（计算机应用技术专业论文）视频流媒体多播系统的研究、实现与应用.pdf

视频流媒体多播系统的研究、实现与应用 专业计算机应用 研究生王科指导教师罗万伯 v 6 5 4 2 4 0 摘要 随着互联网的飞速发展，网络多媒体应用得以推广和普及。但是， 传统多媒体需要下载完成后才能播放的特点与现今网络带宽资源有限 的情况发生矛盾，于是产生了可以边下载一边观看的流媒体技术。针 对在m 网络上网上直播和口电视等应用，流媒体传输技术中的多播技 术具有更大的优势，它能让媒体服务器同时向多个客户端发送连续数据 流而不产生延时，但又不会产生广播风暴，极大地提高了网络利用率。 本论文正是针对这样的应用，构建一个基于口多播的视频流媒体应用 方案。 本论文在对视频流媒体基础理论深入研究的基础上，提出了视频 流媒体多播方案的整体构架，并分别从视频服务器、播放器和数字版权 管理三个方面详细说明其研究、设计和实现的全部过程。整个方案针对 我国现有宽带网络特点而设计，支持我国自主知识产权的流媒体编码系 统，并将数字版权管理系统引入到多播方案中。 在流媒体视频服务器的设计与开发上，本论文着重研究了多播协 议、多播路由、流媒体调度技术、缓存技术和拥塞控制技术，并按照系 统设计目标完成了基于h 2 6 4 变码率流编码的调度算法、基于多播的数 据发送与接收、基于速率的多播拥塞控制算法，最后和用多种技术实现 了视频流媒体多播服务器的全部功能，并介绍了系统的数据配置方案和 用户界面。在视频播放器方面，本论文依据c o m 组件技术实现了嵌入 式播放器的开发，着重讨论了如何加入到m 多播组，客户端缓存的使 用算法和播放控制策略，在实现上还介绍了多线程技术、功能模块以及 用户界面等。在数字版权管理研究方面，本论文着重研究了w m r m 体 系，并将其引入到视频多播系统中来，包括内容加密、用户认证、权限 的分发和管理以及其应用框架。目前该方案已得到初步应用，还需要进 一步的实验和改进。 关键词：流媒体，多播，视频服务器，播放器，数字版权管理 s t u d y , i m p l e m e n t a t i o n a n d a p p l i c a t i o no f v i d e o s t r e a m m e d i am u l t i c a s t s y s t e m m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n s g r a d u a t e ：w a n gk e d vis o r ：l u ow a n b o a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n c t , t h ea p p l i c a t i o n so fn e t w o r k m u l t i m e d i ah a v eb e e ns p r e a du pa n db e c o m eap o p u l a r i z a t i o n h o w e v e r ， t r a d i t i o n a lm u l t i m e d i af i l e ss h o u l db ed o w n l o a d e de n t i r e l yf i r s ts ot h a ti t c o u l db ep l a y e d t h a tm a k e sc o n f l i c tw i t ht h el i m i t a t i o no ft h en e t w o r k b a n d w i d t h s ot h es t r e a mm e i d a , at e c h n i q u e p r o v i d i n gp l a y i n g 、i m d o w n l o a d i n g m u l t i m e d i ad a t a , c o m e si n t o b e i n g t h et e c h n o l o g y o f m u l t i c a s ti ns t r e a mm e d i ah a sm o r ea d v a n t a g e sw h e ni ti sa p p l i e df o rt h e a p p l i c a t i o no f d i r e c tl i v i n l n gb r o a d c a s tt h r o u g hi pn e t w o r ko ri pt e l e v i s i o n i t c a nm a k et h em e d i as e i v c a s e n dc o n t i n u o u sd a t at om o r et h a no n ee u 5 2 0 m c r c l i e n ts y n c h r o n o u s l yw i t h o u t a n yd e l a yo rb r o a d c a s ts t o r m t h e m f o r ei tc a n i m p r o v et h ea v a i l a b i l i t yo f t h en e t w o r ks y s t e m t h i sp a p e ra i m sa ts u c h a p p l i c a t i o n sa n dd e s i g n sas c h e m e o fv i d e os t r e a l lm e d i a a p p u c a t i o nb a s e d o ni pm u l t i c a s t t h i s p a p e r i sb a s e do nt h er e s e a r c ho f t h eb a s i ct h e o r yo f v i d e os t r e a m m e d i a , p r o p o s e st h ew h o l ef r a m eo ft h ev i d e os t r e a mm e d i ai pm u l t i c a s t s c h e m e ，a n d s e p e m t e l ye x p l a i n s i n d e t a i lt h e r e s e a r c h ，d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no ft h em e d i as e r v e r , p l a y e ra n dd i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t s y s t e m c o n s i d e r i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e b r o a d b a n dn e t w o r k e n v i r o n m e n t , t h ew h o l ea r c h i t e c t u r eo f t h es o l u t i o ns u p p o r t st h ek n o w l e d g e p r o p e r t yr i g h t i no u r c o n t r y i nt h es t r e a mm e d i a c o d i n gs y s t e ma n d i n t r o d u c e st h ed r m s y s t e m i nt h ep a r to ft h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f 岛玎x 匝m e d i as e r v e r , t h i sp a p e rs t r e s s l yr e s e a r c h e st h em u l t i c a s tp r o t o c o l s ，m u i t i c a s tr o u n t i n g , s t r c a r am e d i as c h e d u l e t e c h n i q u e s ，c a c h e s a n d c o n g e s t i o n c o n t r 0 1 f u r t h e r m o r e ，i tc o m p l e t e st h ea r i t h m e t i cd e s i g no ft h es c h e d u l i n gb a s e do n h 2 6 4c o d i n g ，t h es e n d i n ga n dr e c e i p to ft h em u l t i c a s td a t a t h er a t e - b a s e d c o n g e s t i o nc o n t r o la n dr e a l i z e st h ew h o l ef u n c t i o n so ft h ev i d e os t r e a m m e d i as e r v e r i ta l s oe x p l a i n st h ed a t a c o n f i g u r a t i o na n d 1 坞e fi n t e r f a c eo f t h e s y s t e m i nt h ep a r t o ft h ep l a y e r d e s i g n , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc o m t e c h n i q u e s t o d e v e l o pa ne m b e d d e ds y s t e m i n t ot h e c f i e n t ，e s p e c i a l l y d i s c u s s e sh o wt oj o i nt h em u l f i c a s tg r o u p ，i s s u e si nt h eu s a g eo fc l i e n t s c a c h e sa n ds t r a t e g yo f p l a y i n g i ta l s o p r e s e n t st h e n 强l i z a t i o no f m u l t i t h r e a d f u n c t i o nm o d u l ea n du s 盯i n t e r f a c e i nt h ep a r to ft h ed r m t h i sp a p e r e s p e c i a l l yf o c u s e so nt h ea r c h i t e c t u r eo fd r m a n di n t r o d u c e si ti n t ot h e w h o l es c h e m e ，i n c l u d i n gc o n t e n te n c r y p f i o n , u s 盯a u t h e n t i c a t i o n , l i c e n s e d i s t r i b u t i o na n dm a n a g e m e n ta n dt h ef l a l r l eo ft h ea p p l i c a t i o n b yn o wt h c s o l u t i o nh a sb e e n p r e p a r i n g t op u ti n t ou s ey e tt h a tn e e d s 蛐e m o r e t e s t i n g a n d i m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：s t r e a mm e d i a ，m u l t i c a s t , v i d e os e r v e bp l a y e bd i g i t a l r i g h t sm a n a g e m e n t 视频流媒体多括系统的研究、实现与应用 前言 随着信息技术的飞速发展，2 1 世纪已经成为人们梦想中的互联网时代， “网络一家，四海一心”的概念早已深入人心【1 ，越来越多的人开始相信 互联网将会改变人们的生活，网络多媒体的应用便是新生活的主要内容之 一。随着计算机在中国普通家庭的普及以及i n t e m e t 的广泛应用，网络上传 输的资料已不仅仅局限于文字和图形，家用电脑作为多媒体终端，能够传 输多媒体信息，从而促进了人们的网上交流。 网络技术的发展给人们提供了丰富的资源与机遇。现场直播也不再是 电视台、电台的专利，越来越多的站点( w e b s i t e ) 开始采用流媒体技术传 播多媒体音、视频信息，为用户提供更丰富的内容，也使网站变得更加精 彩。流媒体属于网络多媒体的一部分，是多媒体技术和网络技术结合的产 物，它的出现使得在互联网中传播多媒体信息成为实用。流媒体技术解决 了带宽资源有限和传统媒体播放文件( 需要下载完成后播放) 的矛盾，产 生了以一边下载一边观看的业务形式。具体而言，流媒体业务是以流的形 式进行数字媒体的处理和传输，将连续媒体( 视频，音频) 流压缩编码，数 据打包后按照一定的时序要求发送给接收者，接收者在后续数据不断到达 的同时对接收到的数据进行重组、解码和播放，从而使人们能够联机欣赏 连续不断的多媒体节目。随着宽带网络的建设不断向纵深发展，用户对宽 带网络的使用开始向娱乐、影视欣赏等方向转移，对流媒体的应用需要也 从简单的了解信息向视听欣赏转变 2 。声音图像互动的交流方式，节省了 大量的成本，让商务会议、学习培训、甚至家庭生活在网络荧屏上缛以延 续，产生了巨大的经济效益和社会效益。例如，去年非典期间，教育部采 用流媒体视频网络会议系统、网络视讯系统和电话，在北京成功举办了全 国首次硕士研究生网上复试，效果突出，深受好评。 作为新兴的技术领域，流媒体具有很多的研究课题，包括流媒体编码 和解码技术、流媒体服务器技术、端到端( e n dt oe n d ) 流媒体技术和流媒 体系统技术。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 四川大学硕士学位论文 视频传输的h 2 6 1 、面向1 5 m b p s 数字视频音频传输和存储的m p e g - 1 、面 向高品质数字视频音频传输和存储的e g 一2 。到目前为止，最具代表性 的流媒体编解码技术为可扩展性编解码技术f g s ( f i n eg r a n u l a rs c a l a b l e ) 和p f g s ( p r o g r e s s i v e f i n eg r a n u l a rs c a l a b l e ) 。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。端到端流媒体技术可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拥塞控制( c o n g e s t i o n c o n 仃0 1 ) 策略、差错控制( e r r o rc o n t r 0 1 ) 策略、速率整形( r a t e 出印i n g ) 策 略等；端到端技术研究的目标是为了提高流媒体应用的服务质量( q o s ： q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。而流媒体系统技术不仅要关注流媒体的q o s ，还需注 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 ( s t r e a m i n gs c h e d u l i n g ) 、多媒体代理服务器及缓存技术( m u l t i m e d i ap r o x y a n dc a c h i n g ) 、流媒体的应用层多播技术( s t r e a m i n ga p p l i c a t i o nl e v e l m u l f i e a s t ) 、流媒体内容安全和数字版权管理技术( c o n t e n ts e c u r i t ya n dd i g i t a l r i 蜘t sm a n a g e m e n t ) 等。随着互联网的发展，网上电子书、音乐、电影、图 片等数字内容的传播越来越多，由于数字内容很容易复制、修改，网络上 传播的数字内容存在大量的盗版和侵权问题，因此，针对数字内容的版权 保护越来越重要。由于流媒体系统技术不仅要综合其他三类技术，还要优 化系统的综合性能，因此该类研究往往也是流媒体技术研究的重点和趋势。 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 oc o n f e r e n c e ) 系统、远程教育( d i s t a n c e l 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 m e t 中最通用的流媒体系统包括m i c r o s o f t w i n d o w sm e d i a p l a y e r ，a p p l eq u i c k t u n e ，r e a lr e a l n e t w o r k s 等，它们 有着各自的优势和不足。流媒体的这些产品受到i t 产业界极大关注，它们 的迅速普及和应用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开展。 本文从i n t e m e t 网上直播和口电视的实际应用出发，着眼于建立安全 可靠的基于d 网络的流媒体视频多播方案，在视频流媒体服务器、针对流 视频流媒体多播系统的研究、实现与应用 媒体的p 多播技术、流媒体内容安全和数字版权管理技术、嵌入式流媒体 播放器技术以及系统相关策略等方面做了一定研究，并在此基础上开发出 视频流媒体多播服务器和播放器，形成完整的解决方案。该方案的创新之 处在于支持基于h 2 6 4 的国内自主知识产权的编码系统、支持口多播系统 和带有数字版权管理系统，能提供适合我国现有网络环境的解决方案。该 方案在小型局域网环境下运行良好，系统已经符合预期要求。今后该方案 会在企业( 单位) 内部局域网环境中进一步实验，以求改进。 随着互联网、电信3 g 网络和数字广播电视网络的飞速发展，多网合一 的趋势不可避免，而基于网络平台的多媒体应用更是其核心业务，因此研 究网络平台下的多媒体技术成为热潮。作者正是看到了这样的趋势，结合 某一具体问题而提出一整套解决办法，并在理论上、学术上和工程上做了 大量工作。本论文旨在研究基于版权保护的流媒体视频p 多播系统以及相 关技术。作者从2 0 0 2 年开始至今，对基于口俩络应用层技术和内容分析 技术进行了深入的研究，并对多媒体应用特别是流媒体技术进行了系统研 究，开发了基于m 多播的视频服务器和嵌入式播放器，研究了数字版权管 理( d r m ) 技术，并将其运用到视频多播系统中，设计了整个方案。 具体说来，理论上，作者首先学习了t c p ，m 协议族的各种常见协议和 4 流媒体基础知识，系统学习了流媒体编码、解码、p 多播协议、流式传输 技术和相关协议、数字版权管理和网络安全相关理论。特别在服务器调度 算法、流媒体缓存技术和基于r m d o w sm e d i a 的数字版权管理等方面做了 深入研究，在此基础上结合他人经验开发出视频流媒体数据服务器节目调 度核心算法和播放器缓存控制算法，并将其运用到实际的系统中。作者还 将数字版权管理机制引入到视频流媒体多播方案中来，并实现了初步的版 权管理系统方案。整个系统的研究、设计与实现历时近一年的时间，现今 仍有许多进一步的工作需要继续。在实践上，作者参与方案的设计和实现 的全部过程，包括用户需求分析，核心技术攻关，毋多播服务器和嵌入式 播放器设计与实现，基于w m d o w sm e d i as d k 和w m d o w sm e d i ar i g h t s m a n a g e m e n t ( w m r m ) 的开发。开发运用到c + + 语言和v i s u a lb a s i c 语言， 以及一些h 刑l 下的脚本。共完成代码约1 5 ，0 0 0 行，并形成相应的开发文 ， 四川大学硕士学位论文 档。 本论文所构建的系统是基于口多播的单向视频广播系统，是一个针对 实际应用的解决方案，与已有的视频点播( v c l d ) 和广播有明显的优势( 见 2 1 节) 。在系统中，有关视频流媒体的编码、解码，节目制作和内容管理 等模块是独立出来的，作者所有的工作均在此基础上，着重研究视频流媒 体在i p 多播方式下服务器、播放器的构建，以及数字产品的版权管理研究。 需要指出的是，虽然方案设计是针对单向数据广播的，但整个服务器、播 放器和多播网络的构建却能够支持双向的数据服务，具有非常好的可扩展 性，能够在此基础上开发更多的应用。本论文将数字版权管理引入到系统 中来，并实现了初步的版权认证和分发系统，在流媒体内容提供方式上由 单纯的数字加密按时收费向更为先进的按使用方被许可方式上来，保证视 频信号的快速准确地传输，同时需要保证内容提供方的数字版权不受侵害， 即指定用户在特定的权限内使用数字产品。为数字媒体产品的发布和管理 作出了有益的尝试，也对内容安全有积极的意义。本文所构建的系统还支 持国有自主知识产权的基于h 2 6 4 的编码系统，特别为其提出了特定播发 算法，使其更加能够适应中国现有网络情况，比其他的方案有很强的针对 性和实用性。当然，本系统是一个在试验阶段的框架，仍然还存在很多有 价值的问题值得深入研究。 基于上面的描述，本论文是这样组织的： 第1 章：流媒体技术基础介绍 第2 章：方案总体设计思想和框架 第3 章：视频服务器的设计与实现 第4 章：嵌入式播放器的设计与实现 第5 章：数字版权管理的研究 第6 章：总结和其他若干问题的讨论 4 视频流媒体多播系统的研冗、买现与应用 第一章视频流媒体基础 1 1 流媒体技术 流媒体简单来说就是应用流技术在网络上传输的多媒体资源，而流技 术就是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放到网络服务器上，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机器后 才可以观看的网络传输技术【1 】。该技术先在使用者的电脑上创建一个缓冲 区，在播放前预先下载一段资料作为缓冲。当网络实际数据接收速度小于 播放所耗用资源的速度时，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，使播放品质得以维持。流媒体技术主要包括流式网络传 输技术，流媒体的编码、播发和发布等。 1 1 1 流式传输基础 流媒体实现的关键技术是流式传输【l 】。流式传输时，声音、影像或动 画等媒体由音、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，而只需经过几秒或十数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十倍、百倍地缩短，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。 流式传输的定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒体( 如视频、音 频) 技术的总称，其特定含义为通过i n t e r n e t 将影视节目传送到p c 机。实 现流式传输有两种方法：渐进式流式传输( 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 ) 。采用哪种方法需要依赖用户的具体需求。 一般来讲，渐进式流式传输适应于短片段。如果短片段要求较高的画面质 量，可能会导致用户等待时间的延长，但是流服务器并不会调整其传输质 量。当播放较长时间的片段时，如讲座、发言和电影，实时流式传输是更 好的选择。渐进式流式传输在 r r p 服务器上工作具有如让媒体文件更易 于管理等优点。 具体而言，渐进式流式传输不像实时流式传输那样在传输期间根据用 四川大学硕士学位论文 户连接的速度进行调整。由于标准的m 1 甲服务器可发送这种形式的文件， 也不需要其他特殊协议，它经常被称作h t t p 流式传输。渐进式流式传输 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。这意味着观 看前，必须经历延迟，对较慢的连接尤其如此。顺序流式文件放在标准m 1 甲 或f 口服务器上，易于管理，基本上与防火墙无关。渐进式流式传输不适 合长片段和有随机访问要求的视频，如讲座、演说与演示等，它也不支持 现场广播。 实时流式传输则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，可快进或后退以观 看前面或后面的内容。理论上，实时流一经播放就可不停止，但实际上， 可能发生周期性暂停。实时流式传输必须匹配连接带宽，以调制解调器速 度连接时图像质量较差。而且，由于出错丢失的信息被忽略掉，网络拥挤 或出现问题时，视频质量很差。如欲保证视频质量，渐进式流式传输也许 更好。实时流式传输需要特定服务器，如q u i c k t u n es t r e a m i n gs e r v e r 、 r e a l s e r v e r 与m n d o w sm e d i as e r v e r 。这些服务器允许对媒体发送进行多级 别的控制，因而系统设置、管理比标准h t i p 服务器更复杂。实时流式传 输还需要特殊网络协议，如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 ) 或m m s ( m i c r o s o f lm e d i as e r v e r ) 。有防火墙时，这些协议有时会出现问题，导致 不能看到一些地址的实时内容。 1 1 2 流媒体技术原理 准确地说，流媒体是指在互联网上以数据流的方式实时发布声音、视 频多媒体内容的媒体，而流媒体技术则是用于在i p 网络上发布多媒体数据 流的技术，它与传统媒体文件播放技术的区别在于： 1 传统的播放技术是由客户端从服务器下载完整的文件，然后进行 播放。 2 流媒体技术则采用了流式传输方式，将整个多媒体文件压缩解析 成多个压缩数据包，向客户端实时地顺序传送。所以用户无须等 视频流媒体多插系统的研究、实现与匝用 待整个文件下载完毕，便可以一边解压播放前面传送过来的压缩 包，一边下载后续的压缩包，从丽节省了用户的时间。 我们知道，流式传输这些功能的实现需要缓存技术的支持。因为i i l m m e t 是以包传输为基础进行断续的异步传输，所以一个实时a ，v 源或存储的 a 文件在传输中要被分解为许多包( p a c k e t ) 。由于网络是动态变化的， 各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不等，甚 至先发的数据包还有可能后到。为此，使用缓存系统来减少延迟和抖动的 影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，而不会因 为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓存所需容量并不大，因为高 速缓存使用环形链表结构来存储数据：通过丢弃已经播放的内容，流可以 重新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。 一般来讲，由予t c p 需要较多的开销，不能用作数据传输，故流式传 输方案采用r t c p 厂r c p 来传输控制信息，而用r t p l r d p 来传输实时媒体数 据。其过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务器，然后w e b 浏览器 与w e b 服务器之间用h t t p 厂r c p 交换控制信息，以便把需要传输的实时数 据从原始信息中检索出来；然后客户机上的w e b 浏览器启动a ，vh e l p e r 程 序，使用m m 从w e b 服务器检索相关参数对h e l p e r 程序初始化。这些参 数可能是目录信息、a v 数据的编码类型或与a n 检索相关的服务器地址。 a ，vh e i p e r 程序及a v 服务器运行实时流控制协议( r t s p ) ，以交换a ，v 传输所需的控制信息。r t s p 提供了操纵播放、快进、快倒、暂停及录制等 命令的方法。a v 服务器使用r t p r s d p 协议将。w 数据传输给a v 客户 程序，一旦客户端收到即可播放输出。 需要特别说明的是，在流式传输中，使用r t s p 和r t p 倒t c p 两种不 同的通信协议与a v 服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向 到一个不同于运行a ，vh e l p e r 程序所在客户机的目的地址。实现流式传输 一般都需要专用服务器和播放器，其基本原理如图1 1 所示。 四川太学硕士学位论文 图1 - i 流式传输原理 另外，由于网络带宽与媒体流量和质量的矛盾，产生了智能流技术。 它需要确立一个编码框架，允许不同速率的多个流同时编码，合并到同一 个文件中，此外还需要采用一种复杂客户服务器机制来探测带宽的变化。 1 1 3 流媒体播放方式与发布格式 流媒体的播放方式是多种多样的，包括以下几种： 单播：该方式下，客户端和媒体服务器之间会建立一个单独的数 据通道，从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机。 每个用户必须对媒体服务器发送单独的查询，而媒体服务器必须 向每个用户发送所申请的数据包拷贝。 多播：p 多播技术构建一种具有多播能力的往来，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 对多个客户机同时发送连续数据流而无延时。网络利用率大大提 高，成本大大下降。 广播：该方式是指用户被动接受流。在广播过程中，客户端接收 流，但不能控制流。例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广 播方式中数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户。 媒体发布格式既不是压缩格式，也不是传输协议，其本身并不描述视 听数据，也不提供编码方法。它是视听数据安排的惟一途径，物理数据无 视频流媒体多揸系统的研究、实现与应用 关紧要，仅需要知道数据类型和安排方式。以特定方式安排数据有助于流 式多媒体的发展，因为我们希望有一个开放媒体发布格式为所有商业流式 产品所应用，为应用不同压缩标准和媒体文件格式的媒体发布提供一个事 实上的标准方法。 常用的媒体发布格式有： a s f ia d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t s m i hs y n c h r o n i s e dm u l t i m e d i ai n t e g r a t i o nl a n g u a g e r a l t l ii 乙u 讧f i l e r p m ：e m b e d d e dr a m f i l e a 戤：索引文件 1 1 1 ：索引文件 视频服务器把存储在存储系统中的视频信息以视频流的形式通过网络 接口发送给相应的客户，响应客户的交互请求，保证视频流的连续输出。 视频信息具有同步性要求，一方面必须以恒定的速率播放，否则将引起画 面的抖动，另一方面在视频流中包含的多种信号必须保持同步，如画面的 配音必须和口型相一致。同时视频具有数据量大的特点，它在存储系统上 的存放方式直接影响视频服务器提供的交互服务，如快进和快倒等功能的 实现。 视频服务器必须满足视频流特征提出要求，其工作模式是当服务器建 立响应客户的视频流后，从存储系统读入一部分视频数据到对应于这个视 频流的特定的缓存中，然后缓存中的内容将送入网络接口发送到客户。当 一个新的客户请求视频服务时，服务器根据系统资源的使用情况，决定是 否响应此请求。系统的资源包括存储i o 的带宽、网络带宽、内存大小和 c p u 的使用率。 目前有三种类型的视频服务器结构： 通用主机方法：采用计算机主机实现视频服务器的功能。该结构比较 简单，不利于发挥主机的主要功能，增加了系统的成本。因此有必要 研究具有专门功能、结构简单的视频服务器。 紧耦合多处理机：将完成某项指令或者功能的硬件单元组合成相应的 9 四川大学硕士学位论文 专用系统，再将这些系统级联起来构成紧耦合多处理机实现的视频服 务器。这种服务器费用低、性能高、功能强，具有解决专项问题的特 征，但节目受到一定的限制，扩展性较差。 调谐视频服务器：采用一个有独特微码的嵌入式仿真控制主板，磁盘 控制器等都利用极高速的仿真器来提供功能和功能块间的通讯。仿真 器是提供特殊的寄存器总线和微码紧密耦合的。该结构是可扩展的， 在主板中插入更多的服务通路就可以达到扩容的目的。 1 1 4 流媒体文件格式与编码 流媒体在发送前存放在存储器中采用的是压缩格式，客户端收到数据 后会采用相应的算法解压缩，从而播放该压缩格式。压缩格式有时被称为 压缩媒体格式，包含了描述一段声音和图像的同样信息，它的文件大小被 处理得更小，很明显，压缩过程改变了数据位的编排。在压缩媒体文件再 次成为媒体格式前，其中数据需要解压缩。由于压缩过程自动进行，并内 大文件长度 标准媒体 文件格式 压缩软件 或 硬件 小文件长度 压缩后 媒体文件格式 图1 - 2 文件压缩过程 嵌在媒体文件格式中，通常在存储文件时没有注意到这点。该过程如图1 2 视频流媒体多播系统的研究、实现与应用 所示。 流式文件格式经过特殊编码，使其适合在网络上边下载边播放，而不 是等到下载完整文件才播放。虽然人们可以在网上以流的方式播放标准媒 体文件，但这样效率不高。因此，在播放流媒体时，一般将压缩媒体文件 大文件长度 标准媒体 文件格式 流媒体糖码 软件玻硬件 小文件长度 有效 可成瑰致据 专目目目目目目目 流式蠛体 文件格式 图1 - 3 流斌支蚪铺静媚 编码成流式文件，同时加入一些附加信息，如计时、压缩和版权信息。编 码过程如图1 3 所示。 常用的编码解码标准多种多样，比如r e a l v i d e o r e a l a u d i o 的可扩展视 频技术，以及w i n d o w sm e d i a 视频与音频c o d e c 3 4 。 r e a l s y s t e m 采用可扩展视频技术作为其主要视频编码解码技术，该技 术具有扩展行为的能力，如连接速率低于编码时采用不同的速率，播放时 服务器端丢弃不重要的信息，播放器解码尽可能还原视频质量等。它使用 小波变换将信号编码成一系列顺序片段，使扩展性成为可能。r e a l a u d i o 是 第一个支持i n t e m e t 实时流媒体的音频结构，有多个不同的c o d e c ， c o d e c 根据产生的数据速率与内容类型命名。 w m v ( w m d o w sm e d i a v i d e o ) 是微软( m i c r o s o f t ) 媒体技术的首要 c o d e c ，它派生于m p e g - 4 ，几个专有扩展功能使其可在定码率下提供更好 四川大学硕士学位论文 置田蔓_ _ 量_ _ _ _ | 矗| 日基量_ 鼍量置量舅墨i i 鼍量曼| 田 图像质量。在这种意义下，它已成为流式视频中质量最高的c o d e c 之一。 w m a ( w m d o w sm e d i aa u d i o ) c o d e c 类似于m p 3 ，并具有一些优势，特别 适合于低速率下获得更好播放质量的应用【4 】。 另外，视频编码h 2 6 4 是一种面向实际应用的新标准，它由i s o 匝c 和r r u t 两大国际标准化组织共同制定。是视频编码技术的新发展。它在 多模式运动估计、整数变换、统一v l c 符号编码、分层编码语法等方面都 有它的独至u 之处。h ，2 6 4 算法具有很高的编码效率，其应用前景非常可观【5 j 。 上个世纪8 0 年代以来，国际上一直存在由i s o ，m c 制定的m p e g - x 和r r u - t 制定的h 2 6 x 两大系列视频编码国际标准。从h 2 6 t 视频编码建议，到 h 2 6 2 3 、m p e g 1 ：狮等都有一个共同的不断追求的目标，即在尽可能低的 码率( 或存储容量) 下获得尽可能好的图像质量。丽且，随着市场对图像 传输需求的增加，如何适应不同信道传输特性的问题也日益显现出来。这 就是正o h e c 和r r u t 两大国际标准化组织联手制定的视频新标准h 2 6 4 所要解决的问题。1 4 _ 2 6 4 和以前的标准一样，也是d p c m 加变换编码的混 合编码模式。但它采用“回j 黯基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得 比h 2 6 3 + + 好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应能力，采用“网 络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽， 以满足不同速率、不同解析度以及不同传输( 存储) 场合的需求：它的基 本系统是开放的，使用无需版权。因此，在网络带宽不是很高的情况下， 选用h 2 6 4 编码技术作为网络多媒体应用是非常明智的。 1 2 多播技术 随着宽带技术的发展，f t p 、 玎邛、s m t p 等传统数据业务已经难以 满足人们对信息业务的需求，视频点播、远程教育、新闻发布、网络电视 等业务将成为新一轮运营竞争的焦点。这类新型业务的特点是，由一个服 务器( 媒体流服务器) 发布信息，客户接收端数量很大，而且具体数目不 固定。针对这样的应用，最好的技术是p 多播。 视频流媒体多播系统的研究、实现与应用 i i i i i i 1 2 1i p 多播技术基础 1 2 1 1 概念 m 多播( 也称多址广播或组播，本论文统一称为多播) 技术，是一种 允许一台或多台主机( 多播源) 发送单一数据包到多台主机( 一次的，同 时的) 的t c p m 网络技术。多播作为一点对多点的通信，是节省网络带宽 的有效方法之一。在网络音频视频广播的应用中，当需要将一个节点的信 号传送到多个节点时，无论是采用重复点对点通信方式，还是采用广播方 式，都会严重浪费网络带宽，只有多播才是最好的选择。多播能使一个或 多个多播源只把数据包发送给特定的多播组，而只有加入该多播组的主机 才能接收到数据包。目前，m 多播技术被广泛应用在网络音频，视频广播、 a o d v o d 、网络视频会议、多媒体远程教育和虚拟现实游戏等方面。 1 2 1 2 口多播地址和多播组 p 多播通信必须依赖于口多播地址，在i p v 4 中它是一个d 类p 地址， 范围从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，并被划分为局部链接多播地址、预留 多播地址和管理权限多播地址三类。其中，局部链接多播地址范围在 2 2 4 0 0 0 2 2 4 0 0 2 5 5 ，这是为路由协议和其他用途保留的地址，路由器并 不转发属于此范围的口包；预留多播地址为2 2 4 0 1 0 - - 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，可 用于全球范围( 如i n t e r a c t ) 的网络协议；管理权限多播地址为 2 3 9 0 0 0 - 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，可供组织内部使用，类似于私有坤地址，不能 用于i n t e m e t ，可限制多播范围 6 1 1 7 1 。 使用同一个i p 多播地址接收多播数据包的所有主机构成了一个主机 组，也称为多播组。一个多播组的成员是随时变动的，一台主机可以随时 加入或离开多播组，多播组成员的数目和所在的地理位置也不受限制，一 台主机也可以属于几个多播组。此外，不属于某一个多播组的主机也可以 向该多播组发送数据包。 四川大学硕士学位论文 1 2 1 3 多播分布树 为了向所有接收主机传送多播数据，人们用多播分布树来描述m 多播 在网络中传输的路径。多播分布树有两个基本类型：有源树和共享树。 有源树是以多播源作为有源树的根，有源树的分支形成通过网络到达 接收主机的分布树，因为有源树以最短的路径贯穿网络，所以也常称为最 短路径树( s p t ) 【8 】。 共享树以多播网中某些可选择的多播路由中的一个作为共享树的公共 根，这个根被称为汇合点( r _ p ) 。共享树又可分为单向共享树和双向共享树： 单向共享树指多播数据流必须经过共享树从根发送到多播接收机，而双向 共享树指多播数据流可以不经过共享树的根。 1 2 2i p 多播路由及其协议 1 2 2 1i p 多播路由的基本类型 多播路由的一种常见的思路就是在多播组成员之间构选一棵扩展分布 树。在一个特定的“发送源，目的组”上的i p 多播，流量都是通过这个扩 展树从发送源传输到接受端的，这个扩展树连接了该多播组中所有主机。 不同的坤多播路由协议使用不同的技术来构造这些多播扩展树，一旦这个 树构造完成，所有的多播流都将通过它来传播。 根据网络中多播组成员的分布，总的说来m 多播路由协议可以分为以 下两种基本类型。第一种假设多播组成员密集地分布在网络中，也就是说， 网络大多数的子网都至少包含一个多播组成员，而且网络带宽足够大，这 种被称作”密集模式”( d e n s e m o d e ) 的多播路由协议依赖于广播技术来将 数据”推”向网络中所有的路由器。密集模式路由协议包括距离向量多播路 由协议( d v m r p ：d i s t a n c e v e c t o r m u l t i c a s t r o u t i n g p r o t o c 0 1 ) 、多播开放最 短路径优先协议( m o s p f ：m u l f i c a s t o