Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 4.8] СЕТЕВЫЕ УСЛУГИ 391

роткие кодовые комбинации. Классические алгоритмы такого кодиро-

вания (например, коды Шеннона-Фэно и Хаффмана) и их математиче-

ское обоснование изучаются в курсах теоретической информатики.

Сжатие с потерями требует глубокого проникновения в те области

знаний, которые исследуют восприятие человеком соответствующих

сообщений, то есть в психофизиологию слуха и зрения. Задача состоит

в том, чтобы ценой незначительных потерь субъективно воспринимае-

мого качества звука или изображения добиться существенного сниже-

ния объема передаваемых данных. Например, фундаментальные теоре-

тические исследования в области психоакустики позволили установить,

что громкие звуки на некоторой частоте делают ухо на некоторое время

невосприимчивым к близко лежащим частотам, поэтому последние

можно без существенного ущерба для восприятия исключить из звуко-

вого сигнала. На этом принципе разработано много алгоритмов аудио-

сжатия, в частности немецкие специалисты из Фраунгоферовского ин-

ститута (Fraunhofer Institute for Integrated Circuits) предложили эффек-

тивный алгоритм Audio MPEG Layer 3, известный под сокращением

MP3. Он обеспечивает 10–12-кратное сжатие аудиоданных при хоро-

шем качестве звучания музыкальных программ. Формат MP3 произвел

Сжатие данных путем

эффективного

кодирования

Кодирование искусственных

объектов (без потерь)

Кодирование естественных

объектов (с потерями)

Фото ЗвукиТексты

MPEG-1

(1992)

MPEG-2

(1994)

PNGGIF

MPEG

audio

Layer 1

Layer 2

Layer 3

(MP3)

MPEG

video

MPEG-4

(1999)

JPEG

MIDI

Картины

HTML PDF

VRML

Рисунки

Растровые изображения

Виртуальные

сцены

Музыка

Видео

Классификация методов сжатия

392 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

переворот в мире музыки, в этом формате продаются записи на ком-

пакт-дисках, транслируются радиопрограммы, кодируется звуковое со-

провождение к видеосюжетам.

Еще более сложные и изощренные алгоритмы сжатия изобретаются

для передачи изображений. Работы в этом направлении начались доста-

точно давно. В 1988 году две самые влиятельные международные орга-

низации по стандартизации: International Standard Organization (ISO) и

International Telecommunication Union (ITU), в составе которой работает

неоднократно упоминавшийся МККТТ, образовали объединенную ра-

бочую группу экспертов в области фотографии JPEG – Joint

Photographic Experts Group, которая разработала одноименный алгоритм

сжатия с потерями неподвижных реалистичных изображений, обеспе-

чивающий компрессию в 5–15 раз. В настоящее время этот формат яв-

ляется одним из наиболее популярных в интернете, в нем закодированы

многочисленные фотоархивы.

Метод MPEG Audio изобретен в Фраунгоферовском институте

(Fraunhofer Institute for Integrated Circuits – IIS). Основан на психоаку-

стическом принципе сжатия, использующем свойство маскирования

§ 4.8] СЕТЕВЫЕ УСЛУГИ 393

Специально для разработки методов сжатия движущихся изображе-

ний была создана рабочая группа MPEG – Motion Picture Expert Group,

результатом работы которой стали несколько форматов сжатых видео-

потоков. Эта группа использовала принципы JPEG в части представле-

ния одного неподвижного кадра и дополнила их множеством новых

идей, касающихся сжатия последовательности кадров. Скажем, зачем

каждый раз передавать изображение на заднем плане, если оно от кадра

к кадру остается неизменным, а действие происходит только на перед-

нем плане?

Формат MPEG-1 был разработан в 1992 году, он предназначался для

передачи изображений относительно невысокого качества, такого, как у

домашнего видеомагнитофона. Формат MPEG-2 предназначен для об-

работки видеоизображения, соизмеримого по качеству с профессио-

Сжатие по методу JPEG происходит за счет отбрасывания

мелких элементов изображения при дискретном косинусном

преобразовании (Discrete Cosinus Transformation – DCT)

каждого элементарного фрагмента размером 8 х 8 пикселов

394 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

нальным телевизионным. В настоящее время эту технологию использу-

ет цифровое телевидение; сигнал, сжатый в соответствии со стандартом

MPEG-2, транслируется через спутники.

Наиболее совершенным и универсальным является формат MPEG-4,

первая версия которого принята в 1999 году. Формат вобрал в себя все

лучшее, что было создано за последние 10 лет в области мультимедиа.

Он не только позволяет в сотни раз сжимать реальные видеопотоки, но,

по замыслу разработчиков, должен предоставлять разнообразные инст-

рументы и алгоритмы для работы с виртуальными объектами, сгенери-

рованными средствами компьютерной графики. Подобные объекты по-

зволяют значительно сократить объем передаваемых данных, так как

для их анимации бывает достаточно передать всего несколько парамет-

ров – все остальное будет сделано в декодере.

Например, среди синтетических объектов виртуальной реальности

выделены в отдельный класс анимированные человеческие лица и фи-

гуры. В MPEG-4 определены наборы управляющих параметров для за-

дания особенностей лица, его анимации и интерполяции. Лицо может

быть сгенерировано в декодере на базе имеющейся в нем обобщенной

модели, а затем индивидуализировано на основе конкретных измере-

ний, полученных, например, с помощью трехмерного сканера. Более

того, на построенную трехмерную модель можно «натянуть» фотогра-

фию конкретного человека, а затем заставить его произносить нужный

текст. Средства синтеза речи на базе текстов, предусмотренные в

MPEG-4, не только генерируют необходимые фонемы, но могут также

создавать поток данных для соответствующей анимации модели лица

говорящего. Таким образом можно построить виртуального диктора

или изображение удаленного абонента при разговоре в chat.

Форматы MPEG

Универсальный стандарт кодирования

подвижного изображения и звука

1999

–

MPEG-4

Цифровое телевидение профессиональ-

ного качества и битрейтом 3

–

15 Мбит/с

1994MPEG-2

Запись на компакт-диск с качеством VHS

и битрейтом до 1,2 Мбит/с

1992MPEG-1

Год

разработки

Формат

Универсальный стандарт кодирования

подвижного изображения и звука

199

…

MPEG-4

Цифровое телевидение профессиональ-

ного качества и битрейтом 3

1994MPEG-2

Запись на компакт-диск с качеством VHS

и битрейтом до 1,2 Мбит/с

1992MPEG-1

Назначение

Год

разработки

Формат

§ 4.8] СЕТЕВЫЕ УСЛУГИ 395

В части генерирования музыки стандарт MPEG-4 также предлагает

много нового по сравнению с сегодняшним MIDI: с помощью специ-

альных языков можно описать виртуальный оркестр, размещать инст-

рументы в пространстве, передвигать их во время исполнения произве-

дения и т.д.

В целом стандарт MPEG-4 является революционным, его детали

продолжают уточняться, а реализация в программных и аппаратных

кодеках различных производителей осуществлена лишь частично. Опе-

режая современный уровень техники, он определяет пути развития

мультимедиа на ближайшие годы.

К современным сетевым мультимедиа-услугам относятся:

• компьютерная телефония;

• потоковое радиовещание;

• видеоконференции;

• потоковое видео.

Компьютерная телефония (IP-телефония). Как мы знаем, для

передачи речи в принципе требуется пропускная способность 64 кбит/с,

однако, используя технологии сжатия, можно уменьшить битрейт до 8–

16 кбит/с. Эти цифры делают экономически целесообразным переда-

вать телефонные сообщения не по обычным междугородным и между-

народным телефонным каналам, а в потоке пакетов по IP-протоколу.

Таким образом,

если оборудовать свой компьютер микрофоном и

наушниками, можно пообщаться с аналогичным абонентом в другой

стране по цене, которую нужно заплатить за пользование каналом ин-

тернета без учета дальности абонента. Однако при этом весьма критич-

ным является время задержки пакетов, которое в обычных условиях

может оказаться недопустимо большим (более 0,1 с).

В таком простейшем варианте интернет-телефония как вид бизнеса

бесперспективна: вряд ли найдется много желающих звонить, сидя у

компьютера с микрофоном и наушниками; проще воспользоваться ме-

ждугородным телефоном. Коммерческая услуга предоставляется по

другой схеме. Вызывающий абонент с обычного телефона звонит в

центр IP-телефонии своего города, где находится оборудование, преоб-

разующее звуковой сигнал в поток пакетов, а также шлюз в магист-

ральную сеть, гарантирующую приемлемое время задержки пакетов

(например, ATM). Аналогичный центр устраивается на другом конце

магистрали, в городе назначения, где поток пакетов обратно преобразу-

396 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

ется в звуковой сигнал, отправляемый по телефонной сети общего

пользования вызываемому абоненту. С учетом всех затрат тарифы на

междугородные и международные звонки у провайдеров IP-телефонии

оказываются на 40–50% ниже, чем у традиционных операторов связи.

Интернет-радиовещание.

Близким родственником IP-телефонии

является интернет-радиовещание. Принцип действия его тот же самый:

звуковой сигнал у источника преобразуется в непрерывный поток би-

тов, который сжимается до приемлемого битрейта и передается сетевы-

ми транспортными средствами получателю, где он с помощью кодека и

звуковой карты снова превращается в звук.

Для радиовещательных

компаний открываетс

я уникальная возможность: не увеличивая мощ-

ности своих передатчиков, распространить сигнал по всему свету, а для

пользователей, имеющих выход в интернет, появляется возможность

выбрать любую из сотен и тысяч интернет-радиостанций, а не только

ту, которую можно поймать с помощью обычного радиоприемника.

Однако практическая реализация этой идеи наталкивается на ряд

трудностей. Дело в том, что скорость передачи данных, которая требу-

ется для качественного воспроизведения музыкальных программ, зна-

чительно больше, чем для телефонии. Как мы уже отмечали, высокая

верность воспроизведения, сравнимая с качеством компакт-диска, дос-

тижима при битрейте не менее 128 кбит/с, а для большинства абонен-

тов, подключенных к Сети через обычный модем, такая скорость не-

811+ код страны+ код города

+ номер телефона

Шлюз Шлюз

Internet

Городская

телефонная сеть

Городская

телефонная сеть

Томск

Москва

Технология междугородной интернет-телефонии VoIP (Voice over IP)

§ 4.8] СЕТЕВЫЕ УСЛУГИ 397

возможна. В связи с этим для сетевого вещания разработаны специаль-

ные протоколы прикладного уровня, которые позволяют автоматически

подстраивать битрейт под фактическую пропускную способность кана-

ла связи. То есть, установив на компьютере клиентскую программу се-

тевого вещания и подключившись к серверу сетевой радиостанции,

абонент в любом случае ее услышит, однако качество трансляции будет

на его совести.

Видеоконференции и потоковое видео

. Организация видеоконфе-

ренций между двумя абонентами в интернете в принципе не отличается

от компьютерной телефонии, только дополнительно к микрофону нуж-

но установить видеокамеру, а для кодирования и декодирования видео-

потока необходимо использовать соответствующие программные или

аппаратные видеокодеки.

Практическая организация видеоконференций упирается опять-таки

в пропускную способность канала передачи данных. Для передачи дви-

жущегося изображения, сравнимого по качеству с телевизионным, тре-

буется битрейт порядка 1000 кбит/с. В локальной сети такую скорость

обеспечить можно, а для междугородного интернета в современных

отечественных условиях это нереально. Под видеоконференцией обыч-

но понимают передачу картинки очень небольших размеров, в четверть

Клиент интернет-радиовещания в Windows Media Player

398 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

или девятую часть экрана, со скоростью съемки 5–10 кадров в секунду.

При этом, используя современные методы сжатия данных, можно уло-

житься в 64–128 кбит/с.

Развитием технологии видеоконференций является потоковое ви-

деовещание. Для обеспечения этого сервиса разработан ряд высоко-

уровневых протоколов, в частности протокол передачи в реальном вре-

мени RTP – Real-time Transport Protocol, который заменяет обычный

TCP и в отличие от него поддерживает многоадресное распространение

информации. Протоколы потокового видео позволяют адаптивно на-

страивать битрейт и дают возможность передавать изображение с са-

мым различным качеством – от «полуживых» картинок, меняющихся

раз в несколько секунд, до полноценных телевизионных программ, ко-

торые транслируются в Сеть видосерверами ведущих телевизионных

компаний. Более того, возможность установки видеосервера в любой

точке интернета породила особый вид сетевых ресурсов – любитель-

ское видеовещание. Для него не нужны дорогие телевизионные пере-

датчики и лицензии на работу в эфире. Интернет-трансляция картинки

невысокого качества возможна самыми простыми средствами, доста-

точно установить дома видеокамеру и компьютер с программным коде-

ком. Множество людей, движимых тщеславием, организовали по этой

схеме непрерывное вещание из своих домов, дворов и аквариумов, ин-

тернет переполнен подобными предложениями.

Президент США Джордж Буш проводит видеоконференцию

из резиденции в Кэмп-Дэвиде со своими советниками в Белом доме

после событий 11 сентября 2001 г.

§ 4.8] СЕТЕВЫЕ УСЛУГИ 399

Прием видеопотоков из интернета доступен пока очень немногим,

по крайней мере в России, по причине малой пропускной способности

«последней мили», однако прогресс в технике связи идет так быстро,

что через несколько лет он станет столь же привычным, как и вещание

через эфир.

Все рассмотренные высокоуровневые сетевые услуги отно-

сились к категории коммуникационных, обеспечивающих

передачу текстовых или мультимедийных сообщений от абонента к

абоненту. Именно коммуникационные услуги сделали компьютерные

сети на ранних этапах их развития привлекательными для миллионов

пользователей. Однако в дальнейшем все возрастающую роль стала иг-

рать более высокая форма информационного обслуживания – накопле-

ние и совместное использование информационных ресурсов. Элементы

этого сервиса содержались уже в группах новостей и FTP-архивах, од-

нако его истинное развитие началось в начале 90-х годов, когда в ин-

тернете почти одновременно появились две новых технологии – Gopher

и World Wide Web, основанные на совершенно различных принципах. В

этом разделе мы кратко рассмотрим историю и идеологию Gopher, а

развитию Web, учитывая ее вселенский характер,

целиком посвятим следующий параграф.

Слово gopher обозначает распространенного в

Северной Америке зверька гофера, родственного

сусликам; этот небольшой симпатичный грызун яв-

ляется геральдическим животным американского

штата Миннесота. Кроме того, оно по звучанию

совпадает с жаргонным словом gofer (сокращение от

go for), переводимым как «мальчик на побегушках»,

«порученец». Система Gopher была разработана в Университете штата

Миннесота в 1989–1991 годах Полом Линдером (Linder, Paul) и Марком

Мак-Кахилом (McCahill, Mark). Созданная сначала для нужд универси-

тетского кампуса, эта первая система навигации в интернете стала бы-

стро распространяться по другим университетам, к середине 90-х годов

в мире было более 2000 Gopher-серверов, в совокупности образующих

информационное Gopher-пространство (Gopher Space).

Главной идеей системы было представление всей информации в ви-

де иерархического дерева. Разработчики Gopher считали, что такая

форма очень понятна пользователям, так как они каждый день имеют

дело с иерархическими каталогами библиотек и иерархической струк-

Gopher

400 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

турой файловой системы. По сути, Gopher представляет собой распре-

деленную по Gopher Space файловую систему, корневой каталог кото-

рой (Mother Gopher) до сих пор находится в Университете Миннесоты.

Система создавалась в то время, когда о графических клиентах ин-

тернета не было и речи, а основным средством общения с пользовате-

лем были алфавитно-цифровые дисплеи. Загрузив клиент Gopher, поль-

зователь видел на экране главное меню в виде текста, содержащего

список рубрик верхнего уровня:

Internet Gopher Information Client v1.03

Root gopher server: gopher.micro.umn.edu

-> 1. . Information About Gopher/

2. Computer Information/

3. Discussion Groups/

4. Fun & Games/

5. Internet file server (ftp) sites/

6. Libraries/

7. . News/

8. . Other Gopher and Information Servers/

9. . Phone Books/

10. Search lots of places at the U of M <?>

11. . University of Minnesota Campus Information/

Press ? for Help, q to Quit, u to go up a menu

Page: 1/1

Interne t

Клиент

Go pher

Cервер

Go pher

Cервер

Gopher

Mother

Gopher

Gopher Space

Технология Gopher