（计算机应用技术专业论文）流媒体视频点播系统的设计与实现.pdf

中文摘要 流媒体技术作为一种新的网络媒体传输方式，很好的解决了视频数据在互联 网上酶传输阕题，并越来越广泛地应耀到视频点播系统巾。渡媒体视频点播技术 的出现，在某种意义上说是视频信息技术领域的一场革命，用户在家可以按照自 己的意愿进行远程学习、信息查询等等，极大地提高和改善了人们的生活质量和 工作效率。 本文在分析河东区职工大学在校师生对视频点播应用需求的基础上，给出流 媒体视频点播系统的整体方案，并对系统的各子模块的功能进行设计。该方案采 用浏览器服务器模式，选用高性能的服务器和磁盘阵剜构成系统硬件结构，选 用r e a i n e t w o r k s 公司的h e l i xs e r v e r9 作为系统服务程序。对于文馋传输功能， 分别对服务器端和客户端网络传输接凹进行设计，并针对视频点播系统的查询功 能设计了网络视频搜索模块。在系统的实现过程中，深入研究了流媒体视频点播 系统翡功能、a s p 网页设计技术、a d o 数据库连接技术和m ss q ls e r v e r 2 0 0 0 数 据库技术，综合利用这些技术实现开发出系统。 本论文设计实现的流媒体视频点播系统，具有技术先进、性能良好、成本低 廉的特点，毒# 常适合校园环境，实用价值较高。该流媒体服务系统的实现，为在 校广大师生提供了基于流媒体技术的服务平台，丰富了校园网信息服务内容，促 进了数字化校园建设。 关键词：流媒体视频点播b s 模式a d o 技术 a bs t r a c t s t r e a m i n gm e d i a ，a san e wi n t e r n e tt r a n s m i s s i o np a t t e r n ，s o l v e st h ep r o b l e mo f v i d e od a t at r a n s m i s s i o ni ni n t e r n e ta n di sw i d e l yu s e di nt h es y s t e mo fv o d o nt h er e q u e s to fa l lt h es t u d e n t sa n dt e a c h e r si nh e d o n ga d u l tc o l l e g e ，i nt h i s a r t i c l et h ew r i t ep u t sf o r w a r da no v e r a l lp l a no nt h es y s t e mo fs t r e a m i n gm e d i av o d a n dd e s i g n st h ed e t a i l e df u n c t i o n sf o ra l ls u b - m o d u l a t h ep l a ya d o p t sb r o w s e r s e r v e r m o d e l ，c h o o s e sf u n c t i o n a ls e r v e ra n dd i s ka r r a ya sh a r d w a r es u p p o r t ，h e l i xs e r v e r 9o f r e a l n e t w o r k sa st h es e r v i c ep r o g r a m a st ot h ef i l e - t r a n s m i s s i o n ，t h ew r i t e rd e s i g n s t h ei n t e r n e tt r a n s m i s s i o ni n t e r f a c eo ns e r v e ra n du s e r sr e s p e c t i v e l y ，a n dd e s i g n st h e s e a r c hm o d e lo ni n t e r n e tv i d e o t h ep l a ni sd e v e l o p e db yc o m p r e h e n s i v eu s i n gm a n y t e c h n o l o g i e ss u c h a ss t r e a m i n gm e d i av o d ，a s p ( w e bd e s i g n i n g ) ，a d o ( d a t a b a s e l i n k i n gt e c h n o l o g y ) ，m ss q ls e r v e r2 0 0 0a f t e rat h o r o u g hs t u d y t h i s s y s t e m i s q u i t e s u i t a b l ef o rs c h o o l sa n d p r a c t i c a l w i t ha d v a n c e d t e c h m o l o g i e s ，s a t i s f a c t o r yf u n c t i o n sa n dl o wc o s t i t sr e a l i z a t i o np r o v i d e st h et e a c h e r s a n ds t u d e n t sw i t hs e r v i c ep l a t f o r mb a s e do ns t r e a m i n gm e d i a ，i n c r e a s e st h ec a m p u s w e bi n f o r m a t i o ns e r v i c ec o n t e n t ，p r o m o t e st h eb u il d i n go fd i g i t a lc a m p u s k e y w o r d s ：s t r e a m i n gm e d i a ，v o d ，b sm o d e l ，a d o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁窒基兰或其他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。 学位论文作者躲叠tj 瓤 签字日期毒护刁年尸月j ，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：叁壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权蠢壅叁堂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，并采用影馨、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) 学位论文作者签名： 去1 颖 导师签名：呵瓦川1 孝 签字日期：d t 妒年 罗月0 签字日期：。7 年9 月p 圈 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 随着冈特网的迅速发展以及宽带技术的日趋成熟，网络视频点播在社会各行 业中的应用越来越受到人们的关注。利用互联网的传播技术优势和灵活的传播理 念来实现广播电视与互联网的强势联合、优势互补，从而占领现代传播技术的制 高点和宣传主动权，是互连网时代广播电视参与网络并赢得发展机遇的关键，也 是广播电视在互联网时代发展的必由之路。视频点播作为一种交互式多媒体通信 业务，满足了人们“想看什么就看什么，想什么时候看就什么时候看”的愿望。 它融合了互连网络和视频技术的优势，彻底改变了过去收看多媒体节目的被动方 式，采用主动请求多媒体节目，实现了多媒体节目的按需收看和任意播放，为用 户提供了实时的、交互的、按需的点播服务系统。可以说，视频点播技术的出现， 是视频信息技术领域的一场革命。 目前，在网络上传输视音频等多媒体信息通常有两种方式：下载方式和流式 传输。在采用下载方式时，用户不可避免的面临两个问题：客户端的存储容量和 播放启动延时的大小。由于视音频信息的容量一般都比较大，所以需要的存储空 间也会相应较大，同时由于网络带宽的限制，下载视音频数据常常要花费大量时 间，所以这种方式延迟也很大。而采用流式传输时，声音、影像或动画等时基媒 体由音视频服务器向用户计算机的连续、实时传送，用户不必等到整个文件全部 下载完毕，而只需经过几秒或数十秒的启动延时即可进行观看。当声音等时基媒 体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。流式不仅 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。流式传输避免了 用户必须等待整个文件全部从互联网上下载才能观看的缺点，节约了时问和存储 空间。 流媒体指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体。流媒体在初创时期， 最引人注目的应用是用于提高公司对客户进行技术支持的服务质量上。公司可以 借助流媒体技术的应用，将内部通讯、业务培训等活动通过企业内部网络开展起 来，节约了大量资金。流媒体内容还可以添加到w e b 网站上，使技术咨询变得 更加形象、更加生动。 流媒体技术广泛应用到互联网多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、网络 天津大学硕士学位论文 第章绪论 视频广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、网络电视台、 实时视频会议等互联网的信息服务领域。流媒体技术的应用将为网络信息交流带 来革命性的变化，对人们的工作和生活产生深远的影响。网站巨头y a h o o 公司的 创始人杨志远曾预言：“鉴于宽带网络用户的增加，企业高度重视流媒体的时候 到了。我们相信，通过网络传播多媒体信息的条件已经成熟，流媒体技术腾飞的 时刻即将到来”l jj 。 虽然目前网上的视频播放的效果，画面大小还不如人意，但其发展势头非常 迅猛，与几年前相比已有了长足的进步。而自动根据网络的速度传输相应图像的 流媒体技术的普及应用，将促进视频点播应用的发展。 1 2 课题的研究现状 目前，世界各国都在研究开发提供视频点播的实验和服务。在砸洲，韩国的 k t 公司己经推出了其视频点播业务。日本的n e c 等公司开发了大型的视频服务 器，并在东京地区建设了大规模的视频点播实验平台。在我国，从上世纪9 0 年 代开始，就有很多研究开发单位着手进行视频点播实验和开发。进入2 l 世纪， 全国大部分省会城市及经济发达地区相继开展了视频点播业务。 与此同时，各种小型的视频点播在我国也飞速发展，基于小型服务器和局域 网环境的公司培训用的视频点播系统，旅馆娱乐用的视频点播系统，学校教学用 的视频点播系统都己大量出现，尽管这些系统目前尚有不少缺陷和使用的局限 性，但它毕竟标志着视频点播系统己经走近了我们的日常生活。 由于视频点播系统v o d 具有广泛的应用前景和显著的经济、社会效益，有 实力的公司和研究机构都加大投资力度开发v o d 产品。v o d 产品可分为两类， 其一是以计算机硬件和电视技术为基础的视频服务器系统，其二是基于网络的 v o d 软件系纠2 | 。目前，国外比较著名的视频服务器产品主要有：n c u b e 公司的 m e d i a c u b e ，f v c 的v - c a c h e ，s g i 的c h a l e n g e 等。它们主要从硬件体系结构上对 服务器进行专门设计，再配以适当的管理软件或专有的操作系统实现对硬件的管 理。从软件角度实现的系统有o r a c l e 的o v s 系统、c i s c o 的i p 厂r v ，r e a l n e t w o r k 的 r e a l s y s t e m 等。 1 3 本文主要工作及内容安排 流媒体技术有着良好的应用前景，尤其是在网络基础设施完善的校园环境 下，更有着广阔的应用空间。如何利用流媒体技术针对校园实际需求，设计并实 天津人学硕士学位论文第一章绪论 现具有实用价值的流媒体视频点播系统，就成为本论文的研究内容。具体研究工 作如下： 1 深入研究、分析视频点播技术，确定实现视频点播系统需要完成的主要 功能。 2 研究并分析流媒体技术的特点、原理、关键技术。 3 流媒体服务器是整个视频点播系统系统的核心，研究如何构建一个流媒 体服务器，并对服务器和客户端网络传输接口进行设计。 4 使用a s p 网页设计技术及a d o 连接数据库技术实现动态网站的开发。 本论文具体章繁安排如下： 第一章绪论： 主要介绍本课题的研究背景和意义，国内外的研究现状以及本课题所做的工 作。 第二章流媒体视频点播技术概述： 主要介绍流媒体和视频点播技术的相关理论。 第三章流媒体视频点播系统的设计： 本章是全文的蓬点，根据第二章的相关理论，麸视频点攘系统的组成入手， 首先对服务器端即流媒体服务器、w e b 服务器、数据库服务器进行设计和架构， 其次分别针对服务器端和客户端的网络通信接口进行设计，实现文件传输功能， 最后介绍了视频点播系统视频检索模块的实现原理。 第四章流媒体视频点播系统酶实现： 在第三章设计的基础上，使用a s p 和a d o 等相关技术实现了一个基于流媒 体的网络视频点播系统。 第五章总结与展望 天津大学硕l j 学位论文第幸流媒体视频点播技术概述 第二章流媒体视频点播技术概述 2 1 流媒体相关技术 2 1 1 流媒体和流媒体技术 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体， 如音频、视频和其它多媒体文件【3 1 。流媒体技术一般指的是把连续的影像和声音 信息经过压缩处理后放在流媒体服务器上，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视频音频传输、编解码 技术。流媒体技术不是单一的技术，它是建立在很多基础技术之上的技术。它的 基础技术包括：网络通信、流媒体数据采集、流媒体数据压缩、流媒体数据存储、 流媒体数据传输和流媒体播放。 2 1 2 流媒体的技术特征 流媒体的主要技术特征就是采用流式传输，即通过网络将流媒体内容传送到 客户机。实现流式传输有两种方法：顺序流式传输( 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 ) 1 4 j 。 1 顺序流式传输 顺序流式传输是顺序下载，用户可以观看在线媒体。但是在给定时刻，用户 只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的前序部分。它不能根据用户的 连接速度做调整。由于标准的h t t p 服务器可发送这种形式的文件，而不需要其 他特殊协议，它经常被称作h 1 v r p 流式传输。顺序流式传输不适合长片段和有随 机访问要求的视频、讲座、演说与演示。 2 实时流式传输 与h t t p 流式传输不同，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，用户可快进或后退以观 着前面或后面的内容。理论上，实时流一经播放就可不停地收看，但实际上，可 能会因为延迟而发生暂停。 天津大学硕j j 学位论文第一章流媒体视频点播技术概述 2 1 3 流媒体技术相关协议5 1 1 实时传输协议r t p 实时传输协议r t p 被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的 是提供时间信息和实现流同步，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 e 。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， 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。 2 实时传输控制协议l 汀c p 实时传输控制协议r t c p 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务。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 包中含有己发送的数据包的 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。 3 实时流协议r t s p 实时流协议r t s p 定义了一对多应用程序如何有效地通过i p 网络传送多媒 体数据。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t c p 或r t p 完成 数据传输。h t t p 与r t s p 相比，h 1 v r p 传送h t m l 超链接文档，而r t s p 传送 的是多媒体数据。h t t p 请求由客户机发出，服务器做出响应。使用r t s p 时， 客户机和服务器都可以发出请求，即r t s p 可以是双向的。 4 资源预订协议r s v p 由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网络中传输高 质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需其他更多的条件。r s v p 是英文 r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l 的缩写，翻译成中文就是资源预留协议，它可以让 流数据的接收者主动请求数据流路径上的路由器，为该数据流保留一定资源( 即 带宽) ，从而保证一定的服务质量。 2 1 4 流媒体文件和发布格式 使用w i n d o w s 操作系统的用户观看网上流媒体节e l 时，后缀名一般是呻、 a s f 、w m v 等，这些就是流媒体的格式。流媒体文件格式经过特殊编码，不仅采 用较高的压缩比，还加入了许多控制信息，使其适合在网络上边下载边播放，而 不是等到下载完整个文件才能播放。 天津大学硕士学位论文第_ 章流媒体视频点播技术概述 常见的流媒体格式7 i 如表2 1 所示。 表2 1 常见流媒体格式 媒体类型名称 a d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t ( m ic r o s o f t ) r e a lv i d e o a u d i o 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) r e a la u d i o 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) r e a lp i x 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) r e a lt e x t 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) s h o c kw a v ef l a s h ( m a c r o m e d i a ) q u i c k t i m e ( a p p l e 公司格式) v i v om o v i e 文件( v i v os o f t w a r e ) 另外还有一个w m v 格式，是w i n d o w sm e d i av i d e o 的简称，它与a s f 文件有 稍许区别，w m v 一般采用w i n d o wm e d i av i d e o a u d i o 格式，a s f 视频部分一般采 用m i c r o s o f tm p g 4v ( 3 2 ! ) 格式，音频部分采用w i n d o w sm e d i aa u d i ov 2 1 格式， 不过现在很多制作软件都没有把它们分开，所以直接更改后缀名就能够互相转换 为对方格式。 制作完成的流媒体文件需要发布到网络上才能够被别人使用，这就需要以特 定方式安排压缩好的流媒体文件，而安排流媒体文件的格式就被成为流媒体发布 格式。常见的发布格式1 7 j 如表2 2 所示。 表2 2 常见流媒体发布格式 流媒体发布格式名称 a d v a n c e ds t r e a min gf o r m a t r a mf i l e a s fs t r e a mr e d i r e c t o r a s f 流转向器文件 e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e m p e g 4 是当前研究的焦点，因为它能够在大的压缩比下实现近似d v d 品质 的视频和音频效果，这也是许多人认为m p e g 4 格式肯定比n n 清晰的原因。但事 实上并不是如此，m p e g ：4 只是一种视频编码技术，它的清晰度也根据压缩时所 选择的码率的不同有较大的改变( 我们见到的m p e g - 4 格式文件通常为5 0 0 k b p s 压缩生成，具有相当高的质量) ，并且，m p e g 4 还有多种压缩标准，如m i c r o s o f t 耐 m m 印 n 刚 删 小 天津大学硕士学位论文第_ 章流媒体视频点播技术概述 的a s 觎频部分就是基于m p e g 4 的d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o n n ( d c t ) ，另外还有 d i v x 的免费m p e g 4 版本i 引。至于音频部分，更是混乱，m i c r o s o f t 采用w i n d o w s m e d i aa u d i ov 2 1 ，d i v x 采用m p 3 或者更高质量的a c 3 等。相比而言，r e a l 或者 a p p l e 的格式使用的是自己开发的编码，在相同码率，特别是低码率下，不见得 就l 匕m p e g 4 差，采取高码率的咖格式照样清晰可见。而且，最新的h e l i xp r o d u c e r 中的r e a lv i d e o9 采用v p 5 压缩格式进行编码，这可比d i v x 优秀多了 不过，流媒体服务器开始向m p e g 4 格式靠拢是不争的事实，r e a l 最新的 h e l i x 就开始支持m p 4 格式文件的服务，而r e a l o n ep l a y e r 更是只需安装一个插 件便可实现m p e g - 4 格式的播放。 2 1 5 流式传输的实现过程 首先，多媒体数据必须进行预处理才适合流式传输。预处理包括采用先进高 效的压缩算法，把音视频数据预处理成流媒体以适合流式传输，同时也适应网 络带宽对流媒体的数据流量的要求。 其次，流式传输的实现需要缓存。因为一个实时视音频源或存储的视音频文 件在传输中被分解为许多数据包，而网络又是动态变化的，各个数据包选择的路 由可能不相同，故到达客户端的时延也就不同，甚至先发的数据包有可能后到。 为此，需要使用缓存系统来消除时延和抖动的影响，以保证数据包顺序的正确， 从而使媒体数据能够连续输出。通常高速缓存所需容量并不大，因为通过丢弃已 经播放的内容可以重新利用空出的空间来缓存后续尚未播放的内容。 最后，流式传输的实现需要合适的传输协议。在流式传输的实现方案中，一 般采用h t t p t c p 来传输控制信息，而用实时传输协议用户数据报协议 ( r t p u d p ) 来传输实时数据。 流式传输的过程一般如下： 1 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： 2 w e b 浏览器启动音视频客户程序，使用h t t p 从w e b 服务器检索相关参 数来对视音频客户程序初始化，这些参数可能包括目录信息、视音频数据的编码 类型或与视音频检索相关的服务器地址： 3 视音频客户程序及音视频服务器运行实时流传输协议，以交换音视频传 输所需的控制信息，实时流传输协议提供执行播放、快进、快倒、暂停及录制等 命令的方法； 4 视音频服务器使用r t p u d p 协议将视音频数据传输给视音频客户程序， 一旦视音频数据抵达客户端，视音频客户程序即可播放输出。 天津大学硕! l j 学位论文 第二章流媒体视频点播技术概述 流式传输实现原理如图2 1 所示。 2 2 视频点播系统的构成 图2 1 流式传输实现原理图 视频点播，i n v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) ，是指按需服务的视频流播放【l 引。v o d 技术使人们可以根据自己的兴趣，不用借助录像机、影碟机、有线电视而在电脑 或电视上自由地点播节目库中的视频节目和信息，是可以对视频节目内容进行自 由选择的交互式系统。视频点播的应用，丰富了人们的工作、学习和文化生活， 拓宽了流媒体应用的范围。随着计算机网络的普及以及流媒体技术的发展，在宽 带网络上实现高质量视频点播已成为新的发展趋势。 一般情况下，一个视频点播系统主要由几部分构成：服务器端系统、网络通 信系统、客户端浏览器端系统。系统结构1 1 4 j 如图2 2 所示。 服务器端系统网络通信系统客户端浏览器 图2 2 视频点播系统的结构 视频点播系统的一般工作过程为：在客户端，用户通过网络发出通信呼叫， 向服务器发出连接请求。该请求到达并被服务器的网卡接收，传给服务器。经过 请求验收后，服务器把存储予系统的节目名单准备好，并在用户屏幕上显示可点 播的节目单。用户选择需要点播的节目后，服务器从存储子系统中取出节目内容 天津大学硕j j 学位论文第二章流媒体视频点播技术概述 的视频数据流。通过高速传输网络传送到客户端，然后在客户端进行播放。下面 对v o d 系统的各构成部分作简要介绍。 2 2 1 服务器端系统 服务器端系统通常主要南视频服务器、信息管理调度服务器、内部通信子系 统和网络通信接口组成【1 5 】。 信息管理调度服务器主要包括：用户信息管理子系统、计费子系统、多媒体 材料管理子系统和安全保密子系统。 内部通信子系统主要完成服务器间信息的传递、后台多媒体资料和数据的交 换。 网络通信接口主要实现与外部网络的数据交换和提供用户访问的接口。 视频服务器主要由存储设备、高速缓存和控制管理单元组成，其目标是实现 对媒体数据的压缩和存储，以及按请求进行媒体信息的检索和传输。 视频服务器与传统的数据服务器有许多显著的不同，需要增加许多专用的软 硬件功能设备，以支持该业务的特殊需求。例如：媒体数据检索、信息流的实时 传输以及信息的加密和解密等。对于交互式的v o d 系统来说，服务端系统还需 要实现对用户实时请求的处理、访问许可控制、v c r ( v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r ) 功 能( 如，快进、暂停、重放等) 的模拟。 2 2 2 网络通信系统 网络通信系统负责视频信息流的实时传输，包括主干网络和本地网络两部 分。因为它负责视频信息流的实时传输，所以是影响连续媒体网络服务系统性能 极为关键的部分。同时，媒体服务系统的网络部分投资巨大，故而在设计时不仅 要考虑当前的媒体应用对高带宽的需求，而且还要考虑将来发展的需要和向后的 兼容性1 1 川。当前，可用于建立这种服务系统的网络物理介质主要是：c a t v ( 有 线电视) 的同轴电缆、光纤和双绞线。而采用的网络技术主要是：快速以太网、 f d d i 和a t m 技术【16 1 。 2 2 3 客户端浏览器系统 客户端系统是用户与服务器建立连接并进行交互操作的平台，需要一定的终 端设备来实现。在实际v o d 系统中，可以采用电视机加机顶盒或者计算机作为 用户终端实现。在客户终端系统中，除了涉及相关的硬件问题外，还需要处理与 之相关的各种软件技术问题。例如，为了满足用户的多媒体交互需求，客户系统 天津大学硕士学位论文第二章流媒体视频点播技术概述 的界而必须加以改造。此外，在进行连续媒体播放时，媒体流的缓冲管理、音频 与视频数据的同步、网络中断与播放中断的协调等问题都需要进行充分的考虑。 2 3 视频点播的关键技术 视频点播系统是一个复杂的系统，是随着计算机技术( 特别是多媒体数据压 缩解压缩技术) 和网络通信技术的发展，综合了计算机、网络通信、电视技术而 迅速兴起的一门综合性技术。概括来讲主要有三大关键技术，即多媒体数据压缩 技术、多媒体网络传输技术、多媒体数据库技术m 。下面对它们进行简要介绍。 2 3 1 多媒体数据压缩技术 多媒体数据压缩技术是多媒体技术中最为关键的核心技术，其研究内容包 括：数据压缩比、压缩解压缩速度以及简捷快速的压缩算法。以压缩解压缩后 的数据是否与压缩前的原始数据完全一致作为标准，可将数据压缩方法划分为无 失真压缩( 可逆压缩) 和有失真压缩( 不可逆压缩) 两类。 主要的视频压缩标准有h 2 6 1 ，j p e g 和m p e g 等。m p e g 标准是一种在高压缩 比的情况下，仍能保证高质量画面的压缩算法，最适于视频v o d 的存储、点播 和网上传输。m p e g 压缩技术，作为一种压缩标准，促进了多媒体相关技术的发 展，对于v o d 这样的应用系统的产生和发展有重要作用1 1 引。 2 3 2 多媒体网络传输技术 高速接入网和高速互联互通的传输网为v o d 系统的实现提供了强有力的保 障。v o d 中的视音频数据时间相关性很强，对网络传输的延迟特别敏感，带宽 和实时性要求尤为突出【9 1 。因此，应保证在任意的网络交换能力下提供给用户可 靠稳定的带宽及高传输速率，具备合理动态分配网络带宽以适应多媒体数据高速 率和突发性传输的要求，以保证实现高质量、平滑和动态视频的多媒体数据流传 输。 2 3 3 多媒体数据库技术 由于多媒体的数据量非常巨大，所以随着应用的扩展，系统会积累大量的多 媒体数据，v o d 的数据库管理系统必须保证用户能迅速方便地找到所需的多媒 体，有效地完成对多媒体的各种管理任务。v o d 系统的结构设计直接影响着系 统性能，因此在v o d 系统的结构设计中必须采用优化策略，可以利用数宁图书 天津大学硕上学位论文第_ 章流媒体视频点播技术概述 ，馆技术，其基本原理是多媒体存储部分与系统管理、检索等信息处理部分在逻辑 上分开实现，以提供清晰的逻辑，其优点首先是易于用户理解、操作和使用【1 9 】； 其次，利于全球系统设计、规划和实现，同时便于系统维护和管理，而且可以在 构建系统时，可选择不同的配置以实现系统的高性能，提高多用户并发访问的效 率。 2 4 小结 本章主要介绍了视频点播和流媒体的相关技术概述。 流媒体是随着网络通信技术的发展，为了满足人们对网络视频要求越来越高 而产生的一种应用技术。值得强调的一点是，流媒体并不是一种新的媒体格式， 而只是一种新的媒体传输方式。流媒体技术包括两种传输方式：实时流式传输和 顺序流式传输。两种传输方式各有自己的优势，在实际应用中可以根据应用场景 来选择传输方式。最后给出了流媒体传输过程的一般流程。 视频点播是二十世纪9 0 年代发展起来的一项应用技术，就是根据观众的要 求播放多媒体节目的系统。视频点播是随着计算机技术( 特别是多媒体数据压缩 解压缩技术) 和网络通信技术的发展，综合了计算机技术、网络通信技术、电视 技术而迅速兴起的一门综合性技术。 天津大学硕士学位论文第三章视频点播系统的设计 第三章视频点播系统的设计 3 1 系统设计指导思想 在良好的校园网络条件下，充分利用先进的流媒体及相关技术，结合校园环 境应用需求，设计并实现一个流媒体视频点播系统，为在校广大师生提供基于流 媒体技术的服务平台，丰富校园网信息服务内容，促进数字化校园建设。 在系统方案设计中坚持如下原则：技术先进，协议标准，性能良好，实用性 强，结构灵活，易于扩展，设计简单，成本较低。 本系统的设计思路是首先构建服务器端，因为服务器端是整个系统的核心， 只有在服务器的支持下才能完成后续功能的设计和实现，所以本系统分别对流媒 体服务器、w e b 服务器、数据库服务器进行设计架构；其次根据视频点播系统的 组成，分别对服务器端和客户端网络接口模块进行设计，为视频点播系统的实现 提供良好的网络支持；最后根据流媒体技术的适用方向，结合校园环境特点，实 现了视频点播系统。 3 2 视频点播系统工作原理 结合校园视频点播系统开发的特点，比较适合采用浏览器n 务器模式，即 b s 模式。客户端只要能上网即可以观看视频，系统灵活开放。这样处理，即可 充分发挥点播系统的优越性，又不需要使用者有专业的知识或者熟悉软件的使 用。 基于b s 结构的视频点播系统的工作原理1 2 l j 是当客户机需要点播节目时，首 先使用浏览器访问w e b 服务器，由w 曲服务器返回节目的u r l ，然后客户机肩动流 媒体播放器，按照获得的节目u r l 发起请求，流媒体服务器接受请求并发送流媒 体数据，最后在客户机的媒体播放器上进行播放，完成一次视频点播过程。在整 个工作流程中，一般还要完成身份认证、访问控制等必要步骤。w e b 服务器通常 与数据库服务器协作，由数据库服务器完成信息存储、数据查询等工作，降低 w 曲服务器的压力。 天津大学硕士学位论文 第三章视频点播系统的设计 3 3 视频点播系统结构及设计 视频点播系统由流媒体服务器、w e b 服务器、数据库服务器三部分组成【2 6 】， 如图3 1 所示。 3 3 1 流媒体服务器 图3 1 视频点播系统架构 流媒体服务器是视频点播系统的核心服务器，其主要功能有：存储视频节目、 响应用户点播请求、提供稳定的视频流、响应用户在点播过程中的交互、进行内 容访问控制。流媒体服务器要求具有强大的并发处理能力、与网络和磁盘i 0 匹 配的i 0 吞吐能力。流媒体服务器的技术和性能决定着整个系统的技术先进性和 服务性弘引。 流媒体服务器要完成的工作包括： 1 当收到网络通信接口模块发来的为客户服务的消息( 包括客户的地址) 后， 流媒体服务器从媒体存储器上读取相应的节目发送到给定的用户； 2 一旦开始向某一特定客户发送数据，流媒体服务器就直接与客户交互， 当收到暂停和继续播放时，完成相应的操作； 3 当收到断开连接时，必须与给定的用户断开，然后关闭此进程，并且将 此情况告诉给网络通信接口模块。 本文构建的流媒体服务器是以在校校园网用户为服务对象，提供视频点播服 务。由服务器主机、存储系统和流媒体服务软件三部分组成。 1 服务器主机 服务器主机性能是衡量一个流媒体服务系统的重要指标，选择运行稳定并拥 有足够的带宽的服务器主机是流媒体服务系统的关键。网络带宽是网络中的瓶颈 天津大学硕l j 学位论文第三章视频点播系统的设计 资源，网络可以同时支持的最大并发用户数与网络带宽视频流的带宽是密切相关 的。网络带宽可根据公式计算：网络带宽= 每k b p s 数据速率幸最大流数 依据以上公式，在校校园网联网计算机3 2 0 多台，平均在线约2 0 0 台，按 照2 0 的计算机同时进行视频点播的概率估算，流媒体服务器至少要具有支持 2 0 0 * 2 0 = 4 0 个并发流的能力。流媒体文件一般都是高清晰度的视频文件，平均 编码率为5 0 0 k b p s ，按照4 0 并发流来估算，那么流媒体服务器必须要有 4 0 * 5 0 0 k b p s = 2 0 0 m b p s 以上的网络连接带宽。 通过以上分析，选用主流技术的中档l a 架构的服务器即可满足c p u 、内存、 i o 总线、网卡这几部分的要求。具体来说，选用配有2 个主频大于2 8 g h z 的 处理器、大于l g b 内存、2 块千兆网卡的服务器。使用多网卡是为了均衡流量， 其中一个网卡专用来向客户端提供流媒体，另一个网卡专门负责远程管理、监视、 复制，从编码服务器获得数据流，以及流的分发，使得当客户网段流量出现饱和 时，不会影响到对服务器的远程管理。 根据以上分析本系统服务器主机选用高性价比的d e l lp o w e r e d g e2 8 0 0 服务 器，技术规格如表3 1 所示。 表3 1 服务器主机技术规格表 部件规格 处理器 内存 s c s i 控制器 硬盘 网络接口卡 双i n t e lx e o n3 o g h z ，i m 缓存，8 0 0 m h z 前端总线，e m 6 4 t 2 g b ( 2 1 0 2 4 ) d d r - 24 0 0 删ze c cs c r a m 集成双通道u lt r a3 2 0s c s i 控制器 1 4 6 g bu l t r a 3 2 0s c s i ( 1 5 kr p m ，8 0 p i n ) 双i n t e l 千兆网忙，铜缆接口 2 存储系统 流媒体服务器中存储的课件、电影等各种视频文件数量很大，所以需要的存 储空间相对较大。考虑到文件系统本身的开销和系统容错，实际的容量需求会更 多。大容量的数据存储系统是基本的要求，更需要系统具有良好的容错性能，并 具有足够的稳定性，在发生部分数据错误时，系统可以在线恢复和重建数据，而 不至于影响系统的正常运行。 通过以上分析，本系统选择d a s 结构的r a i d 磁盘阵列技术来构建存储系 统。这是一种传统而有效的扩大存储容量、提高存取速率、提供数据保护的技术， 性价比高，可以很好地满足上文提出的要求。根据r a i d 的技术规范，r a i d0 技 术是最快和最有效的磁盘阵列类型，但没有容错功能，r a i d1 0 技术成本太高， 天津大学硕士学位论文第三章视频点播系统的设计 磁盘利用率只有5 0 1 6 】综合考虑数据安全性、成本和性能，本系统选择r a i d 5 技术来规划个磁盘阵列。服务器中存储的流媒体文件多为大尺寸文件，一般为 1 5 0 m b 一4 0 0 m b ，所以在规划磁盘阵列时应该使用较大的阵列条带以降低i o p s 值提高性能。阵列条带应在6 4 k b 以上为佳。磁盘阵列的硬盘选择转速为 1 0 k r p m 以上、u l t r a 3 2 0 s c s i 接口的大容量硬盘。 根据以上分析选用d e l lp o w e r v a u h2 2 x s 磁盘阵列，它以低廉的价格提供了 高性能s c s i 直接附加存储。p o w e r v a u l t2 2 x s 经过专门设计和测试能够与戴尔 p o w e r e d g e 服务器无缝集成，再结合p e r cr a i d k 卡与管理软件，形成了一套 完整的存储解决方案。存储系统还需要在服务器中插入一块r a i d 卡，以实现对 磁盘阵列的配置和控制，本方案设计中选用d e l lp e r c4 d cr a i d 卡。存储系统 的实现，是在磁盘阵列中插入1 0 块m a x l o r1 4 6 g b 硬盘，通过r a i d 卡配置成 r a i d5 阵列，构成一个存储容量为】3 t b 的存储系统。 3 流媒体服务器软件选型 流媒体服务器应该与多种媒体播放器兼容，所以必须支持m m s ，h t t p r t s p 等多种控制协议。r e a l n e t w o r k s 公司系列产品是最早的流媒体应用系统，也是世 界领先和成功的阿上流式视音频解决方案的提供者，提供从审作端、服务器端到 客户端的所有产品。率系统采用的h e l i xs e r v e r 9 是日前r e a l n e t w o r k s 公司最新 的服务端软件。使用h e l i xs e r v e r 9 配置加载点如图3 - 2 所示。 配景加筏点 刀口女i 矗岔目# ；n r n c a c h el o ih 1 es y s t e mr o d r e a l s y s t e mc o n t e n tm j 口r e a i l s y s t e ms i e c u r e _ c o n t e n t 篓 e ：l 擐点蘑h o d 0 t a $ ；” “：= g 月 y e s v ! q # m * # t # 目h 日m 目3 - 2h e l i xs m 9 配置加裁点幽 玉夏叵 天津大学硕士学位论文第三章视频点播系统的设计 3 3 2w e b 服务器 w e b 服务器的功能是通过网站的形式为用户提供一个良好的界面，方便用户 访问存储在流媒体服务器上的视频节目。本系统w 曲服务器主机选用一台d e l l p o w e r e d g e2 8 5 0 服务器，操作系统为w i n d o w ss e r v e r2 0 0 3 企业版，安装i i s 6 0 组件以提供w e b 服务。网站程序使用a s p 技术开发，界面友好，安全稳定，执行 效率高。通过在网页显示的节目信息中包含节目的u f u l ，如m m s ： r o d n e a u ，e d u c n v o d f i l e n a t n e w m v ，就可以让用户直接点击该链接来实现点播， 网站设计支持在打开的网页中嵌入媒体播放器，直接播放流媒体节目，在网页中 嵌入r e a i p l a y 播放器语法如下】，其中r e a i p l a y 播放器的c l a s s i d 为“c l s i d ： c f c d a a 0 3 8 b e 4 1 lc f b 8 4 b 0 0 2 0 a f b b c c f a ”。 结合实际需要，网站设计主要实现以下功能： 1 视频节目的上传与管理 2 视频节目的搜索与流式发布 3 用户注册与权限管理 4 视频节目和用户使用情况的查询和统计 因此，本网站功能主要分为以下几个模块：会员管理模块，视频管理模块， 查询管理模块，系统管理模块。 1 会员管理模块 该部分功能对用户的注册资料进行管理，包含了用户注册、用户登录、用户 注销等部分。 2 视频管理模块 该部分功能包括： 添加视频：通过该功能，管理员可以把视频添加到数据库中，说明视频的类 型，播放时间，视频简介等； 修改视频：管理员可以更改视频名称、视频类型、视频等级、主讲等； 视频上传管理：该部分是管理员对上传的视频进行管理。 3 查询管理模块 天津大学硕士学位论文第三章视频点播系统的设计 该部分功能包括：