（计算机软件与理论专业论文）基于客户端技术研究流媒体系统性能.pdf

摘要 计算机硬件的发展正根据m o o r 定律前进，宽带网络的应用条件日益成熟， 计算机互联网上各类服务不断完善。流媒体技术作为计算机应用在宽带网络上的 一项新兴技术，正得到越来越多的关注。 流媒体技术通常分为服务器和客户端两个主要部分，其中服务器开发难度 大，技术难点多，一直是研究的重点。但从客户的感受上讲，任何在服务器上做 的丌发完全都是主观的，用户只有通过客户端程序才能直观的体验到流媒体服 务。这点上看，流媒体技术中的客户端与服务器相辅相成、缺一不可。可是目前 的研究领域却比较多的集中在服务器技术上，忽略了客户端技术的研发。 客户端技术随着硬件的发展不断变化，从原有的台式电脑、笔记本电脑等强 客户端，发展到现今的机顶盒、智能手机等弱客户端。在客户端变迁的过程中， 流媒体系统的应用必然出现相应的改变。本文试图从弱客户端技术入手，对存在 的流媒体系统进行测评分析，进一步促进流媒体服务器性能的改善，适应产业化 的需要。 关键词：流媒体技术，流媒体服务器，流媒体客户端。流媒体测试。 中图分类号：t p 3 7 a b s t r a c t t h ee v o l u t i o no fc o m p u t e rh a r d w a r e1 sf o l l o w i n gt h eq o o r el a w i n t e r n e ti sc h a n g i n gt h e1 1 f e o fe v e r y o n e m o r ea n dm o r es e r v i c e so f i n t e r n e ti m p a c tm a n yt h i n g s w 1 t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e s1 l f e i n t e r n e te n t e r t a i n m e n t1 se v e r y w h e r e s t r e a m l n gs y s t e mi sj u s to n eo f t h e s ee n t e r t a i n m e n t s t h e r ea r ea l r e a d yal o to fr e s e a r c h e sa b o u ts t r e a m i n gm e d i as e r v e r ， f o re x a m p l e ，s o m e t h i n ga b o u tt h et r a f f i cr a t ec o n t r o la n dc l i e n tb u f f e r c o n t r 0 1 m o s to ft h e s er e s e a r c h e sf o c u so i lt h es e r v e rb u tn o tt h es t r e a m l n g m e d i ac l i e n t w ek n o wt h ec l l e n ti sa l s oa nm p o r t a n tp a r to fas t r e a m i n g s y s t e m w ec a r lu s eap l a y e rt or e q u e s taf ii mf r o mas t r e a m i n gm e d i as e r v e r a n dj u d g ei ft h es e r v e rg l y e su sag o o dq u a l l t yo fs e r v l c e w ea l s ok n o w t h a tt h ec o n c u r r e n c yi st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e ro fs t r e a m i n gm e d i a s e r v e rb u tw 1 t h o u tc l1 e n tw ec a n tt e s t1 t n o w a d a y st h ek i n do fc ll e n t1 sm a n i f o l d t h ed e s k t o pc o m p u t e ra n d l a p t o pc o m p u t e rc a nb ec o n s i d e r e da s t h es t r o n gc l l e n tw l t hb e t t e r h a r d w a r e b u ts o m eo t h e rc l l e n t ，s u c ha ss e t t o p b o xa n dm u l t l f u n c t l o n a l m o b l l ep h o n e ，b e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r t h eh a r d w a r ea b l l l t yo ft h e m 1 s1 n f i r m w ec a nc a l lt h e mt h ew e a kc 1 1 e n t t h ew e a kc 1 1 e n tc a nc a u s e m o r ed l f f e r e n ti nt h es t r e a m n gs y s t e m s oi nt h i sp a p e rw ef o c u so ns o m e r e s e a r c h e sa tw e a kc 1 1 e n t w l t ht h e s er e s e a r c h e sw eh o p ei tc a na c c e l e r a t e t h ed e v e l o p m e n to fs t r e a m l n gs y s t e ma n di m p r o v et h e1 n d u s t r l a l l z a t l o no f s t r e a m l n gs y s t e m k e yw o r d ：s t r e a m i n gs y s t e m ，s t r e a m s n gm e d i as e r v e r ，c l1 e n t ，t e s t c l a s s l f l c a t l o nc o d e ：t p 3 7 第一章绪论 1 1 流媒体技术历史及发展现状 流媒体是一种多媒体文件，其在网络上传输的过程中应用了流技术。所谓流 媒体技术，就是把完整的影像和声音数掘经过压缩处理后保存在网站服务器上， 用户可以实时观看而无需将整个压缩文件下载。随着信息技术的不断发展，网络 硬件环境的不断完善，流媒体技术得到了越束越广泛的应用。目前已经有多个国 家开展了不同程度的点播和直播业务，竞争越束越激烈。 1 9 9 4 年一家叫做p r o g r e s s i v e n e t w o r k s 的美国公司成立，时隔一年，他们 推出e s 架构的音频接收系统r e a la u d i o ，并在随后的几年内引领了网络流式 技术的汹涌潮流，流媒体从此时丌始正式在互联网上登场亮相。1 9 9 7 年9 月， 该公司更名为r e a l n e t w o r k s ，相继发御了多款应用非常广泛的流媒体播放器 r e a lp l a y e r 系列，在其鼎盛时期，曾一度占掘该领域超过8 5 的市场份额。微 软原本也是r e a l n e t w o r k s 的投资人之一，但微软很快发现了“流”的价值，刃 始垂涎于这片潜力巨大而活力十足的市场，于是毫不客气的推出了自己全新格式 的流媒体产品，自此拉丌了与r e a l n e t w o r k sj 下面交锋的序幕。 曾经有一组柬自国际权威机构的调查显示，2 0 0 0 年在网上访问流媒体的人 数增加了6 5 ，西方网络发达国家访问流媒体的人数已达到1 1 亿人，约占网民 的1 3 ，在亚洲也迅速增加到2 5 0 0 力人，占网民总数的近1 9 。与用户增长相呼 应，逐年地，互联网上视频流媒体技术应用大幅度增长。如今，流媒体市场已经 呈现巨大的收入潜能。巨大的市场吸引越柬越多的企业参与竞争。劬些年，a p p l e 、 c l s c o 、g a s e n n a 、p h i l l p s 和s u n 宣靠成立互联网流媒体联盟( i n t e r n e ts t r e a m n g m e d i aa 1 l l a n c e ，i s m a ) ，意在共同推动流媒体市场，并制订相应的丌放标准和 实施协议。一个全球化的流媒体市场和竞争格局已初步形成，如何在这个市场取 得份额，成为当莉诸多企业关注的焦点。 目的流媒体服务器的主要应用分为点播和直播两种。点播方式通常破称为 v 1 d e oo nd e m a n d ( r o d ) ，是流媒体应用早期的一种主要形式。点播的媒体源主 要是实现转码定制好的一些电影或者电视连续剧，在接收到用户请求之后将数据 源通过i p 网络发送给用户，节省了用户下载影片的时l 日j 成本。点播的方式受到 最大的冲击应该是版权问题。目前大部分流媒体服务器都没有采用任何安全加密 的方式柬编码数掘流，这就使得正版的影片可能被下载，造成版权的丢失。9 0 年代末期美国在线( a m e r i c a no nl i n e ，a o l ) 的在线m p 3 服务业务就因版权问题 遭到很多人的詈疑，最终只能停止。 直播是将传统的模拟电视信号转换成为数字电视信号，再通过i p 网络传送 给用户观看，是点播的延伸应用，需要实时的转码和发送。直播服务很大程度避 免了版权问题。直播的源头只有电视台才有，虽然用户家庭接入了一根模拟信号 的电缆，但是要将模拟信号转换成数字信号，这个设备相当昂贵，如果要做到实 时的转码发送，那就需要更多的技术支持。这在一定程度上限定了很多个人用户 无法将自己的直播源放置在网上。另一方面，直播内容的实时性也使得很多人没 必要对这些内容保留。比如新闻类的节目，时日j 过去的新闻反复的看没有太多意 义。就算一些电影电视剧类的节目用户保留下来，那也可以看作是用户付费后享 受的服务。随着编码格式的不断改进，目前i p t v 的质量已经追上甚至超过模拟 信号电视节目，大部分可以达到m p e g - 1 2 甚至m p e g 一2 3 的标准，使得电视用 户享受到更好的服务。 目前常见的流媒体应用主要有视频点播( v o d ) ，i p t v ，视频监控，视频会议， 远稃教学等。其中具有实时性特点的i p t v ，受到很多用户的青睐。 1 2 流媒体技术简要介绍 流媒体技术主要可以分为服务器，客户端和编解码器( e n c o d e r d e c o d e r ， 通俗的称法是c o d e c ) 三方面。服务器技术一直被认为是重点部分，是能否抢占 流媒体市场的重要武器。服务器技术的主要矛盾在于既要支持大并发用户，又要 保证每个用户的服务质量。这对矛盾的存在促进了服务器技术的不断发展。另一 方面，作为和服务器对等的客户端技术，大都破绑定在各类型的服务器上。下图 是一个比较典型的流媒体应用方式。 藏螟体服务器 存讳设备 图1 一l 流媒体应用系统整体结构 用户替端 存储设备用于点播节目的存放以及部分需要从直播源转成点播数据存储。流 媒体服务器是整个系统的核心，通过因特网与各用户终端通讯，给各个用户终端 提供良好的服务。用户终端的具体形念已经得到很大的延伸，从初期的台式电脑、 2 便携式笔记本电脑，到现在的各类嵌入式终端设备像手机、机顶盒( s e t t o p b o x ) 等。通过这一发展趋势可以看出，用户端越来越向小巧型、简便型、专业型转化。 手机、机顶盒等设备相对于台式电脑，硬件的配置差，但往往针对流媒体行业的 需要定制硬件，降低了成本，形成了对传统电脑客户端的巨大冲击。 1 2 1 目前主流的通用性流媒体服务器 目i ；i 流媒体服务器市场，主流的三款是微软( m i c r o s o f t ) 公司的w l n d o w s m e d i a s e r v e r ( w m s ) ，r e a l n e t w o r k s 公司的h e l i xs e r v e r ，还有苹果公司的d a r w l n s e r v e r ( d s s ) ，对应类型的播放器为w l n d o w sm e d i ap l a y e r ( w m p ) 、r e a lp l a y e r 和q u i c k t l m ep l a y e r 。另外微软最新的w l n d o w sm e d i a9 系列的编码工具和r e a l n e t w o r k s 公司的r e a lp r o d u c e r 工具，为制作支持这两款服务器的文件提供了 便利。d s s 自身是丌源的，但q u i c k t i m ep r o 媒体制作工具却是收费的，因此目 的很多丌源爱好者自己丌发了很多适用于d s s 的文件制作工具，其中著名的是 m p 4 c r e a t o r 。 表1 - 1 三款流媒体系统简要比较 服务器类型w m sd s s h e l1 xs e r v e r 文件格式a s f ，w f f l vr a p 4 ，m o vr m ，r m v b r t s p 交互杯准微软扩展i s m a 标准i s m a 标准r e a l 私有标准 服务器运行 w i n d o w s 系列 w i n d o w s 系列和 w l n d o w s 系列和 的操作系统多种l l n u x 平台多种l 1 n u x 平台 w l n d o w sm e d l a 对应播放器q u1c k t l m ep l a y e r r e a lp 1 a y e r p 1 a y e r 播放器运行 w l n d o w s 系列 w l n d o w s 系列和 w 1 n d o w s 系列 的操作系统多种l l n u x 平台 w 1n d o w sm e d l a 媒体制作工具众多丌源程序 r e a lp r o d u c e r e n c o d e r 1 2 2 流媒体服务器技术 流媒体服务器作为流媒体技术中最主要的部分，丌发难度大，是研究的重点。 总体来说流媒体服务器追求的目标是使用尽量少的资源，支持尽量多的用户并提 供尽量好的服务质量。但资源的使用和服务质量一般都是成反比增长，这对矛盾 的统一体，成为影响流媒体服务器性能的重要因素。流媒体服务器的服务方式主 要有单播、组播和广播三种。单播，是在客户端与媒体服务器之间建立一个单独 3 的数据通道，从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机。组播则是 在以组播技术构建的网络上，允许路由器一次将数掘包复制到多个通道上。广播 是用户被动地接收流，在广播过程中，数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的 所有用户，客户端接收流，但不能控制流。 厶 一遗 糊 单叠 翻 图卜2 单播、组播、广播方式的比较 图卜2 直观的表现了三种传输方式的不同。在三种传输方式中，最消耗服务 器资源的是单播的方式。传统的流媒体应用是以单播点播的形式展丌，而现在兴 起的i p t v 技术则大量使用了相对节约服务器资源的广播和组播形式，但单播仍 然是主要传输方式，问题也最多。在这样的背景下，我们从客户端入手研究流媒 体系统性能的问题，基本都围绕着单播的形式展丌。 在传输技术之外，还涉及到具体网络协议应用。在我们通常所知的t c p i p 协议基础上，流媒体服务器还经常使用r t p 4 ，r t c p 5 ，r t s p 6 这三种应用 层协议。r t p 是实时传输协议( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) ，可以通过 t c p 或者u d p 方式传输，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。 r t p 协议本身不能为传送数掘包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞 控制。r t c p 是实时传输控制协议( r e a l t i 咐t 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 协议一起提供流量控制和拥塞控制服务，以有效的反馈和最小开销的使传 输效率最佳化，特别适合传送网上的实时数据。r t c p 协议一般都通过u d p 方式 实现。r t s p 是实时流协议( r e a l t i m e s t r e a n d n gp r o t o c 0 1 ) ，是由r e a l n e t w o r k s 4 和n e t s c a p e 共同中提出的，使用t c p 完成数据传输，是流媒体服务器与客户端 之日j 通信的主要协议。 1 2 3 客户端技术 流媒体客户端的主要应用在台式电脑上，最常见有r e a l n e t w o r k s 公司出品的 r e a l p l a y e r 、微软在w 1 n d o w s 操作系统中整合了m e d l ap l a y e r ( 媒体播放器) 和苹果( a p p l e ) 公司的q u i c k t i m e 。 r e a l p l a y e r 进入市场的历史比较长，拥有了数量众多的用户。该播放器支 持r e a l n e t w o r k s 公司自己的r m 或者r m v b 格式的影片播放。2 0 0 4 年推出了最新 的功能全面的r e a i p l a y e r 的后续版本v l o 和r e a i p l a y e r1 0 5g o l d 官方正式中 文版等版本。w i n d o w sm e d i ap l a y e r ( w m p ) 整合在w i n d o w s 系列的操作系统中， 支持的视频流媒体格式是微软自己的a s f 。a s f 是一种流媒体容器格式，有别于 真正意义上的编码格式。在容器内部可以封装任何类型的编码格式，只要遵守 a s f 标准即可。目的最新的版本为w m p 9 ，第十代产品应该会很快上市。o u i c k t l m e 是最早的视频工业杯准。在1 9 9 9 年发白的o u i c k t l m e4 0 版本后丌始支持真j 下 的实时播放，其格式为m o v 。后束在m o v 的基础上，a p p l e 公司又继续提出了p 4 文件的格式，i , , i p 4 和m o v 也是容器格式，目的最新版本为o u i e k t l m e7 0 。 随着流媒体行业的进一步发展，硬件技术水平的提升，流媒体客户端越柬越 向小型化发展，这些小型化客户端中最常见的为机顶盒与智能手机。这些客户端 的一个共同特点是硬件能力不如台式电脑。如果我们将台式电脑称为强势客户终 端，那么机顶盒与智能手机就可以看作势弱势客户终端。弱势客户终端运算能力 差，网络性能差，内存小，导致客户端缓冲区减少，这些对流媒体服务器提出了 新的挑战，使得传统的流媒体服务器在支持大并发用户的同时，不得不考虑如何 有效的改善算法，束适应越束越破人们关注的弱终端。 1 2 4 编解码技术 流媒体中音视频流的压缩编码性能指标，首先是压缩效率。压缩效率要求 在保证音视频质量的酮提下，媒体流的码流速率尽量低。其次是编码的冗余性 和可靠性。 m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 即运动图像专家组，由i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s0 r g a o n l z a t i o n ，国际标准化组织) 与i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o n i cc o m m i t t e e ) 于1 9 8 8 年联合成立，致力于运动图 像( m p e g 视频) 及其音频编码( m p e p 音频) 的标准化工作。目韵已经广泛应用的有 m p e g l 、m p e g 一2 和m p e g 一4 7 标准。 j p e g l 标准( i s o i e c l l l 7 2 ) 制定于1 9 9 2 年，是针对1 5 m b p s 以下数据传 输率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码设计的国际标准，主要用于在c d r o m ( 包括v i d e o - - c d ，c d i 等) 存储彩色的同步运动视频图像，通常也有人称 m p e g - 1 标准能够达到的效果为v c d 效果。m p e g 一2 标准( i s o i e c l 3 8 1 8 ) 制定于 1 9 9 4 年，是针对3 l o m b p s 的数掘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 一2 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。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。、i p e g 一4 标准( i s o i e c l 4 4 9 6 ) 于1 9 9 8 年1 1 月公布，是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体 系统的交互性和灵活性。m p e g 一4 传输速率在4 8 0 0 - - 6 4 0 0 0 b p s 之间，可以利用很 窄的带宽通过帧重建技术压缩和传输数据，从而能以最少的数据获得最佳的图像 质量。因此，它将在数字电视、动态图像、互联网、实时多媒体监控、移动多媒 体通信、i n t e r n e t i n t r a n e t 上的视频流与可视游戏、d v d 上的交互多媒体应用 等方面大显身手。 随着互联网应用的发展，网络上流量越束越大，从接入网( a c c e s sn e t ) 到 骨干网( b a c k b o n e ) 的瓶颈越柬越凸现出束，如何提高编码压缩比，使得低码率 实现高清晰的图像越柬越成为研究的重点。在这个背景下，国际标准化组织( i s o ) 和国际电信联盟( i t u ) 共同提出的继m p e g 一4 之后的新一代数字视频压缩格式 h 2 6 4 1 8 1 ，它即保留了以往压缩技术的优点和精华又具有其他压缩技术无法比拟 的许多优点。 h 2 6 4 和以前的标准类似，但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的 选项，获得比h 2 6 3 + + 9 好得多的压缩性能同时h 2 6 4 加强了对各种信道的适 应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理。h 2 6 4 编码应用范围较宽，能满足不同速率、不同解析度以及不同传输( 存储) 场合的 需求。 1 3 从客户端入手研究流媒体系统的意义 流媒体从出现至今，已经超过l o 年的时间。随着网络硬件条件的改善，人 民生活水平的提高，网上娱乐的需求越束越强烈，互联网已经深入到人们的r 常 生活。从最初的拨号网络i 刘览，到如今的宽带网上冲浪，更多的人加入到网络应 用的群体中。在这一过程中，流媒体以其自身便于使用、版权保护等优点，逐步 走向市场。从9 0 年代初期，就丌始有人研究关于流媒体网络传输的相关问题， 关注的要点主要是流媒体服务器大并发和服务质量之间的矛盾。各类编码格式的 提出也为流媒体服务器的应用提供的可能，网络拥塞控制算法保证了数掘包在网 6 络上传输的稳定性。另外一方面，随着个人电脑的广泛使用以及硬件的改善，客 户端缓冲区技术被广泛使用，通过缓冲区控制，可以降低网络拥塞对服务质量的 影响。 近年i p t v ( i n t e r n e tp r o t o c o lt vo ri n t e r a c t i v ep e r s o n a lt v ，交互式 网络电视) 产业发展，进一步推动了流媒体服务器和客户端技术发展。i p t v 将 传统电视的“推”模式，变成了用户主动的“拉”模式，通过i p 数字机项盒， 用户可以实现互动式的点播，更贴近了用户需求。另一方面，无线网络条件的改 善以及即将到束的3 g ( 3g e n e r a t i o n ) 时代，使得智能手机作为流媒体终端成 为可能。目酌已经有多家国内外厂商针对无线流媒体的应用展玎研发工作。 从性能上看，i p 数字机顶盒与智能手机有别于传统的台式电脑，相对于台 式电脑较强的软硬件资源，我们可以将i p 数字机顶盒与智能手机归为弱客户端。 弱客户端主要体现在，硬件能力差，c p u 主频低，内存小，网卡吞吐能力差，支 持的软件少，操作系统往往经过裁减，支持的类库不如台式电脑操作系统的丰富。 这些软硬件的差异，直接向目前流媒体服务器技术中主流的缓冲区控制策略 2 0 2 1 2 2 2 3 和发送速率控制策略提出了挑战。资源限制直接导致客户端缓 冲区减小，使得服务器的缓冲区控制精度需要进一步提升，一旦出现缓冲区的上 下溢，客户端将出现跳帧、抖动等现象，服务质量下降。 从弱客户端入手，研究流媒体服务器在弱客户端条件下的大并发性能，成为 现代应用的一个新热点。如何设计良好的弱客户端程序，使得弱客户端的性能尽 量的接近强客户端，如何有效的改进流媒体服务器的策略，使得在弱客户端条件 下服务器依然能够提供好的服务质量，是我们研究的要点。 1 4 论文工作及组织 本人硕士期问的主要工作集中在客户端的研究。针对弱客户端硬件资源受限 制的情况，本人提出了一种通用的、跨平台、多请求的播放器原型系统。在原型 系统的设计中，主要体现程序模块的高效性和通用性。跨平台的设计特性使得该 原型系统可以方便的移植到任意操作系统中，多请求的特性使得在该设计模式下 的播放器能够支持多种类型的流媒体服务器。最终利用原型系统，我们在i p 数 字机顶盒这一弱客户端的典型产品上完成了一个流媒体播放器演示程序，定性的 分析流媒体服务器对于弱客户端的支持。另外，根掘原型系统我们延伸设计出针 对多种流媒体服务器的测试工具。该测试工具能够对流媒体服务器进行大并发用 户测试并给出定量的分析，也可以在多种流媒体服务器之问形成横向的比较，体 现了原型系统多请求的特点。测试工具可以对流媒体服务器给出定量的分析。在 定性和定量分析的基础上，我们从理论上探讨了发送速率平滑算法对于客户端缓 7 冲区的影响。 论文共5 章内容： 第一章绪论，介绍流媒体技术的发展和基本概念，阐述从客户端入手研究流 媒体系统的意义所在： 第二章介绍弱客户端的跨平台、多请求流媒体播放器原型系统，并最终通过 该原型系统与裕兴机顶盒结合设计出实际的播放器演示系统，对流媒体服务器给 出定性分析： 第三章在原型系统的基础上，进一步实现其多请求特性，同时加入统计模块 成为流媒体服务器测试工具，从定量的角度对流媒体服务器进行分析； 第四章在对流媒体服务器的定量和定性分析基础上，给出了我们对w t s 速率 平滑算法的进一步研究： 第血章是对流媒体客户端研究技术的总结和展望。 8 第二章跨平台、多请求流媒体播放器设计 弱客户端目| i 存在的典型形式为智能手机终端和机顶盒终端。在这里我们所 指的机顶盒是具备网络连接功能，带有嵌入式实时操作系统，并能将数字编码信 号转换成模拟信号输出到电视机上的i p 数字机顶盒。而智能手机则是指带有操 作系统的可以进行二次软件开发的手机终端。 手机终端的应用主要在无线网络上。随着硬件环境的改善，无线网络的带宽 得到了很好的提高，通过无线上网用户也能享受到比较好的服务。中国移动公司 的g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 和中国联通公 司的c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t l p l ea c c e s s ，码分多址) 的业务，都能提供大 概l o o k b p s 的带宽。根据编码标准的发展，最新的h 2 6 4 标准5 0 k b p s 左右码率 的影片，可以支持3 2 0 * 2 4 0 的画面。i p 数字机顶盒是将数字电视信号转换成模 拟信号的设备，给电视用户提供高质量的数字电视节目，并支持几乎所有的广播 和交互式多媒体应用，包括收看普通电视节目、数字加密电视节目、点播多媒体 节目等。目的发展的趋势，是在机顶盒已有的功能上，增加了以前只有p c d 能 实现的网上娱乐功能。网上娱乐的需求，延伸了机顶盒的功能除了以i j j 实现的 多媒体应用，进一步发展出了网上浏览、电子邮件收发、在线游戏甚至远程教育 等功能。通过这些功能，拉近了机顶盒与普通电脑之丑j 的差别，同时由于小巧、 探作简单等特点，使机顶盒越柬越成为家庭娱乐中心的载体。 表2 1 常见智能手机与i p 数字机顶盒硬件配霄 型号c p u内存网络操作系统解码芯片 多普达8 1 8 智能手机 4 1 6 m h z6 4 m bg p r sp o c k e tp c 无 大显c 1 9 2 8 智能手机 4 0 0 m h z6 4 m bc 叫ap o c k e tp c 无 喜普6 5 1 5 智能手机 3 1 2 m h z1 2 8 m bg p r sp o c k e tp c 无 u t 斯达康m e dx a嵌入式 s 1 9 m a 2 0 0 m h z 2 8 m 8 l o o m p b s c o n s o l e1 0 2 8 机顶盒 l i n u x 系统 d e s i g n8 5 0 0 同溯a n y s i g h t l 0 0 数 嵌入式 1 8 0 m h z4 8 m b 1 0 0 b p sq a m 5 5 1 6 字机顶盒l 1 n u x 系统 裕兴5 2 0 1 d 数字机顶盒 1 2 1 m h z2 2 m b 1 0 0 i b p s v x w o r k s s p a r cv 8 从硬件资源上看，手机芯片的能力目l ； 已经不亚于机顶盒芯片的能力。c p u 的主频和内存两个主要的指标上，手机大都超过机顶盒。机顶盒通常提供硬件解 码芯片实现解码显示的功能，降低了c p u 解码时的运算。这对我们研究客户端网 9 络行为具有良好的推动作用，使我们在研究过程中可以不必关注于解码过程的资 源损耗，将全部精力集中在网络层面上。在智能手机的丌发中，还需要关注解码 流程的效率，这个与我们研究网络的初衷不符合。因此我们将机顶盒播放器作为 最终的目杯，设计重点也主要针对机顶盒的特，占展丌。 2 1 机顶盒作为家庭娱乐网关的发展现状 国际上，2 0 0 5 年1 1 月1 8 日，思科公司宣靠了对时代华纳公司及其它光纤 公司制造电视机顶盒的s c i e n t i f i c a t l a n t a 公司的收购，总收购价格约为6 9 亿 美元。这家世界最大网络设备制造商预计机顶盒将取代个人电脑成为家庭娱乐的 网络中心。通过收购s c l e n t l f i c a t l a n t a 公司，思科公司将可以为运营商网络 和数字家庭提供端到端的三网合一解决方案。雅虎公司和t i v o 公司宣却将在 2 0 0 5 年底劬实现交通、天气预报、用户照片等方面内容的共享。两家公司称， 用户可以在任何y a h o ot v 网页上点击“r e c o r dt om yt 1 v ob o x ”( 录制到我的 t 1 v o 机顶盒) 按钮。当用户的t i v o 公司机顶盒第二次联网时，请求将破自动地 发送到t 1 v o 公司机顶盒上。在西门子公司提出的s b r p a s s 家庭娱乐通信( h o m e e n t e r t a l n m e n t ，简称h e ) 解决方案中，在用户家中部署运营商的机顶盒( 家庭 网关) ，接入到i p 接入网( 如a d s l ) 中，运营商就可以为用户提供娱乐和通信 相结合的业务，达到三重业务整合，其中包括：视频广播、音频视频点播，视 频电话，电视上网和游戏等等。这样，电视、电话和网络这三个原本毫无关联的 领域即可以在融合的同时创造出全新的通信娱乐业务体验。 在国内，i p t v 作为家庭娱乐中心的一个主要功能，越来越多的得到重视。 i p t v 的基本理念包括数字电视和互动电视两个部分。数字电视是指数据源采用 的不是传统的模拟信号，而是通过i p 网络传送的数字编码信号，互动则是指用 户可以主动的选择一些功能，像使用机项盒任意点播自己希望看到的电视节目， 跳过广告部分，保存自己喜欢的电视节目等。这种视觉上的冲击以及用户操作上 的羽线，使得i p t v 大大确别于传统电视节目。中国电信和中国网通分别与上冉 文广集团合作进行i p t v 的试点。目韵中国电信的试点含上海、广东、浙江、江 苏、山西、四j i l 、福建七个省2 3 个城市。中国网通的i 盯v 试点包拓2 1 个城市， 目酌一期仅在哈尔滨展丌。国内i p t v 解决方案基本都采用机顶盒作为载体，使 用机顶盒作为家庭娱乐中心的媒体工具功能，利用机顶盒实现了用户和运营商之 问的互动，真f 达到了i p t v 的要求。 2 2 跨平台、多请求机顶盒流媒体播放器原型系统 目前国内i p t v 方面的机顶盒厂商很多，标准各异。u t 斯达康、华为、中兴 1 0 等都提供了一整套的i p t v 解决方案，另一些中小型企业像北京汉辰、北京裕兴、 香港东强等则专注于机顶盒播放器的丌发。目酌机顶盒支持的服务器类型，大都 是主流的w m s 、d s s 、h e li xs e r v e r ，三种服务器所支持的编码格式和r t s p 交互 的标准各不相同( 表卜1 ) 。 这种服务器的差异性反而造成机顶盒功能的单一性。在i p t v 实施过程中， 一般只会选择一种服务器作为最终的产品，出于丌发成本的考虑，大部分厂商会 针对这种服务器开发出对应版本的播放器。这种设计是资源的极大浪费，需要厂 商每次针对不同类型的流媒体服务器重新设计开发，增加了机顶盒的流媒体播放 器丌发的成本。表2 - i 反映出机顶盒和手机终端的操作系统多样性。机顶盒的流 媒体播放器对于多种操作系统的支持，可以节约成本，在机顶盒选用不同类型的 操作系统时，播放器程序无需做出过多的修改即可以使用。 针对以上两点，一种跨平台、多请求的机顶盒流媒体播放器，可以节约开发 成本，提高产品开发效率，适应于i p t v 产业的快速转变，有效的提高了机顶盒 作为家庭娱乐中心的最主要功能播放器的丌发效率，对于i p t v 的产业发展 具有良好的推动作用。 2 2 1 原型系统的初步分析 原型系统，不等同于最终实现的机项盒流媒体播放器，仅仅是播放器的概要 实现，能够随着机顶盒应用的操作系统和对应的流媒体服务器的不同，快速升级 成为应用程序。原型系统的通用性，体现在丌发语言与支持服务器类型的通用性 两个部分。语言的通用性主要体现在了跨平台的特点，使得从原型系统到实际应 用产品的转换周期缩短。支持服务器类型的通用性则是多请求流媒体播放器的重 点，使用良好的设计，能方便的扩展模块功能，不断增加可支持的服务器种类， 提升播放器原型系统的价值。 针对跨平台的设计考虑，我们认为标准c + + 语高存多种操作系统中都得到 了很好的支持，同时标准c + + 提供了丰富a p i 函数，使得我们可以利用c 一语言 设计出具有通用性的原型系统。同时原型系统采用c + + 语言编写，能快速的适应 到各类不同的操作系统环境中，简化了从原型系统快速转换为应用程序的过程。 原型系统架构的设计，应该能够符合标准c + + 语言的特性，模块化的设计能够方 便的根据不同类型的流媒体服务器做出扩展，实现对多种流媒体服务器的点播请 求和数掘接收。针对以上两点，我们先从分析普通电脑上常见的流媒体播放器架 构入手。 界面晨 阚韪旋溺 借递参数 鏊溯息发碡獯壤溺 构与处理魔程 界面层是用户最熟悉的部分，通常看到的是各类按钮和操作菜单。界面层响 应用户输入并调用网络层对应函数，然后根掘网络层返回的信息包括解码必 要信息以及缓冲区的读取位置再调用解码显示层。从图2 - 1 可以看出，界面 层到网络层是双向通信的，到解码显示层是单向通信的。网络层是流媒体播放器 中的重要模块，负责播放器与服务器之间的消息交互、数掘接收以及对接收到的 数掘进行第一次整理。其中r t s p 模块与r t p 模块之间是单向调用，r t p 接收摸 块将根掘r t s p 模块传入的参数，到指定的端口接收数掘，并以r t p 数据包为单 位存储到数掘缓冲区。这次存储过程中对数掘不会做任何的处理。显示层是播放 器必不可少的环节。负责解码和显示，将影片展现在观众眼韵。显示层在得到界 面层的指令后，去指定的位詈读取r t p 数据，并在读取的过程中，把r t p 的头部 去除，将数掘还原成以帧为单位并存储到帧数据缓冲区。解码显示模块将定期的 重复这一过程。在通用的流媒体播放器运行过程中，解码显示模块占用了最多的 c p u 资源，有数掘表明在实际运行的播放器系统中，即使是一台带有p e n t l h mi x 2 o o g h zc p u 的台式电脑，解码一部码率为2 m b p s 的m p e g - 4 影片，也需要占用 将近4 5 的c p l 运算资源。但在机项盒这类弱客户端上设计播放器系统，由于d s p 解码芯片的存在，c p u 的主要功能转变为完成网络层与界面层的工作。而嵌入式 浏览器的设计，使得界面层的工作被替代，因此，我们在原型系统的设计中将着 重关注于网络层的设计以及如何有效实现网络层与解码显示层的通讯。针对d s p 解码芯片的存在，我们会留出接口，供只后将原型系统升级为播放器时使用。 1 2 2 2 2 跨平台、多请求原型系统设计 图2 2 显示了一次典型的点播过程所需要经历的过程，在r t p u d p 数掘发送 开始之前的部分都是r t s p 交互，在点播过程中也会发生部分的r t s p 交互，主要 是用户完成暂停、拖动播放或者结束的请求。通过图3 2 可以清楚的看出，r t s p 消息交互和r t p 数掘接收，是播放器与服务器之间通讯所必须的两个环节，也是 确认流媒体播放器与服务器之间能否互通的必要充分条件。可以说，如果一个机 顶盒播放器能够与服务器完成r t s p 交互和正确接收服务器发送的r t p 数据包， 那么解码过程仅仅需要调用对应的解码芯片接口函数即可完成。因此一个机顶盒 流媒体播放器是否是多请求的，主要体现在r t s p 模块和r t p 模块的功能上。 图2 2 典型的r t s p 消息交互与r t p u d p 数据发送接收过程 针对机顶盒播放器原型系统满足多请求的特点，我们对网络模块做了功能的 细分。由于r t s p 消息交互与r t p 数掘接收的不同，我们首先将以上两个模块分 玎。在r t s p 模块的设计中，我们将r t s p 消息的构造和r t s p 消息的传送接收分 丌。消息构造模块是针对不同类型的流媒体服务器完成不同的请求消息生成，消 一_ ， - 息传送接收模块则是将指定的r t s p 消息传送给对应类型的流媒体服务器，然后 接收从服务器返回的信息，并且解析其中必要的数据供进一步r t s p 交互使用， 这些数据包括编码所需的s d p 1 7 信息以及发送r t p 数掘包的基本信息。r t p 数 掘接收模块的主要功能是从服务器端接收数掘并存储在数掘缓冲区中，供解码模 块读取使用。在接收函数中，我们必须做到高效、准确。为了解码模块读取数据， 还必须设计专门的函数来完成从数据组合成帧的过程。这种设计架构，完全符合 标准c + 十类模块功能分离的概念，明晰了各模块的关系以及各自的功能，便于工 程项目的组织和开发过程的调试。关键是，分离式的设计，使得我们可以方便的 扩展每个模块，为最终实现多请求的播放器提供扎实的基础。当服务器类型扩展 时，我们仅需要分别扩展以上三个模块，使得播放器能够构造j 下确的r t s p 请求 消息，能够采用正确的序列发送对应的请求并接收处理服务器的回应消息，按照 r t s p 交互解析的信息，正确的接收r t p 数据包并存储。 界面层 嵌 式测览器 謦 罐娥蠹溺 k 冀固謦憋琶溺 图2 3 弱客户端流媒体播放器架构 根掘以上对网络层的详细分析，以及通常机项盒等弱客户端采用嵌入式浏览 器的原因，我们对播放器的结构模块做出了删节和增补，将原有属于界面层的用 户行为响应模块，加入到网络层中。该模块的主要功能是响应遥控器等用户行为， 4 而解码显示模块保持不变，但是在原型系统设计过程中，我们需要对解码显示模 块预留接口。 2 2 3 原型系统架构简要说明 针对跨平台和多请求的特点，我们利用c + + 语占类的概念，将功能模块分别 设计，功能接近的模块尽量做到调用接口统一。结合图2 3 的结构模块，我们设 计出弱客户端上播放器的原型系统架构，该原型系统主要关注于网络模块的实现 以及网络模块与解码模块之间通信的机制。希望能够提高从原型系统过渡到实际 客户端程序的效率，为日后播放器程序的快速丌发提供便利条件。同时，标准化 的c + + 编程语言，使得原型系统能够方便的在多种平台上移植。 图2 - 4 播放器原型系统架构 如上节所述，r t s p c i i e n t s e s s l o n 类、r t s p c i1 e n t c l a s s 类和c 11 e n t s o c k e t 类完成了流媒体播放器中r t s p 模块的功能。r t s p c j e n t s e s s l o n 类定义了基本 的r t s p 交互集合，如图2 2 所示的d e s c r i b e 、s e t u p