（无线电物理专业论文）河南油田视频点播系统的研究与实现.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 随着电信宽带网络建设的日益完善和宽带接入业务的迅速发展，用户对宽带应 用服务的需求越来越迫切。如何向这些宽带用户提供以基于多媒体流服务为主的 v o d 视频点播的宽带应用服务，来丰富用户网络休闲娱乐内容、促进宽带接入业务 的进一步发展，提高宽带业务的竞争力、增强对用户的吸引力，是各运营商在宽带 业务发展中面临的一个重大挑战。 最近几年，油田宽带网络建设的日益完善和宽带接入业务的迅速发展，用户对 视频点播需求增大，传统的网络结构和现有的网络出口己经不能满足点播的需要， 为推进数字化油田的发展和保证用户的正常点播，迫切需要开发一套可行的河南油 田视频点播系统。 本文通过对河南油田现有网络的点播数据流量、并发用户量、用户数量的分析， 建立了点播数据流量数学模型、并发用户量数学模型和用户数量数学模型，在数学 模型和趋势图的基础上，设计了本次视频点播系统应满足的并发量和应提供的系统 总带宽。通过对点播系统的服务器存储i 0 瓶颈分析，计算了存储的i 0 速度、网 络i o 接口速度、系统可提供节目的最小时长、系统的吞吐率，设计了用r a i d 5 磁 盘阵列来构建河南油田视频点播系统流媒体服务器的方案。并通过r e a l 和m e d i a 流媒体技术的比较，运用智能流等流媒体技术，设计出一套符合河南油田的视频点 播解决方案，该方案具有高扩展性、高安全性、高可靠性等性能，可以集中管理、 备份和容灾。并针对油田网络规模相对较小、内部的带宽资源相对宽松的网络特点， 通过对内容分发网络技术的优化，设计出了一套符合油田实际情况的c d n 解决方案。 通过对河南油田视频点播软件平台逻辑结构的分析，设计了平台软件系统，对平台 软件系统进行了模块划分，开发了后台管理数据库，同时设计并实现了视频点播后 台管理系统。 最后论文总结了河南油田视频点播系统的特点及优越性，展望了视频点播技术 的发展前景。 关键词：视频点播，流媒体，c d n ，智能流，数据库 项士学住论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i t ht h et e l e c o m m u n i c a t i o nb r o a d b a n dn e t w o r kp e r f e c t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e n t o ft h eb r o a d b a n da c c e s sb u s i n e s s ，t h eu s e ri sm o r ea n dm o r eu r g e n tt ot h eb r o a d b a n d a p p l i c a t i o ns e r v i c ed e m a n d h o wt op r o v i d em u l t i m e d i as t r e a mb a s e dv o ds e r v i c et o t h e s eb r o a d b a n du s e r sa n dh o wt oe n r i c hu s e r s n e t w o r kl e i s u r ee n t e r t a i n m e n tc o n t e n t ， p r o m o t et h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h eb r o a d b a n da c c e s sb u s i n e s s ，s t r e n g t h e na p p e a lt o u s e r ，i sag r e a tc h a l l e n g et h a te v e r yo p e r a t o rm u s tf a c ei nb r o a d b a n db u s i n e s s d e v e l o p m e n t r e c e n ty e a r s ，b r o a d b a n dn e t w o r k c o m p l e t i o n a n dr a p i dd e v e l o p m e n to ft h e b r o a d b a n da c c e s sb u s i n e s sd a yb yd a yo fo i l f i e l d ，u s e r si n c r e a s et ot h ed e m a n do fv i d e o o nd e m a n d ，t r a d i t i o n a ln e t w o r ks t r u c t u r ea n de x i s t i n gn e t w o r ke x p o r tc a l l tm e e tt h e r e q u e s t , i no r d e rt oa d v a n c et h ed e v e l o p m e n to fd i g i t i z e do i l f i e l da n dg u a r a n t e et h eu s e r s n o r m a ln e e d , i ti su r g e n tt od e v e l o pas e to ff e a s i b l eh e n a no i l f i e l dv i d e oo nd e m a n d i nt h i st h e s i s ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fv o dd a t af l o w , c o n c u r r e n tu s e r sa n dt o t a l u s e r so fh e n a no i l f i e l d ，w es e tu pt h em a t h e m a t i c sm o d e l so ft h ed a t af l o w , c o n c u r r e n t u s e r sa n dt o t a lu s e r s a n dt h e nb a s e do nt h e s em o d e l sa n dt r e n dc h a r tw ed e s i g nt h e c o n c u r r e n tf l o wa n dt o t a lb a n d w i d t hn e e d e dp r e s e n t l y t h r o u g ha n a l y s i so fs t o r a g e s y s t e mi ob o t t l e n e c ko ft h ev o ds e r v e r , s t o r a g ei os p e e d ，n e t w o r ki n t e r f a c es p e e d ， m i n i m u mt i m es p a no fv i d e op r o g r a m ，s y s t e mt h r o u g h p u ta r ec a l c u l a t e d ，as o l u t i o no f b u i l d i n gv o ds t r e a m i n gs e r v e ro fh e n a no i l f i e l dw i t hr a i d 5d i s ka r r a yi sd e s i g n e d b y c o m p a r i n gm e d i aw i t hr e a ls t r e a m i n gt e c h n o l o g y , as e to fs o l u t i o n so fv o dw h i c h a c c o r d sw i t ht h eh e n a no i l f i e l di s d e s i g n e du s i n gs u r e s t r e a m i n gt e c h n o l o g y t h i s s o l u t i o nh a ss u c hp e r f o r m a n c ea sh i 【g he x p a n d a b l e ，h i g hs e c u r i t y , h i g hr e l i a b l e ，c a nr e a l i z e c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t ，b a c k i n gu pa n dd i s a s t e r - t o l e r a n c e a c c o r d i n gt ot h er e l a t i v e l y s m a l ls c a l eo fh e n a no i l f i e l dn e t w o r ka n dt h er e p l e t i o no fn e t w o r kb a n d w i d t ho fh e n a n o i l f i e l d ，as e to fc d n s o l u t i o nw h i c ha c c o r d sw i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o n so fo i l f i e l di s p u tf o r w a r dt h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no ft h ec o n t e n td e l i v e r yn e t w o r kt e c h n o l o g y b y a n a l y z i n gt h el o g i cs t r u c t u r eo fv o ds o f t w a r ep l a t f o r m ，s o f t w a r ep l a t f o r ms y s t e mi s d e s i g n e d a l s ow ed i v i d et h em o d u l eo ft h es o f t w a r ep l a t f o r m ，d e v e l o pt h eb a c k g r o u d m a n a g e m e n td a t a b a s e ，d e s i g na n di m p l e m e n tt h eb a c k g o u n dm a n a g e m e n ts y s t e mo ft h e v o da tt h es a m et i m e a tt h ee n do ft h e s i sw es u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds u p e r i o r i t yo ft h eo i l f i e l d v o d s y s t e m ，a n dl o o kf o r w a r dt ot h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c to ft h ev o dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：v i d e oo nd e m a n d ，s t r e a m i n gm e d i a ，c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ， 项士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已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。本声明的法律结果由本人承担。 作者签 b 羝：枣| ：2l j i ，乡b 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。本人授权华中师范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。 作者 日期 导师签名：刎哿叩导师签名：例) 珂 日期：7 刀忤f 硼“日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童途塞堡变卮澄卮；旦兰生；旦二生；望三生筮查! 作者 日期 导师始劾府叩 日期：伽i ，年f 月，f 日 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第1 章概述 1 1 河南油田视频点播系统的开发背景 河南油田是一个特大型国有企业，地处河南省南阳市宛城区，包括魏岗、唐河、 南阳、双河区域。由于基地远离中心城市，为丰富职工的文化生活和推进数字化油 田的进程，从1 9 9 8 年开始，油田先后投资建成了河南油田a 8 0 1 0 拨号接入系统， 使油田职工上网成为时尚和可能；并在2 0 0 2 年建成河南油田a d s l 宽带接入系统， 使a d s l 覆盖到整个油区的9 0 以上；从2 0 0 3 年开始逐渐建成大庆区、黄山区、泰 山小区、五一区、中原区、北区、广场区、钻井、运输、炼厂、一中、园丁区、五 一村、地震区、地调区、嵩山区、唐河、南阳、江河矿、双北区、双南区、双新区、 双东区宽带小区2 3 个。 目前油田公众互联网上网用户为4 7 0 0 户，其中窄带拨号用户7 0 0 户，a d s l 用 户1 2 0 0 户，以太网用户2 8 0 0 户，而油田公众互联网的出口为2 0 0 m ，随着用户的不 断增多和用户对视频服务的需求，目前的2 0 0 m 带宽已不能满足油田公众互联网的 需求。 短时间的扩充网络出口带宽会带来运营成本的增加，而用户视频流在网络总带 宽的消耗中占到5 0 以上，况且用户的外出流量的增加，会增大网络出口设备的负 荷，所以如何将用户的视频流消化在出口设备以内，满足用户的正常点播成为了目 前要解决的主要问题。而国内许多视频点播的厂家的产品是以并发流的数量进行收 费的，通常，每用户流的价格在1 2 0 0 元人民币，这还不包括硬件设备，因而为满 足油田公众视频点播的需要，迫切需要自己开发一套可行的河南油田视频点播系 统。河南油田视频点播面临的问题是：对于几千宽带用户，他们分布于油田矿区的 各个地方，如何满足他们的点播，如何确保有限的点播资源得到合理的利用，并以 此吸引更多的上网用户。我们河南石油勘探局通信公司提出了开发一套覆盖油田公 众互联网的河南油田视频点播系统的科研项目，利用目前先进的网络、流媒体和数 据库技术，建设油田视频点播系统。本文就是在该项目的资助和前提下，开展了河 南油田视频点播系统的研究并予以实现。 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 视频点播的发展简史 1 9 8 6 年，南贝尔公司就开始了有关r o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 的实验。1 9 9 3 在 美国政府的资助下，大西洋贝尔( b e l la t l a n t i c ) 公司在电话线上进行了电视视 频拨号音的实验，并尝试将m p e g - 1 的压缩节目传送给2 0 0 0 个用户。同年，n y n e x 公司开始向曼哈顿的居民提供第一套实验性的视频点播系统。1 9 9 4 年1 2 月1 4 日， 在美国召开了t i m e rw a t n e r 全业务网( f u l ls e r v i c en e t w o r k ) 新闻发布会，后来 通常称这一天为视频点播系统的诞生日。从此，视频点播系统进入了蓬勃发展的时 期。 i b m 公司在1 9 9 5 年7 月宣布建立交互式电视应用开发实验室，并选m i c r o w a r e 公司的数字音频视频交互式解码系统( d i g i t a la u d i o - v i s u a l i n t e r a c t i v e d e c o d e r ，d a v i d ) 作为点播系统的标准和开发平台。近些年来，许多大计算机公司 都已经涉足视频点播系统这一领域。许多公司设计出自己的视频服务器并推向市 场。 早期进行v o d 试验时，由于许多技术还不成熟，所以侧重于对技术和设备的试 验，后期由于v o d 系统产品比较成熟，厂家也多了，所以侧重于对市场情况的调查。 目前，全世界已有十几个国家正在开发或者提供视频点播系统的实验和服务。 在亚洲地区，各个国家分二个阶段对v o d 进行试验，第一阶段从1 9 9 6 年2 月开始， 采用a t m 交换和a d s l 技术；第二阶段从1 9 9 6 年7 月开始，利用光纤和h f c 技术。 在亚洲，韩国已经推出了视频点播业务，通过电话线向家庭提供视频点播服务，计 划将这个系统的规模拓展到上千个家庭并进行商业化。日本n e c 等公司开发了大型 视频服务器，并在东京地区建设了大规模点播系统的实验平台。1 9 9 7 年，广东在全 省建设了综合业务宽带网络，并在其上开展点播系统业务。1 9 9 9 年初，四川成都开 始实验视频点播业务，这一实验无疑对今后视频点播系统的实现打下了良好的基 础。与此同时，各种小型点播系统也在中国飞速发展。基于小型服务器和局域网环 境的公司用培训点播系统、旅馆用娱乐点播系统、学校用教学点播系统都已经出现， 它标志着视频点播系统己经走进我们的生活。 1 3 视频点播系统简介 v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 是视频点播技术的简称，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 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 用，v o d 最贴近百姓生活，不过它的技术难度也最大。拿我们油田通信公司来说， 高速以太网有了，就会有数据传输，v o d 应用就是油田宽带网络上最热门的业务。 v o d 技术不仅可以应用在整个油田的宽带网络中，同时也可以应用在小区局域网。 如今在建设智能小区过程中，计算机网络布线己必不可少，小区用户可以通过电脑 实现v o d 视频点播应用。 - 目前，根据不同的功能需求和应用场景，主要有三种v o d 系统删：n v o d 、t v o d 、 i v o d 。n v o d ( n e a r - v i d e o - o n - d e m a n d ) ，可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，三十个视 频流每隔十分钟启动一个发送同样的两个半小时的电视节目。如果用户想看这个电 视节目可能需要等待，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。t v o d ( t r u e v i d e o o n - d e m a n d ) ，称其为真实点播系统，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，每个视频流专 为某个用户服务。i v o d ( i n t e r a c t i v ev i d e o - o n - d e m a n d ) ，称为交互式点播系统。 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，用户就可像操作传统的录像机一样，实现节 目的播放、暂停、快倒、快进等。 作为一个v o d 系统，无论其功能、用途多么复杂，主要都是由三部分构成的： 服务端系统、网络系统、客户端系统h ，。 服务端系统主要由视频服务器、媒体管理服务器、内部通讯子系统和网络接口 组成。媒体管理服务器主要承担用户信息管理、计费、影视材料的整理和安全保密 等任务。内部通讯子系统主要完成服务器间信息的传递、后台影视材料和数据的交 换。网络接口主要实现与外部网络的数据交换和提供用户访问的接口。视频服务器 主要由存储设备、高速缓存和控制管理单元组成，其目标是实现对媒体数据的压缩 和存储，以及按请求进行媒体信息的检索和传输。视频服务器与传统的数据服务器 有许多显著的不同，需要增加许多专用的软硬件功能设备，以支持该业务的特殊需 求。对于交互式的v o d 系统来说，服务端系统还需要实现对用户实时请求的处理、 访问许可控制、v c r ( v i d e oc a s s e t er e c o r d e r ) 功能( 如，快进、暂停、重绕等) 的 模拟。 网络系统包括主干网络和本地网络两部分。因为它负责视频信息流的实时传 3 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 输，所以是影响连续媒体网络服务系统性能极为关键的部分。同时，媒体服务系统 的网络部分投资巨大，故而在设计时不仅要考虑当前的媒体应用对高带宽的需求， 而且还要考虑将来发展的需要和向后的兼容性。当前，可用于建立这种服务系统的 网络物理介质主要是：同轴电缆、光纤和双绞线。而采用的网络技术主要是：快速以 太网、f d d i 和a t m 技术璐】。 客户端系统通常有两种实现方式。一种是由个人计算机及相应的播放件构成 ( 如r e a l p l a y e r ，m e d i a p l a y e r 等) ；另一种是由电视机加机顶盒构成圈。 1 4 油田视频点播系统建设的必要性和意义 随着电信宽带网络建设的日益完善和宽带接入业务的迅速发展，用户对宽带应 用服务的需求越来越迫切。如何向这些宽带用户提供以基于多媒体流服务为主的 v o d 视频点播的宽带应用服务，来丰富用户网络休闲娱乐内容、促进宽带接入业务 的进一步发展，提高宽带业务的竞争力、增强对用户的吸引力，是各运营商在宽带 业务发展中面临的一个重大挑战。 精彩的视频应用系统是宽带网络的一个标志，而一个运营级的流媒体视频系统 不仅能够提高现有用户的满意度、拉动潜在用户的接入、增强对用户的吸引力和忠 诚度，也是提高电信宽带的竞争力的重要手段。因此在这样的环境下，电信宽带运 营商率先推出运营级的v o d 视频点播服务，不但能达到以上提出的目标，而且能够 实现投入与回报的良性循环。 同理，对于河南油田通信公司这样的运营商来说，建设河南油田视频点播系统 是油田网络建设和发展的需要。通过骨干网络和统一平台，可以向油田广大上网用 户提供视频点播服务，有利于宽带市场的培育，促进了数字化油田的发展。 1 5 本文的主要研究内容 本文对视频点播做一介绍，并重点介绍了流媒体技术，并提出了运用流媒体和 网络技术来构建河南油田视频点播系统。本文主要研究内容可归纳如下： l 、通过对河南油田现有网络的点播数据流量、并发用户量、用户数量的分析， 建立了点播数据流量数学模型、并发用户量数学模型和用户数量数学模型，在数学 模型和趋势图的基础上，设计了本次视频点播系统应满足的并发量和应提供的系统 总带宽。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 、通过对点播系统的服务器存储i o 瓶颈分析，计算了存储的i o 速度、网 络i 0 接口速度、系统可提供节目的最小时长、系统的吞吐率，设计了用r a i d 5 磁 盘阵列来构建河南油田视频点播系统流媒体服务器的方案。并通过r e a l 和m e d i a 流媒体技术的比较，运用智能流等流媒体技术，设计出一套符合河南油田的视频点 播解决方案，该方案具有高扩展性、高安全性、高可靠性等性能，可以集中管理、 备份和容灾。 3 、针对油田网络规模相对较小、内部的带宽资源相对宽松的网络特点，通过 对内容分发网络技术的优化，设计出了一套符合油田实际情况的c d n 解决方案。 4 、通过对河南油田视频点播软件平台逻辑结构的分析，设计了平台软件系统， 对平台软件系统进行了模块划分，开发了后台管理数据库，同时设计并实现了视频 点播后台管理系统。 1 6 论文的组织结构 本文第l 章首先介绍了视频点播的发展，系统的开发背景，开发必要性，主要 研究内容和论文结构。第2 章介绍了流媒体技术，并针对河南油田视频点播中用到 的流媒体智能流技术、c d n 技术、流媒体播送技术进行了说明。第3 章针对河南油 田的网络建设的现状，建立了它们未来五年发展的数学模型和趋势图，设计了本次 视频点播系统的技术目标和方案。第4 章设计了后台管理系统和后台管理系统数据 库。第5 章介绍了点播系统平台的功能。第6 章的测试了视频点播系统，给出了测 试结果。第7 章是本论文所做工作的总结，并对视频点播技术的发展提出自己的看 法。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 流媒体的概述 第2 章流媒体技术 在探讨流媒体之前，我们不妨简要地回顾一下数字信息时代的数字化进程。众 所周知，语音的数字化造就了数字程控交换机和蜂窝移动数字电话技术的发展；音 频和视频的数字化又造就了计算机多媒体技术的发展；多种音视频流技术的演变又 使得传统消费类音视频产品的数字化。而承载这种变化的便是语音流、音频流、视 频流这样的媒体流，处理这些媒体流就需要高性能数字媒体技术嘲。 高性能的数字媒体技术覆盖的是一个广阔的流媒体和基于媒体的新兴技术，它 包括了集成视频、语音、数据内容到许多新的和特色化的应用，并且重新构造数字 媒体内容提供的方式。数字媒体所面临的挑战包含实时的性能，更高的信道密度和 软件编程的灵活性，以适应同时出现的视频、语音、数据流传输的需要。典型的数 字媒体处理功能包括编码、解码媒体流，不同格式的码转换，不同速率的流转换， 以适应变化的系统级需求。另外还包括压缩、解压、加密、分组化和媒体流的传输 等处理功能。 所谓流媒体是指采用流式传输的方式在i n t e r n e t 播放的媒体格式，而流式传 输方式则是将整个多媒体文件经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包，由视频服务 器向用户计算机连续和实时的传送。 流媒体技术的开发创意是从传统的t c p i p 协议对通过网络传送信息的控制方 法中得到的。当我们通过t c p i p 协议下载文件时，服务器会按照一定的次序将文 件分成若干个独立的数据包，然后依次发送出去。而客户端的程序会将这些数据包 重新组装起来，最终形成和原来完全一样的完整的文件。这时候，我们就可以对这 个文件进行任何可能的操作了。流技术能够按照特定的顺序将文件发送出去，而播 放程序则可以边接收数据边播放他们。在网络上传输音视频( a v ) 等多媒体信 息，目前主要有下载和流式传输两种方案n 1 。采用下载方式，用户必须考虑两个因 素：对客户端的存储需求和播放启动延时。因为a v 文件一般都较大，所以需要的 存储容量也较大；同时由于网络带宽的限制，下载常常要花数分钟甚至数小时，所 以这种处理方法延迟也很大。 流是用于描述媒体文件的名词。流式传输表示声音、影像或动画等媒体由音视 6 项士学住论文 m a s t e r st h e s i s 频服务器向用户计算机的连续、实时传送。由于数据发送过程中几乎立即开始播放， 因此解决了下载时间问题。在采用流式传输的系统中，文件不是一次读取发送所有 的数据，而是首先在线路中发送音频或视频剪辑的第一部分。在第一部分开始播放 的同时，数据的其余部分源源不断地流出，及时达到目的地供播放用。为保证在阻 塞造成网络速度下降的情况下播放不会发生中断，播放器在开始播放前先采集一小 部分所谓缓冲的预备数据。如果数据流动速度保持足够快的话，播放是连续的。流 式传输不仅使启动延时成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。 流媒体其实是个技术名词，简单来说就是采用流技术，即把连续的影象和声音 信息经过压缩处理，在网络上实施多媒体文件的实时传输和播放。由于宽带已成为 网络架构的重点，流媒体的特点是如何运用可变带宽技术，使人们可以在灵活的带 宽环境下在线欣赏高品质音频和视频节目，及至进行实时可视通信阳1 。 流媒体实现的关键技术是用流式传输，把声音、影像或动画等信息由音视频服 务器向用户终端连续地实时传送。这种流式传输系统的多媒体文件经特定压缩方式 被解析成压缩包，由视频服务器向用户终端顺序或实时传送，用户只需经过几秒的 启动延时便可进行观看。在音频和视频等媒体文件在播放时，文件剩余部分将在后 台从服务器内继续下载。 流媒体的示意图如图2 1 所示： 流媒体服务器 囊面接收系茨囊面接收系统 图2 1 流媒体示意图 流媒体技术是使音频和视频形成稳定、连续的传输和回放的一系列技术、方法 和协议的总称。我们这里讲的流媒体是指在网络中基于时间的连续实时传输流式数 据，允许播放器立即开始表现数据，而不用等到所有数据下载完成再来播放，是相 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 对于传统的下载之后播放而言的。 综上所述，可以看出流媒体是指在i n t e r n e t i n t r a n e t 中使用流式传输技术 的连续时基媒体，如：音频、视频或多媒体文件。流媒体在播放前并不下载整个文 件，只将开始部分内容存入内存，流式媒体的数据流随时传送随时播放，只是在开 始时有一些延迟。流媒体并不拘泥于某种特定的媒体文件格式，它实现的关键技术 就是流式传输。 2 2 流媒体技术原理 2 2 1流式传输的实现途径与过程 l 、经过预处理的多媒体数据才适合流式传输，这是因为目前的网络带宽对多 媒体巨大的数据流量来说还显得远远不够。预处理主要包括两方面：一是降低质量； 二是采用先进高效的压缩算法嘲。 2 、流式传输需要缓存来弥补延迟和抖动。这是因为i n t e r n e t 是以包传输为基 础进行断续的异步传输。数据在传输中它们要被分解为许多包，由于网络是动态变 化的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不等。为此， 使用缓存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数 据能连续输出，而不会因网络暂时拥塞使播放出现停顿。 3 、流式传输的实现需要合适的传输协议。w w w 技术是以h t t p 协议为基础的， 而h t t p 又建立在t c p 协议基础之上。由于t c p 需要较多的开销，故不太适合传输 实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用h t t p t c p 来传输控制信息，而用 r t p u d p 来传输实时数据册1 。 流式传输的过程一般是这样的： ( 1 ) 、用户选择某一流媒体服务后，w e b 浏览器与w e b 服务器之间使用h t t p t c p 交 换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来。 ( 2 ) 、然后客户机上的w e b 浏览器启动a vp l a y e r 程序，使用h t t p 从w e b 服务器 检索相关参数对p l a y e r 程序初始化。 ( 3 ) 、a vp l a y e r 程序及a v 服务器运行实时流控制协议( r t s p ) ，以交换a v 传输 所需的控制信息。与c d 播放机所提供的功能相似，r t s p 提供了操纵播放、快进、 快倒、暂停及录制等命令的方法。 ( 4 ) 、a v 服务器使用r t p u d p 协议将a v 数据传输给a v 客户程序，一旦a v 数据 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 抵达客户端，a v 客户程序即可播放输出。 需要说明的是，在流式传输中，使用r t p u d p 和r t s p t c p 两种不同的通信协 议与a v 服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向到一个不同于运行a v p l a y e r 程序所在客户机的目的地址。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放 器，其基本原理如图2 2 所示。 图2 2 流式传输基本原理图 2 2 2 支持流媒体传输的网络协议 1 、实时传输协议r t p 与r t c p n 2 2 订 r t p ：实时传输协议( r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 一种用于i n t e r n e t 上 针对多媒体数据流的一种传输协议。 r t c p ：实时传输控制协议( r e a l - t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和r t p 一 起提供流量控制和拥塞控制服务。 r t p 是用于i n t e r n e t 上针对多媒体数据流的一种传输协议。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。r t p 通常 使用u d p 来传送数据，但r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议之上工作。当应用程 序开始一个r t p 会话时将使用两个端口：一个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不 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。通常r t p 算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作 为应用程序代码的一部分。 实时传输控制协议r t c p 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务。在r t p 会 话期间，各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含有已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，它们能以有效的反馈和最小 的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。 9 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 、实时流协议r t s p n 屯2 l 】 r t s p ：实时流协议( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 定义了一对多的应用程序 如何有效地通过i p 网络传送多媒体数据。 实时流协议r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 是由r e a l n e t w o r k s 和 n e t s c a p e 共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过i p 网络传送 多媒体数据。r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用t c p 或r t p 完成数 据传输。h t t p 与r t s p 相比，h t t p 传送h t m l ，而r t s p 传送的是多媒体数据。h t t p 请求由客户机发出，服务器作出响应；使用r t s p 时，客户机和服务器都可以发出 请求，即r t s p 可以是双向的。 3 、资源预订协议r s v p 协议“啪n r s v p ：资源预订协议( r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c 0 1 ) 正在开发的i n t e r n e t 上 的资源预订协议。 由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网络中传输高质 量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需其他更多的条件。使用r s v p 预留一 部分网络资源( 即带宽) ，能在一定程度上为流媒体的传输提供方便阳1 。 2 3 流媒体的特点 流媒体的主要特征是：网上实时传送、无须下载、文件压缩比高、不占用硬盘 资源。多媒体文件通常是体积庞大的，下载需要很长时间。而流媒体象它的名字一 样，如同水流在网络中穿梭，它可以边下载边播放，无须等待全部媒体文件下载完 毕，它的出现解决下载等待时间长的问题；同时对本地计算机硬盘资源的要求也大 大降低，通常只需缓冲几秒钟到几分钟音频和视频数据。流媒体可以一边进行音频 或视频数据的现场采集、压缩、编码和传送，一边进行实时的播放，这也使流媒体 特别适合于视频点播，远程教学等应用，但实时应用对服务器端硬件要求相对较高 些u 引。现在的流媒体都采用先进的压缩算法。这些压缩算法对人类生理和心理方面 进行了充分研究，更进一步去掉了视频和音频的冗余信息，这样就使流媒体文件变 的更小n 7 】。 2 4 智能流技术 由于用户基于i n t e r n e t 的网络连接速率是一种动态的、突发性的分布形态， l o 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 因此，在不同的连接速率下都能较好地适应传输与播放是需要解决的关键问题之 一，智能流技术是理想的解决方案n 引。 智能流技术的核心主要体现在两个方面：首先，确立一个编码框架，允许不同 速率的多个流同时编码，并把编码后的多个流合并到同一个文件中：第二，采用一 种复杂客户服务器机制探测带宽变化n 帕。在智能流技术环境下，智能流技术编码、 记录不同速率下的媒体数据，并保存在单一文件中；当客户端发出请求，它将其带 宽容量传给媒体服务器，媒体服务器根据客户带宽将智能流文件的相应部分传送给 客户，从而使客户可以得到最可能的优质传输。另外，智能流技术通常采用以关键 帧、音频流优先的原则进行流媒体的传输。 2 5c d n 技术 内容分发网络( c d n ：c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) 技术的研究与应用随着网络 用户爆炸式的增长而逐渐发展起来，它改变了现有i n t e r n e t 网络架构，c d n 技术对 流媒体的支持己经成为其发展的一个趋势翻，为缓解v o d 系统带宽瓶颈问题提供 了一种新途径啪1 。 内容分发网络技术起源于1 9 9 8 年，它是通过在现有的i n t e r n e t 中增加一层新 的网络架构，将网站的内容发布到最接近用户的网络边缘，使用户可以就近取得所 需的内容，提高用户访问网站的响应速度。从技术上全面解决由于网络带宽小、用 户访问量大、网点分布不均等问题，提高用户访问网站的响应速度。其核心思想是 在各接近用户的业务提供点设立若干内容的分支节点，通过集中管理的方式将内容 缓存到各分支节点，实现本地化的内容访问，并在各分支节点实施流量负载均衡1 ， 从局部对网络流量进行调度，使服务提供商有能力为用户提供快捷、可靠的网络访 问，并可利用内容网络的分发和管理软件加强对内容的控制和管理能力。 在c d n 技术出现的最初阶段，服务内容仅局限于静态内容，但随着i n t e r n e t 的发展，传统静态内容的c d n 服务己经远远不能满足用户和市场的需求。首先，对 流媒体技术的支持己经成为c d n 网络发展的一个趋势。随着流媒体应用的普及，人 们发现传统的集中式服务的方式已经完全不适应大规模的流媒体应用，无论是对服 务器还是网络带宽的压力都将导致内容提供商无法为大量用户提供高质量的流媒 体服务汹一。而c d n 网络通过将用户访问有效地分布到各地分节点上，实现就近访 问，既可以解决带宽的瓶颈又能给用户提供可靠的服务。因此c d n 网络的逐步发展 将实现应用分布，并彻底改变现有i n t e r n e t 网络的架构。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 6 流媒体的播送技术 1 、单播 单播是指在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的数据通道，从一台服 务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机。每个用户必须分别对媒体服务器发 送单独的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的数据包拷贝。这种巨大 冗余首先造成服务器沉重的负担，响应需要很长时间，甚至停止播放；管理人员也 被迫购买硬件和带宽来保证一定的服务质量。 2 、 组播泌捌 i p 组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制到多 个通道上。采用组播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续数据流 而无延时。媒体服务器只需要发送一个信息包，而不是多个；所有发出请求的客户 只需连结到这个数据流而不是连结到视频服务器，从而降低带宽的使用。网络利用 效率大大提高，成本大为下降。 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。点播 连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自连接服务器，却会迅 速用完网络带宽。 广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制流。 例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中数据包的单独一个拷贝将发送 给网络上的所有用户，而不管用户是否需要。 使用单播发送和广播方式发送的方式会非常浪费网络带宽，组播吸收了上述两 种发送方式的长处，克服了上述两种发送方式的弱点，组播不会复制数据包的多个 拷贝传输到网络上，也不会将数据包发送给不需要它的那些客户，保证了网络上多 媒体应用占用网络的最小带宽洲。 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第3 章河南油田视频点播系统的设计 3 1宽带视频点播系统的需求分析 如何利用现有条件，采用合适的视频服务器，最能够满足视频点播要求和高效 快速的网络环境，来建立符合实际需求、经济实用的宽带视频点播系统，是当前要 解决的主要问题。在建造一个理想的宽带视频点播系统时，必须从网络环境、传输 方式和资源控制技术等方面入手，充分利用带宽资源，尽量满足更多用户的点播需 求。 3 1 1宽带视频点播系统的交互模型 实际应用中，更多的b s 构架都是一种三层模型，包括浏览器、w e b 服务器、 应用服务器三层。浏览器使用h