Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

Трафик в реальном времени отличается от обычного интернет-трафика: для такой передачи нужно обеспечить заранее определенную скорость воспроизведения, иначе передаваемые данные окажутся бесполезными. Никто не захочет смотреть видео в замедленном темпе и с постоянными прерываниями. Между тем при работе в интернете возникают короткие перебои, а на загрузку страницы может уйти некоторое время (в установленных пределах), но обычно это не является серьезной проблемой.

Такому развитию способствовали две вещи. Во-первых, значительно возросла мощность компьютеров; при этом они стали оснащаться микрофонами и камерами, что дает возможность легко вводить, обрабатывать и выводить аудио и видео. Во-вторых, кратно выросла пропускная способность интернета. Скорость на магистральных линиях в основе интернета достигает многих гигабитов в секунду, а широкополосные и беспроводные (802.11ac) сети обслуживают пользователей на его периферии. Все это позволяет провайдерам пересылать огромные объемы трафика, а пользователи могут подключаться к интернету в 100–1000 раз быстрее по сравнению с обычными телефонными модемами, работавшими на скорости 56 Кбит/с.

С расширением пропускной способности вырос аудио- и видеотрафик, хотя и по разным причинам. Телефонные разговоры занимают сравнительно небольшую часть полосы (64 Кбит/с, а при сжатии еще меньше), но телефонные услуги всегда были дорогими. Компании обнаружили, что можно передавать телефонный трафик по интернету, тем самым снижая свои расходы. Такие стартапы, как Skype, когда-то позволили пользователям звонить бесплатно, по интернет-соединению. Расторопные телефонные операторы нашли дешевый способ передавать обычные голосовые звонки, используя оборудование, предназначенное для выхода в сеть. В итоге многократно возрос объем передаваемых по интернету голосовых данных посредством так называемой интернет-телефонии (Internet telephony); мы поговорим о ней в разделе 7.4.4.

В отличие от аудио, видео занимает значительную часть пропускной способности канала. Интернет-видео приемлемого качества кодируется сжатием, что дает поток со скоростью около 8 Мбит/с в 4K (это 7 Гбайт для 2-часового фильма). До появления широкополосного доступа передача видео по сети была невозможна. Но все изменилось: теперь люди с большим удовольствием смотрят потоковые видео хорошего качества, не выходя из дома. Около четверти пользователей каждый день заходят на популярный видеохостинг YouTube. На смену прокату видеофильмов на кассетах и DVD пришло скачивание из интернета. Огромное количество размещенных в сети видеороликов совершенно изменило структуру интернет-трафика. Уже сегодня большая часть информации в интернете — это видеофайлы, а через несколько лет на их долю будет приходиться около 90 % трафика.

Учитывая, что ширины полосы пропускания достаточно для передачи видео и аудио, ключевой проблемой разработки приложений для проведения конференций и передачи мультимедиа является сетевая задержка. Для аудио и видео требуется представление в реальном времени, то есть они должны проигрываться с определенной скоростью, иначе в них не будет смысла. Долгие задержки предполагают, что звонки, которые должны быть интерактивными, таковыми не являются. Если вы хоть раз разговаривали по спутниковому телефону, вы поймете, о чем речь. Ведь в этом случае задержка даже на полсекунды ужасно раздражает. При проигрывании музыки и фильмов по сети абсолютная задержка не играет роли, так как она влияет только на то, когда начнется воспроизведение файла. Но варьирование задержки (джиттер) по-прежнему имеет значение. Оно должно маскироваться плеером, иначе аудио будет неразборчивым, а видео дерганым.

В качестве отступления следует сказать, что термин «мультимедиа» (multimedia) часто используется применительно к аудио и видео в интернете. Буквально слово «мультимедиа» означает использование нескольких видов данных. Согласно этому определению, данная книга тоже является мультимедийной презентацией, поскольку содержит текст и графику (иллюстрации). Однако вы вряд ли так себе представляли мультимедийные данные, поэтому здесь под словом «мультимедиа» мы будем понимать использование нескольких видов непрерывных данных (continuous media), для проигрывания которых требуется определенный интервал времени. На практике чаще всего это аудио и видео, то есть звук плюс движущееся изображение. Возможно, когда-нибудь удастся обеспечить непрерывное воспроизведение звука в сочетании с запахами. Многие также ошибочно относят к мультимедийным данным чисто звуковую информацию, используемую, например, в случае интернет-телефонии или интернет-радио. Строго говоря, в таких случаях уместнее термин «потоковые данные». Несмотря на это, мы поддадимся общей тенденции и тоже будем рассматривать аудио в реальном времени как мультимедиа.

7.4.1. Цифровой звук

Звуковая волна представляет собой одномерную акустическую волну (давление). Когда она достигает уха, барабанная перепонка вибрирует, вызывая вибрацию тонких костей внутреннего уха, в результате чего в мозг по нерву идет пульсирующий сигнал. Эта пульсация воспринимается слушателем как звук. Подобным образом, когда акустическая волна воздействует на микрофон, он формирует электрический сигнал, представляющий собой амплитуду звука как функцию времени.

Человеческое ухо способно слышать сигналы в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц, а некоторые животные, например собаки, могут слышать и более высокие частоты. Громкость, воспринимаемая ухом, изменяется логарифмически по отношению к амплитуде, поэтому отношение силы двух звуков с амплитудами A и B обычно измеряется в децибелах (дБ), как 10 log10(A/B). Если принять за 0 дБ нижний порог слышимости (звуковое давление на уровне 20 мкПа) для синусоидальной волны частотой 1 кГц, то громкости обычного разговора будет соответствовать 50 дБ, а болевой порог наступит при силе звука около 120 дБ. Динамический диапазон сигнала (отношение между самыми большими и самыми маленькими значениями) при этом будет больше 1 миллиона.

Человеческое ухо очень чувствительно к изменениям звука, длящимся всего несколько миллисекунд. Глаз, напротив, не способен заметить такие кратковременные изменения. Таким образом, джиттер в несколько миллисекунд при передаче мультимедиа влияет в большей степени на качество звука, чем на качество изображения.

Цифровое аудио — это цифровое представление звуковой волны, которое можно использовать для ее воссоздания. Звук можно преобразовывать в цифровую форму при помощи аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). На вход АЦП подается электрическое напряжение, а на выходе формируется двоичное число. На илл. 7.31 (а) показан пример синусоидальной волны. Чтобы представить этот сигнал в цифровом виде, мы можем измерять значения сигнала через равные интервалы времени ΔT (то есть производить квантование сигнала), как показано на илл. 7.31 (б). Если звуковая волна не является чисто синусоидальной, а представляет собой сумму нескольких синусоидальных волн и самая высокая частота ее составляющих равна f, тогда, согласно теореме Найквиста (см. главу 2), для последующего восстановления сигнала достаточно измерять его значения с частотой дискретизации 2f. Производить замеры сигнала с большей частотой нет смысла, так как более высокие частоты в нем отсутствуют.

Обратный процесс заключается в переводе цифровых значений в аналоговое электрическое напряжение с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Затем репродуктор переводит аналоговое напряжение в акустические волны, и люди слышат звуки.

Сжатие звука

Несмотря на то что аудиоданные требуют не такой большой пропускной