（计算机应用技术专业论文）基于p2p的多媒体点播系统的研究.pdf

中文摘要 随着多媒体技术和网络技术的发展，人们对多媒体及网络环境的要求也越来 越高。传统的集中式服务器，无论是集中式服务器本身，还是它的网络带宽，都 构成系统的瓶颈而不能满足用户的需求，为了消除瓶颈问题，一个较好的方法就 是将它的服务分散化，使系统中的任意主机既享受服务，也提供服务一一这就是 p 2 p ( p e e r t o p e e r ) 的策略。p 2 p 的出现使得在宽带环境下实现m o d ( m u l t i m e d i a o nd e m a n d ) 多媒体点播成为可能。 本文研究了基于p 2 p 的m o d 多媒体技术，用p 2 p 作平台，实现各结点信息平等 传递与接收。系统采用j i f 媒体框架( j m f ：j a v am e d i af r a m e w o r k ) ，应用 r t p ( r e a l t i m et r a n s 叫p r o t o c 0 1 ) 流媒体传输技术，将一个普通多媒体文件转换成 流媒体格式在网上实时传输；结合j m f 的网络特性，解决了网上资源的u r l 识别、 多媒体的广播和传输的问题。而节点搜索机制，主要采用两阶段的搜索算法来实 现。系统的“网络多媒体播放”采用p 2 p 技术将集中的m o d 服务分散化，使参与 的用户既作服务的消费者，又作服务的提供者，从而消除了传统v o d 系统的瓶颈， 并解决片源的供应问题。 在实现方案上，在建构p 2 p 网络结构，实现节点搜索机制的同时，建立了符 合p 2 p 特点和多媒体点播需要的数据结构和数据表，为本系统提供了数据平台， 使得整个系统能支撑大规模节点同时在线，并提供流媒体服务。为用户提供了高 质量的网络连接及高效的信息搜索。 关键词：m o d 流媒体p 2 p 多媒体 a b s t r a c t a l o n gw i t hm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n dt h en e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n lt h e r e q u e s to f c l i e n tt ot h em u l t i m e d i aa n dt h en e t w o r ke n v i r o n m e n ti sa l s om o r ea n d m o r eh i l 曲s ot h et r a d i t i o n a ls e v e rb a s e do nc sm o d e ，i n c l u d i n gi t sb a n d w i d t ha n d i t s e l f , d i d n ts a t i s f yt h er e q u e s to f c l i e n t ，w h i c hb e c o m et h eb o t t l e n e c ko f m u l t i m e d i a s y s t e m t h e r e f o r e ，a so n eo f t h em o s tp e r s p e c t i v ea p p l i c a t i o n s , t h ep 2 p ( t h ep e e rt o p e e r ) m u l t i m e d i as y s t e mh a sb e c o m eo n eo f t h eh o t s p o to f p 2 pr e s e a r c h f o rt h es a k eo f t h ec a n c e l l a t i o nb o t t l e n e c kp r o b l e m ，ab e t t e rm e t h o di st or u mi t s s e r v i c ea s u n d e r , a n de v e r yn o t eo f s y s t e mc a nn o to n l ye n j o yas e r v i c e , b u ta l s o p r o v i d et h es e r v i c e - t l l i si st h es t r a t e g yo f t h ep 2 p t h ee m e r g e n c eo f p 2 pm a k e s m o d ( t h em u l t i m e d i ao nd e m a n d lp o s s i b l ei nt h ew i d en e t w o r k a l lu s e r sa c ta sb o t h t h ec o n s u m e r sa n dt h ep r o v i d e r s ，w h i c hw i l le l i m i n a t et h eb o t t l e n e c ko f t r a d i t i o n a l m o d s y s t e m sa n dr e m o v et h eh e a v yt a s kt op r o v i d em u l t i m e d i ar e s o u r c e e a c hn o t eo f s y s t e mc a ne q u a l l yd e l i v e ra n dr e c e i v ei n f o r m a t i o nb a s e do np 2 p p l a t f o r m t h es y s t e mc a r lc o n v e r tc o m m o nm u l t i m e d i ai n t os t r e a m - m e d i at r a n s p o s i n g o v e rt h en e tw i t hj m fa n dr t p t e c h n o l o g y a n di tr e s o l v et h ep r o b l e mo f u r l l o c a t i n g , b r o a d c a s ta n dd e l i v e ro f m u l t i m e d i ar e s o u l c e s0 nt h en e tc o m b i n i n gj m f t h i sp a p e rc o n d u c t si n - d e p t hr e s e a r c ho ns e v e r a lb a s i ci s s u e so fp 2 ps y s t e m i n c l u d i n gh o wt od e s i g np 2 po v e r l a yn e t w o r k , h o wt oc o l l e c tn o d ei n f o r m a t i o n , h o w t os e l e c td a t as e n d i n gn o d es e t , a n dh o wt os c h e d u l ed y n a m i cd a t as e tb e t w e e nd a t a s e n d i n gn o d e st o o b t a i nm i n i m u md e l a y t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i at e c h n o l o g yb e c o m eo n eo fm o s ti m p o r t a n ta s p e c t sa b o u ti n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y s ot h es y s t e mo f m o d ( m u l t i m e d i ao nd e m a n d ) i sd e s i g n e dt h a tm a i n l y r e s e a r c hab r o a d c a s to fn a t i v em u l t i m e d i an e t w o r km u l t i m e d i a ，t r a n s m i ta n dc o n v e r t s t r e a m - m e d i u mt e c h n o l o g yo v e rt h en e t t h es y s t e mr e a l i z e ss e a r c hm e c h a n i s mb yt w o s t a g es e a r c ha l g o r i t h mw h i c ht a k e s a d v a n t a g eo f t h ec a p a c i t y - t o p o l o g ya n df l l e i n d e xs t r a t e g y k e yw o r d s ：m u l t i m e d i ai 2 p ，m o d ，s 仃e a m m e d i a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得盘鲞盘堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；象邵袭签字日期：如。f 年矿月孑) 自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲铂、秋荭、 签字日期：妒叼f 年莎月谬日 导师签名： 签字日期：毋巧年p 月曲日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 当今时代，互联网飞速发展，一方面用户数量呈现爆炸式增长，另一方面 用户需求不断增加，由原来单纯的文本信息正逐渐过渡到多媒体信息，如：r o d 视频点播( v e d i oo nd e m a n d ) t ”，高品质音乐，体育比赛实况转播，网络游戏，互 动视频聊天，远程教学，远程购物等等。由于这些变化，原本强大的集中式服务 器开始无法承受服务负担，服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 得不到保障【2 j 。v o d 多媒体系统相比传统的家庭v c d d v d 播放系统而言，能提供更多的片源，更方便 及时地播放，相比有线电视，则给用户提供更大的自主权，可以随时随地点播任 意的内容【3 1 。但是v o d 系统的视频流所占用的网络带宽是原来文本流的成千上万 倍，即使在宽带网络环境中，集中式服务器仍难以负荷v o d 系统的要求，成为v o d 系统的瓶颈。假设一台服务器拥有1 0 0 m 的网络带宽，每个视频流占用3 0 0 k 的带 宽，则这台服务器可以承受的最大用户数量为3 3 3 个，和一般的网站可以承载的 用户数量相去甚远，不具有商业价值，而且服务器的i o 吞吐能力也是一个严重 问题。在高峰时段，电影的播放往往断断续续，而且频繁的集中式服务甚至造成 服务器磁盘阵列损坏。 据i d c 的中国宽带应用市场2 0 0 5 - - 2 0 0 9 预测与分析表明，中国宽带服务 市场2 0 0 4 年保持了持续快速增长的态势，宽带接入用户数达到2 3 2 0 万，比前一 年增长了9 6 6 。i d c 预测，未来五年宽带接入市场逐渐趋于平稳增长，2 0 0 9 年宽带接入用户数将达到6 千万，市场的增长点将从接入走向应用。运营商已经 不再满足于单纯从两千多万的宽带用户手中收取接入费用，宽带增值应用将为运 营商带来梦寐以求的高增长，而视频内容一直被认为是宽带内容应用的一个重 点，因此，在网上提供i p t l ，“1 、m o d ( m u l t i m e d i ao nd e m a n d ) 等音视频综合多媒 体业务正在逐渐成为一个大的发展潮流。 互联网的迅速发展，使得网络的各个核心部分的业务量、访问量和数据流 量快速增长，其处理能力和计算强度也相应增大，使得单一设备根本无法承担。 特别是i p t v 、v o d 点播等宽带多媒体应用的兴起，更是对网络的应用提出了巨大 挑战，其对服务器的处理能力和嘲络带宽的需求几乎是无穷尽的。因此，如何在 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 现有网络状况下，尽量用最少的代价提供最好的服务质量是宽带多媒体应用获得 成功的重要方面。 随着多媒体特别是网络多媒体的发展，多媒体技术成为当今信息技术领域发 展最快、最活跃的技术，是新一代电子技术发展和竞争的焦点。多媒体技术借助 日益普及的高速信息网，可实现计算机的全球联网和信息资源共享，因此被广泛 应用在咨询服务、图书、教育、通信、军事、金融、医疗等诸多行业，并正潜移 默化地改变着我们生活的面貌。2 l 世纪是信息的时代，这是勿庸置疑的事实。近 年来，随着大规模存储、高性能工作站以及宽带网络等技术突飞猛进的进步，各 种各样的多媒体通信( m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ) 服务从技术上和经济上成为 可能。而随着信息时代的到来，知识的更新速度将达到日新月异的地步，多媒体 通信可以集成视频、音频、文本及图像为一体，为用户提供更为丰富的使用体验， 使得多媒体技术的发展前景无限广阔，因此掌握多媒体及多媒体技术的相关知 识，了解多媒体技术当前的发展状况及未来的发展前景，并能熟练地进行多媒体 技术的开发，是现代人才培养的一个重要方面。 多媒体技术已经成为当今比较热门的研究课题，特别是伴随着多媒体技术的 网络化，人们已经不能满足“下载播放”这种超长时间等待的模式，而流媒 体技术的出现恰到好处地解决了这一难题。 流媒体一般是指把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放到网站服务器， 用户可一边下载一边观看、收听，而不需要先等整个压缩文件下载到自己机器的 视频音频传输、压缩技术。这里我们主要考虑的是应用规模，尤其是对多媒体 资源和用户数量的可扩展性。到目前为止，流媒体文件的数量的增长速度有逐年 加剧的趋势，这样要求提供多媒体服务的计算机系统提供巨大的存储空间。而且， 流媒体服务比普通的文本和图片服务需要更高的计算资源和带宽资源，这使得为 了能够支持大量的同时在线用户，而绝大多数现有的多媒体服务器为终端用户提 供媒体服务的带宽上限都不超过5 0m o p s ，离支持大规模用户的应用目标差距甚 远。容错性( f a u l t - t o l e r a n c e ) 是指计算机系统在遇到系统硬件或软件错误的时 候仍能以可接受的服务质量继续工作的能力。计算机系统主要通过复制 ( r e p l i c a t i o n ) 、冗余( r e d u n d a n c y ) 和自我修复( s e l f - s t a b i l i z a t i o n ) 等方法来实 现容错。显而易见，中心多媒体服务器是整个多媒体服务系统中的单点故障 ( s i n g l ep o i n t o f f a i l u r e ) 部件，这种服务器客户机模型决定了系统的容错能力 不高，并易于遭到攻击* ，。流媒体应用的特点： 1 持续时间长 2 占用带宽大 3 及时性要求高 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 因此产生的问题是： 1 服务器的输出带宽成为瓶颈 2 为网络用户提供服务的规模受限 3 底层网络的负担加重 例如：某个流媒体服务器接入互联网的速度为4 5 1 i f o p s ( t 3 ) ，传输一个3 0 帧 秒，3 2 0 x 2 4 0 像素的视频内容，需要不低于1 m b p s 的传输速度以保证流畅回放，则 此服务器最多同时接受4 5 个并发请求，这对于一个热点内容而言( 如：新闻、赛 事的直播) 是远不能满足要求的。 解决这个问题关键是要消除系统瓶颈集中式服务，一个较好的方法就 是采用p 2 p 技术忉嘲“”使集中的服务分散化，平衡负载，使服务质量得到保障， 即每个用户既充当消费者，享受共享媒体资源，又充当服务者，为其他用户提供 媒体内容。基于此，设计一种基于p 2 p 的流媒体播放系统，每一个节点( p e e r ) 既是“服务器( s e r v e r ) ”，又是“客户机( c l i e n t ) ”。每一个节点向系统索取 流媒体内容，同时又为其他节点提供转发服务。 多媒体的播放不单单局限于本地的播放，还应从实用出发，从综合运用的角 度，从网络信息的实时传递和流媒体研究方面考虑，将媒体的播放与媒体的传输 结合起来，实现多媒体的综合运用。在此基础上提出的的基于m o d ( m u l t i m e d i a o n d e m a n d ) 多媒体点播系统，以p 2 p 为基础网络平台，解决了本地多媒体、网络 多媒体以及流媒体相关的技术问题，并为流媒体的传播与转换提供技术支持。目 前流媒体服务所广泛采用的c s 模式不能提供高可扩展能力和高实用的服务。为 了解决这些问题，近年来研究界和工业界提出了多种解决方案，比较重要的有内 容分发网络( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r kc d n ) 和i p 广播( i pm u l t i c a s t ) 等。但 是，这些解决方案的共同特点是需要有专门的硬件支持，比如c d n 需要在全球各 地部署多个c d n 服务器，通过服务器之间协同工作，分发多媒体数据；而i p 广 播更是需要修改目前i n t e r n e t 的路由机制，广泛部署复杂的支持广播功能的路由 器。这样不仅耗资巨大，而且并不能从根本上解决上面提出的问题。 最近几年，p 2 p 络引起了包括普通网络用户和科研领域人员在内的越来越多 的人的广泛关注。p 2 p 模式的核心思想是通过参与系统的节点之间的直接交互来 实现信息资源和服务的共享。一方面p 2 p 突破了传统的客户端服务器模式，强 调结点之间的“对等性”，即p 2 p 系统中每一参与结点兼有服务器和客户端两 种身份，在利用其他结点上的资源之同时也为其他结点提供服务。这就使p 2 p 系 统的服务能力能够随需求的增长而自然增长，具有“与生俱来”的可扩展性，能 够解决传统客户端服务器结构中服务器过载和资源瓶颈的问题。另一方面，p 2 p 系统采用结点自组织的方式工作，强调无中心的结构，并且很好地适应了结点随 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 机加入和退出的动态性，因而在容错性、数据高可用性和抵抗攻击方面具有不可 替代的优势。本文阐述了多媒体技术的发展及应用，探讨了国内外多媒体技术的 前沿理论，研究了多媒体播放技术的发展情况，并对常用多媒体技术做了比较， 通过分析，指出其中优缺点，探讨流媒体技术的理论与实践的运用，并将其应用 于m o d 多媒体点播系统，在课题的研究中重点解决了构建p 2 p 上的媒体资源分散 化及网上资源节点信息和识别问题，以及多媒体的广播和和实时传输的问题。 1 2 多媒体技术的研究现状 1 2 1 多媒体技术 多媒体技术是当今信息技术领域发展最快的、最活跃的技术，其发展的方向 也是极其多样化，所以在人们的日常生活中，几乎随处可见其身影。那么什么是 多媒体? 多媒体的英文单词是m u l t i m e d i a ，它由m u l t i 和m e d i a 两部分组成，一般 理解为多种媒体的综合。要想理解什么是多媒体，首先我们就必须理解信息处理 领域中媒体的概念。国际电话电报咨询委员会c c i t t 把媒体分成5 类：感觉媒体、 表示媒体、表现媒体、存储媒体和传输媒体“”。我们通常所说的”媒体( m e d i a ) 包括其中的两点含义。一是指信息的物理载体( 即存储和传递信息的实体) ，如 书本、挂图、磁盘、光盘、磁带以及相关的播放设备等；另一层含义是指信息的 表现形式( 或者说传播形式) ，如文字、声音、图像、动画等。计算机中所说的 媒体，是指后者而言，即计算机不仅能处理文字、数值之类的信息，而且还能处 理声音、图形、电视图像等各种不同形式的信息，而我们平时所说的多媒体一般 指音频和视频等信息集成在一起的一种信息模式。一段优美动听的音乐，一段多 彩生动的电影片段都可以称是一种多媒体形式。 但是多媒体技术不是各种信息媒体的简单复合，它是一种把文本( t e x t ) 、图 形( 6 r a p h i c s ) 、图像( i m a g e s ) 、动画( a n i m a t i o n ) 和声音( s o u n d ) 等形式的信息结 合在一起，并通过计算机进行综合处理和控制，能支持完成一系列交互式操作的 信息技术。多媒体技术的发展改变了计算机的使用领域，使计算机由办公室、实 验室中的专用品变成了信息社会的普通工具，广泛应用于工业生产管理、学校教 育、公共信息咨询、商业广告、军事指挥与训练，甚至家庭生活与娱乐等领域。 在中国，虽然多媒体产业起步比国外晚了1 0 年，但发展后劲十足，以高科技与 文化融合为特征的创意产业的公司发展越来越迅速。而随着众多中小型多媒体企 业的迅速崛起以及跨国公司的争相涌入，多媒体产业规模有望成为国民经济第一 支柱产业，产业发展商机十分巨大。据权威部门统计，近年来我国数字娱乐产业 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 发展迅猛，2 0 0 3 年全国动漫产业总收益已开始超过电影业；2 0 0 4 年，我国网络 游戏出版市场实际销售收入达到了2 4 7 亿元，比2 0 0 3 年增长4 7 9 ；网络游戏 玩家有2 0 0 0 万之众，对通信业务收入和对i t 产业的直接贡献分别为1 5 0 7 亿元 与6 3 7 亿元：其中视频、音频等信号的信息量是非常大的，而且这些信息的表 达方式、输入、输出的要求也各不同。 电脑上的多媒体文件类型众多，大致分声音，图像及视频等几大类，以下是 几种经过处理的音视频格式“4 ： 1 m o v 。m o v 原来是苹果公司开发的专用视频格式，后来移植到p c 机上。它 与a v i 大体上属于同一级别( 品质、压缩比等) ，与 v i 一样也属于网络上的视频 格式之一，但在p c 机上不如a 7 i 来得普及。 2 m i d 。m i d 文件又叫m i d i 文件，其记录方法与w a y 完全不同。人们在声 卡中事先将各种频率、音色的信号固化下来，在需要发一个什么音时就到声卡里 去调那个音。一首m i d i 乐曲的播放过程就是按乐谱指令去调出那一个个音来。 因此，m i d i 的文件体积都很小，即使是长达十多分钟的音乐也不过十多k 至数 十k 。 3 m p 3 。m p 3 可以说是目前最为流行的多媒体格式之一它是将w a v 文件以 m p e g 2 的多媒体标准进行压缩，压缩后体积只有原来的1 1 0 至1 1 5 ( 约每秒l m ) ， 而音质基本不变。这项技术使得一张碟片上就能容纳十多个小时的音乐节目，相 当于原来的十多张c d 唱片。目前的m p 3 光碟除了在电脑上播放外，一些超级v c d 机也纷纷开发出支持m p 3 的机型。这给m p 3 开通了一个走进家庭a v 系统的广阔 天地。 4 m p 4 。m p 4 是在m p 3 基础上的发展。据称其压缩比高于m p 3 ，音质也更好 一些，真正达到了c d 音质。目前m p 4 的播放软件还很少，也还不很成熟。 5 r 心与i l a 。在网络上实时欣赏音乐、听新闻广播和看电视，是多数人的 一个最美好愿望。目前开发的r a m 和r a 文件就属于这种网络实时播放文件。它 的压缩比较大( 大于m p 3 ) 音质亦较好，不光可以播放声音而且还可和视频一起压 缩进r a m 文件里。不过根据目前国内的网络状况，要完全实时地播放这些文件( 特 别是信息量巨大的视频信号) ，还不是太现实。多数情况下仍只能等待文件下载 后再播放出来，如果边下载边播放，一般都会播上几秒钟至几十秒钟就停顿一段 时间。r a m 、r a 文件一般只有几十字节，只有一个网络地址，播放这种文件必须 在网络已接通的情况下才能使用。另外两种就是音频文件( 压缩后的w a y ) 及音视 频混合文件( 经压缩的a v i ) ，这些文件和其它多媒体文件一样，可以存放在硬 盘或光盘上，在任何时候播放。 6 m p g 。m p g 是压缩视频的基本格式。它的压缩方法是将视频信号分段取样( 每 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 隔若干幅画面取下一幅”关键帧) ，然后对相邻各帧未变化的画面忽略不计，仅 仅记录变化了的内容，因此压缩比很大。g p g 还有两个变种：肝v 和m p a 。肝v 只 有视频不含音频，m p a 是不包含视频的音频。m p a 是属于m p e g l 级别的压缩格式( 较 之g p 3 还差一筹) 。在有些多媒体软件中需要引入m p 2 文件，对此只需将m p a 简 单改名为g p 2 就行了。对这些数据进行有效的表达和适当处理是很重要的，它使 多媒体信息压缩技术和媒体的播放技术成为多媒体通信领域中的关键技术之一。 i s o 与i e c 于1 9 8 8 年联合成立的m p e 6 ( m o v i n g p i c t u r ee x p mg r o u p ) “”。致 力于运动图像及其伴音编码的全球标准化工作。它包括肝e g 系统：m p e g 视频、咿e g 音频。为了推动社会由文本信息时代向多媒体信息时代过渡，i s o 继m p e g - 1 、2 和4 后又推出了m p e g - 7 。 m p e g - 1 制定于1 9 9 3 年( i s o i e c1 11 7 2 ) “”，是针对1 5 m b i t s 以下数据传 输率的数字存储媒质运动图像及其伴音编码的国际标准。i 咿e g - - 2 制定于1 9 9 5 年 ( i s 0 i e c1 3 8 1 8 ) ，是c c i r 6 0 1 建议的图像质量d v b 、h d t v 和d v d 制定的3 - 1 0 m b i t s 的运动图像及其伴音编码的国际标准。于1 9 9 8 年1 1 月公布的国际标准m p e g - 4 更加注重多媒体系统的交互性和灵活性“”。它引入a v 对象( a u d i o v i s u a l o b j e c t s ) ，使得更多的交互操作成为可能。1 9 9 8 年1 0 月国际标准化组织又推出 了m p e g - 7 的构想，预计于2 0 0 1 年初最终完成并公布，其正式名称为”多媒体内 容描述接口( m u l t i m e d i ac o n t e n td e s c r i p t i o ni n t e r f a c e ) 。它提出了一种适用于 现实生活中的各种多媒体内容的标准化描述方案，以提取待描述对象的各方面特 征为基础，方便人们对所需的多媒体材料进行快速、有效的检索。 1 2 2 流媒体技术 流媒体也指由这种技术支持的某种特定文件格式压缩流式文件，它通过 网络传输，并通过个人电脑软件进行解码。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 m 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 对多的情况下工作，其目的是提供时间信息并实现流同步。r t p 通常使用u d p 来 传送数据，但r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议之上工作。目前的互联网上的 基于服务器客户机模型的流媒体服务还远没有达到可以与传统的w w w 、f t p 等应用相比拟的服务质量，尤其在可扩展性( s c a l a b i l i t y ) 和容错性 ( f a u l t - t o l e r a n c e ) 等方面还远远不能满足应用的需求，特别是多媒体资源和用户 数量的可扩展性【。到目前为止，流媒体文件的数量的增长速度有逐年加剧的趋 势，这样要求提供多媒体服务的计算机系统提供巨大的存储空间。 流媒体随着网络的发展、宽带的普及，流媒体技术被业界广泛看好。微软董 事长b i l lg a t e s 曾经对此进行了专门演讲，宣布了流媒体是微软看好的掰方向。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 并且展示了w i n d o w sm o v i em a k e r 软件，通过该软件用户可以将影像文件进行编 辑和发布。自从那起，流媒体业界就开始发生了铺天盖地的变化。许多公司都开 始研发流媒体技术，让其适用于不同的技术平台。不少服务器公司也在系统中捆 绑了流媒体服务器软件。 流媒体技术是制作现代远程教学节目的重要技术i ”】。其传输过程是，先将 视频节目用硬件或软件设备转换成流媒体，用视频传送服务器把节目流媒体当成 数据包发出，传送到网络上，用户通过解压设备对这些数据进行解压后，节目就 会像发送前那样显示出来。这个过程的一系列相关的数据包称为“流”。因此， 流媒体实际指的是一种新的媒体传送方式和技术，而不是一种新的媒体。 目前流媒体最直接的应用是实时广播服务【嵋】【l9 】，也就是人们常说的网上现 场直播服务，它是将音频或视频信号从现场实时压缩上传至流媒体服务器后，再 在广域网上播出。网上直播的特点有：覆盖面广，互联网无国界，网上广播的覆 盖面远远大于传统媒体；商业网站利用流媒体播放新闻，开展音乐直播和点播服 务，企业和机构采用点播和流媒体进行员工培训、信息发布、公司介绍等，从而 提高效率，节约开支。基于流媒体的应用转变了传统互联网呆板的内容表现形式， 具有强视觉冲击力的视频节目成了人们进入宽带网络的最重要的应用之一，多媒 体互动成了人们对宽带网络未来发展的寄托。传统影视媒体市场与宽带网络的应 用服务相融合，产生了宽带v o d 、在线音乐、远程教育、宽带收费电视等新的 应用。与传统媒体的播出方式相比更容易实现，费用更低。 流式传输的协议主要有实时传输协议r t p 与r t c p 、实时流协议r t s p 、资源 预订协议r s v 几种刚，其中r t p 是用于i n t c r n e t i n t r a n e t 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传输的情况下工作，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，但r t p 也可以在t c p a z g a t m 等其他协议上工作。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 1 1 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 c p 和r 1 p 一起提 供流量控制和拥塞控制服务。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。 随着网络技术的快速发展，为了给人们提供更多形式、更高质量的信息模式， 流媒体技术的应用发挥了重要作用。流媒体是通过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，形成一定格式的发布文件，由服务器向用 户计算机连续实时地传送。所以在流媒体系统建设过程中，多媒体压缩标准、文 件格式、服务器体系结构和处理信息能力等方面的技术选择尤为重要，它将对网 络运营和用户质量产生直接的影响。它的技术选择需要考虑以下几方面因素1 2 jj ： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 流媒体数据量与用户质量的兼顾性。在网络多媒体系统中，长期以来， 网络传输的数据量与用户端的质量是一对矛盾。即：要确保用户端有较好的质量， 就必须加大网络传输的数据量，则需要增加网络带宽和磁盘存储空间，因而必须 增加建设成本。所以，在流媒体压缩标准的选择上要体现二者兼顾性原则：尽量 以最小的数据量在用户终端还原最好的主观视频质量。 2 流媒体文件格式的兼容性。网络多媒体在十几年的发展历程中，形成的 文件格式众多。既有国际通用的格式( 如m p e g 系列) ，又有一些公司的自有格 式，仅r e a l m i c r o s o r a p p l e 三大流媒体公司的流媒体文件格式就有“r m ”、“a s f “1 1 1 0 v 、“a v i ”、“s w f 等，纷繁复杂而且在网上都有应用。因而，在对文件格 式的选择上要体现兼容性原则，在提高用户质量的前提下，各种文件格式都要能 够广泛兼容或便捷转换。 3 流媒体存储的海量性。电视剧、电影、歌曲、音乐等多媒体原始素材资 料，都是以流媒体文件的形式存储在磁盘中供用户点播的，那么对系统的磁盘存 储容量和并行i 0 能力要求足够大，能适应海量存储的要求。 4 流媒体数据的安全性。流媒体文件在磁盘上要具备科学的分布放置策略和 安全备份策略。以确保在点播时不至于因文件损坏而发生点播失败的问题 2 2 1 。 1 2 3 v o d 技术 v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 即交互式多媒体视频点播，是随着计算机技术和 网络通讯技术的发展，综合了计算机技术、通讯技术、电视技术而迅速新兴的一 门综合性技术。它利用了网络和视频技术的优势，彻底改变了过去收看节日的被 动方式，实现了节目的按需收看和任意播放，集动态影视图像、静态图片、声音、 文字等信息为一体，为用户提供实时、交互、按需点播服务的系统 2 j 1 1 2 4 。 v o d 的本质是信息的使用者根据自己的需求主动获得多媒体信息，它与信 息发布的最大不同：一是主动性、二是选择性。从某种意义上说这是信息的接受 者根据自身需要进行自我完善和自我发展的方式，这种方式在当今的信息社会中 将越来越符合信息资源消费者的深层需要，可以说v o d 是信息获取的未来主流 方式在多媒体视音频方面的表现。但是，这种点播服务系统是基于c s 结构模式 的，它必须在客户机上安装相应的媒体播放器，即使这样，媒体信息流还受带宽 等条件限制。 1 2 4p 2 p 对等网 2 0 世纪7 0 年代中期，源于局域网的文件共享p 2 p 技术就开始流行起来了， 目前大家所关注的p 2 p 并非新技术，而是旧有技术的新的应用模式l 捌。首开p 2 p 天津大学硕士学位论文第一章绪论 之风最有名的计划是美国柏克莱大学开展的寻找外星生命的s e t l h o m e 研究计 划。1 9 9 9 年，s e t h o m e ，t ：始使用p 2 p 计算方法来分析星际间无线电信号，寻找 宇宙中可能存在的其他外星文明证据。p 2 p 技术串联所有参与研究计划者闲置的 电脑来执行庞大复杂的运算，然后把结果传到s e t i h o m e 总部。也正是 s e t i h o m e 计划推动了最近的p 2 p 技术热潮。2 0 0 0 年用于共享m p 3 音乐的 n a p s t e r 软件与美国唱片界的一场官司将p 2 p 技术重新带回人们的视线。之后，各 种基于p 2 p 的应用风起云涌。在这种网络中各节点是对等的、具有相同的责任和 能力并协同完成任务。对等点之间通过直接互连共享信息资源、处理器资源、存 储资源甚至高速缓存资源等，无需依赖集中式服务器资源就可以完成。与传统的 c s 模式形成鲜明对比。 p 2 p 是当前互联网上较热门的技术，已应用到网络文件共享和n a p s t e r 的 m p 3 下载。其基本思想是通过p 2 p 技术，每个用户可以共享他的文件或信息给 其他用户。 p 2 p 技术也可以应用到流媒体，每个流媒体用户也是一个p 2 p 中的一个节点， 在目前的流媒体系统中用户之间是没有任何联系的，但是采用p 2 p 技术在流媒体 应用中特别适用于一些热门事件，即使是大量的用户同时访问流媒体服务器，也 不会造成服务器因负载过重而瘫痪。此外，对于多人的多媒体实时通信，p 2 p 技 术也会对网络状况和音视频质量带来很大改进。 p 2 p 技术如果与可伸缩性视频编码技术结合将能极大地提高每个用户所接收 的视频质量。由于可伸缩性码流的可加性，媒体数据不用全部传输给每个用户， 而是把它们分散传输给每个用户，再通过用户间的连接，每个用户就可以得到合 在一起的媒体数据。即使每个用户与服务器的连接带宽是有限的，应用p 2 p 技术， 每个用户依然可以通过流媒体系统享受高质量的多媒体服务。典型的计算机网络 有对等网络、千兆以太网、a t m 网络、f d d i 网络、宽带网络等。所谓的对等网 络是指网络上的每一台计算机都可以互相访问，计算机之间没有主次之分、各自 都有绝对自主权的网络，l i p p e e r t o p e e r ，简称p 2 p 2 6 i f 2 7 1 。图1 1 是p 2 p 的结构图。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 募 曩 最务器，客户机 曩务器客户机 图1 - 1 p 2 p 结构图 由图1 1 可见，在p 2 p 网络中，每台机器不仅仅是客户机，同时也是服务器， 也就是在客户机接受数据的同时，也在将此电脑上的数据传送出去。 在我们日常生活中所用的q q 音视频聊天不仅仅只是一个流的传播，其实也 是一个点对点的传播。除此之外，大量的p 2 p 下载网站也使下载网络资源更为快 捷。在下载的过程中，这些p 2 p 下载工具中都有一个共同的特点，那就是下载的 人越多下载的速度就越快，因为所谓的p 2 p 下载技术实际上就是：在我们下载的 同时也将我们已下载的内容共享出去，所以下载的人越多共享的资源也就越多， 因此下载的速度也就越快。 据网上来的消息，去年搜狐在“神六”的新闻大战中首超新浪，究其原因， 很大程度上就是因为网络流媒体的直播，这些都采用了p 2 p 流技术。p 2 p 流技术 的应用使得网络中数字影音的传播有了很大的发展，使得互联网上应有尽有，热 闹非凡。 2 0 0 5 年l o 月3 1 日，中国互联网协会宽带p 2 p 应用推进联盟在北京正式成 立，这不仅表现了政府对p 2 p 技术的认同，同时也向我们展现了p 2 p 技术具有 极大的发展空间。 在p 2 p 的情况下，一个网络中各个或者移动设备各节点的逻辑地位是完全相 等的既可以向别人发送数据，也可以接受别人的数据，自己既可以做服务器，也 可以做客户端。相对于大家习惯的c s 方式，p 2 p 的优点更为突出，比如它支持的 并发用户非常高，对宽带要求比较低，对网络稳定性要求比较低，需要的服务器 数比较少。2 0 0 5 年在国内一家企业的测试中，用了三台p c 服务器，在2 0 m 带宽 网络环境成功对全球5 5 万用户进行在线视频直播，如果在非p 2 p 的方式下这是 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 根本无法实现的圆。图l - 2 是两种模式的对比。 国乏主二二意喊 锈、旦 鼋垦垦璺基蕾舢 c l i e n t s e r v e r 模式p e e rt op e e r 模式 图1 - 2c s 模式与p 2 p 模式对比图 p 2 p 技术主要指有硬件形成网络连接后的信息控制技术，主要代表形式是在 应用层上基于p 2 p 网络协议的客户端软件。p 2 p 系统由若干互联协作的计算机构 成，且至少具有如下特性之一：系统依存于边缘化( 非中央式服务器) 设备的主 动协作，每个成员直接从其他成员而不是从服务器的参与中受益；系统中的成员 同时扮演服务器与客户端的角色；系统应用的用户能够意识到彼此的存在，构成 一个虚拟或实际的群体。p 2 p 网络是互联网整体架构的基础，互联网最基本的 t c p i p 协议并没有客户端和服务器的概念，在通讯过程中，所有的设备都是平等 的一端口9 1 。 p 2 p 技术使得任意2 台相连的计算机间共享文档、多媒体和其他文件成为可 能。n a p s t c r 和g n u t e l l a 就是将p 2 p 文件共享技术投入应用的最好例子，还有电 驴，b t 。它经常用在以下几个方面： 1 分布式计算 就是将原来需要超型计算机来计算的大型任务进行分块，并通过系统控制中 心的调度软件进行调度和管理，分发给普通计算机来执行具体运算操作，完成后 返回给控制中心唧。自1 9 9 9 年起，美国柏克莱大学的s e t l h o m e 研究计划就一 直在使用p 2 p 计算方法来分析星际间无线电信号，也正是s e t l h o m e 计划推动了 最近的p 2 p 技术热潮。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 2 协作系统 它是另一种类型的p 2 p 网络：一群一起工作的用户相互之间共享着不同的因 特网资源，但他们通过协同工作完成一项共同任务。和文件共享不同，协作系统 中的一个用户可在同一时刻将一个信息多点传送到若干个用户口“。美国l o t i l s 公司 创办的g r o o v en e t w o r k ( w w w g r o o v e n e t ) 就是最为著名的p 2 p 协作系统应用研究 组织之一。它是运用中继服务器来完成p 2 p 多点传送。 3 电子商务 基于p 2 p 技术的直接性和易扩展性，该模式很适用于用户之间的商品交换。 目前主要可用于金融服务、电子商务集市、广告行销、m 电话、购物行为分析 等。 4 以p 2 p 为基础的深度搜索引擎 p 2 p 技术使用户能够深度搜索文档，而且这种搜索无需通过w e b 月l l 务器，也 可以不受信息文档格式和宿主设备的限制，可达到传统目录试搜索引擎( 只能搜 索到2 0 * - 3 0 i 抟n 络资源) 无可比拟的深度【3 2 】。 1 3 主要研究内容与结构安排 第一章绪论。主要介绍开展“基于p 2 p 的多媒体点播系统”课题研