（计算机科学与技术专业论文）多媒体彩像系统的流媒体缓存代理服务器的研究与实现.pdf

学位论文版权使用授权书 7 8 0 6 9 1 1 1 8 峨y 1 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，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) 靴敝储獬：骄 签字日期z 矽年1 6 月汐同 l 聊躲铌红 签字日期：矽p 年夕月d 日 中图分类号：t p 3 9 9 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 多媒体彩像系统的流媒体缓存代理服务器的研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fs t r e a m i n gm e d i a c a c h i n gp r o x y s e r v e ro nm u l t i m e d i ac o l o rr i n gv i d e os y s t e m 作者姓名：陈佳希 导师姓名：范辉 学位类别：工学 学科专业：计算机科学与技术 学号：0 8 1 2 0 4 8 9 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：移动通信 北京交通大学 2 0 10 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师范辉副教授的悉心指导下完成的。范老师以其渊 博的学识、平易近人的性格、严谨的治学态度和忘我的工作作风，为我在今后的 工作和学习上树立了榜样。在我研究生的学习和生活阶段范老师给了我极大的帮 助和影响。在此衷心感谢两年来范老师对我的关心和指导。 还要感谢北京凯华网联技术有限公司为我提供了良好的课题研究环境，感谢 刘志军工程师、王勇工程师和李观华工程师在课题研究过程中给予我的帮助和支 持。 在实验室工作及撰写论文期间，周洁琼、邓瑞龙、李彬彬、马威、裴赞昶、 焦磊、牟敏等同学在本论文的写作过程中也给予了很多的关心和帮助，在此向他 们表达我的感激之情。 最后，感谢计算机与信息技术学院全体老师对我的辛勤培养和教诲，感谢我 的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 摘要 随着3 g 移动通信网络的快速发展和全面推广，越来越多的用户开始关注手机 多媒体信息，不仅对其内容提出了更丰富的要求，而且更注重移动流媒体服务的 实时性。然而传统的流媒体客户端朋艮务器结构存在两个问题：服务器端在高峰访 问时负载过大和视频播放延迟，目前解决这两个问题的主要方法就是引入缓存代 理服务器。 多媒体彩像系统是一种为移动用户提供视频点播和视频推送功能的多媒体交 互系统。本文以用户访问特征、视频流行度和媒体数据量为基本考虑因素，设计 实现多媒体彩像系统的流媒体缓存代理服务器，主要工作包括以下四个方面： 1 通过对多媒体彩像系统实际功能的分析，提出流媒体缓存代理服务器的整 体设计方案，并根据需求将其划分为三个模块：传输控制协议模块、视频 点播模块和视频推送模块。 2 对流媒体传输控制协议进行深入研究，根据系统两个视频模块在实际运行 时的不同要求，提出协议的优化设计并实现。针对两个模块缓存是否命中 的情况，设计不同的回复消息来实现媒体数据的传输。 3 在视频点播模块中，根据用户访问特征和媒体数据特点，提出基于视频内 部流行度的前缀缓存策略和基于视频价值的替换策略来设计并实现。 4 针对本系统核心的视频推送模块，设计采用视频全部缓存策略和算法复杂 度较低的基于视频播放次数统计的替换策略来实现，以达到播放低时延的 要求。同时借鉴目前的彩铃业务，提出集团用户视频推送的设计思路并实 现。 关键词：多媒体彩像；流媒体；缓存代理服务器；r t s p ；r t p r t c p ；缓存替换策 略 分类号：t p 3 9 9 j 匕立交通厶堂亟堂位i 盒塞旦墨! b ! a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no ft h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，m o r ea n dm o r eb s e r sb e g i nt of o c u so nt h em o b i l em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n ， t h e yn o to n l yr e q u e s tm o r ee n r i c hc o n t e n to ft h ei n f o r m a t i o n ，b u ta l s on e e dt og e ti t r e a l t i m e h o w e v e r , t h e r ea r et w op r o b l e m so ft h et r a d i t i o n a ls t r e a m i n gm e d i ac l i e n t s e r v e rs t r u c t u r e ：l a r g es e r v e r - s i d el o a dd u r i n gv i s i tp e a kh o u r sa n dh i 曲l a t e n c yo fv i d e o p l a y t h em a i nm e t h o ds o l v i n gt h e s et w op r o b l e m sc u r r e n t l yi st oi n t r o d u c ec a c h i n g p r o x y s e r v e r m u l t i m e d i ac o l o rr i n gv i d e os y s t e mi sam u l t i m e d i ai n t e r a c t i v es y s t e mw h i c h s u p p o r t sv i d e oo nd e m a n da n dv i d e op u s hf e a t u r ef o rm o b i l eu s e r s i nt h i sp a p e r ， b a s e d o nt h eu s e ra c c e s sf e a t u r e s ，v i d e op o p u l a r i t ya n dt h em e d i ad a t at h e s et h r e eb a s i cf a c t o r s ， t h es t r e a m i n gm e d i ac a c h i n gp r o x ys e r v e ru s e di nm u l t i m e d i ac o l o rr i n gv i d e os y s t e mi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h ep r i m et a s k si n c l u d ef o u ra s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so ft h ef u n c t i o n a la n a l y s i so fm u l t i m e d i ac o l o rr i n gv i d e os y s t e m ， p r o p o s et h eo v e r a l ld e s i g no fs t r e a m i n gm e d i ac a c h i n gp r o x ys e r v e r t h ed e s i g n c a nb ed i v i d e dt ot h r e em o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ed e m a n d ：t h et r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o lm o d u l e ，v i d e oo nd e m a n d m o d u l ea n dv i d e op u s hm o d u l e 2 a f t e ri n - d e p t hs t u d yo ns t r e a m i n gt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，p r o p o s eo p t i m a l d e s i g no ft h ep r o t o c o lb a s e do nr e q u i r e m e n t so ft h et w ov i d e om o d u l e so p e r a t e d i nd i f f e r e n ta c t u a ls i t u a t i o n s ，a n di m p l e m e n ti t a c c o r d i n gt ot h ec a c h el l i to rm i s s o ft h et w ov i d e om o d u l e s ，d e s i g nd i f f e r e n tr e p l ym e s s a g e st ot r a n s m i tm e d i ad a t a 3 f o rv i d e oo nd e m a n dm o d u l e ，b a s e do nu s e ra c c e s sf e a t u r e sa n dm e d i ad a t a c h a r a c t e r i s t i c s ，p r o p o s ep r e f i xc a c h i n gs t r a t e g yb a s e do nv i d e oi n t e r n a lp o p u l a r i t y a n dt h ev a l u eo fv i d e o - b a s e dr e p l a c e m e n ts t r a t e g yt od e s i g na n di m p l e m e n t 4 v i d e op u s hm o d u l ei st h ec o r eo ft h es y s t e m i no r d e rt oa c h i e v el o wl a t e n c y r e q u i r e m e n t s ，d e s i g na n di m p l e m e n tv i d e of u l lc a c h es t r a t e g ya n dr e p l a c e m e n t s t r a t e g y b a s e do nt h ev i d e op l a y b a c ks t a t i s t i c sw h i c hi sal o wc o m p l e x i t y a l g o r i t h m p r o p o s eg r o u pu s e r s v i d e op u s hd e s i g ni d e a sr e f e r r i n g t oc u r r e n t c r b t , a n di m p l e m e n ti t k e y w o r d s ：m u l t i m e d i ac o l o rr i n gv i d e o ；s t r e a m i n gm e d i a ；c a c h i n gp r o x ys e r v e r ； r t s p ；r t p r t c p ；c a c h ea n dr e p l a c e m e n ts t r a t e g y c i a s s n o ：t p 3 9 9 l， 目录 摘要i i i a b s t r a c t i v 1 绪论1 1 1课题背景和多媒体彩像系统介绍1 1 2研究目的与意义1 1 3国内外现状2 1 4论文的工作内容与组织结构3 1 4 1 论文的主要工作3 1 4 2 论文的组织结构4 2流媒体技术概述5 2 1流媒体技术。5 2 2流媒体传输方式5 2 3流媒体传输协议6 2 3 1 实时传输协议r t p 7 2 3 2 实时传输控制协议r t c p 8 2 3 3 实时流协议r t s p 9 2 3 4 会话描述协议s d p 10 3缓存替换策略的分析与研究1 1 3 1缓存策略1 1 3 1 1 全部缓存策略11 3 1 2 前缀缓存策略1 2 3 1 3 分段缓存策略1 2 3 1 4 分层缓存策略13 3 2替换策略1 4 3 2 1 基于最近访问的替换策略1 4 3 2 2 基于访问次数的替换策略1 4 3 2 3 基于数据块大小的替换策略15 4 流媒体缓存代理服务器的设计1 6 4 1缓存代理服务器系统整体设计1 6 4 1 1 系统架构介绍1 6 4 1 2 系统结构及模块设计1 7 4 1 ，3 系统总体流程设计1 9 4 2传输控制协议模块的分析与设计2 0 4 2 1 移动流媒体协议栈的架构2 0 4 2 2i 汀p i 盯c p 协议的分析2 2 4 2 3r t s p 协议的分析2 2 4 2 4r t s p 协议的设计2 3 4 3视频点播模块的分析与设计2 6 4 3 1 用户访问特征2 6 4 3 2 视频流行度分析2 7 4 3 3 缓存替换策略的设计2 8 4 3 4 运行流程的设计31 4 4视频推送模块的分析与设计3 3 4 4 1 用户呼叫接续时间的研究3 3 4 4 2 缓存替换策略的设计3 4 4 4 3 运行流程的设计3 6 4 4 4 集团视频推送业务特征3 7 4 4 5 缓存替换策略的设计3 8 5流媒体缓存代理服务器的实现3 9 5 1传输控制协议模块的实现3 9 5 1 1 协议通信模式3 9 5 1 2 协议状态转换自动机。3 9 5 1 3 协议实现4 l 5 2视频点播模块的实现4 3 5 2 1 缓存替换策略的实现4 4 5 2 2 媒体数据传输的实现4 5 5 3视频推送模块的实现4 9 5 3 1 缓存替换策略的实现4 9 5 3 2 媒体数据传输的实现一4 9 5 3 3 集团视频推送的实现5 3 6结束语5 4 参考文献5 5 作者简历5 7 独创性声明5 8 学位论文数据集5 9 1 绪论 1 1课题背景和多媒体彩像系统介绍 随着移动通信技术的迅速发展，移动流媒体技术成为移动通信发展的新热点， 第三代移动通信( 3 r d - g e n e r a t i o n ，3 g ) 标准的制订使得通过无线信道传输视频信 息成为可能【l 儿2 1 。流媒体服务器作为移动流媒体系统的核心，其设计及实现和传统 的有线网络流媒体系统有相似的地方，但由于无线传输信道具有误码率高、传输 时延大、传输速率不稳定等特点，为服务器端的设计和实现提出了许多挑战。 流媒体服务器和流媒体缓存代理服务器是提供移动流服务的关键平台，是移 动流媒体系统的核心设备。流媒体服务器处于i p 核心网中，用于存放流媒体文件， 响应用户请求并向移动终端发送流媒体数据。流媒体缓存代理服务器位于移动网 络的边缘，靠近用户，所以在无线应用环境中，无线信道并不稳定，3 g 客户端资 源有限，流媒体缓存代理服务器的作用显得尤其重要，其中缓存代理服务器的缓 存替换策略的研究是热点。 多媒体彩像系统( m u l t i m e d i ac o l o rr i n gv i d e os y s t e m ) 是一个移动视频交互系 统，创新的提出了视频推送功能：手机主叫方可以在拨叫电话的同时推送一个自 己定制的视频给被叫方，同时收到被叫方推送给主叫方的视频，即在呼叫过程中 相互推送视频。同时，系统还提供视频点播功能：手机用户可以随时随地的通过 手机观看最近流行的视频节目。 1 2研究目的与意义 在过去的几年里，移动通信网络上的数据成指数级增长，用户能够访问更多 的信息，同时移动用户访问量也在不断增多。这种情形增加了访问延迟，所谓访 问延迟是指用户向流媒体服务器发出访问请求到服务器接受到数据的时间间隔， 它可能有多种原因产生，如服务器用户数超载暂时无法响应，无线网络路径拥塞 等。将用户访问的大部分数据尽量缓存在离用户较近的位置是一个减小访问延迟 的好办法，这样用户不需要访问远端的流媒体服务器，只是访问附近的缓存。实 际情况表明，正是由于访问量最高的1 0 到2 0 的数据导致了网络上的拥塞。 缓存技术在解决传统媒体数据访问中发挥了巨大的作用，对于流媒体服务来 说，它同样也起到了至关重要的作用。流媒体数据传输所需带宽大、占用时间长。 如何支持众多并发的数据流，构造一个成本低廉、支持并发用户多的流媒体系统， 最大限度利用现有的资源，是研究的关键所在。这也是多年来流媒体技术一直是 研究热点的一个原因。缓存技术的采用能够大大缓解流媒体服务通常所面临的网 络瓶颈和服务器负载问题，它一方面直接向用户提供数据，另一方面代替用户有 选择的向流媒体服务器发出数据请求，是用户访问的中转站，同时也起到了访问 分流的作用。与简单的c l i e n t s e r v e r 访问模式相比，缓存的采用大大减少了用户 访问延迟，提高了访问数据的质量，降低了源服务器的负载，减少网络拥塞的可 能。除了显著的应用价值外，缓存研究是一个开放性的问题( o p e np r o b l e m ) ，有重 要的学术研究意义。 1 3 国内外现状 传统的流媒体代理的管理、调度和缓存功能都由同一台服务器去承担，该结 构缺点很明显：第一，用户请求的所有数据( 包括已缓存数据) 都要通过代理服务器 转发，严重占用了其系统资源，易产生i o 瓶颈。第二，可扩展性差，其缓存容量 受到代理服务器可挂接硬盘数限制。第三，由于代理服务器要负责提供多种服务， 其系统资源占用较多，必然会严重影响其缓存服务质量；同时服务器的多功能性 也易造成其平均无故障时间的下降，影响系统稳定性。 为适应流媒体网络缓存特点，解决现有缓存代理方案所存在的问题，安晖等 人提出了使用附网存储的流媒体缓存代理技术【3 】；华中科技大学在研究基于集群的 流媒体缓存代理服务器体系结构【训，将基于内容的前端机负载平衡调度策略引入集 群流媒体缓存代理服务器中；中国科学技术大学采用内存为缓存资源，研究支持 v c r 操作的流媒体缓存算法【5 】。 贝尔实验室开发的流媒体缓存系统采用了如下的技术：( 1 ) 流对象的分段用于 缓存；( 2 ) 用m e m o r yr i n gb u f f e r 的机制实现客户请求聚集；( 3 ) 用数据传输速率控 制技术填充客户的初始缓冲区来减少播放启动延迟。此外，yc h a e 等人实现了一 个分布式的协作流缓存【6 】，通过软件的方式将许多分布式的流缓存整合成一个可容 错的、可扩展的缓存；m h o f m a n n 提出了自组织的协作式缓存结构，该系统提出 了三种技术使缓存系统更好的支持流媒体服务：c h u n k s e g m e n t 技术，d y n a m i c c a c h i n g 技术和s e l f - o r g a n i z i n gc o o p e r a t i v ec a c h i n g 技术【7 】；o v e r s c h e u r e 首次较详 细的论述了联合服务器和缓存代理进行视频服务的相关问题【8 1 ；s a c h a r y a 首次采 用了“类集群”架构实现流媒体缓存代理服务器【9 】，它由许多代理服务器和单一 的协调器组成。 缓存技术的采用同样能够大大缓解移动流媒体服务通常所面临的网络瓶颈和 2 服务器负载问题，因此移动流媒体缓存代理服务器的研究也备受关注。杨戈等人 提出了一种基于段流行度的移动流媒体代理服务器缓存算法p 2 c a s 2 m 2 ( p r o x y c a c h i n ga l g o r i t h mb a s e do ns e g m e n tp o p u l a r i t yf o rm o b i l es t r e a m i n gm e d i a ) u j ，根据移 动流媒体对象段的流行度，实现了代理服务器缓存的接纳和替换，使移动流媒体 对象在代理服务器中缓存的数据量和其流行度成正比，并且根据客户平均访问时 间动态决定该对象缓存窗口大小。郭常杰等人将基于协作的多媒体缓存代理技术 引入无线网络，提出一种新的分区缓存管理模型【l l 】，设计了可为移动客户提供高 效流式媒体服务的m o b i l e c a c h 系统，并提出一种基于分区的缓存管理模型，该模 型为参与协作的每个代理引入静态分区，并采用一种集中式的管理策略周期性更 新，从而保证系统以全局优化的方式高效稳定的工作。 1 4 论文的工作内容与组织结构 1 4 1论文的主要工作 本文的主要工作是设计并实现流媒体缓存代理服务器，作为多媒体彩像系统 一个关键组成部分，使用高效的缓存替换策略和传输控制协议可以减小服务器的 负载，降低播放延时。所做的主要工作如下： 1 分析研究多媒体彩像系统，根据其视频点播和视频推送的主要功能提出流 媒体缓存代理服务器的整体设计方案；根据系统需求进行模块划分，主要分为传 输协议模块、视频点播模块和视频推送模块，其中视频推送模块是系统的核心。 2 分析研究r t s p 协议、r t p r t c p 协议的主要功能和具体工作流程。依据 多媒体彩像系统的实际功能需求，将协议中的部分方法进行优化设计并实现。 3 在传输协议模块中，通过解析请求中的字段来定位用户请求所在的模块； 针对两个模块缓存是否命中的情况，设计不同的回复消息来实现；在视频播放的 过程中实现视频前缀部分和后缀部分的连接。 4 在视频点播模块中，根据手机流媒体的市场规模和用户访问特征，结合媒 体数据特点，提出了基于视频内部流行度的前缀缓存策略和单播后缀批处理方式 的设计，替换策略由视频的四个关键因素综合分析来决定。 5 在系统核心的视频推送模块中，根据单个视频数据量小的特点，选取实现 简单的全部缓存策略和算法复杂度较低的基于视频播放次数统计的替换策略。这 样设计可以在很大程度上减小运算量，从而降低视频播放的延时。同时借鉴目前 的彩铃业务，提出集团用户视频推送的设计思路并实现。 6 根据两个视频模块的缓存替换策略，分别设计数据传输流程并实现。 1 4 2论文的组织结构 本文围绕多媒体彩像系统的业务需求对流媒体缓存代理服务器如何设计并实 现进行了详细的阐述，具体的组织结构安排如下： 第一章，绪论。简要介绍课题背景和多媒体彩像系统的主要功能，缓存代理 服务器的研究目的与意义和国内外现状；对论文的主要工作内容和组织结构进行 了说明。 第二章，流媒体技术概述。首先介绍了流媒体技术及其传输方式；然后根据 流媒体传输协议结构分别对r t p 、r t c p 、r t s p 和s d p 协议进行了介绍。 第三章，缓存替换策略的分析与研究。先分析在缓存代理服务器上采用缓存 替换策略可以达到的目标；接着对四种缓存策略和三种替换策略进行了介绍并对 其优缺点进行分析和比较。 第四章，流媒体缓存代理服务器的设计。本章首先对缓存代理系统的整体架 构进行介绍，结合多媒体彩像系统功能的需求进行系统设计和模块划分；然后对 系统的总体流程提出了设计思路；最后对三个模块进行分析与设计：对传输协议 模块进行优化设计，并对两个视频模块的缓存替换策略及运行流程进行设计。 第五章，流媒体缓存代理服务器的实现。根据上一章的设计，对于具体设计 中的关键问题提出了解决方法。对于传输协议模块中回复消息重定向和前后缀连 接的实现，在两个视频模块中缓存替换策略的实现和数据传输的实现。 第六章，结束语。对多媒体彩像系统的流媒体缓存代理服务器设计与实现的 情况进行了必要的总结，并结合今后实际需求进行改进和完善。 4 r 2 流媒体技术概述 本章首先对流媒体技术相关概念进行介绍。然后对流媒体传输方式进行阐述， 分析两种传输方式的特点。最后对支持实时流式传输的协议进行分析。 2 1 流媒体技术 流媒体技术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， 让终端用户能够边下载边观看，而不需要等到整个多媒体文件下载完成才能够观 看的技术。 流媒体技术实现的关键就是流式传输。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，主要有两个特点：一是实时传输 和实时播放；二是节省存储空间。 2 2流媒体传输方式 流式传输分为顺序流式传输和实时流式传输： 1 顺序流式传输 顺序流式传输采用顺序下载方式，在下载文件的同时用户可观看在线节目， 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部分，这种 方式不像实时流式传输那样，可以在传输期间根据用户连接的速度进行调整。顺 序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的视频节目，如讲座、演说和演示等， 它也不支持现场广播。由于标准的h t t p 服务器可以发送这种形式的文件，不需 要其他特殊协议，因此，顺序流式传输也常被称作h 1 v r p 流传输。 2 实时流式传输 实时流式传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 输总是实时传送的，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可对观看内容进 行快进或后退。理论上，实时流一经播放就不可停止，但实际上，可进行周期暂 停。 实时流式传输需要特定服务器，这些服务器允许用户对媒体发送多级别的控 制，因而比标准h t t p 服务器更复杂。同时，实时流式传输还需要特殊网络协议， 一般会使用r t p u d p 、r t s p t c p 两种通信协议与a vs e r v e r 建立联系，将服务 器的输出重定向到个运行。wp l a y e r 程序所在客户机的目的地址，另外，也需 协同使用其他实时传输协议。 2 3流媒体传输协议 本章第二节提到实现流式传输需要有特定的实时传输协议，只有采用合适的 协议才能更好的发挥流媒体的作用，保证传输质量。流媒体传输协议包括 r t p r t c p 协议、r t s p 协议、s d p 协议等。流媒体传输协议结构如图2 1 所示： 图2 1 流媒体传输协议结构图 f i g u r e2 1s t r e a m i n gm e d i a t r a n s f e rp r o t o c o lc h a r t r t p ：r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l 实时传输协议 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 o l 实时传输控制协议 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 o l 实时流协议 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 o l 会话描述协议 这些协议中包括i n t e r n e t 本身的多媒体传输协议，以及一些实时流式传输协议 等。互联网工程任务组( t h ei n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 已经设计出几 种支持流媒体传输的协议。主要有用于i n t e m e t 上针对多媒体数据流的实时传输协 议( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ，r t p ) 、与r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务 的实时传输控制协议( 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 o l ，r t c p ) 、定义了一对多 的应用程序如何有效地通过i p 网络传送多媒体数据的实时流协议( r e a l t i m e s t r e a m i n gp r o t o c o l ，r t s p ) 。这三种协议构成了实时服务的基础，它们协同工作， 基本满足了实时数据的传输要求。 6 2 3 1实时传输协议r t p 1 r t p 协议的介绍 大部分流媒体应用并不直接使用组播，而采用基于组播的应用层协议，r t p 就属于这种应用层协议。 实时传输协议r t p 是在i n t e m e t 上处理多媒体数据流的一种网络协议，它能够 在一对- - ( u n i c a s t ，单播) 或者一对多( m u l t i c a s t ，组播) 的网络环境中实现流媒体数 据的实时传输。r t p 通常使用u d p 来进行多媒体数据的传输，但如果需要的话可 以使用t c p 或者a t m 等其它协议。需要注意的是，i h 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。也就是说，整个r t p 协议由两个密切相关的部分组成：r t p 数据协 议和r t p 控制协议。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 。通常r t p 算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为 应用程序代码的一部分【l2 1 。 2 r t p 协议的数据格式 r t p 数据协议负责对流媒体数据进行封包并实现媒体数据的实时传输，每一 个i 盯p 数据报都由头部( h e a d e r ) 和负载( p a y l o a d ) 两个部分组成，其中头部前1 2 个 字节的含义是固定的，而负载则可以是音频或者视频数据。在协议中仅定义了头 部的数据结构，而不限制负载大小。负载与应用相关，如v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 利用r t p 传输m p e g 1 节目，负载为m p e g 1 音频数据和m p e g 1 视频数据。r t p 头部由对负载的描述信息构成，r t p 数据报的头部格式如图2 2 所示： 图2 2r t p 头部格式 f i g u r e2 2r t ph e a d e rf o r m a t 7 头部各字段说明如下： v ：2 位，协议版本 p ：l 位，标志数据区后是否有填充字段，某些加密算法需要固定大小填充字 c c ：4 位，表示首部后所跟的c s r c 标识符的数目 m ：1 位，重要事件标志 p t ：7 位，数据区的数据类型，由r f c ( r e q u e s tf o rc o m m e n t s ) 定义 r t p 数据包头部由1 6 字节组成，其中最后4 字节c s r c 域可选，在流媒体传 输中有重要作用的数据域如下所述： ( 1 ) c s r c 记数( c c ) ：表示跟在固定头部后的c s r c 标识的数目； ( 2 ) 标志位m ( m a r k e r ) ：标记的解释由程序定义，其功能依赖于数据类型。例如， 可以用标志位标识m j p e g 数据传输中每帧的开始； ( 3 ) 负载类型( p t ) - 标识r t p 数据包内负载的数据类型，例如m p e g 1 视频数 据、m p e g 1 音频数据或j p e g 等； ( 4 ) 序列号：1 6 位，一个r t p 传输会话中的所有r t p 数据包依次编号，其中 第1 个i 盯p 包的编号可为0 或为一个随机数。每发送一个r t p 数据包，序列号就 加1 ，接收端可以用它来检查数据包是否有丢失并按照顺序号处理数据包； ( 5 ) 时问戳：3 2 位，记录了负载中第一个字节的采样时间，接收方根据时间戳 能够确定数据的到达是否受到了延迟抖动的影响，但具体如何来补偿延迟抖动则 由应用程序完成； ( 6 ) 同步源标识( s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ，s s r c ) ：3 2 位，标识数据源。它用来标 识r t p 数据流的起源，在r t p 会话或者期间的每个数据包流都有一个清楚的 s s r c 。s s r c 不是发送端的m 地址，而是在新的数据流开始时源端随机分配的一 个号码； ( 7 ) 贡献源标识列表( c o n t r i b u t i n gs o u r c e ，c s r c ) ：0 1 5 项，每项3 2 位，用来 表示数据包中不同的数据源。标识的数量通过c c 字段给出。 2 3 2实时传输控制协议r t c p r t c p 协议作为r t p 协议的伴随协议主要用于对多媒体数据传输进行控制【1 3 】。 流媒体服务器通过实时传输控制协议r t c p 发送s r ( s e n d e rr e p o r t ) 至l j 播放器，播放 器通过r t c p 协议发送r r ( r e c e i v e rr e p o r t ) 至l j 流媒体服务器。在r t p 会话期间， 各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含有已发送的数据包的数量、丢失的 数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率， 甚至改变有效载荷类型。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。 r t c p 用于统计、管理和控制r t p 数据包的传输。r t c p 通过发送和接收r t c p 报文传递信息，每个报文有其特定的类型码和长度标识。r t c p 在流媒体传输中的 主要功能如下： 1 服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 管理与控制 r t c p 报文含有q o s 信息。在组播环境下，会话各方有必要知道其他会话主 机的数据传输状况。音频或视频数据的发送主机应定期播发送发报告，发方报告 包括媒体同步信息、已发信息包数目和比特数目，这些信息可用于计算发送速率。 而会话的接收主机定期播发接收报告，接收报告包括接收信息包的最大序列号、 丢失包数目、媒体流的抖动情况等，这些数据可用来计算从发方到收方的回路延 迟。 2 媒体同步 r t c p 发方报告内的时间戳可用来同步不同的媒体流，例如音频和视频间的同 步。 3 附加信息传递 r t p 数据包并没有提供有关自身来源的有效信息，而r t c p 有一类称为 s d e s ( s o u r c ed e s c r i p t i o n ) 的报文，内含标志名、用户名称、电话号码、e m a i l 等信 息，其中标志名是会话中每个参与者的唯一标志。这些附加信息可用于会话管理。 2 3 3实时流协议r t s p 实时流协议r t s p t l 4 j 是由r e a l n e t w o r k s 公司、n e t s c a p e 公司和c o l u m b i a 大学 共同研发的，1 9 9 6 年r t s p 协议的第一个草案被提交到i e t f ，1 9 9 8 年被批准成为 i n t e m e t 标准r f c 2 3 2 6 。r t s p 协议是一个应用层协议，它必须以底层的r t p 协议 为依托，才能够在i n t e m e t 上提供完整的流媒体传输服务。在数据选择传送通道和 传送机制上都遵循底层的r t p 或t c p 协议。它的主要任务是为单点传送和多点传 送流式媒体提供很高的播放性能，同时也能够兼容不同厂商的服务端和客户端的 应用程序。 实时流协议r t s p 是应用级协议，控制实时数据的发送。r t s p 提供了一个可 扩展的框架，使实时数据( 音频与视频) 的受控点播成为可能。数据源包括现场 数据与存储在剪辑中的数据。该协议目的在于控制多个数据发送连接，为选择发 送通道，如u d p 、组播u d p 与t c p 提供途径，并为选择基于r t p 上发送机制提 供方法。 r t s p 协议中，对播放控制，状态改变最重要的是r t s p 请求消息中的方法 9 ( m e t h o d ) 。r t s p 协议定义了一些方法，每个方法具有不同的作用，概括如下： o p t i o n s ：获取服务器实现的方法。服务器可能并不完全支持r t s p 协议所 规定的所有方法，因此客户端可以使用o p t i o n s 方法获得服务器所支持的方法 集。 s e t u p ：建立传输。根据已经获得的媒体流地址，分别建立传输。 d e s c r i b e ：获取对媒体的详细描述。在本系统中，d e s c r i b e 请求的回复中 包含了s d p 协议的文本。 p l a y ：从某个时间开始播放。 r e d i r e c t ：将客户端重定向至新的服务器。 t e a r d o w m ：结束播放，取消任何状态。 2 3 4会话描述协议s d p 会话描述协议s d p 1 5 是一种用于会话描述的格式协议，它并不是一个传输协 议，也不包含在媒体的编解码之中，而是用于在不同的传输协议问传递消息的通 知协议，其主要目的是解决多媒体会话通知、邀请和另外一些媒体会话的初始化 工作，s d p 的内容包括： 1 会话名称和目的 2 会话活跃时间 3 媒体类型( 视频、音频等) 4 传输协议( r t p u d p i p 等) 5 媒体编码格式( h 2 6 3 ，m p e g 4 等) 6 接收媒体的相关信息( 地址、端口和格式等) s d p 会话描述包含一系列文本行，其格式为： = 。 标识属 性，值表示该属性的取值。可以将s d p 协议属性大致分为三类，分别是：会话描 述类属性、时间描述类属性和媒体描述类属性。 l o 3 缓存替换策略的分析与研究 对于流媒体缓存代理服务器来说，采用缓存替换策略可以达到如下目标： 1 减少客户端和流媒体服务器之间的网络流量，降低网络带宽开销。缓存手 机用户所需的媒体文件可以大大减少对流媒体服务器请求的数量。同时，使用缓 存代理服务器也减少了骨干网络的流量。 2 降低手机客户端启动时延，快速响应请求播放视频。由于缓存代理服务器 直接将媒体文件发送给手机客户端，速度快于与远程流媒体服务器的传输速度， 因此能降低时延。 3 提高视频数据共享和命中率。缓存代理服务器应该采用有效地替换策略将 缓存数据及时替换，释放流行度低的视频数据，同时把播放次数高的、受欢迎的 视频存入缓存代理服务器中。 3 1缓存策略 缓存策略主要分为全部缓存和部分缓存两种，其中部分缓存又分为前缀缓存、 分段缓存和分层缓存。下面就这四种缓存策略进行说明并分析各缓存策略的优缺 点。 3 1 1全部缓存策略 全部缓存就是以整个