（电路与系统专业论文）网络流媒体技术研究与实现.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：名牛 日期：j 塑蛆 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：畔导师签名： 山东大学硕士学位论文 摘要 随着信息产业的发展，人们对信息资源的要求已经逐渐由文字和图片过 渡到音频和视频，并越来越强调获取资源的实时性和互动性。流媒体由于具 有启动时延小、不占用客户端本地存储空问等优势，逐渐成为人们的首选。 因此基于l p 网络的流媒体应用在全球范围内得到不断的发展 机顶盒作为网络和广播电视强势联合的产物，在中国电视产业整体数字 化迁移过程中，已经成为具有视听、信息处理、双向网络通讯等多功能的家 庭信息终端，而且必将有着更大的发展市场对机顶盒最大的期望在于 v o d 功能，而v o d 的实现同样需要流媒体技术的支持。 本文正是基于当前的网络和机项盒研发现状，分析当前流媒体实现的原 理和机制，探讨当前流媒体实现过程中存在的问题，研究新的适合流媒体的 传输层协议，并在嵌入式系统上实现了流媒体终端系统本文的主要内容 包括以下几个方面： 1 ) 流媒体技术的原理，研究了当前应用层的流媒体的传输协议 r t p r t c p 的实现机制，研究了流媒体传输控制协议r t s p 的机制以及 r t s p 和r t p r t c p 交互工作的原理。 2 ) 针对当前传输层协议传输流媒体存在的问题，研究了新型的传输协议 d c c p ，并基于仿真分析了d c c p 的传输性能。 3 ) 基于嵌入式平台实现了基于u d p 的多功能机顶盒上的流媒体点播功 能，同时分析了d c c p 传输实时流媒体的性能，为下一步实现基于 d c c p 的流媒体功能奠定了基础。 关键词：流媒体r t p r t c p r t s pd c c p 机顶盒 山东大学硕士学位论文 _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - - - - - _ - - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i i - _ - _ - _ - _ _ _ i a b s t r a c t w t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y t h er e x l u i r c m e n tf o ri n f o r m a t i o n r e s o u r c e sh a sb e e ns w i t c h e df r o mt e x ta n di m a g et oa u d i oa n dv i d e o ，w i t hm u c h m o r e r e q u i r e m e n t so nr e a l - t i m ea n di n t e r a c t i v i t yi nt h ep r o c e s so fr e t r i e v i n 8m u l t i m e d i a r e s o u r c e w i t hs u c ha d v a n t a g e sa sl i t t l es t a r t u pd e l a ya n ds m a l ls t o r a g eo c c u p a t i o n0 1 ) c l i e n t , s t r e a m i n gm e d i ah a sb e c o m et h ec u s t o m e r s f i r s tp r e f e r e n c e s os t r e a m i n gm e d i a a p p l i c a t i o n sb a s e do n1 pn e t w o r kg a i n e dr a p i dd e v e l o p m e n tt h r o u g h o u tt h ew o r l d a st h er e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no fb r o a d c a s tn e t w o r ka n di pn e t w o r k , s e t - t o p - b o x ( s t b ) h a sb e c o m eam u l t i - f u n c t i o n t e r m i n a lw i t ha a d i o v i d e op l a y i n g , i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g a n db i d i r e c t i o n a ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o n m u c hm o r ep r o c e s sw i l l a b s o l u t e l yb em a d eo nt h er o a do f d i g i t a lc o n v e r s a t i o n t h eb i g g e s te x p e c t a t i o nf u n c t i o n t os t bi sv i d e oo nd e m a n d ( v o o ) a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fv o di sb a s e do l l s t r e a m i n gm e d i a 僦h i 协l o g y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea c t u a l i t yo fn e t w o r ka n ds t bw i t ht h ea n a l y s i so ft h e m e c h a n i s ma n dp r i n c i p l eo fc u r r e n ti m p l e m e n t a t i o no fs t r e a m i n gp r o t o c o l s , a n dt h e p r o b l e mo f s t r e a m i n gm e d i a s o m er e s e a r c hi sm a d eo nan e wt y p eo f t r a n s p o r tp r o t o c o l t h a ti ss u i t a b l ef o rs t r e a m i n ga n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es t r e a m i n gm e d i ac l i e n t t e r m i n a lo ne m b e d d e ds y s t e m h e r ei st h em a j o rc o n t e n to f t h ep a p e r 1 ) p r i n c i p l eo fs t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y t h em e c h a n i s mo f c n r r e n ta p p l i c a t i o n t r a n s p o r tp r o t o c o lr t p r t c pi sa n a l y z e d ，a n da l s ot h et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l r t s p t h ep r i n c i p l eo f t h e i ri n t e r a c t i v i t yi sa l s oi n v e s t i g a t e d 2 、r e s e a r c ho n 黼t r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o ld c c p w es i m u l a t et ov e r i 母t h e p e r f o r m a n c eo f d c c pc o m p a r e dw i t ht c p 3 ) i m p l e m e n t a t i o no fv o d f u n c t i o nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，a n ds i m u l a t i o no f d c c pt r a n s m i t t i n gr e a l - t i m em e d i a t h i si st h ef o u n d a t i o nf o rt h ei m p l e m e n t a t i o n o f s t r e a m i n gb a s e do nd c c p k e y w o r d s ：s t r e a m i n gm e d i a ，r t p r t c p r t s p ，d c c p ，s t b 2 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 上世纪九十年代以来，网络和通信技术获得了飞速发展，其中最引人注 目的无疑是i n t e r n e t 在全球的普及。时至今日，i n t e r n e t 已成为信息产业的 支柱之一。 i n t e r n e t 无处不在的成功发展很大程度上取决于t c p i p 协议族【l 】。设 计l p 协议【2 】的明确目标即在最大范围内支持各种不同种类的网络实体进 行信息交互，使得不同的网络可以在全球范围内广泛互联为了更好地支持 业务的应用需求，通常要由比i p 层更高的传输层来控制和提高这种b e s t e f f o r t 业务的端到端性能传输层协议是用户应用层与网络层( i p 层) 之间 的接口。虽然传输层协议提供的是面向用户的业务，但它们的设计是以适应 网络特性为目标。冈此，提高传输层协议的性能，对提供满足i n t e r n e t 各种 应用要求的服务、适应底层链路的不同特性，具有重要的意义 另一方面。随着l t 行业的发展，现在3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n 。 c o n s u m e re l e c t r o n i c ) 融合已经成为一种发展趋势【3 】。所谓的3 c 融合是指 利用数字信息技术激活其中任何一个环节，通过某种协议使3 c 的三个方面 实现信息资源的共享和互联互通，从而满足人们在任何时间、任何地点通过 信息关联应用来方便自己的牛活3 c 融合促使传统的家电成为具有视听、 信息处理和双向网络通讯功能的信息化终端，故也被称为信息家电信息 家电为周前家电类产品摆脱同质化竞争，增强技术含量，提升竞争力提供了 难得的机遇。 国内外许多机构和公司已经意识到了3 c 产业融合时代的来临，都认为 家庭中的各种设备融合从而实现智能互连、资源共享必将成为一种发展趋 3 山东大学硕士学位论文 1 i i i i - - _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ 势，并有着巨大的市场前景。因此很多大的企业和机构纷纷联合起来成立一 些专门组织来促进3 c 融合的发展，力争在未来的竞争中占得先机。 目前这些专业组织中影响比较大的主要有国外的d l n a 4 1 和国内的 z g r s 5 】。国外以英特尔和微软为首的i t 公司弓以松下和索尼为首的家电企 业成立了数字生活网络联盟( d l n a ) 工作组织，该组织的宗旨是简化网络 家电设备、移动设备和电脑之间的数字内容共享，推进数字家庭的发展。目 前该工作组主要工作是基于u p n p 协议实现家庭中多种场景的融合和协同工 作英特尔更是将2 0 0 5 年作为数字家庭年，在全球进行数字家庭理念和产 品的推广，这对于整个行业产生了很大的影响。与此相呼应，国内以联想、 t c l 、海信等公司为首组成的闪联( i g r s ) 工作组也已经开始运作，并取 得了一定的进展。闪联工作组的设计目标是在有限范围网络字段( 有线、无 线) 内支持多种信息设备、家用电器、通讯设备之间的设备自动发现，动态 组网、资源共享和协同服务，从而提高这些设备问的瓦操作性和易用性，充 分发挥不同设备的功能特点，为用户创造新的应用模式和丰富应用。 d v d 的专利之痛，w a p i 和w l a n 的标准之争使我们意识到中国必须 要有自己的标准，所以目前闪联的工作也得到政府的大力扶持。 信息家电能够提供较多的功能和服务，比如安全防范、消费电子产品 的智能控制、交互式智能控制、家庭信息服务、智能化的故障自诊断、新功 能自动扩展及家庭医疗保健等等。同传统的家电产品相比，智能化的信息家 电具有下面的显著特点： 1 ) 网络化：智能化信息家电可以通过家庭局域网连接到一起，还可以通 过家庭网关接口与制造商的服务站点相连。 2 ) 智能化：智能信息家电可以根据周围环境的不同自动做出响应，不需 要人为干预。 3 ) 开放性和兼容性：由于j i j 户家庭的智能信息家电可能来自不同的厂 商，信息家电平台必须具有开放性和兼容性。 4 ) 节能化：智能信息家电可根据周围环境自动调整工作时间和工作状 态，从而实现节能。 4 厂 山东大学硕士学位论文 5 ) 易用性：由于复杂的控制操作流程已由内嵌在家电里的控制器解决， 因此用户只需了解非常简单的操作，不需要p c 那样复杂的操作 信息家电区别于传统的家电的最主要因素是将家电和网络相结合二者 的结合可以使信息家电利用宽带网的摹础设施，通过i p 协议向家庭用户提 供多种交互式数字媒体服务和在线互动，从而成为集互联网，多媒体，通信 等多种技术子一体的新型家庭终端。 众多的信息家电中，最9 1 人注目的是机顶盒的迅速发展【6 】【7 】。机顶盒 是典型的信息家电产品，集信息处理、娱乐和网络等诸多功能于一身，具有 鲜明的数字化、网络化、多媒体化特征，从而也是颇具代表性的3 c 产品。 面对机顶盒市场诱人的前景，消费电子、家电和i t 产业等方面越来越 多的公司也开始涉足机顶盒的制造和研发。限于技术的瓶颈，从目前的机顶 盒生产来看，市场上以低端产品占大多数，而中端、高端产品很少。随着数 字化、信息化的进一步发展和普及，人们对信息服务要求的提高，未来机顶 盒市场将是以多功能、多服务，低价位的机顶盒为主 多功能机顶盒的技术含量非常高， 压缩编码，解扰算法、加解密算法、 它集中反映了多媒体、计算机、数字 通信技术和网络技术的发展水平【8 】 1 9 】，这其中又以软件的研发最为重要。日前数字机顶盒的关键软件技术主 要有： 1 ) 嵌入式实时操作系统( r t o s ，r e a lt i m eo s ) 实时操作系统负责本地资源和网络资源的管理，提供摹本的操作功能 和设备的访闯控制。 2 ) 中间件( m i d d l ew a r e ) 中间件是一种将应用程序与底层的操作系统，硬件细节隔离开来的软 件环境，中问件将应用软件与依赖硬件的底层软件分隔开来，使应j 】 不依赖于具体的硬件平台 3 1 应用软件( a p p l i c a t i o n ) 应用软件是机顶盒中最为重要的一部分，它直接决定了机顶盒可以向 5 山东大学硕士学位论文 州户提供什么样的服务，丽其质量的好坏也直接影响了用户的最终体 验。日前基于嵌入式机顶盒的应用比较单调，提供的服务还不够丰 富。 从行业发展来看，功能更加强大的多功能交瓦式数字电视机顶盒是机顶 盒发展的趋势，这其中最被寄予厚望的机项盒功能是视频点播( v i d e oo n d e m a n d ，v o d ) 【1 0 】。实现v o d 功能的技术就是流媒体技术。流媒体技 术宅要是在应用软件层来实现，同对需要网络传输层的大力配合来共同完 成。我们所研究的重点也放在了流媒体的实现和传输层的改进。 1 2 流媒体技术发展现状 随着i n t e r n e t 的日益普及，在网络上传输的数据已经不再局限于文字和 图形，目前已经逐渐过渡到声音和视频等多媒体格式。但是受网络带宽、协 议规范等方面的限制，要想从网络上下载大量的音频和视频数据，无论从下 载时间和存储空间上来讲都要受到许多限制。尤其是处理能力相对较弱的机 顶盒，存储空间更加有限，而对实时性要求却更高，因此想要实现传统的下 载播放比较闲难，代价比较昂贵。流媒体技术的出现很好地解决了这一难题 【1 1 1 。 通常说来，音视频文件占据的存储空间都比较大，在带宽受限的网络环 境【 i 进行下载可能要耗费数分钟甚至数小时，所以下载完再播放的方法延迟 很大。而流媒体是近些年才在网络上兴起的新的传输模式，一般是指通过网 络传输多媒体数据的技术总称。流媒体包含广义和狭义两种内涵：广义上的 流媒体指的是使音频和视频形成稳定和连续的传输流和回放流的一系列技 术、方法和协议的总称，即流媒体技术：狭义上的流媒体是相对于传统的下 载一回放方式而言的，指的是一利，从网络上获取音频和视频等多媒体数据的 新方法，它能够支持多媒体数据流的实时传输和实时播放。通过运，f j 流媒体 技术，服务器能够向客户机发送稳定和连续的多媒体数据流，客户机在接收 6 山东大学硕士学位论文 数据的同时以一个稳定的速率回放，而不j | j 等数据全部下载完之后再进行回 放。 计算机网络技术和多媒体技术的发展，促进了流媒体技术的开发和应 用，各大专业厂商，比如m i c r o s o f t ，a p p l e ，r e a l n e t w o r k s 等公司都十 分重视流媒体技术的发展，近年来频繁发布相关的流媒体技术产品，已经抢 占了该项技术的制高点；同时也推动了相关的标准化建设，先后制订或改进 了相应的协议。目前很多厂商都有成熟的基于p c 的流媒体产品，其中比较 流行的流媒体格式主要有r e a l n e t w o r k s 公司的r e a lm e d i a 、a p p l e 公司的 q u i c kt i m e 和m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sm e d i a 。它们分别具有不同的特 点和优势： 1 2 1r e a lm e d i a r e a l m e d i a 采用的是r e a l n e t w o r k s 公司自己开发的r e a lg 2c o d e c 。 它采用了很多先进的设计，例如：s v t ( s c a l a b l ev i d e ot e c h n o l o g y ) ，该技 术可以客户端播放器不需要解开所有的原始图像数据也能流畅观看节日；双 向编码( t w o e n c o d i n g ) 技术类似于v b r ，它可通过预先扫描整个影片，根 据带宽的限制选择最优化压缩码率。r e a l m e d i a 音频部分采用的是 r e a l a u d i o ，它具有2 1 种编码方式，可实现声音在单声道、立体声音乐不同 速率下的压缩。 1 2 2w i n d o w sm e d i a m i c r o s o f t 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 m f o r m a t ) 。微软将a s f 定义为同步媒体的统一容器文件格式。a s f 是一种 数据格式，音频、视频、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过这种格式 以网络数据包的形式传输，实现流式多媒体内容发布。 a s f 的最大优点是体积小，适合网络传输，用户可以将图形、声音和动 画数据组合成一个a s f 格式的文件，不仅可以将其他格式的视频和音频转 换为a s f 格式，而且还可以通过声卡和视频捕获卡将诸如扬声器、摄像机 7 山东大学硕士学位论文 等外设的数据保存为a s f 格式。另外，a s f 格式的视频中可以带有命令代 码，用户指定在到达视频或音频的某个时问后触发某个事件或操作 1 2 3q u i c k t i m e a p p l e 公司的q u i c k t i m e 电影文件现已成为数字媒体领字段的工业标 准q u i c kt i m e 文件格式定义了存储数字媒体内容的标准方法，它被设计 用来适应为数字化媒体一同工作需要存储的各种数据。因为这种文件格式能 用来描述几乎所有的媒体结构。所以它是应用程序问交换数据的理想格 式。q u i c k t i m e 文件格式中媒体描述和媒体数据是分开存储的，媒体描述或 元数据( m e t a d a t a ) 包含轨道数目、视频压缩格式、时问信息以及媒体数据 存储区字段的索引媒体数据是所有的采样数据，如视频帧和音频采样， 媒体数据可以与元数据存储在同一个文件中，也可以存储在一个单独的文件 或者几个文件中。 流媒体技术并不是单一的技术，它融合了多种网络以及音视频技术。在 网络中真正要实现流媒体技术，必须完成流媒体的制作、发布、佑输、播放 四个环节。这四个环节需要解决多项技术问题主要的技术难点有： 1 ) 需要浏览器对流媒体的支持。w e b 浏览器能通过h t t p 中内建的 m i m e 来标记w e b 上的多媒体文件格式，包括各种流媒体文件格 式。 2 1 流媒体传输的实现需要缓存。缓存的目的就是在某一段时间内存储需 要使川的数据。能否有效管理缓存关系到流媒体最终的效果。 3 ) 流式传输的实现需要合适的应j j 层传输协议。当前一般采用 r t p r t c p 等协议来传输实时的影音数据，采j hr t s p 等协议来传输 控制操作等信息。 4 ) 流式传输需要合适的传输层协议的支持。当前的传输层主流协议t c p 和u d p 都存在一定缺陷。t c p 协议由于对可靠性的保障和较大的传 8 山东大学硕士学位论文 输开销，不适合流媒体传输，所以当前r t p 协议一般运行在u d p 之 上但是无连接的u d p 不提供任何的数据传输保障，所有的数据质 量保证机制必须由应用层来保证，在一定程度上增加了实现的难度。 以上均为实现流媒体技术的必要条件，它们最终的目的都是为了解决流 媒体传输在带宽、压缩算法以及安全性等方面的问题。目前流媒体技术已开 始应用于证券路演、网络直播、多媒体新闻发布、网络视频广告、电子商 务，视频点播、远程教肯、远程医疗，网络电台、视频会议、互动游戏、三 维动画等领域。一些宽带网络运营商也已经开始尝试提供流媒体视频直播、 点播的服务。 1 3 数据报拥塞控制协议( d c c p ) 当前的流媒体解决方案大多数是基于t c p 和u d p 协议t c p 协议可以 提供可靠的端到端的传输控制，但是它的传输速率抖动大，而流媒体并不需 要完全可靠的传输；u d p 协议简单实用，但是不提供拥塞控制，不能和 t c p 友好共存，容易引起网络的拥塞。研究者们在分析了问题和比较了各种 可能的解决方案后提出一种新的传输控制协议一数据报拥塞控制协议 ( d a t a g r a mc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o ld c c p ) 【1 2 【1 3 2 9 】。d c c p 结合 了t c p 和u d p 的优点，适合于那些不需要t c p 那样的按序和完全可靠的 传输，但是又希望采用某种t c p 友好的拥塞控制算法的流媒体应用环境 中它具有可靠的连接建立和拆除的管理，灵活的拥塞控制策略。 t c p 是一种可靠传输协议，它保证数据报被接收端按序接收。一个典型 的t c p 的连接有3 个阶段：连接建立阶段、传输阶段和连接拆除阶段。在 连接建立时，发送端发送t c p 同步报文，接收端对这个同步报文发回确 认。最后发送端再次向接收端发送一个应答报文，从而完成了t c p 连接的 三次握手。在数据传输阶段，t c p 采用一种“和式增加积式减少”( a i m d ) 的拥塞控制策略，发送端每收到一个确认，就对拥塞窗口加l 。当源端检测 到丢包事件，则将当前的拥塞窗口减半，降低发送速率，并重传丢失的数据 9 山东大学硕士学位论文 包，保证了每一个数据包都能到达接收端。这个可靠性对一些应加来说是很 好的，比如w e b 服务和文件传输但是对流媒体不一定是必要的流媒体 可以容忍少量的帧的丢失，却不能容忍t c p 的重传带来的迟延，以及t c p 的窗1 2 1 缩放带来的速率抖动。u d p 协议的优点是简单，没有连接建立过程 和拆除过程，没有可靠性保证。大部分流媒体应用建立在u d p 之上由此 产生的问题是：1 ) u d p 不是t c p 友好的。u d p 没有提供拥塞控制机制，数 据的发送速率由接收端的接收速率决定，当网络拥塞时，共享带宽的t c p 流根据拥塞控制算法降低发送速率，而u d p 流继续以同定速率发送数据， 这样就会造成t c p 流得不到公平的带宽，甚至有可能造成网络拥塞崩溃。2 1 即使在u d p 之上采j j 拥塞控制算法，由于这些算法是各自独立设计的，也 不能保证t c p 友好性和它们之问的公平性。3 ) 很多防火墙产品禁止u d p 连 接通过，这样防火墙内部的众多用户难以得到流媒体服务。 为了对不可靠数据流提供更有效和高效率的拥塞控制，i e t f 提出一种 取代u d p 传输实时业务的新传输协议d c c p 。它是一个可以进行拥塞控制 的非可靠传输协议，能够提供多种拥塞控制机制并可以扩展新的拥塞控制算 法，从而实现根据不同应用的特点定制拥塞控制算法的功能。 实时业务需要快速且低开销的干专输协议。为了传输实时业务，d c c p 就 要尽可能做到简单合理、低延迟和快速响应，同时为保证网络的有效运行必 须考虑拥塞控制。因此d c c p 的实现目的就是在类似u d p 的基础上加上最 小的可能机制来支持拥塞控制。建立、维护和拆卸不可靠连接以及对不可靠 性数据流进行拥塞控制，是d c c p 提供的两大主要功能。d c c p 能提供不同 的拥塞控制机制，由用户在每次通信开始时进行协商确定，目前已提出的拥 塞控制机制主要是t c p 1 i k e 和t f r c ( t c p f r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) 。 d c c p 没有t c p 的可靠性和顺序发送的特性，但是实现了对不可靠双 向数据流的拥塞控制，并特别提供了： 1 ) 带确认的不可靠数据报流 2 ) l j 米建立和拆除连接的可靠握手 3 ) t c p 友好拥塞控制机制的选择，日前包括t c p 1 i k e 和t f r c 1 0 山东大学硕士学位论文 4 ) 结合e c n 和e c n - n o n c e 的拥塞控制 5 ) 允许服务器不必保持未被确认或者已经结束的连接的机制 6 ) 路径m t u 发现机制 1 4 主要研究内容和贡献 本课题的研究内容宅要包括以下三个方面： 1 ) 当前流媒体技术的原理，研究当前应用层的流媒体的传输协议 r t p r t c p 的传输机制，研究流媒体传输控制协议r t s p 的机制以及 r t s p 和r t p r t c p 交互工作的原理。 2 ) 针对当前传输层协议传输流媒体的口j 题，研究了新型传输协议 d c c p ，并对基于仿真分析了d c c p 传输性能进行了研究。 3 ) 基于嵌入式平台实现了r t p r t c p r t s p 协议，支持多功能机顶盒 v o d 功能，并对d c c p 干专输实时流媒体的性能进行了仿真研究。 本课题主要的研究目的在于分析当前流媒体实现的原理和机制，探讨当 前流媒体实现过程巾存在的口j 题，并结合更适合流媒体佶输的d c c p 协议， 对新型的流媒体传输进行了研究。 本文的组织格式如下： 第一章：绪论。介绍了整个课题研究的背景，当前流媒体技术发展的现 状以及当前在p c 上流行的流媒体技术。介绍了新型传输协议d c c p 。 第二章：流媒体技术基础。详细分析了应用层的流媒体协议r t s p 、 r t p 、r t c p 的原理和协议细节。 第三章：d c c p 技术研究及仿真。分析了d c c p 协议的原理，在仿真模 拟器n s 2 上实现了d c c p 协议，并对d c c p 性能进行分析。 第四章：在嵌入式平台上实现了流媒体应用层协议，同时在仿真环境下 模拟了d c c p 传输流媒体的性能，为下一步实际的实现奠定了基础。 第五章：对论文工作进行了总结，并展望今后的工作。 山东大学硕士学位论文 2 1 流媒体 第二章流媒体技术基础 实现流媒体的关键技术是流式佑输【1 4 】。流式传输的定义很广泛，主要 是指通过网络传送媒体( 如视频、音频) 的技术总称。流式传输的实现需要 缓存。当前t c p i p 以包传输为基础，实行异步传输，一个实时音频，视频源 或存储的音视频文件会要被分解为许多数据包进行传输。由于网络是动态变 化的，各个包选择的路由可能不尽相同，放到达客户端的时问延迟也就不 等，甚至先发的数据包可能后到。为此，流媒体技术必须使用缓存系统来弥 补延迟和抖动的影响，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j f j 空出的高速缓存空问来缓存后续尚未播放的内容。 实现流式传输方法有顺序流式传输和实时流式干专输。一般说来，如使用 h t t p 服务器，文件即通过顺序流发送；如果使用流式传输媒体服务器，或 应用如r t s p 等实时传输协议米传输，即为实时流式传输。采用哪种传输方 法依赖于需求，这两种方法具有不同的特点： 顺序流式传输是顺序下载，用户可在下载文件的同时观看媒体文件，但 是在给定时刻，用户只能观看已下载的部分，而不能跳到还未下载的部分。 顺序流式传输不像实时流式传输在传输期问根据用户连接的速度作调整。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，经 常被称作h t t p 流式传输。顺序流式传输比较适合传输短小，顺序性较强的 视频，比如广告，节日介绍等，而不适合长片段和有随机访问要求的视频节 日，如讲座、演说和演示等，它也不支持现场广播。 山东大学硕士学位论文 实时流式佑输可保证媒体信号带宽与网络连接匹配，可实时观看节目。 实时流与h t t p 流式传输不同，它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，用户可对 观看内容进行选择性观看，可以实现快进快退等。 流式传输的实现需要合适的传输协议。由于t c p 对可靠性的支持，因 此传输需要较多的开销，不太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案 中，一般采用r t s p t c p 来传输控制信息，而用r t p u d p 来传输实时多媒 体数据。 流式传输的过程如下：用户选择某一流媒体服务后，w e b 浏览器与 w e b 服务器之间使用h t t p t 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 浏览器启动客户端播放 器，使用h t t p 从w e b 服务器检索相关参数对播放器进行最初的初始化。 这些参数可能包括目录信息、音视频数据的编码类型和音视频检索服务器地 址等。然后播放器与流媒体服务器通过r t s p 协议建立连接，r t s p 协议提 供了操纵播放、快进，快倒、暂停及录制等命令的方法，然后通过r t p 协 议进行数据传输，并用r t c p 协议将当前网络状况反馈给服务器端。一旦音 视频数据抵达客户端，客户端播放器即可解码播放。 客户端 图2 1 1 流媒体基本原理示意图 服务器端 1 3 山东大学硕士学位论文 需要说明的是，在流式传输中，之所以便f jr t p u d p 和r t s p t c p 两 剩- 不同的通信协议与流媒体服务器建立联系是因为这样可以实现传输信令和 传输媒体数据分开，符合当今网络传输的趋势，更加便于控制。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2 1 1 所示。 目前的i p 网络并不是很适合多媒体传输特别是实时多媒体传输。为了 保证对网络拥塞、时延和抖动极其敏感的流媒体业务在无连接的i p 网络中 的服务质量，必须采用合适的协议。干专输协议是流媒体技术的一个重要组成 部分，也是摹础组成部分。下面介绍我们将埘到的几种基本应用层流媒体传 输协议。 2 2 实时流协议( r t s p ) 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 ) 【l5 】协议定义了如何有效地 通过i p 网络传送多媒体数据，是一种客户端到服务器端的多媒体描述协 议。 r t s p 是由r e a l n e t 、o r k s 和n e t s c a p e 以及哥伦比亚大学共同提出的。它 是从r e a l n e t w o r k s 的”r e a l a u d i o ”和n e t s c a p e 的”l i v e m e d i a ”的实践和经 验发展而来的。第一份r t s p 协议由i e t f 在1 9 9 6 年8 月9 日正式提交后 作为i n t e r n e t 的标准，在此后此协议经过了很多明显的变化。 作为一个应用层协议，r t s p 提供了一个可供扩展的框架，它的意义在于使得 实时流媒体数据的受控和点播变得可能。总的说来，r t s p 是一个流媒体表示协 议，主要用来控制具有实时特性的数据发送，但它本身并不传输数据，而是必须依 赖于下层传输协议所提供的某些服务。r t s p 可以对流媒体提供诸如播放、暂停、 快进等操作，它负责定义具体的控制消息、操作方法、状态码等，此外还描述了与 r t p 问的交互操作。 由r t s p 控制的媒体流集合可以用s d p ( s e s s i o nd e s c r i p t i o np r o t o c 0 1 ) 【1 6 1 来表示。s d p 描述了流媒体服务器提供给客户机的一个或者多个媒体流 1 4 山东大学硕士学位论文 的信息，其中可能包含了各个媒体流的相关信息，如数据编码解码算法、 网络地址、媒体流的内容等。 7 虽然r t s p 服务器同样也使用标识符来区别每一流连接会话 ( s e s s i o n ) ，但r t s p 连接并没有被绑定到传输层连接( 如t c p 等) ，也就 是说在整个r t s p 连接期间，r t s p 用户可打开或者关闭多个对r t s p 服务 器的可靠传输连接以发出r t s p 请求。此外，r t s p 连接也可以基于面向无 连接的传输协议( 如u d p 等) 。r t s p 流控制的流可能用到r t p ，但r t s p 操作并不依赖用于携带连续媒体的传输机制。r t s p 在语法和操作上与 h t t p 1 1 类似，因此h t t p 的扩展机制【1 7 儿l8 】大都可加入r t s p 。 2 2 1r t s p 支持的操作 r t s p 协议目前支持以下操作： 1 ) 检索媒体：允许用户通过h t t p 或者其它方法向媒体服务器提交一个 s d p 请求。如请求是基于组播的，则s d p 描述就包含用于该媒体流 的组播地址和端口号；如果是基于单播的，则只需要提供目的地址。 2 ) 邀请加入：媒体服务器可以被邀请参加正在进行的会议，或者在表示 中回放媒体，或者在表示中录制全部媒体或其子集，非常适合于分布 式教学。 3 ) 添加媒体：通知用户新加入的可利用媒体流，可以实时更新，与 h t t p 1 1 类似，r t s p 请求也可以交由代理、通道或者缓存来进行处 理。 2 2 2r t s p 协议的特点 总体看来，我们可以总结出r t s p 具有以下显著特点： 1 1r t s p 是应用层协议，与r t p 、r t c p 一起设计来完成流式服务。 2 ) r t s p 有很大的灵活性，可被用在多种操作系统上，它允许客户端和 不同厂商的服务平台交互。 1 5 山东大学硕士学位论文 - l - _ _ _ _ _ l i i _ _ _ 自_ - l l _ - _ _ l - _ - _ _ l - _ _ - l l i _ _ _ _ _ _ - _ l l - 3 ) r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用r t p 完成数据 传输。它将流式媒体数据可控制的通过网络传输到客户端。 4 ) r t s p 可以保持用户计算机与媒体服务器之问的固定连接。用于客户 端与服务器双向通信。 5 ) 提供类似“v c r ”形式的例如暂停、快进、倒转、跳转等操作。操作 的资源对象可以是直播流也可以是存储片段。 6 1r t s p 还提供了选择传输通道，如使用u d p 还是t c p 。 2 2 3r t s p 的可扩展性 不是所有媒体服务器有着相同的功能，媒体服务器有必要支持不同请求 集。r t s p 可有如下三种方式扩展： 1 ) 以新参数扩展。如用户需要拒绝通知，而方法扩展不支持，相应标记 就加入要求的段中。 2 ) 加入新方法。如信息接收者不理解请求，返回错误代码，发送者不应 再次尝试这种方法。用户可使用o p t i o n s 方法查询服务器支持的方 法。服务器使用公共响应头列出支持的方法。 3 ) 定义新版本协议，允许改变所有部分。( 除了协议版本号位置) 2 2 4r t s p 的连接状态 r t s p 控制通过单独协议发送的流，与控制通道无关。例如，r t s p 控 制可通过t c p 连接，而数据流通过u d p 。因此，即使媒体服务器没有收到 请求，数据也会继续发送。在连接生命期，单个媒体流可通过不同t c p 连 接顺序发出请求来控制。所以，服务器需要维持能联系流与r t s p 请求的连 接状态。r t s p 中很多方法与状态无关，但下列方法在定义服务器流资源的 分配弓应用上起着重要的作用： 1 ) s e t u p ：让服务器给流分配资源，启动r t s p 连接。 2 ) p l a y & r e c o r d ：启动s e t u p 分配流的数据传输。 3 1p a u s e ：临时停止流，而不释放服务器资源。 4 ) t e a r d o w n ：释放流的资源，r t s p 连接停止p 山东大学硕士学位论文 标识状态的r t s p 方法使用连接头段识别r t s p 连接，为响应s e t u p 请 求，服务器连接产生连接标识。 建立r t s p 连接后，客户端发送d e s c r i b e 方法给服务器，其中包含 了点播文件的u r l 。如果存在认证步骤，服务器就会返回一个错误码，接 着，客户端会将用户输入的用户名和密码包含进r t s p 包并再次发送 d e s c r i b e 。服务器收到后会传送媒体描述文件s d p 到客户端播放器。客 户端读取s d p 描述文件来配置音频、视频解码同步信息，例如：文件名、 网络类型、r t p 数据传输通道端口号、编码类型、采样率等。在配置好音视 频相关信息后，客户端发送s e t u p 方法给服务器，配置相关的网络传输协 议，传输方式和端口等信息。最后在创建好接收解码线程后，客户端发送 p l a y 方法，通知服务器往本地r t p 接收端口发送音视频数据。会话结束 后，客户端发送t e a r d o w n 到服务器断开连接。此外，在会话期间，客 户端可以通过改变p l a y 指令的参数，以及p a u s e 指令实现播放暂停、跳 跃等v c r 功能。 2 3 实时传输协议( r t p ) 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 ) 【1 9 】是用于i n t e r n e t 上针对多媒 体数据流的一种传输协议。它在网络体系中的位置可以从下图看出： ， 图2 3 1r t p 与各种网络协议的关系 1 7 山东大学硕士学位论文 r t p 协议最初是在7 0 年代为了尝试传输声音文件，把包分成几部分用 来佑输语音、时间标志和队列号。r t p 第一版本在1 9 9 1 年8 月发布，随着 实践的发展，r t p 协议也不断的得到改进，到目前为止最新的版本是 r f c 3 5 5 0 。 r t p 被定义为传输音频、视频、模拟数据等实时数据的传输协议。最初 设计是为了数据传输的多播，但是它也可用于单播。与传统的注重高可靠性 数据传输的传输层协议相比，它更加侧重数据传输的实时性。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。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。 从应用开发的角度来看，可把r t p 执行程序看成是应用程序的一部 分，