（计算机应用技术专业论文）ip网络vod中具有qos保证的流媒体系统结构研究与设计.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：塑凸岔日期：2 竺生：! ：! 至 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：篮盐墨导师签名：i 垦! 主l 墨日期：丝竺：主：丝 山 东大学硕士学位论文 摘要 流媒体是一个全新的概念，它是一个开放的还没有标准化的框架。在这个框 架中，它包含用于传输数据的实时传输协议( 如r t p ) 和用户建立会话的信令协 议( 如r t s p s d p 协议) ，另外再加上保证q o s 的资源预留协议( 如r s v p ) 等。 v o d 系统是流媒体的一种在网络上的具体应用。可以分为两大类：基于 c a t v 网和基于i p 网的v o d 系统。在国内，基于i p 网络的v o d 系统真正的基 于底层的核心系统级的研究开发很少，本课题就是基于此提出的。 本文对v o d 流媒体的系统内核结构和基于源代码级的系统设计进行了深入 研究，设计了一种v o d 流媒体系统，由于当前流媒体面临的主要挑战是流媒体 的q o s 保证，因此研究设计侧重在流媒体系统网络传输的q o s 保证上。当前v o d 流媒体网络传输的q o s 保证方法主要基于r t p r t c p 协议，r s v p 协议目前还很 少被引入到v o d 流媒体系统中。在本课题设计的系统中，除了采用一种新的基 于r t p 的动态q o s 控制算法外，还引入了r s v p 协议，给出了具体的实现方法 设计，为流媒体传输q o s 提供双重保证。本课题设计了v o d 流媒体系统的软件 结构、硬件结构，对系统的核心媒体数据流式处理模块进行了详细分析设计：研 究分析了各个协议r t p r t c p 、r s v p 、r t s p s d p 在本系统中的详细实现方法， 并对系统的基于w e b 的点播服务端、集中式管理服务模块和客户端的流式网络 播放器进行了程序实现。 设计的系统主要有以下特点：( 1 ) 采取了一系列措施保障流媒体的网络传输 q o s ：采用了基于r t p 册c p 的动态q o s 控制算法，分析分组丢失率，采取一种 新的拥塞控制算法调整带宽，此算法针对多播情况下多用户带宽调整的特点，采 用的带宽调整策略使得b 口使有大量用户同时增加带宽，网络也不会明显产生拥 塞，平滑了网络带宽：同时通过r l r ( r s v pl i b r a r yr e d i r e c t i o n ) 方法与微软的 w i n s o c k 2g q o s 技术相结合，在系统实现设计中引入了r s v p 协议，为流媒 体预留带宽等资源，给流媒体传输q o s 提供了双重保证。( 2 ) 支持交互式操作： 系统中采用r t s p 协议为用户提供v c r 支持，r t s p 协议与基于多播的多线程调 度技术相结合，既利用了多播的带宽利用的高效性，又兼顾了v c r 操作的灵活 性。用户通过基于w e b 的点播服务端查询数据库服务端，分类查看、点播选定 的节目，与服务器进行各种交互式v c r 操作。( 3 ) 分布式存储、集中式管理： 系统采用多个媒体数据流式处理、存储服务器，分散了点播负载，支持更多的用 户数和节目数，且易于扩展。通过基于w e b 的管理服务端模块和上载客户端 服务端模块来集中管理整个系统。( 4 ) 基于d i r e t s h o w 技术的流式播放器：采用 双缓冲队列技术消除网络延迟和抖动的影响，通过先进的d i r e c t x 中的 d i r e c t s h o w 技术实现了m p e g i 2 流式网络播放器。 关键字：v o d 流媒体，q o s ，r t p r t c p ，r s v p ，流式播放器 山 东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t r e a m i n g m e d i ai san e w c o n c e p t a n d i s 姐o p e nf r a m e w o r kw i t h o u t s t a n d a r d i z a t i o n i nt h i s f r a m e w o r k ，t h er e a l - t i m et r a i l s f e rp r o t o c o lw h i c ht r a n s f e r s m e d i a d a t a ( s u c h a s r 1 、p ) 、t h es i g n a l p r o t o c o l s w h i c hu s e r s u s et os e tu d c o n v e r s a t i n n s ( s u e h a s r t s p s d p ) a n dt h e r e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c o lw h i c h g u a r a n t e e sq o s ( s u c h a sr s v p ) a r ei n e l u d e d t h ev o d s y s t e mi s ac o n c r e t ea p p l i c a t i o no fs t r e a m i n gm e d i a lw h i c hc a nb e d i v i d e di n t ot w ot y p e s ：t h ec a t vn e t w o r k - b a s e dv o da n dt h ei pn e t w o r k - b a s e d v o d t h e r ea r eaf e wr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n t so nt h ek e m e ls y s t e mo ft h ei p n e t w o r k b a s e dv o dn o wi nc h i n a w h i c ho u rr e s e a r c hi sb a s e do n i nt h i sp a d e rt h es y s t e m sk e r n e ls t r u c t u r ea n dt h ed e s i g nb a s e do ns o a r c ec o d e si n t h ev o ds t r e a m i n gm e d i as 3 ，s t e ma r ei n - d e p t hr e s e a r c h e da n d 吐l ev o d s t r e a m i n g m e d i as y s t e mi sd e s i g n e d b e c a u s et h em a i nc h a l l e n g et ot h es t r e a m i n gm e d i ai st h e q o sg u a r a n t e e ，t h er e s e a r c ha n dd e s i g ne m p h a s i z ep a r t i c u l a r l yo n t h eq o s g u a r a n t e e o ft h en e t w o r kt r a n s f e ri n s t r e a m i n gm e d i as y s t e m n o wt h e m e t h o d so fq o s g u a r a n t e ei nn e t w o r k t r a n s f e ro ft h ev o d s y s t e ma r em a i n l yb a s e d o nt h er t p r t c p p r o t o c 0 1 n er s v pp r o t o c o li sr a r e l yu s e di nt h ev o ds t r e a m i n gm e d i as y s t e m i n t h es y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e r ，b e s i d e san e wa r i t h m e t i co fq o sd y n a m i ce o n t r o l b a s e do nt h er t p p r o t o c o lu s e d t h er s v pp r o t o c o li su s e d t l l i sp a p e ra l s og i v e s t h ec o n c r e t em e t h o do f r e a l i z a t i o nd e s i g n e d t h u sd o u b l eq o sg u a r a n t e e sa r cs u p p l i e d t ot h et r a i l s f e rq o so fv o d s t r e a m i n gm e d i a i nt h i sp a 口e rav o ds t r e a m i n gm e d i a s y s t e mi sd e s i g n e d t h es o f ta r c h i t e c t u r ea n d 也eh a r d w a r ea r c h i t e c m r eo f t h i sv o d s y s t e ma r ep r e s e n t e d t h ep r o c e s s i n gr o o d u l eo fs t r e a m h a gm e d i a d a t a t h ek e m e l o ft h i ss y s t e m i sd e s i g n e di n - d e p t h ：t h ec o n c r e t em e t h o d so fr e a l i z a t i o no fe v e r y p r o t o c o l si nt h i ss y s t e m ，s u c ha sr t p r t c p 、r s v p a n dr t s p s d p ，a r er e s e a r c h e d a n da n a l y z e d t h ep r o g r a m m i n gr e a l i z a t i o n so f t h eo r d e rs e r v e rb a s e do nt h ew e b 、 t h em o d u l eo fc o n c e n t r a t i v em a n a g e m e n ta n dt h en e t w o r ks t r e a m i n gp l a y e ri nt h e c l i e n to f t h i ss y s t e ma r ep r e s e n t e d t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f 也i ss y s t e ma r ea sf o u o w s ：( 1 ) as e r i e so fm e t h o d so f t h e q o s 印a r a n t e eo ft h e n e t w o r kt r a m , ；f e ri nt h es t r e a m i n gm e d i as y s t e m a r e a d o p t e dt h ed y n a m i ca r i t h m e t i co fq o s c o n t r 0 1b a s e do nt h er t p 瓜t c p p r o t o c o li s a d o p t e d i nt h i sa r i t h m e t i ct h el o s tr a t e sa r ea n a l y z e da n dan e w b a n d w i d t ha d j u s t i n g s t r a t e g yi sa d o p t e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fb a n d w i d t ha d j u s t m e n to fm a n y u s e r s ，t h i sa d j u s t m e n ts t r a t e g ya d o p t e db yt h e a r i t h m e t i cd e c r e a s e st h en e t w o r k c o n g e s t i o ne v e ni fm a n y u s e r si n c r e a s et h eb a n d w i d t hs i m u l t a n e o u s l ya n ds m o o t h e s t h eb a n d w i d t h a l s ot h r o u 曲t h e i n t e g r a t i o n o ft h e r l r ( r s v pl i b r a r y r e d i r e c t i o n ) m e t h o da n d t h et e c h n i q u eo fm i c r o s o f t 7 i n s o c k 2g q o s t h er s v p p r o t o c o li s u s e di nt h es y s t e m t h u sd o u b l eq o sg u a r a n t e e sa r es u p p l i e dt o t h e t r a n s f e rq o so fv o ds t r e a m i n gm e d i ad a t a ( 2 ) i n t e r a c t i v eo p e r a t i o n sa r eo f f e r e di n t h i ss y s t e m t h er t s pp r o t o c o li su s e dt os u p p l yt h ev c ro p e r a t i o n sf o r u s e r si nt h i s s y s t e m t h er t s pp r o t o c o l i s i n t e g r a t e dw i t ht h es c h e d u l i n gt e c h n i q u e o fm u l t i 3 山东 大学硕士学位论文 t h r e a d sb a s e d0 1 3 m u l t i c a s t ，w h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h em u l t i c a s t sg r e a te f f i c i e n c y a n dt h ef l e x i b l e n e s so fv c r o p e r a t i o n si sg i v e na t t e n t i o nt o u s e t sb r o w s ea n do r d e r t h ep r o g r a mb ys o r t st h r o u g ht h eq u e r y i n gt ot h ed a t a b a s es e r v e ro ft h eo r d e rs e r v e r b a s e do nt h ew e b a n dt h e na 1 1k i n d so fi n t e r a e t i v ev c r o p e r a t i o n sa r ec a r r y i n go u t ( 3 ) i at h i ss y s t e mm e d i ad a t aa r es t o r e dd i s t r i b u t e da n dt h em a n a g e m e n t sa r e c e n t r a l i z e d t h e r ea r em a n y d i s p o s a la n d s t o r es e r v e r so f m e d i ad a t a ，t h u st h eo r d e r e d l o a d sa r ed i s t r i b u t e da n dm a n yu s e sa n dp r o g r a l r l sa r eo f f e r e d a n da l s ot h i ss y s t e m c a nb ee n l a r g e de a s i l y t h i ss y s t e mi sm a n a g e dc e n t r a l i z e db yt h em a n a g e m e n ts e r v e r b a s e do nt h ew e ba n dt h eu p l o a dc l i e n t s e r v e r f 4 1a s t r e a m i n gp l a y e ri sr e a l i z e d b a s e do nt h ed i r e c t s h n w t e c h n i q u e i nt h i ss y s t e m t h em p e g 1 2n e t w o r ks t r e a m i n g p l a y e r sa r er e a l i z e dt h r o u g h t h ed i r e c t s h o w t e c h n i q u ea n d t h ed o u b l e - b u f k r i n q q u e u e t e c h a _ l o l o g yw h i c h d e c r e a s e st h en e t w o r k sl a t e n c ya n d j i t t e r k e y w o r d s ：v o ds t r e a m i n gm e d i a ，q o s ，r t p r t c p ，r s v p ，s t r e a m i n gp l a y e r 4 山 东大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 流媒体系统的研究现状： 网络多媒体的发展方兴未艾，这得益于两个方面：多媒体技术促进了计算机 的人性化，而网络技术促进了计算机的普及化。面向计算的传统计算机功能简单 且操作复杂，而多媒体技术通过视频、音频和更广义的人机交互等手段拓展了计 算机的功能，同时降低了计算机的操作复杂度。计算机硬件水平按照摩尔定律飞 速发展，多媒体数据的压缩、存储、检索和渲染技术也逐渐成熟，多媒体技术已 进入其发展的高潮阶段。i n t e r n e t 为广大用户提供了规模非常大的信息服务，极 大地提高了人们获得信息的能力，日益成为人们通信、交流、娱乐、工作的重要 信息工具。目前，i n t e m e t 使世界日益变成一个“地球村”，在这样的背景下，多 媒体和网络的交叉课题流媒体的发展成为一个必然结果。分析表明，目前 i n t e m e t 服务器5 0 以上的存储内容是流媒体数据。流媒体的应用系统、国际标 准和基础研究正成为目前世界产业界和科研机构密切关注的焦点。 典型的流媒体应用系统包括v o d ( v i d e o o n d e m a n d ) 系统、视频会议( v i d e o c o n f e r e n c e ) 、远程教育( d i s t a n c el e a r n i n g ) 系统、数字图书馆( d i g i t a ll i b r a r y ) 等。目前，i n t e r n e t 中最通用的流媒体软件包括m i c r o s o f tw i n d o w sm e d i ap l a y e r ， a p p l eq u i c k t i m e ，r e a lr e a l n e t w o r k s 等，w i n d o w s m e d i a p l a y e r ，r e a l n e t w o r k s 等流媒体播放器甚至已成为p c 的标准配置。专业级v o d 系统及视频服务器产 品包括c i s c oi p t v ，n c u b em e d i a c u b e ，o r a c l eo v s ，s u nm e d i a c e n t e r ，h p m e d i a s t r e a m ，s t r e a m i n 9 2 l 等。流媒体的各种产品受到i t 产业界的极大关注， 从1 9 9 8 年开始的流媒体展览会目前已成为计算机产业界最为重要的展览会之 一。这些产品的迅速普及和应用，极大地促进了流媒体的国际标准和协议的制定 与竞争，同时也推动了流媒体基础研究的逐步展开。 目前，多媒体及网络领域的相应国际标准和协议充分考虑了流媒体的应用。 在多媒体领域，m p e g 系列标准( m p e g t m p e g 一2 m p e g - 4 ) 对网络传输的重 视逐渐加强。在网络领域，i n t e m e t 专家任务组i e t f ( i n t e r n e te x p e r tt a s kf o r c e ) 制定了实时传输协议、实时传输控制协议r t p r t c p ( r e a l t i m e t r a n s f e r p r o t o c o l r e a l t i m et r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议族。该协议族是运行在u d p 上 的传输层协议，1 9 9 6 年成为i n t e m e t 国际标准。针对具体应用，i e t f 还制定了 r t p 与特定媒体相结合的标准( r f c ) ，如h 2 6 3 o v e rr t p ，i n t e r l e a v e dm e d i ao v e r r t p ，g e n e r a la u d i oo v e rr t p ，f e co v e rr t p 等。m p e go v e rr t p 的标准为 r f c 2 2 5 0 ，该协议在r t p 对m p e g 的封装过程中，将m p e g 码流特征信息如时 戳、编码层次结构等拷贝到r t p 包头( h e a d e r ) 中，对m p e g 视频的解析和封 装直达片层( s l i c e ) ，从而使r t p 分组有很强的q o s 保障，传输终端可通过r t p 包头分析传输中的差错( 丢失率、乱序、延迟和抖动) ，再通过一定的缓冲和补 偿算法，修复相当程度的网络差错。除了r t p 协议以外，还有很多其它支持多 媒体的传输和控制协议，如r s v p ( 资源预留协议) 、r t s p ( 实时流化协议) 等。 流媒体的应用推动了流媒体研究的发展。流媒体的研究包括流媒体编解码技 术、流媒体服务器技术、端到端( e n d t oe n d ) 流媒体技术和流媒体系统技术等。 流媒体编解码技术建立在传统多媒体编解码技术的基础上，在最近5 年内得到蓬 勃发展。典型的流媒体编解码技术有：用于6 4 k b p s 视频传输的h 2 6 1 、面向 山 东大学硕士学位论文 1 5 m b p s 数字视音频传输和存储的m p e g 1 、面向高品质数字视频音频传输和存 储的m p e g - 2 以及适于低码率视频编码的h 2 6 3 。流媒体服务器技术是流媒体早 期研究的重点，它对传统文件服务器进行扩展和改造，使之能够有效地支持流媒 体应用。典型的流媒体服务器技术包括数据放置策略、磁盘调度算法、内存缓冲 区管理算法等。端到端流媒体技术用以解决媒体流在两个端系统间传输的相关问 题，典型的研究包括媒体流拥塞控制策略、速率整型策略等，端到端技术的研究 目标是为了提高流媒体应用的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。而流媒体系统技术不仅仅 关注流媒体的q o s ，还注重提高流媒体的系统效率。典型的流媒体系统技术包括 流媒体调度技术、流媒体的应用层组播技术等。 1 2 课题的提出 v o d 系统可以分为两大类：基于c a t v 网和基于i p 网的v o d 系统。当前，从 对国内外各种基于i p 网络的v o d 系统的了解可以看到，由于技术层砸上的原因， 除了像国外些大的公司，比如m i c r o s o f t ，s u n ，o r a c l e ，c i s c o 等等 知名厂商，以及少数国内像豪杰公司、清华同方等等专业的多媒体公司外，多数 公司和代理商基本上都是采用购买国外的核心服务器，或者与外国专业公司合作 以利用其控件的套路，有的干脆就是采用w i n 2 0 0 0 下面自带的一个媒体服务器 套件+ w i n d o w sm e d i a 的方法实现网络上的多播和点播，或是用 r e a l n e t w o r k 公司的r e a l s e r v e r 和r e a l p l a y e r 产品。这方面的例子 有东方软件集团的点播系统( 用的是s u n 公司的专有软件，并买断了其源代码 进行开发) 、长城集团宽带网、以及许多科研机构：比如北京邮电大学、上海交 通大学等都是采用的这种方式。换句话说，真正的基于核心代码级的系统研究开 发少之又少。基于上述原因，本误题对v o d 流媒体的系统内核结构和基于核心 代码级的系统设计进行了深入研究。 2 l l - q v o d 流媒体系统研究面临的主要挑战是流媒体的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e 服 务质量) 。从最终用户角度来看，流媒体q o s 由如下因素组成：1 媒体质量( m e d i a q u a l i t y ) 。媒体质量是衡量流媒体服务的重要指标，对于视频或音频数据，可用 峰值信噪比p s n r ( p e a ks i g n a l n o i s er a t i o ) 等进行衡量。2 启动延迟( s t a r t u p l a t e n c y ) 。启动延迟是指终端用户发出请求到接受服务之间的延迟。3 抖动 ( j i t t e r ) 。抖动是流媒体服务中特有的q o s 问题。流媒体的时间相关性很强，帧 间的时问限制必须严格遵循，否则用户将明显感觉到视频不连贯。4 用户交互也 是流媒体的一个特性，v o d 系统有必要为用户提供v c r 操作支持。 终端系统负责接收流媒体并完成解码操作。终端系统影响流媒体q o s 的主 要因素是系统资源。目前，若采用典型p c 作为终端，则c p u 、内存和硬盘几乎 不会成为影响流媒体q o s 的因素。 网络系统负责流媒体的传输，在网络系统中影响流媒体q o s 的因素很多， 典型的有带宽( b a n d w i d t h ) 、i n t e m e t 分组丢失率( p a c k e t l o s sr a t e ) 等。 网络带宽是影响流媒体q o s 的重要因素。由于流媒体平均码率较大，传输 时间也较长，因而要求有足够且稳定的网络带宽作保障。m p e g 1 码流需1 5 m b p s 的带宽，即使h 2 6 3 + 编码的视频也需2 8 k b p s 以上的带宽。然而由于r s v p 协议实践于应用程序的复杂性，尚未应用于v o d 中，而链路带宽( 如m o d e m 链路一般只有5 6 k b p s ) 和路由器( 如路由器无法应付繁忙网络) 都可造成带宽 瓶颈，从而使端到端的有效带宽不能满足流媒体的需求。 山 东大学硕士学位论文 分组丢失率是i n t e m e t 的一个特性。由于i n t e m e t 的“b e s te f f o r t ”特性，当 网络繁忙时，路由器不能处理到达队列中的所有数据而丢弃新到达的数据，从而 造成分组丢失。分组丢失会引起流媒体的媒体质量下降，甚至在严重情况下导致 终端无法解码播放媒体流。 流媒体前端系统负责生成媒体流，它包括视频服务器等。媒体流生成涉及调 度、编码、解码以及网络封装等操作，这些操作均需消耗大量的计算与存储资源。 基于以上影响v o d 流媒体q o s 的因素，在本课题设计的i p 网络v o d 流媒体 系统结构中，采用了一系列措施保障流媒体的q o s ，尤其是在流传输q o s 保证方 面。系统采用r t s p 协议为用户提供v c r 支持r t s p 协议与基于多播的多线程调 度技术相结合，既利用了多播的带宽利用的高效性，尽量降低启动延时，又兼顾 了v c r 操作的灵活性：采用多个媒体数据流式处理、存储服务器，分散了点播负 载，支持更多的用户数和节目数，且易于扩展。流传输方面采用基于r t p r t c p 的动态q o s 控制算法：分析分组丢失率，采取一种拥塞控制算法调整带宽，同时 通过r l r ( r s v pl i b r a r yr e d i r e c t i o n ) 方法与微软的w i n s o c k 2g q o s 技术相结合， 在系统实现中引入了r s v p 协议，为流媒体预留带宽等资源，给流媒体q o s 提供 了双重保证。采用双缓冲队列技术设计网络接收播放器，消除了网络延迟和抖动 的影响，通过先进的d i r e c t x 中的d i r e c t s h o w 技术实现了m p e g 流式播放器。 1 3 本课题所做的主要工作 ( 1 ) 分析设计v o d 流媒体系统所用的技术：m p e g i 2 、组播技术、基于组 播的多线程调度技术和本系统所用的通信协议：r t p r t c p 协议、r s v p 协议和r t s p 协议。本系统采用基于多播的多线程调度技术，既利用了多播的带宽利用的高效 性，又兼顾了v c r 操作的灵活性。 ( 2 ) 本课题设计一个v o d 流媒体系统，分析了所设计的流媒体系统的软件 结构、硬件结构及其系统的核心媒体数据流式处理模块的详细设计，并研究分析 了各个通信协议的详细实现方法。媒体数据流式处理模块侧重在流传输q o s 的保 证上，采用了基于r t p r t c p 的动态q o s 控制算法：分析分组丢失率，采用一种 拥塞控制算法调整带宽，此算法针对多播情况下多用户带宽调整的特点，采用一 定的带宽调整策略，使得即使有大量用户同时增加带宽，网络也不会明显产生拥 塞，平滑了网络带宽；通过r l r ( r s v pl i b r a r yr e d i r e c t i o n ) 方法与微软的 w i n s o c k 2g q o s 技术相结合，在系统实现中引入了r s v p 协议，为流媒体预留带 宽等资源，给流媒体传输q o s 提供了双重保证。 ( 3 ) 实现了v o d 系统的w e b 应用处理。本文给出了系统数据库服务端设计 结构、点播服务端和管理服务端实现过程及其上载客户端服务端的详细实现。 点播服务端实现了节目搜索，按时间显示最近更新节目信息，按点播次数显示总 点播、周点播和精品推荐节目列表，提出点播请求等。管理服务端实现了用户和 管理员信息管理、两级目录系统管理、节目信息的数据库管理和站点i p 地址等 的高级管理。上载客户端实现了管理员对流媒体数据存储服务器的数据上下载、 删除、重命名等各种操作并将热门节目拷贝到多个流媒体数据存储服务器上。 ( 4 ) 利用d i m c t x 中的d i r e c t s h o w 技术实现了m p e g 一1 m p e g 一2 流式网络 播放器。本文分析了d i r e c t s h o w 技术，给出了实现流式网络播放器的关键技术： 双缓冲队列技术、源过滤器设计技术和过滤器图的构建技术，并给出了关键的代 码实现。 山 东大学硕士学位论文 第二章流媒体技术分析 2 1 数据压缩技术m p e g 一1 2 e 删m ， 流媒体的发展离不开数据压缩。数据压缩技术去掉了媒体信息的冗余，使媒 体在网络上传输所需的带宽减少，同时所需的磁盘空间也减少。现在i n t e r n e t 网上的媒体文件格式主要有以下几种：m p g 、v o b 、a s f 、m o v 、和a v i 。r m 、a s f 和m o v 格式分别是由r e a l n e t w o r k s 、微软和苹果公司注册和开发的媒体文件格 式，虽然它们有很多优点，但都受专利保护，而且没有为用户提供完整而详细的 开发文档，而m p g 、v o b 和a v i 则是采用了标准的i s o i e c 国际编码标准，这些 标准是开放的，具有互操作性，允许由一个软件编码生成视频文件，而由另一个 软件对视频文件进行解码播放。因为现在大部分影音文件都是采用m p e g 一1 编码， 采用m p g 格式能满足大部分影音文件的流式播放，加上m p e g 的开放性，为用户 提供了完整而详细的开发文档，能为编程实现提供方便，因此在本系统中采用了 m p g e - i 编码的m p g 媒体文件格式。同时在客户端的播放器设计中进一步地研究 了基于m p e g - 2 编码的m p g 文件格式播放器的编程实现问题。 2 1 1m p e g 一1 m p e ( ；一1 是活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ，m p e g ) 公布的 第一个m p e g 标准。m p e g 一】标准由三部分组成：m p e g 视频，以压缩传输速率为 1 5 m b s 的视频信号为目标；m p e g 音频，以压缩传输速率为6 4 、1 2 8 和1 9 2 k b s 的数字音频信号为目标：m p e g 系统，主要解决多路压缩视频，音频流的同步及 合成问题。下面主要介绍m p e g - 1 视频图像组织结构。 为使视频在压缩比和随机访问这两方面都满足m p e g 一1 标准要求，m p e g 一1 采 取了预测和插值两种帧间编码技术。为此，m p e g l 将图象编码帧分成三类： 图2 1m p e g l 视频压缩过程图 1i 帧( i n t r o c o d e df r a m e ，内帧) ：它是在帧内进行编码，在编码时不必 山 东大学硕士学位论文 参考其它的帧，其压缩比是比较低的，i 帧可作为随机访问点以及其它图像编码 帧的参考帧。它的编码过程见图2 1 。 2p 帧( p r e d i c t i v e l yc o d e df r a m e ，预测帧) ：它需要利用前面的i 帧或p 帧信息进行编码和解码，同时它又是后续p 帧的参考帧。p 帧利用了瞬时冗余特 性，可获得较高的压缩比。然而只有对所参考的i 帧或p 帧完成解码后才能访问 p 帧。 3b 帧( b i d i r e c t i o n a 1 yp r e d i c t i v e l yc o d e df r a m e ，双向预测帧) ：它需 要利用前面和后面的i 帧、p 帧信息进行编码，但它本身不可作为参考帧。由于 b 帧使用了双向运动补偿预测技术，故它的压缩比是最高的。 茁向攘溜 图2 2m p e g 视频帧顺序图 这三种图像帧的相互关系见图2 2 ，其中每8 个图像帧中有一个随机访问帧 i 帧，b 帧与其它两种帧的比率为3 ：1 。它的显示次序是： i ，b ，b ，b ，p ，b ，b ，b ，p ) ， 而传输次序是： i ，p ，b ，b ，b ，p ，b ，b ，b ) 。m p e g l 图像组织灵活，可随着应用参数 的不同而变换。 图2 3m p e g l 视频帧结构图 m p e g 1 动态图像的数据流见图2 3 ，它是由一个或多个图像序列( s e q u e n c e ) 组成的，每个图像序列又有一个或多个图像组( g o p ，g r o u po fp i c t u r e ) 组成， g o p 是一个由一个或多个有助于对序列随机操作的编码图( p i c t u r e ) 组成的序 列，并且g o p 的第一帧就是一个i 帧。g o p 指示i “p e g 编码器哪些帧应被编码成i 帧、p 帧和b 帧，以及哪些帧用作参考帧。每幅p i c t u r e 由一系列切片( s l i c e ) 组成，图像切片由一个或多个连续的宏块( m a c r o b l o c k ) 组成，宏块在图像切片 中的次序由左到右由上到下排列。图像切片在处理误差时十分重要，如果一个 位串包含一个误差，解码器可以跳到下一个切片的开始位置进行解码。在一个位 串中使用图像切片越多，则误差的隐蔽性就越好。一个宏块由一个l6 象素1 6 日 山 东大学硕士学位论文 2 1 2m p e g 一2 m p e g 一2 的视频分量的速率范围约为2 m b i f f s 1 5 m b i t s ，首次于1 9 9 4 年被通 过，与m p e g l 视频向下兼容，满足数字存储媒体( 如：d v d ) 、可视电话、数字 电视、高清晰度电视( h d t v ) 、通信网络的应用。m p e g 2 提供7 2 0 4 8 0 像素和 1 4 4 0 1 0 8 0 象素，1 9 2 0 1 0 8 0 像素的分辨率。 2 2 传输方式与节目调度 i p 网络v o d 实际上对每个用户来讲都是一种在网络上的单播( u n i c a s t ) ，以 m p e g l 编码方式为例，每一路视频流在满足视觉效果的同时，保守来讲需要 1 2 一1 5 兆带宽( 由该种编码的要求所决定的，不受特有的硬件或软件的影响) ， 用户数目越多，消耗网络带宽资源越大，再加上数据压缩、解压缩带来的延迟以 及带宽的物理边际效应，因此基于单播的v o d 其使用受到带宽限制。多播 ( m u l t i c a s t ) 与单播的最本质区别就是带宽的使用问题，它构建一种具有多播 能力的网络，媒体服务器只需要发送一个信息包，路由器一次将数据包复制到多 个通道上，减少了网络传输的数据总量，增加了带宽利用率，减少了服务器所承 担的负载。但是多搔的带宽利用的高效性是以牺牲单播( 即点对点播放) 所提供 的v c r 操作的灵活性得到的。在所设计的系统中，采用一种基于多播的多线程调 度技术，既利用了多播的带宽利用的高效性，又兼顾了v c r 操作的灵活性。 2 2 1 多播9 1 i p 多播技术构建一种具有多播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制 到多个通道上。采用多播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续 数据流。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 端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机，减少网络上传输的信息 包的总量。网络利用效率大大提高，成本大为下降。 使用单播发送时，需要将数据包复制多个拷贝，以多个点对点的方式分别发 送到需要它的那些用户，而使用广播方式发送，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，上述两种传输方式会非常浪费网络带 宽。多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，将 数据包的单独一个拷贝发送给需要的那些客户。多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。 多播中，支持i g i p 接收者主机给路由器发送一个成员活动报告，如加入或 离开多播组，路由器使用这个信息有选择地传送数据到有关主机所在网络。信源 发送一个单独的报文到一个组地址，如果路径在一个路由器上分支，只给加入组 的分支发送一个报文，源主机不给未加入多播组的路径发送报文。这样就减少了 用于多目标数据传送所消耗的带宽和资源。多播传输可在数据链路层( 第二层) 和网络层( 第三层) 实现，支持的媒介类型包括以太网、f d d i 和a t m 。早期的路 由器不支持i p 多播，但现在的路由器大多数都支持这项技术“。 山 东大学硕士学位论文 1 多播地址到以太网地址的转换 i p 地址分为a 类、b 类、c 类、d 类和e 类。其中d 类地址范围在2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 之间，格式如图2 4 所示，用于多播。多播地址有两种类型， 永久的和临时的。2 2 4 0 0 0 被保留，不分配给任何组：从2 2 4 0 0 1 到 2 2 4 0 0 2 5 5 范围的多播地址分配给路由器选择协议和其它低级布局与维护协 议，其中有名的是2 2 4 0 0 1 和2 2