（计算机应用技术专业论文）数字媒体节目的传输控制技术.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 通信网络的发展经历了从简单到复杂，从集中到分布的过程。近几年数字编码技术 的不断提高，促使流媒体技术发展很快，并已经应用在视频点播等领域。 为提高网络应用性能，c d n ( c o n t e a td c l i v 盯yn e t w o r k ) 应运而生，即内容分发网络。 其意图是通过在现有i n t e r n e t 中增加一层新的网络架构，将网站内容发布到最接近用户 的网络边缘，使用户可以就近取得所需的内容，解决i n t e m e t 网络拥挤的状况，提高用 户访问网站的响应速度。从技术上解决由于网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均 等原因所造成的用户访问网站响应速度慢的问题。 另一种减轻主干网负担的技术就是p 2 p ( p e t a t op e o r ) ，p 2 p 的机制是让用户直接连接 到其他用户的计算机进行文件交换，而不是像过去那样连接到服务器去浏览与下载。p 2 p 改变了互联网以网站为中心的状态，重返“非中心化”，并把权力交还给用户。 本文与山东浪潮集团参与的文化共享工程项目相结合，提出一个较为合理的解决方 案，利用c d n 网络构建方式，把文化信息资源从总站分发到全国各个分节点，提供广 播、组播、点播和下载等服务，同时为了缓解主干网的负载压力，提升服务器的性能和 可扩展性，并利用p 2 p 技术实现了数据在各个节点间的直接传输，缓解主干网传输压力， 还提出了针对城域网的p 2 p 应用的优化方法。 关键词：交互式网络电视；内容分发网络；对等网络；文化共享 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc o m m u m c a t i o 潞n e t w o r k e x p e r i e n c e s f r o m s i m p l i c i t y t o c o m p l i c a t i o n , f r o mc o m p l i c a t i o nt od i s t r i b u t i o n w i t ht h ep o p u l a r i t yo fb r o a d b a n dn e t w o r k t h e s ey e a r s ，d i g i t a lc o d i n gt e c h n o l o g yi sr a i s e dc o n s t a n t l y , t h a tm a k e ss t r e a m i n gm e d i a d e v e l o pq u i c k l ya n da r ea p p l i e di nd i s t a n c ee d u c a t i o n 、v o da n d s oo n c d n ( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) i sb o r nf o re n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k a p p l i c a t i o n i ts e n d sc o n t e n to fw e b s i mt ot h en e a r e s tl o c a t i o no fc u s t o m e rp ct h r o u g ha d d i n g o n en e wn e t w o r ks t r u c t u r e ，s ot h ec u s t o m e rc a ng e tn e e d e dc o n t e n tn e a r b y , i n t e r a c tj a mi s h a n d l e di ns o m ew a ya n dt h es p e e do f w e b s i t er e s p o n s ei sa c c e l e r a t e d a n o t h e rt e c h n o l o g yo fa l l e v i a t i n gt h eb u r d e no fb a c k b o n en e t w o r ki sp 2 p , i ti st h e a b b r e v i a t i o no fp e e rt op e e r ( p 2 p ) o rp o i n tt op o i n t ( p 2 p ) ，p 2 pm e c h a n i s ma l l o w su s e r s c o m p u t e rd i r e c t l yt oc o n n ec tt oo t h e rc b m p u t e rt oe x c h a n g ef i l e s ，r a t h e rt h a nt oc o n n e c t t ot h e s e r v e rt ob r o w s ea n dd o w n l o a d 弱i nt h ep a s t , a n o t h e ri m p o r t a n tf e a t u r eo fp 2 pi st oc h a n g e t h ec u r r e n tb i g - c e n t r i cw e b s i t es t a t t t s ，r e t u r nt ot h e ”d e c e n t r a l i z a t i o n ”a n dg i v ep o w e rb a c kt o t h eu s e r t i l i sp a p e rr e f e r st oc u l t u r es h a r i n gp r o j e c tw h i c hs h a n d o n gm s p u rg r o u pp a r t i c i p a t ei n a n dp o s tam o r er e a s o n a b l es o l u t i o n 祈也c d nn e t w o r ks t r u c t u r ew a y , d i s t r i b u t i n gr e s o u r c o s o fc u l t u r a li n f o r m a t i o nt ov a r i o u sn o d e so fc o u n t r yt op r o v i d eb m a d c a s l 瑚【u l t i c a s t ，v i d e oo n d e m a n d ，d o w n l o a d i n ga n do t h e rb u s i n e s s e s a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt oe a s et h el o a d p r e s s u r eo nt h eb a c k b o n en e t w o r k ,i m p r o v es e r v e rp e r f o r m a n c ea n de x p a n d a b i l i t ya n d t r a n s m i td a t ad i r e c t l yb e 似e e nn o d e s ， a no p t i m i z a t i o nm e t h o do fp 2 pa p p l i c a t i o ni nc o n n e c t i o nw i t hm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r ki sp o s t e d k e yw o r d s ：i p ；c d n , p 2 p ；c u l t u r es h a r i n g 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中引用 他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的 任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果，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谢意。 论文作者签名：盟 日期：j 孕年月日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业学 院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为山东轻工业学 院。 论文作者签名：二 动 导师签名： 日期：辛月卫日 嗍：寻年月产日 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和现状 随着网络技术和数字视频压缩技术的发展，在p 网络上传输音视频节目越发普遍， 电视用户通过机顶盒( s t b ，s e tt o pb o x ) e 1 】便能收看网络电视( m t v ) 【2 1 ，进行视频点播或 收看时移电视( t i m es h i f t e dt v ) 1 3 】等。可是用户数量的增加使服务器负载很大，严重影响 系统的稳定性和服务质量。这个问题是因为i p t v 服务系统的储存容量压力、f o 的性 能瓶颈、网络带宽拥塞、资源利用不均等因素引起的。现在主要用2 种技术缓解：一是 用负载均衡技术( l o a db a l a n c e ) e 4 1 ，将i p t v 后台服务器组成一个组，根据负载均衡策略 将终端请求分配到i p t v 服务器上，让多台服务器协力工作，提高使用率和吞吐量；二 是内容分发网络( c d n ，c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) 5 技术，将资源主动推送到离终端“仅 一跳”的c d n 边缘节点上，终端从节点获得服务，进而减轻了骨干网流量和中心节点的 压力。 但使用负载均衡技术的中心型i p t v 系统的服务能力很有限，一般主要应用于较小 的城市，而不能承受较大数量用户的需求和高并发流的情况，原因是这要求超宽的网络 带宽和高性能的设备。对目前互联网缺少端到端带宽保证的情况尤为突出，还有在各种 互联服务的场合，更是没法适用。c d n 技术得实质是在口网络上构建一层重叠层用于 文件传输，使经常交换的内容尽量存储到“边缘”，以便减轻中心节点和骨干网的压力， 使口1 v 的服务系统能够跨区域和大规模的部署，但是c d n 技术的部署费用比较高、 管理也较复杂，目前也没有一个合适的c d n 网络调度算法，调节各个节点的负载；此 外用c d n 技术进行调度的核心设备的性能和稳定将会直接影响到整个系统的可用性。 自从网络中的共享精神产生了p 2 p 6 1 技术后，就改变了过去服务器客户端的模式而 变为终端到终端的模式，在这种模式每个结点的地位都是一样的。每个结点既充当服务 器，为别的结点提供服务，同时也作为终端使用别的结点的服务，这种方式使共享更直 接。p 2 p 中的分布式存储系统是用于这种对等网络的数据系统，它能够提供高效率和负 载平衡的文件存取功能以及强壮性，通过与c d n 的结合，更能够减轻主干网的负担。 共享工程【7 】是以信息化促进社会主义新农村建设，推动经济社会实现科学发展、和 谐发展为目标，是利用先进科技手段传播、建设先进文化的大型的公益性的文化网络工 程：旨在整合全国文化信息资源，通过互联网、卫星宽带传输和光盘将数字化文化信息 资源传输到群众身边，实现优秀文化信息资源在全国范围内的共建共享，满足广大人民 群众只益增长的文化需求，整体提高文化资源的利用率。共享工程开辟了一个不受地域、 时空限制的崭新的文化传播渠道，对迅速扭转中国农村，特别是贫困地区的信息匮乏和 经济、文化落后的状况将起到极大的作用，对继承和发扬中华民族优秀文化，实旋“科 第1 章绪论 教兴国“以德治国”的战略将产生深远的影响。 “全国文化信息资源共享工程”自2 0 0 2 年实施以来，已经基本搭建起了覆盖全国的基 础服务网络。由于前期工程主要通过卫星接收、互联网和光盘等方式作为信息资源的分 发手段，使文化信息资源的传播受到一定的限制。 卫星方式只能被动接收，而且设备使用复杂，从使用效果看并不理想；光盘方式分 发实际运营成本高，管理复杂；通过互联网的方式由于受服务器性能和接入带宽的限制， 支持的用户少。 特别由于年龄差异、文化层次不同，很大一部分群体无法掌握计算机知识，也就无 法通过目前的共享工程受益。使共享工程目标难以实现。 文化共享工程特点分析： ( 1 ) 海量的节目内容 “共享工程”目的在于把中国优秀的文化资源向整个社会提供，而文化资源的种类繁 多，不仅包括以电影电视为代表的音视频节目，还包括网页、图片、电子书籍和电子教 程等各种媒体格式，构成了海量的系统资源库，并且其内容还在不断的快速增加。 ( 2 ) 巨大的用户数量 “共享工程”是一个覆盖全国的系统，直接向最基层单位和个人提供各种文化信息服 务，医此用户数量巨大，用户的访问业务量必然非常高；但是分析每个个体用户，只访 问极其有限的资源。 ( 3 ) 复杂的网络构成 “共享工程”需要从中央一直覆盖到村级基层单位，构成了一个全国范围的广域网。 为了降低建设成本，“共享工程”利用已有网络进行传输的方式进行实现。由于不同地区 的基础设施、项目规划和建设进度的差别，以及不同级别的网络基础差异，“共享工程” 将是由不同种类的网络构成的复杂系统，如政务外网、各种专网，甚至是直接利用 i n t e m e t 。由于各网络的安全策略不同，并不能保证从中央到基层的完全畅通。 上述特点使“共享工程”构成了一种典型的“服从幂律的无尺度网络”。无尺度现象带 来难以精确预料的带宽需求，网络缺失合理的带宽需求，节点的忙闲程度两极分化，负 荷在时空上极不均衡。很难真正评估出真实的带宽需求。若要求杜绝网络非线性拥堵， 所需付出的成本代价明显增加。 幂律分布【8 】带来巨额无功流量，立足中央存储的w 曲服务，难以满足全社会共享视 频的任务。李幼平院士提出了把主流群体中央存储变革为分布式泛在存储的结构改革方 式来解决这个问题，应用“播存”网格系统结构来构建整个系统具有良好的针对性。 “播存川9 】网格系统就是利用有线电视或者卫星电视进行节目的推播分发，在基层单 位建立缓存接收点接收保存，供本地用户点播。但是利用卫星面向全国单向播出，难以 满足不同的欣赏需求。而目前广电的地域化分割运营模式，很难通过有线电视为共享工 程提供统一的传输途径。 2 山东轻工业学院硕士学位论文 1 2 课题研究内容 进一步分析文化共享工程，可以看出有以下具体特性： 文化共享工程是一个半封闭的系统，资源的生产者相对集中； 资源主要是静态内容，其中大部分是大尺度的音视频节目； 个体用户对节目的访问具有地域的集中性： 个体用户对节目的访问具有在时间上的集中性。 这些特性反映出播存网格如果具有内容的自适应性，可具有很高的效能。因此提出 采用网络进行节目传输的方式，以适应个体用户的节目需求。 在县一级构建缓存节目的c d n 节点，以供本地用户访问，这样的话节目只要经过 一次传输，在县级的c d n 节点进行存储，就能够为本地用户提供点播服务，也不会向 上级网络产生任何流量。同样的如果是在地市级和省级都建立c d n 节点，缓存来自上 级节点的资源，向本地用户和下级用户节点提供各种各样的服务。这样多级播存的模式 能使c d n 内容最快更新，但同时尽量降低了对网络的占用，成为文化共享工程复杂网 络构成情况中最优的传输模式。 终端解决方案：之前的文化共享工程和农村远程教育项目中终端设备都采用p c 机。 利用p c 机的通用处理能力，可以实现视频、音频、图片和文本等的播放能力，并可以 几乎不受限制的扩展其功能。 但是p c 机价格昂贵，使用复杂，软硬件维护难度大，对使用环境要求较高。由于 文化共享工程主要是面向农村等，使用人员普遍不具备维护能力，而且使用环境也难以 达到要求。 由于文化共享主要提供视频播放以及图文显示，双模机顶盒能够很好的支持：能够 接收d v b c 标准的有线数字电视，进行m p e g 2 的解码；具备以太网接口，能够接入 l a n 、a d s l 和c a b l em o d e r n 等；通过网络能够接收和播放h 2 6 4 标准的视频流；机项 盒集成浏览器，支持h t m l4 0 和j a v a s c r i p t1 5 ，并部分支持f l a s h 和j a v aa p p l e t 。与 服务器配合，机顶盒能够满足文化共享对终端的需求。同时由于机顶盒采用了低功耗的 s o c 芯片设计，无硬盘、内存等独立部件，操作系统采用v x w o r k s ，整个系统成本极低， 稳定性极高，不需要用户进行软硬件维护，能够适应各种环境。 本文希望设计出配套的节目分发和服务系统，形成整体的文化共享解决方案。在共 享工程网络组成的情况下，要达到节目内容传输的及时性、高效性和完整性。通过分析 借鉴已有的组网策略和传输方法，计划采用p 2 p 和c d n 技术，减轻网络负载和提高访 问速度，并进行网络优化和流量控制。并迸一步研究其优化方法，提升负载和扩展能力， 降低对骨干网的传输压力。 本文研究内容包括研究c d n 和p 2 p 的自身特点和关键技术，构建适合文化共享工 程的承载平台，其中还包括研究的内容如下： 3 第1 章绪论 改进的城域网的p 2 p 传输算法； 局域网c d n 负载均衡方法的改进和改进的w e b 负载均衡的调度算法； 对家庭媒体中心的设计； 针对文化共享提出c d n 和p 2 p 技术融合的i p t v 的解决方案。 1 3 课题关键问题 因为文化共享工程具有巨大用户数量，海量节目资源和复杂的网络结构的特点，所 以工程的建设面临着很大的困难和挑战： 文化共享工程的资源在一定时间和空间内是稳定的，用户访问的内容收敛性比 较好，所以播存网格的应用能很好的保证向巨大的用户群提供稳定的服务，并能发布流 媒体等节目。本文设计在省、市、县级分别构建缓存节目的c d n 节点，缓存上级服务 器传输下来的节目，供本地用户访问，这样节目只需要一次传输到本级c d n 节点进行 存储，就能够供本地用户无限次的点播，不再向上层网络产生任何流量。 另一问题是一般的文件传输采用h t t p 或f t p 模式，它们原则是尽可能利用阿络带 宽完成传输。这样的模式在单任务传输时有较高效率，但到多任务传输时就有很多问题， 如丢包、带宽占用率过高、造成严重的网络阻塞并干扰其他网络软件的正常应用。为解 决这些问题，可用服务器传输流控制概念，根据不同链路的带宽情况，智能的设定各个 文件传输任务下传的速度上限，避免对带宽过多的占用，造成阻塞或影响其他网络应用。 文化共享工程面对全国范围复杂的异构网络【1 0 l ，为克服不同网域的障碍，必须 建立多级的c d n 系统。为进一步提高并发服务的能力，本文设计同级各分结点间能通 过p 2 p 技术传输文件，互通有无。但是承载文化共享工程的电子政务外网是一个严格的 树形网络，直接应用p 2 p 技术将造成绝大部分流量回流经各省接入中央的核心链路，存 在网络阻塞的隐患。本文对p 2 p 应用于城域网的研究中，采用了链路优化传输策略，能 够有效地降低核心网的负载。 对于文化共享工程，一旦非法节目混入系统，可能会造成非常严重的政治和社 会影响。为了防止这种情况的发生，必须对传入和播放的文件文件加入验证机制，进行 合法性检查，防止未经授权的节目播出。 1 4 论文结构 本文共分为六章，第一章绪论，介绍了课题的研究背景和主要研究内容；第二章是 关于i p t v 理论基础和相关技术背景：第三章内容分发网络概念与技术，主要介绍c d n 的概念、自身特点和关键技术；第四章p 2 p 对等网络概述，介绍对等网络主要的特性、 应用；第五章设计文化共享工程方案，基于现有的文化共享工程结合c d n 的关键技术 和p 2 p 传输技术提出一种更加优化的解决方案：第六章结束语，总结本文的工作，并阐 述了下一步的研究方向。 4 山东轻工业学院硕士学位论文 第2 章口t v 技术 2 1 i p t v 简介 d t v 【1 1 】即交互模式的网络电视，集成了通讯、多媒体、互联网、存储等技术，能 向用户提供多种交互式的媒体服务的技术。用户在家中可以通过两种方式享受i p t v 服 务：一是计算机( p c ) ；二是机顶盒( s t b ) + t v 。 i p t v 的原理是把电视信号编码转化成适合m 网络传输的数字信号，再通过m 网络 传送，再从接收端进行解码，最后用计算机或t v 播放。由于数字信号的传输速度要求 比较高，所以要采用效率较高的视频压缩技术，比如h 2 6 4 1 2 1 ，m p e g 4 玎】等。 和目前的有线电视系统相比，i p t v 的优点在于交互性：传统的电视网络是以信号 传输分配为主的单向广播式网络，如不进行双向改造，无法支持交互式业务，而双向改 造投资大，普及有难度。有线电视网络主要采用同轴光纤混合( 卸f c ) 【1 4 】体系，即使完成 改造仍有缺陷：其树型分支结构和共享型网络体系会占用太多的带宽；现行的c a b l e m o d e m 回传技术容易产生所谓的漏斗噪声，从而影响回传质量；且支持交互式业务的 平台还需要进一步建设。 口t v 的发展主要得益于信息处理和内容分发技术的发展。包括视频图像编码技术 ( m p e g - 4 h 2 6 4 等) 、流化技术、d r m ( 数字版权管理：d i g i t a lr i g h tm a n a g e m e n t ) 技术【1 5 】、 数据存储【1 6 】等。p t v 采用高效的视频压缩技术【1 7 】，使8 0 0 k b p s 的视频流达到接近d v d 的效果( 通常d v d 的传输带宽是3 m b p s ) ，这对开展网络视频直播【1 引、点播【1 9 1 、录播f 2 0 】 等有很大优势。传统电视单向广播方式很大程度上限制了观众的自主选择，也限制了节 目的个性化。而i p t v 卖点之一就是互动性，观众想看什么就能看什么。 i p t v 业务【2 l 】的技术原理框图如图2 i 所示。从内容源头到终端计算机能分为支撑 业务、提供业务应用、承载业务、接入终端四个要素。 图2 。ii p t v 业务总体结构框图 支撑业务：主要包括内容的管理、认证的计费、用户的管理、服务运营商管理、 5 一函罱誊 ，1 第2 章i p 技术 管理业务、分析统计、机顶盒管理等系统； 提供业务应用：直播点播内容和增值服务( 信息服务、视频通信、电子邮件、 短信、游戏等) ，也包括与此相关的内容管理、播控管理、电子节目单( e p g ：e l e c t r o n i c p r o g r a mg u i d e ) 【2 2 】等系统。直播点播的节目源，通过内容处理系统，被编码成符合要求 的媒体流，由承载网提供给用户： 承载业务：它基于d 网络。可通过组播，也可通过单播承载。通常广播流通过 组播传送至终端用户，点播流通过内容分发网络方式分发： 接入终端：主要有x d s l 、f t t x + l a n 、w l a n 3 种宽带接入方式【2 3 。 口t v 业务包括：直播电视( l i v em 、视频点播( v o d ，v i d e oo nd e m a n d ) ( 2 4 1 、时移 电视( t i m es h i f t e dt v ) 删等。 l i v et v ：直播电视类似无线、有线及卫星电视所提供的服务，这是宽带服务提供 商为了同有线运营商和卫星服务提供商进行竞争的一种基础服务。 v o d ：点播连接是客户端与服务器之间的主动连接。用户通过选择内容项目初始化 客户端连接。可操作开始，停止，后退，快进或暂停。用户想看什么视频，什么时间想 看，只要资源库里存在，就能立即观看。但此方式因每个终端各自连接服务器，会迅速 耗尽网络带宽。 t i m es h i f t e dt v ：时移电视类似于网络录像机。它能让用户在看直播节目时，进行 暂停、后退操作，并当你已看过了过去时间点的节目后能够快进到直播电视正在播放的 时刻。它的实现原理是在直播的同时，存储一个复本到直播服务器上，e p g 按照预定的 每一频道的节目时间表将存储的节目分列显示，当用户通过e g p 选择了某节目后，系 统定位到相对应的文件时间点上进行播放。 2 2 流媒体技术基础 2 2 1 流媒体概念和特点 流媒体【2 6 】就是说在网络中以流的形式传输多媒体文件。流式传输方式就是将音视频 文件首先经过压缩分成各个压缩包，再由视频服务器向终端计算机连续并且实时的传 送。用户不必等到文件全部下载到本地后才能看到内容，而只要几秒到几十秒的缓冲即 可用本地播放器对文件解压后播放，文件剩余部分将在后台继续从服务器下载。 相比传统网络媒体的播放方式，流媒体技术有如下特点： 特殊的媒体文件格式：流媒体的内容是可以播放的压缩媒体码流。但流媒体文 件定义了特殊的文件格式，以适应于流化和传输； 采用实时传输协议：各种实时传输协议是流传输技术的具体实现，它规定如何 将媒体文件封装成数据包，如何传输，如何将数据包重组、播放； 采用缓冲区：客户端要开辟合适的缓冲区，一方面保证能快速启动播放，用户 不用等待所有内容下载到硬盘才开始，全屏播放时对速度几乎无影响，但快迸、倒退时 6 山东轻工业学院硕士学位论文 需要等待时间；一方面能有效平滑网络传输的延迟和抖动； 较强的可控性：流媒体技术可方便地控制流量、计费，有效地防止非法复制等。 2 2 2 流媒体的传输方式和实现过程 流媒体实现的关键是流式传输【2 7 】。实现流式传输的话有两种方法：顺序流式传输 和实时流式传输，下面简单介绍： ( 1 ) 顺序流式传输 顺序流式传输在下载文件的同时用户能观看在线播放的节目，在给定时间仅能看下 载完成的部分，而不能观看还没下载的前头部分，这种方式不像实时流式传输在传输期 间根据用户连接的速度做调整。因为标准的h t t p 服务器能发送这种形式的文件，经常 被称作h t t p 流式传输。因为该文件在播放前的部分是无损下载的，这种方法保证视频 播放的最终质量。这意味着用户在观看前，必须经历延迟，对较慢的连接尤甚。 ( 2 ) 实时流式传输 这种方式总是实时传送，特别适合的场合是现场事件，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。这种传输须配以足够的网络带宽，当网络拥挤时， 因出错丢失的信息被忽略掉，视频质量会下降。要保证质量，顺序流式传输更好。实时 流式传输需要特定服务器，如q u i c kt i m es t r e a m i n gs e r v e r 、r e a ls e r v e r 与w i n d o w sm e d i a s e r v e r 。这些服务器允许对媒体发送进行更多级别的控制，因而系统设置、管理比h t t p 服务器更复杂。实时流式传输还需要特殊网络协议，如：r t s p ( r e 2 l lt i m es t r e a m i n g p r o t o c 0 1 ) 2 8 】或m m s ( m i c r o s o rm e d i as e r v e r ) t 2 9 】。 流式传输的实现一般用h t t p t c p 来传输控制信息，而用r t p u d p 来传输实时音 视频数据。流式传输过程一般分为三个步骤p o 】： 用户选定一流媒体后，w e b 浏览器与w e b 服务器间用h t t p t c p 交换控制信息， 得到要传输的实时数据。然后客户机上的w e b 浏览器启动a v ( a u d i o v i d e o ) 程序，用 h t y p 从w e b 服务器检索参数对程序初始化： a v 程序及服务器运行实时流协议( r t s p ) 以交换a n 传输所需的控制信息。 r t s p 提供了播放、快进、快退、暂停等命令的方法； v 服务器使用r t p u d p 协议将a v 数据传输给a v 终端程序，一旦数据抵达 终端，终端程序即可播放。在流式传输中使用r t p u d p 和r t s p t c p 两种不同的协议 与服务器建立联系，是为了能把服务器的输出重定向到一个不同于运行v 程序所在终 端机的目的地址。流式传输基本原理如图2 2 所示。 7 第2 章m t v 技$ v o i ) g 啊e 圈2 3 州家庭应用网络结构匿 尽管以上方式比过去互动性有了很大提高，用户自主选择余地更大了，但仍然有一 定的限制，比如一方面e p g 提供的节目都是供应商提供的，在一定时间内是相对不变 的，而音视频文件的更新速度则非常快，很多新上线的音视频节目供应商都没有提供， 用户无法在第一时间看到，这是比较遗憾的：另一方面有很多经典的影片百看不厌， 但因为时间久远或观影人数比较少，供应商也没有存储这类的文件。 本文提出家庭媒体中心的方案来解决上述问题并进一步丰富和发展了州的应用 方式，具体想法是这样的：过去的网络存储n a s e t w o r k a c c e s ss t o r a g e ) t 川只是单纯的 存储文件，再通过h 兀p ，f r p 协议来传输文件，但是n a s 不支持流媒体协议，也就不 能提供流媒体服务，而i p t v 服务是一种流的传输，本文希望把网络存储n a s 与r t s p m 末轻t 业学院礤士学位论文 流媒体协议相结合构造家庭媒体中心，以实现在本地的点播视频服务。 在家庭n a s 中内嵌了l i n u x 操作系统，里面包括浏览器、搜索引擎、p 2 p 或b t 软 件和支持r t s p 流媒体协议的播放器，本文提出的系统采用的是v l c m e d i a p l a y e t ( v l c ： v i d e o l a nc l i e n t ) 。其中浏览器的作用是一方面检索本地硬盘存储的节目，方便点播： 另一方面通过接入网络连接远程服务器的e p g ，兼容过去的方式，查看服务商提供了 什么节目，再用v l c 进行播放。搜索引擎的作用是，当用户发现想看的影片，本地和 服务商都不存在的时候通过这个引擎来搜索视频文件，并通过内嵌的p 2 p 或b t 软件 搜索整个互联网并下载到本地硬盘，下载完成后，此时还有一个捡测程序，检查节目库， 并更新节目列表，以显示在浏览器中。如何使n a s 支持流媒体服务是家庭媒体中心的 关键，主要过程是在l i n u x 下重新编译源码v l c 程序，成功后再通过系统集成的方法， 把支持r t s p 协议的v l c 播放器嵌入到n a s 硬盘中再通过更换协议头等方法，使得 播放器播放流媒体。家庭媒体中心的结构图如图2 4 。 图2 4 家庭媒体中心网络结构图 家庭媒体中心播放控制的实现：用户通过控制机顶盒发出指令后，v l c 播放器接收 命令，它通过t e l n e t 命令进行播放、暂停或定位。其中定位能实现快进或快退的功能， 定位的参数是一个百分数，指向文件块多少百分比的部分。在x p 系统环境下实现v l c 控制播放的基本过程是： 先要在v l c 中建立t e l n c t 界面，再打开终端输入命令：t e l n e t1 2 7 0014 2 1 2 输入a d m i n 进入 我们可以先输入h e l p 查看t e i n e t 的命令，如图25 第2 章i p t v 技术 a _ 1 一舢： - _ _ ，v “一 i - - _ j i 一h i - l t l t t l ， - “j ：- d l ， t - l _ i i ：】l ：i ：- k - l t h lo - t “惴_ ，t i m ”- ，l o k j t n l - ，1 0 。j t i c ) _ r 唧h r t _ 一- - ， l i n ttl a i l q - 一 h 咐- l i _ ，t l l “t h _ tn _ 恤， r w r _ j 一 ，j 一i j _ f _ p - i - i ：_ 1 4 l - h i m d i l 蚺l 帅c - 卅r i ， i ( - “m ， h j 胁h l 仙，l “ b l d l t d 。 g t _ - “聃t t l h t ，f u 脚， 一，t 一r 黼l - t ) $ ( q i d h i ”- _ o r r l - 州h 1 2 h ，t i t s ，j h ，鞠d - ， - 卜- 一，1 _ t 4 t h _ 岫 j f j l i 0 n ，c ，一 ，1 ， ，_ t t - 0 - l - - 一- t ，i - j “打ii 扣，l t l “ 一 图2 5 v l c 中t d n e t 控制命令 比如建立频道命令式：n e wv lv o d 岫u t h o m e l x x m p gm u xm p 2 te n a b l e d 而控制播放、暂停、停止、快进、快退就用到p l a y 、p a u s e 、s t o p 、s e e k 命令。 2 4 对i p t v 方式的一点补充 因为p t v 服务不支持广播，要实现广播功能只能依靠组播的帮助，具体可直接通 过接收卫星节目或用软件播发视频文件，设置组播地址，在一个局域网内接收此组播。 针对大多数用户是电视用户而非计算机用户的情况，可以广泛采用双模机顶盒作为 接收端，一方面可以接收厨络传输的流；另一方面可以接收有线电视发送的节目。双模 机顶盒的设计基于高性能s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 和h 2 6 4 3 2 l 硬件解码芯片，以单主板单系 统实现d v b c 和p t v 机顶盒两种模式的集成应用，同时支持m p e g - 2 和h 2 6 4 双编 码技术。采用h 2 6 4 编码技术可以仅消耗相当于采用i v i p e g - 2 编码技术l 巧的存储、带 宽等资源，而获得与其相同的视听效果，另外集成i p a n e l 最新版浏览器，在原有基础上 新增了对f l a s h 动画和j a v a 游戏支持的功能：支持多种主流编码器和v o d 服务器。 2 5 本章小结 互联网的发展和流媒体技术的突破，加之p t v 业务形式多样，使得i f f v 到了广 泛的应用。本章了介绍口t v 的概念、原理、结构和特点以及各种业务形式，阐述了流 媒体的原理和实现，以及数字视频压缩编码技术、标准和格式。最后提出了家庭媒体中 心的设计方案，对p t v 的应用方式进行了开拓研究。 1 0 山东轻工业学院硕士学位论文 第3 章内容分发网络技术 3 1c d n 概述 3 1 1c d n 的组成 一个普通的c d n 网络由以下六部分组成： 内容缓存设备：位于网络的边缘地区，用于缓存资源； 负载均衡管理：负责本地缓存服务器间的负载分配和访问管理； 请求内容路由器：通过得到用户的请求信息，确定内容请求路由，路由到离用 户最近而且性能最好的负载均衡设备上； 中心节点服务器：主要是管理内容的更新、存储、访问控制等； 内容分发管理：根据相应策略在合适的时间段控制资源和内容缓存之间“推 送“拉取”内容分发工作； 管理系统：负责管理c d n 中的不同用户和不同应用内容，并给它分配适当的 c d n 资源和访问权限等。 3 1 2c d n 的关键技术 ( 1 ) 负载均衡技术【3 3 负载均衡技术是将网络流量尽可能均匀地分配到几个能完成相同任务的服务器或 网络节点上去处理，从而避免部分网络节点过载而另一部分节点空闲的不利状况，这既 能提高网络流量，又能提高网络的整体性能。c d n 中的负载均衡技术主要有两种： 全局负载均衡技术：全局负载均衡目的是在整个网络内实现将用户请求定向到 最近的节点，因此它的主要功能是实现就近性判断。全局负载均衡技术是整个c d n 系 统的关键技术，采用四层交换技术，实现的方法有d n s 轮循、h t t p 重定向和p 欺骗 三种； 本地负载均衡技术：本地负载均衡一般局限于一定的区域范围内。它侧重于根 据c d n 节点的健康性、负载情况、策略等进行精细的负载均衡。因此本地负载均衡设 备需要了解c d n 节点的具体运行状况作为执行本地负载均衡的依据。本地负载均衡有 多种实现方式，如采用四层到七层交换机的方式或利用重定向的方式等。 ( 2 ) 内容缓存技术 内容缓存技术通过缓存用户经常访问的内容，把它们放到离用户最近的地方，将网 络传输中各不确定因素排除出去，并通过充分优化的响应系统响应用户请求，利用到用 户“最后一公里”的高带宽，达到提高最终用户响应速度的目的。内容缓存技术在解决宽 带技术应用问题中得到了广泛采用，这种技术包括正向代理、透明缓存和反向代理三种 方式。 第3 章内容分发网络技术 ( 3 ) 动态内容分发与复制技术 网站访问是否响应快慢主要取决于像网络带宽是否有瓶颈、传输过程中路由是否有 阻塞、服务器的处理能力以及距离的长短等因素。多数情况下网站响应速度和访问计算 机与网站服务器之间的实际距离有很大的关系：如果访问计算机和网站之间的距离过 远，他们的通信要经过很多路由转发和处理，网络的延误不可避免。一个比较有效的方 法就是利用内容分发与复制技术，将占网站主体的大部分静态网页、图像和流媒体数据 分发复制到各地的加速节点上。 ( 4 ) 动态内容路由技术 当用户访问加入c d n 服务的网站时，域名解析请求将最终由重定向d n s 负责处理， 它通过一组预定义的策略( 如内容类型、地理区域、网络负载状况等) ，将当时最接近用 户的节点地址提供给用户，使用户得到快速服务。同时重定向d n s 还与分布在各地的 所有c d n 控制节点保持通信，搜集各节点的健康状态，确保不将用户请求分配到任何 一个已经不可用的节点上。 ( 5 ) c a c h e 重定向技术 ， 内容交换设备可在网络的出口提供透明的c a c h e 重定向服务，这种方式可使用户访 问的内容从本地c a c h e 中快速得到。 3 1 3c d n 的工作原理 c d n 的基本工作原理是：当终端计算机访问已加入c d n 服务的网站时，先用d n s 重定向功能确定哪个c d n 节点是最接近用户的，并将用户的请求传给此节点。当指定 节点接收到终端请求时，c d n 节点的高速缓存提供给用户请求的资源。 终端访问的基本过程如下( 如图3 1 ( b ) ) ： 终端用户在浏览器中输入要访问的网站域名： 浏览器请求本地d n s 解析该域名； 本地d n s 将请求发到网站主d n s ，主d n s 再将域名解析请求转发到重定向 d n s ： 重定向d n s 利用一些策略来判断此时最合适的c d n 节点，并将解析的p 地址 发给用户； 用户终端向已确定的c d n 节点请求相应网站的资源： c d n 节点中的服务器负责响应用户的请求，提供所请求的资源。 1 2 m 末轻t 业学院硕士学位论文 图3 】o ) 砖统互联网基本工作原理图 图1 ( b ) c d n 厨络的基本工作原理图 3 2c d n 的层次架构 我们一般可以将c d n 的结构划分为三个层次：核心层、骨干层、分配层，这主要 根据所在网络位置的区分和完成功能的不同而划分的，如图3 2 所示。 图3 2c d n 网络的层次架构 3 2 1 核心节点层 核心节点层是最重要的部分它是整个c d n 网络运转、维护和管理的中心，所有 用户的资源请求都是先经过核心节点进入c d n 网络，并依据终端和c d n 网络的条件， 为用户指定适当的c d n 分配层的节点提供内容。在网络上c d n 核心节点要求有高速的 骨干网络带宽，要求和每个骨干节点都尽可能有高速和跳数最短的网络环境。 作为c d n 网络的中心，两个关键作用是由核心节点做到的： 负责所有终端的资源请求，依据终端的信息对哪个资源节点距离终端近，作出 判断，并将终端的请求分派到指定的分发节点； c d n 的内容分发的管理，把要提供的资源经过恰当的格式和方法，分发到所有 的骨干c d n 节点。 322 骨千层节点 c d n 骨干层节点在物理位置上一般是和骨干节点在同一地点的，作为c d n 分层结 构中的中间层次，对c d n 网络发挥了重要的作用，体现了以下优越性： 13 ，荦 一m 第3 章内容分发网络技术 与c d n 核心节点协同工作，完成分发资源，实现本地缓存内容； 作为每个地市一级的中心节点，实现本地资源存储： 作为本地市一级的中心节点，对所有的分发节点进行资源的进一步分发，为分 配层节点实现分布式服务提供条件。 3 2 3 分配层节点 c d n 网络结构中最底下的一层是分配层，作用是为终端直接提供存在内容的节点。 在城域网情况下，更强调对用户的分布式服务，分配层节点主要完成功能包括： 直接应对大规模终端用户，为用户直接提供资源内容； 通过分布式机制，实现服务能力的提高，实现对大并发服务的需求。 3 3 内容路由机制比较 内容服务的请求路由机制( r r sr e q u e s tr o u t i n gs y s t e m ) d 4 1 的好坏直接涉及到c