（生物医学工程专业论文）宽带ip下高清视频点播的设计与研究.pdf

南方医科大学2 0 0 7 级硕士学位论文 l i i iiiii ii ii ii iil liil 17 7 0 2 9 4 宽带i p 下高清视频点播的设计与研究 u n d e rt h eh i g h - d e f i n i t i o nv i d e o - - o n - - d e m a n db r o a d b a n di p d e s i g na n dr e s e a r c h 专业名称 学位申请人 指导教师 答辩委员会主席 答辩委员会成员 生物医学工程 马骏 郭文明教授 陈素教授 徐海水副教授 曾海标副教授 严静东高级工程师 卢广文副教授 论文评阅人陈素教授 曾海标副教授 严静东高级工程师 2 0 1 0 年5 月2 5 日广州 硕士学位论文 宽带i p 下高清视频点播的设计与研究 硕士研究生：马骏 指导教师：郭文明教授 摘要 计算机技术、网络技术和多媒体技术的发展与结合，使得网络多媒体应用 渗透到人们生活的各个方面。视频点播系统作为网络多媒体的应用之一，近几 年也得到了很大的发展，应用规模从以前的以单服务器结构为主的小规模系统 逐渐转向多服务器结构的大规模点播系统，这给视频点播系统的研究带来了新 的挑战。 在当今网络视频发展的过程中。高清视频，多用户，大并发流是视频点播 发展的必然趋势。f m s 作为流媒体服务器将传统的流媒体功能与灵活的开发环 境结合起来，为流媒体点播与直播的创建提供了一个创新的，交互的媒体应用， 本文从分析f l a s hm e d i as e r v e r ( f m s ) 系统入手，以相关理论学习为指导，本文 为视频点播系统设计了一个分布式结合集群式数据共享的三层服务、两层存储 的层次体系结构。在视频点播系统的存储中，层次之间的磁盘策略直接影响影 响系统吞吐量。本文在研究视频点播系统特有的请求模型基础上，针对本文视 频点播系统的层次存储结构，详细研究了分机分盘分区分段多种磁盘存储策略， 并对磁盘策略影响最大的分段模式进行了深入的分析研究。并在视频点播系统 特有的请求模型基础上，提出了一种应用于高校内部高速网的高清视频服务的 设计方案，从系统功能，系统架构，系统数据存储做了全面的设计，并对该系 统的体系机构和各个组成部分进行了改进，重点是针对用户的v c r 操作，视频 文件的内热度等。对视频文件进行分盘分区分段存储。从而大幅度降低了服拒 绝率，减少了用户等待时间【l 】。 关键字：视频点播高清f m s 分盘分段内热度v c r 硕士学位论文 u n d e rt h eh i g h - d e f i n i t i o nv i d e o - - o n - - d e m a n d b r o a d b a n di pd e s i g na n dr e s e a r c h n a m e ：m aj u n s u p e r v i s o r ：p r o f g u ow e nm i n g a b s t r a c t c o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y a n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta n di n t e g r a t i o n , r e s u l t i n gi nt h ei n t e r a c tm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n st o i n f i l t r a t ea l la s p e c t so fp e o p l e sl i v e s v i d e oo nd e m a n ds y s t e ma so n eo ft h en e t w o r k m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，i nr e c e n ty e a r sh a sb e e nag r e a td e v e l o p m e n t , a p p l i c a t i o n s i z ef r o mt h e p r e v i o u ss i n g l e - - s e r v e r a r c h i t e c t u r eb a s e ds m a l l s c a l e s y s t e mt o g r a d u a l l ys h i f tt h es t r u c t u r eo fl a r g e s c a l eo n - d e m a n dm u l t i - s e r v e rs y s t e m ，t h i sg i v e s v i d e oo nd e m a n ds y s t e mb r i n g sn e wc h a l l e n g e s i nt o d a y , o n l i n ev i d e od e v e l o p m e n tp r o c e s s h i g h - d e f i n i t i o nv i d e o ，m u l t i u s e r s c o n c u r r e n ts t r e a m so fv i d e oo nd e m a n db i gd e v e l o p m e n tt r e n d f m sa sas t r e a m i n g m e d i as e r v e r , s t r e a m i n gm e d i ac a p a b i l i t i e so ft r a d i t i o n a la n df l e x i b l ei n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o r o n - d c m a n da n dl i v es t r e a m i n gm e d i ac r e a t i o np r o v i d e s a ni n n o v a t i v e ，i n t e r a c t i v em e d i aa p p l i c a t i o n s ，t h ep a p e ro ff l a s hm e d i as e r v e r ( f m s ) s y s t e m ，s t a r t i n gg u i d e db yr e l e v a n tt h e o r e t i c a ls t u d y , t h i s p a p e rd e s i g n e d f o r v i d e o - o n - d e m a n ds y s t e mc o m b i n e d 、析廿lad i s t r i b u t e dd u s t e ro ft h r e ed a t a - s h a r i n g s e r v i c e ，t w o l e v e ls t o r a g ea r c h i t e c t u r e i nv i d e o - o n - d e m a n ds t o r a g es y s t e m ，t h el e v e l o fd i r e c ti m p a c tb e t w e e nt h ei m p a c to ft h ed i s ks y s t e mt h r o u g h p u ts t r a t e g y 1 1 1 i s p a p e r s t u d i e st h e r e q u e s t o fv o ds y s t e mb a s e do nt h em o d e l s p e c i f i c ， v i d e o - o n - d e m a n ds y s t e mf o rt h i sl e v e lo fs t o r a g es t r u c t u r e ，ad e t a i l e ds t u d yo ft h e e x t e n s i o ns u b - - s e c t i o nm u l t i d i s kp a r t i t i o nd i s ks t o r a g es t r a t e g ya n dt a c t i c st h em o s t a b s t r a c t i n f l u e n t i a ls u b - d i s km o d e lw a si n - d e p t ha n a l y s i s a n dv i d e oo nd e m a n ds y s t e mb a s e d o nt h em o d e l s p e c i f i cr e q u e s t , ac o l l e g e w i t h i nt h e h i g h s p e e dn e t w o r ku s e d h i g h - d e f i n i t i o nv i d e os e r v i c e sd e s i g n , f r o ms y s t e mf u n c t i o n s ，s y s t e ma r c h i t e c t u r e ， s y s t e md a t as t o r a g et od oac o m p r e h e n s i v ed e s i g n , a n dt h es y s t e mt h es y s t e mo f i n s t i t u t i o n sa n dt h ev a r i o u sc o m p o n e n t sh a sb e e ni m p r o v e d , 、析t 1 1e m p h a s i so n o p e r a t i o n sf o rt h eu s e r sv c r , v i d e of i l e sa n do t h e r i n t e r n a lh e a t v i d e of i l e ss t o r e di n s u b - s u b - d i s t r i c t s i t e t h e r e b ys i g n i f i c a n t l y r e d u c et h er e j e c t i o nr a t eo fs e r v i c e ， r e d u c i n gw a i t i n gt i m ef o ru s e r s k e yw o r d s v i d e oo nd e m a n d ；h i g h d e f i n i t i o n ；l i v ef m s s u b - s u b p a r a g r a p h ； p l a t eh e a t ；v c r 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 视频点播的国内外现状及发展。1 1 2 视频点播与直播的目的及关键技术4 1 3 本文的研究内容及所做的工作6 1 4 本文的主要安排6 第二章流媒体技术8 2 1 流媒体基本技术8 2 2 流媒体的传输优化n 2 3 视频点播及相关概念l 5 第三章f m s 技术。1 7 3 1f m s 功能特点一1 9 3 2f m s 技术与r t m p 协议2 1 3 3 技术架构2 3 3 3 1c l i e n t - s e r v e r 体系结构2 7 3 3 2 f m s 的边缘服务器e d g e 2 8 3 3 3 f m s 集群代理服务器部署模式3 2 第四章流媒体的存储优化3 4 4 1 视频存储技术的发展。3 4 l 目录 4 2 分机分盘分区分段存储模型3 7 4 3 分段文件内热度研究3 8 4 4 缓冲层c a c h e 相关研究4 0 第五章分布式视频点播与直播系统的设计与实现一4 3 5 1 用户需求分析4 3 5 2f m s 视频点播直播系统架构。4 7 5 3 应用分析与性能测试5 0 第六章总结5 6 致谢5 8 参考文献5 9 学位论文原创性声明61 统计学审稿证明6 2 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 视频点播的国内外现状及发展 视频点播系统( v o d ) 系统自从问世以来，随着网络技术与多媒体应用的 不断进步的不断进步，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，成为网络多媒体领域的一大热点。在当今网络视频发展的过程中。高 清视频，多用户，大并发流是视频点播发展的必然趋势。但一直由于计算机性 能和网络带宽的限制。v o d 系统一直只能小范围应用。随着骨干网和接入网带 宽飞速提高以及计算机硬件性能不断完善，v o d 正逐步往大型系统转型中。硬 件存储的容量与价格的逐年下降使得大规模v o d 系统的时机日渐成熟。而在整 个从小转大的过程中，服务的扩展对视频服务器的体系结构，存储布局，数据 迁移，服务策略及软件结构等方面提出了新的要求，存在一系列的技术难点和 问题，解决这些问题具有重大的研究意义。 随着网络通信，多媒体技术和存储技术的发展，互联网正从一个静态数据 内容( 文本，图像) 占主导地位的阶段快速的发展成为一个包含静态媒体内容 和连续媒体内容的综合信息资源库。人们对网络视频点播的需求应运而生。视 频点播( v o d ) 业务是未来网络中最有前途的业务之一。它可以让用户控制节 目的播放，选择节目的播放时间和播放形式。与传统播放方式相比有着无可比 拟的优点。在各种网络上实现视频点播业务成为当前多媒体和网络应用领域的 一个研究热点。作为网络上一个十分具有前景的多媒体应用，v o d 系统已经被 广泛用于局域网，广域网的数据网络，可用于视频点播和交互式直播，也包含 了在商业，教育，娱乐。监控等等多方面的应用，如远程医疗，远程教学，交 互式游戏，在线购物等等。 但是随着计算机和网络技术的进步，用户对网络视频服务的要求和视频质 量也越来越高。视频服务器和网络的压力也不断的增加。传统的软件视频系统 的开发设计到的数据编码，通讯技术，服务端客户端环境构建等因素。开发成 第一章绪论 本和工作量巨大。近年来出现从p c 级的计算机组成向分布式视频点播系统发展 的趋势。 v o d 服务的研究包括研究视频节目的点播频率分布规律( 点播空间的局部 性) 、视频节目的生存周期、用户点播请求的到达模型( 点播时间的局部性) 、用 户交互模型等。由于迄今为止尚未有在市场上获得成功的大规模高清v o d 系统， 因而对v o d 服务特性的研究并不十分充分。通常借用其它领域的相关知识来近 似描述v o d 服务特性，如借用各大门户视频点播网站的相关统计数据来计算视 频节目的点播频率分布和节目的生存周期，借用w e b 访问模型来模拟用户交互 模型等。因此，大规模v o d 系统的理论研究还处于比较初期的阶段。在磁盘缓 存研究方面，大部分的研究都是集中在磁盘内存的缓存结构，以磁盘作为热门 节目缓存的研究还处于开始阶段。本文结合文献l 的研究，针对视频应用的特 点，如用户请求服务服从普阿松分布、节目访问概率满足z i p 法则、不同服务 之间操作及数据无关等，以减小用户请求的被拒绝率和增大系统实际应用的并 行性为目标，提出了整体分层架构，并对流媒体文件进行分盘分区分段处理。 目前，在视频服务器领域，我们所提出的针对高清流媒体分盘分区分段的存放 方法和以磁盘作为c a c h e 的技术研究在国际和国内都还未成熟， 当前v o d 技术概览国内外主要的v o d 架构有c s 结构，p 2 p 技术和分布 式系统等模式，而传统的c s 架构视频点播系统往往使用单一服务器，这类架 构存在带宽不足与磁盘i o 效能低下等弱点，随着用户连接人数的增加，会出 现响应效率低，播放不流畅甚至不能播放等现象。在c s 系统结构中，服务器 系统集中放置在网络的一个地方，所有用户直接从专用服务器上获取视频流， 这样并发服务的用户数目将会受到服务器，能力或网络带宽的限制，针对这些 问题，常用的解决方案是购买大型专用视频服务器，导致成本较高。而且专用 服务器也同样存在最大并发流限制。采用p 2 p 系统架构是提高系统性能的另一 个行之有效的解决方案。p 2 p 的基本思想是采用系统的每一个节点即是资源和服 务的请求者，同时也是资源和服务的提供者，把服务请求分散到真个v o d 系统 2 硕士学位论文 的网络中。从而能大幅解决传统的c s 架构中的性能瓶颈，带来几乎无限的扩 展能力。但p 2 p 同样也存在他自身的弱点。服务请求的不稳定就是最主要的一 个原因，当用户点击服务资源少的视频时候，则依然解决不了等待时间长和服 务拒绝高的现象。所以p 2 p 模式比较试用与视频直播系统。p 2 p 网络还是一种比 较脆弱的网络：在p 2 p 网络中，服务器不再是网络的中心，但是仍然协调着整 个网络的工作，服务器的瘫痪将导致整个网络服务的瘫痪。 在分布式系统结构中，多个服务器被分布在网络中，服务器系统的负载被 动态分配到网络中去。这样，对于在集中式系统结构中可能出现的瓶颈，就 可以分布到整个网络中进行解决，即使视频服务器使用较为普通的微机，也能 达到较高的服务水平，可以为中型甚至大型网络提供服务，而且价格上有很强 竞争力。但目前分布式v o d 点播大都采用了伪分布式架构，视频文件分类存放 在多个服务器上。在面对用户高并发和用户v c r 操作时力不从心。，在网络的 动态扩容和升级方面也存在一定的缺陷。 由于视频点播系统具有广泛的应用前景和显著的社会、经济效益，不少高 校和研究机构都有对视频点播系统进行相关的研究，也有一些公司己经开发出 用于园区级地域范围的小规模视频点播系统。这方面的产品主要着重于视频服 务器的实现，研究重点在于如何提高单台服务器的并发流，以及提高服务的q o s ， 而在这方面国外已经有了系统的研究，目前在市场中应用比率最高的三种流媒 体技术方案有微软的w i n d o w sm e d i as e r v i c e s 、r e a ln e t w o r k s 的r e a ls y s t e m 和 a p p l e 的q u i c kt i m e s ，它们是网络流媒体传输系统的三大主流技术。 用以上产品和技术可以轻松组成一个小规模的单服务器视频点播系统，其 性能比使用普通p c 机作为服务器要高出很多倍。但在多个视频服务器组成的大 规模视频点播系统中，影响整个系统性能的就不仅仅是单个视频服务器的性能 了，每个视频服务器要分担部分的服务请求，如果各个视频服务器独立地为用 户服务，那整个系统的性能的提升将非常有限，同时还有可能浪费资源。大规 模视频点播系统必须解决系统的总体结构、数据的存储及调度策略以及视频服 第一章绪论 务器的负载平衡等问题。 1 2 视频点播与直播的目的及关键技术 多年以前，网络上传递的只能是简单的文本和图片，随着时间的推移，人 们希望能够通过网络传递声音视频等丰富多彩的信息，随着计算机技术、网络 技术和多媒体技术的发展与结合，不仅使得这种希望成为可能，而且网络多媒 体应用已经渗透到人们生活的各个方面，如视频电话、视频会议、视频聊天、 网络游戏等等。与此同时，基于高速内网网络的视频点播系统成为计算机、通 信、多媒体领域研究的热点之一，利用较大的网络带宽实现高清视频传输的流 媒体技术也f 1 趋成熟，很多商业机构也以提供在线视频点播服务作为盈利方 式。 作为一个重要的研究领域，视频点播系统涉及到的关键技术有： 1 系统的体系结构。系统的体系结构是影响系统服务性能的重要因素。网络 带宽、系统总线带宽、存储带宽、存储容量等系统的基础部件的发展是不平衡 的，单单某个部件的进步并不能提高系统的总体性能。好的体系结构虽然不能 消除各个部件带来的性能瓶颈，但是它可以采取某种策略有效的缓解瓶颈部件 对系统总体性能的限制。早期的视频服务系统多是单服务器结构，应用范围小 且服务的用户数量少，分布式的体系结构可以克服单服务器结构的不足，通过 服务器间的通信，采用各种策略平衡各个部件和服务器，线性提高了整体的性 能和效率，可以满足大量并发用户的请求。 2 动态负载均衡。在分布式视频点播系统中，负载均衡就是根据各服务节点 的性能和负载来分配任务，以达到各服务节点的负载平衡，从而最大限度的发 挥系统的整体性能。通俗地说就是不要让某台服务器太累而另外一台服务器却 闲着。由于请求的动态变化必然导致系统各服务节点负载的动态变化，所以系 统有必要根据某种均衡策略平衡各节点的负载，以便高效地为用户提供服务。 3 视频数据的存储策略。众所周知，系统的存储设备的磁盘性能会影响系统 的整体性能但是视频数据在服务器的存储和分布同样会影响视频服务器的磁盘 4 硕士学位论文 性能，从而影响系统的性能。通常来说，存储设备都是视频服务系统的性能瓶 颈。为了在现有的存储设备条件下最大限度地提高系统的服务数量和质量，采 用将视频数据分段和分层的策略平衡服务器内部成员的磁盘负载，减弱磁盘子 系统对整个系统的制约。 4 磁盘c a c h e 策略。采用视频数据的分层存储策略，将所有视频数据存储在 数据节点服务器上，同时将点播率较高的节目存储在视频服务器的磁盘中。利 用良好的磁盘c a c h e 策略可以提高视频服务器磁盘存储的节目的命中概率，并 且在视频节目的替换过程中不会影响该视频服务器正在提供的服务的质量。 5 视频数据的编解码。视频数据的编解码是视频服务系统的重要技术之一， 正是由于编解码技术的进步，才使得网络多媒体应用成为现实。编码技术的发 展使得有限的存储空间可以存储海量的视频数据，也使得有限的网络带宽可以 响应更多的并发用户。视频的流传输和网络带宽的动态匹配也是通过编码技术 来解决的。 6 视频的流式传输和网络带宽动态匹配。流式传输是相对于下载观看方式而 言的，它主要指音频、视频和动画等连续媒体由服务器向客户端连续、实时传 送，客户端经过较短的缓冲处理后即可观看，在播放的同时利用缓存接收服务 器的数据。流式传输克服了下载方式占用空间大、延时长的缺点，更适合视频 这样的连续实时数据的传输。视频点播系统面对的用户使用的宽带接入方式会 不同，网络的质量也是动态变化的，因此用户可利用的带宽并不是稳定的，而 是动态变化的，这样就要考虑视频流传输时与网络带宽的匹配，以保证用户观 看节目的连续性。除此之外，不同的用户可能购买不同质量的服务，系统也应 可以提供这种服务。 7 网络带宽的多路复用。解决以上技术的视频点播系统其性能得到很大的提 高，可以满足一定程度用户需求，为用户提供高质量的视频服务，但是在超大 规模视频点播系统应用中就不够，超大规模视频点播系统的并发用户数大的惊 人，此时如果仍然对每个请求提供一个通道的话，网络的带宽将无法胜任，只 5 誊 对每个部分进行了介绍；随后对当前视频点播系统可以采用的体系结构和数据存 储方式进行了分析和比较，为后面设计本文的视频点播系统的体系结构提供依 据。 第三章f m s 的概述，介绍了f l a s h 技术和f l a s hp l a y e r 插件，介绍了f m s 的功能特点和技术架构，以及采用f m s 的优势和f m s 的应用前景，并介绍了 r t m p 实时消息传输协议的数据结构。 第四章为为视频点播系统中的存储策略的研究，本章首先置项了视频点播 6 硕士学位论文 系统中存储策略的目标和原则，然后基于分布式系统设计模型，最后给出了本 文设计的一个基于分布式文件系统的分盘分段存储策略。 第五章基于f m s 的视频点播与直播系统的设计与实现。详细介绍了视频点 播与直播系统的用户需求，系统体系结构，网络拓扑设计等。 第六章是总结和展望，对本人的研究成果进行了系统总结和概括，针对目 前工作的不足提出建议。 论文的结尾是致谢和参考文献部分。 7 第二章流媒体技术 第二章流媒体技术 2 1 流媒体基本技术 流媒体技术起源于窄带互联网时期。1 9 9 4 年，美国p r o g r e s s i v en e t w o r k s 公 司的成立标志着流媒体技术的开始。1 9 9 5 年，他们推出了c s 架构的音频接收 系统r e a l a u d i o ，并在随后的几年内引领了网络流式技术的潮流。1 9 9 7 年9 月， 该公司更名为r e a ln e t w o r k s ，相继发布了多款应用非常广泛的流媒体播放器 r e a lp l a y e r 系列，在其鼎盛时期，曾一度占据该领域超过8 5 1 1 1 的市场份额。 r e a ln e t w o r k s 公司是流媒体技术真正意义上的始祖。随后微软和苹果公司等都 意识到流媒体技术的广阔应用前景，引发了强大的市场竞争，促进了流媒体技 术的迅速发展，使得流媒体技术应用空前广泛。早期的流媒体技术主要是在窄 带互联网上应用，受带宽条件的制约。到1 9 9 9 年，人们在网上也才仅仅可以看 到一个很小的视频播放窗口。2 0 0 0 年下半年，随着全球范围内的互联网升温， 宽带p 网成为现实，作为流媒体技术倡导者和发起者的美国r e a ln e t w o r k s 、微 软和苹果等公司几乎同时向世界宣布了他们最新的流媒体技术的宽带解决方 案。在短短的时间里，流媒体技术有了飞跃性发展。今天，流媒体的发展我们 已有目共睹，我们完全可以在网络上进行全方位的视听接触。 流媒体是从英语s t r e a m i n gm e d i a 中翻译过来的，它是一种可以使音频、视频和 其他多媒体文件能在i n t e m e t 及i n t r a n e t 上以实时的、无需下载等待的方式进行 播放的技术。简单来说就是应用流媒体技术在网络上传输的多媒体文件，而流 媒体技术就是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放在网站服务器上，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的机器后 才可以观看的网络传输技术【2 1 。该技术先在使用者端的电脑上创造一个缓冲区， 于播放前预先下载一段资料作为缓冲，当网络实际连线速度小于播放所耗用资 料的速度时，播放程序就会取用这一小段缓冲区内的资料，避免播放的中断， 也使得播放品质得以维持，如图所示。流媒体技术是一个综合的技术，它包括 8 硕士学位论文 信息的采集、编码、传输、储存、解码等多项技术。一般来说，流包含两种含 义，广义上的流是使音频和视频形成稳定和连续的传输流和回放流的一系列技 术、方法和协议的总称，我们习惯上称之为流媒体系统；而狭义上的流是相对 于传统的下载回放( d o w n l o a d p l a y b a c k ) 方式而言的一种媒体格式。 t h ep r i n c ip l eo fs t r e a m i n g ( as n a p s h o ti nt i m e ) 流媒体即时播放示意图 流媒体系统主要包括五个部分： 1 编码工具：用于创建、捕捉和编辑多媒体数据，形成流媒体格式； 2 流媒体数据； 3 服务器：存放和控制流媒体的数据； 4 网络：适合多媒体传输协议甚至实时传输协议的网络； 5 播放器：供客户端浏览流媒体文件。如图所示 9 第二章流媒体技术 炙 疆 毫器 流媒体的实现包括制作、发布、传输和播放四个环节1 3 1 | 4 1 ： 1 制作环节：运用编码工具，将采集到的音频视频信号进行压缩编码，转 换成流格式，减小文件大小，降低对存储空间和网络带宽的要求。 2 发布环节：在普通的多媒体文件中加入流式信息以适合流式传输，采用 专门的流媒体发布平台，完成流媒体的发布。 3 传输环节：流媒体传输的实现需要合适的传输协议。一般采用r t m p 协 议来传输控制信息，而用r t p 、r t c p 、r t s p 等网络协议传输实时流媒体数据。 4 播放环节：流媒体到达，首先进行缓冲以减小延迟和抖动的影响，并保 证数据包的顺序正确，之后进行音视频数据解码，采用同步算法，保证流媒体 的正常播放。流媒体的主要发布形式：点播与直播点播：就是将制作好的流媒 体文件存储在媒体服务器上，该媒体服务器可以使流媒体服务器也可以是普通 的w e b 服务器。用户可以在任何需要的时候用浏览器来播放流媒体文件。如果 媒体文件存储在流媒体服务器上，还可以任意机型v c r 操作，即快进，快退， 种植播放等操作，播放不会受影响。 流媒体的网络发布主要有两种形式1 5 】= 点播和广播。 1 点播：将制作好的流媒体节目存储在媒体服务器上，该媒体服务器可以是 1 0 硕士学位论文 流媒体服务器也可以是普通的w e b 服务器。用户可以在任何需要的时候用浏览 器来播放流媒体文件。如果媒体文件存储在流媒体服务器上，还可以任意进行 前进、倒退、停止等操作，播放不会受到影响。但如果媒体文件存储在w e b 服 务器上，由于w e b 服务器不支持流媒体文件的内部时间线，以及不接收流媒体 播放器的播放反馈，因此不能进 行快进操作，也就是说当用户拖动快进按钮时，播放会停止，w e b 服务器继续 下载需要的数据，直到接收到快进按钮所指的时间位置的数据时，才能继续播 放。 广播：从类别上分为实时广播和非实时广播 实时广播是指用户所收看到的节目是现场正在发生的事件，如电视直播， 网络会议直播等等，由于是实时的节目，是不能进行v c r 等操作。 。 非实时广播是有媒体服务器将制作好的流媒体文件在特定的时间同时向预 定的多个用户进行传送，于实时广播相同的是用户同样只能在特定的时间收看 到特定的内容，同样也是不能进行v c r 操作。 2 2 流媒体的传输优化 誊 由于网络带宽资源的限制，网络传输与服务模式的不适合，特别是高清流 媒体文件，需要网络高带宽的长时间占用，复杂的网络传输及一些i o 的管理， 如带宽的分配，带宽利用率，接纳控制等问题，再加上一些相关网络技术有待 迸一步提高，因而基于网络的大规模分布式高清多媒体应用技术的研究大多尚 处于实用的初级阶段【6 1 在网络上传输音视频等多媒体信息目前主要有下载和流式传输两种方案。 a n 文件一般都比较大，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。流式媒体就 是指在i n t e m 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，如声音、影像或 动画等时基媒体由音视频服务器向用户计算机连续、实时传送，用户不必等到 整个文件全部下载完毕，而只需要经过几秒或几十秒的启动延迟即可进行观看。 第二章流媒体技术 当声音等时基媒体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台服务器内继续 下载。流式不仅使启动延迟成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。 流式传输避免了用户必须等待整个文件全部从i n t e m e t 上下载完全才能观看的缺 点。流媒体实现的关键技术就是流式传输。流式传输定义很广泛，现在主要指 通过网络传送媒体( 如视频、音频) 的技术总称。其特定含义为通过i n t e m e t 将影 视节目传送到p c 机。实现流式传输有两种方法：实时流式传输限e a lt i m e s t r e a m i n g ) 和顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 。一般说来，如视频为实时广播， 或使用流式传输媒体服务器，或应用如r t s p 的实时协议，即为实时流式传输。 如使用h t t p 服务器，文件即通过顺序流发送，采用哪种传输方法依据你的需 求，当然，流式文件也支持在播放前完全下载到硬盘。 流媒体在互联网上的传输必须涉及到网络传输协议，其中包括i n t e m e t 本身 的多媒体传输协议，以及一些实时流式传输协议等，只有采用合适的协议才能 更好地发挥流媒体的作用，保证传输质量q o s 。i e t f ( i n t e m e t 工程任务组) 是 i n t e m e t 规划与发展的主要标准化组织，已经设计出几种支持流媒体传输的协议。 主要有用于i n t e r a c t 上针对多媒体数据流的实时传输协议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 ) 、与r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务的实时传输控制 协议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 ) 、定义了一对多的应用程序如何 有效地通过口网络传送多媒体数据的实时流协议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 ) 。除上述协议之外，流媒体技术还包括对于流媒体类型的识别。 实时传输协议是流媒体系统中的关键技术，只有选择合适的传输协议才能 更好地发挥流媒体的作用以便保证传输质量。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 u d p 来传输实时多媒体 数据【小 1 实时传输协议( r t p ，r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) ，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。它与h t t p 和f t p 类似，但是适应实时流的特殊 1 2 硕士学位论文 需要。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，它比用t c p i p 协议更快 更高效。r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议之上工作。r t p 本身并不能为 按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不能提供流量控制或拥塞控制，它 依靠r t c p 提供这些服务。r t p 数据包中包括四项基本内容，通过图2 5 我们可 以形象地看到r t p 数据包的位置及结构。r t p 数据包由固定报头和有效载荷两 部分组成，其中固定报头又包括时间戳、顺序标号、同步源标志、贡献源标志 等，有效载荷就是传输的音频或视频等多媒体数据。 r t p 数据包示意图 2 实时传输控制协议( 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 ) ，它和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务，它是r t c p 的伴随协议。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 包中含有已发送数据包的数量、丢失数 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。 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，因而 特别适合传送网上的实时数据。 3 实时流协议( r t s p ，r e a l - t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) ，是由r e a ln e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的，是r t p 的伴随协议，允许双向通信，因此观看者可以 命令服务器将节目回放、跳进等。该协议定义了一对多应用程序如何有效地通 第二章流媒体技术 过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 上，它使用 t c p 或r t p 完成数据传输。 4 资源预订协议( r s v p ，r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c 0 1 ) ，并不是一个路由协议， 而是一种m 网络中的信令协议，使用r s v p 能在一定程度上为流媒体的传输提 供q o s ， 顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体， 在给定时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的那部分， 顺序流式传输不像实时流式传输在传输期间根据用户连接的速度做调整。由于 标准的h t t p 服务器可发送这种形式的文件，也不需要其他特殊协议，它经常 被称为h t t p 流式传输。顺序流式传输比较适合高质量的短片段，如片头、片 尾和广告，由于该文件在播放前观看的部分是无损下载的，这种方法保证电影 播放的最终质量。这意味着用户在观看前必须经历延迟，对较慢的连接尤其如 此。对通过调制解调器发布短片段，顺序流式传输显得很实用，它允许用比调 制解调器更高的数据速率创建视频片段。尽管有延迟，但毕竟可允许发布较高 质量的视频片段。顺序流式文件是放在标准h t t p 或f t p 服务器上的，易于管 理，基本上与防火墙无关。顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的视 频，如讲座、演说与演示。它也不支持现场广播，严格说来，它是一种点播技 术。实时流式传输实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体 可被实时观看到。实时流与h 1 r p 流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器 与传输协议。实时流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访 问，用户可快进或后退以观看前面或后面的内容。理论上，实时流一经播放就 不可停止，但实际上，可能发生周期暂停【7 】。 1 从视频质量上讲，实时流式传输必须匹配连接带宽，由于出错丢失的信 息被忽略掉，网络拥挤或出现问题时，视频质量会很差；如欲保证视频质量， 顺序流式传输更好。 2 实时流式传输需要特定服务器，如q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 、r e a l s e r v e r 、w m d o w sm e d i as e r v e r 与f m s ，这些服务器允许对媒体发送进行更多级 1 4 硕士学位论文 别的控制，因而系统设置、管理比标准h t t p 服务器更复杂。 3 实时流式传输还需要特殊网络协议，如：r t s p ，这些协议在有防火墙时 有时会出现问题，导致用户不能看到一些地点的实时内容；而顺序流式传输与 防火墙无关。 2 3 视频点播及相关概念 v o d 是v i d e oo nd e m a n d 的缩写，即视频点播的意思。顾名思义，它是一 种可以按用户需要点播节目的交互式视频系统，或者更广义一点讲，它可以为 用户提供各种交互式信息服务。v o d 是一种多媒体网络服务，它使用户能够在 任何时间通过网络从服务器中访问到任何多媒体数据内容，并能对使用过程施 加控制。 从该定义中，我们可以看到v o d 应用的三个特点： ( 1 ) v o d 提供的内容是用多媒体数据表示的，并以多媒体信息的点播服务为 主，这一特点使v o d 应用区别于现有的以提供文本或其它非连续信息为主的网 站服务； ( 2 ) v o d 采用c l i e n t s e r v e r 结构，多媒体数据来自于网络上的服务器，这一 点使v 0 d 区别于本地多媒体应用； ( 3 ) v o d 是一种交互式应用，用户在使用过程中可以施加控制，这一点使 v o d 应用区别于下载后播放。 1 1 2 v o d 基本结构和技术 v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 群 视频点播技术的简称，也称为交互式电视点播系 统。视频点播是计算机技术、网络技术、多媒体技术发展的产物，是一项全新的 信息服务。它摆脱了传统电视受时空限制的束缚，解决了一个想看什么节目就看 什么，想何时看就何时看的问题。 1 5 第二章流媒体技术 v 视频点播的工作流程为：用户在客户端启动播放请求，这个请求通过网络发 出，到达并由服务器的网卡接收，传送给服务器。经过请求验证后，服务器把存储子 系统中可访问的节目名准备好，使用户可以浏览到所喜爱的节目单。用户选择节 目后，服务器从存储子系统中取出节目内容，并传送到客户端播放。通常，一个“回 放连接”定义为一个“流”。采用先进的“带有控制的流”技术，支持将上百个高质量 的多媒体“流”传送到网络客户机。客户端可以在任何时间播放存在服务器视频存 储器中的任何多媒体资料。客户端在接收到一小部分数据时，便可以观看所选择 的多媒体资料。这种技术改进了“下载”或简单的“流”技术的缺陷，能够动态调整 系统工作状态，以适应变化的网络流量，保证恒定的播放质量。在v o