（计算机应用技术专业论文）基于价格的流媒体接纳控制机制研究与实现.pdf

摘要 从网络上获取音频、视频等连续媒体数据，并即时播放，已经成为当前实时多媒体应用的发展趋势之 一，支持这样一种应用模式的相关技术称为流媒体技术。随着流媒体服务的普及，可以预见，以流媒体和 文本、图像等相结合的多媒体内容将是今后互联网主要的传输对象。如何保证漉媒体服务的q o s 正在成为 越来越重要的研究热点。对于服务提供商来说，需要考虑如何将有限的资源以适当的方式，分配给合适的 用户，尽可能发挥其应有的价值，提高用户的满意度。作为一种能有效保证q o s 的手段，接纳控铝, j ( a d m i s s i o n c o n t r 0 1 ) 在流媒体服务中被广泛采用。但当前流媒体服务器端所采用的接纳控制忽视了资源对用户的价值， 系统会默认资源对不同用户的价值都是相同的，因而也就不能实现系统资源的最优分配，用户的满意度也 会下降。近年来，采用经济学的理论和方法，对网络资源分配问题进行分析和研究，受到研究人员的普遍 关注。 论文从当前为保证流媒体服务质量，流媒体服务器端所采用的接纳控制机制和面临的局限入手，分析 了经济学方法应用于流媒体服务器端接纳控制的必要性和可行性，并针对r t s p 流媒体应用的特点进行深 入的研究，尝试将接纳控制和价格机制相结合，以实现整个系统资源使用最优化和用户满意度最大化。具 体来说，论文的主要研究和实现工作如下： ( 1 ) 介绍了流媒体技术的发展和现状，如流媒体系统的组成、流媒体对象的内在属性及其主要实现技 术，阐明了接纳控制在流媒体资源管理中所扮演的重要角色。从流媒体系统传输和用户访问行为 这两个方面对流媒体系统进行了研究和分析，尝试结合流媒体系统的特性研究接纳控制。通过分 析流媒体服务器的工作流程，指出影响其性能的相关因素，为原型系统的实现提供基础。 ( 2 ) 阐述了经济学在网络资源分配中的作用，尝试利用相关的经济学原理，如预算约束、效用、用户 需求等，研究网络资源分配和服务定价机制。提出了价格机制的基本实现方案。对现有的定价策 略，如静态定价策略和动态定价策略，进行了比较全面的对比和分析，并在此基础上总结定价策 略的设计原则。 ( 3 ) 针对所研究的流媒体系统，在连接一级实施了基于价格的接纳控制，将连接阻塞率和活动连接时 长作为优化的目标，考察了用户连接请求随机到达时的连接价格确定问题，只有当用户愿付价格 高于系统确定的允许接入价格，用户的连接请求才有可能被接入，并提出在连接阻塞率不高于某 个阙值的情况下，使得单位连接时长最大化的价格调整算法。随后利用m a t l a b 仿真平台对该 算法进行了测试。测试结果表明，采用价格机制后，有限的系统资源得到了合理的分配，提高了 用户的满意度。 ( 4 ) 根据提出的价格机制基本实现方案，实现了基于价格的流媒体接纳控制的原型系统，该原型系统 基于代理服务器的系统体系结构。对r t s p 协议进行扩展，使价格信息的协商与传递嵌入在r t s p 的交互过程中。同时针对用户的媒体访问特征，在原型系统中实现用户预览功能。随后对原型系 统进行了测试。测试结果表明，原型系统中的各个模块均能正常工作，当用户连接请求到达时， 系统能正确的实施接纳控制机制。 实验表明，本文所提出的基于价格的流媒体接纳控制机制，有效的实现了系统资源使用最优化和用户 满意度最大化。我们认为，将经济学的理论和方法应用于网络资源的分配问题中，有助于从理论上明确网 络资源分配的目标和要求，进而探讨有效的资源分配实现机制，为资源分配问题提供了一种新的、有益、 可行的思路。 关键字：流媒体资源分配接纳控制 价格机制 r t s p i 查塑奎兰堡主兰垡堡奎 a b s ，i r a c t a c q u i r i n gm e d i a d a t as u c h a u d i oa n dv i d e of r o mt h ei n t e r a c ta n dp l a y i n go n - l i n ei sb e c o m i n go n eo f t h e r e n l - t i m em u l t i m e d i ad e v e l o p m e n tt r e n d s r e l e v a n tt e c h n o l o g ys u p p o r t i n gs u c ha l la p p l i c a t i o nm o d ei sc a l l e d s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y w i t ht h ep o p u i a d n a t i o no fm u l t i m e d i as t r e a m i n gs e r v i c e , i ti sf o r e s e e a b l et h a tt h e m u l t i m e d i ac o n t e n t sw h i c hc o n s i s to f s t r e a m i n gm e d i a , t e x ta n di m a g e sw i l lb et h em a i no b j e c t st h a tt h ei 1 慨m e t w i l lt r a n a p o r t h o wt oe l l s u r ct h eq u a l i t yo fm u l t i m e d i as t r e a m i n gs e r v i c ei sb e c o m i n gah o ti s s u e t h es e r v i c e p r o v i d e rn o j st oc o n s i d e rh o wt oa l l o c a t et h el i m i t e di e $ o u r c e s ，i na na p p r o p r i a t em a n n e r , t ot h ea p p r o p r i a t eu 戴隔 m a x i m i z et h er e s o u r c e s v a l u e ，p r o m o t en s e l s s a t i s f a c f i o ma sa ne f f e c t i v em e t h o dt oe n s u r et h eq u a l i t yo f s e r v i c e ， a d m i s s i o nc o n t r o lh a sb e e nw i d e l yu s e di nm u l t i m e d i as 订e s m i n gs e r v i c e b u tc u r r a n ts e r v e r - s i d ea d m i s s i o n c o n t r o ii g n o r e st h ef c s o u r c ev a l u ef o rd i f f e r e n tr i s e r s ，s y s m mc o n s i d e r st h er e $ o l l f c cv a l u ef o rd i f f e r e n tu s e f si s e q u a l l yb yd e f a u l t , h e n c e , i tc a l l n ta c h i e v et h eo p t i m a lr e s o u r c ea l l o c a t i o n , n s e l s s a t i s f a c t i o nw i l lf a l l i nr e c e n t y e a r s ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sb e g i nt o 咖d yh o wt on s et h ee c o n o m i ct h e o r ya n dm e t h o d o l o g yt os o l v et h e r e s o l l r c ea l l o c a 虹o np r o b l e m ， s t a r t i n gf r o mt h ed i l e m m aw h i c ht h ea d m i s s i o nc o n t r o la d o p t e db ys t r e a m i n gm e d i as e r v e rf a c e d , w h o s e p u r p o s ei st oi m p r o v et h eq u a l 埘o fm u l t i m e d i as t r e a m i n gs e r v i c e ，w ea n a l y z et h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo f a p p l y i n ge c o n o m i ct h e o r ya n dm e t h o d o l o g yt ds e r v e r - s i d ea d m i s s i o nc o n t r 0 1 s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr t s p s t r e a m i n gm e d i as e r v i c e , a t t e m p tt oc o m b i n et h ep r i c i n gm e c h a n i s ma n da d m i s s i o nc o n t r o lt oa c h i e v eo p t i m u m u s eo f r e s o u r c e sa n dm a x i m i z ec u s t o m e r s s a t i s f a c t i o n s p e c i f i c a l l y , o u rm a i nw o r ki n c l u d e sf o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) i n t r o d u c et h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i as t r e a m i n gs e r v i c e ，s u c ha st h ea l e h i t e c m r eo f s t r e a m i n gm e d i as y s t e m ，t h ea t t r i b u t e so fs 由珊i n gm e d i ao b j e c t sa n dr e l a t i v et e c h n o l o g i e s s t a t et h e v i t a lr o l ea d m i s s i o nc o n t r o lp l a y i n gi nt h es n c a n f i n gm e d i ar e s o u r c em a n a g e m e n t f o c u so l lt h e t r a n s p o r t 枷o na n du s e rb e h a v i o ro fs t r e a m i n gm e d i as y s t e m a t t e m p tt dc o m b i n ei t sc h a l a c l m - i s t i ct o s t u d yt h ea d m i s s i o nc o n t r 0 1 b ya m d r z m gt h es t r e a m i n gm e d i as c l w e r sw o r k f l o w , w ep o i n to u t r e l e v a n tf a c t o r st h a ta f f e c ti t sp e r f o r m a n c e , p r e p a r i n gf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no f p r o t o t y p e ( 2 ) s t a t et h ei m p o r t a n c eo fa p p l y i n ge c o n o m i ct h e o r ya n dm e l h o d o l o g yt dl _ e s o n r c ea l l o c a t i o n , a t t e m p tt o u s ee c o n o m i cp r i n c i p l e s , s u c ha sb u d g e tc o n s t r a i n t s ，u t i l i t ya n du s e rd e m a n d , t os t u d yr e s o u r c e a l i n c a t i o na n ds e r v i c e p r i c i n gm e c h a n i s m p r o p o s eab a s i c s c h e m eo fp r i c 岖m h 越岫 i m p l e m e n t a t i o n c o m p a r ea n da n a l y z et h ec u r r e n tp r i c i n gs u n t e g i e sc o m p r e h e n s i v e l y , s u c ha ss t a t i ca n d d y n a m i cp r i c i n gs t r a t e g y , a n d m 1 i n a r i t h ed e s i g np r i n c i p l e so f p r i c i n gs t r a t e g ya c c o r d i n gt oi t ( 3 ) a d d r e s s i n gt h es t r e a m i n gm e d i as y s t e mw es t u d i e d ，w ei m p l e m e n t ac o m a e c t i n n - o r i e m e x tp r i c i n g - b a s e d a d m i s s i o nc o n t r 0 1 w h o s eo p t i m i z ：m go b j e c t sa l eb l o c k e dr a t i om h m j z a t i a n da c t i v ec o n n e c t i o n d u r a t i o nm a x i m i z a t i o n w ed i s c u s sh o wt od r i c et h ei n c o m i n gs t o c h a s t i ca r r i v e du s 盯c o n n e c t i o n s o n l y w h e nu s e r sa r ew i l l i n gt op a yah i g h e rp r i c et h a nt h es y s t e ma l l o w s ，1 2 b c r s r e q u e s tm a yb ea c c e p t e d t h e nad y n a m i cp r i c i n ga l g o r i t h mi se x a m i n e dw h i c ha p p r o a c h e st h e 嵋虹m 啪o fa c t i v ec o n n e c t i o n d u r a t i o nw h i l ea s s u r i n gt h eb l o c k e dr a t i oi sa ta na c c e p t e dl e v e l t h e nw eu t h em a l l a bp l a t f o r mt o t e s tt h ee f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h m t h er e s u l ts h o w st h a ta 缸fa p p l y i n gt h ep r i c i n g - b a s e da d m i s s i o n c o n t r o l , s y s t e mc a l l a l l o c a t et h er e $ o u r c er a t i o n a l l y , p r o m o t et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o na n du s e r s a t i s f a c t i o n ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h eb a s i cs c h e m eo f p r i c i n gm e c h a n i s mi m p l e m e n t a t i o n , w ei m p l e m e n tt h ep r i c i n g - n e d i i 东南大学硕士学位论文 a d m i s s i o nc o n t r o lp r o t o t y p ew h i c ha d o p t st h ep r o x y - b a s e da r c h i t e c t u r e w ee x p a n dt h er t s pp r o t o c o l t oe m b e dp r i c en e g o t i a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o ni nc l i e n t - s e r v e ri n t e r a c t i v ep r o c e s s c o n s i d e r i n gt h eu $ e r b e h a v i o r , w ea l s op r o v i d et h ep r e v i e wf u n c t i o ni nt h ep r o t o t y p e t h e nw et e s tt h ep r o t o t y p e t h er e s u l t s h o w st h a tt h es y s t e mw o r k sw e l l w h e nu s e r s r e q u e s t sa r r i v e ，s y s t e mc a ni m p l e m e n tt h ea d m i s s i o n e o n t r o ic o r r e c t l y e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i c i n g - b a s e da d m i s s i o nc o n t r o lf o rm u l t i m e d i as t r e a m i n g s e r v i c ew ep r o p o s e da c h i e v e so p t i m u mu s eo fr e s o u r c e sa n dm a x i m i z e sc u s t o m e r s s a t i s f a c t i o n w eb e l i e v et h a t a p p l y i n ge c o n o m i ct h e o r ya n dp r i c i i l gm e c h a n i s mt or e s o u r c ea l l o c a t i o ni sh e l p f u lt oi d e n t i f yt h eo p t i m i z a t i o n o b j e c ta n dd i s c u s st h ei m p l e m e n t a t i o nm e a s u r eo fi t , w h i c hp r o v i d e san e wa n dr e a s o n a b l ew a yo fr e s o u r c e a l l o c a t i o i l k e y w o r d ：s t r e a m i n gm e a 坩, r e s o u r c ea l l o c a t i o n , a d m i s s i o nc o n t r o l ，p r i c em e c h a n i s m , r t s p m 查塑盔兰塑主兰堡垒塞一 论文插图索引 图1 1 流媒体系统组成结构 图1 2 接纳控制的分类 图2 1r t s p 会话描述 图2 2 标准的r t s p r t p r t c p 传输 图2 ，3r t s p r t p 传输 图2 4r t p r t c p 内嵌在r t s p 连接内部传输 图2 5 视频点播基本流程。 图4 1 没有启动价格机制时用户请求数以及系统资源利用率阻塞率 图4 2 没有启动价格机制时连接时长的分配 6 1 1 1 3 3 2 3 2 图4 3 价格调整过程3 3 图4 4 启动价格机制时用户请求数以及系统资源利用率阻塞率。3 3 图4 5 启动价格机制时连接时长的分配 图5 1 服务器接纳控制流程图 图5 2 原型系统结构 图5 3r t s pp r o x y 会话状态转移图 3 4 3 8 图5 4 原型系统测试拓扑 图5 5 客户端代理服务器启动界面 图5 6 媒体播放器代理设置 4 3 4 4 4 4 图5 7 服务器代理服务器启动界面4 5 图5 8 客户端代理服务器获知服务器当前允许接入价格界面 图5 9 客户端代理服务器询问预览界面 图5 1 0 客户端代理服务器询问价格界面。 图5 1 1 服务器告知用户更新后的允许接入价格 4 5 4 6 4 7 4 8 东南大学硕士学位论文 表1 1 常用流媒体文件格式 论文表格索引 表1 2 流媒体对象和w e b 对象内在属性的差异 3 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名，堑二塑日期：之也乙7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：，轻= 鱼 导师签名： 日期：砷厂叫 1 1 研究背景 第1 章绪论 作为多媒体和网络领域的交叉学科，流媒体技术的研究和应用得到了迅速发展多媒体使计算机能够 综合处理文本、图像、语音和视频，它以丰富的媒体信息和便捷的交互性，极大地改善了人机操作界面， 推动了计算机的普及，给人们的工作、生活和娱乐带来了深刻的变化。随着网络技术、多媒体压缩技术的 发展，以流媒体和文本、图像等相结合的多媒体内容将是今后互联网主要的传输对象。用户希望网络能够 实时传输高质量流媒体，流媒体技术( s t r e a m i n gm e d i a ) 便由此应运而生。所谓流媒体技术 1 1 就是把连续的 音频和视频经过压缩处理后，形成流媒体文件( a s f 、r a m 、r a 、m o v 等) 上载到流媒体服务器，供各种不 同连接( m o d e m 、a d s l 、l a n 等) 的用户实时观看、收听的一整套技术。同时，音频和视频编解码技术 的进步和网络流媒体协议的标准化也为流媒体的广泛应用起到重要的促进作用。 现在人们已经越来越习惯在网络上收听在线音乐、收看在线电视和视频节目，甚至通过网络进行视频 聊天。随着流媒体应用的不断普及，越来越多的网络运营商也意识到流媒体业务中包含的商机，并纷纷开 展相关的研究和建设工作。可以预计，宽带流媒体技术和应用必然会在未来的网络中发挥更重要的作用， 并在一定程度上改变人们使用网络的方式。在采用流媒体传输方式的系统中，连续的视频和语音信息经过 压缩处理后存放到视频服务器。用户不必等到整个媒体文件全部下载完毕，而只需经过几秒或几十秒的启 动延时即可在客户端对媒体文件进行实时播放并随机访问。在用户观看的同时，媒体文件的剩余部分将在 系统后台继续下载。与传统的下载，播放方式相比，这种对媒体文件边下载边播放的流式传输方式使用户可 以在线欣赏丰富多彩的多媒体内容，启动延时大幅度地缩短，对系统缓存容量的需求也太大降低，而且由 于播放完不留在用户硬盘上，保证了提供者的版权。基于流媒体的应用改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。 文献口总结了i n t e m e t 上流媒体的重要方法与研究方向，分为视频压缩技术、应用层q o s 控制( 主要 是拥塞避免、差错控制) 、连续媒体分布服务( 应用层多播、内容复制) 、流媒体服务器、媒体同步机制、 流媒体协议等六个方向。从当前整个流媒体应用状况看，用户不够多，内容比较贫乏，没有好的盈利模式， 难以产生收益是当前存在的突出问题。而追根溯源，这些问题又都产生于一个基本的问题：流媒体应用的 q o s 问题没有得到有效的解决。q o s 问题没有解决，用户得不到满足的服务，当然就不会购买这种应用； 没有足够用户，服务提供商看不到利益，当然便没有兴趣提供好的内容：没有足够好的内容，不能吸引更 多的用户，致使收益变得遥遥无期，引发了一个死循环。因此，接纳控制【3 】作为资源管理、保证服务质量 的关键技术，成为本文研究的重点。 1 , 2 流媒体概述 1 2 1 流媒体业务类型 一般来说，流媒体业务主要包括两种不同的类型，分别是存储流媒体业务和实时流媒体业务。 存储流媒体业务典型的应用是网络视频点播等，而实时流媒体业务的典型应用是p p “v e 、p p s t r e a m 等 软件这两种业务在性质上存在较大的区别，比如，在视频点播业务中，用户可以对访问的资源进行较复 东南大学硕士学位论文 杂的操作，例如前进、倒退、暂停等等；而在实时直播业务情况下，用户对访问资源无法进行复杂操作， 仅仅可以对其进行暂停。 造成两种业务性质差别的根本原因是用户和资源提供者在访问的流程中作用不同，对存储流媒体业务 的访问是由用户决定的，由用户驱动；而对实时流媒体业务的访问是由资源驱动的，用户只能被动地接收。 另一方面，用户交互活动对存储流媒体业务的影响很大，与般业务不同，因为用户可以对其进行前进、 倒退和中止等活动，而用户交互活动对实时流媒体业务的影响较小，一般仅能对其暂停或中止。 1 2 2 流媒体系统基本组成部分 流媒体系统 4 】的基本组成部分如图i i 所示。一个基本的流媒体系统有五个组成部分：即编码器 ( e n c o d e r ) 、流媒体数据、流媒体服务器( s 仃e 锄i n gs e r v e r ) 、网络和播放器 l a 。 图1 1 流媒体系统组成结构 ( 1 ) 编码器：在商业系统中通常叫 p r o d u c e r ，编码程序采用音频和视频压缩( c o m p r e s s i o n ) 算法将原 始的视频和音频数据预先压缩码转换为能够进行流传输的格式，并把它们上载到流媒体服务器。 ( 2 ) 流媒体数据：流媒体是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体，如音频、视频、动画或其 它多媒体文件。 ( 3 ) 流媒体服务器：存储压缩的流媒体数据，根据用户的请求将流媒体内容发送给用户可以并发的 提供多个视频服务，能支持正常播放和诸如停止继续、快进、快退等v c r 操作。以及不同操作 之间的转换。在处理客户请求方面，流媒体服务器和h t t p 服务器相似。与肼p 服务器不同的 是，在媒体的播放过程中，流媒体服务器需要维持与用户的双向连接；还需要提供如数字版权管 理d r m ( d i g i t a lm g h t sm a n a g e m e n t ) 、广告插入、其它服务器流的映射或分流等。 ( 4 ) 网络：适合多媒体传输协议甚至是实时传输协议的网络。 ( 5 ) 播放器：用户用来观看或收听媒体内容的软件，可以是一个独立的应用程序也可以是w e b 浏览 器中的插件( p l u g - i n ) 。 1 2 3 常用流媒体传输格式 在l n t e m e t 上所传输的多媒体格式中，基本只有文本、图像可以按原格式在网上传输。动画、音频和 视频等虽然可以直接在网上播放，但文件偏大，即使使用专线上网，也要等完全下载后才能观看，这三种 类型的媒体均采用流式技术来进行处理以便于在网上传输。流媒体文件是经过特殊编码的，采用分段传送 2 整! 童塑l 一 的方式，用户不必等待整个内容传送完毕，就可以观看到即时的连续的内容，甚至可以随时的暂停，快进 和后退。将压缩媒体文件编码成流式文件，必须加入一些附加信息。如计时、压缩和版权信息目前，l a t c m c t 上主流的流媒体传输系统有r e a ln e t w o r k s 公司的r e a lg y s t e m l 5 1 、m i c r o s o r 公司的v 喁l n d o w sm e s a t e c h n o l o g y t 6 l f la p p l e 公司的q u i c k t l r n e l 7 1 。它们均能提供全套的流媒体解决方案，包括编码工具、流服务 器和播放器。此外，在多媒体课件和动画方面的流媒体技术还有m a c r o m e x l i a 的s h o c k w a v e s l 。由于不同公 司发展的文件格式不同，传输的方式也有所差异，因此，我们有必要清楚各种流媒体文件的格式。常用流 媒体文件格式如表1 1 所示： 表1 1 常用流媒体文件格式 公司 文件格式媒体类型 m i c r o s o ra s f a d v a n c e ds | l x e a mf o r m a t r e a ln e t w o r k sr m r e a lv i d e o a u d i o r ar e a l a u d i o a p p l em o vv i d e o q t q u i c k t h n em o v i e m a c r o m e d i as w fs h o c kw a v ef i s h 1 2 4 流媒体传输技术 流媒体技术所涉及的范围很广泛，主要包括：流媒体数据采集、音，视频编解码、存储、传输、播放等 领域。由于流媒体与普通多媒体的显著区别在于传输技术，因此流媒体传输成为近几年来网络传输技术的 研究热点。 流媒体数据传输过程中，服务器端和客户端之间的活动可以划分3 部分：连接、传输和服务。连接是 客户端和服务器端的呼叫连接过程，通常客户端的连接请求携带q o s 参数，服务器端的接纳控制可以采用 最简单的静态方法，即给出一个可接纳的最大用户数，来确定是否允许新的客户端连接，这可以绝对的保 障服务器端不会超负荷；传输在确定连接之后进行，视频传输期间要保证客户端的q o s ；一旦开始传输， 用户就可以提出视频服务、终止视频服务或改变视频服务，如从播放转到快进。 实现流式传输有两种方法1 9 1 ；实时流式传输( r e a l t i m es 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 e s t r e a m i n g ) 。一般说来，如使用r t s p 等实时流媒体控制协议，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。 a ) 顺序流式传输 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前头部分。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，它经常被称作h t t p 流式传输。顺序流式文件是放在标准h i t p 或f t p 服务器上，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 实时流式传输与h t t p 流式传输不同，他需要专用的流媒体服务器，如h e l i 】【u n i v e r s a ls e r v e r 与 3 查童查兰堡主堂垡丝苎 w m d o w sm e d i as e r v i c e 。这些服务器允许对媒体发送进行更多级别的控制，因而系统设置、管理比标准 h t t p 服务器更复杂。实时流式传输还需要专有传输协议，如r t s p 或m m s 。这些协议在有防火墙时可能 会出现问题，导致某些用户不能访问一些实时内容。实时流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，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。 总的来说，顺序流式传输比较简单，更接近于传统的下载观看方式，其适应性较差，也不能支持交互， 其应用范围有限，但是由于它对时延要求低，因此可以支持高质量的流媒体数据传送。实时流媒体则具有 更为灵活的功能，对网络的适应能力也较强，它需要专门的流媒体服务器，相关的控制协议，需要更为稳 定的网络传输条件。目前的流媒体技术主要集中于对这种实时流传输提供支持。 从流媒体传输过程来看，最关键的三个技术环节分别是编码压缩的性能和效率、媒体服务器的性能和 媒体流传输的质量控制。流媒体文件编码压缩技术主要研究编码的压缩效率和编码的冗余性何靠性两个方 面内容，即在保证质量的前提下尽量降低码流速率，并在发生数据丢失后能最大限度地减少对质量的影响； 媒体服务器作为为用户提供服务的基本功能单元，其性能的高低直接影响到流媒体系统的服务能力，在衡 量流媒体服务器时，最关键的指标是流输出能力和能同时支持的并发请求数量；媒体流传输的质量控制是 通过在应用层引入一些质量控制机制，以解决在基于无连接的包交换p 网络上进行传输产生的问题。 1 2 5 流媒体对象内在属性 流媒体，如音频和视频，由一系列的数字音频采样或视频帧组成，在播放时，必须连续及时地呈现给 用户流媒体对象具有三个很重要的参数，一个是用时间度量的媒体的播放长度( 即媒体的持续时间) ， 第二个是字节度量的媒体文件大小，第三个是媒体的比特率，也就是要获得没有间断的播放效果而必须传 送的每秒字节数。低比特率产生较低质量的“流”，适用于像拨号这样的低速连接；高比特率产生高质量 的“流”，适用于像a d s l 、局域网这样的高速连接。 目前有些商业产品，如r e a ln e t w o r k s 的智能流( s u r es u e a m ) n 和w m d o w sm e d i ap l a y e r 的可调整的速 率流( a d a p t i v er a t es t r e a m i n g ) 6 1 ，按不同的码率对音频或视频信号进行编码，然后保存在同一个文件中。 当用户连接到服务器时，提供它的带宽范围。服务器根据不同的带宽和码率的对应关系找到文件相应部分， 提供与带宽相匹配的数据流。当网络连接出现数据包丢失现象时，服务器就会转向发送更低带宽的数据流。 这虽然会导致质量的下降，但避免了抖动、延迟、重新连接等现象。当连接速度上升后，服务器会转向提 供更高带宽的数据流。而且这中间发生的转换过程是瞬间完成的，节目的接收没有中断或间隔。这样用户 始终能得到最理想的播放质量。 表1 2 总结了流媒体对象和传统w e b 对象内在属性的差异。总的来说，流媒体与传统数据有着以下 显著的区别： ( 1 ) 流媒体数据量远远大于传统媒体数据。典型的m p e g - i 码率为1 5 m b p s ，一分钟的码流数据量高 达11 2 5 m b ，对于m p e g - 2 而言码率则为1 5 - 4 0 m b p s ，这远远超出了传统媒体的数据量。 ( 2 ) 流媒体有媒体质量属性。部分丢失媒体使媒体质量下降，但不至于使信息完全丢失，而且可以通 过调整媒体质量来改变媒体的大小。 ( 3 ) 用户对流媒体数据有特殊的操作。用户交互包括暂停、恢复、快进、后退等，这些操作都是流媒 体应用所特有的。 4 篁! 童望笙 一 表l2 流媒体对象和w e b 对象内在属性的差异 w e b s t r e a m i n gm e d i a 主要目的缩短下载时间降低启动延迟和抖动 时间要求灵活严格 包丢失不能接受适度接受 对象大小通常为几k通常为几m 到几g 应用层协议h 订pr t s p 或m m s 传输层协议 t c pu ) p 或t c p 请求类型 o n - d e m a n do n - d e m a n d 或l i v e 状态 无 有 1 3 国内外研究现状 对流媒体服务器的研究表明，造成流媒体服务质量下降的主要原因是客户请求过多造成的服务器过 载。接纳控制通过限制服务请求的数量来达到期望的q o s ，是一种预先避免过载的做法。实施接纳控制的 系统，在收到某个用户的服务请求时，根据自身资源的使用情况和设定的条件判断是否有能力为其提供服 务，有则接纳，无则拒绝。接纳控制的算法要根据传输的策略、资源管理方法和客户端的q o s 进行。接纳 控制可以同时实现两个目标： ( 1 ) 保障所有连接的q o s 。 ( 2 ) 有效地提高系统资源利用率，即在用户需求和系统效益最大化之间取得良好的折衷。 但是，接纳控制的实现需要两个前提，只有同时满足了下面的两个前提条件，新连接请求才被接纳， 否则被拒绝： ( 1 ) 资源条件，即系统有足够的资源来满足新连接请求的； ( 2 ) 不损害条件，即新连接的接入，不会影响已接纳服务的q o s 保障。 采用不同的接纳控制方法，可以得到不同力度的保证。对于流媒体服务器端的接纳控制，目前为止， 已有很多学者进行了这方面的研究。文献【”1 将其分成两类：基于测量和基于参数的，基于参数的方法又可 以分为确定性的和统计性的，如图1 2 所示。 5 图1 2 接纳控制的分类 a )确定型接纳控制( d e t e r m i n i s f i ca d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 确定型接纳控制【1 l 】【1 能够提供严格的q o s ，同时这也使得这类接纳控制必须针对系统的某些性能参 数，进行最坏的假设。视频数据压缩绝大多数采用v b r 形式，确定型接纳控制以流媒体的最大的码率预 约带宽，以保证流媒体播放的实时性和连续性，由于峰值速率可能要比平均速率大上好几倍，所以这种方 式会造成带宽的浪费。在接纳新的流时，必须确保能够满足当前正在接受服务的所有服务请求的q o s 为前 提。也就是说，只有当分配给己存在用户的资源和将要分配给新用户的资源总和小于服务器所提供的资源 时，才能允许进行。确定型接纳控制一般是这样做的：假定服务器实际总带宽为曰，现在有栉个用户正在 接受服务，数据流需求的总带宽为石。此时，服务器端到达一个新的用户连接请求，请求带宽为x ，则当 b x + z 时，接纳用户，反之拒绝。 实际上，在观看流媒体时，大部分用户可以容忍偶尔媒体信息的丢失和播放中的停顿，所以对所有用 户提供确定型服务保障是不必要的。总的来说，确定型接纳控制系统资源的利用率比较低，但它能够对每 个接入的请求的服务质量提供保证。 b 1 统计型接纳控肯l j ( s t a t i s t i c a la d m i s s i o nc o n n o o 统计型接纳控制f ”1 根据每个用户请求对系统资源的使用情况进行统计，然后根据这个统计规律来构造 接纳控制标准，例如接纳时判断当前的过载概率或阻塞概率是否小于某个事先给定的阙值。该种方法通常 并不是出于最坏情况的考虑，它允许q o s 在一定范围内的波动。统计型接纳控制般是这样做的：假定服 务器实际总带宽为b ，现在有以个用户正在接受服务，数据流需求的总带宽为z 。此时，服务器端到达 一个新的用户连接请求，请求带宽为工，则当x + x b 的概率小于某个阈值占( 占是根据用户请求的q o s 确定的一个值) ，即p ( x + z z ) 9 0 脚a n d ( q 1 ) 9 0 哟a n df r x t 2r t l o ) t h e nc o n g e s t i o nf l a g = t r u e ，e l s e 斑s e q 和q o _ - 1 ) 分别是当前时刻和前一时刻的