（计算机应用技术专业论文）p2p互联下的ip组播流媒体研究.pdf

摘要 由于网络流媒体应用架构在i p 网络的“尽力传送”服务模式上，存在网络带 宽的波动性和异构性，数据分组延迟、抖动和丢失，以及传输错误等主要问题需 要解决，所以网络流媒体一直是热门研究领域。传统c s 结构的流媒体服务系统 已经不能满足大规模用户的需求，需要一种新的网络结构来满足流媒体服务系统 对网络带宽和服务器性能的要求。研究者们提出了采用i p 组播流媒体、应用层组 播或p 2 p ( p e e r t o p e e r ) 流媒体、以及c d n 分发技术等等。这些技术虽然各有千 秋，然而，在i p 网络的尽力传送模式下，目前任何一种网络传输技术都难以担当 流媒体的规模应用。但近来i p 组播、p 2 p 等这些网络传输技术的不断创新给流媒 体规模应用带来了极大的促迸，从目前的流媒体应用发展趋势来看，i p 组播流媒 体与p 2 p 流媒体的结合会成为主流方案。这种混合技术可以极大的提高组播传输 的高效性、伸缩性和适应性。 本文首先比较了主要流媒体技术如：i p 组播流媒体技术和p 2 p 流媒体技术。 然后针对目前网络中存在l p 组播孤岛、特殊的组播用户群等，存在组播数据不能 共享问题，提出通过p 2 p 传输来进行互联。如在b 主域中找出一个代理d m 连接 到a 主域中的一个组播用户，那么该代理就可以在b 主域内形成自己的l p 组播分 组。当这样的孤岛或主域互联比较多时，可以把这些d m 节点组成一个应用层组 播树，并从每个组播孤岛中选取一些节点c m 来负责应用层组播控制，c m 节点在 发送端和接收端实行拥塞控制，避免造成代理节点的拥塞。在提出的p 2 p 连接i p 组播孤岛的算法中，通过采用计算节点优先级的策略来从组播孤岛中选取合适的 节点作为d m 节点，同时对应用层组播树上节点的加入，正常退出和异常退出的 情况作了处理。最后又对选出的d m 节点处理能力不够的情况，提出了优化方案。 这样一来，d m 节点既是网络层组播的数据接收者，又是p 2 p 应用层的数据发送 者。本系统具有可扩展性，健壮性和高性价比的特点。 关键字：流媒体；i p 组播；p 2 p ：混合组播 a bs t r a c t a st h ev i d e os t r e a m i n ga p p l i c a t i o n si nt h ei pn e t w o r kw h o s es e r v i c em o d e li s t r y i t sb e s te f f o r tt os e n d ”，w en e e ds o l v es o m ep r o b l e m ss u c ha st h ef l u c t u a t i o na n d i s o m e ro ft h en e t w o r kb a n d w i d t h ，t h ed a t ap a c k e td e l a y ，t h ej i t t e ra n dl o s s ，a sw e l la s t h et r a n s m i s s i o ne r r o r s s ot h ev i d e os t r e a m i n gh a sb e e nah o tr e s e a r c hf i e l d t r a d i t i o n a lc sm e d i as e r v i c es y s t e mc a n n ol o n g e rm e e tt h en e e d so fh u g es c a l eu s e r s w en e e dan e wn e t w o r ka r c h i t e c t u r et om e e tt h es t r e a m i n g m e d i as e r v i c es y s t e mf o r n e t w o r kb a n d w i d t ha n ds e r v e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s r e s e a r c h e r sh a v ep r o p o s e d u s i n gt h et e c h n o l o g yo fi pm u l t i c a s t ，a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ( a l m ) ，a n dc o n t e n t d i s t r i b u t e dn e t w o r k ( c d n ) e t c a l t h o u g he a c hh a si t s s t r o n gp o i n ta m o n gt h e s e t e c h n o l o g i e s ，h o w e v e r ，t r a n s m i ti n t h ei pn e t w o r ks e r v i c em o d e ，a n yn e t w o r k t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e si sd i f f i c u l tt ot a k eo nt h ea p p l i c a t i o no ft h ee x t e n s i v e s t r e a m i n gm e d i a h o w e v e r , r e c e n t l y ，t h ei n n o v a t i o no ft h ei pm u l t i c a s ta n dp 2 p t e c h n o l o g ys p e e dt h ea p p l i c a t i o no ft h ee x t e n s i v es t r e a m i n gm e d i a v i e w i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h ec u r r e n ts t r e a m i n gm e d i aa p p l i c a t i o n ，t h ei n t e g r a t i o no ft h ei p m u l t i c a s ta n dt h ep 2 pt e c h n o l o g yw i l lb e c o m eam a i n s t r e a mp r o g r a m t h i sh y b r i d t e c h n o l o g yc a ng r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c y , f l e x i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y o ft h e m u l t i c a s t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u ts t r e a m - m e d i ai ni n t e r n e t c u r r e n t l y t h e nw ec o m p a r e dt h ei fm u l t i c a s ta n dt h ep 2 pm u l t i c a s t ，a n a l y z e dt h e i r s u p e r i o r i t ya n dt h ef l a w i nv i e wo ft h ep r e s e n tn e t w o r k ，t h e r ee x i s ts o m em u l t i c a s t i s o l a t e di s l a n d sa n de s p e c i a lm u l t i c a s tu s e r se t c ，t h e i rd a t ac a nn o ts h a r ef r o me a c h o t h e r s ow ep r o p o s e dt h a tu s i n gp 2 pt r a n s m i s s i o nt oc o n n e c tt h ei s o l a t e di s l a n d s f o r i n s t a n c e ，w ee l e c t e da na g e n tm e m b e rd mf r o mm u i t i c a s ti s l a n dbl i n k e dt oam e m b e r f r o mm u l t i c a s ti s l a n da s ot h ea g e n tm e m b e rc a nf o r mi t so w nm u l t i c a s tg r o u p i n gi n t h er e g i o no fb w ee l e c t e dam e m b e ra c ta st h ed e s i g n a t em e m b e rf r o me a c hm u l t i c a s t i s o l a t e di s l a n d w h e ns u c hi s o l a t ei s l a n d so r r e g i o n c o n n e c tb e c o m em o r e ，t h e d e s i g n a t em e m b e r su s ep 2 pt r a n s m i s s i o nt oc o n s t r u c ta na p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t t r e e m e a n w h i l e ，w ee l e c t e dam e m b e ra sac o n t r o lm e m b e rf r o me a c hi s o l a t e d m u l t i c a s ti s l a n dt od e a lw i t hc o n t r o lm e s s a g eo nt h ea l m t h ec o n t r o ln o d e i m p l e m e n t e dt h ec o n g e s t i o nc o n t r o li nt h et r a n s m i t t i n ge n da n dt h er e c e i v i n ge n d ，t o a v o i dc o n g e s t i o no ft h ea g e n tm e m b e r i nt h ea l g o r i t h m ，w ec o m p u t e dt h ep r i o r i t y n s t r a t e g yo fn o d e sf r o mt h ei s o l a t ei s l a n df o rm u l t i c a s tt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ea g e n t n o d e s w ea l s os o l v e dt h ej o i no ft h en o d ef r o mt h ea l mt r e e ，d e a l tw i t ht h en o r m a l a p a r t m e n ta n dd e v i a n ta p a r t m e n t a tl a s t ，i nv i e wo ft h ei n c a p a b i l i t yo ft h ee l e c t e dd m ， w ep r o p o s e dt h eo p t i m i z ep r o j e c t i nt h i sw a y , d mw a sn o to n l yt h er e c e i v e ri nt h e n e t w o r kl a y e rm u l t i c a s t ，b u ta l s ow a st h er e c e i v e ri nt h ep 2 pa p p l i c a t i o nl a y e r t h e s y s t e mw a ss c a l a b l e ，r o b u s ta n dc o s t e f f e c t i v e k e yw o r d s ：s t r e a m i n gm e d i a ；i pm u l t i c a s t ；p 2 p ；h y b r i dm u l t i e a s t m 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 孑会日期：扣。睁月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权湖南科技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、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 导师签名： 马金 埒阀 日期：扣口占年厂月，口日 日期：扣略年月t o 日 湖南科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 网络的宽带化使得人们对网络信息不再满足于简单的文本、图像，而越来越 希望宽带网络能带来更直观更丰富的信息表达方式。流媒体技术的发展及应用使 得这种需要成为可能。网络流媒体具有时间敏感性，发送端流式发送视频数据， 在接收端进行符合、回放，一旦启播便不再停止。它不同于现有网络中的“p l a ya f t e r d o w n l o a d 模式或“w a i t i n gf o rb u f f e r i n ga n dp l a y b a c k ”模式。网络流媒体应用支 持在线影视、交互视频、影视直播、视频通信等。由于网络流媒体应用构架在i p 网络的“尽力传送”服务模式之上，存在网络带宽的波动性和异构性、数据分组 延迟、抖动和丢失，以及传输错误等主要问题还需要解决。 针对流媒体业务的实时性应用问题，人们提出了各种方案来解决，归纳起来， 主要有以下四种： 1 增加互联网带宽； 2 服务器的分散与集群，以改变网络流量结构，减轻主干网的瓶颈； 3 应用o o s ( 服务质量) 机制，把带宽分配给一部分应用； 4 采用i p 组播技术。 比较而言，i p 组播技术具有其独特的优越性，在组播网络中，即使用户数量 成倍增长，主干带宽也不需要随之增加。因此，组播技术成为当前网络技术中的 研究热点之一。 以m p e g - 1 的v c d 和m p e g - 2 的d v d 为存储，传输载体的视频应用成就了过去 和现在的巨大应用市场，而网络流媒体被认定为未来网络的主流应用。新推出的 m p e g 一4 标准中，包含了针对网络视频传输的视频编码技术h 2 6 4 , ”3 】，意在成就网 络流媒体的大规模应用。与之同时，支持流媒体的网络传输技术也在经历自己八 仙过海的发展时期，如单播流媒体、组播流媒体、应用层组播或p 2 p ( p e e rt op e e r ) 流媒体，以及c d n ( c o n t e n td i s t r i b u t e dn e t w o r k ) 分发技术等。这些技术虽各有千 秋，然而，在i p 网络的尽力传送模式下，目前任何一种网络传输技术都难以担当 流媒体的规模应用。但近来i p 组播，p 2 p 等这些网络传输技术的不断创新给流媒 体规模应用带来了极大的促进，从目前的流媒体应用发展趋势来看，i p 组播流媒 体与p 2 p 流媒体会成为主流方案。 用i p 组播( 网络层组播) 来传送视频是目前最有效的流媒体传输方式，但由 于i p 组播在拥塞控制、流量控制、扩展性、协议部署，以及网络异构性和终端多 第一章引言 样性适应能力等方面存在一些问题，所以基于i p 组播的流媒体应用一直未在互联 网上得到实际的开展。而一种p 2 p 传输模式的流媒体应用方式，如应用层组播a l m ( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ) 或端系统组播( e n ds y s t e mm u l t i c a s t ) ，成为了i p 组播模式的替换方案，标志着流媒体应用进入了新的发展阶段。p 2 p 流媒体是不同 于c s 模式的对等模式，节点既可以是数据的接收者，同时也可以是数据的发送 者。然而这种基于终端包复制、单点转发的传输模式，存在延迟，抖动，节点状 态不稳定，传输效率不高等问题，难以独立担当流媒体规模应用的重任。 单播、i p 组播，p 2 p 组播等成为流媒体主要传输技术，这些模式除了各自不 断完善和发展外，它们的混合或融合研究也已成为了当前的重要研究方向。本课 题提出了一种新的融合或混合的流媒体传输模式，将p 2 p 技术用于到i p 组播中， 融合两种传输模式，整合和发挥它们各自的优点，力图解决各自模式存在的固有 缺陷，实现网络流媒体的大规模应用问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 组播技术研究 网络层组播模型包括传统的a s m 模型和近几年提出的s s m 模型。a s m 模型基 于h o s t g r o u p 方式，任意源都可以向组发送数据，主机通过加入组而得到数据。 2 0 0 1 年，i e t f 提出了基于组播通道订阅模式的源特定组播s s m ( s o u r c es p e c i f i c m u l t i c a s t ) 技术。在协议简化，地址分配等方面有了较好的改进，其缺点是在网 络层只能支持单数据源，如果要支持多数据源，就需要在更高的层上实现。 面对i p 组播业务在i n t e r n e t 中的困境，一些研究人员开始反思工p 组播体系结 构本身的问题，提出将复杂的组播功能放在端系统实现的新思想，即应用层组播。 应用层组播思想提出短短几年内，多个研究机构开展了应用层组播体系结构的研 究项目，如：e s m 是c m u ( 卡耐基梅隆大学) 开展的一个端系统组播研究项目， 支持较小规模的视频应用i s l 。2 0 0 0 年，b e r k l e y 大学的y o c h a w a c h e 提出了s c a t t e r c a s t 的体系结构，是基于应用层组播实现i n t e r n e t 大规模广播业务的体系结构1 6 1 。 o v e r c a s t 是在c i s c o 公司支持下开展的一个研究项目，是解决i n t e r n e t 内容分布的 一个体系结构，实现可靠的组播业务1 7 】。 i r t f ( i n t e r n e tr e s e a r c ht a s kf o r c e ) 专门成立了s a m ( s c a l a b l ea d a p t i v e m u l t i c a s t ) 小组，研究a l m ，覆盖组播o m ( o v e r l a ym u l t i c a s t ) ，i p 组播以及它 们的混合技术，来极大地提高组播传输的高效性，伸缩性和适应性。在混合技术 研究中，如c d n p 2 p 的混合传输模式l s l ，c d n 作为核心的网络传输，p 2 p 作边缘 网络，来提高纯p 2 p 系统的稳定性和健壮性。在v o d 和p 2 p 的组合研究中1 9 - o l 提出 利用p 2 p 来传输v o d 系统中部分起始数据和因网络动态的补充数据，来分摊v o d 湖南科技大学硕士学位论文 服务器的负载。美国密西根大学2 0 0 0 年开始的端主机系统组播系统提出了h m ( h o s t ，m u l t i c a s t ) 体系结构i - 1 1 ，基本思想是通过应用层组播来桥接i p 组播，连接 分布在因特网中多个i p 组播岛中的组成员，实现i p 组播跨越因特网的数据分发。 1 2 2 流媒体直播系统的研究 国外研究机构如卡耐基梅隆大学的e m s 系统，s t a n d f o r d 大学的p e e r c a s t 系统， 微软的c o o p n e t 系统等等都已经有成熟的系统，这些系统采用的都是应用层组播 解决方案。p e e r c a s t 是开源的p 2 p 流媒体软件，流媒体与传统的流媒体不同，没有 集中的中央流媒体服务器，每个节点在作为c l i e n t 从别的节点接收媒体数据进行 播放的同时，也要作为s e r v e r 向其它节点提供服务，将流媒体服务器的负载分散 到各参与节点，因此比传统的流媒体服务器能够支持更多的用户。 目前市场上主流商业化流媒体产品的软件供应商主要有微软公司、 r e a l n e t w o r k s 公司和苹果公司。这些公司可以提供从编解码技术到媒体分发和媒 体播放的一整套解决方案，且他们本身也有自己的流媒体技术标准。国内有众多 的公司和学校也在研究该技术。代表性的软件产品有北京酷流科技有限公司的 c o o l s t r e a m i n g ，华中科技大学创业团队的p p l i v e 。华中科技大学的a n y s e e ，复 旦大学的s o p ，中科院的b i g m e d i a ，浙江大学的t v a n t s 等。目前p p l i v e 是国内 做的较好的流媒体直播软件，已经进入商业化运营阶段。p p l i v e 采用了基于应用 层组播的流媒体发布和传输技术，利用p 2 p 原理在最大程度上降低发布端服务器 和带宽的负载，使得成千上万的用户能够同时在线，欣赏清晰流畅的音视频节目 内容。 1 3 论文所做的工作 本文的主要工作是通过对目前的i p 组播孤岛或移动用户群无法参与大规模的 流媒体传输，而设计将各个独立的i p 组播孤岛用p 2 p 技术作连接，而连接成一个 可以进行大规模传输的网络。本文提出了在每个孤岛上选取合适的代理节点d m ， 构建应用层组播树，包括d m 节点的选取、加入、维护、退出的处理，同时也加入 了控制信息处理的节点，将应用层组播数据的传输和反馈信息的处理分开，在发 送端和接收端采取拥塞控制，以达到减轻d m 的负担，从而保证视频流的传输。并 针对这个d m 节点处理能力不够时，提出了优化方案。 本文的内容安排如下： 第一章为引言，介绍了课题背景和选题依据，以及国内外研究现状和本文所 做的工作。 第二章介绍了流媒体的传输方式、主要格式和平台，传输协议；i p 组播技术 第一章引言 和p 2 p 技术，分析了它们各自的优势和缺陷，以及它们之间的关系。 第三章讲述了p 2 p 互连下i p 组播流媒体的研究，分析了网络拓扑结构，提出 了数据层的构建，并给出了应用层组播设计的实现与网络层组播设计的实现。 第四章介绍了仿真工具n s 2 ，在理论上分析了系统的可扩展性、健壮性和高性 能。做仿真试验确定选择节点的参数设置，对比了加入控制节点后的平均延时对 比，也比较了这个系统与单播，i p 组播在服务器带宽占用和平均加入延时方面的 表现。 第五章总结与展望，总结了全文，并对未来的工作进行了展望。 湖南科技大学硕士学位论文 第二章组播流媒体技术 流媒体即流式媒体，指在i n t e r n 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，如音频、视频或多媒体文件。流式媒体在播放前并不需要下载整个文件，只 需要将开始部分内容存入内存，流媒体的数据流随时传送随时播放，只是在开始 时有一些延迟。流媒体实现的关键技术是流式传输技术，与传统的传输方式相比， 流式传输使启动延时成十倍、百倍的缩短，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网上下载后才能观看的缺点。 随着网络技术和流媒体技术的迅速发展，可以预见未来网络承载将以流媒体 为主要业务，其音视频质量也将达到电视媒体的影音水准。与之同时，支持流媒 体的网络传输技术也在经历自己八仙过海的发展时期，近来i p 组播，p 2 p 等这些 网络技术的不断创新给流媒体的规模应用带来了极大的促进。 2 1 流媒体的传输 流媒体实现的关键技术是流式传输1 1 2 l 。流式传输主要是指通过网络传送媒体 如( 视频，音频) 技术，这里是指通过i n t e r n e t 将多媒体课件传送到p c 机上。流 式传输时，声音、影像或动画等媒体由音频，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，而只需经过几秒或数十秒的启动 延时即可进行观看。当声音等媒体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台 从服务器上继续下载，这不仅使启动延时成数十倍地缩短，而且不需要太大的缓 存容量，极大地弥补了用户播放端占用存储资源的缺点。 实现流式传输有两种方法i t 3 1 ：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 ) 和实时 流式传输( r e a l t i m es t r e a m i n g ) 。采用哪种方法，依赖于用户的具体需求。 1 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 ) 顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可以观看在线媒体，在特 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部分，它不能根据 用户的连接速度做调整。顺序流式传输基于h t t p 协议，用标准的w e b 服务器就可 以实现顺序流服务。 由于顺序流传输在播放前观看的部分是无损下载的，因此可以保证播放的最 终质量，但是用户在观看前必须经历较长的延迟。顺序流式传输比较适合于高质 量的短片段，如片头、广告等，而不适合于长片段和有随机访问要求的视频。 2 实时流式传输( r e a l t i m es t r e a m i n g ) 实时流式传输基于实时流协议r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 。实时流传 第二章组播流媒体技术 输需要专门的流媒体服务器支持与传输协议，并且要以一定的速率持续传送。另 外流媒体服务器可以根据网络状况，调整发送速率，实现智能流传输。 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，可快进 或后退以观看前面或后面的内容。它比较适合于播放较长时间的片段时，如讲座、 发言和电影等。但是，实时流传输必须匹配连接带宽，因此在低速链接时图像质 量较差。而且，由于出错和丢失的数据被忽略，当网络出现拥塞时，视频质量特 别差。 2 2 流媒体主要格式及相关平台 目前在这个领域，主要有三家公司：r e a l n e t w o r k s ，m i c r o s o f t ，a p p l e ，而相 应的产品就是r e a lm e d i a ，w i n d o w sm e d i a ，和q u i c kt i m e 。 1 r e a lm e d i a r e a lm e d i a 包括三类文件：r e a la u d i o ，r e a lv i d e o 及r e a lf l a s h 。r e a l 格式 拥有极高的压缩和极好的传输能力。作为最早的因特网流式技术，在视音频方面 r e a lm e d i a 已成为网络视音频方播放事实上的标准。r e a ln e t w o r k s 公司自1 9 9 5 年发布r e a la u d i o1 0 以来，r e a la u d i o 和r e a lv i d e o 产品已经成为i n t e r n e t 上最 受欢迎的解决方案。其中s u r es t r e a m ( 自适应流) 技术是r e a ln e t w o r k s 公司的有 代表性的技术，属于高级流技术，可自动并持续地调节数据流的流量以适应实际 应用中各种不同网络带宽的需求。 r e a ln e t w o r k s 公司的流式音视频解决由三部分组成：r e a lp r o d u c e r ( 媒体内 容制作工具) ，r e a ls e r v e r ( 服务器端广播软件) 和r e a lp l a y e r ( 客户端播放软件) 。 2 w i n d o w sm e d i a 微软公司的w i n d o w sm e d i a 的核心是a s f ( a d v a n c e ds t r e a mf o r m a t ) 。a s f 是一种包含音频，视频，图像以及控制命令，脚本等多媒体信息在内的数据格式， 通过分成一个个的网络数据包在i n t e r n e t 上传输，实现流式多媒体内容发布。因此， 把在网络上传输的内容就称为a s fs t r e a m 。a s f 支持任意的压缩解压缩编码方式， 并可以使用任何一种底层网络传输协议，具有很大的灵活性。 微软公司的w i n d o w sm e d i as y s t e m 由三部分组成：w i n d o w sm e d i as e r v i c e s ( 服务器端广播软件) ，w i n d o w sm e d i ap r o d u c e r ( 服务器端编码压缩软件) 和 w i n d o w sm e d i ap l a y e r ( 客户端播放软件) 。 3 q u i c kt i m e q u i c kt i m e 是苹果公司1 9 9 1 年发布的，它几乎支持所有主流的个人计算机平 台和各种静态图像文件，视频和动画格式，是面向专业视频剪辑，w e b 网站创建 和c d r o m 内容制作开发的多媒体技术平台，是数字媒体领域事实上的工业标准， 湖南科技大学硕士学位论文 它可以通过i n t e r n e t 提供实时的数字化信息流，工作流与文件回放功能。 苹果公司的流式音视频解决方案由三部分组成：q u i c kt i m es t r e a m i n gs e r v e r ( 服务器端广播软件) ，q u i c kt i m eb r o a d c a s t e r ( 实时编码软件) 和q u i c kt i m e p l a y e r ( 客户端播放软件) 。 2 3 流媒体传输协议 流媒体传输协议可以分为网络层协议、传输层协议和应用层协议。网络层协 议提供常规的基本网络服务；传输层协议提供端到端的传输服务，包括t c p 、u d p 和i 汀p r t c p l ；应用层协议定义多媒体会话过程中的消息控制及处理，包括r t s p 等。在数据平面，发送端r t p 在压缩流中加入时间戳( t i m es t a m p ) 和序列号 ( s e q u e n c en u m b e r ) 等进行打包，然后交给u d p t c p 和i p 层进行传输，在接收 端以相反的顺序处理。在控制平面，r t c p 和r t s p 的控制信息包通过u d p t c p 和i p 进行传输。网络协议栈如图2 1 所示： f i 9 1 1 s r e a mm e d i an e t w o r kp r o t o c o ls t a c k 图2 1 流媒体网络协议栈 2 3 1 实时传输协议r t p 与实时传输控制协议r t c p 实时传输协议i 汀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i n t e r n e t 上针对多媒体数 据流的一种传输协议。r t p 被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，它提 供时间标志，序列号以及其他能够保证在实时数据传输时处理时间的方法，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 传送数据，但也可工作在 a t m 或t c p 等协议之上。r t p 提供端对端网络传输功能，适合通过组播和点播传 送实时数据，如视频、音频和仿真数据。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 本身并不提供可靠的传送机制，也不 第二章组播流媒体技术 提供流量控制或者拥塞控制，而是通过与r t c p 配合使用，使传输效率最佳。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 ) 被设计为和r t p 一 起使用的进行流量控制而后拥塞控制的服务控制协议。通常r t p 依靠r t c p 配合 使用，r t p 依靠r t c p 为传送的数据包提供可靠的传送机制，流量控制和拥塞控 制，因此特别适合传送网上的实时数据。r t c p 包中包含已发数据包的数量、丢失 数据包数量等统计资料。服务器可以根据这些信息动态的改变传输速率甚至有效 载荷类型。 r t p 头部包含以下几个主要参数： 1 时间戳( t i m es t a m p ) - r t p 提供时间戳用于同步不同的媒体流，r t p 本 身并不负责同步，同步的任务由上层的应用程序完成。 2 序列号( s e q u e n c en u m b e r ) ：l 汀p 本身并不规定底层使用的传输协议，可 以使用t c p ，也可以使用u d p ，但处于传输效率考虑，大多数的实现都依赖于 u d p ，而u d p 并不保证包的有序性，r t p 提供序列号来保证包的有序性，同时， 序列号也被用于丢包的检测。 3 数据包类型标识( p a y l o a dt v p ei d e n t i f i c a t i o n ) ：用于指定r t p 包的负载类 型，应用程序根据负载类型解释包的内容。 4 数据源标识( s o u r c ei d e n t i f i c a t i o n ) ：在r t p 的头部有一个同步数据源的 标识s s r c ( s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c ei d e n t i f i e r ) ，使数据的接收端可以判断数据的 来源。 i 玎c p 提供的主要服务如下： 1 q o s 反馈：这是r t c p 最主要的功能。r t c p 向应用程序提供数据传送的 质量的反馈，反馈形式包括发送者报告( s e n d e rr e p o r t s ) 和接收者报告( r e c e i v e r r e p o r t s ) 。报告可以包含如下信息：自上一个报告起，r t p 包的丢失率；开始接 收数据起，累计丢失的r t p 包的数量；包接收的抖动情况；自上一个发送者报告 后，接收端的接收延迟。这些信息对发送端、接收端以及第三方监视都是有用的。 根据这些反馈信息，发送端可以调整发送的比特率，接收端可以判断拥塞是本地 的、局部的或者是全局的，第三方的网络管理软件可以评估r t p 组播的性能等。 2 参与者标识( p a r t i c i p a n ti d e n t i f i c a t i o n ) ：虽然接收端可以通过r t p 中的 s s r c 判断数据的来源，然而s s r c 是i 玎p 随机分配的一个号码，对于人眼来 说，并不容易识别。r t c p 提供了更宜于人识别的标识r t c ps d e s ( s o u r c e d e s c r i p t i o n ) ，内涵标志名、用户名、电话号码、e m a i l 等信息，这些附加信息可 以用于用户管理。 3 控制包的扩展性( c o n t r o lp a c k e ts c a l i n g ) ：由于过多的r t c p 控制包会占 用太多的带宽，处于传输效率的考虑，r t c p 控制包占用整个会话带宽的比率控 制在5 以内，控制包的带宽中，2 5 用于发送者报告，剩下的7 5 用于接收者 湖南科技大学硕士学位论文 报告。为了防止控制包饿死，接收端或者发送端在5 秒钟之内至少要发送一个控 制包。 4 媒体同步( i n t e r m e d i as y n c h r o n i z a t i o n ) ：r t c p 发送包内的时间戳可以 用来同步不同的媒体流。 5 最小会话控制信息( m i n i m a ls e s s i o nc o n t r o li n f o r m a t i o n ) ：如参加者 辨识。可以用于“松散控制”连接，那里参加者自由进入或离开，没有成员控制 或参数协调，r t c p 充当通往所有参加者的方便通道，但不必支持应用的所有控制 通讯要求。 2 3 2 实时流协议i 汀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 ) r t s p 是由r e a ln e t w o r k s 和n e t s c a p e 以及美国哥伦比亚大学共同提出的一个 应用层协议。r t s p 定义了如何有效地通过i p 网络传送实时多媒体数据，是一种 客户端到服务器端的多媒体描述协议。r t s p 是一个非常类似于h t t p 的应用层协 议，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。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。r t s p 协 议建立并控制一个或几个时间同步的连续媒体流。尽管连续媒体流与控制流交叉 是可能的，通常r t s p 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。它提供多种服务，如从媒体服务器上检索媒体、邀请媒体服务器 进入会议、添加媒体到现成节目。r t s p 在语法和操作上类似于h t t p ，因此许多 h t t p 的扩展机制都可以移植于r t s p 上。在r t s p 中，每个节目和媒体流由r t s p u r l 确定，全部节目和媒体特性都在节目描述文件中给予了描述，包括编码、语 言、r t s pu r l 、目的地址、端口号以及其它参数。但是，不同于h t t p 的无状态 和非对称，r t s p 是有状态的、对称的协议。r t s p 的服务器保持会话状态以连接 r t s p 流的请求，并且服务器和客户端都可以发出请求。 协议支持的操作如下： 1 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，演示就包含用于连续媒体的组播地址和端口。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。 2 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。 3 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。 第二章组播流媒体技术 2 3 3 资源预留协议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 ) r s v p 是一种工作于i n t e r n e t 上的资源预留协议，利用r s v p 预留一部分网络 资源( 即带宽) ，能在一定程度上为流媒体的传输提供服务质量。r s v p 是运行于 传输层的一个网络控制协议，是非路由协议，它与路由协同工作，计算出路由等 价的动态访问列表，在传输路径的路由器上预留必要的带宽，减少网络的时延和 抖动。r s v p 的流程是单一的，并不区分发送方和接收方，且支持单播和组播，适 应于可变成员个数和路由。r s v p 领域的发展非常迅速，但是目前它的应用只限于 在测试的小i n t r a n c t 网络上。 2 4i p 组播技术 随着宽带多媒体网络的不断发展，各种宽带网络应用层出不穷。i p t v 、视频 会议、数据和资料分发、网络音频应用、网络视频应用、多媒体远程教育等宽带 应用都对现有宽带多媒体网络的承载能力提出了挑战。采用单播技术构建的传统 网络已经无法满足新兴宽带网络应用在带宽和网络服务质量方面的要求，随之而 来的是网络延时、数据丢失等等问题。此时通过引入i p 组播技术，有助于解决以 上问题。组播网络中，即使组播用户数量成倍增长，骨干网络中网络带宽也无需 增加。简单来说，成百上千的组播应用用户和一个组播应用用户消耗的骨干网带 宽是一样的，从而最大限度的解决目前宽带应用对带宽和网络服务质量的要求。 2 4 1 组播概念 组播技术是i p 网络数据传输三种方式之一，在介绍i p 组播技术之前，先对 i p 网络数据传输的单播、组播和广播方式做一个简单的介绍【1 5 l ： 单播( u n i c a s t ) 传输：在发送者和每一接收者之间实现点对点网络连接。如 果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据，也必须相应的复制多份的相 同数据包。如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时，将导致发送者负担 沉重、延迟长、网络拥塞；为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽。 组播( m u l t i c a s t ) 传输：在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。 如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据，也只需复制一份的相同数 据包。它提