（计算机系统结构专业论文）分布式视频多播系统的研究与实现.pdf

摘要 视频流网络传输是多媒体网络教学系统的一个重要组成部分。本文即是针对这 种基于t c p i p 协议的视频流网络传输教学模式的研究与实践。 本系统基于流媒体技术原理设计，采用分布式c s 体系结构，实现了服务器 端对客户端的媒体播放控制和管理控制。系统采用组播的数据传输方式，使视频 数据得到高效的网络分发，并有效的节约了网络带宽。 系统包括了缓冲区管理、事件管理、同步控制以及异步过滤器等几个重要模 块。缓冲区采用内存循环使用的方式；定时器的设计，使得系统可以有条不紊的 进行事件处理；同步控制模块采取定时调节的控制方法；异步过滤器支持m p e g 1 和m p e g 2 格式的视频流式播放。 本文提出一个视频流发送速率的有效控制和调节方案。该方案通过服务器端 对客户端缓冲区数据接收情况的模拟，动态调整发送速率，实现了对传输延迟要 求和播放质量要求间的权衡。该方案控制简单，稳定性好。 关键词：流媒体，多媒体网络教学，视频流系统，i p 多播，流控技术 a b s t r a c t t h et r a n s m i s s i o no fv i d e os t r e a mb a s e do nt e a c h e rc o n t r o li sa l li m p o a a n tp a r to f m u l t i m e d i al e a r n i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ev i d e o s t r e a mt r a n s m i s s i o nf o rm u l t i m e d i al e a r n i n gs y s t e m t h ev i d e os t r e a mt r a n s m i s s i o n s y s t e m i sb a s e do nm u l t i m e d i a s t r e a m i n g t e c h n o l o g y t h es y s t e m i sac l i e n t s e r v e rs y s t e m i ti m p l e m e n t e dt h em e d i ap l a y c o n t r o la n d m a n a g e m e n tc o n t r o lb y s e r v e rs t a t i o nt oc l i e n ts t a t i o n s u c c e s s f u l l y m u l t i c a s tt e c h n o l o g yi sa d o p t e da st h ed a t at r a n s m i s s i o nm e t h o d ，w h i c hc a nd i s t r i b u t e v i d e od a t ae f f i c i e n t l ya n du s et h en e t w o r kb a n de c o n o m i c a l l y t h es y s t e mi sc o m p o s e do ft h ef o l l o w i n gs e c t i o n ：b u f f e rm a n a g e m e n t ，e v e n t m a n a g e m e n t ，s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la n da s y n c h r o n i s mf i l t e r t h eb u f f e rm a n a g e m e n t s e c t i o na d o p t e dm e m o r yc i r c l et e c h n o l o g y b yu s i n gt i m e r , i tc a nm a k e st h es y s t e mt o p r o c e s se v e n t si naw e l l o r d e r e dw a y i nt h es y n c h r o n i s ms e c t i o n ，s y n c h r o n i s mm e s s a g e i ss e n tb ys e r v e rs t a t i o na n dr e c e i v e db yc l i e n t ，a n da d j u s tt h em e s s a g ei n p h a s ei nt h e s a m et i m e a s y n c h r o n i s mf i l t e ri su s e dt os u p p o r tt h ep l a yo fm p e g - 1a n dm p e g 一2 m e d i ad a t a t h i sp a p e rp r o p o s e sa ne f f e c t i v es c h e m et oc o n t r o la n da d j u s to ft h es p e e do fv i d e o s t r e a md a t at r a n s m i s s i o n t h es c h e m ed y n a m i c a l l ya d j u s t st h es e n d i n gr a t ea c c o r d i n gt o t h eb u f f e r s u s a g es i t u a t i o no fc l i e n ts t a t i o ns i m u l a t e db ys e r v e rs t a t i o nt h a t m a k e s b a l a n c eb e t w e e nl o wt r a n s m i s s i o nd e l a ya n dh i g hp l a yq u a l i t y t h ef l o wc o n t r o ls c h e m e i so fh i g hs t a b i l i t ya n di so fs i m p l ec o n t r o l l a b i l i t y k e yw o r d s ：s t r e a m i n gm e d i a ，m u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n g ，v i d e os t r e a m i n g s y s t e m ，i pm u l t i c a s t ，f l o wc o n t r o l 创新性声明 y i o o l o l 8 本人声明所呈交的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。除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得诬安电子科技大学或其他教育 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贞 献均已在论文中做了明确的说明并表示了感谢。 本人签名： 旋斋苍 日期：坦兰：至 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在2 年解密后适用本授权书。 本人签名：鳖 导师签名： 皂 墨l 一 1 日期：三! 兰! ! ：! j 日期：堡! ；毛：! 兰 前言 一、多媒体网络教学支撑环境 多媒体网络教学是一种新兴的教学模式，它把不断发展的多媒体技术和网络 技术同传统的教学相结合，产生种有效、迅捷i i i i 又不受空间限制的教学方式， 而且还可以节省大量的师资力量具有图文并茂、信息共享与远程教学等特点。 它提供了一种易于协作学习、可视化的教学环境能有效地激发学生的学习兴趣 和创新意识。一个老师可以同时给多个班级讲授课程学生也可以选择接收不同 老师的讲课内容，并且在需要的时候可以重现老师的讲课内容。正因为多媒体网 络教学的诸多优点，现在已经有越来越多的力量投入到多媒体网络教学支撑环境 的研究中。 在世界教育界有一个人们关注的焦点：c t l l 3 1 ( c o m p u t e r i n t e a c h i n gi n i t i a t i v e ： 计算机用于教学创新) ，它是英国干1 9 5 9 年设立的、旨在对英国高等院校的教学 进行重大革新的项目，其目标是计算机、多媒体与远程通信技术的结合实现对高 等院校所有学科从教学模式、内容等组织形式的彻底变革。多媒体技术和网络技 术结合而成的多媒体网络系统具有图文并茂，信息共享与通讯等特点，把电视机 所具有的视听合一功能与计算机同的人机交互、立b p 反馈、远程通讯功能结合起 来，提供了一种易于协作学习靛、可视他的教学环境，能有效地激发学生的兴趣 和创新意识这种全新的多样化的教学模式大致可以分为以下几种： 1 ) 网络通信学习模式 网络通信学习模式是通过计算机局域网及利用专用硬件进行信息传输的多媒 体教学系统来进行教学的。在这种环境下教师的指导主要是通过教师机的屏幕 搔放功能来完成的。教师可将自己f 勺屏幕上示敦的厕面、声爵广播给学生，并通 过耳机和麦克风与学生交谈：可在自己的屏幕t 移动。敦鞭”引导学生观看重点 内容，也可远程控制某学生机，使之按指定的步骤操作。这样可将汁算机演示、 教嘲指导和学生操练融为一体，从而有放的组织教学，实现科学的教学管理。 2 ) 开放式教学模式 鞋开放式教学模式下。教学小饥跟j ：学校之内。n r n ：联h 的坫础h 冬 e 会、 家庭、学校紧密结合起米，实现i l 会，一体化教育。敫学内存1 ：冉j r d 毗j ：敦科j f 5 学鱼可通过教育网、i n t e r n e t 等接受知i j ：n ：敦。新【织形式卜，突破学段年级、 班级为单位的授课形式，实现交f i 式氍体合作j 个圳化学爿结合的形式。浮t - jl 订学习时间、地点、进度的l i 动挖制权，r i l 随f l f 随地芍试牛q k 多媒体i 叫络敦学 系统将提供主动形象的个0 教。乜填现f 迎敷t jj 。播i u m 靴。7 - * 触力体的 2 分m i 税频多j _ ! i 系统的研究与实现 远氍双向交旺式教学，从f 酊改变高等教育的办学方式。 3 ) 教师为主导的教学模式 以教师为主导的教学模式是在多媒体演示教室中进行的。仅采用多媒体计算 机、人屏幕投影仪、摄像机、白扳等一套设备即可。教师采用多媒体写作：1 ：址， 设计好电子讲稿，然后在计算机上演示并投影在大屏幕上，若需示范操作及举例， 直接对计算机操作，其结果同步显示在大屏幕上。这种模式可使教学变得轻松而 富有情趣，节省教师大量的板书时间，加大信息量的传授，缩短学时，增加教学 效果。 正是因为这些新颖的教学模式具有如此不同于传统教学的优点引发了社会的 注意，于是各种基于这些教学模式的支撑环境的研究也就迅猛的发展起来，以期 待能够产生对于传统教学的变革。 二、流媒体技术 流媒体技术的出现为多媒体网络教学的发展增加了新的思路与活力。流媒体 技术的开发创意是从传统的t c p i p 协议对通过网络传送信息的控制方法中得到 的又称流技术( s t r e a m ) 。要实现视频信息在网络上的传播，早期使用的办法是将 整个视频文件下载后再播放。流媒体技术则不然，流媒体技术能够按照特定的顺 序将文件发送出去，而接收端程序则可以一边接收数据一边播放，使数据在网络 中的传输形成一个“流”。为了使视频文件的播放更加稳定连贯通常接收端会通 过为数据开辟缓存区的方法来解决网路拥堵和数据包的乱续问题。接收端只需要 在缓存区缓冲一定的数据，即等待几秒钟的时间，就可以开始播放了。这种在 i n t e r n e t i n t r a n e t 中使用流式传输技术的连续时基媒体就称为流媒体。 流媒体技术已经被广泛的应用于互联网多媒体新闻发布、在线直播、网络广 告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互 联网的信息服务的方方面面。由此可以看出流媒体市场的巨大潜力：在美国已经 有三分之一的互联网用户使用流媒体业务，有近百家的i s p 提供流媒体业务。在 2 0 0 0 年已有4 0 忆左右的市场：在欧洲、亚洲等地这样的用户也有一定的规模。 在我国由于企业融资和资金聚集的要求，在一两年内可达1 0 亿元左右的f 阿场。有 号家殒测，网络巯式媒体应用在美国2 0 0 4 t 年将达到2 1 0 亿美金的市场规模比起 1 9 9 9 年成长超过两倍。 选题来源及需求背景 本课题的选噬来源是艾康公司h j c l a s s s w 多媒体网络教学系统的设计j ) f 发，现订的许多毂学软件教学流程同化。教学思想固化、或交f i 性蕺使川1 ；便 h i c l a s s s w 系统的设汁l j 的就足提供1 奁商质量的灵活、便赴、适川的i 乜j ：敦学 软什廷行卜台， h i c l a s s s w 系统没计i j 标赴集合先进的计算机技术、刚络技术、多媒体技术 前盏 3 和现代教学疗法的优点提供模拟或真实的网络教学环境。通过一台教师机对多 台学生机进行挖制、管理和教学，实现了广播教学、语音教学、师生演示、监控 转播、网络影院、文件分发、远程控制、屏幕录制、黑屏肃静等多种功能。 视频网终传输是其中的一个重要组成部分。把采集压缩的或是从多媒体文件 中读取的概频和爵频m p e g 数据以流的方式从网络上传输和在学生机播放。这部 分就是对应上面所讲的教师为主导的模式的一种拓展，教师对有媒体播放交互式 的操作的控制权利，同时可以将控制命令传送给学生，学生只能被动的接受这 时学生不再局限于一定要与教师同在一个多媒体教学演示教室中。通过播放录制 好的课件或是通过摄像头和麦克风就能把教师的教学动作纪录下来。这时得到的 模拟信号再经过视频压缩卡转化为计算机能够识别的数字信号，这样这些数字信 号就能用通过网络传输给远处的教室达到“远程教学”的目的。 当然这里的“远程教学”由于网络带宽的限制还只能在局域网的范围内，但 是相信随着网络带宽的提高和多媒体技术的发展，这种方式的真正远程教学是不 难实现的。 本文即是对其视频流网络传输系统的研究和实践。随着计算机网络硬件技术 的发展和普及，网上远程教育正在蓬勃发展，但是当前教学软件的发展相对滞后， 因此本文的研究十分有现实意义和实用价值。 四、本课题的研究特色 目前大多数多媒体网络教学产品都不是很成熟而真正能用于教学实践的更 是少之又少。大多数类似产品都是基于m e d i as e r v e r 或r e a ls e r v e r 的二次开发t 功能也仅限于视频点播( v o d ) 和广播。这种系统具有一定的通用性，用于教学 则远远不能满足于人们的需要。针对专用于教学的视频多播系统，本文提出了解 决方案并开发研制出一套适用于教学的分布式视频多播系统。支持m p e g - i 和 m p e g - 2 格式的视频流( 包括视频音频) ，系统稳定可靠，有很好的实用价值。 ：本文着重阐述了在多媒体网络教学支撑环境下应用流媒体技术实现视频流 网络多播的视频流系统的设计概要及系统策略。本系统可以提供支持服务器端( 教 师端) 到客户端( 学生端) 的视频流的同步分发与呈现。一个客户端可以访问多 个服务器来获取多个不同的多媒体节目，同样每个服务器也同时支持多个客户端 的媒体呈现丈现对持续媒体数据的网络播放的灵活支持，同时也实现了教师端 对学生端艟交f i 式操作如暂簿j 搔放、全屏等功艟的远程控制。为此系统设计了 缓冲$ l , 走f j 束控制分布式环境中的服务器端到客户端数据的灵活分发，以及通过缓 冲区管理来调祭发送速率和没i f 异步过滤器( f i l t e r ) 束实现对流式数据的播放。 系统心j ji p 鲤【橘技术人大节钳_ 厂带宽资源) f 钠实现了网络资源的共享。 系统的个沛功能鄢采川软件求实现，人人地降低r 系统的应用成本。经过k 时州 的测泼，i 发应川系统，e 能稳定。j 叮求性爽好。 分布式视频多插系统的琊f 究j 史脱 第一章流媒体技术 新兴发腱起来的流媒体技术为网上实现音频、视频的开发和传输提供了有力 的支持，本系统就是应用流媒体技术进行理论研究开发实践的结果因此在本章 中对流媒体技术进行介绍。 1 1 流式传输基本概念 一、流式传输的基础 在网络上传输音视频等多媒体信息目前主要有下载播放和流式传输两种方 案。多媒体文件一般都较大所以需要的存储容量也较大；同时由于网络带宽的 限制，下载常常要花数分钟甚至数小时，所以这种处理方法延迟很大，己不能为 人们所接受。流媒体是指在i n t e a n 吐i n t r a n e t 中使用流式传输技术传输的连续时基 媒体，如：音频、视频或多媒体文件。流式媒体在播放前并不下载整个文件，只 将开始部分内容存入内存流媒体的数据流随时传送随时播放，只是在开始时有 一个缓冲延迟。当流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。流媒体实现的关键技术就是流式传输。 目前流媒体技术是国内外关于多媒体数据实时传输与播放的研究热点，但在 国内这方面仍处于起步阶段。 流式传输定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒体数据( 如视频、音频) 的技术总称。实现流式传输有两种方法：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 es t r e a m i n g ) 。一般说来如视频为实时广播或使用 流式传输媒体服务器，或应用如r t s p 的实时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。 1 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， j 、j l 能观看已卜- 载的那部分，而不能跳到还未f 载的前头部分，顺序流 式传输一：象实时i j f c 武传输在传输期问根据f j ，、连核的速度做调整。由。j ：标准的 h t t p 服务器j 吐发送这种彤式的文件，也不需要j 他特殊m 议，它经常被称作 h t t p 流武传输l 顺序流武传输比较适合商质最的姬片段如j i 头、 尾和广告， f | lj ：该文件住播放l m 眦1 厅的部分是无损下载的，这种，j 法保证f 乜影播放的最终质 ：i t 。这意咪精川、n ：观疗时必须经所延迟时较慢的连接j c j e 如此。 埘通过侧制斛删器发竹i 觚片段，顺j n , c 式传输l j 楸实川。它允许川比调；刚 筇啦流媒体技术 解调器更商的数据速率创建视频片段。尽管有延迟，但是可以发彳f i 较高质城的槐 额片段。 2 实时流式传输 实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接速度匹配，使媒体可被实时观 看到。实n t 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，用户可快进 或后退以观看前面或后面的内容。理论上，实时流一经播放就不可停止，但实际 上，可能发生周期暂停。实时流式传输必须匹配连接带宽。 实时流式传输需要特定服务器如q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 、r e a l s e r v e r 与w i n d o w sm e d i as e r v e r 。这些服务器允许用户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 r t p 服务器更复杂。实时流式传输还需要特殊网络 协议。 二、流媒体技术原理 流式传输的实现需要缓存。因为i n t e r n e t 以包传输为基础进行断续的异步传 输，对一个实时a v 源或存储的a v 文件，在传输中它们要被分解为许多包，由 于网络是动态变化的。各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延 迟也就不等，甚至先发的数据包还有可能后到。为此，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可以重新利用空出 的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。 三、流媒体传输方式 1 单播 在客户端与媒体服务器之问需要建立一个单独的数据通道，从一台服务器送 出的雠个数据包只能传送给一个客户机，这种传送方式称为单播。每个用户必须 分别时媒体服务器发送单独的查询而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的 数据包拷f ! 。这种传输方式对服务器要求高，需要特定的硬件和带宽来保证一定 的服辨质量成本较高。 2 纽橘 i p 胡i 播技术构建种j 丫r 舅l 播能力的网络，允许路由器一次将数据包堑制到 多个通道l 二。采用组播办式，单台服务器能够对几十万台客广1 机同时发送连续数 据流i 酊= 三延时。媒体服务器j l i 岳篮发送。个信息包，而不是多个：所订发 l i 肯求 的客，端j e 宰时。信息也f l 息w 以z 乏送到f 职量地址的客户机减少h 络i ：传输 的信息乜的总揖，h 络利川放牛人人挺商成本大为卜降， 3 血播jj 。播 6分m i 式税频多播系统的研究与实现 点播连接是客户端j 服务器之问的主动的连接。在点播连接中。用户通过选 择内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、停止、后退、前进或暂停流。 点播连接提供了对流的蛙人控制，但这种方式由于每个客户端各自连接服务器， 会迅速用完网络带宽。 广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制流。 例如，用户不能暂停、前避或后退该流。广播方式中数据包的单独一个拷贝将发 送给网络上的所有用户。使用单播发送时。需要将数据包复制多个拷贝，以多个 点对点的方式分别发送到需要它的那些用户，而使用广播方式发送，数据包的单 独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，而不管用户是否需要，上述两种传输方 式会非常浪费网络带宽。组播吸收了上述两种发送方式的长处，克服了上述两种 发送方式的弱点，将数据包的单独一个拷贝发送给需要的那些客户。组播不会复 制数据包的多个拷贝传输到网络上，也不会将数据包发送给不需要它的那些客户， 保证了网络上多媒体应用占用网络的最小带宽。如图i 1 所示。 发送端接收端发送端接收端 组播 发送端接收端 广播 圈1 1 流媒体的3 种传输模式 四、常见的三种流媒体解决方案 1 m i c r o s o f tw i n d o w sm e d i a 服务 w i n d o w sm e d i a 服务的核心媒体文件格式是a s f ( a d v a n c e ds t r e a mf o r m a t ) 。 w i n d o w sm e d i a 服务器对外提供a s f 流式媒体的网络发布服务，包括两大基本服 务模块：u n i c a s t 服务和s t a t i o n 服务。其中u n i c a s t 服务为客户提供了点对点连 接方式的服务，s t a t i o n 服务对外提供了广播式服捋。丽u n i c a s t 服务又可以按用 户的参与程度分为阳种，一足o n d e m a n du n i c a s t ，这种方式下，用户建立和发布 服务器的点时点连接，j 叮以靠! 制播放的过程，包括开始、杼停、前进等。另一种 是b r o a d c a au n i c a s t ，这种厅式卜，川、也和发和服务器建记点对点连接但是 ；f ；啦漉媒体技术 7 处于一种被动接收状态，h 能观看播放i e 如侄广播服务方式下_ 样。这一般用 于实时的信息发布。 2 r e a l n e t w o r k sr e a l s y s t e m r e a l n e t w o r k s 公司所制定的寄频襁频压缩规范称为r e a l m e d i a ，是目前在 i n t e m e t 上相当流行的跨平台的、客户服务器结构的多媒体应用标准，它采用音 频，视频流和同步回放技术来实现在i n t r a n e t 上全带宽地提供最优质的多媒体，同 时也能够在i m e r n e t 上以2 8 8 k b i t s 的传输速率提供立体声和连续视频。 3 a p p l eq u i c k t i m e a p p l e 计算机公司的q u i c k t i m e 是数字媒体领域事实上的工业标准，可以通 过i n t e r n e t 提供实时的数字化信息流、工作流与文件回放功能。它由三个不同部 分组成：q u i c k t i m e 电影( m o v i e ) 文件格式、q u i c k l i m e 媒体抽象层以及q u i c k t i m e 内置媒体服务系统。 1 2 流媒体传输协议 一、实时传输协议r t p 与r t c 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 ) 是用于l m e r n e t 上针对多媒体数据流的一 种传输协议。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。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。实时传 输控制协议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 0 1 ) 和r t p 一起提供流量控制 和拥塞控制服务。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 p 提供端对端f 碍络传输功毹，适合通过组播和点播传送实时数据，如视频、 音频和仿真数据。r t p 没有涉及资源预订和质量保证等实时服务，r t c p 扩充数 据传输以允许监控数据传送提供最小的控制和识别功能。 二、实时流协议r t s p 实时流协议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 0 1 ) 是由r e a l n e t w o r k s 和 n e t s c a p e 共同提出的，该协议定义了一对多应f j 程序如f l l 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l 位于r t p 和r t c p 之i ：，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 棚比嘲广t p 传送h t m l ，i f i ir t p 传送的是多媒体 数据。h t t p 请求由释p 机发，服务器作 响j 逦：位川r t s p 时，髯户机和服 务器都可以发 f ；请求，即r t s p 以足烈阳的， r t s p 是个多媒体流化控制协议，川j ：挖制jl ，r 宜时特性n 勺数撼的发送， 分m 武视频多播系统的研究o 羹现 f i lr t s p 本身1 ：传输数搦，必须利用底层传输协议提供的服务，数猁的土寸装与q o s 的控制仍然是基于r t p r t c p 。r t s p 的实现采用了c s 体系结构，主要包括编码 器( e n c o d e r s ) 、播放器( p l a y e r s ) 和服务器( s e r v e r ) 三个部分。其基本结构图 如下1 2 和1 3 所示。 三、资源预订协议r s v p 协议 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 ( r e s o u r c e r e s e r v ep r o t o c 0 1 ) 是正在开发的i n t e a n e t 上的资源预订协议。使用r s v p 预留一部 分网络资源( 即带宽) ，能在一定程度上为流媒体的传输提供q o s 。 数据源 音频，视 频捕捉 设备或 磁盘存 储文件 日 视 数 流 离 频 频 据 分 视频 音频编码 器 视频编码 器 r t p ，r t c p 包数 据封装 和控制 以及流 化处理 模块 网 络 接 口 系统控制( 并发控制、同步控制、q o s 管理等) 图1 2r t s p 服务器实现结构图 罔1 - 3r t s p 客户端实现结构陶 1 3 视频流系统的特点及所受限制 、m 频流系统n q 特点 j 传统的先卜我 l f 播放厅武栩比，这种对多媒体文件边卜载边播放的流式传 第一章流媒体技术 9 输方式具有以下特点 l l l ： ( 1 ) 客户，服务器模型 视频流系统通常采用客户，服务器模型。服务器端发送数据，客户端接收数据。 出于服务器端视频编码的计算量很大，因此为了使服务器更好的为客户端服务， 编码器必须从服务器端分离出来现在的视频点播系统都采取编码器和服务器端 分离的形式。视频流系统中媒体源通常使用已经录制好的多媒体文件或是通过采 集卡底层编码得到的实时媒体作为数据源。 ( 2 ) 数据分割与打包 打包是指将己编码的视频比特漉打包压缩成可以通过某种传输协议，比如说 r t p ( 实时传输协议) ，来传送的数据。打包器的设计需要注意的是确定怎样对视 频比特数据进行分割。除此之外，还应考虑数据包的大小，通常都是结合网络的 最大传输单元( m t u ) 来考虑。在局域网上传输可以考虑是m t u 的倍数。在广 域网上则应该根据网络的实际带宽来确定。 ( 3 ) 较短的启动延时 通常来说，流技术属于单向传输，不要求双向交互，因而流技术对于延迟的 要求更为灵活。延迟通常和客户端的缓冲区长度，和服务器端编码器的速率控制 有关。当视频传输任务刚开始的时候客户端需要等待几秒钟来缓冲数据。这个 过程叫做“预装”，“预装”之后客户端开始播放。从而大大减少了启动时间。通 常来讲视频流系统可以采取较大的缓冲区来处理些网络意外问题但是，必 须平衡好延迟时间的长短和良好播放效果之间的关系，这对于设计一个好的、用 户可以接受的系统是十分必要的，尤其是在实时广播系统中，长时间的延迟是用 户所无法接受的。 ( 4 ) 对系统缓存容量的需求大大降低 由于i n t e r n e t 是以包传输为基础进行连续地异步传输数据被分割为许多包 迸行传输动态变化的网络使各个包可能选择不同的路由，到达用户计算机的时 间延迟也就不同。所以在客户端需要设置缓存区来弥补延迟和抖动对数据包顺 序的影响以保证数据包传输顺序的正确性使媒体数据能连续不断的输入不会 因网络暂时拥堵而使播放出现停顿。由于不需要把所有的音视频内容都下载到缓 存中而是循环使用较小的一个缓冲区因此对缓存的要求就大大降低了 二：、程频流系统所受的限制 任何一个系统都不可能做到完美无瑕，跟其它系统一样视频流系统也订它c l 身的局限性和不足之处，主要表现在以下两个方面。 ( 1 ) 服务器端的负载限制 像油丽捉到的服务器端可能同时会被数以千计的客，o 端访6 4 ( n ：f i 功武m 频点播系统r ，显得尤为突出) ，f ij ：，髯户端会发送给服务器端。些i 膏求翁g 业怂反 0分机武税额多插乐统的研宄j 实现 馈f 寿息，所以随着连接到服务器端的客p 端数量增加，服务器端的负载将随着进 程和i o 请求的增加而增加最终可能会导致服务器端超载从而导致服务质量下 降。 ( 2 ) 最佳效果的网络服务模式( b e s t e f f o r t ) 的影响 互连网是提供最佳服务效果的网络，也就是说它对每一个请求发送的数据包 都会尽可能的提供最好的服务。但是网络上的拥塞会导致数据包的延迟到达或丢 失。而在视频流系统中，每个包都会依据某一时间表在某一特定时间内播放，在 计划时间外到达的数据包是无用的，将会被丢弃。 第：瓿系统的总体方案 第二章系统的总体方案 2 1 系统功能 本系统是应用于局域网环境下的多媒体网络教学系统h i c i a s s s w 的视频多点 播放功能的实现。根据教学需求，需要实现2 类功能： ( 1 ) 服务器端与客户端视频流媒体的同步、稳定、连续平滑的网络播放。 ( 2 ) 对客户端的控制功能：包括对播放的控制功能，主要有播放、停止、 暂停、前进、后退、切换播放位置、全屏、同步以及声音控制。和对客户端 程序的控制功能，包括：锁定窗口位置、更改窗口大小、关闭学生端程序等 功能。系统支持的多媒体文件格式为m p e g - 1 和m p e g - 2 的视频流。( 视频 音频) 。 通过对第一章所阐述的流媒体技术的分析发现现有的3 种流行的流媒体解 决方案不能实现这种教师为主导的交互式的控制功能，因而不适合应用于多媒体 网络教学系统。因此本文根据流媒体技术原理，提出了本系统的解决方案。图2 - l 是系统的结构图。 图2 1 系统示意图 客户嫡 本系统实现了对视频组播的全过程模拟，具有以下几特点： ( 1 ) 客户服务器模型。视频流系统通常采用窖户，服务器模型。服务器端发 送数据，客户端接收数据。根据实际的系统应j j 抒，本文中也称客户端为学e 端， 服务器端为教师端。 ( 2 ) 服务器除发送多媒体数据外，还可以向律户端发送如下拄：副命令：如暂 停、停止等，这些远程控制命令化教学系统【1 1 址i 分订f l j 。 ( 3 ) 客户端接收数据和命令。实现肿盍! l l 体n q 接收和插放以及秆一控制命令。 2 分n j 代税额多播系统的研究与实现 ( 4 ) 服务器端f 叮以根据通过模拟客户端来进行缓冲区锊理调整发送速率 进行服务质量的调整。 ( 5 ) 采_ e f _ | 组播的实现，j 武进行视频流传输，使参加的客户端的数嫡4 ：受限制。 组播技术实现了数据的高设网络分发，并有效的节约了网络带宽。 2 2 系统的实现方式 一、连续媒体多点播放的体系结构 在因特网上进行有效的多点播放( 多播) 服务就必须为分组的多播提供一种 支持体系，该体系结构的特点可以归结如下： 1 支持分组的组地址传输( 或多播) ，即分组可以同时传输给属于该组的多 个接收方，发送方不必关心接收方的具体身份，体现了可扩展性 2 所有加入组的接收方都称之为组成员，这些组成员沿着分组的传输方向分 别与发送方之间建立一条路径，所有路径的组合构成一棵能够覆盖所有成员的树。 3 当有新成员加入多播组。便修改树结构，使得树中有一条连接发送方和新 成员的路径：当有成员不在接收数据而离开多播组时任何多余的路径便可从树 结构中删除。 二、单流多播机制及其缺陷 单流多播机制的基本思想是：发送方传输一个单一的视频编码数据流组中 的所有成员接收这同一速率与质量的流，并且把接收情况反馈给发送方，发送方 再根据接收方的反馈信息调整它的数据传输速率。单流多点播放的结构如图2 2 所示。 单流多播机制存在很大的缺陷。首先，当接收方数目比较多时若每个接收 方都同时反馈信息给发送矗。则会引起反馈爆炸，导致网络极度拥塞而造成大量 的分组丢失影响视频质量。另外该机制不能很好地针对因特网的异构性进行 有效的带宽分配单纯的发送方速率控制只能从大体上满足小部分接收方的要求， 而不能更进一步满足不同接收方的不同服务质量要求。 i 铡2 - 2l 丫1 流爹点播放结构 ；l ；二睢系统的总体方案1 3 三、重复流多播机制及其缺陷 重复流多播机制是是针对网络异构性提出的一种机制，它是对单流多播机制 的简单扩展，其基本思想是：发送方对同一视频数据以不同的压缩参数进行编码， 编码后的视频流有不同的位速率和不同质量的视频效果。发送方同肘发送所有不 同速率的流。每个流对应有一个多播组地址，接收方根据其处理能力及链路带宽 大小选择加入某一个组，接收在该组中传输的某一质量的视频流分组。重复流多 点播放的结构示例如图2 3 所示。发送方同时发送同一视频数据的三个不同质量 的编码流，接收方l 接收第一个编码流，接收方2 接收第二个编码流，接收方3 接收第三个编码流。 重复流多播机制同样存在不少缺陷。表现在：网络中同时存在多个重复的视 频流，导致网络带宽的极大浪费：网络带宽的随时变化使得接收方在流之间不断 地切换，导致接收的视频质量时好时坏，因此需要拥塞历史检验等机制加以控制 以避免视频质量振荡的发生。 圈2 - 3 重复流多点播放结构 四、本系统的实现方式 1 在这里采用改进的单流多点播放方案进行本系统的设计。由于本系统主要 应用于局域同环境带宽比较稳定因此减少不必要的客户端向服务器瑞的反馈 信息通过在服务器端进行缓冲区模拟，以及客户端采用一定的流控处理来调 整自身的服务质量，保证网络的播放质量。 2 采用组播的实现方式。组播提供了一种简单，良好的结构和服务模式，允 许每台机器选择是否参加该多播组，允许进行资源发现，使网络负载减到最小 涮此：啦常适合分布式多媒体视频流系统。很多多媒体视频、音频的应用如税额会 议、网络广播等部采用多播来实现，但由于u d p 协议只提供简单的数据报服务， 所以应用程序必须对收到的数据避行处理来解决数据包的乱序和数据乜的王失 锋n 日题。 1 4分t 1 i s t m 频多搞系统的研究”- j 爻脱 2 3 系统总体构成 整个系统的结构关系模型如i 2 _ 4 所示。 分 鬯_ j fj r i 视频数据卜_ 割 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ j 打 l 童竺茎塑r _ 包 i 叫酬蓑雾登叫 i l 鬻l 霪辇囊。藕壤囊。j 。；j i 、鬻“i 囊羹 jj ；。 主 。 i 舻机眄司 流控方案_i il 。客黼卜叠匠h 黝区卜 图2 4 系统体系结构图 系统由以下5 个模块组成：系统人机交互界面模块是系统提供给用户的 操作界面。数据的分割、打包模块。服务器和客户端的缓冲区管理模块。 l f c s ( l 舳f l o wc o n t r o ls c h e m e ) 控制模块，是本系统提出的流控解决方案，将在 第五章进行详细介绍。l f c s 通过调整视频发送率达到对客户缓冲区的模拟控 制，从而保证视频流的传输质量。视频音频的解码器部分。 2 4 系统支持的视频流格式 m p e g - l 是国内的通用媒体格式，m p e g 2 是当前国外的通用媒体格式，因此 在这个研究课题中主要用到m p e g i 与m p e g - 2 的压缩标准，所以下面主要的是 对i v p e g - l 与m e g - 2 进行介绍。 m p e g - l 标准1 6 i ( i s o i i e c i l l 7 2 ) 制定j ：1 9 9 2 年，赴针时i 5 m b p s 以下数据 传输率的数字存储媒体运动l 像及j e 伴疗编码设计的【词际标准，= l 三要用于在 c d r o m ( 包括v i d e o c d 、c d - i 锋) 存储彩色的p d 少运动税频i ：! i 像它针对s i f ( 标准交换格式) 标准分辨率( n t s c ：b 0 为3 5 2 2 4 0 ：p a l , t i 4 为3 5 2 2 8 8 ) 的图像 进行压缩，每秒可插放3 0 十t 1 f i l l l i i l l l j 替c d ( 桁激圯w 1 艇) 一质。1 f 它还被 第一：疆系统的总体方案 f i jf 数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路( a d s l ) 、视频点播 ( v o d ) 、教育网络等。 使用m p e g - l 的压缩算法，可以将一部1 2 0 分钟长的电影压缩到1 2 c 旧左右， 因此，它被广泛遗应用于v c d 制作和一些视频片段的下载，目前9 0 以上的v c d 都是用m p e g - l 格式压缩的。 m p e g - 2 标准1 2 ( i s o i e c l 3 8 1 8 ) 制定于1 9 9 4 年，是针对3 - 1 0 m b p s 的数据 传输率制定的运动图像及其伴音编码的国际标准。m p e g - 2 可以提供一个较广的 范围改变压缩比，以适应不同画面质量、存储容量和带宽的要求。它在与m p e g - i 兼容的基础上实现了低码率和多声道扩展：m p e g - 2 可以将一部1 2 0 分钟长的电 影压缩到4 - s g b ( 它提供的是通常所说的d v d 品质) ，其音频编码可提供左右中 及两个环绕声道、一个加重低音声道和多达7 个伴音声道( 因此d v d 可有8 种 语言配音) 。 除了作为d v d 的指定标准外，m p e g - 2 还可用于为广播、有线电视网、电 缆网络等提供广播级的数字视频。不过对普通用户来说，由于现在电视机分辨率 的限制，m p e g - 2 所带来的高清晰度画面质量( 如d v d 画面) 在电视上效果并 不明显，倒是其音频特性( 如加重低音、多伴音声道等) 得到了广泛的应用。 2 5 系统的运行平台和开发工具 一、运行平台 本系统是基于多媒体p c 机的桌面系统，它将p c 机作为i p 多媒体