Vývoj videokonferenčních aplikací

Transkript

1 Rk / Year: Svazek / Vlume: Čísl / Number: Vývj videknferenčních aplikací Develpment f videcnferencing applicatin Petr Číka, Pavel Jandera cika@feec.vutbr.cz Fakulta elektrtechniky a kmunikačních technlgií VUT v Brně Abstrakt: Článek ppisuje mžnsti vývje videknferenčních aplikací na platfrmě RADVISON (Interactive Vice Respnse). Je zde ppsána skladba celéh systému a mžnsti vytváření videknferenčních aplikací. Závěr článku je věnván realizaci knkrétní aplikace a jejím testváním. Abstract: This paper describes the pssibilities f develment f videcnferencing applicatins n RADVISION (Interactive Vice Respnse) platfrm. There is described whle system structure and pssibilities f videcnferencning applicatins develpment. The end f the paper deals with realisatin f the cncrete applicatin and its testing.

2 2010/ Vývj videknferenčních aplikací Petr Číka 1, Pavel Jandera 1 1 Ústav telekmunikací Fakulta elektrtechniky a kmunikačních technlgií Vyské učení technické v Brně cika@feec.vutbr.cz Abstrakt Článek ppisuje mžnsti vývje videknferenčních aplikací na platfrmě RADVISON (Interactive Vice Respnse). Je zde ppsána skladba celéh systému a mžnsti vytváření videknferenčních aplikací. Závěr článku je věnván realizaci knkrétní aplikace a jejím testváním. 1 Úvd V psledním desetiletí se ke vzdálené kmunikaci vedle běžných telefnních hvrů začínají prsazvat vide-hvry. Díky stále výknnější technice je mžné vzdáleně přenášet velké mnžství dat a t v reálném čase. Vedle vide-hvrů jsu prvzvány také videknference, které se d videhvru liší pčtem připjených uživatelů. U vide-hvru se jedná spjení typu bd-bd, u videknferencí je spjení vícebdvé. Videknference nabízí výhdy v blasti úspry nákladů na cestvání a s tím spjenu úspru času strávenéh na cestách. I přes tyt výhdy však není tat technika plšně rzšířena, nebť její přizvací cena je velmi vyská. Vesměs je využívána puze v nadnárdních splečnstech. V sučasnsti existují 2 standardy, které jsu videknferenčními systémy využívány. Jedná se standard H.323 definvaný rganizací ITU-T [1] a standard SIP (Sessin Initiatin Prtcl) definvaný v RFC 3261 [2]. Standard H.323 ppisuje terminály a statní zařízení pr zajištění multimediálních služeb v paketvě rientvaných sítích, které negarantují žádnu kvalitu služeb QS. (Quality f Services). Jedná se gatekeeper, jedntka MCU (Multipint Cntrller Unit) a brána. Architektura H.323 pskytuje prstředí pr audi a vide kmunikaci v reálném čase. Mim definvaná zařízení jsu ve standardu ppsány veškeré prtkly, které mhu být během kmunikace pužity. Jedná se zejména signalizační prtkly H.225, H.245, prtkly pr přens multimediálních dat RTP (Real-time transprt prtcl) / RTCP (RTP Cntrl Prtcl) a další [1]. Druhým standardem, jak již byl zmíněn, je standard SIP. Standard SIP ppisuje puze signalizační prtkl. Ostatní pužité prtkly a hardware jsu vlitelné. Nicméně se ustálili určité prvky a prtkly v sučasných sítích, které architektura SIP pužívá [3]. Mezi ně patří user agent, prxy server, redirect server a registrar server. V sučasné dbě existuje řada splečnstí, zabývající se vývjem a výrbu videknferenčních serverů. K největším z nich patří splečnsti LIFESIZE [4], POLYCOM [5], RADVISI- ON [6] a TANBERG [7]. Tyt splečnsti ddávají htvá řešení videknferenčních serverů a jedntek a t včetně sftwaru pr jejich bsluhu. Na těcht jedntkách nelze vyvíjet vlastní aplikace. Jedinu mžnstí je vývj aplikací v nezávislých prgramvacích jazycích C, C++, C#, Java a další. Existuje celá řada prjektů zabývajících se tut prblematiku, k nejznámějším patří prjekt OpenH323 [8]. Splečnst RADVISION nabízí prfesinální prstředí pr vývj videknferenčních aplikací s názvem Interactive Vice Respnse, zkráceně [9]. vývjářům značně usnadňuje tvrbu nvých videknferenčních aplikací. V následujících kapitlách bude pdrbně ppsán celý systém včetně návrhu a realizace videknferenční aplikace. 2 Vývjvé prstředí K vývji a testvání videknferenčních aplikací se nabízí vývjvý systém RADVISION. Základní sučástí systému je zařízení SCOPIA 400 [10] sazená kartu MCU (Multipint Cntrller Unit) a MVP (Media Vide Prcessing). Tyt karty se starají zpracvání audi a vide dat, jejich mixvání a transprt ke kncvým uživatelům. Druhu částí systému je externí server s nainstalvaným vývjvým a bslužným sftwarem. Sftware určený pr vývj definuje rzhraní pr tvrbu aplikací API (Applicatin prgramming Interface) [11]. API využívá prtkl http (Hypertext Transfer Prtcl) a prprietární jazyk V 2 XML (Vice and Vide Extensible Markup Language) [11]. Hlavní funkce lze jsu příjem a správa příchzíh audivizuálníh hvru, inicializace dchzích audivizuálních hvrů, přens živéh vysílání, přens ulženéh multimediálníh bsahu, mžnst sestavení videknference s pdpru prtklů H.323 a SIP, nahrávání audivizuálních tků, mžnst vládání pmcí tónů DTMF (Dual-Tne Multi Fre, quency), přidání textu d audivizuální scény, nastavit čas přehrávání ulženéh bsahu neb sdílet různá média. 2.1 Pdrbný ppis kmpnent Standardní systém bsahuje: MCU, MSP (Multimedia Streaming Prsxy Server), B2BUA (Back-t-Back User Agent), ECS (Enhanced Cmmunicatin Server), kntrlér, manažer. Prpjení jedntlivých kmpnent znázrňuje Obrázek

3 2010/ Manažer Webvý server Manažer služí ke správě celéh systému. Veškeré nastavení jsu prváděny skrze webvé rzhranní, kde je taktéž mžné mnitrvat veškeré kmpnenty systému. Kntrlér Manažer 2.2 Vývj aplikací na platfrmě B2BUA ECS MCU +MVP MSP INTERACTIVE VIDEO PLATFORM Obrázek 1: Prpjení kmpnent v Jedntka MCU Streamvací server Síťvé úlžiště Jedntka MCU je umžňuje příjem a vytváření audi/vide relací z terminálů pracujících pdle standardu SIP neb H.323. Pskytuje spjení dvu i více účastníků d videknference, umžňuje kódvání d různých standardů videa (H.261, H.263 a H.264) s různými parametry. Veškeré perace s videem zajišťuje karta MVP připjená k MCU jedntce. V rámci jedné sítě může pr ptřebu zvýšení výknu a kapacity systému prpjen více MCU jedntek Servervá aplikace MSP MSP je servervá aplikace zajišťující přístup k lkálním neb vzdáleným datům a jejich streamvání k uživateli. K signalizaci je využíván prtkl RTSP (Real-time Streaming Prtcl) Servervá aplikace B2BUA B2BUA je sftwarvá aplikace zajišťující prpjení příchzíh hvru SIP s jedntku MCU. Pr uživatele plní funkci přístupvéh bdu k SIP architektuře. B2BUA je řízen kntrlérem, který prvádí směrvání hvrů k jedntce MCU na základě dstupných prstředků Servervá aplikace ECS ECS je vlitelná sučást systému s bdbnými vlastnstmi jak má B2BUA. Služí k prpjení účastníků využívajících prtkl H.323. Může služit jak tzv. gatekeeper pr registraci kmpnent, kncvých bdů neb bran d jiných sítí Kntrlér Kntrlér zabezpečuje řízení a kmunikaci se všemi kmpnentami. S aplikacemi kmunikuje prstřednictvím HTTP prtklu, přijímá stránky psané jazykem V 2 XML [11] a vyknává je. Systém může pdprvat více služeb, které jsu d sebe dlišeny přístupvým číslem, které uživatel pr přístup k dané využívá. V závislsti na vlaném čísle spuští kntrlér danu službu a pstupně vykná příkazy definvané V 2 XML stránku. Pr vývj aplikací nabízí vlastní prstředí, API. Tt prstředí služí kmunikaci mezi a webvým serverem, na kterém jsu vyvíjené aplikace umístěny. Kmunikace s webvým serverem prbíhá prstřednictvím prtklu HTTP. plní funkci klienta, webvý server s aplikací plní funkci serveru, jak ukazuje Obrázek 2. Webvý server Žádst HTTP Kntrlér Obrázek 3: Kmunikace kntrléru s webvým serverem Typická kmunikace prbíhá tak, že přijme pžadavek na spjení s číslem služby (viz kapitla 2.2.1), která má být spuštěna. Následuje vytvření nvé relace příslušné služby a vyslání žádsti HTTP se všemi ptřebnými údaji řídící aplikaci na webvý server. Řídící aplikace dpví pmcí HTTP splu s V 2 XML stránku bsahující příkazy, pdle kterých nastaví pžadvané spjení. V tét chvíli se službě přiřadí náhdný jedinečný identifikátr, pd kterým je služba aktivní až d jejíh uknčení. Čísl služby je uvlněné pr další vlající. Průběh kmunikace znázrňuje Obrázek 4. API definuje sérii příkazů [11], které umžňují připjvat k různým druhům audi a vide zdrjů (např. k IP kamerám, k uživatelům pmcí prtklů SIP neb H.323), řídit rzmístění jedntlivých videí účastníků ve výsledném vide tku, při spjvání více zdrjů d jednh (řídit tzv. layut), nahrávat audi a vide neb h streamvat s využitím prtklu RTSP na streamvací server, dkud si h mhu prhlížet další uživatelé. Příkazy také definují různé stavy a událsti, které mhu během vyknávání aplikace nastat Služba v Služba v je definvána řídící aplikací, která bsahuje základní parametry vytvářené služby a stránku V 2 XML, která bsahuje příkazy definující funkce pžadvané služby. Stránka V 2 XML může definvat i určité událsti, které uživatel vládá pmcí tónů DTMF. Celá aplikace funguje jak stavvý autmat. Každá služba je v dstupná pd jedinečným přístupvým číslem, pmcí kteréh může uživatel k dané službě přistupit. Jakmile uživatel zavlá dané čísl, spustí se výchzí V 2 XML stránka, jejíž příkazy se začnu kamžitě vyknávat. Během hvru může být z výchzí stránky uživatel přesměrván na jinu. 48 2

4 2010/ Uživatel Uživatel vlá čísl aplikace Stisk klávesy Příchzí hvr Vide a zvuk DTMF Prvedení instrukcí Žádst nvu Prvedení instrukcí Žádst HTTP Odpvěď HTTP Stránka Žádst HTTP Odpvěď HTTP Stránka Webvý server s řídící aplikací Obrázek 4: Průběh kmunikace v Řídící aplikace v Řídící aplikace je definvána jazykem XML. Základní parametry jsu název služby, ppis služby, přístupvé čísl ke službě, cesta k výchzí V 2 XML stránce a parametr určující kvalitu přenášenéh videa. Vlitelnými parametry jsu tóny při stisku tlačítek a minimální a maximální mžný pčet uživatelů, kteří mhu aplikaci sučasně využívat. Řídící aplikace je zpravidla definvána pmcí webvéh rzhraní manažera neb zápisem d subru s přípnu *.app, jehž bsah je znázrněn níže. <?xml versin="1.0"?> <applicatin> <name>aplikace</name> <descriptin> VIP pr 8 uzivatelu </descriptin> <accessnumber>101</accessnumber> <initialdcument> applicatins/menuaplikace.v2xml </initialdcument> <dtmftneurl>4.wav</dtmftneurl> <minumberofprts>1</minnumberofprts> <maxnumberofprts> 10 </maxnumberofprts> <resurcetype> -3G-Mbile-Vide </resurcetype> </applicatin> Stránka s aplikací V 2 XML v Stránka s aplikací je psána prprietárním jazykem V 2 XML a je ulžená v subru s přípnu subr.v2xml. Subr může být generván staticky neb dynamicky. K dynamickému genervání se nabízejí skriptvací jazyky ASP, JSP, PHP, Perl atd. Veškeré stránky V 2 XML jsu ve své pdstatě dkumenty v jazyce XML 1.0, jejichž základní struktura je pevně daná a t následvně: <?xml versin="1.0"?> <v2xml versin="1.0"> <head> <!-- Deklarace --> </head> <bdy> <!-- Řídící instrukce --> </bdy> Tagy <xml> a <v2xml> představují názvy pužitých jazyků splu s jejich verzemi, tag <head> definuje hlavičku, která musí bsahvat název výchzíh stavu a může bsahvat deklarace zdrjů medií, časvačů, čítačů a prměnných; tag <bdy> definuje bsah služby a zahrnuje definice jedntlivých stavů. V každém stavu může být něklik reakcí na událsti (např. <nenter>, <nstart>, <ndtmf>) a v každé z nich něklik perací (např. <Start>, <Stp>, <changestate>) [11]. 3 Videknferenční aplikace v Cílem testvání prezentvané platfrmy byl vytvření videknferenční aplikace schpné prpjit maximálně 8 účastníků d jedné relace. Byla vytvřena řídící aplikace, ve které je nastavena velikst přenášenéh videa na CIF (Cmmn Intermediate Frmat) s přensvu rychlstí 384 kbit/s včetně audia. Tat rychlst nelze během přensu měnit a byla stanvena na základě pžadavku ze strany uživatelů. Využitelnst služby je tímt krkem umžněna i v sítích s nižšími přensvými rychlstmi. Dále byla vytvřena stránka v jazyku V 2 XML definující pžadvanu službu. Prblém realizvané služby je takvý, že na pčátku není dán přesný pčet uživatelů, kteří se budu videknferenčníh sezení účastnit. Z th důvdu byl upuštěn d statickéh vytvření V 2 XML stránky a byly hledány mžnsti, jakým způsbem lze stránky genervat dynamicky. Jednu z mžnsti je vytvření webvéh rzhraní, kde administrátr videknference vybere knkrétní uživatele, kteří se budu účastnit relace. Následně dešle údaje na server, který vygeneruje patřičnu V 2 XML stránku pr pžadvanu službu a následně pzve všechny strany d videknference Realizace webvéh rzhraní Úklem realizvanéh webvéh rzhraní je mžnst specifikace infrmací určených pr vytvření stránky V 2 XML a následnu inicializaci knference. Na úvdní stránce má uživatel mžnst registrace a následnéh přihlášení d systému (Obrázek 5). V systému byly definvány rle uživatelů super-administrátr, administrátr skupiny, člen skupiny a člen defaultní skupiny. 48 3

5 2010/ Obrázek 6: Úvdní stránka p vstupu d systému P výběru všech stran se uživateli, který inicializuje spjení, nabídne spuštění videknference. Následuje autmatické spuštění dstupnéh VIP klienta (viz Obrázek 7). Ostatní uživatelé jsu přizváni d místnsti využitím definvaných URI (Unifrm Resurce Identifier). Obrázek 5: Přihlášení a registrace uživatele Práva super-administrátra jsu nemezená. Superadministrátr může přiřazvat a debírat práva všem uživatelům systému všech skupin. Administrátr skupiny má práv přiřazvat uživatele z defaultní skupiny d skupiny, ve které je administrátrem, neb může uživatele ze skupiny debírat. Členu skupiny je umžněna kmunikaci mezi uživateli ve skupině. Všechny tři zmíněné skupiny mhu vytvářet knferenci. Uživatelé defaultní skupiny nemají žádná práva. P registraci je nvý uživatel vždy zařazen d defaultní skupiny. Webvé rzhraní byl realizvání pmcí Java EE (Enterprise Editin), knkrétně pmcí technlgie Java Servlet. Webvé stránky jsu prpjené s databází MySQL, ve které jsu ulženy veškeré infrmace registrvaných uživatelích. Ke kmunikaci s databází se pužívá vladač JDBC (Java Database Cnnectivity) [12]. Vytvřená databáze bsahuje tři tabulky uzivatele, prrazeni a skupiny. Tabulka uzivatele bsahuje parametry: lgin (primární klíč), hesl, jmen, prijmeni, mail, uri, telefn. Tabulka prirazeni bsahuje infrmace příslušnst uživatelů k jedntlivým skupinám. Každý uživatel může být členem jedné i více skupin. Tabulka bsahuje parametry uživatel a skupina. V tabulce skupiny je k dispzici seznam všech dstupných skupin a bsahuje nazev a ID skupiny. P registraci a přiřazení uživatele d určité skupiny je uživatel schpen vytvřit videknferenci v rámci skupiny. V rámci vytváření videknference uživatel zadává pčet účastníků, kteří budu vláni, a následně vybírá ze seznamu dstupných uživatelů skupiny (viz Obrázek 6). Obrázek 7: Průběh videknference [14] 4 Testvání vyvinutéh řešení Testvání byl prveden pr videknference s pčtem d dvu d smi účastníků. V našem případě jsme systém testvali s klientem X-Lite v. 3.0 [13]. K autmatickému spuštění klienta X-Lite a vstupu d videknferenční místnsti byla využita mžnst spuštět klienta se zadanými parametry pmcí příkazvé řádky. S statními klienty s tut mžnstí je zaručená taktéž plná kmunikace vyvinutéh systému. V případě, že klient spuštění z příkazvé řádky neumžňuje, musí uživatel ručně zadat URI vlané místnsti a zavlat. Celkem byl testván 100 spjení 4.1 Základní testvané funkce aplikace: Hvrvá signalizace Signalizace mezi VIP klientem a videknferenční jedntku, krektní přens signalizačních zpráv SIP, tónů DTMF a multimediálních dat prstřednictvím prtklu RTP. Pzvání účastníků d videknference 48 4

6 t[ms] t [ms] 2010/ testván byl, zda je všem zvleným účastníkům dručena žádst SIP INVITE s patřičnými parametry, Vstup účastníka d prbíhající videknference V případě, že pzvaný účastník zmeškal zahájení videknference, může d ní v jejím průběhu vstupit. Odchd účastníka z prbíhající videknference Odchd účastníka v průběhu knference z videknferenční místnsti. Zmíněné testy prběhly bez kmplikací a během tét fáze se nevyskytla žádná chyba. 4.2 Testvání zpždění signalizace a přensu multimediálních dat Následval test samtné videknferenční jedntky a t knkrétně test zpždění při sestavvání hvru. Pr měření byl využit prgram Wireshark (Obrázek 8). Při testvání byla všechna zařízení sučástí jedné dmény a byly připjeny maximálně v rámci dvu přepínačů. jedntek ms. Průměrný čas ptřebný k inicializaci spjení byl během testvání 64,06 ms. Pr měření času ptřebnéh pr zpracvání a přens audi/vide dat byl d systému vlžen vide v rzlišení CIF kmprimvané standardem H.263 a přidružené audi kmprimvané ve frmátu G.711 ulaw. Ihned p inicializaci spjení dává jedntka pkyn jedntce MCU k zahájení vysílání. Jedntka MCU začne rekmprimvat vstupní data v našem případě připravený audi/vide tk a p zpracvání tat data vysílat ke kncvému účastníku. Zde dchází k určitému rzdílu mezi audi a vide daty pkus Obrázek 9: Klísání zpždění při inicializaci spjení Jedntka MCU zpracvává puze audi data, vide data předává ke zpracvání jedntce MVP. Z brázku 8 je patrné, že audi data jsu vysílána téměř ihned p inicializaci hvru, vide data mají napak větší zpždění. Z uvedenéh příkladu jsu audi data vysílána 0,798 ms p inicializaci spjení. Zde byl pět prveden měření (Chyba! Nenalezen zdrj dkazů.), při kterém byl maximální čas ptřebný k příjmu audi hvru změřen na 1150 ms. Průměrný čas ptřebný k přenesení audi dat z jedntky MCU d terminálu je 826,7ms Obrázek 8: Průběh videknferenčníh spjení Jedntlivé IP adresy na brázku (Obrázek 8) představují terminál SIP, jedntka MCU, jedntka MVP, Z průběhu je patrné, že inicializace relace prbíhá téměř kamžitě. Při testvacím spjení na brázku 8 prběhl sestavení spjení v čase 60 ms. Jedntlivá měření při inicializaci jednh sta spjení jsu vyneseny v grafu na brázku 9. Zde je patrné klísání v řádu pkus Obrázek 10: Klísání zpždění příchdu prvních audi paketů 48 5

7 t [s] 2010/ Pslední fáze měření se týkala zpracvání a přensu videa. Zde se již jednal zpžděná řádvě v jedntkách sekund. Čas příchdu prvníh paketu nesucíh vide data k terminálu p inicializaci byl v příkladu na brázku 8 změřen na 6 sekund. Klísání zpždění příchdu vide paketů znázrňuje brázek 11. Průměrné zpždění zde dsahuje 6,036 s. Tt zpždění je dán výpčetním výknem a funkcí jedntky MCU splečně s MVP. Průměrná dba začínající vyslání zprávy INVITE a knčící příjmem audi/visuálních dat je dána sučtem zpždění inicializace, zpždění příchdu audi paketů a zpždění příchdu vide paketů. Dle příkladu na brázku 8 je tt zpždění 6,613 s pkus Obrázek 11: Klísání zpždění příchdu prvních vide paketů 5 Závěr Článek ppisuje mžnsti vývje videknferenčních aplikací na platfrmě RADVISION. Jsu zde pdrbně rzebrány základní sučásti videknferenčníh systému a vývjvéh prstředí. Základní vývj byl zaměřen na videknferenční aplikaci schpnu zpracvat maximálně 8 účastníků v jedné knferenci. Pr jedndušší správu byl vytvřen webvé rzhranní, na kterém mhu uživatelé systému vytvářet nvé knference. Jak klient pr testvání aplikace byl zvlen VIP klient X-Lite. Není zde však vylučen pužití jiných sftwarvých VIP klientů pdprující audi i vide přens. Celá systém byl testván a t jak z hlediska funkčnsti, tak i z hlediska kvality služeb. Hlavním měřitelným parametrem kvality služeb je zpždění při inicializaci spjení. Byly změřeny časy ptřebné k inicializaci hvru, příjmu audi paketů a k příjmu vide paketů celkem pr 100 spjení. Jedntlivá měření jsu přehledně ppsaná v grafech se slvním kmentářem. pkrčilých multimediálních služeb a FRVŠ 1212/ F1a - Videknference a videknferenční aplikace. Citvaná literatura [1] ITU-T., "H.323 v7 (12/2009)." [Online] [Citace: ] [2] ROSENBERG, J., "RFC SIP: Sessin Initiatin Prtcl." [Online] [Citace: ] [3] JOHNSTON, A. B., SIP: Understanding the Sessin Initiatin Prtcl (Artech Huse Telecmmunicatins) (Hardcver). New Yrk : Artech Huse Publishers, 3 editin, [4] LIFESIZE., LifeSize. [Online] [Citace: ] [5] POLYCOM., Plycm. [Online] [Citace: ] [6] RADVISION., Radvisin. [Online] [Citace: ] [7] TANDBERG., Tandberg. [Online] [Citace: ] [8] SOURCEFORGE.NET., OpenH323. [Online] [Citace: ] [9] RADVISION., Interactive Vide Platfrm. [Online] [Citace: ] tive-vide-platfrm//. [10] RADVISION. SCOPIA 400/1000 MCU. [Online] [Citace: ] /SCOPIA MCU/. [11] RADVISION. Interactive Vide Platfrm. API Reference Guide. [pdf] Tel Aviv : RADVISION, [12] ORACLE., Java Servlet Technlgy. [Online] [Citace: ] [13] COUNTERPATH., X-Lite. [Online] [Citace: ] [14] JANDERA, P., Videknferenční aplikace. Brn : Vyské učení technické v Brně, str. 54. Pděkvání Článek vznikl na základě pdpry pskytnuté v rámci prjektů MŠMT ČR MSM Elektrnické kmunikační systémy a technlgie nvých generací (ELKOM), MPO FR-TI2/679 - Média-infrmační systém s pdpru 48 6