硕士学位论文-基于流媒体技术校园网视频点播服务器的设计与实现.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘要 多媒体交互是用户交流信息方式的必然进化。多媒体服务的应用领域非常广 泛， 其中 视频点 播 郎d e o o n d e m a n d , v b d ) 应用最为 广泛。 视频点 播技术是随 着计 算 机技术和网络通讯技术的发展，综合了计算机技术、通讯技术、电视技术而迅速新 兴的一门综合性技术。它利用了网络和视频技术的优势， 彻底改变了过去收看节目 的被动方式，实现了节目的按需收看和任意播放，是为用户提供实时、交互、按需 点播服务的系统。 视频服务器是视频服务系统功能实现和性能质量保证的核心， 因此也成为整个 视频服务系统研究的重点。视频服务不仅要求保证端到端的播放质量，同时也要考 察系统的整体性能。 整体性能常用最大并发用户数这一参数来评价。 为使这一指标 尽可能高， 需要从很多方面解决视频服务器设计的关键问题。 其关键问题主要集中 在以下几个方面:视频流编码压缩及传输技术、存储和i / o调度策略、视频流调度 技术、流量控制与差错控制等。 在分析这些关键问题的基础上， 将重点放在构建一个基本的流媒体视频服务器 问 题和节目 流调度问题上。通过研究实现流媒体传输的两个基本协议 r t p / r t c p , 构建一个基本的流媒体视频服务器; 另一个重点是研究了了 对视频服务整体性能有 着重大提升作用的视频流调度策略， 在应用多播技术的前提下， 通过各种现有解决 方案优劣的比 较，采用以补丁算法为基础的一种支持零延迟交互式操作的调度方 法，并实验证明了这种方法在用户延迟、带宽消耗等方面的优越性。 关键词:视频点播视频服务器 实时传输控制协议 流媒体流调度实时传输协议 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ab s t r a c t i n t e r a c t i n g b y m u l t i m e d i a i s c o n s e q u e n t i a l l y e v o l u t i o n o f p e o p l e i n t e r a c t i o n m a n n e r . a p p l i c a t i o n o f m u l t i m e d i a s e r v i c e i s v e r y b r o a d , a n d v i d e o - o n - d e m a n d o f w h i c h i s t h e m o s t f r e q u e n t l y u s e d o n e . v i d e o - o n - d e m a n d t e c h n o l o g y w a s d e v e l o p e d a l o n g w i t h d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r t e c h n o l o g y a n d n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n , w h i c h i s s y n t h e s i s o f c o m p u t e r、c o m m u n i c a t i o n a n d t e l e v i s i o n t e c h n o l o g y . i t t a k e s m o s t a d v a n t a g e o f n e t w o r k a n d v id e o t e c h n o l o g y , w h i c h t o t a l l y m o d i f i e s t h e p a s s i v e s t y l e o f r e c e i v e t v p r o g r a m a n d r e a l i z e s v i d e o r e c e i v e d o n d e m a n d a n d p l a y o n w i l l . v i d e o s e r v e r i s c o r e o f i m p l e m e n t f u n c t i o n o f v i d e o s e r v i c e s y s t e m a n d g u a r a n t e e o f p e r f o r m a n c e a n d q u a l i t y , s o i t b e c o m e s t h e c o r e o f w h o l e v i d e o s y s t e m . v i d e o s e r v e r r e q u i r e s n o t o n l y g u a r a n t e e i n g q u a l i t y o f e n d - t o - e n d s e r v i c e , a l s o t a k i n g i n t e g r a l s y s t e m p e r f o r m a n c e i n t o a c c o u n t . t h e i n t e g r a l p e r f o r m a n c e i s o f t e n e v a l u a t e d b y p a r a m e t e r m a x p a r a l l e l u s e r q u a n t it y . i n o r d e r t o m a x i m i z e t h e m p u q , m a n y k e y i s s u e s o f d e s i g n n e e d t o b e s e t t l e d . ma i n c o n t e n t o f t h i s p a p e r c o n t a i n s a n a l y z i n g c l e a r w h a t a r e t h e k e y i s s u e s o f d e s i g n v i d e o s e r v e r t o i m p r o v e s y s t e m p e r f o rma n c e , d e e p r e s e a r c h i n t o t h e s e k e y is s u e s a n d b r i n g i n g f o r w a r d n e w r e s o l v e o r d e v e l o p m e n t m e th o d . t h e k e y i s s u e s f o c u s o n f o l l o w i n g a s p e c t s : v i d e o c o d i n g a n d d e c o d i n g t e c h n o l o g y , s t o r a g e a n d i / o s c h e d u l i n g p o l i c y , v i d e o s t r e a m s c h e d u l i n g t e c h n o l o g y , fl o w c o n t r o l a n d e r r o r c o n t r o l . o n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e s e k e y i s s u e s , a u t h o r l a y a s t r o n g e m p h a s i s o n t h e s t u d y o f i n t r o d u c e s a b a s i c v i d e o s e r v e r a n d v i d e o s t r e a m s c h e d u l i n g p o l i c y . o n t h e b a s i s o f r e s e a r c h e s t h e t w o b a s i c p r o t o c o l s r t p / r t c p th a t f o r t h e tr a n s m i s s i o n o f s t r e a m i n g m e d i a , a u t h o r i n t r o d u c e s a b a s i c v i d e o s e r v e r , a u t h o r a l s o s t u d i e s t h e v i d e o s t r e a m s c h e d u l i n g p o l i c y , w h i c h c o n t ri b u t e s g r e a t l y t o s y s t e m i n t e g ra l p e r f o r m a n c e . b y s t u d i e s s e v e r a l s c h e d u li n g te c h n i q u e s a n d a n a l y z e s t h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s , t h e n a p p l y a n e w p a t c h i n g b as e d s c h e m e w h i c h c a n s u p p o rt z e r o d e l a y v c r r e p l a y . 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 s i m u l a ti o n v e r i ti e s i ts p e r f o r m a n c e s w e l l i n u s e r d e l a y a n d b a n d w i d t h u s e . k e y wo r d s : v i d e o - o n - d e m a n d v i d e o s e r v e r s t r e a m me d i a s t r e a m s c h e d u l i n g r t p r t c p 独创性声明 本人声明 所呈 交的学 位论文是我个 人在导 师指导下 进行的 研究工作及取得的 研究 成果。 尽我 所知， 除文中己 经标明 引 用的内 容外， 本论 文不包含 任何其 他个 人 或集体已 经发表或撰写过的研究成果。 对本文的 研究做出 贡献的个人和集体， 均已 在文中以明 确方式标明。本人完全意识到， 本声明的 法律结果由 本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 农4 e 日 期 : 3 4 年广 月声 日 学位论文版权使用授权书 本学 位论文作者完 全了 解学 校 有关 保留、 使用学 位论 文的 规定， 即: 学 校 有 权 保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印 件和电 子版， 允许论文被查阅和借 阅。 本人授权华中 科技大学可以 将本学位论文的全部 或部分内 容编入有关数据库进 行检索，可以 采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 ( 请在以上方框内打 “ 矿“ ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 渝 ，碌 日 期 : 何年 、 月 声 日 * 4 919 “ , 1 4 a : 2 8 0s if y a r 0 日 s 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1 . 1视频点播技术简介 v o l ) ( v i d e o o n d e m a n d ) 是视频点播技术的 简称， 也称为交互式电 视点播系统， 意即根据用户的需要播放相应的视频节目， 从根本上改变了 用户过去被动式看电视 的不足。 放眼宽带网 络的应用， v o l ) 最贴近百姓生活， 不过它的技术难度也最大。 v o l ) 技术是计算机技术、网络通信技术、多媒体技术、电 视技术和数据压缩技术等多学 科、多领域融合交叉的产物。目 前， 根据不同的功能需求和应用场景， 主要有三种 v o l ) 系 统: n v o d , t v o d , i v o d i . n v o d ( n e a r v i d e o - o n - d e m a n d ):准点播系统，或称其为就近式点播系统。 这种点播系统的方式是:多个视频流依次间隔一定的时间启动发送同样的内容。比 如， 十二个视频流每隔十分钟启动一个发送同样的两小时的系统节目 。 如果用户想 看这个系统节目 可能需要等待， 但最长不会超过十分钟， 他们会选择距他们最近的 某个时间起点进行收看。 在这种方式下，一个视频流可能为许多用户共享。 其方式 是多个视频流依次间隔一定的时间启动，并发送同 样的内 容。 t v o d ( t r u e v i d e o - o n - d e m a n d ):真点播系统，它真正支持即点即放。当用 户提出请求时，视频服务器将会立即传送用户所要的视频内容。若有另一个用户提 出同样的需求， 视频服务器就会立即为他再启动另一个传输同样内 容的视频流。 不 过，一旦视频流开始播放，就要连续不断的播放下去，直到结束。这种方式下，每 个视频流转为某个用户服务。 i v o d ( i n t e r a c t i v e v i d e o - o n - d e m a n d ):交互式点播系统。 它比前两种方式有 很大程度上的改进。 它不仅可以支持即点即放， 而且还可以让用户对视频流进行交 互式的控制。 这时， 用户就可以 象操作传统的录像机一样， 实现节目 的播放、 暂停、 倒回、快进和自 动搜索等。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 存取视频数据的方式是衡量系统性能优劣的 基础;基于此， 人们又将v o d系 统 划分为“ 文件 共享方式” 、“ 下载方式” 和“ 流式” 三 种- 以“ 文件共享方式” 为基础的 视频点播系统又称为最简单的视频点播系统， 这 种系统可以 不配备额外的应用软件， 也可设计专门的客户、服务器应用软件，以 方 便用户选择和点播节目。 这种系统属于非流式系统，与流式视频点播系统有本质的 区别， 因为用户在进行视频播放时， 实际上是通过操作系统的文件系统来直接访问 服务器上的共享视频文件的。由于它没有任何特殊的机制保证视频数据传输的实时 性，因此要求网络有足够的带宽、服务器磁盘有充分的1 / 0速率来保证视频数据传 输。同时，由 于这种点播系统以文件操作为基础，因而系统难以实现跨平台和扩大 网络规模的目 标;此外，由于要求服务器共享视频文件，增加了 节目 管理的难度、 降低了系统的安全性。 真正的视频服务要求通过服务器把视频数据发送给客户端。目 前， 有两个通用 的传输方案可供使用“ 下载” 和 “ 流”。“ 下载”的意思是: 通过网络传输整 个视频文件， 把数据存储到用户终端的存储设各中。由于在全部内容到达用户端以 前，不能播放视频节目，因此它也属于非流式系统。“ 下载” 机制能够较好地满足 一些低质量和时间短的视频片段点播应用， 但对于要求播放启动延迟短和视频质量 高的 应 用，“ 下载” 就不能 很 好地 工作。 例如， 传 送1 0 分 钟长、 要求1 .5 m b p s 网 络带宽的m p e g - 1 视频片段， 通过i o b a s e - t以 太网 连接， 启动延迟时间至少为1 .5 分钟，同时要求用户端大约有1 1 0 m b的空余存储空间。在播放更高质量或更长时 间的视频节目 时， 情况将变得更为严重。 系统采用“ 流式”技术后， 一旦用户端可利用的数据量足够大， 就自 动播放所 选择的节目。播放延时通常在几秒到2 0 秒之间，通过释放已 经播放的数据，数据 流可以重新利用空出的缓存空间，因而解决了 “ 下载” 机制带来的问题。 现有的多 种 视 频 传 输 系 统， 如m i c r o s o f t n e t s h o w , r e a l p l a y e r 都 使 用“ 流 式” 的 技 术 3 。系 统不仅支持将上百个高品质视频节目 传送给网络客户， 而且能够动态调整系统中众 多用户终端和多个服务器的工作状态，以克服网络拥挤和存储设备的1/ o瓶颈，以 保证客户端平滑的视频输出。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 .2 v o d系统特征及关键技术 1 ) 信息流向的不对称性 对于大多 数双向 通信系统来说， 信息通路两个方向 上的 信息流量是对称的， 系 统要为通信的 双方提供同等的通信能力;而 v o l ) 采用不对称的双向 传输网络将信 息提供者与用户连接起来， 用户信息通过窄带的上行信道传到信息中心， 而由 信息 中心到用户的下行信道则是具有视频音频传输能力的宽带信道。 这是一种非对称双 工形式的多媒体通信技术，与多媒体信息检索业务的 特点是一致的 4 1 2 )播信息内容和点播时间的集中性 对于v o l ) 系统的广大用户， 点播的信息内容往往集中在信息中的很小一部分， 同时用户点播信息的时间分布也是不均匀的，这正是造成信息流量突发的根本原 因。 3 )信息发送以 及重现的实时性与同步要求 v o d系统的信息发送以 及重现的实时性与同步要求都较其它信息检索系统高， 特别是对视频音频信息的点播必须保证视频媒体与音频媒体内部的自 同步以及媒 体间的同步，这对系统的延时及抖动特性均提出了较高要求。 v o l ) 系统具有三大关键技术，即多媒体数据压缩技术、多媒体网 络传输技术、 多媒体数据库技术5 1 1 )多媒体数据压缩技术 多媒体数据压缩技术是多媒体技术中最为关键的核心技术，其研究课题包括: 数据 压缩比 、 压缩 / 解压缩速 度以 及简捷快速的 压 缩算法 6 1 。 以 压 缩 / 解 压 缩后的 数据 是否与压缩前的原始数据完全一致作为标准，可将数据压缩方法划分为无损压缩 ( 可逆压缩) 和有损压缩 ( 不可逆压缩)两类。 数据压缩中 视频压缩占 有重要地位， 其标准主要由i t u 一和 i s o / i e c开发。 i t u - t发布的视频会议标准有 h .2 6 1 , h .2 6 2 , h .2 6 3 , h .2 6 3 + , h .2 6 3 + + , h .2 6 4 . i s o a e c公布的m p e g系列标准有mp e g - 1 , m p e g - 2 , m p e g - 4 和m p e g - 7 ， 并且 计划公布m p e g - 2 1 17 1 . 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 视频数据压缩编码可分为三类方法: 考虑图 像信源的 统计特性， 采用预测编码、 变换编码、 矢量量化编码、 神经网 络编码等，均以仙农信息论为基础; 采用基于方向滤波的图像编码、 基于图像轮廓一 纹理编码， 这利用人眼视觉特性， 充分考虑了 信息接受者的主 观特性; 采用分形编码、 基于 模型的编码， 这是考虑了图 像传递的景物特征， 它代表着 新一代的压缩编码方向， 是目 前最为活跃的研究领域。 j p e g , h .2 6 1 , h . 2 6 3 , m p e g - 1 , m p e g - 2主要采用了以 仙农信息论为基础的 第一代数据压缩编码技术， 其中mp e g标准在高压缩比的情况下， 仍能保证高质量 画面， 最适于视 频v o d的 存 储、 点 播和网 上传输8 1目 前m p e g己 成为工业 标准， 对于v o d的产生和发展有重要作用。这里需要强调的是mp e g - 4 标准，它是一种 面向对象、基于内容的压缩编码标准， 侧重于对多媒体信息内容的访问以及更加注 重多 媒体系统的 交互 性和灵 活 性 i . m p e g - 4可根据 应用的 不同 要求 现场配置 解码 器， 通过引 入a v对象 ( a u d i o ni s u a l o b j e c t s )， 使更多的交互操作成为可能， 这 为多媒体数据压缩提供了广阔的发展平台。 2 )多媒体网络传输技术 高速接入网和高速互联互通的传输网是v o d系统实现的有力保障. v o d中的 视频音频数据时间相关性很强，对网络的延迟特别敏感， 带宽和实时性要求尤为突 出。因此应保证在任意的网络交换能力下提供给用户可靠稳定的带宽及高传输速 率，具备合理动态分配网络带宽以 适应多媒体数据高速率和突发性传输的要求，以 保证实现高质量、平滑和动态视频的多媒体数据流传输。主要研究课题包括: i p 新技术 ( 下一代网际协议】 p v 6 , i p 传输新技术、 流媒体技术) 、 宽带接入网( h f c , d s l 、快速以太网、 无线接入、光纤接入)、机顶盒技术、媒体传输协议。 3 )多媒体数据库技术 多媒体数据量非常巨 大， 随着应用的扩展， 系统会积累大量的多媒体数据。 v o d 的数据库管理系统必须保证用户能迅速方便地找到所需的素材， 有效地完成对素材 的各种管理任务。因此在v o d系统的结构设计中必须采用优化策略，可以利用数 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 字图 书馆技术，使v o l ) 系统中的多媒体存储部分与 信息处理部分在逻辑上分开实 现，以改善系统性能。 1 .3国内外研究概况 视频点播起源于上世纪7 0 年代， 最初用于宾 馆、 饭店等娱乐场所的卡拉o k 点歌，当时点播要靠操作员操作控制中心的磁带机完成。 随着计算机和电信技术的 发展， v o l ) 在窄带i s d n和a t m都有了 应用， 但由 于当时网 络环境和技术水平所 限，用户要经过漫长的等待， 将点播的内 容全部下载到本地后，再播放。1 9 9 5 年， 世界上首次推出了互联网视频播放器， 使用流媒体技术改变了传统先下载再播放的 方式， 利用流的编码格式实时传送媒体数据， 用户只需在播放前下载一小段前缀内 容， 就可以开始播放， 后续内 容边下载边播放。 采用流媒体技术可以大量节省缓存 空间和内容下载时的等候时间。 v o l ) 综合采用计算机、 通信、电视等技术， 利用了 网络和视频技术的优势， 彻底改变了 过去收看节目的 被动方式， 实现了节目 的按需 收看和任意播放，集动态影视图像、 静态图片、声音、 文字等信息为一体，为用户 提供实时、 交互、 按需点 播服务的系统 i o j v o l ) 技术的出现， 在某种意义上讲是视频信息技术领域的一场革命， 其巨大的 潜在市场，使世界主要发达国家都投入了大量的资金，加速开发和完菩这一系统。 v o d巨大的发展潜力与广阔的应用前景确是十分诱人的。 在当今社会向高度信息化 迈进的时代，v o l ) 作为最形象、最直接、最合乎用户需求的信息服务手段之一，必 将在今后的信息高速公路上传送最多的信息， 对社会产生重大的影响， 给人们带来 巨大的经济效益。 对这一新兴的产业，我们应给予足够的关注和支持， 并推动这项 业务在中国的发展 i i 目 前， 视频点播系统还处于试验阶段。国内 外许多计算机公司和研究机构设计 和开发了各种服务器、 机顶盒等v o l ) / i t v关键设备， 进行了各种形式的交互服务 原型的研究，新设计和实验的原型中的信息存取方式可以 提供i n t e rn e t 中浏览器形 式的接口 和基于内容检索的点播接口， 使得对大规模视频信息的存取变得更容易和 更方便。 这些v o d/ i t v产品的推出和原型系统的实验使人们己经看到，在不久的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 将来视频点播/ 交互电 视系统将像电 话和电 视那样普遍应用， 通过信息的交互， 人 们将获得更方便、内容更丰富的服务。 我国目 前v o d建设还处在发展初期， 在我国 一些城市小范围内己 有实验性的 视 频点播系统，但大多数应用仍以 大型企业、教育机构、高档酒店、 大型写字楼、高 档生活小区等局域网内应用为主。 虽然， v o d的最初出现是为了更好的满足用户对自 主收看视频节目 的需求， 但 是随 着v o d技术的不断进步， 其广泛的应用对大众文化和商业运作模式都将产生强 烈的影响。 v o d不仅可以为终端用户提供多 样化的媒体信息流， 来扩大人们的 信 息渠道， 丰富人们的精神生活; 而且在远程教育、 医院、 宾馆、 飞机等场所的娱乐， 公司的职员培训、 远距离市场调查、 公司的广告业务等领域将逐渐充斥着v o d技术 的 全 新 应 用 ( 1 z ) 1 . 4本文的主要研究工作 目 前随着我国高等教育人才培养模式改革和开放教育试点的不断深化， 学生通 过计算机网络观看教师制作的多媒体课件自 主学习成为新的有效学习形式， 于是产 生了 建立并有效管理校园网 视频点播服务器的课题。 同时我国宽带网 络的发展， 为 视频点播服务器提供了客观条件。 从外国市场观察， v o d发展最成功的领域应该是 在局域网内进行教育和培训。在外国，比较高级的大学校园网和军队培训网都有 v o d 。 教育界已 经公认视频是极好的教育工具， 而v o d允许学生在任何时候以 他本 人的 学习能力 根 据他习 惯的 学习 速度在网 络上完成 他的 课程 1 3 。 校园网v o d不是 商业行为，学校之间还可以互相交换v o d课件，增加内容，吸引学生使用v o d课 件学习。 一位资深教授只能教三四十名学生， 但要是把他一学期的课都录下来， 通 过v o d课 件就能 让成千上 万的 学生得益 1 4 1 本课题研究的内容是基于流媒体技术的校园网视频点播服务器， 是根据湖北广 播电视大学校园网升级改造， 组建视频点播系统的工程实际提出的， 是该校网络建 设的重要组成部分。 全文共由六章组成。各章内容组织如下: 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 第一章: 绪论。 阐述了 视频点播的技术背景和发展现状， 分析了v o d关键技术， 对相关研究工作和文献进行了 综述，并归纳了本文所要研究的主要的内容。 第二章: 根据湖北广播电 视大学的校园网 络基础， 结合该校视频点 播的具体要 求， 通过对r t p / r t c p 协议的研究， 分析流媒体视频点播服务器的一般功能和结构， 构建一个基本的流媒体视频点播服务器的实现方案。 第三章: 本章主要分析了视频服务器实现中应注意解决媒体同步、 媒体数据发 送速度控制以及有关技术瓶颈的问题。 第四章: 视频流调度策略的 研究。 视频流调度策略是视频点播系统中 有效使用 存储资源和网络资源的关键技术。 该文研究了己有的多种流调度技术并分析了各种 调度方法的优劣， 在此基础上以补丁算法为基础应用了一种支持零延迟交互式操作 的调度方法，并实验证明了这种方法在用户延迟、带宽消耗等方面的优越性。 第五章: 根据有关条件， 提出了满足应用要求的视频点播解决方案， 在分析网 络规模后，利用通用p c组建了一台视频服务器，并对不同应用环境中的服务质量 动态监控的效果进行了比 较，为以 后的 进一步研究工作积累了数据和经验。 第六章:全文总结。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 究竟采用哪种流媒体技术， 用户可以 通过比较， 选择最适合自己实际的流媒体 技术。 2 .3流媒体视频服务器的基本功能和服务方式 2 .3 . 1流媒体视频服务器的主要功能 1 )响应客户的请求，把媒体数据传送给客户。流媒体视频点播服务器在流媒 体传送期间必须与客户的播放器保持双向通信 ( 这种通信是必需的，因为客户可能 随时暂停或快放一个文件) 。 2 )响应广播的同时能够及时处理新接收的实时广播数据，并将其编码。 3 ) 可提供其他额外功能，如: 数字权限管理 ( d r m) ，插播广告，分割或镜像 其他服务器的流，还有组播。 2 .3 .2流媒体视频服务器的服务方式 1 )单播。在客户端与媒体服务器之间建立一个单独的数据通道，从 1台服务 器送出的每个数据包只能传送给1 个客户机。 2 )组播。在以组播技术构建的网络上，允许路由器一次将数据包复制到多个 通道上。 3 )点播与广播。点播连接是客户端与服务器之间的主动的连接， 在点播连接 中， 用户通过选择内 容项目 来初始化客户端连接，用户可以开始、停止、 后退、快 进或暂 停流2 0 1 。 广播指的 是 用户被动 地接收流， 在广播过 程中， 数 据包的 单独 一 个 拷贝将发送给网络上的所有用户，客户端接收流，但不能控制流。 2 .4构建流媒体视频服务器 2 .4 . 1 r t p i r t c p 协议简介 实时 传 输协议r t p ( r e a l - t i m e t r a n s p o rt p r o t o c o l ) : 是 针对i n t e rn e t 上多 媒 体数 据流的 一 个传输协议， 由i e t f ( i n t e rn e t 工程 任务 组 ) 作为r f c 1 8 8 9 发 布。 r t p 被定 义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 r t p的典型应用建立在u d p上，但也可以在t c p 或a t m等其他协议之上工作。 r t p本身只保证实时数据的传输，并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机 制，也不提供流量控制或拥塞控制， 它依靠r t c p 提供这些服务2 1 实时 传 输控制协议r t c p ( r e a l - t i m e t r a n s p o rt c o n t r o l p r o t o c o l ) : 负责 管理 传输 质量在当前应用进程之间交换控制信息。 在r t p 会话期间， 各参与者周期性地传送 r t c p包，包中含有己 发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因 此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合使用，能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，故特别适合 传 送网 上的 实 时 数据 2 2 1 r t c p 主要有4 个功能: ( 1 )用反馈信息的方法来提供分配数据的传送质量，这种反馈可以 用来进行 流量的拥塞控制，也 可以 用来监视网络和用来诊断网络中的问 题; ( 2 )为 r t p源提供一个永久性的c n a me( 规范性名字)的传送层标志，因 为 在发 现冲突 或者程序更新重启时s s r c ( 同 步 源标识 ) 会变， 需 要一 个运作痕 迹， 在 一组相关的会话中接收方也要用c n a m e 来从一个指定的与会者得到相联系的数据 流 ( 如音频和视频) : ( 3 ) 根据与会者的数量来调整r t c p 包的发送率; ( 4 ) 传送会话控制信息， 如可在用户接口 显示与会者的标识， 这是可选功能。 2 . 4 . 2 r t p / r t c p工作过程 工作时， r t p协议从上层接收流媒体信息码流 ( 如h .2 6 3 ) ， 装配成r t p数据 包发送给下层，下层协议提供r t p 和r t c p的分流。如在u d p中， r t p 使用一个 偶数号端口，则相应的r t c p 使用其后的奇数号端口。r t p数据包没有长度限制， 它的 最大包长 只受下 层协议的限 制2 3 1 2 . 4 .3服务器的算法 服务 器软 件模型主要有两 种， 即 并发 服务 器和循环服务 器。 循环服务 器 ( i t e r a t i v e s e r v e r ) 是指 在一 个时 刻只处理一 个请求的 服务器。 并 发服务 器( c o n c u r r e n t s e r v e r ) 是 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 指在一个时 刻可以 处理多个请求的服务器。 事实上， 多数服务器没有用于同时处理 多个请求的 冗余设备，而是提供一种表面上的并 发性， 方法是依靠执行多个线程， 每个线程处理一个请求， 从客户的角度看， 服务器就像在并发地与多个客户通信18 1 由于流媒体服务时间的不定性和数据交互实时性的请求， 流媒体服务器一般采 用并 发 服务 器 算法12 4 1 。 本章设 计了 一 个基本的 流媒 体服务 器， 能 够同时 响 应多 个用 户的请求，把本地硬盘流媒体文件或实时数据流 ( h .2 6 3格式)发送给用户。 在应 用中， 把客户分为请求实时数据的实时客户和请求文件数据的文件客户两类。 主要 算法为: ( 1 )打开设备，分配资源。当设备准备好时， 创建一个r t p实时服务线程和 一个r t c p实时服务线程。 ( 2 )创建一个u d p 套接字并将其绑定到所提供服务的地址之上。 ( 3 )反复调用接收模块，接收来自 客户的r t c p 报告， 根据其类型做出响应。 对新实时客户的请求， 把客户地址添加到实时服务的客户列表中， 对新文件客户的 请求， 则创建一个新r t p文件服务线程和一个新r t c p 文件服务线程; 对已 经在服 务中的客户则根据r t c p报告的内容调整服务。 r t p 实时服务线程1 :初始化客户列表和rip首部。 r t p 实时 服务线程2 : 从设备读取媒体数据，把数据发送给实时服务列表中的 客户。 r t p 实时服务线程3 :更新r t p 首部和统计数据。 r t p 实时服务线程4 :计算延时，重复第二步。 r t c p 实时服务线程1 :初始化r t c p 首部。 r t c p 实时服务线程2 :发送发送方报告给实时服务列表中的客户。 r t c p 实时服务线程3 :计算延时，重复第二步。 r t p 文件服务线程1 :初始化r t p首部. r t p 文件服务线程2 . :从文件读取媒体数据， 把数据发送给客户. r t p 文件服务线程3 : 更新已发送数据的统计信息， 为生成发送方报告做准备。 r t p文件服务线程4 : 计算延时， 调整发送速度，正常情况下开始重复第二步. 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 r t c p 文 件 服务 线 程1 : 初 始 化r t c p 首部， 发 送一 个 源 描 述 ( s d e s ) 报 文 给 客 户。 r t c p文件服务线程 2 :根据已发送数据的统计信息生成发送方报告，发送给 客户。 r t c p 文件服务线程3 :计算延时，正常情况下开始重复第一步。 2 .5本章小结 流媒体技术的 在现代教育中应用日 益广泛， 本章首先根据湖北广播电 视大学的 校园网络基础，结合该校视频点播的具体要求，通过对r t p / r t c p 协议的 研究， 分 析流媒体视频点播服务器的一般功能和结构， 构建一个基本的流媒体视频点播服务 器的实现方案。 1 ) 分析了流媒体传输的基本特点、技术原理、传输方式、 传输格式;网络中 常各种多媒体信息的流媒体传输格式及流式技术的主要解决方案。 2 ) 分析了 流媒体系统组件及流媒体视频点播服务器的基本功能和服务方式。 3 )提出构建流媒体视频点播服务器。深入探讨了 支持流媒体实时传输的协议 及服务器的算法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 流媒体服务器实现中应注意的问题 校园网视频点播中的多媒体数据以实时数据流的 形式传输， 与 传统的文件数据 不同， 多媒体数据流一旦开始传输， 就必须以 稳定的速率传送到桌面电脑上，以保 证其平滑地回放， 视频、 音频数据流都不能有停滞和间断;网络拥堵、 c p u争用或 u 0瓶颈都可能导致传送的延迟，引起数据流传输阻塞。 流媒体视频点播服务器必须满足如下播放要求: 1 )音频、 视频数据流平滑、无停顿和抖动; 2 )综合各种文字、图片、声音、视频信息; 3 )查询方法简便、快捷; 具有快速的响应速度。 为此， 流媒体视频点播服务器实现中 应注意解决媒体同步、媒体数据发送速度 控制以 及有关技术瓶颈的问 题2 5 3 . 1流媒体的同步技术 3 .1 . 1流媒体的系统同步 系 统同 步 是底层同 步2 6 i 。 在网 络 通 信系统中， 要考虑不同 类型的 媒体数 据段 在 传输变换中的延迟、分组中的时间次序错位、丢失等情况，同步机制比较复杂，本 章只通过 分析其q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 来 讨论流媒体服务端的 服务质量。 在流媒 体应用系统中， 视频、 音频流只要满足一定的q o s( 如视频流平均3 3 m s 处理一帧， 音频可以采用 4 4 . 1 k h z 的采样频率) ，认为是可接受的，因此当系统负载较大时， 可在q o s 允许的范围内， 通过适当降 低某些任务的服务质量来保证系统中 所有任务 的服务质量。 在流媒体服务器端， 对于每条媒体流的q o s 控制， 可以用三个参数来描述: s , q , f ，在对s 个连续实例处理过程中，至少要成功完成 q个，而且连续失 败的数 据流个数不能超过f 个，q / s 为任务的最小成功率，f 为任务允许的最大连续失败 数目。 如果服务器调度导致某条流s 个连续实例中成功数少于q个， 或者失败的实 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 例连续出 现超过f个， 认为服务器没有能 满足该 媒体流的 服务质量。 服务的q o s 参 数是通过任务的最小成功率和允许的连续 失败数来描述。因此，在服务端应根据不 同媒体对象的需求特点， 分析其所需q o s , 决定传输策略，选择相应的交换方式，安 排不同的传输信道，保证在流数据在服务 端的 传 输 所需 的 服 务 质 量。 ( 如图3 - 1 所示 ) 3 . 1 .2流媒体的媒体间同步 包到达 播 放 网 络 延退 洲 缓存 生/了 产 包 包顺序号 时 间 图3 - 1 流媒体的q o s 网络的带宽是完成流媒体传输的物质基础， 在传输声音、图像、视频等多媒体 信息流时，即使这些媒体流予以压缩， 所需的带宽仍然比文字文件大， 但并不是有 足 够的 带宽 就 可以 完 全解决流媒体 传输问 题切。 一 般而言， 所需带宽的 多 少是 与应 用密切相关的， 从应用角度来看， 只要用户数不断增加、 信息服务量不断增加， 带 宽有多少都是不够的。同步是媒体流的基本控制方法。流媒体是时间属性的表现， 而h t t p协 议不能 提供时间 的 可靠 性， 因 此产生了r t s p ( r e a l - t i m e s tr e a m in g p r o t o c o l ) 协议。 r t s p是应用层协议，目 的是为流媒体实现多点传送和以点播方式单一传送提 供服务的协议。r t s p利用流技术把数据分成许多包，包的大小由客户端和服务端 的实际带宽决定，当客户端接收到足够的数据包时， 用户不需下载整个媒体文件就 可以开始播放流媒体。因为播放器在播放一个包的同时， 解压另一个包并下载第三 个包。 流媒体数据可以是输入的实况信息， 也可以是存储的视、 音频片段。 通过r t s p 协议， 服务器端可以跟踪流媒体传输的时间、地址和方式.r t s p增加了 对流媒体 的控制请求，能恢复来自 媒体服务器的流媒体。 媒体之间通信的同步有三种基本方法:时间戳法、同步标记法及多级复用法。 r t s p中 的同 步支持 采用了 时间 戮 法2 8 l 。 时间 戳法是 在每个 媒体的 数 据流单 元中 加 进统一的时间戳， 或时间码，具有相同时间戳的信息单元将同时予以表现。 在发送 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 时， 将各个媒体都按时间 顺序分成单元， 在同一个时间 轴上， 给每个单元都打上一 个时间戳， 处于同一时标的各个媒体单元具有相同的时间戳。 在各个媒体到达终端 后， 让具有相同时间戳的媒体单元同时进行表现， 这样就得到了 媒体之间同步的效 果。 时间戳法不需要附加同步信道， 有绝对时间戳法和相对时间戳法两种， 相对时间戮 同步技术更为灵活。所谓相对时间戳， 是指在多种媒体中 选取一种为主媒体， 而其 它媒体则定为从属媒体， 在主媒体的各个单元上打上时间戳，而依照与主媒体的单 元在同一时间上的表现， 在从属媒体相对应的单元上打上相同的时间戳， 从属媒体 各单元上的时间戳是相对于主媒体单元的时间戳而言的。例如，在图3 - 2 中 图 3 - 2 时间戳示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 可以 选择视频为主媒体， 音频段1 与视频段1 的时间戳是相同的，音频段2 、音频 段3 与视频段2 的时间戳是相同的， 经过分组交换， 使到达客户端的具有相同时间 戳的媒体单元同时进行表现，这样就很好地实现了不同 媒体之间的同步。 3 . 1 )流媒体的用户层同步 用户层同步或交互同步，是最上层的同步，要求能反映和满足用户的交互性， 容易为用户理解接受。 用户层同步是交互性参与的同步， 用户可以 控制和使用信息， 如反复调用感兴趣的内 容、 快速掠过不感兴趣的部分2 9 。 例如， 用户在借助流媒体 学习外语的过程中，可以反复收听难以理解的听力内容。 虽然r t s p 协议支持类似录像机的功能:播放、快进、暂停、停止， 但流媒体 的交互性同步能力主要体现在数据流编码过程中对交互性能的考虑。 3 .2媒体数据发送速度的控制 目 前，制约视频点播应用发展的核心问题是服务质量。简言之，由于因特网不 太可靠， 其带宽、 负荷等变化剧烈， 难以 满足视频点播的实时 服务质量要求， 流媒 体的视频和音频播放质量通常较差，常常出 现画面模糊、马赛克、播放断续停顿等 现象， 影响客户的观看效果， 也阻 碍了 视频点播技术的推广。 所以 解决好流媒体宽 带应用的服务质量问题对于流媒体宽带应用是极为重要的. 由于丢包率和延时的需求在一定条件下可转化为带宽需求以及流媒体码率和 网络带宽变化范围很广等原因， 因 特网可提供的网络带宽和流媒体要求的码率之间 的不匹配是q o s 矛盾的中心， 所以 利用视频服务器的视频质量控制和发送速率控制 来解决带宽与视频流码率的不匹配问题，以求在不同的网络环境下利用终端的一些 控制策略 使得 用户享受到尽 可能 好的 服务 质量并尽量 减轻网 络的 负 担 3 0 流媒体的发送速率控制技术主要功能是大幅提高流媒体服务器的终端用户并 发数。 其主要作用是在网络