（通信与信息系统专业论文）triple+play测试中基于ip网的vod模拟服务器的研究与实现.pdf

摘要 t r i p l ep l a y 测试中基于p 网的v o d 模拟服务器 的研究与实现 摘要 随着通信技术的不断进步和电信市场的持续扩张，电信业务的 发展趋向多元化和个性化。在竞争日益激烈的通信行业中，各电信 运营商都在积极尝试多种业务的融合，为用户提供丰富多彩的综合 信息服务。目前一种基于i p 网络并结合语音、视频和数据的t r i p l e p l a y ( - - - 重播放) 业务策略得到了较广泛的关注，它可为用户提供包括 电话会议、v o i p 、m t v 和v o d 在内的各种服务。然而在现有的承 载网络上传送这些复杂的业务给运营商的部署过程带来了许多技术 难题，t r i p l ep l a y 的运营也面临较大的考验，因此对t r i p l ep l a y 的 可靠性测试尤为重要。 目前t r i p l ep l a y 业务测试主要包括对网络流量、网络设备及运 行场景的测试。思博伦公司的t e s t c e n t e r t m 澳l j 试系统针对以上测试需 求，对各种实际服务器( 如w e b 服务器、f 1 甲服务器、t e l n e t 服务器 和流媒体服务器等) 进行仿真，来达到对业务模拟场景进行全面测试 的目的。而在整个t r i p l ep l a y 测试系统中，v o d ( 视频点播) 业务测 试及其模拟服务器是其中的重要组成部分。 因此，实现一个应用级的v o d 视频模拟服务器不仅可以满足 t r i p l ep l a y 测试中对视频业务的测试需求，而且具有快速部署测试设 备的优势。该v o d 模拟服务器允许测试用户同时发起多个流媒体点 播请求，对流媒体服务集作出评定，并且对采用q u i c k t i m e ，r e a l n e t w o r k s 或w i n d o w sm e d i a 的流媒体设备进行性能分析等。 本课题参照v o d 业务的系统结构，采用相应的视频传输协议和 编码标准，利用格式转换、数据封装、会话控制等技术，设计了v o d 系统中的音视频编码及业务测试模块，并整合这些模块实现了基于 口网的v o d 视频模拟服务器。该方案能根据测试用户需求，对文 件的视频部分进行h 2 6 1 h 2 6 3 m p e g - 4 编码、音频部分进行 g 7 1 l g 7 2 3 g 7 2 9 编码，从而解决客户端解码能力差异性的问题。 摘要 该方案与已有流媒体服务器相比，能够支持更多的编码格式、简化 网络硬件设备和系统结构、降低测试成本，从而实现了对v o d 服务 器的有效仿真，提高了t r i p l ep l a y 系统测试的可靠性，具有重要的 应用前景。 关键词：t r i p l ep l a y v o dr t ps d p 编解码封装 i i a b s t r a c t t h er e s e a r c h & r e a l i z a 口i o no fv o d s i m u l a t i o ns e r v e rb a s e do ni pn e t w o r ki n t h et e s to ft r i p l ep l a yo p e r a t i o n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c e s s a n tp r o g r e s so ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a n dt h ed u r a t i v ee x p a n s i o n ，t h ed e v e l o p m e n to ft h et c l c c o ms e r v i c e si s t e n d i n gt od i v e r s i f i c a t i o na n di n d i v i d u a t i o n i nt h ec o m m u n i c a t i o n i n d u s t r yw h i c hi sm o r ec o m p e t i t i v e ，e a c ht e l c c o mo p e r a t o ri st r y i n gt o c o m b i n em u l t i p l eo p e r a t i o n st os u p p l yv a r i o u si n t e r g r a t e di n f o r m a t i o n s e r v i c e st ou s e r s a tp r e s e n t ，t h et r i p l ep l a ys e r v i c eb a s e do ni pn e t w o r k , w h i c hc o m b i n e st h ev o i c e ，v i d e oa n dd a t as e r v i c e st o g e t h e r , h a sb e e ng o t m u c ha t t e n t i o n i tc a np r o v i d e1 6 n d so fs e r v i c e si n c l u d i n gt e l e p h o n e c o n f e r e n c e ，v o i p i p t va n dv o d t ou s e r s d e l i v e r i n gt h e s ec o m p l e x s e r v i c e so v e rc u r r e n tc o n v e r g e dn e t w o r kp r e s e n t san u m b e ro ft e c h n i c a l - c h a l l e n g e st ot h ed e p l o y i n gp r o c e s sb yo p e r a t o r s ，h o w e v e r t h eo p e r a t i o n o ft h et r i p l ep l a ys e r v i c ei sf a c e dw i t hal o to fd i 瓶c u l f i e s s oi t sm u c h i m p o r t a n tt or e l i a b l yt e s tt h et r i p l ep l a ys e r v i c e t h e t r i p l ep l a ys e r v i c et e s tm a i n l yi n c l u d e st e s t i n gt h en e t w o r k t r a f f i c ， n e t w o r kd e v i c e sa n do p e r a t i o ns c e n a r i o s s p i r e n tt e s t c e n t e r t m ( ap r o d u c t o fs p i r e n tc o m m u n i c a t i o n s ，i n c ) c a nb eu s e dt os i m u l a t ear a n g eo fr e a l s e r v g l ss u c ha sw 曲s e r v e r s 。f r ps e r v e r s 。t e l n e ts e r v e r sa n ds t r e a m i n g s e r v e r s ，a i m i n ga tt h et e s tr e q u i r e m e n tm e n t i o n e da b o v et of u l l yt e s tt h e t r i p l ep l a ys i m u l a t i o ns c e n a r i o s a n di nt h ew h o l et r i p l ep l a yt e s t s y s t e m , t h ev o df v i d e oo nd e m a n d ) s e r v i c et e s ta n di t ss i m u l a t i o n s e r v e ra r et h ei m p o r t a n tp o r t i o n sa n dc o m p o n e n t s s or e a l i z e i n gt h ea p p l i c a t i o n 1 e v e lv o dv i d e os i m u l a t i o ns e r v e rc a n n o to n l ym e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ev i d e os e r v i c et e s ti nt h et r i p l ep i a y t e s ts y s t e m , b u ta l s oh a st h ea d v a n t a g eo ff a s td e p l o y i n gt e s td e v i c e s t h e v o ds i m u l a t i o ns c l w e rc a l lg e n e r a t ea n dh a n d l et h o u s a n d so fc o n c u r r e n t m a b s l 姒c t s t r e a m i n gr e q u e s t s ，e n a b l i n gy o ut oa s s e s st h ep e r f o r a m a n c e a n dc a p a c i t y o fl a r g es t r e a m i n gm e d i af a r m sa n ds t r e a m i n g a w a r ed e v i c e su s i n g q u i c k t i m e ，r e a ln e t w o r k s ，a n dw i n d o w sm e d i as t r e a m i n g m e d i a p l a y e r s t h i s p a p e rc o n s u l t s t h es t r u c t u r eo ft h ev o ds y s t e m ，a d o p t s c o r r e s p o n d i n gv i d e ot r a n s m i s s i o np r o t o c o l sa n dc o d i n gs t a n d a r d s ，u t i l i z e s t h et e c h n o l o g i e ss u c ha st h ef o r m a tc o n v e r s i o n ，d a t ae n c a p s u l a t i o n ， s e s s i o nc o n t r o la n ds oo n ，d e s i g n st h ev o i c e v i d e oc o d i n ga n dt e s t m o d u l e si nt h ev o ds y s t e m ，a n di n t e g r a t e dt h e s em o d u l e st od e v e l o pa n i p b a s e dv o dv i d e os i m u l a t i o ns e r v f f f t h ep r o j e c tc a nc o d ed e m a n d e d v i d e of i l e s b yh 2 6 1 h 2 6 3 m p e g - 4 ( e t c ) f o rt h ev i d e op a r t a n d g 711 g 7 2 3 g 7 2 9 ( e t c ) f o rt h ev o i c ep a r t ，t or e s o l v et h ep r o b l e mt h a t t h ed e c o d ec a p a b i l i t yi sd i f f e r e n tb e t w e e nt h ec l i e n t s a n di tc a l ls u p p o r t m o r ec o d i n gf o r m a t s ，s i m p l i f yt h en e t w o r kh a r d w a r ed e v i c e sa n ds y s t e m s t r u c t u r e ，d e c r e a s et h et e s tc o s tc o m p a r e dw i t he x i s t i n gs t r e a m i n gm e d i a s e r v e r s s oi te f f e c t i v e l ys i m u l a t e sar e a lv o ds e r v e rt oe n h a n c et h e r e l i a b i l i t yo ft r i p l ep l a ys y s t e mt e s t ，a n dh a ss i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d k e y w o r d s ：t r i p l ep l a y v o dr t p s d pc o d e c e n c a p s u l a t i o n 声明 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工作及取得的研究 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： 型丝 日期： 趔z 三：型 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：盈丝日期：塑z ：兰：丝 导师签名：e t 期：趁亟兰! 至5期：趔! 生! 至! 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着n g n 、i i r r v 业务的深入发展，将语音、数据、视频融合予一体的t r i p l e p l a y 业务应用被运营商一致看好，并被大家公认为是运营商业务转型的发展方 向。t r i p l ep l a y 符合“融合”的发展趋势，它具有两层含义：一是业务捆绑， 二是业务融合。大多数的电信运营商在m 网络上通过业务融合的方式为用户提 供t r i p l ep l a y 业务，从而实现对m 、宽带数据和矿n ，业务的捆绑。t r i p l ep l a y 涉及到三个不同的业务模式：广电、电信和m ，而这是三种完全不同的商业模 式，所以三重播放业务不仅仅是三种业务的叠加，更是融合。t r i p l ep l a y 业务 模式在很大程度上促进了口t v 的发展，同时也为运营商带来了持续增长的 a r p u ( a n n u a lr e v e n u ep e ru s e r ) 。因此t r i p l ep l a y 业务是当前电信运营商提高 竞争力和增加运营效益的关键业务，是未来宽带业务的重要发展方向【4 】。 t r i p l e p l a y 业务及承载的网络框架如图1 1 所示： 图1 - 1t r i p l e p l a y 业务及承裁网络架构图 如今免费的互联网电话导致传统的电话市场严重缩水，电话用户正转向新的 第一章绪论 业务供应体如多服务运营商( m s o ) 、互联网运营商或无线运营商。但是利用t r i p l e p l a y ! k 务，电信运营商可以避免语音客户和收入大量流失，而竞争是不可避免的， 客户会通过比较去选择那些能提供相对较好、较可靠服务的运营商的业务。 所以为了支持并开展t r i p l e p l a y 业务，许多电信运营商正花费巨资来升级他 们的网络。集中部署承载t r i p l ep l a y ! l k 务的实际网络结构给电信运营商带来机遇， 但也带来了特有的挑战和困难，比如如何在运营商所拥有的网络及接入设备上尽 量压缩成本去部署t r i p l ep l a y 业务，以及如何可靠地将t r i p l ep l a y 服务传送给用户 等。然而通过对运营设备及业务的实施过程进行严谨的计划和测试，可以帮助运 营商解决这些问题，并且让运营商在应对不同用户要求的q o s 时有所准备田j 。目 前，许多公司如上海阿尔卡特、中兴等推出了很多t r i p l ep l a y 业务的网络架构和 解决方案，因此，电信运营商可以对它们进行系统测试来选择适合自己需求的解 决方案，进而全面采纳并部署运营。 对用户来说，他们会根据t r i p l ep l a y 服务的画面语音质量、互联网接入及其 易用灵活性和费用来进行选择。因此能否成功部署t r i p l ep l a y 业务，创建多个虚 拟的测试场景来检验用户的体验质量( q o e ) 是非常重要的。并且，为了尽可能节 省成本来部署有效的解决方案，通过测试合理地精简网络结构也很重要：传输能 力过低导致服务质量问题，而传输能力过剩却导致了不必要的开销。 t r i p l ep l a y ! l k 务测试包括：接入设备、网络流量及服务器的性能测试；语音、 视频和数据应用负载测试；数据、视频和音频流的相互作用测试；语音与视频质 量测试；日p 1 v 的实时传输协议( r t p ) 测试；对承载t r i p l ep l a y ! l k 务的以太网的所 有基础设备的测试等【l 】。实际证明，在启动某项具体业务之前，对网络框架进行 全面彻底的测试是最为有效的方法。 1 2 课题意义 本课题所研发的系统是根据思博伦( s p i r e n t ) 通信公司协议组的需求进行设 计和实现的。思博伦通信公司向电信运营商提供从核心网到接入网对t r i p l e p l a y 业务进行全面测试的产品及方案。其中s p i r e n tt e s t c e n t e r t m 是一个系统级的硬 软件组件，客户( 包括电信运营商、设备制造商和大型企业) 可以利用它快速有 效地建立复杂的t r i p l ep l a y 测试场景来进行功能及性能测试，并且在测试过程 中他们能实时全面地检测网络性能及业务流量1 1 2 。s p i r e n tt e s t c e n t e r t m 的测试场 景图l - 2 所示： 2 第一章绪论 图1 - 2s p i r e n tt e s t c e n t e r t m 的测试场景 在电信运营商争相部署的t r i p l ep l a y 业务中，数据和语音业务是取胜的筹 码，但决定因素将是在同一条网络上提供的视频业务，如口t v 、视频会议、视 频电话或视频点播( v o d ) ，其中运营商希望通过运维v o d 业务来大幅增加他们 的营业收入。在部署v o d 业务之前，运营商可以通过对t r i p l ep l a y 的大规模测 试去了解v o d 网络框架中每个设备的可靠性和灵活性，通过网络拓扑的架构 及参数的配置来评估视频服务的q o s ，从而达到精简网络、识别接入设备错误 及性能瓶颈、精确地模拟带有优先级业务的特性行为等测试目的。而在这样的 一个测试集( 硬件测试设备、测试软件及测试方案) 中如何实现一个有效的视频 模拟系统，是其中的关键一环，是t r i p l ep l a y 业务测试系统中重要的组成部分。 国内外一些公司和科研机构己经推出了一系列的流媒体视频服务器。比如 a p p l e z 司的q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 系列和开放源代码的d a r w i ns t r e a m i n g s e r v e r 。但是商业公司提供的产品价格昂贵，而开放源代码的软件难以配置和管 理，维护成本高。所以开发一个v o d 视频模拟服务器组件，可以满足测试用户 对多种媒体数据及多种编码格式的需求，从而在不花费大量资金去购买实际的视 频服务器和网络硬件设备的情况下，达：至l j t r i p l ep l a y 损g 试中对v o d 业务测试的目 的。因此，本模拟服务器在大型t r i p l ep l a y 测试系统中的经济价值非常明显。 1 3 所做工作 s p i r e n tt e s t c e n t e r t m 能用来仿真很多实际的服务器，如w e b 服务器、n 1 p 服务 3 第一章绪论 器、d n s 服务器、t e l n e t 服务器和流媒体服务器等。对于仿真视频业务来说，它 要求对视频服务器和客户端进行仿真，从而传送、接收并测量单播或多播的 h 2 6 1 、h 2 6 3 、m p e g 4 和h 2 6 4 等视频流l i q 。 因此本文通过对r t p 协议族及音视频编码格式的研究，运用流媒体传输的原 理，设计并实现了基本的实时v o d 视频模拟服务器。它能支持h 2 6 1 、h 2 6 3 、 h 2 6 4 、m p e g 2 、m p e g 4 等视频格式和g 7 1 1 、g 7 2 3 、g 7 2 9 等音频格式的编码。 对模拟服务器程序的模块化设计简化了对v o d j 艮务器系统的开发，并且对该系 统进行点对点及端到端的测试可以验证其是否能仿真v o d 服务器。该模拟服务 器的设计和实现是以i p 网为平台，融合了文件操作、格式转换、视频编码、数据 封装、网络编程、口单组播以及s d p 消息交互等技术，最终达到在t r i p l ep l a y 业 务测试中模拟v o d 服务器功能的目的。 1 4 章节安排 第一章论述了t r i p l ep l a y 业务的部署及其测试的重要性，说明了v o d 视频 模拟服务器对于t r i p l e p l a y 测试的作用。 第二章系统分析了v o d 系统的框架结构、服务方式及有限状态机，并且说 明了选择相关协议的原因。 第三章描述了与视频服务器相关的数据传输与压缩的技术和规范，并概述 了w i n d o w s 环境下网络编程的框架。 第四章详细说明了所开发的v o d 模拟系统中各个模块的作用、接口及关键 的实现方式，并且系统性地给出了各模块的流程说明。 第五章设计了v o d 业务测试的拓扑结构来对v o d 视频模拟服务器的功能 和性能进行测试和性能比较。 4 第二章系统分析与设计 第二章v o d 系统的体系结构 为实现一个有效可靠的v o d 视频模拟服务器，需要对v o d 业务流程及其 系统架构有全面的认识。本章较详细地描述了v o d 系统、结构、服务方式及 状态转换流程，通过比较传输层的两种协议来为后面的系统实现起指导作用。 2 1v o d 系统概述 人们日常欣赏电视节目的方式是一种被动的方式，节目的播放时间是预定好 的，观众不可能改变节目的播放过程。而v o d 系统中，所有的电视节目都被数 字化压缩后存入视频库当中。观众可以在家里通过多媒体终端查找和观看视频库 中自己喜爱的节目或其中的某个片段，还可以任意快进、快倒、慢动作和观看静 止画面。现阶段互联网上v o d 业务己经比较流行，但如果要给用户提供活动的、 高图像质量的电视图像，则需要较高的传输带宽。因此，真正能替代传统电视的 v o d 系统必定是基于宽带通信网的，需要通过宽带接入设备将用户的终端与通 信网络相接。目前，解决宽带接入问题的方案主要有三种，一种是非对称数字用 户线路( a d s l ) ，其二是光纤一同轴电缆混合方式( h f c ) ，其三是在智能化小区中 的1 0 1 0 0 m b sl a b 。前两种方式分别是以电话网和有线电视网为基础而研究的， 第三种接入方式通常采用的是以太网。未来的用户接入方式将是光纤直接铺设到 用户家中。到那时，光纤的巨大通信能力将会促进多媒体应用的飞速发展【1 6 1 。 如图2 一l 所示，v o d 系统的基本组成部分是：视频服务器、宽带通信网络和 v o d 终端。v o d 系统的主要功能是应用户的请求输出相应的视( 音) 频节目。与传 统的广播方式不同，v o d 系统提供的是一种交互式的服务。用户可以在任何时 候，调取系统中的任意节目，并可以象控制录像机或c d 机一样控制节目的播放。 p 誓 5 第二章系统分析与设计 图2 1v o d 系统的组成结构 2 2 基于i p 网的v o d 系统 基于m 网的v o d 系统结构如图2 2 所示，它是一种典型的客户机服务器 ( c l i e n t s e r v e r , c s ) 模式。服务器存放大量的视频节目，并以标准w e b 的形式向 外发布。用户通过浏览器f 如i e 或f i r e f o x ) 登录服务器的网站，查看可供点播的节 目。如果用户想进行点播，则启动本地的应用程序与服务器中的控制模块进行点 播命令的交互。这些交互命令是通过r t s p 协议进行传输的。如果用户的点播请 求“合法”，且服务器的资源允许，服务器就接纳该请求，并向点播用户发送视 频数据。由于口网是一个“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的分组网络，其带宽是共享的。 因网络拥塞而造成的传输延时( 抖动) 和包丢失对实时视频流q o s 的影响不容忽 视，所以有必要在服务器和客户端增加“q o s 控制”模块。为了能够实施q o s 控 制，视频数据通常被封装成r t p 数据包，以便客户端对丢包和时延进行统计。而 两者之问的控制报文，也是以r t c p 报文格式进行传递的。这种利用浏览器的( 2 8 模式在有些文献中被称为浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r , b s ) 模式【2 ”。 一一一一一一一一。一。一一一一。一一1r 一一一一一一一一一一一一一一一一 1 视频数据发送模块i i + 。，。，。i 一，+ 。 服务器端客户端 图2 2 基于i p 网的v o d 系统结构图 6 第二章系统分析与设计 2 3 视频服务器概述 视频服务器是v o d 系统中的重要组成部分，也是设计中的一个难点。其原因 主要有三个方面：一是视频服务器既要并发地提供多个视频服务，又要保证每个 客户的服务质量；其二，视频服务器需要最大限度地利用各个系统资源r 如c p u ， 磁盘，内存等) ，避免某一环节的设计不当而出现瓶颈；第三，视频服务器需要 支持诸如正常播放、快进、快退、暂停、恢复等操作以及这些操作之间的转换。 2 3 1v o d 系统的c s 结构 v o d 系统基本模型如图2 3 所示。控制服务器主要完成视频服务器内存储节 目的管理，用户点播的接纳控制和用户点播状态图的维护等。存储服务器主要存 储视频节目，并根据服务请求发送视频数据流。由于在v o d 应用中，视频数据 流发送时间长( 一部电影约为1 0 0 分钟) ，且数据传输的实时性和同步要求高，所 以由存储服务器发出的视频数据流必须直接发送给点播用户，而不能途经控制服 务器。 图2 - 3 三层c sv o d 系统模型 2 3 2 视频服务器的服务方式 一般视频服务器的服务方式有三种：单播、广播和组播【2 1 1 。 ( 1 ) 单播( u n i c a s t ) 单播技术是一种单点到单点的数据传输方式，这种模式是最常见的i n t e r n e t 通信方式，h 兀p 和f t p 等应用协议都采用单播方式。这种模式下，在客户端与 媒体服务器之间建立一个单独的数据通道，从一台服务器送出的数据包只能传 送给一个客户机。这样，当多个用户同时请求同一份数据时服务器必须通过网 7 第二章系统分析与设计 络给这多个用户依次发送多份拷贝，多次占用服务器的i o 资源和网络带宽，在 多媒体通信中，由于数据量巨大，从而造成服务器和网络的利用率低下 ( 2 ) 广播( b r o a d c a s t ) 广播技术是一点到所有主机的数据传输模式，服务器发送一份数据，传送到 连接在网络上的所有主机。这种模式下，服务器只要发送一次数据，效率高，但 是由于这种发送模式的盲目性，数据会扩散到所有网段而不关心网段中是否有主 机愿意接收。如果多媒体通信采用广播发送方式，则大量的媒体数据可能会造成 “广播风暴”，使网络通信瘫痪。 ( 3 ) 组播( m u l t i c a s 0 组播属于口层，从应用的角度来说。组播被绑定在u d p 服务中。利用组播， 可以将一份数据同时发送给一组特定的用户，避免了数据的重复发送，又不会造 成网络带宽浪费，非常适合流媒体的传输。 在本流媒体服务器中支持单播和组播两种服务方式。 2 3 3 视频服务器的运行状态机 v o d 业务过程是一个有记忆的过程，即播放、暂停、恢复、停止等点播动作 的实现需要依据前一时刻所处的播放状态。例如，“恢复”的前一个状态只能是 “暂停”，而不能是“播放”。视频服务器的状态转移分为数据发送过程的状态转 移和数据读取过程的状态转移【1 3 】。这两部分功能不同，设计上略有差异。 ( 1 ) 发送过程状态转移 图2 4 的三个实线框是三个稳态，即预备( p l a yr e a d y ) 、已暂停( p a u s e d ) 和已停止( s t o p e d ) 。这几个状态都是发送线程能够长时间停留的状态。虚线框 表示的是五个瞬时状态：开始( p l a y ) 、保持( h o l d i n g ) 、暂停( p a u s e ) 、停止 ( s t o p ) 和退出( f i n i s h ) 。当处在这五个状态时，发送过程会自动跃迁到下一状态， 它们主要是为了发送过程进入到相邻的稳态做准备。 8 第二章系统分析与设计 图2 - 4 数据发送过程状态转移图 ( 2 ) 数据读取过程状态转移 数据读取过程的状态转移类似于发送线程的状态。数据读取线程除了在开始 播放时使用信号驱动发送过程外，其它状态下都是由发送过程驱动，所以状态要 比发送过程少，且简单得多。图2 5 中的实线框和虚线框的含义与图2 4 相同。 2 4 视频传输实现方案 图2 - 5 数据读取过程状态转移图 设计一个比较完善的视频传输系统需要考虑基础网络结构和媒体数据类型 等方面。由于实现方面的限制，本课题只考虑基于t c p i p 的网络传输结构而不 考虑网络的物理结构；视频媒体数据类型包括h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 、m p e o - 2 和m p e g - 4 等，音频媒体数据类型包括g 7 1 1 、g 7 2 3 和g 7 2 9 等。 按从底层到高层的顺序选择需要的网络协议，m 网络中网络层数据传输只有 i p 协议，对于传输层，主要有t c p 和u d p 两种【7 】： ( 1 ) u d p 协议 9 第二章系统分析与设计 u d p 协议建立在p 协议之上，同口协议一样提供无连接数据报传输。它不提 供可靠性通信服务，而是提供高效及时的用户数据报服务。u d p 的报头很小( 仅8 字节) ，因而u d p 的报文效率很高。 ( 2 ) t c p 协议 传输控制协议( t c p ) 是传输层的另一个协议，除了提供和u d p 一样的进程通 信能力外，其主要特点是可靠性很高。其主要工作是：连接管理、流量控制和崩 溃恢复等。t c p 协议是建立尽力而为的口协议之上的，m 协议不可能提供任何可 靠性机制，因此t c p 的可靠性完全由自身来实现。t c p 协议采用的最基本可靠性 技术是：确认与超时重传、流量控制和拥塞控制。 从上面的协议可知u d p 协议的数据传输及时性很好，t c p 协议的数据传输的 可靠性很好。如果网络的性能不稳定，单纯采用这两个中的任何一个都不能达到 很好的视频传输性能；如果网络的性能比较好则采用这两个都可以实现比较好的 性能。而对于视频来说，实时性比其它的方面要求更高，因此在这里本课题选用 了u d p 协议。 仅仅采用u d p 并不能达到要求的视频传输质量，这就需要在传输层的上层做 一些必要的控制，也就是在u d p 上层再加一层控制，采用实时传输协议( r t p ) ， 来实现整个系统的端到端控制。 2 5 本章小结 本章通过对v o d 系统、服务方式和运行机制的描述，为后面的模拟服务器 系统设计、实现及系统测试给出了框架，并且比较了t c p 与u d p 协议各自的 优劣，选择u d p r t p 作为视频数据的传输协议。 l o 第三章视频压缩与传输的关键技术 第三章v o d 系统的协议及关键技术 v o d 视频模拟服务器的具体实现需要音视频数据的格式转换、压缩编码和 封装传输等关键技术的支撑。本章描述了v o d 系统的协议结构框架，详细说 明了所需协议的标准规范，介绍了数据传输的网络编程流程和视频编码相关技 术。 3 1v o d 系统的协议结构 综合以上协议分析，v o d 流媒体系统的协议结构如图3 1 所示。s d p 协议、 r t s p 协议被封装到下层的传输层和网络层协议包中，最后变成二进制数据在隰 络上传输。客户对节目媒体的控制信息的传输是通过r t s p 协议实现的，r t s p 协 议所用的下层协议是可靠的t c p 协议。节目的数据打成r t p 数据包通过u d p 层在 网络上传输，传输控制信息使用r t c p 协议通过u d p 层传输。 图3 - 1v o d 流媒体系统协议结构图 3 2 实时传输协议( r t p ) 为满足多媒体通信对服务质量的要求，i n t e f i l e t 工程任务组( i e t f ) 在r f c l 8 8 9 和1 8 9 0 # , 定义了实时传输协议( 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 ) ，r t p 既可以传 输电话呼叫，也可以传输音频或视频流【引。国际电信联盟( 删) 在多媒体通信标准 h 3 2 3 中采用了r t p 。 第三章视频压缩与传输的关键技术 3 2 1r t p 协议简介 r t p 被用于以无确认方式单向发送数据。每一个r t p 数据报报头都包含使接 收者可以恢复原始数据时序的时间标记，以及使接收方可以处理丢失、重复或错 误的数据报的顺序号。r t p 既适合于向一个接收方( 单播) 也适合于向多个( 多播) 接收方发送音频和视频流。 r t p 可以较好地处理多媒体应用实时特性。连续媒体流应用与传统数据应用 不同，它们对发送方、接收方和网络的要求不同。r t p 通常使用u d p 传送数据， 但并不局限于u d p 。u d p 协议虽然比t c p 协议可靠性低，并且不保证实时业务的 服务质量，但是u d p 协议的传输时延远比t c p 协议低，这将极大的保证数据传输 的实时性。r t p 本身不能可靠的顺序传送数据包，也不提供流量控制和拥塞控制， 它依靠r t c p ( 实时传输控制协议) 提供这些服务。r t p 通常作为应用层的一部分。 r t p 定义了两种报文：r t p 报文和r t c p 报文。r t p 报文用于传送媒体数据( 如音频 和视频1 ，它由r t p 报头和数据两部分组成，r t p 数据部分称为有效载荷( p a y l o a d ) ； r t c p 报文用于传输控制信息，以实现协议控制功能。r t p 报文和r t c p 报文将作 为下层协议的数据单元进行传输。根据数据有效载荷的长短，r t p 报头可能会 造成额外的开销。例如，典型的i p 语音数据有效载荷为4 0 字节。在采用r t p 时， 报头的总开销包括：r t p ( 1 2 字节) + u d p ( 8 9 节) + i p ( 2 0 字节) = 4 0 字节，大约5 0 的数据报为报头。在视频应用时，典型的有效载荷一般都很大，比如1 4 6 0 字节， 因此报头的开销只在总长度中占很小的比例【l ”。 一些路由器由于可以识别标准的报头，因此它们可以保留队列并赋予r t p 传 输流优先级。一些路由器还可以对r t p 报头进行压缩，经常可以将报头总长度由 4 0 字节减少到2 至5 字节。尽管压缩减少了报头开销，但却增加了时延，因此在速 度高于5 0 0 k 的链路上进行报头压缩并不能节省多少开销。许多协议分析器可以 对r t p 报头解码，提供有关正在被传送数据的信息。例如，分析器可以确定报头 中有效载荷的类型，使它可以显示实际的有效载荷数据。 r t p 协议提供了一种端到端的强制性同步控制机制，以满足多媒体流内和流 间的同步控制需求。基于r t p 的带宽调节控制算法可以将报文丢失率限制在某一 范围内，使基于无连接的网络传输质量的不稳定性得到了一定的补偿。与其他多 媒体通信协议相比，i e t f 的r t p 具有如下一些特点： ( 1 ) 协议的简单性： r t p 协议不具备传输层协议的完整功能，其本身也不提供任何机制来保证实 时地传输数据，不支持资源预留，也不保证服务质量。r t p 报文甚至不包括长度 和报文边界的描述，而是依靠下层协议提供长度标识和长度限制。另外，r t p 协 1 2 第三章视频压缩与传输的关键技术 议将部分传输层协议功能( 比如流量控制) 上移到应用层完成，简化了运输层处 理，提高了该层效率。 ( 2 ) 支持多点投递： ， r t p 协议一般运行在u d p 之上，二者共同完成传输层协议功能。r t p 协议利 用u d p 的多路复用支持显式的多点投递，可以满足连续媒体多点播送的需求 ( 3 ) 数据流和控制流分离： r t p 协议的数据报文和控制报文使用相邻的不同端口，这样大大提高了协议 的灵活性和处理的简单性。 ( 4 ) 协议的可扩展性： r t p 协议通常为一个具体的应用提供服务，通过一个具体的应用进程实现， 而不作为o s i 体系结构中单独的一层来实现，r t p 只提供协议框架，开发者可以 根据应用的具体要求对协议进行充分的扩展。 需要注意的是，r t p 只是提供多媒体传输的种标识格式，以提供给应用程 序处理。协议本身并不能保证数据传输的实时性，也不能保证媒体传输的服务质 量。只是由于其一般运行在u d p 之上，没有t c p 的错误重传机制，因此能尽快的 传送数据包。r t p 的功能实现需要依赖底层网络提供的q o s 服务才能真正达到实 时服务的要求。 和r t p 密切相关的另一个协议是实时流协议( r t s p , r e a l t i m es t r e a m i n g p r o t o c 0 1 ) ，i f r f 制定该协议的初衷是为实时数据的点播提供多种控制功能。r t s p 在很大程度上弥补了r t p 在通信控制方面的不足，包括申请传递实时数据、指定 传输服务类型( 如点对点r t p 与多点r t p ) 及目的地址、有关数据信息格式、启动、 停止、暂停数据的传送等。 r t p 协议己经在网络多媒体系统中得到广泛应用，一些因特网应用系统，特 别是l v b o l l e 上的多媒体应用，如v i e ，r a t ，i v s 和v a t 等都采用了r t p 作为应用支撑 协议。r r u - t 在制定h 3 2 3 等因特网标准时也采用r t p 作为多媒体传输协议。r t p 己经成为以多媒体会议为代表的网络多媒体应用的事实标准。 3 2 2r t p 的工作过程 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 ) ，封装成r 胛数据 包发送给下层，而由下层协议提供r t p 和r t c p 的分流。如在u d p 中，r r p 一 般使用一个偶数号端口，而相应的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。如图3 - 2 所示： 第三章视频压缩与传输的关键技术 4 3 - 2u d p 封装i i = r p 示意图 通过对r t p 首部参数的解释，可以提供时间信息和实现流同步。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。 在r t p 工作时一般分为两个层次：会话和流。一个r t p 会话( s e s s i o n ) 包括传给 某个指定目的地对( d e s t i n a t i o np a i r ) 的所有通信量，而发送者可能有多个( 口地址， 协议端