этом в него (как и в любой другой телефонный сигнал)могут примешаться помехи. На уровень задержек, а следовательно, на комфортностьи качество разговора в режиме телефон – телефон влияние оказывают лишьпропускная способность линий связи провайдера интернет-телефонии изагруженность сети Интернет на маршруте следования пакетов. В настоящий момент,технологически проблема качества звука решается путем оптимизации задержек напути следования сигнала. Из нескольких возможных система выбирается наименеезагруженные маршруты; где это допустимо, повышается приоритет голосовыхпакетов. Кроме того, ни под каким видом не допускается перегрузка собственныхканалов традиционным трафиком. За счет этих мер паузы в разговоре удаетсясделать практически незаметными даже в часы максимальной загрузки.

Претендуя на полноценный сервис,фирма, предлагающая услуги интернет-телефонии, обязана обеспечить своимклиентам возможность позвонить на любой телефон мира. Причем для этого совсемне обязательно создавать большое количество шлюзов повсеместно, Интернетпозволяет провайдерам интернет-телефонии обмениваться трафиком, пере адресуязвонки друг другу.

Если в непосредственнойблизости от абонента шлюза все-таки не оказалось, звонок отправляется пообычным телефонным маршрутам. Однако и в этом случае его стоимость оказываетсясущественно ниже стоимости прямой телефонной связи.

3) Компьютер - телефон (телефон -компьютер)

Установив на свойкомпьютер программу интернет-телефонии, пользователь не утратите возможностисвязаться с не владеющим компьютером человеком. Напротив, компьютер существеннорасширит возможности связи и облегчит дозвон. Чтобы в полной мере использоватьвозможности интернет-телефона, необходимо подписаться на услуги провайдера интернет-телефонии.

Виртуальныйофис

С помощьюинтернет-телефонии можно организовать "виртуальный офис", связавчерез сеть Интернет представительства фирмы в разных городах. Достаточнопоместить в компьютеры специальные платы расширения (например, Dialogic),превратив их тем самым в шлюзы, установить программное обеспечение VocalTec иподключиться к Интернету. Стоимость звонка в этом случае окажется эквивалентнойлишь сумме, выплачиваемой провайдеру за пользование Интернетом. Кому бы то нибыло платить за международную/междугородную связь уже не придется. Телефоннойсвязью можно оснастить даже веб-страницу. Пользователь щелкнет по ссылке иполучит возможность поговорить, например, с оператором службы поддержки вашейфирмы. Нужно сказать, что подобный сервис доступен только посетителям, имеющимна своем компьютере программу интернет-телефонии или подключаемый модуль(plug-in) к броузеру.

Интернет-телефонияв России

На сегодняшний деньсуществует довольно много программ для голосового общения в Сети. К сожалению,не все друг с другом совместимы. Несмотря на то, что существует общий стандарт,основанный на рекомендациях Н.323 ITU (International Telecommunications Union),большинство разработчиков, хотя и включают его в новые версии программ,предпочтение отдают собственным протоколам передачи и сжатия данных.

Наверное, главным"монстром" интернет-телефонии является Internet Phone фирмы VocalTec.Internet Phone сохраняет очень хорошее качество звука даже при скорости 14 400,имеет многолюдные чат-серверы и серверы конференций. Компания VocalTec, нацеливаясьна наиболее емкий сегмент рынка, оптимизировала пакет Internet Phone для работыс модемами V.32bis со скоростью передачи 33.6 Кбит/с, число которых, по даннымкорпорации IDC, к концу 2000 г.вырастет до 80 млн. Одновременно продолжается совершенствование алгоритмоввосстановления потерянных пакетов для повышения качества воспроизведения речи.А внедрение модемов со скоростью передачи 56.6 Кбит/с позволяет передавать речьи одновременно работать с другими приложениями Интернет.

Другие программы по своимфункциональным возможностям стоят на несколько ступенек ниже, однако, и онииногда демонстрируют неплохие результаты. Можно отметить, наверное, первуюотечественную разработку, интернет-телефон Easy Talk фирмы AMSD. Программамаксимально приспособлена к российским проблемам телефонных линий. Вы можетеуслышать голос собеседника даже при скорости передачи данных 2400! Причемпрограмма автоматически отслеживает изменения в линии, при необходимости снижаяили повышая качество звука. Для свободного общения организован чат-сервер. Вближайшее время планируется создать шлюз в городскую телефонную сеть.

Из систем, хорошоработающих на низких скоростях, определенный интерес может представлятьпрограмма Free Tell. Она привлекает, прежде всего, маленьким размером (около300 кб) и неплохим качеством звука. Немаловажно и то, что программа распространяетсябесплатно.

Нельзя не упомянуть еще одного лидерав области услуг связи компьютер-телефон, фирму Net2Phone. Сетью телефонныхсерверов Net2Phone (сравнимой с сетью Delta Three) охвачены практически всемало-мальски развитые регионы. Система позволяет пользователям сети Интернетзвонить на обычный телефон, не отходя от компьютера (и только так: в режиметелефон-телефон система не функционирует). У программы Net2phone удивительнохорошее качество звука даже на медленных линиях. В этом легко убедиться,загрузив последнюю версию программы. Она позволяет бесплатно звонить нателефонные номера, начинающиеся с 800 и 888 - бесплатные американские иевропейские номера (ими, как правило, оснащены службы поддержки крупныхкомпаний). Перед началом работы с программой нужно зарегистрироваться насервере и выбрать себе идентификационный код. Однако если вы захотите получитьвозможность звонить на любой другой, кроме 800-ых, телефонный номер, вампридется открыть собственный счет (или приобрести дебетную карту), с которого ибудут взиматься деньги за каждую минуту разговора.

Радиовещание в Интернет

Появилось несколько возможныхспособов применения звуковых потоков в Интернет. Почти очевидным сталоперенесение систем радиовещания из обычного радиоэфира в цифровые сети. Тысячирадиостанций установили у себя потоковые серверы и начали передавать своиобычные «живые» программы в Интернет.

История радиовещания насчитывает неодин десяток лет, и здесь уже давно произошло разделение по жанровому признаку.Одни радиостанции передают только новости, комментарии, интервью, а другие –только различную музыку. Немало радиостанций работают в смешанном режиме, т. е.регулярно передают новости, а между ними – тематические программы. И наконец,радиостанции так называемого иновещания используют особенный формат,учитывающий условия распространения радиоволн и поясное время в местах приема.

В принципе руководство радиостанцийстремится обеспечить качество приема через Интернет, по крайней мере, не хуже,чем с помощью радиоволн. Это означает, что речь желательно передавать в полосечастот до 5-6 кГц, а музыку – до 10-12 кГц, причем в стереофоническом режиме,т. е. передавать два канала одновременно.

Однако скорости передачизвуковых потоков в Интернет для большинства потенциальных слушателей все ещеограничены, и приходится идти на некоторые компромиссы. Усовершенствованиеалгоритмов кодирования позволило получить вполне удовлетворительное качествозвука при умеренной скорости передачи. С учетом реального положения делсложился ряд значений скоростей, применяемых для радиовещания через Интернет.Хотя новостные и тематические передачи неплохо звучат при скорости потока всего8 Кбит/с, многие радиостанции используют скорость 16 Кбит/с. При такой скоростихорошо воспроизводится и музыка, а для стереофонической передачи музыкальныерадиостанции используют скорость потока 20 Кбит/с. Качество воспроизведениятакого сигнала уже можно признать отличным.

Форматы передачи звукоданных

Как уже стало понятно извышеизложенного звук сегодня является действительно неотъемлемым элементоммультимедийных домашних страниц в Интернет. Современные звуковые технологии вИнтернет ориентированы на решение самых разнообразных задач – от вещательнойпередачи звуковых фрагментов в реальном масштабе времени до традиционных системс растянутой во времени загрузкой файлов и последующим их воспроизведением,причем применяются для этого самые различные форматы передачи звукоданных.

Сегодня в распоряжениипользователей целый ряд стандартных форматов звуковых файлов:

WAV (от waveform - формасигнала), или просто wave-файлы. Это наиболее распространенный форматзвукоданных в компьютерах на платформе IBM/Windows. (При наличиисоответствующего программного обеспечения можно воспроизводить WAV-файлы наперсональных компьютерах платформы Macintosh и других системах);

AU (Sparc-аудио) являетсяодним из самых старых звуковых форматов для Интернет и средства еговоспроизведения разработаны практически для всех компьютерных платформ;

AIFF (Audio InterchangeFormat) - формат обмена звуковой информацией, особенно распространенный наплатформе Macintosh. Он широко применяется в мультимедиа- приложениях, но неявляется общепринятым в Web;

MIDI (Musical InstrumentDigital Interface) - интерфейс электронных музыкальных инструментов. Данныйформат представляет не оцифрованный звук, а ноты и другую информацию, с помощьюкоторой можно затем синтезировать музыку. Формат MIDI имеет широкую поддержку ипозволяет получить компактные файлы, но в Интернет полезен лишь дляограниченного класса приложений;

MPEG - (Moution PictureEnhancing Group) стандартизованное в ИСО (стандарты 11172-3 и 13818-3)семейство форматов различного уровня сложности с гибкими возможностями сжатия аудио-и видеоданных.

В то же время MPEG еще не настолькораспространен, как многие привыкли считать, и разработка и стандартизация MPEGеще не завершена (сейчас готовится новый стандарт MPEG-4). И, несмотря нахорошее качество и высокую эффективность передачи, аппаратно-программныесредства кодирования и декодирования MPEG пока не так уж распространены.

Звуковые файлы форматовAU и WAV воспроизводятся вспомогательными приложениями и интегрируемымимодулями, но собственная поддержка данных форматов в пользовательскихпрограммах-браузерах (навигаторах) по Интернет, наиболее распространенныхсегодня - Netscape 3.0 и Internet Explorer 3.0 отсутствует. Качествовоспроизведения формата WAV не настолько хорошее, как можно было бы ожидать отфайлов такого размера. MIDI-файлы могут аппаратно воспроизводиться звуковымикартами персональных компьютеров (такими, например, как SoundBlaster) и покачеству напоминают мелодии, издаваемые простым электромузыкальным клавишныминструментом.

Если необходим звукпрофессионального качества при высоком уровне уплотнения, то единственнымвыбором является формат MPEG. Он дает приемлемые результаты и в тех случаях,когда очень хорошее качество необязательно, однако такой недостаток программногообеспечения для его воспроизведения, как реализация только в виде вспомогательныхприложений, а не интегрируемых модулей или собственных средств браузеров,нередко заставляет отдавать предпочтение другим форматам.

Хотя в общем случае призагрузке и воспроизведении звуковых файлов через Интернет следуетпридерживаться стандартных форматов, один патентованный формат заслуживаетособого упоминания. Это RapidTransit фирмы FastMan. В нем используется схемаадаптивного уплотнения волнового сигнала. Например, 30-секундный музыкальныйфрагмент "Hootie and the Blowfish" такого же качества, какоедостигается воспроизведением записи с компакт-диска, в неуплотненном видезанимает объем 2,69 Мбайт, а после сжатия в формате RapidTransit - всего 90Кбайт. Патентованные форматы предлагают то, чего не хватает многим"стандартным" форматам цифрового звука, а именно возможностиорганизации непрерывного потока данных (т.е. передачи в реальном масштабевремени). Потоковые звукоданные не требуют дискового пространства и допускаютпроизвольный доступ к любому месту звукового файла.

Между тем у поточныхзвукоданных есть несколько потенциальных недостатков.

Во-первых, чтобы вдостаточной мере сжать звукоданные для поточновой передачи, приходитсяжертвовать качеством звукопередачи. Во-вторых, сами протоколы Интернет неприспособлены к непрерывному поточному обмену. Каждый, кому в течение какого-товремени приходилось работать с Интернет, без сомнения, сталкивался с периодическивозникающими задержками.

RealAudio - звук "в реальном времени"

Впервые практическаяпередача звука через Интернет в непрерывном поточном режиме была реализована вразработках фирмы Progressive Networks. На ее узле RealAudio для пересылкинепрерывных звукоданных вспомогательному приложению браузера, интегрируемомумодулю Netscape (Shockwave Xtra) или элементу управления ActiveX используетсяспециальный программный сервер. Благодаря наличию средств воспроизведения навсех основных компьютерных платформах RealAudio является сегодня наиболеераспространенным форматом непрерывной передачи звукоданных в Интернет.

Формат передачизвукоданных RealAudio (*.ra) сегодня самый популярный в Интернет, егоиспользуют большинство крупных звуковых служб и звуковых серверов, в Интернет.В настоящее время, несмотря на значительную конкуренцию и архитектурные ограничения,формат RealAudio доминирует на рынке звуковых средств в Интернет.

"Бессерверные" методы звукопередачи вИнтернет

Многие фирмы, которыехотели бы сделать доступной через Интернет звуковую информацию ограниченногообъема, не могут позволить себе выделить для этого специальный сервер. Ксчастью, существует ряд решений, позволяющих использовать для этого ужеимеющийся Web-сервер. Одним из наиболее рациональных вариантов реализации звуковойподдержки домашних страниц в Интернет является технология TrueSpeech компанииDSPG.

Алгоритм кодированиязвукоданных TrueSpeech создает достаточно компактные файлы, что позволяетпередавать непрерывные звукоданные на линиях с пропускной способностью 14,4Кбит/с, сохраняя при этом такое же качество, как RealAudio. При небольшойбуферизации TrueSpeech способна передавать поток интегрируемому модулю иливспомогательному приложению, функционирующим в программной среде Macintosh илиWindows.

Среди других популярных"бессерверных" аудиотехнологий можно упомянуть лишь формат ToolVoxфирмы Voxware. Предлагая впечатляющий алгоритм работы, способный сжиматьзвуковые файлы с коэффициентом 53:1, ToolVox реализует непрерывнуюзвукопередачу даже для пользователей Интернет, работающих на линиях спропускной способностью 2400 бит/с. Однако такое чудо возможно лишь длянизкокачественной передачи речи. Как сообщает фирма-разработчик в своейдокументации, Voxware не подходит для музыки и даже на речи иногда даетнеудовлетворительные результаты.

На фоне отвлеченныхспоров о будущем Интернет, о протоколах и стандартах, призванных обеспечить внедрениеновейших технологий, отрадно наблюдать, как одна из них – передача звукоданных– развивается практически. Причем в данном конкретном случае понятно назначениеинформации и известны ее потребители. Разработанные звуковые технологиимасштабируемы, опираются на уже существующие стандарты и готовы к переносу вболее скоростные сети, как только те станут реальностью. Тогда по сети будутпередаваться звуковые потоки с качеством CD и без всяких перерывов.

Список литературы:

-     Новости мира компьютерных технологий №4 , 1999 г.

-     Network World №6, 1999 г

-     LAN Magazine (Russian Edition)

-     Системный Интегратор // Территориально-распределенныесети:
выбор технологии