（计算机系统结构专业论文）基于p2p的vod系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的飞速发展，计算机网络及其相关应用也得到了迅猛发展和普及i n t e m e t 作为 人们交流信息的方式早己深入到日常生活中。人们对信息的需求不再仅仅局限于文字和图片。视频点 播作为一种可以获得音视频等更丰富信息的方法，伴随着媒体压缩技术的进步和计算机存储子系统的 发展得到了广泛的研究，并且在远程教育、远程医疗、交互电影与电视领域得到了广泛应用。如何能 使视频点播系统支持更多的用户、节省成本：如何能让用户真正找到自己想要的媒体；如何保证播放 的质量，这些问题一直是视频点播研究的热点问题。 本论文针对视频点播系统的现状，从构建一个完整系统的角度出发，综合考虑媒体发布、搜索、 定位与播放的可用性以及性能等多方面因素，建立了一个基于对等网的视频点播原型系统p p v o d 。论 文体现了该系统的研究与实现工作。 论文首先介绍了视频点播的基本概念和几种传统的实现方式及其关键技术与不足这其中包括单 播模式( 典型代表有集中式、代理式和内容分发网式) 和多播模式( 包括网络层多播模式和应用层多 播模式) ；其次介绍了对等网的基本概念、体系结构和路由方式，特别介绍了c h o r d 算法的基本思想 及其与c a n 算法的性能比较，指出以c h o r d 构建p 2 p 应用的优势；随后介绍了p 2 p 流媒体技术的研 究现状，包括各研究组织和人员在基于应用层多播的p 2 p 流媒体和基于单播的p 2 p 流媒体两方面所 做的研究工作。在此基础上本文设计了一个基于对等网的视频点播系统，包括系统体系结构设计和功 能模块设计 随后，论文详细介绍了系统各模块的实现方法，包括底层路由模块、分片置换模块、资源搜索模 块和媒体传输与播放模块。其中底层路由模块，是以c h o r d 算法为基础，实现了p 2 p 路由算法，并提 出了两点路由算法改进，分别是针对原路由表中冗余信息较多，可用信息较少而提出的“双向路由” 改进和针对原路由算法未考虑系统节点异质性和底层网络拓扑结构而提出的“利用节点异质性和底层 网络拓扑感知的路由”改进，并分别对这两种改进算法做了仿真实验实验数据表明了这两种算法的 有效性。在分片置换模块的实现中，首先分析了现有两种置换算法( f i r s ti nf i r s to u t ，简称f i f o 和 l e a s tr e c e n t l yu s e d ，简称l r u ) 的特点和不足，并在此基础上根据视频点播应用的特点提出了两种 新算法：根据分片供求关系( s u p p l y - d e m a n d ，简称s d ) 的置换和根据系统中媒体副本数( r e p l i c a ， 简称p e p ) 的置换，并通过仿真实验与f i f o 和l r u 两种置换算法比较，数据表明新算法在不同节 点加入间隔下都有较优的性能表现，其中s d 算法更适合点播应用，并给出了其实现方法。在资源搜 索模块的实现中，首先分析了基于o n t o l o g y 技术的语义搜索的特点，随后提出并实现了一种适用于 影片资源的信息发布和语义搜索的策略，包含“编辑距离”和“向量相似度”两个用于自然语言理解 的规则。在媒体传输与播放模块的实现中，根据媒体数据的特点提出了用于实时传输音视频数据的方 法并基于微软d i r e c t s h o w 技术实现了媒体回放。最后，论文在总结已做工作的基础上，就应用分层 媒体、采用激励机制和进一步完善语义搜索三个方面对未来的进一步工作提出了相关展望。 关键字：视频点播，对等网，分片缓存置换，本体，语义搜索，d i r e c t s h o w 东南大学硕士学位论文 w 汕t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m p u t e rn e t w o r ka n di t sa p p l i c a t i o n sa l s og a i n d e v e l o p m e n tg r e a t l y p e o p l em a yr e v ei n f o r m a t i o nn o to n l yi nt h ef o r mo ft e x t sa n dp i c t u r e ，b u ta l s oi n a u d i oa n dv i d e n p e o p l e sd e m a n d si nt h i sk i n do f “l i v e ”i n f o r m a t i o nb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r a sa m e a nb yw h i c hp e o p l ec a ng e tt h i s l i v er e e d hv i d e o - o n - d e m a n ds y s t e mh a sb e e ng r e a t l yr e s e a r c h e dw i t h t h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g yo f m e d i ac o m p r e s s i o na n dt h ed e v e l o p m e n to f t h es t o r a g es u b - s y s t e n l i t i si a r g e l ya p p l i e di nd i s t a n tl e a r n i n g , d i s t a n tm e d i c a lc a r i n ga n di n t e r a c t i v em o v i e ，i vi ti saf o c u si s s u et h a t h o wt od e v e l o pav o ds y s t e mw i t hh i g hs c a l a b i l i t ya n di o wc o s ta n da l s ow i 山e 伍c i e n tm e d ms e a r c h m e c h a n i s ma n dh i g hp l a y b a c kp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tv o ds y s t e m s d e s i g n , f r o mt h ep o 缸o fv i e wo fc o n s t r u c t i n ga ni n t e g r a t e d s y s t e m , ap r o t o t y p ev o ds y s t e mc a l l e dp p v o di sb m u g h tf o r w a r d , w h i c ht a k e sm e s ad i s t r i b u t i o n , s e a r c h a n dp l a y b a c ki n t oa c c o u n t t h i st h e s i si sp a r to f t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f t h ep r o t o t y p es y s t e m t h eb a s i cc o n c e p t s a r c h i t e c t u r ea n dk e yp r o b l e m so f v o ds y s t e m sa r cd e s c n b e df i r s t l y , i n c l u d i n gb o t h u n i c a s tm o d es u c ha sc e n t r a l i z e dm o d e , p r o x ym o d ea n dc o n t e n td i s t r i b u t i o nn e t w o r km o d ea n dm u l t i c a s t m o d es u c h 笛n e t w o r kl e v e lm u l t i c a s tm o d ea n da p p l i c a t i o nl & e lm u l t i c a s tm o d e t h e nt h eb a s i cc o n c e p t s a n da r c h i t e c t u r eo ft h ep 2 pn e t w o r ka r cd e s c r i b e d , w h e r ec h o r dr o u t i n gm e c h a n i s mi sd i s c u s s e dw i t h c o m p a r i s o no f i t sp e r f o r m a n c et ot h ec a n s 1 1 ”r e l a t e dw o r ko np 2 ps t r e a m i n gi sa l s om e n t i o n e di n c l u d i n g a p p l i c a t i o nl e v e lb a s e dm u l t i c a s tm o d ep 2 ps t r e a m i n ga n du n i c a s tp 2 ps t r e a m i n g ad e s i g no fv o ds y s t e m b a s e do np 2 pn e t w o r ki sp r o p o s e db a s e do l lt h et h e o r yf o r e g o i n g t h e nt h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f p p v o d sm o d e l sw e r ed e s e r i b e dd e t a i l e d l y , i n c l u d i n gt h e u n d e r l y i n gm u t i n gm e c h a n i s mw i t ht w o i m p r o v e m e n t so nc h o r dw h i c ha r c b i o - d i r e c t i o n a lr o u t i n g a i m i n ga ts o l v i n gt h el o we f f i c i e n c yr o u t et a b l e p r o b l e ma l s ow i t h r o u t i n ga p p l y i n gn o d eh e t e r o g e n e i t ya n dn e t w o r kt o p o l o g ya w a r e n e s s a i m i n ga t r e d u c i n gd e 嘶w h e nm u t i n ga n du s i n gn o d el e s o u r c e sm o r ee f f e c t i v e l y ；c a c h er e p l a c e m e n tw i t ht w on o v e l a l g o r i t h m s ( s d s u p p l yd e m a n d , r e p - r e p l i c 幻i na d d i t i o nw i t h 也ea n a l y s i so ff i f oa n dl r uw i t ha c o m p r e h e n s i v es h n u l a t i o l lb a s e do nv 撕o n sn o d ei n c o m i n gr a t ew h i c hs h o w ss da n dr e pa r em o r e a p p r o p r i a t et h a nf i f oo rl r u 虹a p p l i c a t i o n ss u c ha sv o d ；m e d i as e a r c hw i t ht h eo n t o l o g yt e c h n o l o g y w h e r eam e c h a n i s mo fs e m a n t i cs e a r c ho nf i l mo b j e c t si sp r o p o s e da n dt w or u l e sa r ei n t r o d u c e dw h i c ha r c “e d i td i s t a n c e ”a n d “v e c t o rp r o x i m i t y ”a n da l s ot 1 1 em e d i at r a n s f e rw h i c hi sb a s e do nr t p r t c pw i t ht h e i n t r o d u c t i o no f “b i o - c a c h eq u e u e a n df i n a l l yt h ep l a y b a c kw h i c hi sh a s e do nt h ed i r c c t s h o wt e c h n o l o g y o f m i e r o s o f l i nt h ee n do f t h et h e s i s ，t h ec o n c l u s i o na n df u t u r ew o r ka r cd i s c n s s e 正w h i c hi n v o l v e sa p p l y i n g o f l a y e r e dm e d i aa n dp r o m o t i n gm e c h a n i s ma l s ow i t he v o l u t i o no ns e m a n t i cs e a r c hi np 2 pe n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：v i d e o - o n - d e m a n d , p e e r - t o - p e e r , c a c h er e p l a c e m e n t , o n t o l o g y , s e m a n t i cs e a r c h , d i r e c t s h o w 目录 硕士期间发表论文5 4 图目录 图2 1 集中式点播系统结构圈4 图2 - 2 基于代理的视频点播系统结构图一4 图2 3 使用c d n 的视频点播系统结构田5 图2 - 4 网络层多播结构5 图2 5 应用层多播结构5 图2 - 6r t p 报头示意图7 图2 7r t c p 报文图7 图3 1 集中式p 2 p 网络模式1 0 图3 2 分布式p 2 p 网络模式ll 田3 3 混合式p 2 p 网络模式1 2 图3 - 4 时刻3 9 时p 2 c a s t 系统的快照 图3 - 5p c v o d 系统结构图 1 4 图4 - 1p p v o d 系统总体结构图一1 6 图4 - 2 消息结构示意图 图4 3 模块对象关系示意图1 8 图4 - 4 系统点播流程1 9 图4 5 系统硬件环境示意圉2 0 图5 1c h o r d 环及其路由机制2 2 图5 2h o p 数概率曲线图。2 4 图5 3 适合运用拓扑感知路由的情况2 5 囤5 - 4 延迟概率分布曲线2 6 田6 - 1 利用节点缓存和存储、带宽资琢示意图2 8 图6 2 节点到达间隔的三种不同情形3 0 图6 3 节点问c a c h e 共享与c s 模式下根节点的带宽占用比较3 2 图6 - 4 不同加入问隔的启动延迟比较3 2 图6 5 不同到达问隔的副本数量比较3 3 图6 - 6 不同到达闻隔的根节点依赖度比较3 4 图7 1 本体与数据的映射关系3 7 图7 2 基于本体搜索过程3 8 图7 - 3 系统运行主界面一3 8 图7 - 4 共享媒体信息输入框 图7 - 5 节点索引表。3 9 图7 - 6 媒体信息发布存储过程4 0 图7 - 7 媒体资源信患库表4 0 图7 8 搜索信息输入框 图7 - 9 c o m b i n a t i o n 处理策略4 2 图7 一1 0 搜索结果囤4 2 困8 - id r e c t s h o w 系统结构图。 图8 - 2 过滤器连接图4 4 图8 - 3 发送数据流程4 5 图g - 4 双缓冲队列工作原理示意图。 图8 - 5 媒体数据发送传输接收过程4 6 v 东南大学硕士学位论文 圈8 - 6m e d i a t r a n s f e r r b q 消息体格式图4 6 图8 7 播放窗口示意图4 7 表目录 表4 1 节点类功能模块说明 表6 _ l 参数及其含义 表6 - 2 动态参数及其取值 表7 一l 编辑距离公式各变量意义 v i 1 7 2 9 3 1 4 1 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： 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。 d ， 潍日期：功坦洫 第一章前言 1 1 论文背景 第一章前言 随着计算机技术的快速发展以共享软硬件和数据资源为目的的计算机网络及其相关应用得到了 迅猛发展和普及，i n t e r n e t 早已深入到人们日常的工作和生活中；加之以桌面处理能力的飞速提高、 媒体数据压缩算法的进步和存储子系统性能的提升，使得在i n t e r n c t 上部署大规模的视频点播 ( v i d e o - o n o e m a n d , v o d ) 服务成为可能。相关的点播技术已经在远程教育、远程医疗、交互电影， 电视等领域得到了广泛的研究与应用。如何保证这类应用的可扩展性和服务质量一直是视频点播系统 研究的热点问题。 目前的视频点播系统主要采用的是客户机服务器( c i e n v s e r v e r ) 模式，n 个希望获取视频服务的 节点与视频资源提供者服务器建立连接，整个网络依赖服务器这个中心节点提供服务。显然，在 以这种方式构建起来的系统中用户所能得到的音视频资源数量、服务质量往往有一定的局限性，无法 满足可扩展性要求。客户机服务器模式实际上是一种集中式的体系结构，它在海量数据的组织，访 问方面存在着服务瓶颈、单一失效点等缺点 不能否认集中式服务模式对于i f l t e r n o t 早期发展所做的巨大贡献，但是随着个人计算机性能的提 高，集中式服务模式下的客户端节点也拥有了诸如处理能力、存储能力和网络带宽等巨大的潜在资源。 如何有效利用这些客户端节点的资源正逐步成为l n t e r n e t 应用研究的热点。f 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 计算模 式“1 正是在参与节点和资源规模不断扩大的情况下，用于解决海量数据资源的合理利用问题而提出 的分布式计算模式。在这种模式下，服务器与客户机的界限消失了，网络应用的核心从中心服务器向 网络终端设备边缘化。成员之间主动协作，直接从其他成员而不是从服务器的参与中获益。p 2 p 模式 的出现无疑对视频点播系统的发展提供了一个契机，它为系统规模的扩大、资源的合理分布和管理、 服务质量的提升提供了一个新的平台。 1 2 论文研究目标 f 2 p 技术为视频点播的扩展提供了支撑。早期的p 2 p 借助了部分服务器的概念，比如n a p s t e r h 。 这种方式的一个重要特点是服务器仍然存在，主要起索引的作用，提供所有对等节点( p e e r ) 以及其 上各种资源列表的查找索引服务，实际的数据传输直接在节点间进行，但是这种方式仍然存在诸如单 点失效的问题因此纯粹的分布式p 2 p 算法成为了研究热点并提出了一些经典算法，如g n u t e “。”j ， f r m e p 9 】，t a p e s u , j 1 0 1 ，p 啪】，c a n t 3 j 和c h o r d 1 4 , 1 5 1 。其中c h o r d 算法基于分布式哈希路由，算 法能保证资源搜索步数在o ( 1 0 9 ) 的范围内( 为系统节点数) 。 p 2 p 系统具有节点自组织性以及高可靠性的特点。但对于构建一个较高性能的视频点播系统而 言，相关算法所提供的查找性能还不够；传统的分布式哈希路由算法只能提供精确的资源定位，不能 满足人们灵活的查找需求：此外，每个节点资源的共享策略对整个系统的性能有一定影响。因此，本 文希望通过综合多方面因素，研究基于p 2 p 的视频点播系统的设计与实现方法，建立一个基于p 2 p 网络的集实用性易用性、可靠性与可扩展性于一身的视频点播系统。本论文的研究重点是该视频点 播系统底层路由与资源搜索，节点缓存置换策略，媒体信息语义发布和搜索以及音视频传输与播放的 方法 东南大学硕士学位论文 1 3 论文章节安排 本论文针对视频点播系统的特点，结合国i 勾# l - 研究现状，研究和分析了基于p 2 p 的视频点播系统 的体系结构在c h o r d 算法的基础上设计并实现了系统底层路由模块，结合o n t o l o g y 语义搜索技术 实现了资源搜索模块。另外针对p 2 p 的特点提出了缓存置换策略、视频传输和播放的方法。同时在分 析与实现的基础上提出了未来改进方案。 论文大致可分为三部分：第部分包括第一章至第三章，内容包括视频点播系统概述和p 2 p 网络 技术及其路由算法的研究介绍，以及p 2 p 流媒体传输的研究现状；第二部分包含第四至第八章，设计 并实现了一个基于p 2 p 的视频点播系统，详细介绍了系统底层路由模块、缓存置换模块、资源搜索模 块和视频传输播放模块的研究与实现；第三部分包括第九章，是论文总结及对未来工作的展望。 第一章前言：讲述论文的研究背景、研究目标和主要内容。 第二章视频点播系统概述：介绍视频点播的基本概念，着重介绍了视频点播的几种传统方式、 关键技术和相关研究热点 第三章对等网概述：介绍对等网的基本概念，着重介绍对等网的几种网络模式，详细描述了 现有p 2 p 网络路由算法的研究现状，并比较了这几种路由算法的优缺点。另外还介绍了p 2 p 流媒体 技术的研究现状。 第四章基于对等网的视频点播系统总体设计：主要包括系统体系结构设计、模块设计和相关 实现技术以及软硬件环境。 第五章视频点播系统底层路由的研究与实现：在研究和分析了p 2 p 网络路由算法的基础上，实 现了以c h o r d 协议为基础的覆盖网网络路由机制。针对c h o r d 算法的不足，提出了两种改进，并通过 仿真实验评估了算法性能。 第六章分片缓存与置换策略的研究与实现：根据p 2 p 模式的特点，在分析了传统的视频分片缓 存置换策略的基础上根据视频点播的特点提出了两种新的策略，通过仿真验证了其有效性，并给出了 其中一种策略的实现方法。 第七章资源搜索模块的研究与实现：在介绍了o n t o l o g y 语义搜索技术的基础上，提出并实现 了媒体信息发布和语义搜索方法，提出了“编辑距离”“向量相似度”两个规则和搜索策略。 第八章媒体传输与播放模块的研究与实现：在研究了微软d k e c t s h o w 技术的基础上实现了媒 体数据的传输与播放并提出了一种双缓冲队列技术。 第九章论文总结和相关展望：对论文进行总结性叙述，并提出了系统的优化和改进方向，并对 未来工作进行了展望。 最后是致谢、参考文献和论文发表情况。 2 第二章视频点播系统概述 第二章视频点播系统概述 2 1 视频点播的相关概念 视频点播( v i d e o - o n d e m a n d 即v o d ) 是利用视频服务器存储视频节目和其他多媒体信息，通 过传输网络和客户端设备向用户提供交互式视频服务的系统。它与视频直播不同，对直播而言，所有 的接收端都是同步的( 即同时接收相同的数据) ；对点播而言，在绝大部分情况下，各个接收端在某 一时刻请求的是同一视频不同部分的数据。随着计算机性能的提高和网络应用的普及，视频点播技术 越来越多得被运用于远程教育，交互式电影电视等领域。一个视频点播系统的部署包括三个要素： 视频源提供者、传输网络、视频传输终端。 视频源提供者：存储一定量的音视频资源供发出点播请求的节点获取，处理用户交互信息和发送 视频数据。通常这样的提供者需要有较高的处理能力、较大的存储容量和较高的网络上行带宽。 传输网络：连接提供者和传输终端的数据传输设施。从传输质量上考虑，通常要求传输网络有较 高的带宽和q o s 保证。 视频传输终端：从视频源提供者通过传输网络获取视频数据并播放，并且实现。快进”。快退”等 播放控制。为保证一定的播放质量，通常这样的终端需要较高的下行带宽。 2 2 传统视频点播系统网络模式 现在已经提出了几种在i n t e r n e t 环境下提供视频点播服务的网络模式，大致可分为两大类：基于 单播的模式和基于多播的模式。本节分析这几种模式的特点及其不足。 2 2 1 基于单播的模式 在这种模式下，每一个客户端与视频服务器建立一条单播连接。下列三种方法是典型的基于单播 的模式：集中式( c e n c a l i z e d ) 、代理式( p r o x y ) 和内容分发网式( c o n t o u r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ，简称 c d n ) 。 集中式：( 图2 1 ) 这种模式需要有一个拥有高性能和高网络带宽的服务器。它的特点是易于部署 和管理，但是缺点也很明显，突出表现在可扩展性和可靠性方面。在这种模式下，所有的客户节点都 从一个服务器节点获得视频数据，服务器就可能成为单一失效节点；对于那些想要在大规模网络环境 下实现点播的应用来说，增加用户的数量就是增加视频服务器的负载，而服务器的负载都是有一定限 度的。此种模式的另一个缺点是容易引起骨干网( b a c k b o n en e t w o r k ) 的重负载，因为所有的客户端 都需要向服务器发送请求，大量的数据要穿越骨干网这加重了骨干网的负担。另外，这种模式下的 数据传输可能要经过很多跳数( h o p s ) ，因此容易带来较高的延迟和丢包率- 东南大学硕士学位论文 图2 - 1 集中武点播系统结构圈 代理式：在代理模式【i “”1 5 j ”下，将客户分域，并在每个客户域中部署代理服务器( 图2 - 2 ) ，客 户直接通过代理服务器获取服务。但这种模式也有不足，首先是代理服务器的存储容量有限，视频文 件通常都比较大，故代理服务器只能缓存有限个文件；其次，这种方式需要在网络多处放置代理，这 种方式虽然提高了系统扩展性，但是成本也会成倍提升：第三，这种方式仅仅是把瓶颈从中心服务器 转移到了部分代理服务器，并没有从根本上解决集中式的不足。针对不足，研究人员提出了许多改进 的方法，例如使用缓存技术缓存视频文件的部分片断，从而使被缓存的不同视频数量增多。典型的有 前缀缓存技术【l “，代理服务器保存一个视频文件开始处的若干帧i 部分缓存【l9 】技术，代理服务器只 缓存突发帧，而把其他数据留在中心服务器上，这样有助于减缓大量突发流量对广域网的影响：此外， 还有选择缓存技术，代理服务器有选择地缓存一个视频不连续的片段i l ”，这样有助于客户端“快进” 与“快退”操作。代理模式及其众多改进方法的提出减轻了骨干网的负载，并且可以减少客户播放启 动延迟。 图2 2 基于代理的视频点播系统结构图 内容分发网式：这种方式有点类似代理式，借助第三方内容分发网( c d n ) 来传送数据( 图2 3 ) 。 c d n 利用大量的服务器作缓存，例如a k a m a i l 2 0 l ，部署了1 0 0 0 0 多个服务器，用来使数据的存放尽可 能靠近客户端从而使数据传输经过的跳数尽可能少。通常，c d n 均设计了专门的协议用以在所有 服务器间分发数据，监测网络流量，将客户端引导到合适的服务器。这种方法可以有效减少骨干网的 负载和客户端的启动延迟时间。但是对于大多数c d n 提供商来说，应用c d n 是以兆字节( m b y t c s ) 使用量计费的，对于视频提供商来说，使用成本将是一个不容忽略的问题。 4 第二章视频点播系统概述 2 2 2 基于多播的模式 图2 - 3 使用c o n 的视频点播系统结构图 多播模式的基本思想是视频源服务器用同一个流连接所有客户端这通过建立多播树来实现。如 果一个发送者同时给多个接收者传输相同的数据，只需复制一份相同的数据包。它提高了数据传送效 率，减少了骨干网络出现拥塞的可能性。多播方式由于各客户端的同步性使得其更适合于视频直播。 为了在点播应用中也能使用多播方式，人们提出了多种技术。著名的有数据片修补技术( p a t c h h a g ) 及其变种口1 2 2 。其指导思想仍是多用户共用一个流。通常，在这样的系统中，源服务器根据请求每隔 一段时间建立一个多播流，使得存在多个起始时间不同的多播流s o 、s l ( 起始时间对应为t o 、t i ) 假设系统中存在一个流s l 起始于时刻t i ，节点n 于时刻t ( t 介于( t l ，t 2 ) 之间) 请求点播服务， 那么它仍将加入s i ；同时向源服务器发起一条单播链接，接收( t i ，t ) 之间的数据( p a t c h i n g ) 。在 p a t c h i n g 阶段，客户端要同时接收两条数据流，即其下行带宽要达到至少两倍流传输速率。如果节点 n 的下行带宽较高，可以在较短的时间内弥补( t 1 t o ) 之间的数据，n 甚至可以转而加入流s o ，所 以片修补有时也被称为追赶技术。多播方式下的多播树可以是网络层的( 图2 - 4 ) 也可以是应用层的 ( 图2 - 5 ) 。网络层的多播效率高，但是要求沿途路由器支持多播目前对于视频点播这样大规模的 应用并不现实。所以，实际上应用层的多播应用较为广泛，其中较为著名的有n i c e l 2 a j 、n a r a d a t 2 4 j 、 z i g z a g 盼j 。这些方法有别于传统的应用层多播，而是应用了p 2 p 的思想，在各终端节点之间建立多播 树，但是这可能会导致部分终端节点过载。例如，在图2 5 中节点p l 是p 2 和p 3 的父亲节点，它要 向p 2 、p 3 提供数据流，这就要求p l 上行带宽至少要达到两倍于流传输速率。 图2 - 4 网络层多播结构图2 - 5 应用层多播结构 5 上述几种视频点播网络模式组织方式各有不同，各有其优势与不足，但是从各种方式的思想上不 难看出，视频点播系统的设计有一个共同的目标：方案尽可能简单易行，对节点资源的需求尽可能小， 尽量不要存在单一失效节点，尽量减少对骨干网的负载，尽量保证客户端的播放效果。 2 3 视频点播系统关键技术 视频点播系统有三大关键技术，即多媒体数据压缩技术、多媒体网络传输技术和多媒体数据存储 检索技术。 2 3 1 多媒体数据压缩技术 多媒体数据压缩技术是视频点播系统的核心技术，根据压缩解压缩后的数据是否与压缩前数据 一致可将压缩方法分为两类：无损压缩和有损压缩。压缩技术的研究重点是提高数据压缩比和压缩 解压缩速度。视频压缩在数据压缩中占有重要地位，其标准主要由r r u - t 和i s o i e c 开发。1 1 u - t 发 布的标准有h 2 6 1 ，h 2 6 2 h 2 6 3 ，h 2 6 4 ，i s o 肛c 公布的m p e g 系列标准主要有m p e g l 、m p e g - 2 ， m p e g - 4 和m p e g 7 。 视频数据压缩编码方法可分为三类： 第一类考虑图像信息的统计特征，采用预测编码、变换编码、矢量量化编码、子带一小波编码、 神经网络编码等这类编码均以香农信息论为基础，例如：h 2 6 1 ，h 2 6 3 、m p e g 一1 、m p e g - 2 第二类采用基于方向滤波的图像编码、基于图像轮廓纹理编码，这充分利用人眼视觉特征，考 虑了信息接收者的主观特性，例如m p e g - 4 ”a 第三类采用分形编码、基于模型的编码，这是考虑了图像传递的景物特征，它代表着新一代压缩 编码的发展方向，是目前很活跃的一个研究领域，例如h 2 6 4 。 m p e g 标准在高压缩比的情况下，仍能保证较高质量画面，比较适合于视频点播系统的存储、点 播和网上传输。目前m p e g 已经成为工业标准，对于视频点播的产生和发展有重要作用。最新的 m p e g - 4 是一种面向对象、基于内容的压缩编码标准，它更侧重于多媒体信息内容的编码以及更注重 多媒体系统的交互性和灵活性。m p e g - 4 可以根据应用的不同要求现场配置解码器，通过引入a v 对 象( a u d i o v i s u a l o b j e c t s ) ，使更多的交互操作成为可能为视频点播技术的发展提供了广阔的平台。 2 3 2 多媒体网络传输技术 高速互联互通的网络是视频点播系统实现的有力保障。视频点播中音视频数据的时间相关性很 强，对网络的延迟特别敏感，对网络带宽和实时性要求很高。 针对音视频实时传输的特点，正t f 提出了r t p ( r e a l - t u n et r a n s p o r tp r o t o c o l ，实时数据报文) r t c p ( r e a l t i m e t r a n s p o r t c o n t r o l p r o t o c o l ，实时控制报文) 协议o “。r t p 协议位于u d p 协议之上， 在功能上独立于下面的传输层( u d p ) 和网络层，通常利用底层的u d p 协议对实时音视频数据进行 多播或单播，从而实现多点或单点音视频数据的传输。 u d p 是一种无连接的数据报投递服务，虽然没有t c p 那么可靠，并且无法保证实时音视频传输 业务的服务质量( q o s ) ，需要r t c p 实时监控数据传输和服务质量，但由于u d p 的传输延时低于t c p , 能与音频和视频流很好地匹配。因此，在实际应用中，r t p r t c p u d p 用于音视频媒体，而t c p 用 于数据和控制信令的传输。图2 - 6 表示了r t p 报头格式。 6 第二章视频点播系统概述 1 2a _ 123 5670g 12a s670 ，123 567 09 1 一- + - + + - + _ 一一+ 一一一+ 一+ _ + - + - + - - 一一一+ _ - + 一+ 巾- 一+ - - - - 1 0 - 2 i p l x l c c l h i p t is e q u e n c en u 叻e ri 一+ - + 一一+ 一一一一一+ 一一一一+ 一+ 一一一 - - 一十一+ 一一+ 一一一一一+ 一+ 一 it i m e s t a m p i is ，n c h r d n i z a t i o ns o u r c e ( s s r c ) i d e n t i f i e r i l i _ + - 1 + = = l 巾+ 1 巾- = + - = 罨+ 巾1 - i - 1 + l + - 1 ic o n t r i b u t i n gs o u r c e ( c s e c ) i d e n t i f i e r s i i i 一一一+ _ - + 一一一一- - 4 - - 一一一一一一- - t k - - 一一一+ - - 4 一+ 一一一一一一一一 图2 - 6r t p 报头示意围 r t p 协议支持用户传输具有实时特征的数据，与之配套的是r t c p 协议。r t c p 是r t p 的控制协 议，用于监视服务质量和正在进行的与会者会话信息它单独运行于底层协议之上。根据协议规定， r t p 和r t c p 选用不同的网络端口号，r t p 选择一个偶数位的端口号，而r t c p 则选用下一个奇数位 的端口号。r t c p 负责监视网络的服务质量、通信带宽以及网上传送的信息，并将这些信息组合成r t c p 报文发送给数据发送端。r t c p 报文共有5 类：s r ( 发送报告) 、r r ( 接收报告) 、s d e s ( 源描述项) 、 b y e ( 标示) 、a p p ( 应用特定函数) 。r t c p 报文格式如图2 7 所示。 123 12a s67_91234s67 9 123 56 7 8901 一4 , - - 4 - 4 m - - - 4 - - 一一+ 一- - - - - 一- 一一+ 一一- + 一一一a w - - - i k - - _ + - h e a d e ri u - 2 i p fs c l p t ll e n g t hi - - + i - - _ + - + i 1 i 1 - + - 暑+ 正+ = + _ 1 l + i + i - - + - - i - - i i 可变部分i i i i 图2 - 7r t c p 报文图 r 1 p 的主要功能如下： 1 ) 对数据传输的质量提供反馈，并提供q o s 的检测 所有的接收方把它最近的接收情况报告给所有发送者，这些信息包括所接收到数据包的最大 顺序号、丢失的包数、乱序包的数量以及用于估计传输时延的时间戳