（通信与信息系统专业论文）流媒体技术在对等网上的应用研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文在研究了c s 和p 2 p 两种应用模式的结构特点基础上，分析了基于c s 模式流媒体平台的优缺点，介绍了当前流媒体技术在对等网上的应用情况和这方面 的研究成果，提出了一种利用流媒体技术共享媒体文件的p 2 p 模型。和传统的p 2 p 文件共享软件不同，系统中的对等点欣赏其他对等点一h 的媒体文件时，不再需要把 它完全下载到本地，而是以媒体流的形式边下载边播放，媒体数据流的传输基于 r t p r t c p ，具有典型的流媒体传输特点。本文还在深入研究j m f 扩展机制的基 础上，使用j a v a 本地化方法和j a w t 等技术，通过封装d i r e c t s h o w 组件设计了支 持w i n d o w sm e d i a 格式文件的播放器插件，扩展了j m f 的功能。 论文最后对流媒体技术在对等网上的应用发展作了总结和展望。 关键词：对等网络，流媒体，j a v a 媒体框架，r t p ，d i r e c t s h o w a b s t r a c t s t a r t i n g f r o mi n t r o d u c t i o nt oa r c h i t e c t u r e so fc sa n dp 2 r a d v a n t a g e s o f s t r e a m i n gm e d i ap l a t f o r mb a s e do nc s a r ea n a l y z e da sw e l la s 4 i s a d v a n t a g e s s o m e p r e s e n ts o l u t i o n s b a s e do np 2 pa r ei n t r o d u c e d ap 2 ps h a r i n gm o d e lw i t hu s i n go f s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r d d i f f e r e n tf r o mc o m m o n p 2 ps h a r i n gm o d e l ， ap e e ri nt h i sm o d e lw h ow a n t st oe n j o ym e d i ac o n t e n to no t h e rp e e r sd o n tn e e dt o d o w n l o a dt h e s em e d i af i l e s m e d i af i l e sa r et r a n s m i t t e dw i t hr c t r t c pb e t w e e np e e r s a sw e l la sl i v ev i d e o a u d i os t r e a md a t a b a s e do ne x t e n s i b i l i t yo fj m kac u s t o mp l a y e r p l u g i ni si m p l e m e n t e d t oi n t e g r a t em i c r o s o f t sm e d i ap l a y e r a tl a s t ，s u m m a r i z ea n dp r o s p e c to nd e v e l o p m e n to f s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y o n t h ep 2 pf i e l da r eg i v e n q i uw e n j u n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f k o n gy i n g h u i k e y w o r d s ：p 2 p ，s t r e a m i n gm e d i a ，j m f , l i t p d i r e e t s h o w 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文流媒体技术在对等网上的应用研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期阳j ，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力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。 学位论文作者签名： 缸：童墨日期：尬 ： ：! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：缸三。墨导师签名：乏坐墓! 整 日期：盟：! ! 日期 2 撕口i t ，口 华北电力人学顶十学位论文 1 1 课题的提出 第一章引言 随着现代网络技术的发展，作为第四媒体的网络丌始带给了人们更多形式的信 息模式。从在网络上出现第一张图片，到现在各种形式的网络视频、三维动画，人 们的视听觉感官在网络上得到了很大的满足。随着这些媒体形式所包含的信息量越 柬越大，需要的存储量也不断增加。如果用传统的“下载一一播放”方式，在欣 赏精彩的多媒体内容之前，人们不得不去等待很长的下载时间。流媒体技术把连续 的影像和声音信息经过特殊的压缩方式分成个个压缩包，由视音频服务器向用 户计算机连续、实时地传送。用户可以一边下载一边观看，而不需要等待整个文件 完全下载到本地计算机硬盘中【2 】。 微软、r e a l n e t w o r k s 和a p p l e 等主流的流媒体技术提供商提供的流媒体平台都 采用了c s ( c l i e n t s e r v e r ) 或b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式，所有的客户机都 需要连接到流媒体服务器接收多媒体流。出于服务器带宽和处理能力的限制，在进 行诸如现场音乐会直播等有大量用户参与的情况下，流媒体服务器会成为整个系统 的瓶颈：如果流媒体服务器发生故障，流媒体服务就会停止，流媒体服务器成为系 统的单一失败点。 新近兴起的p 2 p 应用模式部分或全部抛弃了服务器的使用。在p 2 p 的世界罩， 每个对等点的地位都是一样的，既接受其它对等点的服务，也可以为其它对等点提 供服务。p 2 p 网络中，应用崩溃的风险分散到了每个对等点上，整个系统中没有单 一的失败点。目前绝大多数的p 2 p 应用只停留在文件共享的基础应用水平上，没有 充分发掘p 2 p 应用模式强大的对等计算能力，如何把p 2 p 技术应用到更多的领域也 是当前业界研究的热点问题。日本和欧美等一些公司已经开始了把p 2 p 应用模式引 入到流媒体系统中的研究，构建了基于p 2 p 的视频直播系统。在这种直播系统中， 一个对等点可以在接收、回放视频流的同时，复制并转发视频流给其他的对等点， 同时担当播放器和服务器的角色。这样，媒体源的连接数大大减少，减轻了媒体源 的负担：在现有的网络带宽下，可同时欣赏直播节目的用户数也大大增加了。 本谋题探讨了基于p 2 p 网络应用模式的流媒体系统设计和实现问题。 1 2 流媒体技术 1 2 1 流媒体的概念 华北屯力人学颐十学位论文 通常意义上的流媒体是指在i n t e r n e t i n t r a n e t 中使用串流传输技术传输的连续 时基媒体及其相关技术的统称f 3 j ；流媒体把连续的影像和声音信息经过特殊的压缩 方式分成一个个压缩包，由视音频服务器向用户计算机连续、实时地传送。用户 可以通过播放器一边下载一边观看，不需要等整个压缩文件下载到本地后彳可丌始 欣赏。为了消除网络连接速率的抖动，播放器先在用户端的电脑上创造一个缓冲区， 于播放前预先下载文件的- 4 , 段数据作为缓冲，播放程序取用这一小段缓冲区内的 数据进行播放。在播放的同时，多媒体文件的剩余部分在后台继续下载填充到缓冲 区。这样，当网路实际连线速度暂时小于播放所耗用数据的速度时，也可以避免播 放的中断，使得播放品质得以维持。与传统多媒体相比，流媒体具有以下优点： 一启动延迟大幅度缩短：用户不必等全部的多媒体文件下载到本地，只需下 载几秒或几十秒缓存容量大小的数据就可以丌始播放。 节省用户大量的存储资源。 - 播放缓存不断地用新数掘刷新已播放数据，在用户的本地机器上不会留下 媒体拷贝，有利于媒体内容知识产权的保护。 般来说流媒体平台由编码器、流媒体服务器和播放器三部分组成编码器对 多媒体文件或即时音视频信号进行压缩、编码，生成适合以串流方式传输的媒体 内容：流媒体服务器响应客户请求，打包流媒体内容并发送：播放器负责流媒体的 解码和播放。目前应用最广的流媒体平台由m i c r o s o f t 、r e a l n e t w o r k s 和a p p l e 公司 提供，并且都提供了s d k 开发包。本课题中流媒体部分的开发采用的是s u n 公司 的多媒体丌发包一一j a v a 媒体框架。 1 2 2j a v a 媒体框架 j a v am e d i af r a m e w o r k ( j m f ) 是一组j a v a 语言实现的多媒体应用程序编程接 口( a p i ) 【4 j 。j m f i 0 由s u nm i c r o s y s t e m s 公司和i n t e l 公司合作开发，利用j m f l 0 ， 丌发者可以在j a 、，a 应用程序和j a 、，a 小程序中加入对多媒体的支持功能。最新发 行的j m f2 1 1e 由s u n 和i b m 公司共同开发，它在j m f l 0 的基础上进行了扩展， 增加了对声卡或摄像头等音视频采集设备的支持，并增强了对媒体回放过程的控制 和处理功能。j m f 还提供了对广泛应用于流媒体技术中的实时传输协议r t p 和实时 传输控制协议r t c p 的支持，可以在网络上以r t p r t c p 流的形式传输、接收媒 体数据。特别是j m f2 1 1 e 采用了p l u g i n s 的体系结构，其中的编解码器、分流器 和r t p 打包解包器等均以插件的形式实现，允许丌发者丌发自定义的各种插件加入 别j m f2 1 1er h 实现对原始媒体数据进行自定义处理，从而加强和扩展j m f 的 功能。 2 华北电力人学硕士学位论文 j m f 从功能结构上可以分为j m fa p i 和j m fr t p a p i 两大部分，第一部分完成 多媒体数据的采集、处理、回放和存储功能；第二部分负责在网络上传输和接收时 基媒体流。 j m fa p i 部分完成多媒体数据的采集、处理、回放和存储功能。下面给出了它 的设计目标： 一易于使用。 _ 支持从音频、视频采集设备采集媒体数据。 _ 使开发者能够用j a v a 语言丌发流媒体和视频会议应用程序。 - 能够使丌发者或技术提供者在现有的编程接口基础上，实现自定义的解决 方案：能够使新的特性很容易地集成到现有的框架中。 _ 提供访问原始媒体数据的能力。 一通过j m f 的插件机制支持自定义的流复合器、流分离器、编解码器、效果 处理器的丌发。 保持和以前版本j m f 的兼容。 j m f r t p a p i 负责在网络上传输和接收时基媒体流。下面给出了它的设计目标： 一使刀：发者能够用j a v a 语言丌发流媒体和视频会议应用程序。 _ 支持使用r t p r t c p 协议在网络上传输媒体数据流。 _ 通过j m f 的插件机制支持开发者丌发自定义的打包器和解包器。 _ 易于使用。 1 3 对等网络 1 3 1 传统的网络应用模式 目前主流的网络应用模式是c s ( 客户机服务器) 或b s ( 浏览器服务 器) 。在这种模式下，网络应用提供的内容和服务集中于中心服务器，所有的客户 端都必须访问服务器获取内容及服务。c s 模式能充分发挥中心服务器的资源优 势，但同时也具有以下缺点： - 中心节点的失败会导致整个网络应用的瘫痪；中心服务器的地位决定了它 在整个网络应用安全中成为最薄弱的环节。 一般务器负荷过重；随着应用的不断发展，服务器成为整个网络应用的瓶颈。 一客户机的资源没有充分利用。个人终端的处理能力越来越强，但它在网络 ： 华北电力人学硕士学位论文 应用模式中的从属地位造成相当部分资源的闲置。 1 3 2 对等网络应用模式 新近兴起的p 2 p ( p e e r t o p e e ) 并不是新的概念，只是一种网络应用模式的复 兴【5 i 。p 2 p 中文称为对等网络，指分布式系统中各节点是逻辑对等的，每个节点都 同时具有服务器和客户机的功能【6 】。对等点之间通过直接互连共享信息资源和处理 器资源，无须中心服务器的支持。和c s 或b s 模型相比，p 2 p 模型有以下优点： _ 网络资源从中心( 服务器) 向边缘( 个人终端) 移动。把网络应用崩溃的风险从 高度集中的服务器分散到多个客户端，增强了整个网络应用的健壮性。 _ 充分挖掘不断提高的个人终端的性能，以提高应用整体的计算能力。 - 网络资源的共享达到前所未有的深度【7 1 。 _ 避免了使用价格昂贵的服务器，降低了网络应用的成本。 1 4 国内夕、研究动向 目前的p 2 p 软件层出不穷，种类繁多，但大多数只停留在文件共享的基础应 用7 l q z - 。如何把p 2 p 应用模式引入到诸如电子商务、搜索引擎、网络游戏和流媒 体系统等商业价值较高的领域中去是一个迫切需要解决的问题。 1 4 1 对等计算方面 通过把对等网络上的闲置计算能力集合起来协同工作，可以完成单机无法完成 的巨大计算任务，在这方面s e t i h o m e 项目是做得最为成功的。s e t i h o m e 是 一项旨在利用连入因特网的成千上万台计算机的闲置计算能力“搜寻地外文明 ( s e t i ) ”的巨大工程【8 1 。s e t i h o m e 的主服务器向每个参与者发送- d , 段射电望远 镜的数据。参加者下载数据后，在计算机屏幕保护时对数据进行离线分析，计算完 成的数据传回s e t i h o m e 中心进行组合。通过这种方式，s e t i h o m e 得到了超 强的计算能力。 1 4 2 基于对等网的流媒体系统方面 位于美固硅谷的c h a i n c a s tn e t w o r k s 公司提出了基于对等网络的媒体传输解 决方案，整个解决方案的核心是“虚拟多播路由( v m r ) ”技术。和传统的流媒体 平台相比，v m r 的不同之处在于充分利用了客户端空闲的网络带宽资源。在v m r 技术构建的媒体传输网络中，客户端的角色由原来单纯的播放器转变为起到“客户 4 华托电力大学硕士学位论文 端代理”作用的播放器，每个客户端在播放收到的媒体流同时，复制收到的媒体流， 并把它发送给在同一子网内或属于同一i s p 的其他数个客户端9 1 。媒体源只需保留 有限的几个连接，整个网络由所有的客户端协同构建。下面给出了c h a i n c a s t n e t w o r k s 解决方案的示意图： 内 i 翮圈il 羽目i l 豳r 了叫画 画 萤 擅一群、虱1 鲴卜一1 肾 服务器代理、流服务器 客户端代 ( c p ) ( s p ) 、 ( s s ) 、j 偶l i 百l j 鳝i 7l d 癫丽鼐 图1 - 1c h a i n c a s t 解决方案 类似的还有日本的b i t m e d i a ，以色列的v t r a i l s ，美国的a l l c a s t 、b l u e f a l c o n n e t w o r k s 等等公司或实验室也做了这方面的尝试，有些已经成功地进行了商业化。 1 5 课题的目的意义和主要内容 1 5 1 目的和意义 随着网络技术的进步，流媒体技术得到了很大的发展，广泛应用在远程教育、 视频点播、视频会议等方面。m i c r o s o f t 、r e a l n e t w o r k s 和a p p l e 等主流厂商提供的 流媒体平台是基于c s 模式构建的，这种模式构建的流媒体系统也具有c s 模 式所具有的缺陷： _ 流媒体服务器带宽有限，同一时间只能给有限的连接提供服务；增加服务 器带宽又会使媒体内容提供商增加成本。 _ 流媒体服务器是整个流媒体系统的单一失败点。 5 华北电力大学硕十学位论文 一性能优异的服务器增加了整个系统的资金投入。 把p 2 p 应用模式引入到流媒体技术中，是对现有平台有益的补充。 本文目的是提出一种利用流媒体技术共享媒体文件的p 2 p 模型。系统中的对 等点之削可以互相点播对方硬盘中的媒体文件，也可以互相直播即时采集的音视 频信号。媒体数据流的传输基于r t p r t c p 协议，播放采用“边下载边播放”的 形式具有典型的流媒体传输特点。对等机既是流媒体服务器，同时也是流媒体播 放器。和传统的p 2 p 文件共享软件不同，对等点在欣赏其他对等点上的媒体文件之 前，不再需要花费很长的时间把它完全下载到本地，只需要等待很短的启动延时就 可以丌始播放。 j a v a 媒体框架没有提供支持w i n d o w sm e d i a 格式文件或沆的播放功能，通过 j m f 的插件机制，开发能支持其它多媒体文件格式的插件，可以扩展j m f 的功能， 使更多的人支持j m f 这种开放源代码的多媒体丌发平台。 1 5 2 论文主要工作内容 本论文的主要工作目标是研究如何把流媒体技术运用到到对等网络中，找到两 者之间最佳的结合点。文中首先比较了c s 和p 2 p 两种网络模型的结构特点，分 析了二者之间的不同以及各自的优缺点，探讨了把p 2 p 应用模式引入到流媒体技术 中的必要性。给出了带有目录服务器p 2 p 模型的具体实现，在这个模型的基础上实 现了对等点之间文件的共享，以及对等点之间以流媒体技术传送媒体文件流和即时 音视频流等功能：本文还在深入研究j m f 的扩展机制的基础上，设计了支持 w i n d o w sm e d i a 文件格式的播放器插件；最后探讨了利用对等计算压缩多媒体的方 法。下面是论文主要的工作内容： 1 ) 研究了现有的几种p 2 p 网络模型的构建原理。重点探讨了它们各自发现机 制的优缺点，确立了构建带有目录服务器的p 2 p 模型的目标；初步研究了最新的 p 2 p 平台一一j x t a 的构成和最新的发展情况。 2 ) 使用j a v a 、x m l 和a s p 等语言和技术给出了p 2 p 模型的具体实现。这部 分的工作重点是作为通信媒介的x m l 文档的定义、封装和解析：j a v a 应用程序和 目录服务器的网络连接：j a v a 应用程序之间基于套接字的连接；文件共享功能的实 现。 3 ) r t p 媒体流的采集、传输、接收和播放。这部分的工作重点是研究r t p r t c p 协议和j a v a 媒体框架中r t p 编程接口；提出了一种多单播( 点对多点的点播) 接收r t p 媒体数据流的解决方法，设计了流接收器和流发送器，实现了对等点之间 基于r t p r t c p 协议的点播和直播功能。 华北电力大学硕七学位论文 4 ) 研究了利用j a v a 媒体框架的扩展机制开发自定义插件的方法。利用j a v a 本 地化方法、d i r e c t s h o w 开发包封装了j m f 中的p l a y e r 对象，实现了支持m i c r o s o f t m e d i a 格式文件的播放器插件。 5 ) 初步探讨了利用p 2 p 网络强大的对等计算能力进行多媒体文件压缩的意义 和实现方法。 7 华北电力人学硕十学位论文 2 1 p 2 p 应用的发展历史 第二章对等网络 p 2 p 并不是新的概念，早在1 9 6 9 年因特网的前身一a r p a n e t 刚出现时，网 络的应用模式就是p 2 p 的。a r p a n e t 的最初目的是在全美范围内共享计算资源， 集成当时各种不同的网络，使之成为一个通用的网络，并且使得各个主机成为网络 上平等的成员 l o l a r p a n e t 上最早的主机是几家大学的计算机系统，这些计算机 系统都是独立和平等的，而不是以m a s t e r s l a v e 或者c l i e n t s e r v e r 的方式连接。 1 9 9 5 年丌始，随着p c 机的广泛使用和因特网的发展，发送电子邮件、浏览网 页等以服务器为中心的活动成为人们使用因特网的主流。这种应用方式长远地影响 到了网络架构的发展。同时，随着网络拓扑结构的复杂化，防火墙、代理服务器和 动态i p 分配技术的大量使用使得点对点之间的直接连接变得越来越困难。在这个 时期，网络主流的使用方式变成了c s 模式，改变了计算机之问相互寻址和通信 的方式。在c s 模式下，个人用户基本上只是从服务器下载数据，唯一要做的事 就是发出请求并接收响应。因特网接入技术也出现了许多非对称连接方式来适应这 种模式，如a d s l 和c a b l e m o d e m 等。 2 0 0 0 年初，一个能够在网上进行音乐文件共享的p 2 p 程序在网上广为流行这 就是n a p s t e r 。n a p s t e r 拥有的个人用户自由交换音乐文件的特点在短时间内吸引了 成千上万的用户。虽然由于侵权的问题，n a p s t e r 最后失败了，但是它的出现为后 继p 2 p 的发展奠定了基础。现在的p 2 p 应用已经非常流行了，包括我们熟悉的即时 聊天程序o i c q ，文件共享程序b i t c o m e t 等等都是p 2 p 的应用模式。 2 2 几种不同的p 2 p 模型 p 2 p 软件层出不穷，种类繁多，实际用途也是多种多样的。对等应用程序是一 种大规模但又是细粒度的应用程序，每个对等点都可以进入或退出p 2 p 网络，在他 们f 短暂的活动期间，大多数时间都要涉及与其它对等点交互。p 2 p 网络中的对等点 之间要互相协作，完成有用的工作，首先他们必须能够彼此发现对方和与对方交互。 p 2 p 模型中的发现方法分为显式点到点配置和动态发现机制，其中动念发现机制又 可分为目录服务模型、网络模型和多播( m u l t i c a s t ) 模型。 2 21 显式点到点配置 显j 点到点配置与其| 兑是一种真正的发现机制，还不如说是一种用来避免实现 8 华北电力人学硕士学位论文 发现的机制。每个存在的对等点都确切地知道其它对等点的位置，知道如何与之联 系。一般而言，显式点到点的配置方式不能很好地扩展到具有较多节点的大型网络， 特别是当对等点要求动态地加入或退出p 2 p 网络时，每个对等点都维护一个保存所 有对等点地址的静态配置文件，这几乎是不可能的事情。但是显式点到点配置也并 非一无是处，点到点寻址缺乏灵活性的特性也带来了一定程度的安全性。通过对网 络中的每个对等点预先设置它所知道并且将要与之交互的对等点列表，使得网络在 外部攻击面前表现得很稳固。 2 2 2 目录服务模型 在目录服务模型中，一台或多台有特殊用途的服务器为对等点提供目录服务。 为了使可扩展性最大化，对应用程序应进行结构化设计，以便少量的目录就可以为 数量众多的对等点服务。对等点向目录服务注册关于自身的信息( 其名称、地址、 资源和元数据) ，通过查询目录服务器中的信息，使用目录服务来定位其它对等点。 对等点b 圈2 - 1 目录服务模型 目录本身可以是对等点( 尽管是很庞大的对等点) ，或者可以只担当目录而不 作它用。虽然，采用集中式管理的目录模型遭到“本质上不是p 2 p ”的指责，并且 事实上促使了n a p s t e r 被弃用，但它确实提供了一个重要的优势：使用集中式管理 容易确保服务器硬件和配罱足以达到服务质量目标。 2 2 3 网络模型 9 华北电力大学硕士学位论文 网络模型的p 2 p 应用程序由一些( 通常是动态的) 对等点组成，这些对等点 在功能上很类似。没有专门的目录服务器。没有一个对等点知道整个网络的结构或 者组成网络的每个对等点的身份。相反，对等点只知道直接与它们通信的对等点， 它们通过代理参与到大型网络中。 图2 - 2 网络模型 在支持对等点发现的过程中，组成网络的对等点担任了非常活跃的角色。对等 点必须合作完成任务。在许多环境中这种合作包括支持分布式查询、分布式消息传 递，甚至包括认证和授权行为。因为要考虑通信量的多少，象文件传输这样需要大 流量的网络操作通常在对等点问直接发生，而不是通过对等点的网络。 2 2 4 多播模型 多播模型和网络模型很相似，不同之处是网络中的节点不必互相协助去进行发 现工作，它利用i p 多播去发现其它对等机。如果使用单播( u n i c a s t )i p 数据报， 一台主机最多只能向一台主机发送数据报，多播i p 数据报可以同时发往多台主 机。更重要的是，发送方不必知道有多少接收方存在或者究竟有没有接收方存在。 发送主机只是封装消息并将它发布到网络上，所有调整到适当频道( 多播i p 地址 和端口号的组合) 的客户机将接收到该消息的一个副本。在这种基于i p 多播技术 的发现机制中，对等点用多播定期宣布自己的存在，该消息包含对等点的t c p i p 主机名和端口号。对此消息感兴趣的对等点检测这个消息后，抽取出主机名和端口 号，并使用这个信息与新对等点建立f 常的t c p i p 连接。 如上所述的多播发现机制在子网内效率非常高，但予网之间多播通信的路由是 完全不同的，因特网上的网络设备一般并不支持i p 多播。没有路由器的支持，基 1 0 华北电力人学硕士学位论文 于i p 多播的发现被局限在同一子网上。折衷的方式是在各个子网上采用i p 多播， 子网之间的通信由跨网络边界的特殊对等点将消息复制到另一个网络中来实现【1 。 图2 - 3 多播模型( 图中虚线部分为l p 多播) 2 3 几种实际的p 2 p 平台 2 3 1 n a p s t e r n a p s t e r 是第一个在商业上取得大范围成功的p 2 p 应用，它是基于上面讨论的 目录服务模型构建的。n a p s t e r 重点放在音乐文件的共享上，用户能通过这个软件 互相交换各自的m p 3 文件。n a p s t e r 的用户通过i n t e r n e t 连接登录到中心服务器上， 中心服务器保存了所有在线注册用户的一个索引，它也维护着存储在这些用户本地 的m p 3 音乐文件的目录信息，这些目录信息随着用户的登录或退出而不断更新。 用户之间可以建立相互的直接连接，下载或上传文件，服务器上则从来不存储实际 的m p 3 文件。 2 3 2g n u t e i la g n u t e l l a 类似于网络模型。g n u t e l l a 定义了一套连接协议，安装了g n u t e l l a 的机 器一旦连上网络，就会发送消息给一台机器，然后由这台机器发送给另外1 0 台通 过i n t e r n e t 连上c n u t e l l a 网络的机器，这l o 台机器再通知另外9 台机器等等。为了 避免消息无休止的转发下去，每个消息都有一个路由的生存周期，但由于现代网络 的巨大规模，这样事实上会造成整个c n u t e l l a 网络被隔离成互不相通的多个部分【2 】。 l l 华北电力_ 人学硕士学位论文 23 3j x t a j x t a 是s u n 公司发起成立的j x t a 项目组制定的一组协议规范，目的是为分 布式计算或者从更广泛的角度来说，为对等式计算( p 2 p ) 构建一个网络编程 和计算平台，解决现有的p 2 p 应用遇到的所有问题i i 。j x t a 由六个协议组成，使 用这些协议，对等点可以相互协作来建立自我组织、自我管理的对等组，而不必关 心这些对等点在网络中所处的位置( 在网络边缘或者防火墙后面) ，也不需要集中 的管理机构【】1 1 5 1 。 2 3 3 1j x t a 网络 j x t a 不是推翻现有的网络结构，而是在现有的网络结构上构建一个符合p 2 p 特点的虚拟网络。如下图所示： p e e r 图2 - 4j x t a 网络 j x t a 的设计目标是互操作性、平台无关性和广泛性。通过把现有的网络映射 成为j x t a 网络，在j x t a 平台上开发者不必去关心对等点的设备类型，也不用关 心对等点之间通信所用的具体协议和路由等问题，就可以开发出互操作性很强的 p 2 p 应用程序，底层的通信问题由j x t a 的具体实现去解决。 2 3 3 2 j x t a 的层次结构 j x t a 由三层组成。第一层是j x t a 核心层，包含了服务所需要的核心功能； 第二层是服务层，提供访问j x t a 协议的接口：第三层是应用层，使用服务来访问 j x t a 网络和j x t a 提供的功能。 1 2 华北电力人学硕士学位论文 23 33j x t a 的发现机制 在j x t a 的j a v a 实现中，综合了前述多种模型的发现机制： _ 基于l a n 的发现：对等点在特定的多播i p 地址和端口上发送发现请求广 告，监听这个多播i p 地址的所有对等点收到发现请求后，返回响应信息。 一 通过邀请发现：对等点接收到来自其他对等点的邀请后，可以从邀请中检 索出远端对等点的信息。 缓存发现：对等点a 发现对等点b 后，在b 允许的隋况下，通过查询b 的缓存获得b 所知道的其它对等点情况。 一通过汇聚点发现：汇聚点是一类特殊的对等点，它在自己的缓存中保存着 所知道的对等点( 或其他j x t a 资源) 列表，为对等点提供发现服务。当 汇聚点不能满足查询要求时，它还可以把查询请求转发到其他的汇聚对等 点【1 6 i 。通过汇聚对等点，普通对等点可以获得大量的资源信息。 华北电力人学硕十学位论文 第三章关键技术的研究 3 1 流媒体的传输协议 通过网络实时传输多媒体需要很高的网络吞吐量，在这种应用中人们可以忍受 部分数据丢失或出错，但不能容忍过长的延时。诸如h t t p 或f t p 等访问静态数据 的协议则是把保护数掘的完整性放在第一位，所以用于静态数据的协议并不适合使 用到流媒体应用上来”。 h t t p 和f t p 位于t c p 之上。t c p 属于传输层协议，它是面向连接的，为低带 宽、高出错率网络设计。t c p 的出错重发机制势必会降低整个传输速率。而同是网 络层的u d p 是非西向连接的协议，它不关心接收者能否接收到u d p 数据包和包的 接收顺序，这一切由接收者负责处理。u d p 的特点非常适合流媒体的传输。 3 1 t 实时传输协议( r t 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i e t f 的a v t 工作组专门为音频和视频 等实时数据传输制定的i n t e r n e t 标准，为实时数据的传输提供点对点的网络传输服 务。r t p 是一个独立的网络协议层，虽然它常常以u d p 作为传输层，但是也可以 位子t c p 之上。r t p 可以使用单播和组播网络服务。在单撂网络服务中，数据发送 方给每个接收方发送一份单独的数据拷贝；在组播网络服务中，发送方只需要发送 一份数据拷贝，由支持组播的网络设备负责复制数据的多个拷贝并发送给不同的接 收方。在电褫会议等应用中，组搔比单播更有效攀。下图给出了r t p 的体系绣构： 图3 - 1r t p 体系结构 3 1 1 1r t p 的服务 利用r t p 可以识别数据流的类型，确定数据包的顺序号，同步来自不同源的媒 1 4 华北电力火学硕士学位论文 体流。但是r t p 不保证r t p 数据包到达接收方的顺序和发送它们的顺序一致，甚 至不保证r t p 数据包是否能到达接收方。接收方负责重建数掘包的顺序，并通过包 头信息监测是否有丢包现象。 3 112r t p 中的几个重要概念 r t p 会话( r t ps e s s i o n ) ：r t p 会话指若干使用r t p 通信的应用程序的集合。 一个r t p 会话由一个网络地址和一对端口号标识，其中一个端口号传输r t p 数据 包，另一个传输r t c p 数据包。 参与者( p a r t i c i p a n t ) ：指r t p 会话的参与者。参与者可以是网络设备、计算机 终端或用户。一个r t p 会话的参与者由被动接收数据的接收者和主动发送数据的发 送者组成。 r t p 数据包的结构：在r t p 会话中，多媒体数据打包成一系列的数据包传输， 通常称为r t p 流。数据包由包头和有效负载两部分组成，包头的结构如下： b i t 012 34567890l2 34s 坫7890 l2 345678 90 ，工 v p i j i o cm s e q u e n c en u m b e r li t i m es l a m d s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c ef s s r c i c o n t e n ts o u r c ef c s r c ) lo - 1 5 1 3 1 2 实时传输控制协议 幽3 - 2r t p 包头结构 因为r t p 不提供任何保证及时的传输和服务质量的机制，a v t 制定了r t c p ( 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 ) 来增强r t p 的服务。通过r t c p ，可以监视 数据传输质量，控制和鉴别i 盯p 传输。但是这种交互也仅仅是非常简单的交互，它 不提供明确的成员建立机制，不能满足所有的通信需要。如果在特定的应用中，服 务质量是第一位的，r t p 也可以使用面向连接的资源预留协议( r s v p ) 服务。 3 1 2 1r t c p 包的类型 华北电力大学硕士学位论文 r t p 会话期间，参与者除了发送媒体数据包，它们之间也周期性地互相发送 r t c p 包。r t c p 包包含着服务质量、数据源及己发送数据的统计信息。r t c p 包有 以下几种类型： s e n d e r r e p o r t ：发送者报告，由发送数据包的一方发送。发送者报告( s r ) 包 含着已发送数据包和比特总量信息，同时也有可供同步多媒体流的同步信息。 r e c e i v e rr e p o r t ：数据接收者周期性地向数据发送者发送接收者报告( r r ) 。 r r 包含丢失数据包的数量、接收到的数据报的最大序列号及传输延时等信息。 s o u r c ed e s c r i p t i o n ：数据源描述包( s d e s ) 。s d e s 包必须包含数据源名称 c n a m e ，除此之外也可以包含一些诸如电子邮件地址、电话号码等附加信息。 b y e ：当一个数据源不再是活动的对，会发出r t c pb y e 包，说明退出会话的 原因。 - a p p l i c a t i o n s p e c i f i c ：a p p 包提供给应用程序通过控制端口发送用户自定义信息 的机制【1 8 】。 3 1 2 2 r t p r t c p 的应用 以建立在u d p 上的应用为例，通常在程序启动时，会打开两个连续的端口， 通常偶数端口分配给r t p ，奇数端v 1 分配给r t c p 。通过r t c p 建立连接，会话过 程中通过r t p 传送多媒体数据，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，其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。如下图所示： 3 1 3 实时流协议 图3 - 3r t p r t c p 的应用 r t s p 是应用层协议，与r t p 、r s v p 一起设计来完成流式服务。r t s p 有很大的 灵活性，可被用在多种操作系统上，它允许客户端和不同厂商的服务平台交互。在 体系结构上，r t s p 位于r t p 和r t c p 之上，使用r t p 完成数据传输。它可控制流式媒 体数据通过网络传输到客户端。r t s p 可以保持用户计算机与传输流业务服务器之阐 1 6 华北电力人学硕十学托论文 的固定连接，用于客户与单播( u n i c a s t ) l 报务器通信，并且还允妒：双向通信，观看者 可以同流媒体服务器通信。提供类似“v c r ”形式的例如暂停、快迸、倒转、跳转等 操作。操作的资源对象可以是直播流也可以是存储片段。r t s p 还提供选择传输通道， 如使用u d p l 4 醍多点u d p 或是t c p 【l 引。 3 2 主要的流媒体文件格式 流媒体系统中处理的是一些实时性要求比较高的媒体信息，如声音、视频、动 画等等。这些媒体原始数据量非常大，传送给用户之前必需经过编码器的压缩。只 经过h 2 6 x 或m p e g 系列等标准压缩编码器压缩的媒体文件通过文件共享的方式也 可以实现网上的共享，但那样只适合局域网的环境，对于流媒体来说，为了减小用 户的播放延时和存储空间，实现边下载边播放，并保证一定的手焉放质量，还需要对 压缩文件进行特殊的处理，添加一些附属信息如计时、压缩和版权信息，这就是 流式文件格式。下面介绍了三大流媒体公司r e a l 、m i c r o s o f t 、a p p l e 的流格式文件。 3 2 1w in d o w sm e d i a 格式 w i n d o w sm e d i aa u d i o9 是微软首要的音频编解码器，它的音质比w i n d o w s m e d i aa u d i o8 所提供的音质还高2 0 。对可变比特率( v b r ) 音频的支持保证了 可通过更小的文件来提供更高的质量。编码的文件名后缀一般为w m a 。 w i n d o w sm e d i av i d e o9 是微软首要的视频编解码器，画质比w i n d o w sm e d i a v i d e o8 提高了15 到5 0 。w i n d o w sm e d i av i d e o 编码器派生于m p e g 一4 ，是流式 视频中质量最高的编码器之一，由它编码的文件大小通常只有同等质量的m p e g 4 文件的一半。w m v 文件用于同时包括利用w i n d o w sm e d i aa u d i o 和w i n d o w s m e d i av i d e o 编解码器压缩的音频和视频的文件。 a s f ( a d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t ) 是w i n d o w sm e d i a 使用的一种可扩展文件格 式。a s f 文件是多媒体数据的容器，可以存储利用各种编解码器压缩的音频和视频 内容，支持通过各种网络和协议的数据传递，同时仍适用于本地播放。当包含由 w i n d o w sm e d i a a u d i o 或w i n d o w sm e d i av i d e o 编码的媒体内容时，文件名一般用后 缀用w m v 或w m a ：如果包含利用第三方编解码器压缩的音频和视频内容，则用 a s f 文件名后缀。 32 2r e ai m e d ja 格式 r e a l m e d i a 由r e a l n e t w o r k s 公司提出。其主要的文件格式有以下几种： r e a l a u d i o 是第个支持i n t e r n e t 实时流媒体的音频结构，用以传输接近c d 音质 17 华，i l 电力人导：顶十学位论文 的音频数据。r e a l a u d i o 有多个不同的编解码器，分别对应不同的压缩目的，每个编 码器根据产生的数据速率与内容类型命名。 r e a l v i d e o 格式则是流式视频文件格式，主要用来在低速率自网络上实时传输活 动视频影像。r e a l v i d e o 编解码器采用了基于小波变换的可扩展视频技术。这里有必 要一提的是智能流( s u r e s t r e a m ) 技术。这种技术将不同压缩比率的数据存储在一个文 件中，用户发出请求的同时会将其带宽容量传送给服务器，服务器会根据此参数将 流文件中的相应部分传送给用户，从而实现一个文件适合不同网络带宽的情况，满 足不同性质的用户请求。 3 2 3m o v 媒体格式 a p p l e 公司制定了称作q u i c k t i m em o v i e 的多媒体文件格式。此文件格式是极具 弹性的储存格式。虽然q u i c k t i m e 并不强制要求用户将媒体资料存成q u i c k t i m e m o v i e 文件，但q