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流媒体监测系统的完善与性能优化 摘要 随着互联网的普及，利用网络传输声音与视频信号的需求也越来越大。 广播电视等媒体上网后，也都希望通过互联网来发布自己的音视频节目。 但是，音视频在存贮时文件的体积一般都十分庞大。在网络带宽还很有限 的情况下，花费大量时间等待一个音视频文件的传输，这样的应用难以令 人接受。流媒体技术的出现，在一定程度上使互联网传输音视频难的局面 得到改善。 流媒体简单来说就是应用流技术在网络上传输的多媒体文件，而流技术 就是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放上网站服务器，让用户一 边下载一边观看、收听，而不需要等整个压缩文件下载到自己机器后才可 以观看的网络传输技术。采用流媒体技术，就可实现流式传输，将声音、 影像或动画由服务器向用户计算机进行连续、不间断传送，用户不必等到 整个文件全部下载完毕，而只需经过几秒或十几秒的启动延时即可进行观 看。当声音视频等在用户的机器上播放时，文件的剩余部分还会从服务器 上继续下载。 近些年，由于流媒体业务的增多。对流媒体服务进行控制和管理变得重 要起来。为此，如何有效的对流媒体服务进行监测也成了流媒体发展过程 中必须解决的问题。由于流媒体本身的实时性和大流量特征，为此，流媒 体监测系统的设计和实现不同于普通的网络监测系统。 本文首先对流媒体相关知识进行了介绍；讲解了流媒体系统的构成和各 部分的功能；着重分析了流媒体系统中监测系统的设计和工作原理；讲解 了其中各模块的功能；对其中的关键设计进行了重点讲解；之后对其进行 了全面的测试；使用m a t l a b 对测试数据进行分析；根据分析出来的结果分 析原因并提出改进方法；最后重复对监测系统的测试，验证改进的有效性。 关键宇：流媒体监测系统多线程 i m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o no f s t r e a mm o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n t e m e ts p r e a d i n g t h en e e df o rt r a n s m i t t i n gm e d i ad a t ao n n e t w o r kg r o w sr a p i d l y f o rn o wl o t so fb r o a d c a s ta n dt vp r o g r a m sw a n tt o b o a r dt h e i rs e r v i c eo nt h en e t h o w e v e ra u d i oa n dv i d e od a t ai so fl a r g es i z ei n s t o r a g e u n d e rt h ec o n d i t i o no fb a n d w i d t hl i m i t , i t sh a r dt oa c c e p ts ol o n ga p e r i o dt od o w n l o a da l lt h em e d i ad a t af o rap r o g r a m a f t e rs t r e a m i n gt e c h n o l o g y a p p e a r i n g ，t h ep r o b l e mr e s o l v e dt os o m ee x t e n d f o rs h o r t s t r e a m i n gm e d i ai saw a yf o rm e d i at r a n s m i t t i n gc o m b i n ew i m s t r e a m i n gt e c h n o l o g y , w h i l es t r e a m i n gi st h ew a y f o ru s e rw a t c h i n ga sw e l la s d o w n l o a d i n gp r o g r a mf r o mt h em e d i as e r v e ra tt h es a m et i m e ，w h i c hd o e s n t h a v et h en e c e s s i t yt od o w n l o a dt h ec o m p l e t ep i e c e w i t hs t r e a m i n gw a y , i ti s a p p l i c a b l et ot r a n s m i ta l lk i n d so fm e d i at ot h ee n d - u s e rc o n t i n u o u s l y , a l lt h e y n e e dt od oi sw a i t i n gf o rs e v e r a ls e c o n d sb u f f e r i n g ，t h el e f td a t aw i l lk e e p so n t r a n s m i t t i n ga tb a c k g r o u n dw h i l eu s e r s w a t c h i n gf o r e g r o u n d t h e s ey e a r s ，s i n c et h es t r e a m i n ga p p l i c a t i o ng r o w s ，i tb e c o m e si m p o r t a n tf o r r e g u l a t i n ga n dm a n a g i n gs t r e a m i n gs e r v i c e a sar e s u l t ，w em u s tf a c et h e p r o b l e mt h a th o w t om o n i t o rs t r e a ms e r v i c ee f f e c t i v e l y t a k ei n t oa c c o u n tt h a t t h es t r e a m i n gs e r v i c e sd e m a n dr e a l t i m ea n db i gf l o wc a p a c i t yr e q u i r e m e n t ，s o t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o rt h es t r e a mm o n i t o r i n gs y s t e mi sd i f f e r e n t f r o mt r a d i t i o n a lo n e st h a to fn e t w o r kf l o w t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t r e a m i n gt e c h n o l o g y t h ef r a m e w o r ka n d e l e m e n to fs t r e a m i n gs y s t e m , t h e np a ym u c ha t t e n t i o no na n a l y z i n gs t r e a m m o n i t o r i n gs y s t e md e s i g na sw e l la so p e r a t i n gp r i n c i p l e ，a f t e rt h a t ，p a p e rm a k e s ad e t a i ld e s c r i p t i o no fe a c hp a r ti n s i d et h em o n i t o r f i n a l l y , i tm a k e sat h o r o u g h t e s to nt h es t r e a mm o n i t o r i n gs y s t e m ，a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l tu s i n gm a t l a b ， t h i sp a p e rr a i s ea ni m p r o v e m e n ta p p r o a c ha n d p r o v ei t se f f e c t i v e n e s si nt h ee n d k e yw o r d s ：s t r e a m i n gm e d i am o n i t o r i n gs y s t e m m u l t i t h r e a d e d 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究：作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守 此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 只期： 导师签名： 日期： 北京邮电大学硕 。学位论文第一章综述 1 1 课题背景介绍 第一章综述 课题的内容是流媒体监测系统的完善与性能优化。流媒体监测系统是流媒体系统的 重要组成部分，完成对流媒体系统工作状态的监测和信息统计。流媒体监测系统是以网 络报文为数据来源，通过对媒体报文数据的分析，将流媒体系统的工作状态和点播信息 实时的记录和表示出来。流媒体监测服务器不同于普通的网络监测工具，除了对网络层 和传输层的报文数量和类型进行统计以外，还需要进一步分析流媒体协议内容，从而统 计流媒体点播过程中的会话和流信息。另外，由于流媒体服务本身的实时性要求和大流 量特点，流媒体监测系统的设计和实现都具有自身的特点。通过使用性能监测系统，可 以更好的了解流媒体系统的工作状态，收集当前流媒体服务内容的信息，从而更好的对 流媒体服务进行管理和控制。 1 2 流媒体技术概述 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 技术是当静十分流行的多媒体技术，其基础就是多媒体通 信技术。流媒体一般是指通过p 网络传送媒体( 如视频、音频) 的技术总称。广义的涵义 是使音频和视频形成稳定而连续的传输流和回放流的一系列技术、方法和协议的总称。 狭义上讲，流媒体是相对于传统的“下载回放”方式而言的一种新的从i n t e r n e t 上获得音 频和视频等流媒体数据的方式，这种方式支持多媒体数据流的实时传输和实时播放。 由于流媒体传输具有大数据量和实时性的特点，而目前i n t e r n e t 存在的丢包、延 时和抖动问题都不能充分满足流媒体的传输要求，会影响图像的传输质量，所以需要改 进网络传输质量或克服i n t e r n e t 本身缺欠的技术。另外还需要数据存储技术、内容分 发技术等。 1 2 1 流媒体技术的应用 1 远程教育 电脑的普及、多媒体技术的发展以及互联网的迅速崛起，给远程教育带来了新的机 遇。世界各国都正大力开展包括网络教育在内的远程教育 北京邮电人学硕士学位论文 第一章综述 在远程教学过程中，最基本的要求是将信息从教师端传递到远程的学生端，需要传 递的信息可能是多元化的，这其中包括各种类型的数据：如视频、音频、文本、图片等。 将这些资料从一端传递到另一端是远程教学需要解决的问题，而如何将这些信息资料有 效的组合起来以达到更好的教学效果更是我们思考的重要方面。 由于当前网络带宽的限制，流式媒体无疑是最佳的选择，学生可以在家通过一台计 算机、一条电话线、一只m o d e m 就可以参加到远程教学当中来。对于教师来讲，也无 需做过多的准备，授课方法基本与传统授课方法相同，只不过面对的是摄像头和计算机 而已。 就目前来讲，能够在互联网上进行多媒体交互教学的技术多为流媒体，像r e a l s y s t e m 、f l a s h 、s h o c k w a v e 等技术就经常应用至0 网络教学中。远程教育是对传统教育模 式的一次革命。它能够集教学和管理于一体，突破了传统”面授”的局限，为学习者在空 间和时间上都提供了便利。 除去实时教学以外，使用流媒体中的v o d ( 视频点播) 技术，更可以达到因材施教、 交互式的教学目的。学生也可以通过网络共享自己的学习经验和成果。大型企业可以利 用基于流技术的远程教育系统作为对员工进行培训的手段，这里不仅可以利用视频和音 频，计算机屏幕的图形捕捉也可以被用流的方式传送给学员。现在微软公司自己内部就 大量使用了其自己的流技术产品作为其全球各分公司间员工培训和交流的手段。 随着网络及流媒体技术的发展，越来越多的远程教育网站开始采用流媒体作为主要 的网络教学方式。 2 宽带网视频点播 在前面的远程教育中曾经提到过v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 视频点播，视频点播 技术已经不是什么新鲜的概念了，最初的v o d 应用于卡拉o k 点播，当时的v o d 系统 是半自动的需要人工参与。随着计算机的发展，v o d 技术逐渐应用于局域网及有线电 视网中，此时的v o d 技术趋于完善，但有一个困难阻碍了v o d 技术的发展，那就是 音视频信息的庞大容量。 这样服务器端不仅需要大量的存储系统，同时还要负荷大量的数据传输，导致服务 器根本无法进行大规模的点播。同时由于局域网中的视频点播覆盖范围小，用户也无法 通过互联网等网络媒介收听或观看局域网内的节目。 此时流媒体技术出现了，在视频点播方面我们完全可以遗弃局域网而使用互联网， 由于流媒体经过了特殊的压缩编码，使得它很适合在互联网上传输。客户端采用浏览器 方式进行点播，基本无需维护。由于采用了先进的机群技术，可对大规模的并发点播请 求进行分布式处理，使其能适应大规模的点播环境。 随着宽带网和信息家电的发展，流媒体技术会越来越广泛的应用于视频点播系统， 也许有一天你也可以在自己的家中欣赏到与电视节目相当的流式视频节目。就当前而 2 北京邮电人学顾 ：学位论文 第一章综述 言，很多大型的新闻娱乐媒体都在i n t e m e t 上提供基于流技术的音视频节目，如国外的 c n n 、c b s 以及我国的中央电视台、北京电视台等，有人将这种i n t e r n e t 上的播放节目 称之为”w e b c a s t ”。 3 互联网直播 也许大家只听说过现场直播、卫星转播之类的名词，对于互联网直播( 或称为网络 直播) 的概念还并不太熟悉，随着互联网的普及网民越来越多，从互联网上直接收看体 育赛事、重大庆典、商贸展览成为很多网民的愿望。而很多厂商希望借助网上直播的形 式将自己的产品和活动传遍全世界，这也许是任何一种媒体都不能达到的。这一切都促 成了互联网直播的形成。但是网络带宽问题一直困扰着互联网直播的发展，不过随着宽 带网的不断普及和流媒体技术的不断改进，互联网直播已经从实验阶段走向了实用阶 段，并能够提供较满意的音、视频效果。 流媒体技术在互联网直播中充当着重要的角色，首先流媒体实现了在低带宽的环境 下提供高质量的影音。其次，像r e a l 公司的s u r e s t r e a m 这样的智能流技术可以保证不 同连接速率下的用户可以得到不同质量的影音效果。此外，流媒体的m u l t i c a s t ( 多址广 播) 技术可以大大减少服务器端的负荷，同时最大限度的节省了带宽。 无论从技术上还是从市场上考虑，现在互联网直播是流媒体众多应用中最成熟的一个。- 已经有很多公司提供网上直播服务。 4 视频会议 市场上的视频会议系统有很多，这些产品基本都支持t c p i p 网络协议，但采用流媒 体技术作为核心技术的系统并不占多数。视频会议技术上涉及到数据采集、数据压缩、 网络传输等多项技术i l | e 流媒体并不是视频会议必须的选择，但是流媒体技术的出现为视频会议的发展起了 很重要的作用。采用流媒体格式传数影音，使用者不必等待整个影片传送完毕，就可以 实时的连续不断的观看，这样不但改善观看前的等待问题，也可以达$ 1 j b p 时的效果。虽 然我们损失了一些画面质量，但就视频会议来讲，并不需要很高的音视频质量。 视频会议是流媒体的一个商业用途，通过流媒体我们还可以进行点对点的通信，最 常见的例子就是可视电话。只要我们有一台已经接入互联网的电脑和一个摄像头，就可 以与世界任何地点的人进行音视频的通信，是不是很便捷? 此外，大型企业可以利用基 于流技术的视频会议系统来组织跨地区的会议和讨论，从而节省大量的开支。一个实际 的例子是美国第二大证券交易商从1 9 9 8 年开始，采用s t a r l i g h tn e t w o r k 公司提供的流技 术方案，为其分布在全球5 0 0 多个城市和地区的分公司经纪人和投资咨询员实时提供到 桌面的财经新闻，使他们的客户获取更多的投资利润。 3 北京邮电人学硕上学位论文第一章综述 1 2 2 流媒体协议概述 流式传输的实现需要合适的传输协议。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 a j d p 来传输实时多媒体数据。现在，用于流媒体传输的相关协议仍处于发展过程中。目前， 可能会成为流媒体系统的主流协议有： ( 1 ) i n t e r n c t 网络和传输协议，即m 协议、t c p a j d p 协议； ( 2 ) 媒体投递和控制协议，即r t p 和r t c p ； ( 3 ) 媒体控制协议，即r t s p 和s i p , ( 4 ) 媒体描述和说明协议，即s d p 和s a p 等。 1 2 2 1 实时传输协议r t p 与r t c p r t p ( r e a l t i m e t r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 是用于i n t c m e t 上针对多媒体数据流的一种传输 协议1 2 1 。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 。r t c p ( r c m l - t i m e t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和r ap 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。 4 图1 - 1 流媒体协议 北京邮电大学硕上学位论文 第一章综述 1 2 2 2 实时流协议r t s p 实时流协议r t s p ”定义了一对多应用程序如何有效地通过m 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。 r 兀p 与r t s p 相比，h t t p 传送h t m l ，而r t p 传送的是多媒体数据。h 丌p 请求由 客机发出，服务器做出响应；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。 实时流协议( r t s p ) 是应用级协议，控制实时数据的发送。r t s p 提供了一个可扩 展框架，使实时数据，如音频与视频，的受控、点播成为可能。数据源包括现场数据与 存储在剪辑中数据。该协议目的在于控制多个数据发送连接，为选择发送通道，如u d p 、 组播u d p 与t c p ，提供途径，并为选择基于r t p 上发送机制提供方法。 1 r t s p 协议功能 实时流协议( r t s p ) 建立并控制一个或几个时间同步的连续流媒体。尽管连续媒体 流与控制流交叉是可能的，通常它本身并不发送连续流。换言之，r t s p 充当多媒体服 务器的网络远程控制。r t s p 连接没有绑定到传输层连接，如t c p 。在r t s p 连接期间， r t s p 用户可打开或关闭多个对服务器的可靠传输连接以发出r t s p 请求。此外，可使 用无连接传输协议，如u d p 。r t s p 流控制的流可能用到r t p ，但r t s p 操作并不依赖 用于携带连续媒体的传输机制。实时流协议在语法和操作上与h t t p i 1 类似，因此 h t r p 的扩展机制大都可加入r t s p 。协议支持的操作如下： 从媒体服务器上检索媒体： 用户可通过h t t p 或其它方法提交一个演示描述。如演示是组播，演示式就包含用 于连续媒体的的组播地址和端口。如演示仅通过单播发送给用户，用户为了安全应提供 目的地址。 媒体服务器邀请进入会议： 媒体服务器可被邀请参加正进行的会议，或回放媒体，或记录其中一部分，或全部。 这种模式在分布式教育应用上很有用，会议中几方可轮流按远程控制按钮。 将媒体加到现成讲座中： 如服务器告诉用户可获得附加媒体内容，对现场讲座显得尤其有用。如h t t p 1 1 中类似，r t s p 请求可由代理、通道与缓存处理。 2 r t s p 协议特点 r t s p 特性如下： 5 北京邮电大学硕l 学位论文第一章综述 可扩展性： 新方法和参数很容易加入r t s p 。 易解析： r t s p 可由标准h 1 r r p 或m i m e 解吸器解析。 安全： r t s p 使用网页安全机制。 独立于传输： r t s p 可使用不可靠数据报协议( u d p ) 、可靠数据报协议( r d p ) ，如要实现应用级 可靠，可使用可靠流协议。 多服务器支持： 每个流可放在不同服务器上，用户端自动同不同服务器建立几个并发控制连接，媒 体同步在传输层执行。 记录设备控制： 协议可控制记录和回放设备。 流控与会议开始分离： 仅要求会议初始化协议提供，或可用来创建唯一会议标识号。特殊情况下，s i p 或 h 3 2 3 可用来邀请服务器入会。 适合专业应用： 通过s m p t e 时标，r t s p 支持帧级精度，允许远程数字编辑 演示描述中立： 协议没强加特殊演示或元文件，可传送所用格式类型；然而，演示描述至少必须包 含一个r t s pu r i 。 代理与防火墙友好： 协议可由应用和传输层防火墙处理。防火墙需要理解s e j p 方法，为u d p 媒体流 打开一个p 缺e l ”。 h r r r p 友好： 此处，r t s p 明智的采用h r r p 观念，使现在结构都可重用。结构包括i n t e m e t 内容 选择平台( p i c s ) 。由于在大多数情况下控制连续媒体需要服务器状态，r t s p 不仅仅 向h t t p 添加方法。 适当的服务器控制： 如用户启动一个流，他必须也可以停止一个流。 传输协调： 实际处理连续媒体流前，用户可协调传输方法。 性能协调： 如基本特征无效，必须有一些清理机制让用户决定那种方法没生效。这允许用户提 6 北京邮电大学硕士学位论文第一章综述 出适合的用户界面。 3 r t s p 操作模式 每个演示和媒体流可用r t s pu r l 识别。演示组成的整个演示与媒体属性由演示描 述文件定义。使用h t t p 或其它途径用户可获得这个文件，它没有必要保存在媒体服务 器上。 为了说明，假设演示描述描述了多个演示，其中每个演示维持了一个公共时间轴。为简 化说明，且不失一般性，假定演示描述的确包含这样一个演示。演示可包含多个媒体流。 除媒体参数外，网络目标地址和端口也需要决定。下面区分几种操作模式： 单播： 以用户选择的端口号将媒体发送到r t s p 请求源。 组播，服务器选择地址： 媒体服务器选择组播地址和端口，这是现场直播或准点播常用的方式。 组播，用户选择地址： 如服务器加入正在进行的组播会议，组播地址、端口和密匙由会议描述给出。 4 盯s p 状态 r t s p 控制通过单独协议发送的流，与控制通道无关。例如，r t s p 控制可通过t c p 连接，而数据流通过u d p 。因此，即使媒体服务器没有收到请求，数据也会继续发送。 在连接生命期，单个媒体流可通过不同t c p 连接顺序发出请求来控制。所以，服务器 需要维持能联系流与r t s p 请求的连接状态。r t s p 中很多方法与状态无关，但下列方 法在定义服务器流资源的分配与应用上起着重要的作用t 3 1 s e t u p ： 让服务器给流分配资源，启动r t s p 连接。 p u 与r e c o r d ： 启动s e t u p 分配流的数据传输 p a u s e ： 临时停止流，丽不释放服务器资源。 t e a r d o 、n ： 释放流的资源，r t s p 连接停止 标识状态的r t s p 方法使用连接头段识别r t s p 连接，为响应s e t u p 请求，服务器 连接产生连接标识 7 北京邮电人学硕上学位论文第一章综述 5 r t s p 与其他协议关系 r t s p 在功能上与h r r p 有重叠，与h t t p 相互作用体现在与流内容的初始接触是 通过网页的。目前的协议规范目的在于允许在网页服务器与实现r t s p 媒体服务器之间 存在不同传递点。例如，演示描述可通过h 丁r p 和r t s p 检索，这降低了浏览器的往返 传递，也允许独立r t s p 服务器与用户不全依靠h t t p 。但是，r t s p 与h r r p 的本质 差别在于数据发送以不同协议进行。h 1 r r p 是不对称协议，用户发出请求，服务器作出 响应。r t s p 中，媒体用户和服务器都可发出请求，且其请求都是无状态的；在请求确 认后很长时间内，仍可设置参数，控制媒体流。重用h t r p 功能至少在两个方面有好处， 即安全和代理。要求非常接近，在缓存、代理和授权上采用h r r p 功能是有价值的。当 大多数实时媒体使用r t p 作为传输协议时，r t s p 没有绑定到r t p 。r t s p 假设存在演 示描述格式可表示包含几个媒体流的演示的静态与临时属性t 3 1 。 1 3 流媒体系统介绍 1 3 1 流媒体系统的组成 一般而言，流媒体系统大致包括几个组件：编码器( e n c o d e r ) ，用于压缩转档；服 务器( s e r v e r ) ，管理并传送大量多媒体内容；客户端( c l i e n t ) ，其中客户端播放器上有 解码器( d e c o d e r ) ，在用户端的p c 上呈现多媒体内容。 当一个网站提供流媒体服务，例如视频点播( v o d ，v i d e oo nd e m a n d ) 的服务时， 需要使用编码器将一般的多媒体数据进行高品质、适合网络上传输的编码压缩，再将转 好的媒体文件通过服务器发送出去。 一个流媒体系统包括音视频编码器，流媒体服务器和流媒体客户端等重要组成部分。 每一个部分的功能都由相关的流媒体应用程序实现。音视频编码器负责将原始音视频数 据进行编码压缩，并将压缩后的音视频码流保存在流媒体服务器上；流媒体服务器通过 专门的流媒体发布应用程序提供音视频的点播服务；流媒体客户端安装在用户端，用来 点播服务器上的媒体文件并提供实时的解码操作，最终使用户观看到网上的音视频内 容。 8 原婚彦糍r 1 饭鲔的杼额广。1 、，一 刮嚣篓粤剖翥嚣障酬谢 v l 缜码嚣r v 1 月r 务秘卜v 8 篇譬“广_ 卟 渲攥体 客户缒 图1 - 2 流媒体系统结构 在实际的应用中，除了上述几个组成部分以外，流媒体系统还包括媒体内容检索模 北京邮电大学硕上学位论文第一章综述 块、数字版权管理模块( d r m ) 、媒体存储模块等。这些组成部分都是服务于流媒体点 播服务的，并不改变流媒体系统的基本结构。 此外，为了更好的提供流媒体服务，我们需要了解流媒体系统的工作状态，流媒体 监测系统就是用来实时记录流媒体服务各项信息的模块，由于流媒体监测系统要对整个 流媒体服务过程进行监测，所以我们对流媒体监测系统的要求是统计结果的准确性和对 数据处理的高效性。 1 4 论文工作内容安排 按照课题的要求，论文工作的主要内容包括： 1 熟悉现有流媒体监测系统状况 了解流媒体技术以及流媒体系统的工作方式；了解流媒体协议规范，掌握流媒体实 时传输协议r t p 与r t c p 以及实时流协议r t s p 在流媒体服务过程中的作用；掌握流媒 体监测系统工作原理，搭建实验环境； 2 对现有流媒体监测系统进行分析，完成全面的测试 设计监测系统的测试方案，编写测试代码对现有监测系统功能进行测试和数据分析； 设计性能测试方案，编写测试工具对监测系统进行全面性能测试；对测试数据进行分析， 确定现有系统存在问题； 3 提出优化方案并验证其效果 一 根据原有系统所反映出来的问题提出有效的优化方案并加以实现；对改动后的监测 程序重复性能测试，将结果与有花前进行比对验证优化结果。 围绕上述工作内容，下面介绍一下论文结构的安排： 论文的第一章主要讲述了流媒体技术的背景和相关应用情况，并对流媒体协议r t p 以及r t s p 的技术规范进行了简明的描述：引入了流媒体系统的概念并介绍了其中各组 成部分的功能。 第二章重点讲解了流媒体监测系统的功能，依据流媒体服务本身的特点对监测系统 的性能要求进行了分析；之后论文重点讲解了现有监测系统的设计思路与主要功能模块 的工作流程；之后，文章详细讲解了对流媒体监测系统进行测试的内容以及具体的测试 方法。最后，通过对测试结果的分析，指出了现有监测系统存在的问题。 第三章结合测试结果所反映的问题，提出了有针对性的优化方案；之后具体讲解 了优化方案的实现办法，最后通过新的测试与原先系统的性能进行对比，验证优化的有 效性 第四章归纳了流媒体系统的特点，针对流媒体流量特征概括了现有监测系统的不 足；并对监测系统的优化方案以及结果进行了总结。 9 北京邮电人学硕1 ：学位论文第一章综述 通过对流媒体监测系统的学习和完善，从中全面深入地了解和掌握流媒体信令协 议和数据传输协议的机理与工作过程，明确性能监测目标并完成指标体系结构的设计； 通过对监测系统所能达到的性能进行全面测试以及定量分析现有系统的性能和工作状 况；提出合理的完善方案。 1 0 北京邮电大学硕上学位论文第二章流媒体监测系统分析 第二章流媒体监测系统分析 2 1 监测系统概述 性能监测系统是流媒体系统的重要组成部分，负责对媒体数据( r t p 数据包) 和各 类控制数据( r t s p 、r t c p ) 进行实时捕获与统计分析，并实时发布分析结果。该系统不 仅可以解析网络层和传输层协议，统计流量以及流速等常规性能指标；还可以解析应用 层协议( 如流媒体数据传输协议r 1 1 p 爪t c p 、流媒体信令协议r t s p s d p 等) ，对流媒体 系统现存会话的数量和状态进行统计分析。 现有的性能监测系统由三部分组成：分别是监测系统主程序，后台数据库以及网页 服务器。三个部分分别安装在独立的主机上 肛铲鼎钽 图2 - 1 流媒体监测系统 监测系统主程序负责捕获数据，分析报文，将统计分析结果提交给数据库；数据库 存贮原始数据，并对其进一步汇总加工，获得各类性能指标和工作状态指标；网页服务 器可使管理员通过浏览器进行对数据库的查询，了解网络状态和流媒体系统的工作状 态。 2 , 1 1 流媒体服务器工作流程 在提供点播服务前需要进行节目的准备工作，媒体文件在经过编码处理后保存在流 媒体服务器上，之后便可以将节目信息发布到网页上，至此用户就可以通过发布的地址 点播此节目了 当用户通过客户端软件向流媒体服务器进行视频点播请求时，协商内容通过r t s p 协议进行通信，首先是客户端向服务器发描述信息( d e s c i u b e ) ，其中携带了所点播 节目的地址信息1 5 1 d e s c r i b er t s p ：x x x x x x x x x x x x $ a m p i c _ m p 4o 。_ i o o k b i t r t s p i 北京邮电人学硕上学位论文第二章流媒体监测系统分析 1 2 在服务器接受到描述信息后，向对应客户端发送带有点播具体参数的会话描述信息 ( s d p 报文) ，参数内容包括媒体节目的帧率，编码方式以及传输信道等信息： r t s p i 02 0 0o k s e r v e r ：d s s 5 5 3 ( b u i l d 4 8 9 1 2 ；p l a f f o n n l i n u x ；r e l e a s e d a r w n ；) c s e q ：l l a s t m o d i f l e d ：f r i 2 0o e t2 0 0 60 6 ：5 5 ：5 lg m t c a c h e - c o n t r o l ：m u s t r e v a l i d a t e c o n t e n t - l e n g t h ：1 2 0 7 d a t e ：m o n , 2 3o c t2 0 0 60 6 ：3 5 ：2 2g m t e x p i r e s ：m o t h2 3o c t2 0 0 60 6 ：3 5 ：2 2g m t c o n t e n t - t y p e ：a p p l i c a t i o n s x - a c c e p t - r e t r a n s m i t ：o u r - r e t m n s m i t x - a c c e p t - d y n a m i c - r a t e ：l c o n t e n t - b a s e ：r t s p ：x x x x x x x x x x x x s a m p l e _ l o o k b i t m p 4 v - - o o = s t r e a m i n g s e r v e r3 3 7 0 5 7 4 1 2 1l1 6 1 3 2 7 3 5 1 0 0 0i ni p 4x x x x x x x x x x x x s = s a n a p l e _ 1 0 0 k b i t m p 4 u = h t t p ： e = a a m i n 萨i n 邛1 40 0 o o b = a s ：9 6 t = 0 0 a = e o n t r o i ：* a - - i s m a - c o m p l i a n c e ：1 ，1 0 ，1 a - - r a n g e ：n p 归o - 7 0 0 0 0 0 0 m - - v i d e o0 、q | 斟￥9 6 b = a s ：7 6 a = r t p m a p ：9 6m p 4 v - e s 9 0 0 0 0 a = e o n t r o l ：t r a c k l d = 3 a = c l i p r c c t ：0 ，0 ，2 4 2 ，1 9 2 a = f r a m e s i z e ：9 61 9 2 2 4 2 a = f i n t p ：9 6 北京邮电大学硕上学位论文 第一二章流媒体监测系统分析 漉媒体暇务器漉媒体客，、端 媒体 发镪 轱落引树甄中 节月l l 勺准蔷 存储 秩取恬i 地址 折诮求。蚱调j f l 媒体i 群体l d e s c 刚b e 甓球涟撵体服务器 i 连楗块进打媒体描述i 控捌l 射浚影h 迸“描述 迥i q s d p 协i 卫发选l 媒体i s d p 姑j ；的描述情息l 描述l 分析s 呻协议 准鲁玛箍靛描i 嚣墨l s f n j p 糟字，、瑶的传翰机 捌a 訇娜务器。 诚用键体幅输嫫l 媒体l p l y 通知胤务器扦 块避 j 教剡发送l 控制l 鳓教j 墓数撤 r t p r t c p 撵体 教瓣待输 敷嚣接收与网箴 传输 r t c p 臀停数锅传输| 霪箸| p a u s e 要求暂停敷挥 毒输 零新，r 鳓教描传鞠i 荔篓l p l a y 彗求醺耩肝 始数挺传输 停i p 数撂传辅l 雠体 t e a r d o w n 蔓求停止蠹髹俦辅 剪释放琏接 l 控制 图2 - 2 流媒体点播过程 在得到此描述信息后，客户端设置好对应的参数，通过协商与服务器建立用于媒体 流传输的信道。至此客户端与服务器的连接过程完成，可以向服务器发出播放请求。 在服务器收到播放请求后即将携带媒体数据的r t p 报文发送给客户端，媒体数据分 为音频流和视频流两类，使用不同的信道通信，每条媒体流还分配了一个用于传送控制 信息的r t c p 信道，这样的话，一个标准的媒体点播使用5 个信道( 1 个r t s p 信道，2 个r t p 信道，2 个r t c p 信道) 。在流媒体播放的过程中，用户可以通过r t s p 向服务 器发送p a u s e 请求来暂停媒体数据的传输，但不拆除连接过程当客户端重新发送 p u 请求时可以继续播放。 媒体点播过程的结束同样是通过r t s p 协议完成，客户端向服务器发送t e a r d o w n 请求，在收到此请求后，服务器向客户端确认终止，并结束向客户端发送媒体数据1 3 1 2 1 2 流媒体报文特征 在点播过程中。进行流媒体协商的r t s p 以及携带的媒体传输控制信息的r t c p 是 双向的，丽使用r t p 携带的媒体数据是从服务器到客户端单向发送的。r t s p 通信过程 北京邮电人学硕上学位论文第一二章流媒体监测系统分析 过程中每一个状态请求都是请求应答模式的，在图2 2 中，客户端的每个状态请求 都需要得到服务器的回复来确保请求生效。由于信令信息的重要性，r t s p 使用t c p 携 带，也在传输层保证了可靠性。携带媒体数据的r t p 和控制信息的r t c p 没有严格的可 靠性要求，使用u d p 携带。 从报文内容上看，r t s p 报文负载内容是文本内容，协商信息使用字符串记录，在 监测程序分析过程中需要进行字符串的解析：r t p 负载携带的是媒体数据，需要统计的 信息只有媒体数据大小，r t c p 报文有固定的格式，传输的控制信息记录在特定的比特 位上，便于获取。 从报文数量上看，用于协商的r t s p 数量较少，仅在流媒体会话建立和结束以及更 改播放状态时才用到；而用于传送媒体数据的r t p 数量比较大；用于携带控制信息的 r t c p 数量介于r t s p 和r t p 之间，间隔性的出现在媒体数据传输的过程中。 2 1 3 监测数据来源 流媒体监测系统所监测的数据主要包括所有的媒体点播的信令数据和媒体数据，对 获取的数据的要求有： 1 实时性：实时获得服务器通信所用到的信令和媒体数据； 2 准确性：保证获得的数据与网络中的数据一致： 3 独立性：可以独立于流媒体系统其他设备捕获数据； 根据以上要求，现有的监测系统使用硬件实现获得流媒体系统中的报文数据的功能， 通过流媒体服务器端的镜像交换机实时获得流经流媒体服务器网络接口的报文数据。通 过对镜像交换机的配置，流媒体监测系统甚至可以获得整个流媒体系统中的所有数据， 图2 - 3 是现有监测系统在整个流媒体系统中的位置。 圈 厂丽 i 服务器l i i _ j 图2 - 3 监测系统在滴媒体系统中的位置 北京邮电大学硕上学位论文第一二章流媒体监测系统分析 流媒体系统中的所有报文都是通过交换机节点镜像获得。端口镜像是交换机所支持 的一项特殊功能，利用该功能可将流经某些端口的数据包不加任何修改地复制到一个特 定的端口上( 称该端口为镜像端口) 。由于流媒体系统中各功能实体都要通过交换机与 外部进行通信，所以所有信令数据和媒体数据都会流经交换机。因此，只要修改交换机 的配置文件，就可以在流媒体监测系统的网络接口上获得流媒体服务器的全部网络数 据。 2 2 流媒体监测系统的设计要求 流媒体系统可以同时支持多用户的点播请求，尤其是在提供在线直播或者新发布节 目的时候，流媒体系统需要经受多用户长时间的播放请求；再加上音视频内容数据量大 的特点，流媒体系统的呈现大流量的特征，考虑到流媒体系统自身的特点，性能监测系 统具备以下主要技术特点： 2 2 1 高速的报文截获能力和高效的报文分析能力 一般而言，流媒体系统内会同时存在多个会话，而每个会话又会包含多条媒体流( 如 音频流、视频流) ，所以监测系统必须能够在短时间内完