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东北大学硕士学位论文 摘要 基于校园网的视频点播系统的设计与实现 摘要 随着计算机网络技术，多媒体技术和相关硬件等技术的发展，尤其是人们对文化生 活水平的越来越高的需求，视频点播( v o d ) 逐渐成为人们研究的热点课题。在众多的 领域中，校园网在软硬件环境和用户群上都对视频点播有着更大的需求和优势，然而针 对校园网的视频点播系统却少之又少，所以针对校园网的视频点播的设计与实现变得越 来越重要。 本文从基本的视频点播系统结构模型入手，在简单介绍各个组成部分关系的基础 上，提出了视频点播服务器的功能细化模型。并从音视频流的流向着手研究，阐述了视 频服务器、传输网络和客户端典型的关键技术及解决方案。接着通过介绍校园网相关的 技术，并在此基础上将视频点播与校园网相结合，提出了校园网视频点播模型。 在系统分析阶段，先通过总结一些已有的信道调度方案，再根据校园网特点对前人 的研究内容和成果进行合理驳舍，并结合学生使用系统的时段特点，采用了针对校园网 的视频点播特点的快速幂级分块方案。接着通过对该方案的分析和性能研究，验证了它 可以用于校园网中，并且此方案能更好地处理用户的请求并减少其对整个校园网络资源 的耗费。 在系统设计阶段，本文详述了在设计过程中可能遇到的问题，提出并解决了视频点 播系统架构设计、传输协议设计、音视频流处理流程设计和丌发平台设计等问题。在系 统实现阶段，着重阐述了快速幂级方案的实现，在实现上去掉了冗余的客户端缓存的限 制，改进了交互控制并加入补块方式，使客户等待时间变为接近于零。接着对用户计费 和网络接口这二个子系统的实现作了简要的介绍。 最后，本文总结了论文的主要工作，并对下一步的工作，在流式封装、多方案结合 和i p 网的视频点播研究三个方面作了展望。 关键词：视频点播：信道调度；音视频流；流媒体；视频服务器 东北大学硕：| ：学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f v i d e o o n d e m a n ds y s t e mo nc a m p u sn e t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k s ，m u l t i m e d i a a n dr e l a t e dh a r d w a r e t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e so fp e o p l e sc u l t u r el i f e ，v i d e o - o n - d e m a n d ( v o d ) b e c o m e sa h o ti s s u eo fr e s e a r c h i na l lt h e s ef i e l d s ，c a m p u sn e th a sm o r er e q u i r e sa n d p r e d o m i n a n c e si nb o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n ta n du s e rc l u s t e rg r o u p b u tt h e c a m p u sv o ds y s t e mi sa l m o s te m p t y , s od e s i g na n di m p l e m e n tav o ds y s t e mo nc a m p u sn e t b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h eb a s i ca r c h i t e c t u r em o d e lo fv o d w h e nt h ec o m p o n e n to ft h e m o d e li si n t r o d u c e d ，as u b s e c t i o nf u n c t i o nm o d e lo fv i d e os e r v e ri sp u r p o s e d r e s e a r c h e d f r o mt h ed i r e c t i o no fa u d i o v i d e os t r e a m ，t h ek e yt e c h n o l o g ya n ds o l u t i o ns c h e m eo fv i d e o s e r v e r , t r a n s p o r tn e t w o r ka n dc l i e n ta r em a i n l yd i s c u s s e d b yi n t r o d u c i n ga n dc o m b i n i n g s o m er e l a t e dt e c h n o l o g yo fv o da n dc a m p u sn e t ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e sav o dm o d e lf o r c a m p u s n e t i nt h ep h a s eo fs y s t e ma n a l y s i s ，b yc o n c l u d i n gs o m er e s e a r c hr e s u l t s ，an e wc h a n n e l s c h e d u l i n gs c h e m e f a s te x p o n e n t i a lb l o c k i n g ( f e b ) i sa d o p t e d b yp e r f o r m a n c ea n a l y s i n g ， t h i ss c h e m e ，w h i c hc a l lp r o c e s su s e rr e q u e s ta n dr e d u c et h eb a n d w i d t hw a s t e ，c a nb eu s e di n c a m p u sn e t i nt h ep h a s eo fs y s t e md e s i g n ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e sa n ds o l u t e ss o m ed e s i g nq u e s t i o n s ， s u c ha sa r c h i t e c t u r ef r a m e ，t r a n s p o r tp r o t o c o l ，p r o c e d u r eo fa u d i o v i d e os t r e a ma n dd e v e l o p p l a t f o r m i nt h ep h a s eo fs y s t e mi m p l e m e n t ，b ye l a b o r a t i n gt h ei m p l e m e n to ff e bs c h e m e ， t h i s a r t i c l ee x c l u d e st h er e s t r i c t i o no fc l i e n tb u f f e r , i m p r o v e st h ev c rc o n t r 0 1 a d d st h e p a t c h i n gt e c h n o l o g ya n dm a k e st h eu s e rl a t e n c ya p p r o x i m a t e l yt oz e r o t h er e s ti sa b r i e f i n t r o d u c t i o no f o t h e ri m p l e m e n t ，s u c ha sn e t w o r ki n t e r f a c ea n du s e rc h a r g i n gs u b s y s t e m a l o n gw i t ht h ew o r kc o n c l u s i o n o ft h i sa r t i c l e ，s e v e r a la d v i c e sa b o u ts t r e a m i n g e n c a p s u l a t i o n ，m u l t i s c h e m ec o n j u c t i o na n di p b a s e dv o da r ep o i n t e do u ti np r o s p e c to f n e x tw o r k k e yw o r d s ：v i d e o - o n - d e m a n d ；c h a n n e ls c h e d u l i n g ；a u d i o - v i d e os t r e a m ；s t r e a mm e d i a ； v i d e os e r v e r ； - 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他入己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：屏嚎椒 日 期：们己小 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期 东北大学硬i 学位论文 第一市绪论 第一章绪论 随着计算机网络技术，多媒体技术，磁盘、内存和处理器等硬件性能的提高，尤其 是人们对文化生活水平的越来越高的需求，视频点播越来越受到人们的重视。在这种需 求下，视频点播有了一些产品，但它们大多都应用到了娱乐和广告等领域。针对校园网 环境下的视频点播应用还较少，所以校园网环境的视频点播对于促进学校的产业、教学 和科研都有重要的意义。 1 1 课题背景与研究意义 1 1 1 课题背景 本论文是在国家科技部中小企业创新基金基于i p 的视频点播系统( 基金项目号： 0 0 c 2 6 2 113 0 0 5 0 7 ) 这个项目的基础上，针对校园网的特点进行改进，主要论述了一个基 于校园网的采用f e b 信道调度方案的视频点播系统。 基于i p 的视频点播系统这个项目是作者所在课题组的博士生导师高远教授指导的 鄢仁祥博士所做的博士课题，因为i p 网实在是一个异常复杂的系统，变化情况和不可 预知因素太多，作者也实无能力在硕士课题中对其进行研究，加之硕士做毕业论文的时 恻相对短暂，于是作者从一个相对简单的角度进行分析，把这个视频点播在相对较理想 的校园网上进行研究。本文综合考虑基于i p 的视频点播系统这个项目用到校园网环境 下有何冗余，然后就这些地方加以改进。具体表现在： 1 针对校园网的硬件普遍高于广域网和用户点播时段较集中的特点，采用了用 户端高需求的快速幂级分块调度方案； 2 ，针对校园网用户存在频繁的切换行为，将传统的视频服务器专门分出一个处 理校园网用户特定行为的应用服务器： 3 针对校园网用户存在大量的交互式搡作的情况。提出了具有数据缓存、临时 缓存和用户端缓存的多缓存技术； 4 为进一步减小服务等待延迟设计了服务器补块技术： 5 为提高视频点播的服务质量借鉴a t m 的思路，采用了资源许可控制的方法。 东北人学坝l 学他沦殳 第一章绪论 1 1 2 研究意义 网络、多媒体和硬件等相关流媒体技术的提高，为视频点播的发展提供了广阔的发 展平台。 信息化社会的发展，不仅为视频点播提供了大量的素材源，而且也从另外一个角度 刺激了视频点播的需求。 人们越来越不满足传统的电台节目的单向性，人们对交化生活水平产生了越来越高 的要求。作为视频点播需求的施动者i f 址这种越米越高的需求成为视频点播技术发展 的最大动力。 针对校园网的视频点播的研究有如下一些独特的意义： 1 视频点播可促进图书馆数字化建设的发展，可以用于音像的资料的检索。为信 息等数字资源的保存、更新和管理提供了先进手段。 2 随着国家、省市级精品课建设的需求，很多老师都录下了上课的授课内容。但 是这些内容大都闲置着，视频点播系统可以馒得这些资源得到很好的利用。 3 随着教育部教学水平评估的深入展开，开发一个真正可用的校园网的视频点播 系统，可以成为校园网软件建设的一个独有的特色，成为学校接受教学水平评 估的一个亮点。 4 开展视频点播的网络远程教育或者与此相关的培训l 系统，可以使学校的资源面 向社会，提高了学校的社会效益和公共资源的利用率。 5 校园网视频点播对于加强学生的学习效果有重要的意义。它还可以广泛应用于 学校罩的大型会议、学术报告、党的先进性报告的学习，大型赛事和国家重要 会议的校园网转播等。 另外，如同普遍意义下使用的视频点播系统，校园网视频点播对于丰富师生的文化 生活有重要的作用。 所以，一个真正可用的校园网视频点播对于促进学校的产业、教学和科研等各个方 面都有着非常重要的意义。 1 2 视频点播系统模型 一般米髓，一个基本的v o d 系统州分成如下三个部分：服务器、网络和用户。如 图1 1 所示，其中，当视频服务器收到一个点播请求后，服务器就给用户分配一个信道 东北人学碰i 学f t 皓丘 第一章缃i e 1 1 2 研究意义 网络、多媒体羽i 硬件等相关流媒体技术的提高，为视频点播的发展提供了广阔的发 展平台。 信息化社会的发展不仅为视频点播提供了大量的素材源，而且也从另外一个角度 刺激了视频点播的需求。 人们越来越不满足传统的电台节目的单向性，人们对文化生活水平产生了越来越南 的要求。作为视频点播需求的施动行i ：址这利，越米越高的需求成为视频点播技术发展 的最大动力。 针对校园网的视频点播的研究有如下一些独特的意义： 1视频点播可促进图书馆数字化建设的发展，可以用于音像的资料的检索。为信 息等数字资源的保存、更毅和管理提供了先进手段。 2随着国家、省市级精品课建设的需求，很多老师都录下了上谋的授课内容。但 是这些内容大都闲嚣着，视频点播系统可以使得这些资源得到很好的利用。 3 随着教育部教学水平评估的深入展开，玎发一个真正可用的校园刚的视频点播 系统，可以成为校园网软件建没的一个独有的特色，成为学校接受教学水平评 估的一个亮点。 4 开展视频点播的网络远程教育或者与此相关的培训系统。可以使学校的资源面 向社会，提高了学校的社会效益和公共资源的利用率。 5 校园网视频点播对于加强学生的学习效果有重要的意义。它还可以广泛应用于 学校罩的大型会议、学术报告、党的先进性报告的学习，大型赛事和国家重要 会议的校园网转播等。 另外，如同普遍意义下使用的视频点播系统。校园网视频点播对于丰富师生的文化 生活有重要的作用。 所以，一个真正可用的校园网视频点播对于促进学校的产业、教学和科研等各个方 面都有着非常重要的意义。 1 2 视频点播系统模型 一般来说。一个基本的v o d 系统州分成如下三个部分：服务器、网络和用户。如 图l _ l 所示，其中，当视频服务器收到个点播请求后，服务器就给用户分配一个信道 图1 1 所示，其中，当视频服务器收到1 个点播请求后，服务器就给用户分配一个信道 东北火学坝l ：学位论文 第一章绪论 并把音视频流发送剑网络上，网络使用特定的协议( r t p 、r t c p 、r t s p 、s d p 、u d p 、r s v p 、 m u l t i c a s t 等) 完成音视频流的传输。刚户通过联劂设备连接到网络上，从信道上实时 地收看音视频节目。 1 3 关键技术概述 幽1 1 视频点 i i 系统模型 f i g 1 1s y s t e mm o d eo f v o d 从现有的v o d 系统来看，有基于硬件实现的视频点播，如c i s c o 公司的i p t v ；也有 基于软件实现的视频点播，如m i c r o s o f t 公司的m e d i a s e r v e r 。不同的视频服务系统的关 键技术和解决方案都不同。但都涉及大致相同的操作：服务器从磁盘上读取相应的视频 文件，并且按照一定的实时传输协议，把连续影像和声音信息封装成一个个独立的媒体 数据包，向客户端连续、实时地发送；客户端创建并且维护一个缓冲区，一边将收到的 媒体数据包放入缓冲区，一边读取缓冲区内的媒体数据进行播放“1 。按照此流媒体的概 念，将基本的视频点播系统结构模型的服务器部分进行功能分析可以得到了图1 2 所示 的视频服务器的功能细化模型。 j 叠 务 器 服 务 措 n 信道n 幽1 2 视频服务器功能细化模型 f i g 1 2 t h es u b s e c t i o nf u n c t i o nm o d e lo fv o ds e r v e r 东北大学颂i j 学位论文 第一章绪论 根掘图1 2 ，按音视频流的流动方向，在服务器端音视频数搬要经过编码存储、磁 盘读取、数捌流式封装、信道调度等多个环节。其中各个环节涉及的技术问题各不相同， 下面针对每一环节的相关问题来阐述关键技术及解决方案。 1 3 1 编码存储 如果不经压缩直接存储视频帧序列，以普通的电视输出的视频质量为标准，那么一 张6 5 0 m 的光盘只能存储1 3 秒长度的多媒体数据。为了解决服务器海量数据的存储问题， 基于音视频流的压缩技术成为很好的解决方案。出现了很多优秀的编码方案：关于电视 电话的视频编码标准h 2 6 1 和h 2 6 3 ，关于运动图像的编码标准m p e g 一1 ，m p e g 一2 和 m p e 6 4 等。w i p e 6 - 4 标准更是将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，为多媒体 通信及应用环境提供标准的算法。其视频编码技术采用了现代图像编码方法，利用人眼 视觉特性，从轮廓、纹理的思路出发支持基于内容和对象的编码，支持基于内容的交 互功能。m p e g - 4 视频编码j 下在从基于像素的传统编码向基于对象和内容的现代编码转 变。 另外，编码存储要考虑波动的网络带宽的影响。高压缩率的分缎编码技术是很好的 解决途径。它能根据带宽而自适应变化的视频码流，以满足不同质量的服务。为了更好 的适应多变的网络可用带宽，要求压缩一次后可以实现以多个帧率、多个空间分辨率、 多个视频质量进行解码。从而仅用一个可调整的码流就可以支持所有的用户“1 。分层可 扩展编码( 又叫分级压缩编码) 由此产生。它主要分为时域可扩展性、空域可扩展性和 质量可扩展性。m p e g 一4 提出了可精细扩展编码“”( f g s c ) 和渐进精细可分级编码( p f g s c ) ， 它可以动态的适应带宽的变化。 1 3 2 磁盘读取 音视频流经过高压缩比的编码存储后，仍然占据很大的磁盘空间。从磁盘上读取数 据，要经过磁头寻道、磁盘旋转、数据读墩等许多操作。采用更高转速的磁盘可以加快 磁盘寻道，如1 0 0 0 0 转或1 5 0 0 0 转的硬盘，从而提高读取数据速度。采用新的磁盘接口， 如不用i d e ，而采用s c s i 或f c 接口类型的硬盘，尤其是光纤接口的高带宽特性，可以 大大提高数据读取的速度。一般来说：一个给定的磁盘，它的磁盘旋转和数据读取的速 度都已经固定，所以读取数据的快慢一般都墩决于磁头寻道时阊的长短。解决的方案有 磁盘区域算法，它将磁盘分成若干区域，节日按照一定的规则放置在这些区域内，磁头 东北大学坝i ：学位论义 第一章绪论 只在同一区域内移动，从而减少了磁头的斗t l 对移动时间。另外，避免存储碎片的产生 也可以减少磁头频繁的移动寻道时问，从而减小磁擞的读取时川的浪费。 1 3 3 流式封装 当数据从磁盘读取出来后，需要提取时序信息，再根据码流速率计算分组大小，最后 可能再次进行磁盘访问力将分组发送至删络形成媒体流，该过程多次访问磁盘且计算量 非常大，因此成为制约大型服务器性能的瓶颈因素。存项目研发过程中，由于大部分人 过多地重视信道调度策略。流式封装的问题很容易被忽视。在v o d 服务器运行过程中， 当有新建的连接请求时，常常在生成媒体流的初期产生c p u 的处理瓶颈。尤其是基于分 块的流调度方案，c p u 的使用率会有十几秒钟都是1 0 0 。这时严重影响了其它视频流 的发稚和后续的点播请求的响应。解决该问题的方法主要有索引文件和分组存储方式， 它们一般都是将实时的c p u 时间复杂度转化成平时的磁盘空间复杂度。分组存储策略通 过预先分析媒体数据的结构与组织特性，可针对文件系统采取高效的存储和磁盘调度策 略，将媒体流生命期提前到数据存储之时，从而降低后续计算，减少磁盘访问频率，提高 媒体服务器的服务能力。”。在v o d 服务器上采用分组存储策略可显著减少生成媒体流的 系统开销，从而有效提高系统性能。 1 3 4 信道调度 信道调度算法在对v o d 系统资源的有效利用中起到了十分重要的作用。关于如何分 配信道，各信道削如何进行调度是视频点播服务器中最具特色的解决方案之一。方案的 分类方法有很多，各种不同的方案又相互借鉴、互相补充和互相融合，很容易让人混淆 它们之白j 的区别。鄢仁祥给出了一种较为合理的信道调度方案的分类方法，如表i 1 所 示。 表l | l 信道调度方案分类 t a b l e1 1t h ec l a s so f c h a n n e ls c h e d u l i n g 按照信道调度的执行情况，调度算法可以分为静态调度算法和动态调度算法两种。 针对点播频率低一些的冷门节目，系统一般采取用户拉方案，其又可以分为批调度方案 和补块方案，它们都属于信道动态调度算法：而针对流行度比较高的热门节目，系统一 东北人学坝l ：学位论文第一牵绪论 般采取服务器推方案，其又j 分成二淮预墩式方案和坝墩式方案，它们都属于信道静态调 度算法。 典型的算法有先来先服务算法、向前调度算法、补丁算法“”、批处理算法、 p i g g y b a c k i n g 算法、s t r e a m ir l gt a p p i n g 算法”1 、周期广播算法“1 、金字塔算法“”、 摩天大楼算法“4 等。 1 ，3 5 交互控制 主要包括用户与服务器的交互式服务。由于提供完全的交互式服务需要占用很多的 系统资源，许多应用中的视频点播系统仅仅提供有限的或不完全的交互式服务如暂停、 跳跃式的快进快退等。另外，在使用基于多点播送技术的流调度策略的时候，出于不同 用户的信道并不独立，这给交互式服务的实现带来许多困难。 但是一个实际的v o d 系统必须提供交互能力。即允许用户通过v c r 功能( 如暂停、 恢复、快进、快退等) 与服务器进行交互作用。其中，暂停和恢复实现起来不太困难。 对于信道独立的用户，暂停和恢复只需要简单的通知服务器即可，而快进和快退可以通 过传输关键帧的方式实现，但可能需要占用较多的服务器c p u 处理时间或网络带宽。而 对于采用分块方案的系统，用户的信道问是不独立的，在这种情况下用户无法独立地、 实时地控制视频。当一个交互操作发生时，用户不得不离开当前的共享音视频流而去寻 找另一个音视频流，这样就给系统的设计增加了难度。恢复时延是在一个用户执行一个 操作到恢复视频难常播放的时问问隔。它是v c r 控制的一个重要性能参数。因为太长的 响应时间会中断用户的思维或让人不耐烦，从而使得用户的拒绝率大大上升。 1 3 6 分布式技术 随着v o d 规模的不断扩大，传统的视频点播系统的瓶颈越来越明显。为了解决上述 问题，可将视频服务器的功能分布到分布式环境中去，形成分布式的多服务器解决方案。 采用分椎式系统结构就容易解决在集中式系统结构中可能出现的瓶颈问题，如果结构设 计合理，b p 使使用普通的计算机作为分枷式的网络结点，整个分机式系统也能提供很高 的服务水平。 分布式解决方案有多种实现方式。如图1 2 所示，只要能提供对外的透明性，各个 服务器之间可以采用多利t 连接结构，图1 2 中服务器问的多个省略号表示之间各种结构 连接的灵活性。另外，在满足透明性的河提下，甚至每个服务器个体也可以有各自不同 东北人学硕i ：学位沦文第一章绪论 的实现方式。如其中的服务器n ，和服务器l 的内部实现可以不i 剥，它采用了封装的缓 存管理器、读取器、封装器和发送器棚结合的技术，可以大大简化分枷式服务器的难度。 而且一个服务器个体可山多个缓存管理器组成，服务器n 中的省略号表示多个缓存管理 器之间又可以形成一定的逻辑关系。 在分相式的解决方案中又引出了新的问题，如数据放置策略、磁盘调度算法、流调 度策略、缓存管理、多服务器协议延迟、负载平衡等技术。 1 3 7 多播 多播从协议实现上可分为网络层多播和应用层多播，多播从硬件实现上可分为路由 器多播和交换机多播。i p v 4 中定义了三种数据包：单播、子网广播和多播。单播是指 两个i p 主机间进行的数据传输，这是最常见的i p 数据包；子网广播指的是在l p 子网 内广播数据包，所有在子网内部的i p 节点都能收到这种数据包；多播是指在i n t e r n e t 网上对一组i p 站点进行数据传送，这一组i p 站点是动态形成的，每一个i p 站点都可 以动态地加入或退出该组。 组播地址采用i p 地址分类中的d 类地址，其范围从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ， 其中2 2 4 0 0 0 到2 2 4 0 0 2 5 5 为保留的本地连接地址，用于系统预先定义好的一些设 备，如2 2 4 0 0 1 代表予网中的所有主机系统，2 2 4 0 0 2 代表网络中的所有路由器。 2 3 9 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 类似于r f c1 9 1 8 定义的单播的私有地址空问，用于各个 私有的组播网。按照中国教育科研网( c e r n e i ) 公前i 的组播地址分配策略，地址管理域分 为4 层：i n t e r n e t 范围，c e r n e t 主干网、省网、校园网，各层的地址范围划分如下： i n t e r n e t 范围的组播地址空间：2 3 3 1 7 1 8 6 0 2 4 c e r n e t 全网范围的组播地址空问：2 3 9 2 5 1 0 0 1 7 省网范围的组播地址空间：2 3 9 2 5 1 1 2 8 0 1 8 校园网范围的组播地址空间：2 3 9 2 5 1 1 9 2 。0 1 8 i p 多播的使用不是很广，因为网络层需要尽可能的简单，而多播的p i m 的稀疏模 式和密集模式都很复杂，它们都在无形中给路由器增加了很多的负担。人们纷纷将关注 的焦点从i p 多播转移到了应用层多播”1 ，但是局域刚多播却有着很强的生命力。 在局域网中，将采用新的支持多播技术的网络交换机，这样可以避免采用传统交换 机可能会造成网络捌塞，因为传统的局域 5 9 交换机工作在第二层，不能完成多播数据的 分离。 东北人学坝i 。学位论文第一帝结论 1 3 8 客户补块技术 先来看一下网络性能的发展。在通信业务c 卜，电话是实时要求很高的业务，如果网 络能很好地承载电话业务，就能很好地承载其它实时业务。根据国际电信标准化组织的 研究结果，认为对于以分组方式来传输 乜话业务，如果要获得优质的语音，其往返时延 ( r t t ) 应小于3 0 0 m s ，时延抖动( j i t t e r ) 应小于7 5 m s ，丢包率( p a c k e tl o s s ) 应小于 1 2 5 。 目前，路由器技术提高很快，世界各主要的骨干网络的性能不断提升。据统计，北 美之问r t t = 6 9 4 4 m s ，丢包率= 0 1 4 ，西欧内任意两点间r t t = 4 2 9 7 m s ，丢包率= 0 3 0 。 应该说，用这样的网络去开发电话业务。可以获得与传统电话相同的质量。当然，由于 目前传送网技术的高速发展，特别是d w d m 技术的应用，相对来蜕应用业务发展得比较 缓慢，因而全网处于轻载的状态。网络中业务的增多会导致网络处于相对重载的情况， 使得如上的测量结果将有所不同。这些数据的提高至少说明两个方面的问题：其一，近 年来路由器技术发展迅速，各项主要技术指标都有长足的进展，从而使性能有了大幅度 的提高：其二，只要使得某一类业务不是处于过载运行，网络就能保证业务所需要的服 务质量”。 正是这些网络技术的发展和各个性能参数的提高，使得客户补块技术成为可能。用 户在为自身播放节目的同时把后续用户需要的部分节目在网络上传送，作为对服务器 发送节目流的补丁流，从而节省其它用户从服务器请求补丁流消耗的服务器及主二f 网带 宽1 。之所以后续用户赶得上接收前面用户节目尾的补块流，是因为前面用户节目头的 播放推迟了节目尾的传输，因此这是一种与代理节目头缓存相结合的流调度方案，节目 尾的各个分段在局域网上的周期性的发送，满足了任意大用户点播强度对尾部的需求， 即能够支持无限用户的请求。 客户补块技术是在代理缓存和多播技术的基础上，引进用户端参与调度的技术。被 指定用户即作为网络资源的利用者又作为服务器为后续用户多播节目补块，而并不增 加自身的i o 带宽负担，有效地利用了服务器及网络带宽资源“。 1 3 9 音视频同步 同步控制机制主要是包括了两方面的控制：第一是在接收端，音视频媒体流经过解 码、回放时的同步控制也就是保证音视频媒体流的同步播放，称之为音视频流流问同 东北人学坝i 学位论文 第一章绪论 步控制；第二在回放时，音视频f ( ! i i 体流各自内部的数据分组的同步控制，也就是保证各 自的媒体流按照自身分组顺序播放，称之为音视频流流内同步控制”。从采集音视频开 始时，为每帧数据分别打上序号和时i b j 戳，序号、时问戮这些时间信息将随着编码数据 一起分组封装发送。因为音频的采集远远比视频采集得快。假殴视频采集帧率为3 0 帧 s ，即可采集一帧视频图像的时间为1 3 0 ，而音频采样率为4 4 1 0 0 ，每个采样点以8 b i t 表示，则在采集一帧视频图像的时阳j 旱采集到的音频是4 4 1 0 0 3 0 = 1 4 7 0 帧。然后将这 1 4 7 0 帧音频封装成数据分组。然而视频、音频的编码速度又是不一样的很显然，音 频的编码要比视频的编码快。这个主要取决于视频、音频编码算法的差异。如果不考虑 对视频编码算法的改进，如何保证视频、音频编码后，同一序列号的数据分组能同时发 送呢? 以往，对于这种编码打包延迟，通过选用合适的分组大小因素来控制，或者使用 这样的方法：在视频、音频在编码后，发送前，将数据分组先进入发送端的缓存区，当 缓存区存在序列号相同的视频、音频数据分组时，将相同序列号的数据分组通过s o c k e t 同时发送出去。当到达接收端时再对数据分组进行排序，往主从关系的音视频流间同步 的算法，一般以音频数据为主媒体流，视频数掘为从媒体流，只有音频数据上有时间戳， 采用音频数据的播放时钟作为基准时钟进行对视频播放的控制”1 。然而，由于视频显示 的特点，过快播放的视频帧山于停留的时间过短，给人造成主观感觉播放的帧率比实际 的播放帧率偏低。这种同步控制算法的特点，与主从关系的音视频流f b j 同步的算法不同， 是一种对等关系的音视频流问同步。音频数据和视频数据都有时间戳，从采集、编码、 发送都保证音频和视频的同步。在接收端，音频，视频的播放是独立自主的，在偏差允 许范围内，达到同步播放的效果。山于很多算法对系统资源的占用较高，有待于人们进 一步的优化研究。 1 4 校园网视频点播模型 校园网系统可分为信源、信道、信宿三部分组成，分别对应校园网络中的网络中心 机房、园区局域网络和在校师生用户( 宿舍、教室、住家) 。当一个用户提出视频点播 请求，服务器系统将点播的视频流打包成数掘包通过校园网送至用户端，用户通过联网 设备实现动态视频的实时播放。点播的节目使用数字方式，以流媒体形式传输。下面分 别从校园网的硬件、软件和用户的角度阐述校园网视频点播不同于广义概念下的视频点 播的特点。 东北人学颂i 。学位论史第一章绪论 1 。4 1 校园网的软硬件特点 随着教育部教学水平评估的全面展，i ：，很多高校以评估为契机从以评促建的原则 出发，坚持以评促改、以评促管、评建结合、重在建设的评估指导思想。花大力度进行 了学校整体的硬件、软件建设，各高校的校园网都有很大程度的提高。随着新校区的扩 建，多个学校的合并，校园网逐渐呈现了一些规模大的特点。校园网从单纯的教学型校 园网逐渐扩大到了包含学生宿舍楼和教师家属区在内的综合性的校园网，甚至许多学校 的学生社会化公寓也并入校园网系统中。很多学校都有很大的校园网带宽，有些学校校 园网的主干线路都升级成千兆光纤的链路。各种网络服务器、工作站、交换设备( 交换 机、路由器、集线器等) 和用户端讣算机等在配置和性能上都有了很大的提高。 就拿东北大学秦皇岛分校来蜕：近年来校园网建设发展较快。校园网就包含主教学 楼、地质楼、基础楼、实验楼、经管楼、图书馆等楼宇。当然学生宿舍楼和家属楼、鹏 远公寓等从技术上也可并入校园网系统，通过千兆光纤连接当公共网上。 软件建设主要表现在行政方面的管理软件，如招生、学籍档案、人事管理、教师工 资管理等系统；教学方面的辅助软件，如课件制作平台、排课、网上考试、网上答疑等 系统；教学资源库方面的建设，如课件、教案、题库、论文库、电子图书馆等。但是， 校园网视频点播方面的建设较少。 1 4 2 校园网的客户特点 校园网的用户大部分为学生和教师，还有一些工作人员和受培训人员等。针对其它 类型的视频点播系统的用户而言，校园网用户最大的不同特点就是他们属于高需求用户 群，这反映在他们的点播行为、节目的切换频率、节目的交互控制、节目的类型等。如 果节目类型属于授课内容，则校园网用户往往会产生很大的交互式( v c r ) 操作，这就 对系统的方案设计提出了很高的要求。 举例来说，对于很多节目，校园网用户不能像普通用户一样完整地从头看到尾。比 如，有一些领导或教师由于出差或者课时浏不歼，错过了一些学校或其它的一些重要会 议，当他使用视频点播系统检索会议内容时，对于会议的一些丌幕介绍可能都被跳过去 不看。而对于一些考研需要快速复习的学生来说，他可能某一章节的一个例题不明白， 所以让他从头看到尾只为那一道例题是不现实的，他必然会产生大量的交互式操作。即 使不是会议或课掌录像文件，对于电视剧或i n 影等，很多学生都不愿意看那儿分钟的序 东北人学顾i j 学位论文第一章绪论 幕，他们大多都会跳过这个片断。或者某个节目看了儿分钟，觉得不对胃口，很快又点 播另外一个节目。这些v c r 操作的例子还有很多，即校园网用户的这些特点将影响到系 统模型的设计，有时需要对基本模型的某个部分进行改变。 1 4 3 校园网视频点播模型 根据如上对视频点播基本模型的了解，考虑到当前校园网的硬件、软件特点，根据 学生的使用系统的特点，就可以将基本的视频点播模型改造成适合校园网特点的校园网 视频点播模型，如图1 3 所示。 幽1 3 校嗣网视频点播模! i ! ! f i g 1 3v o d m o d e lo f c a m p u sn e t 正是出于校园网用户的大量的交互式操作，所以将传统的视频点播服务器从频繁变 化的用户请求中分离出来，专门用一个视频应用服务器来满足这方面的需求。即将图 1 1 的服务器拆成两个部分：溉频应用服务器和视频数据服务器。视频应用服务器负责 用户管理、用户请求的交互及视频数据服务器的管理；而视频数据服务器负责所有节目 的存储和发送。它除了将节目发送到用户以外，还需要从视频应用服务器接收命令，响 应视频应用服务器的管理请求等等。图1 3 中视频应用服务器右侧的双向箭头表示它处 理与用户的信息交互，当它处理完用户的最终点播行为后，就通知视频数据服务器，然 后视频数据服务器向用户单向发送视频节目。这样视频数据服务器就可以从不断变化的 用户交互行为中所解脱出来。 另外，根据学生复习时段比较集中的晚上和周末的特点，对不同的时段采用不同的 流调度策略。视频应用服务器可以更好地处理学生的请求，减少视频点播对整个校园网 络带宽的占用。 东：陀欠学坝l ：学值论文 第一章绪论 1 5 论文结构 本文从基本的视频点晰系统结构模型入手，在简单介绍各个组成部分关系的基础 上，提出了视频点播服务器的功能细化模型。并从音视频流的流向着手研究，阐述了视 频服务器、传输网络黎l 客j 二- 端典型的关键技术及解决方案。接着通过介绍校园网相关的 技术，分析其不同于基本模型的特点，并在此基础上将视频点播与校园网相结合，提出 校园网的视频点播模型。 第二章对首先视频信道调度方案发展从分块的角度进行了深入的介绍，通过总结 些附人的解决方式和成果，在针对校园网的环境下，将前期研究内容的扩展幂级方案进 行合理的取舍，然后就适合校园网的分块广播方案快速幂级广播方案进行了研究， 着重其性能进行了分析，i 正明其可应用在校园网环境下。 第三章针对校园网视频点播系统模型，详细分析了在设计的过程中可能遇到的闷 题，提出并解决了开发平台设计、视频点播系统架构设计、视频格式设计、传输协议设 计、音视频流处理流程设计等问题。 第四章在结构设计的基础上综合考虑各种具体的实现环节。分别从快速幂级方案系 统、用户计费子系统和网络接口予系统三个方面来阐述具体的实现过程。其中详细介绍 了此v o d 系统中最关键的部分f e b 方案的设计与实现。此方案去掉了冗余的客户端缓存 的限制，又加入补块方式，很好地利用了学生上网时段集中的特点，使客户等待时间变 为接近于零。另外，为了更好的交互控制，引入了一些时下较流行的酐技术和路由通 告的机制。 第血章为结论和下一步的工作展望。 1 6 小结 当前较成熟的视频点播系统大都是专用视频服务器的产品，但是它的高价格、高复 杂性令众多用户望而却步。而且基于这些g # - r j 硬件设备的服务器，它的兼容性和可扩展 性较低。这些从一定程度上龈割了视频点播的推广，所以很多人员都考虑软件的解决方 案。软件的解决方案在降低成本的同时，又提高了系统的灵活性。进步来说，校园网 环境下的应用又不同于广义环境下的应用。加之对于专门为学校这种视频点播系统的软 件解决方案的设计和实现都是少之义少，1 2 ；_ | 此，根据对基水视频点播模型的了解，考虑 到当前校园网的硬件、软件特点，再根据校园网用户的特点，设计和丌发一种符合校园 东j t 人学坝1 ：学位论文第一章绪论 刚特色的视频点播系统对于推动学校的教学和科研郜有着非常重要的意义。 东北大学硕i j 学位论文 谤二章视频点播调度方棠分析 第二章视频点播调度方案分析 信道调度方案在对v o d 系统资源的有效利用中起到了十分重要的作用。关于如何分 配信道，各信遭嘲如何进行调度足视频点播| j 枝务器t 杠最具特色的解决方案之一。方案的 分类方法有很多，各种不同的方案又相互借鉴、互相补充和互相融合，很容易让人混淆 它们之问的区别，本章首先对已有l i , j f l ；通调皮方案进行总结和对比分析，然后从扩展幂 级方案中进行改进，最后在校园删的特j 曩的基础上分析了快速幂级方案”2 ”。 2 1 信道调度方案简介 传统的视频点播最容易耗尽的就是信道资源，所以很多文献都围绕着如何共享、减 小和节省服务器的信道资源展开研究，形成了种类繁多的、各具特色的视频点播信道调 度方案。 最开始出现的信道调度方案应该要算准视频点播系统。它是将整个节目在不同的时 间问隔广播到网络上，比如一个6 0 分钏的节目，它可以每6 分钟广播一次，共使用i o 个信道进行广播，这样用户的等待时问最长就是6 分钟。用户端只需要一个信道带宽进 行接收节目，用户端的额外缓存为0 。 接下来就出现了等分分块的信道发送策略，它不是将整个节目都通过一个信道发送 出去，丽是将一个节目分成若二_ i 二棚等大小钓块，镪个块樗按燃准视频点播系统的方式进 行发送。比如个6 0 分钟的节日，将它分成l o 块，兆使用l o 个信道进行广播，这样 用户的等待时间最长就是6 分钟。这一点与准视频点播系统相同，等分分块的好处是每 个分块的循环周期大大缩短，上面的循环周期为6 0 分钟，而等分分块的循环周期仅为 6 分钟，用户端只需要一个信道带宽进行接收节日，用户端的额外缓存为0 ，但是用户 端需要进行信道切换。 在等分分块的基础上，人们又考虑将分块分成不等的大小。这样就可以减少服务器 端的信道占蹦，这些4 i 等块信道谢发方案的基本绿魁都是第一个分块较小，后面的分块 逐渐增大。比如金字塔广4 插方案，摩天大楼广插方案，和谐广播方案，这些方案在服务 器端执行后，服务器端的信道就不变了。一般也称这些算法为静念调度算法或热门节目 涧度算法。 盒字塔方案的思想是节目分出几何序列增长的分块，举例米 兑它的分块序列比为1 ： 东北人学烦i 学位论文筇一，翠桃频点播蝴度方粜分析 2 ：4 ：6 ：8 ，分块以播放的速率发送到信道上，然后每个分块在自己的信道上循环广播。 于是，金字塔分块的服务延迟就是第一分块的大小决定的，它的一个缺点是用户端所需 要的缓存有时会达到整个视频文件的9 0 。 摩天大楼方案的思想是将节日分成一些预定义的序列，举例来说它的分块序列比为 l ：2 ：2 ：3 ：3 ：3 ：4 ，它的分块图形非常像一个非常陡的摩天大楼的样子