（计算机软件与理论专业论文）支持视频直播与点播统一建模的coopstreaming系统设计与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 近年来，p 2 p 技术的发展促进了它在许多领域的深入应用，特别是与流媒体 技术的融合导致了p 2 p s t r e a m i n g 这一新兴技术的产生和发展。p 2 p s t r e a m i n g 技 术利用p 2 p 技术的优点，能够有效的解决在现有网络带宽和资源都十分有限的情 况下传统媒体服务系统的瓶颈。 c o o p s t r e a m i n g 是在个在对视频直播和点播统一建模的基础上开发出的一 个可扩展的p 2 p s t r e 幽m g 系统。 论文首先介绍了p 2 p s t r e a m i n g 技术的研究和应用现状、应用平台以及p 2 p 和流媒体的相关技术。 然后，以数学建模的方式对c o o p s t r e a m i n g 进行可扩展化建模。模型吸收了 b t 模型的一些算法和思想，比如管道、c h o k i n g 算法、t i t - f o r - t a t 博弈效率等，在 此綦础上建立了c o o p s t r e a m i n g 的直播模型，并根据点播和直播的共通性对直播 模型的参数进行范围调整，进而得到c o o p s 订e a m i n g 的点播模型，又以更严格的 参数性能标准对直播模型进行重定义，进而得到c o o p s t r e a m i n g 的高实时性视频 会议模型。 论文的第三章利用随机过程以及随机服务系统理论对c o o p s t r e a m i n g 媒体服 务的特定情况进行了初始定义，并以此推导出系统网络数据传输流量的变化，进 而采用随机优化的各种方法来制定系统网络数据流量的分布调整策略，使得媒体 数据能够以分散传输的模式来满足t c p 友好的先决条件。 论文的第四章使用聚类分析的各种方法对c o o p s t r e a m i n g 实时监控并记录的 各方面数据进行了分析及分类，为系统的各种调度和优化提供必要的参数，进而 达到优化调度算法的目的。 c o o p s t r e a m i n g 的实现具有以下特点：1 ) 基于静态和动态策略相结合的随机 选择与调度算法，提高了p 2 p 点播网络的构建效率；2 ) 采用离散化请求和利用 p 2 p 方式消除客户端对服务器的依赖的策略，解决了传统点播系统所存在的大量 用户长时间频繁请求的问题，并提供具有较高精度和流畅性的v c r 操作；3 ) 由 多源间步树的构造和动静态结合随机的直播方式来共同实现视频会议的功能，扩 大系统多源同步播放通道的容量，减少会议音视频数据的传输延时。 关键词：p 2 p s t r e a m i n g 视频直播点播随即过程聚类分析视频会议 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fp 2 pt e c h n o l o g y 伊黜瓤d e 印a p p l i c a t i o n i am a n yf i e l d s 。e s p e c i a l l yt h ec o m b i n a t i o no fp 2 pa n ds t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y b r i n g san e wt e c h n o l o g y p 2 p s t r e a m i n g t h i st e c h n o l o g yu s e st h ee x c e l l e n c eo fp 2 p t e c h n o l o g yt oe f f e c t i v e l ys o l v et h eb o t t l e n e c ko ft r a d i t i o n a lm e d i as t r e a m i n gs y s t e m o nt h ec u r r e n tn e t w o r kw i t hl i m i t e db a n d w i d t hm a dr e s o u i c e c o o p s t r e a m i n gi sas c a l a b l ep 2 p s 廿e a m i n gs y s t e mb a s e o nau n i f o r mm o d e lo f l va n d v o d f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea c t u a lr e s e a r c h ，a p p l i c a t i o na n dp l a t f o r mo f p 2 p s t r e a m i n g t h e n ，m o d e l i n gf o rt h es y s t e mb ym a t h t h em o d e lo fs y s t e ma s s i m i l a t e ss o m e a l g o r i t h ma n dt h o u g h to fb t ，s u c h 鹋p i p e ，c h o k i n g , t i t - f o r - t a ta n d s oo n 。o nt h eb a s e m o d e l i n gt h el vo fs y s t e m 。t h r o u g hb y t h ea d j u s t m e n to fm o d e lp a r a m e t e r s ， m o d e l i n gt h ev d o o fs y s t e m t h em o r es t r i c tl i m i t a t i o no fm o d e lp a r a m e t e r so nt h e l vm o d e lg e t sam o d e lo f v i d e om e e t i n gw i t hh i g hq u a i l t yo f r e a l - t i m e r e l i n go ns t o c h a s t i cp r o c e s s e sa n ds t o c h a s t i cs e r v i c es y s t e mt h e o r yt og i v ea i n i t i a ld e f i n i t i o no fs p e c i a ls c 詹n e , a n dd e d u c e st h ec h a n g er u l eo fd a t af l o wo ns y s t e m n e t w o r k 谢mi t t h e nu t i l i z i n gs t o c h a s t i co p t i m i z a t i o nm e t h o d st oe s t a b l i s ht h e s t r a t e g yt od i s p e r s et h ed a t af l o wo ns y s t e mn e t w o r k t h es t r a t e g ym a k e st h es y s t e m n e t w o r ka c c o r dw i t hat e p - f r i e n d l yc o n d i t i o n ， t h ep a p e ru s e sk i n d so fc l u s t e r i n ga n a l y s i sm e t h o d st oh a n d l et h ed a t at h a t s y s t e mm o n i t o r sa n dr e c o r d s ，a n dg e tm a n yu s e f u lr e s u l tf o rs y s t e ms c h e d u l e ra n d o p t i m i z a t i o n 。s ot h es y s t e mc a l la c h i e v et h ep u r p o s e t oo p t i m i z et h ea l g o r i t h m s 。 c o o p s t r e a m i n gh a st h r e ef e a t u r e s ：1 ) t h er a n d o mc h o i c ea n d s c h e d u l e ra l g o r i t h m s b a s e d - o nt h ec o m b i n a t i o no fs t a t i ca n dd y n a m i cs t r a t e g yh i 曲l yi m p r o v et h ec o n s t r u c t e f f i e i e n c yo fp 2 pn e t w o r kf o rl v ；2 、t h eu s eo fd i s c r e t er e q u e s ta n das t r a t e g yt o e l i m i n a t et h ed e p e n d e n c eo fc l i e n to ns e r v e rs o l v e st h ec i r c u m s t a n c et h a tag r e a td e a l o fc l i e n t sr e q u e s tf r e q u e n t l ya n dl o n go nt r a d i t i o n a lv o ds y s t e m ，a n dp r o v i d e sa b e t t e r p r e c i s i o n a n df l u e n c yf o r v c r ；3 ) c o n s t r u c t i n gt h em u l t i p l e s o u r c e s y n c h r o n i z a t i o nt r e e sa n du t i l i z i n gl vm e t h o dw i t hs t a t i ca n dd y n a m i cs t r a t e g yt o i m p l e m e n tv i d e om e e t i n gg i v eac a p a b i l i t yo f m o r ec h a n n e l sw i t hl e s sd e l a y k e yw o r d s ：p 2 p s t r e a m i n g ，l i v ev i d e o ，v o d ，s t o c h a s t i cp r o c e s s e s ，c l u s t e r i n g a n a l y s i s ，v i d e om e e t i n g 1 l 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1p 2 p s t r e a m i n g 起源和发展 第三代p 2 p 下载软件b t 1 1 ( b i t t o r r e n t ) 的成功应用和推广，给多媒体传输 架构的改进带来了新的亮点_ p 2 p s 仃e 锄i l l g 技术的出现。它能有效的提升网络 和p c 的利用率，提升多媒体服务系统的用户量和播放质量。但是b t 的缺陷在 于它的传输协议不是t c p 友好的，影响了一些正常的应用，典型的如两页浏览 等，因此p 2 p s t r e a m i n g 技术必须以t c p 友好控制技术作为其核心思想的一部分， 才能够适应在现有网络条件下的大规模应用。目前，以p 2 p s t r e a m i n g 思想实现 的系统【2 1 已有一些进入试运行阶段，雨且效果都不甚理想，有很大的局限性， 比如初始延时过大等等。此外，视频压缩仍是实现视频流媒体网络传输的核心， 而p 2 p s t r e a m i n g 技术是对系统容量的进一步提升，两者的结合才能更好的实现 一个高容量( 超过上亿用户) 的多媒体传播网络。 针对p 2 p s t r e a m i n g 的研究主要分为两个方向，固定拓扑和随机拓扑。在固定 拓扑方面，主要有c o o p n e t ( 3 】，n i c e 【4 】，z i g z a g 【5 】，s p l i t s t r e a m 【6 】a n ds p r e a d l t 【7 】等，它们主要是建立比较稳定的单树或多树结构来分发媒体流，因此不适合 频繁断线的网络环境，但是在高带宽下也是不错的方案；随机拓扑方面又分为两 类：查找选择和随机选择。查找选择的协议有c a n 【8 】，c h o r d 【9 1 ，a n dp a s t r y 【i o 等，咀此实现的系统有c f s 1 1 】a n dp a s t 【1 2 等。随机选择的协议有 c o o l s t r e a r n i n g 1 3 中使用的g o s s i p - b a s e d 协议【1 4 】等，由于随机选择不依赖于某一 个特定结点，所以对频繁的网络断线有很好的适应性，对画面的质量和连续性能 有很大的提高。 现在。比较流行的p 2 p s t e a m i n g 软件最主要的有三种即：p p l i v e 、p p s t r e a m 和c o o l s t r e a m ( 后续产品为r o x ) 。其中，p p l i v e 用户人数比较多，画面质量较 好、下载上传比约为2 ：1 ；p p s t r e a m 下载上传比较高，约为l o ：9 。这些软件采 用了和b t 类似的技术，所以也继承了b t 技术所具有的特点：用户越多，下载 速度越快。基此，它们能够实现网上一定规模( 千人数量级) 的视频直播，能够 有效地解决当前网络视频直播服务的带宽和负载有限的问题。 这些软件在播放时数据缓存在内存里，能够快速读取。其中，c o o l s t r e a m 的 缓冲时闯最长，大概有1 分多钟，而且可能会出现缓冲未完成时又重新缓冲： 6 浙江大学硕士学位论文 p p l i v e 的缓冲时间最短，约在2 0 秒左右；p p s 订e a m 的缓冲时间稍微有点长，大 概有4 0 秒左右，画面都比较连续。此外，它们都用t c p 传输数据，用u d p 做 时问同步，且都还没推出注册用户的模式。 此外，还有许多处于起步或试验阶段的软件；m y s e e 、g r i d m e d i a 、t e a v e a 、 m a z i 、a n y s e e 、b i g m e d i a 、t v a n t s 、p o c o 、卡盟、捷报互动等。 流媒体应用目前处于一个发展阶段，i p t v 、n e t t v 、无线流媒体、数字家庭 等具有可观发展前景的流媒体应用都在蓬勃发展之中，将会给人类现有生活方式 带来冲击。在现有的网络架构中，通过优化和改进流媒体传送的方式和技术，使 用户能够体验更高品质的流媒体节目。需要大量的技术支撑。p 2 p 技术是目前的 一个较好的解决方案，它正逐渐成为下一代流媒体技术发展中的一个热点。 1 2 应用平台 流媒体在网络平台的应用网络电视，依据承载对象不同可分为i p t v 与 n e t t v 两类。 i p t v 的用户端是电视机，通过机顶盒等设备与互联网相联，利用互联网来 传送电视，而n e t t v 的用户端则是p c ，两者都通过互联网传播媒体数据，由于 相对于传统的节目直播增加了点播功能，因此又称为交互式网络电视。d t v 受 数字电视的政策限制，前途未卜，而n e t t v 以电信运营商为主，发展相对轻松。 网络电视作为基于i n t e m e t 的视频直播和点播的最有前景的应用之一，关键在于 如何实现软件层架构和硬件层架构的统一、系统的集成以及应用的结合。整个解 决方案的实施涉及现有各运营商的网络架构、容量、带宽以及各种资源的协调与 整合。目前只是个别城市的电视网络实现了比较简单的l p t v ，假效果和功能确 实有限，侧重于与生活交互相关的频道。n c t r v 已有许多网络运营商，业务以点 播为主，直播也有部分应用。 p 2 p s t r e a m i n g 在网络电视平台的发展正在进行，注重政策与版权问题将是其 能够良好发展的重要保证。 1 3p 2 p 技术 1 3 1 概念 p 2 p ，狭义来讲，即对等网络( p e e r t op e e r ) ，是计算机网络最基本的通信方 浙江太学硕士学位论文 式，也是互联网诞生的基础。从最初的点对点，到现在的多点对多点，p 2 p 技术 已有了相当广阔的发展。在p 2 p 拓扑网络中，每一个节点( p e e r ) 都可同时扮演 客户端、服务器和代理三个角色，所以每一个节点所拥有的权利和义务都可认为 是对等( 或者说相等) 的。 从广义上来说，p 2 p 是一种思想，具有改变整个互联网未来的潜能。客观地 讲，p 2 p 技术并未激发出任何重大的创新，而更多的是改变了人们对互联网的理 解与认识。正是由于这个原因，p 2 p 不仅是一个技术概念，也是一个社会和经济 现象。 不管是技术还是思想，p 2 p 是直接将人们联系了起来，让人们通过互联网直 接交流。它使得基于网络的沟通变得更加容易、直接，有效的消除了中间环节所 带来的不便。人们每天见面，或者通过电话直接交流都是p 2 p 模式最直接的例子。 p 2 p 在互联网时代有广阔的发展前景，它可以改变现有i n t e m e t 以大网站为中心 的模式、重返“菲中心化”，并把权力移交给用户，使人们的语言影像能以最直 接的方式互相传送，而且符合互联网设计者的初衷，给人们一个完全自主的巨大 网络资源库。现在，比较流行的p 2 p 应用的主要有以下几类：对等计算、对等存 储、协同处理与服务共享等。 其实，p 2 p 无处不在，只是以前没有被重视罢了，等到被人挖掘出以此为基 础的获得成功的产品时，人们才意识到它的潜力。下面来介绍它的发展、现状和 未来前景。 1 3 2 发展历程 在早期的互联网应用中，有很多都体现了p 2 p 的思想，例如u s e n e t 、y i d o n e t 、 t e l n e t 等。u s e n e t 产生予1 9 7 9 年，f i d o n e t 创建1 9 8 4 年，它们都是一个分散、 分布的信息交换系统。t e l e n t 是最早的点对点通信协议和工具之一。在最初的p 2 p 应用出现时，许多使用该技术的人们甚至不会使用计算机。然而正是这些孕育着 思想的网络技术为p 2 p 的出现奠定了基础。 p 2 p 正式步入发展的历史可以追溯到1 9 9 7 年7 月，h o t l i n ec o m m u n i c a t i o n s 公司成立，并且研制了一种可以使用户从别人电脑中直接下载东西的软件。1 9 9 9 年5 月，n a p s t e r 公司宣告成立。n a p s t e r 令无数散布在互联网上的音乐爱好者获 得了空前的解放。在最高峰时，n a p s t e r 网络有近8 0 0 0 万的注册用户，这是一个 让其他所有网络应用都望尘莫及的数字。这大概可以作为p 2 p 软件成功进入人们 生活的一个标志。也正是从这天起，p 2 p 开始了它益折而又极富生命力的发展。 8 浙江大学硕士学位论文 第二代p 2 p 软件是没有中央服务器的分布式应用。起初以g n u t e l l a 为代表， 接着k a z a a ( 以f a s t t r a c k 为底层技术) 迅速崛起而取而代之。其它类似的应用还 有e m u l e ( 采用n e o n e t 技术，最新发布版改名为m o r p h e u s ) 、o p e n n e x t 、迅雷 t h u n d e r 、易载e z p e e r 、k u r om 3 、酷狗k u g o o 、a p i a 、i m e s h 和b e a r s h a r e 等。 采用完全分布式的应用方式是为了避免版权问题而导致的。然而第二代p 2 p 软件 有个很大的问题，就是搜索的盲目性，这一问题最终通过限制搜索结果的获取范围 或者搜索途径而得到解决。 第三代p 2 p 软件则利用了第一代和第二代的优点，采取了混和配置的策略， 利用了集中式管理和分布式服务的优点，更有效的建立起对应的网络拓扑。其中， 以b t 最为著名，而且应用广泛，成为历来用户最多的p 2 p 软件。b t 的多点下 载技术为现有带宽有限的网络资源进行大文件的快速传输开辟了崭新的一页。但 是这样依然不能避免版权问题。于是便产生了第二代b t 软件e x e e m ，综合了 k a z a a 和b t 两者的优势，在使用上不会出现版权组织的打击和起诉，并且在保 护安全方面也做的很出色。 第四代p 2 p 软件目前正在发展之中，目的是增加更多的人工智能，优化网络。 采取的技术有动态口选择、双向下载和动态口选择，能够提高对防火墙和n a t 的穿透能力。s k y p e 就采用了这种技术。 此外，这些处于实用化的p 2 p 软件都是髓机构建网络拓扑的，还有一些研究 是构建固定的网络拓扑，比如t a p e s t r y 、c h o r d 、p a s t r y 和c a n 等。许多正在研 究的新一代p 2 p 应用，包括多播、网络存储等，都有在这种拓扑网络之上进行实 验运行。 总之，p 2 p 软件的发展必将是计算机网络通讯史上不可磨灭的亮点，它为计 算机网络的发展注入了新的活力。 1 3 3 应用现状 目前，p 2 p 技术正在向第四代发展，并不断向各个领域中渗透，有些已经取 得了巨大的成功，有些正在探索之中。下面介绍一些主流的应用和研究。 1 3 3 1s k y p e 网络电话的应用s k y p e 就是p 2 p 在v o i p 领域应用的一个典范。 s k y p e 采用了全球搜索目录g i ，g l 意义上代表了一种可扩展弼络技术。全球 9 浙江 学硕士学位论立 第二代p 2 p 软件是没有中央服务器的分碲式应用。起初以g n u t o l l a 为代表， 接着k a z a a ( 以f a s t t r a e k 为底层技术) 迅速崛起而取而代之。其它类似的应用还 有e m u l e ( 采用n e o n e t 技术，最新芨和版改名为m o r p h e u s ) 、o p e n n o x t 、迅雷 t h u n d e r 、易载e z d e c r 、k u r om 3 、酷狗k u g o o 、a p i a 、i m e s h 和b e a r s h a r e 等。 采用完全分布式的应用方式是为了避免版权问题而导致的。然而第二代p 2 p 软件 宵个很大的问题，就是搜索的盲日性，这一问题最终通过限制搜索结果的获取范围 或者搜索途径而得到解决。 第三代p 2 p 软件则利用了第一代和第二代的优点，采取了混和配置的策略， 利用了集中式管理和分布式服务的优点，更有效的建立起对应的网络拓扑。其中， 以b t 最为著名，而且应用广泛，成为历来用户最多的p 2 p 鞔件。b t 的多点下 截技术为现有带宽有限的网络资源进行大文件的快速传输开辟了崭新的一页。但 是这样依然不能避免版权问题。于是便产生了第二代b t 软件e x o e m ，综合了 k a z a a 和b t 两者的优势，在使用上不会出现版权组织的打击和起诉，并且在保 护安全方面也做的很出色。 第四代p 2 p 软件目前正在发展之中，目的是增加更多的人工智能，优化网络。 采取的技术有动态口选择、双向下载和动态口选择，能够提高对防火墙和n a t 的穿透能力。s k y p e 就采用了这种技术。 此外，这些处于实用化的p 2 p 软件都是随机构建网络拓扑的，还有一些研究 是构建固定的网络拓扑。比如t a p e s t r y 、c h o r d 、p a s t r y 和c a n 等。许多正在研 究的新一代p 2 p 应用，包括多播、网络存储等，都有在这种拓扑网络之上进行实 验运行。 总之。p 2 p 软件的发展必将是计算机网络通讯史上不可磨灭的亮点，它为计 算机网络的发展注入了新的活力。 1 3 3 应用现状 目前，p 2 p 技术正在向第四代发展，并不断向各个领域中渗透，有些已经取 得了巨大的成功，有些正在探索之中。下面介绍一些主流的应用和研究。 1 3 3 1s k y p e 网络电话的应用s k y p e 就是p 2 p 在v o i p 领域应用的一个典范。 s k y p e 采用了全球搜索目录g i ，g i 意义上代表了一种可扩展网络技术。全球 s k y p e 采用了全球搜索目录g 1 g i 意义上代表了一种可扩展网络技术全球 浙江大学坝七学位论文 搜索目录使用多层的网络结构，这种结构利用超节点来实现网络中的每个节点可 以获取所有其它可利用节点的资源，并将这些节点资源动态组合，来参与流量分 配、路径选择、处理需要较大带宽的任务，且保证最小的延时。 s k y p e 对数据传输采用智能路由。保证了语音质量。由于可以利用所有的节 点资源，s k y p e 可以为每个加密的呼叫智能地搜索最好传输途径。甚至可以并行 的打开多个传输路径，动态的及时选择最佳途径。这对减少延迟和增强语音质量 有非常明显的效果。 s k y p e 没有指定进入的端口号，而是在安装程序的时候随机选择个进入端 口，如此能增强穿透n a t 和防火墙的能力。但是如果有若干个位于n a t 之后的 用户采用相同端口的话，则n a t 会使语音质量有所降低。 1 3 3 2p 2 ps l p p 2 ps i p 草案规范了一个真正的无服务器阿络。由于在网络中没有任何服务 器，纯p 2 p 网络有望变成规模可变的同时对故障拥有高度抵抗力的网络。但是其 性能会成为另个问题。早期的p 2 p 网络可能会为寻找某个源文件而向多台机器 产生搜索查询。即使其中一台返回了正确的结果，其他对等机器还可能在运行查 询，这将消耗可贵的c p u 周期。同时p 2 p 文件共享网络也以其过度的带宽消耗 而闻名，像目前广泛流行的m p 3 和m p e g 共享应用。 p 2 ps i p 采取一些措旋来防止这些问题的发生。个用户在远程节点存储的 数据量，目前被限制在节点经过的1 d 和一个i p 地址之间的映射中。甚至好友列 表、配置参数和其它参量也被同样存储，但是这些信息不能超过几千字节。 更重要的一点是，与一台设备向所有其他设备盲目发出查询不同的是，查询 要求会转交给一台具有搜索细化功能的机器。这是通过一个d h t ( d i s t r i b u t e d h a s h t a b l e ，分布式复述列表) 实现的，通过每个节点的i p 地址产生个难的 编码来指向数据。在这种情况下，一般会使用通常用于数字签名的s h a i 复述 函数。产生了整个网络的d h t 之后，在p 2 ps i p 网络的所有节点中分配d h t ， 每个节点可维护其中部分列表。 1 3 3 3j x l - a s u n 公司的开放源代码p 2 p 技术( 即所谓的“j x t a ”) 是一个开发标准，可 支持膝上型电脑、手机、p d a 以及其他任何数字设备或传感器的开发活动。j x t a 1 0 浙江大学颁士学位论文 构建于j a v a 虚拟机之上，消除了互用性的障碍，这意味着在不同设备中增加聊 天或目录查找特征时不必再重新编写代码。通过提供标准的协议，j x t a 有可能 使一个p 2 p 团体中的成员建立跨语言和跨设备的开发平台。目前，c 、j a v a 、p e r l 、 p y t h o n 以及n e t 中采用的c 捍等语言中都用到了j x t a 。 目前，j x l a 的下载量已经超过1 0 0 万次。j x t a 带有一个非常好的开放源代 码许可：不用缴纳版税、不用返回修改或变化、对任何开发协议都没有再次发布 的限制。也许，这会激发p 2 p 的创造力。 1 3 3 4p 2 p 搜索 p 2 p 的个重要应用前景是可以开发出功能强大的搜索工具。p 2 p 豹搜索目 标不仅有传统的w w w 服务器，还包括网上难以数计的个人电脑。传统的搜索 引擎只能搜索到2 0 一3 0 的网络资源，而运用p 2 p 技术的搜索引辇则可以在 理论上搜索到网络上所有开放的信息资源) 。例如，g n u t e l l a 软件在进行搜索时， 一台电脑上用户的搜索请求将同时发给网络上另外1 0 台p c ，如果搜索请求末得 到满足，这1 0 台电脑中的每一台都会把该搜索请求转发给另外1 0 台p c ，这样， 搜索范围将在几秒钟内以几何级数增长，几分钟内就可搜遍几百万台p c 上的信 息资源。1 5d i g i t a l 公司所开发的搜寻引擎p a n d a n g o 同样也采用p 2 p 技术，只 是它一次可将请求发布给1 0 0 台电脑，搜索能力与速度进一步提高。 此外，由于信息不再集中于某些服务器中，对它们的更新更为方便，这也有 助于提高信息的动态质量。 1 3 3 5p 2 p s t r e a m i n g p 2 p s t r e a m i n g 是p 2 p 与流媒体结合的研究方向，是本文所要建模并实现的。 由于传统流媒体传输是基于c s 架构的，对服务器要求性能比较高，而且单一服 务器的负载有限，对于大规模的v o d 往往采用c d s 的方式实现。这样的实现投 入较大，增加了运营成本，负载依然是有限的。因此许多研究正在进行，如1 3 节所述，而且发展空间依然很大，是新的媒体传播模式一种有益的探索。 1 3 4 未来发展 p 2 p 技术被一些桊尚互联网自由的人提到了很高的高度。从理论上来说，它 浙江大学弼上学位论文 会对社会产生重要影响。当然，就像互联网样，p 2 p 技术究竟是个新的梦想， 还是一场革命，取决于诸多因素。 首先，p 2 p 技术带来了新的商业机会，也对许多传统产业造成了强大的冲击， 比如唱片、电影电视等。在p 2 p 技术的应用开发中，各种产品及标准的竞争也是 此消彼长的商业较量，这一定程度上影响了p 2 p 技术的未来走向。其次，p 2 p 所 带来的法律问题也对政府带来了影嗽，政府的态度也是p 2 p 未来的发展中具有决 定性的因素。 总的来讲，p 2 p 技术未来的发展前景，取决于政治、经济等各种力量的博弈 结果，而这也将影响到互联网未来的发展模式。 1 4 流媒体技术 1 4 1 概念 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是一种新兴的网络传输技术，在互联网上实时顺 序媳传输_ 萃播放视音频等多媒体内容的连续时基数据流，流媒体技本包括流媒 体数据采集、视音频编解码、存储、传输、播放等领域。 一般来说，流包含两种含义，广义的流是使音频和视频形成稳定和连续的传 输流和回放流的一系列技术、方法和协议的总称，一般称为流媒体系统；而狭义 的流是相对于传统的下载一回放( d o w n l o a d p l a y b a c k ) 方式而言的一种媒体格 式，它支持从网络上获取音频和视频文件的连续多媒体流，客户可以边接收边播 放，改变了传统的音视频等多媒体信息的网络传输方式( 完全下载后再播放) ， 使时延大大减少。 从技术含量角度来说，流式传输可分两种，一种是简单地顺序流式传输，一 种是复杂地实时流式传输。其中流式传输的延迟受媒体播放速率、网络状况、缓 存大小等因素的影响。 顺序流式传输是仅仅是对流媒体格式文件的顺序下载，在下载文件的同时用 户可以观看，但是，不支持拖动，即回放或快进，通过功能的限制来减少网络的 抖动。由于技术简单，仅需厂商提供服务器即可组建，目前在网络上应用比较广 泛。 实时流式传输中，增加了对拖动功能的支持。在观看过程中，用户可快进或 后退以观看前后的内容。这一普通单机播放功能应用于网络播放，对技术的要求 相当高，如果只是简单在顺序播放的基础上增加这一功能，频繁的拖动将使服务 1 2 浙江大学硕士学位论文 器不堪重负，势必要通过更多的技术途径来解决。p 2 p 等技术对这一点是一个有 益的补充，在一定程度上提高了实时流式传输的可行性，改善了媒体传输的q o s 。 1 4 2 应用现状 当前，提供流媒体技术解决方案的主要有三大厂商：微软、r e a l n e t w o r k s 和 a p p l e a w i n d o w sm e d i at e c h n o l o g y 是微软提出的流媒体方案，由m e d i at o o l s ，m e d i a s e r v e r 和m e d i ap l a y e r 等工具构成。其核心是a s f ( a d v a n c e ds t r e a mf o r m a t ) 。 它是一种包含音频、视频、图像阻及控制命令、脚本等多媒体信息的数据格式， 文件体积小，其扩展名是a s f 和w l n v 。m e d i a t o o l s 是整个方案的重要组成部分， 它提供了一系列的工具帮助用户生成a s f 格式的多媒体流( 包括实时生成的多 媒体流) ；m e d i as e r v e r 可以保证文件的保密性，不被下载，并使每个使用者都 能以最佳的影片品质进行浏览。同时具有多种文件发布形式和监控管理功能： m e d i ap l a y e r 则提供强大的流信息的播放功能。 r e a ls y s t e m 是r e a l n e t w o r k s 公司的流媒体方案，包括媒体内容制作工具r e a l p r o d u c e r 、服务器端r e a ls e r v e r 、播放器r e a l p l a y e r 三部分。其流媒体文件有 r e a l a u d i o ，r e a l v i d e o 。r e a lp r e s e n t a t i o n 和r e a t f l a s h 四类，扩展名是，r i l l 。 r e a l a u d i o 用来传输接近c d 音质的音频数据，r e a l v i d e o 用来传输不间断的视频 数据，r e a t f l a s h 则是r e a l n e t w o r k s 公司与m a c r o m e d i a 公司联合推出的一种高压 缩比的动画格式。其中r e a ls e v e r 采用s u r e s t r e a m 技术，自动地并持续地调整数 据流的流量以适应实际应用中的各种不同网络带宽需求，轻松实现视音频和三维 动画的回放。美国在线( a o l ) ，a b c ，a t & t ，s o n y 等公司和网上许多电台都 使用r e a ls y s t e m 向世界各地传送实时影音媒体信息以及实对的音乐广播。 三是a p p l e 公司的q u i c k t i m e ，它已成为是数字媒体领域的工业标准，其文 件扩展名是m o v ，播放器是q u i e k t i m e 。该文件格式定义了存储数字媒体内容的 标准方法。主要设计用于存储适应与数字化媒体一同工作需要的各种数据，因此 不仅可阱存储单个的媒体内容( 如视频帧或音频采样) ，还能保存对该媒体作品 的完整描述。它能用来描述几乎所有的媒体结构。所以它是跨平台应用程序交换 数据的理想格式。文件格式中媒体描述和媒体数据是分开存储的，媒体描述元数 据( m e t a - d a t a ) ，包含轨道数目、视频压缩格式和时间信息以及媒体数据存储区 域的索引：媒体数据是所有的采样数据，如视频帧和音频采样。媒体数据可以与 元数裾存储在同一个文件，也可以在一个或多个文件中单独存储。 浙江太学硕士学位论文 此外，m p e g 、a v i 、d v i 、s w f ( 基于m a e r o m e d i a 公司s h o c k w a v e 技术的流 式动画格式) 、r n t s ( m e t a c r c a t i o n s 公司的网上流式三维技术m c t a s t r e a m ) 、a 锄 ( a u t l l o n a r c 利用s h o c k w a v e 技术和w e b p a c k a g e 将计算机辅助教学( c a i ) 课 件压缩为a a n l 和a a $ 流式文件) 等都是适用于流媒体技术的文件格式) 。 目前，流媒体技术已广泛应用于远程教育、网络电台、视频点播、收费播放 等，在企业一级的应用包括电子商务、远程培训、视频会议、客户支持等。 1 4 3 流媒体系统 图i - 1 流媒体传输的体系架构 在个典型的流媒体应用中，媒体源为压缩后存储于硬盘的媒体文件，流媒 体服务器接受客户端的请求后，应用层的q o s 控制层通过q o s 的要求以及网络 状况调整媒体流压缩的参数( 如比特率) ，然后流媒体服务器的传输层对其进行 打包，通过i n t e m e t 进行连续媒体分发；客户端接收到媒体流后，依靠媒体流同 步技术进行播放。以上的过程涉及到六个技术领域：媒体压缩，应用层q o s 控 制，应用层组播，视频服务器，媒体同步和流媒体传输与控制协议。图1 - 1 i 5 了描述了视频流媒体传输的一般体系架构。 媒体压缩：为了节省并有效的利用有限的网络带宽，媒体数据通常经过压缩 后传输。 应用层q o s 控制：应用层q o s 控制包括拥塞控制和差错控制。拥塞控制主 要用于预防网络的丢包问题和延时，根据网络状况调节发送速率。差错控制用于 在丢包问题发生后，如何进行差错控制，尽量的提高用户的视频质量。 应用层组播：在应用层复制数据包并进行路由。 浙江大学硕士学位论文 视频服务器：服务器如何有效的为客户端提供媒体流服务，系统将主要研究 应用集群技术的服务器与p 2 p 技术的协同。 媒体同步：不同通道的数据的同步( 音频和视频一般存储于不同的轨道) 。 流媒体传输与控制协议：主要包括r t p r t c p 、r t v p 、r t s p 等协议。 下面将分别介绍这六项关键技术。 1 4 3 1 媒体压缩 初始获得的音频、视频等媒体数据存在很多的数据冗余，包括时间冗余、空 间冗余和视觉冗余等。为了更有效的存贮和传输，需要对原始数据进行压缩。压 缩技术主要分为两种：非可扩展性编码和扩展性编码，其中扩展性编码可以适应 网络带宽的变化。 目前应用的主流压缩标准，如m p e g l 2 及h 2 6 x 系列都是非可扩展往编码， 大都采用基于分块运动补偿及d c t ( 离散余弦变换) 的压缩算法，比d c t 更好 的基于小波的可扩展压缩算法也处于研究和发展中，并已被m p e g 4 标准采纳。 传统的非扩展性编码只产生单一的压缩流，而可扩展性编码则把原始的视频 流压缩成多个视频流，即原始流被压缩成一个基本流和多个增强流。基本流可被 单独解码，提供最基本的视频质量，增强流解码后叠加在基本流上，可提供更好 的视频质量。 将分层可扩展性编码和应用层组播相结合是解决视频在网络中传输的一种 技术，称为分层组播( l a y e r e d m u l f i c a s t ) 。与联播相比，分层组搔的优点在于网 络带宽的利用率高。但是分层可扩展性编码的各个压缩层的码率在编码完成时就 固定了，用户通过接收多个组播组中的压缩视频数据只能获得固定范围的码率。 精细可扩展性编码f g s ( f i n eg r a n u l a rs c a l a b l ec o d i n g ) ( m p e g 4 已将该编码 纳入标准) 与普通的扩展性编码的最大的不同就是增强层采用位平面( b i t - p l a n e ) 的编码技术，使每一帧的增强层码流可以在任何地点截断，解码器重建的视频质 量与收到的码流的比特数成正比。 在此基础上衍生出的还有渐进的精细可扩展性编码p f g s ( p r o g r e s s i v ef i n e g r a n u l a rs c a l a b l ec o d i n g ) 和精细空域可扩展性编码f g s s ( f i n eg r a n u l a rs p a t i a l l y c o d i n g ) 。 多重描述编码m d c ( m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g ) 1 6 1 7 的基本思想 就是把一个码流编码成膨个流( 即描述) ，并且不同的描述之间应该存在着相关 性，其中任何一个描述都可以被用户接收并可在具有一定失真的情况下单独解 浙江夫学硕士学位论文 码。不同的描述可以叠加成失真更小的流，所以用户收到的描述越多，得到的视 频质量就越好。m d c 编码与分层可扩展性编码的最大区别在于m d c 的每个描 述都可以单独解码，而分层可扩展性编码只有基本层可独立解码，其增强层依赖 于基本层。 1 。4 。3 。2 传输与控制协议 流媒体在i n t e m e t 上的传输必然涉及到网络传输协议，其中包括i n t e r a c t 本身 的多媒体传输协议，以及一些实时流式传输协议等，只有采用合适的协议才能更 好的发挥流媒体技术的优势，保证媒体质量。i e t f ( i n t e m e t 工程任务组) 是i n t e r a c t 规划与发展的主要标准化组织，己设计出几种支持流媒体传输的协议，主要有： 针对多媒体数据流的实时传输协议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 ) 和r t p 一 起提供流量