（计算机科学与技术专业论文）嵌入式vod系统的设计与实现.pdf

武汉理t 人学硕士学位论文 摘要 随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，家庭多媒体特别是音频、视频点 播服务的应用越来越广泛，视频点播服务已发展成为信息服务中的重要组成部 分。 音视频点播服务( v o d ) 的显著特点是用户在节目的选择和观看上是主动 的，用户根据个人爱好可以在个人家庭媒体终端随意点播自己喜爱的节目。 协议的选择和实现是v o d 系统功能实现的重要技术，针对流媒体网络播放 系统的特性，选用i 盯s p 和r t p 脚c p 协议作为传输协议，具有通用性。 在分析v o d 系统关键技术的研究背景和应用现状的基础上，根据v o d 业务 需求分析，主要做了以下工作： ( 1 ) 通过分析和提取v o d 视频点播服务共同的特点，采用了一种较为合理高 效的v o d 分布式系统框架。结果说明通过该框架开发的v o d 系统运行效率相对 较高，可扩展性较好； ( 2 ) 根据对互联网的用户点播特进行分析，改进了v o d 系统服务器端的节目 调度策略，通过分析用户点播的流程，从用户行为和节目流行度入手，提出了 v o d 服务端单个节目不同片段分块备份存储和不同时间实时调度相结合的节目 方案； ( 3 ) 基于l 玎s p 和r t p l 玎c p 协议，实现了视频数据由r t p 传输：视频质量由 r t c p 控制，视频控制( 播放、暂停等) 由r t s p 实现，并在系统设计中实现了其 通信会话； ( 4 ) 在嵌入式s t 7 1 0 0 机顶盒硬件平台上，基于d i f e t s h o w 原理和f i l t e r 技术， 实现了嵌入式设备上的v o d 播放器终端。 本文对系统的需求分析、功能设计、软件结构设计和各相应模块的开发作 了详细的描述和大量的工作，对服务端和客户端通信过程中的数据包结构和解 析进行了研究。紧紧围绕v o d 实用性和实时性的要求完成了系统的设计，并在 实际的v o d 系统中得到了使用，根据v o d 业务的要求，表现了出较好的服务性 能。 关键词：视频点播，节目调度，r t p ，嵌入式，d i 删s h o w 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t l lm er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en e 细o d ( a n dm u l t i m e d i at c c l l l l 0 1 0 9 y ，缸n i l y m l l l t i m e d 试e s p e c i a l l y 鲫d i o ，v i d e 0o nd e m a l l ds e 州c e s ，h a sb e m o r ea 1 1 dm o r e w i d e l ya p p l i e d a t 吐l es 锄et i i n e ，v i d e 0o nd 锄a n ds e r v i c e sh a sb e c o m ea ni m p o r t 锄t p a r to fi i i f o m a t i o ns e 而c e s d e o0 nd 锄锄d ( v o d ) i sc h 撒c t e 血e db yu s e r si i l s e l e c t i n ga n dv i e w i n g p r o 野h n sa 以v e l y a c c o r d i n gt 0p e r s o n a lp r e 断e n c e s ，p c o p l eh a v ea 油札“l y6 船 h a r l di nw a t c m n gm e i rf a 、，0 r i t ep r o g 即m so nf - a m i l ym e d i at e n i l i n a l p r o t o c 0 1s e l e c t i o na n di n l p l 锄饥t a t i o ni s 姐i i n p o r t a n tt e c h n o l o 甜o fv o d s y s 衄n 矗m c t i o ni i l l p l 锄t a t i o n f 0 rt 量l ef e a t u 潞o fs 骶锄i i l gm u l t i m e d i an e 嘶依 b r o a d c 鹤ts y s t 锄，n l i sp a p e rc h o o s er t s p 锄dr t p r t c pp f o t o c o l 嬲m e 呦s p o n p r o t o c o l ，w l l i c ha l s oi sv e r s 抓l e b a s e do n 锄a l y s i so fr e s e a r c hb a c k 伊0 u n d 觚d 叩p l i c a t i o ns t a t l l so f l ek e y 娩h n 0 1 0 百e so f v o ds y s t e l i l ，a c c o r d i n gt o 舭v o db u s h l 骼sn e e d sa i l a l y s i s ，n l i sp a p e r m a i l l l yd o 铭n l ef o l l o 州l 培w o r k ： ( 1 ) n l r o u 曲吐l e 肌a l y s i sa n de x 臼a i ：t i o no fc o m m o nf e a ：t l l r 懿o fv o ds e r v i c e ，m e p 印e r1 l s eam o r e 硎o n a la n de 伍c i e n tv o dd i s t r i b u t o ds y s t e m 丘a m e w o r k a n dm e 尬跚l t ss h o wm a tt h ev o ds y s t e mu s e d o fm e 触m e w o r kh 嬲r e l a t i v e l yl l i 曲 e 伍c i 饥t c ya n dp r e 向a b l es c a l a b i l i 职 ( 2 ) a c c o 订i i l gt 0 觚a l y s i so fu s e rc h a r a i 。t e r i s t i c so ni n t e m e t t l l ep 印e ri m p r o v e d t l l ep r o g r 锄s c h e d u l i i l g 始a t e g y0 fv o ds y s t 锄s e r v e r - s i d e 。1 h d u g h 觚a l y s i s l e v o d p r o c e s s b a s e do nu s e rb e h a 讥o ra 1 1 dp r o 伊锄p o p u l 撕劬t 量l ep a p e rp u tf o 】州a r da d e s i 盟s c h 锄e ，w l l i c hi sac o m b i n a t i o no fd i 绦玎e n t 劬舯e r 】临o fe a c hs i n 酉ep r o g r 锄 d i v i d e di n _ t op i e c 懿t 0b es t o r e d 觚dr e a l t i l n es c h e d u l i n gi nd i 您珂e n tt i m e ； ( 3 ) c o m b i n e dw i mr t s p 觚dr 1 m 哪c pp r o t o c 0 l 胁ep 印e ra c h i e v e dt h a tv i d e 0 d a t ai s 昀n s m i t t e db y 形r p v i d e 0q u a l i t yi sc o n n o l l e db yt h ei 汀c 只a n d 讥d c o n 缸0 l ( p l a y ，p a u s e ，e t c ) i se x e c u t e db yr t s p a tm es 锄et i m e ，m ep a p e ra c h i e v en l e s e 舢u i l i c a t i o ns e s s i o no f t h e s ep a r t si n 廿l es y s t e r nd e s i 弘； ( 4 ) b a s e do ns t 7 10 0s e t t o p b o x 唧b e d d e dh a r d w a r cp l a t f o m ，c o m b i n e dw i t h 武汉理j r ：人学硕十学位论文 d i r e c t s h o wt h e o 搿a 芏1 d 矗l t e rt e c h n o l o 戥t h ep 印e ri m p l e m e l l tav o d p l a y e rt i n a l b a s e do ne n l b e d d e dd e v i c e s t h ep a p c rd i da1 0 to fw o r k 锄dm a d ed e t a i l ed e s 嘶b eo nm e 劬c t i o n d e s i 盟，s o f t w a r ea r c h i 慨t u 心d e s i 髓锄dn l ed e v e l o p m to fe a c hc o 仃e s p o n d i n g m o d u l eo fv o ds y s t e m ，锄da l s om a d ear c s e a r c _ ho nt l l ed a t ap a c k e ts 价l c t u r e 锄d 锄a l y s i sw h e nt l l es e r v i c e s i d ea i l dc i i e n ta r ec 0 i i l 】m u i l i c a t i i l g c e n t 砥n g0 nm ev o d p r a c t i c a b i l i t ya n dr c a l t i m er a q u i r e i n e n tf o rs y s t c md e s i 朗，t h em e n l o dd e s c r i b e d i i lt l l e p a p e rh a y eb e i i lt h ea 以脚璐eo fv o ds y s 融n ，a n ds h o w i n ga9 0 0 ds e 嘶c e p e 舶锄c e i i la c c o r d a i l c ew i 也也er e q u i r e m e n t so f v o ds e f v i c e s k e y w o r d s ：、，i d e o - o n d e m a n d ，p r o g r a ms c h e d u u n g ， 盯p ，e m b e d d e d ， d i r e c t s h o w i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学或其它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贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 矶f j t 汐 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：京嘶缔师( 签名) ：吾复印日期：矽似上幻 武汉理t 大学硕1 j 学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究背景、目的和意义 1 1 1 课题研究背景 世界各国的数字电视技术正迅速发展应用，由于数字电视更加贴近人们对 媒体的高品质要求，嵌入式系统基于数字电视的的设计成为嵌入式领域新的研 究热点，有较广阔的市场应用前景。最常见的就是在家庭常用电视机上加个机 顶盒，既能满足人们对节目视频的点播，又节约了一定的个人经济成本，颇受 大众欢迎。 但是，现阶段的v o d 产品普遍存在着在网络带宽有限的情况下视频点播的 速度和效果不尽如人意的状况，这会在一定程度上打击用户使用v o d 的积极性。 通过初期调研发现，一般市场上的v o d 产品要么是系统对用户的点播响应 比较快但其视频质量和使用界面存在某种欠缺，要么是播放质量能得到保证但 点播速度却差强人意。 如果用户能够在一定的网络带宽下获得用户较满意的点播效果，比如说服 务器端节目调度相对合理，客户端点播响应较快，播放画面友好，符合潜在用 户的节目风俗爱好和操作特点等。这将会更进一步激发人们使用v o d 系统的热 情，提高v o d 产品的普及率。 论文受“华中科技大学唯冠集团联合实验室”( h u s p r o v i e wl a b ) 的 v o d 设计开发项目支助。 1 1 2 课题研究的目的和意义 近年来，随着世界各地i i l t 锄e t 的迅猛发展和网络资源的不断丰富及人们生 活水平的普遍提高，人们在家用娱乐工具上的投资日益增加，对娱乐节目的要 求也愈来愈高。现在的我们在家庭娱乐上己经不仅仅满足于在电视上收看被动 的推送的定时的节目，不再满足于只能在网络上传送简单的数据，我们希望能 通过网络传送包括音视频数据的多媒体信息流，希望能自己随时选择观看自己 喜爱的节目。基于广大用户实时观看音视频的需求，v o d 视频点播应运而生， 武汉埋t 大学硕f 二学位论文 并迅速发展应用。 这种v o d 系统相对于用户传统的被动的收看节目模式有其明显优点，表现 为：一是s t b 有很大的推广市场，因为运营商利用现有的有线电视网线路可以减 少系统的投资成本，用户使用电视机加机顶盒终端也可以节省个人成本，不管 是投资者还是消费者都能达到成本的满意度；二是v o d 的视频节目传输采用的 是数字调制频道复用技术，改变了以前一个模拟频道只能传送一个节目的状态， 可以传送更多的电视节目，从而更好的满足用户各种各样的节目观看需求； 三 是v o d 系统服务器端的视频节目大都采用分布式分级冗余存储，可以满足用户 很大的并发点播需求：四是视频节目的数字化高清晰传输给用户提供了满意的 视觉效果。由于v o d 系统在家庭娱乐中的以上优势，近年来受到越来越多的广 大用户的热爱。 除了人们平时在现实生活中看到的视频点播的市场优势，从长远来看，v o d 系统也具有巨大的潜在市场和应用前景，它的发展甚至可以代表未来的网络多功 能化和数字信息的交互式应用发展趋势，具有较为深远的现实意义。 本课题在调研和分析国内外的嵌入式v o d 产品的基础上，拟对现有的v o d 产品提出一些改进设计。这些改进表现为对v o d 的整体架构进行更为合理实用 的设计，对v o d 服务器端节目调度服务性能以及对机顶盒客户端播放器的改进 设计。最终使我们开发的v o d 产品对潜在客户来说更具有本地特色和针对性， 更符合其风俗爱好和操作习惯，使其实现更好的市场价值。 1 2 嵌入式v o d 概述 1 2 1 v o d 概述 视频点播( v o d ：d e 0o nd 锄肌d ) 【i j 目前在网络宽带应用服务中是最常 见的，其目的是实现用户对网络视频流文件的共享和播放，其本质是信息使用 者不再被动的接受节目信息，面是主动获取个人所需信息。可以说v o d 视频点 播与传统的信息广播最大区别就是用户的主动性和交互性。 最初的v o d 视频点播应用于点歌房，开始时是“半手工”操作的，它需要有 操作员在控制中心根据用户点播请求来操作节目调度，这种v o d 系统的稳定性 比较差，并且当多个用户点播同一节目时，用户排队等待时间较长【2 1 。 随着社会经济的发展和计算机技术进步，视频点播业务趋于成熟，应用上 2 武汉理丁大学硕l 学位论文 更加灵活，用户可以自出地从远端视频节目库中选择需要观看的电视节目，并 且使用操作很方便。 一般来讲，一个典型的v o d 系统设计大都包括以下几个模块【3 】：( 1 ) 服务器 点播服务模块：( 2 ) 服务器应用服务模块；( 3 ) 服务器管理模块；( 4 ) 网络传 输设备；( 5 ) 用户终端。从v o d 的模块构成上看，v o d 系统的设计牵涉到很多 领域，其主要核心技术包括多媒体数据压缩技术、多媒体网络传输技术和多媒 体数据库技术【4 1 。 发展至今，v o d 作为网络宽带数字综合业务一种交互式业务，集流媒体技 术、计算机技术和网络通信技术于一体【5 】，已成为信息服务中宽带业务的重要组 成部分。 1 2 2 嵌入式v o d 随着嵌入式技术的发展和嵌入式产品的不断推出，v o d 系统设计时借助嵌 入式客户端来实现用户的实时点播服务已得到越来越多的应用。把电视机和机 顶盒( s t b ) 作为嵌入式客户端设备的v o d 系统就是我们常指的嵌入式v o d 。 目前v o d 系统从网络应用方面划分主要是基于i l l t 锄e t 的v o d 视频点播和 基于有线电视网的v o d 视频点播。这两类视频点播的信号格式不同，节目质量 不同，不能互相点掰6 1 。基于h e n l e t 视频点播的客户端是p c ，其c p u 相对主 频率大，但网络管理和用户管理问题很大。有线电视网的客户端是机顶盒和电 视机，节目源质量有保证。 s t b 指和电视机相连的通过对接收数字信号进行转换处理使电视机可以实 现多媒体交互业务的一种用户设备。 机顶盒的用途有两个，一是能够接收电视节目；二是机项盒的可扩展功能， 可以支持m t e n l e t 连接，借助其内置固化的简单操作系统和特制浏览器，实现交 互式游戏、收发e - m a i l 掣7 。 机顶盒低端产品只有有限的用户接口和处理能力，高端机顶盒有至少4 m b 的存储能力，可提供图形用户接口、语音识别、动画制作和游戏等【l 0 1 。 以上是嵌入式v o d 的硬件环境，下面对其主要模块【3 】简单描述。 1 ) 以中心s e r v e r 为中心的集群服务器 中心s e r v e r 即我们常说的中心服务器，它是整套v o d 流媒体系统的核心，通 常由一台或多台( 以v o d 规模定) 高稳定性的流式服务器构成。它主要负责对 3 武汉理t 大学硕l 学位论文 视频节目流的管理、响应来自各个客户端的点播请求，经过请求验证后将视频 推向有点播请求的客户端，并进行客户管理，边缘s e r v e r 状态管理等。 由其功能可见中心s e r v e r 在整个嵌入式v o d 系统中的关键作用，具体表现在 ( 1 ) 视频节目控制及调度；( 2 ) 大容量视频节目的存储管理；( 3 ) 视频节目的 检索与更新；( 4 ) 处理用户的点播请求。 2 ) 网络传输 网络传输是服务器端和用户客户端的桥梁，主要提供流媒体传输。 3 ) s t b 或p c 客户端 客户端播放软件，提供点播功能。要求用户界面友好，便于用户操作。 v o d 系统的体系结构如图1 1 所示。 图1 1v o d 系统的体系结构 1 3 国内外应用现状 早在九十年代数字电视刚兴起时，许多有线电视业内有识之士就提出了 v o d 业务的概念，并指出它是有线电视市场未来发展的方向。 从v o d 利用的国外市场来看，v o d 业务在美国倍受青睐【1 0 1 ，有关v o d 业务 的技术，如视频服务器点播技术和用户管理系统的实时交易处理技术已日趋成 熟，v o d 系统的平台设计成本较低，加上数字电视用户数也在日益增加等因素， 市场应用很广阔；另外，从美国有线电视运营商角度来看，v o d 业务是增强数 字有线电视业务的有效工具，可以获取可观的利润。 国内的v o d 业务日前也是如火如荼，由本世纪初全套引进外来v o d 技术到 国内自主研发适合本地民众需求的v o d 系统，积极吸收消化国外最新技术并不 断进行技术创新，在借鉴国外优秀产品的基础上研制出符合我国国情的v o d 产 4 j 一 武汉理工人学硕l ：学位论文 品。所以国内v o d 的起步虽然在时间上比国外晚，但紧紧围绕客户的实际需求， 在很多技术方面上有更适合国内v o d 用户应用的鲜明特色。 在我国市场上，2 0 0 9 年1 月1 日，国务院办公厅转发了国家发改委等六部委 关于鼓励数字电视产业发展的若干政策，政策的发布积极促进了国内数 字电视的发展，促进嵌入式v o d 系统进一步集中发展。 但是目前大部分嵌入式v o d 系统的客户端功能目标单一，实时播放存在质 量问题等。本课题拟通过研究嵌入式v o d 系统的整体设计架构，从服务器端节 目调度入手，结合节目存储管理等措施提高服务性能，并基于本地用户的操作 特性考虑，进行客户端播放器的设计，最终达到本系统通用性和区域性的结合。 1 4 本文主要研究内容及组织结构 本课题的主要研究内容是嵌入式v o d 系统的设计与实现，在研究了v o d 系统在国内外市场的应用特点之后，提出了符合项目需求的v o d 系统架构，结 合用户实际需求，着重研究v o d 系统的节目调度和客户端设计。在开源代码库 l i 曲t i n gs 仃e 锄的基础上构建了嵌入式v o d 系统，建立了适合客户点播的流媒 体服务器和客户端。 本文的内容框主要由四大部分构成：嵌入式v o d 系统设计所涉及的相关基 本理论知识分析，系统的整体框架设计，服务端节目调度设计以及d i r e c t s h o w 客 户端播放器的设计。本文的各章节研究内容安排如下： 第一章：绪论，介绍本论文的课题来源、研究目的和章节组织结构。 第二章：v o d 相关应用理论基础，重点分析i m 触s p r t c p 技术原理和 d n c t s h o w 技术，为以后章节内容的研究和设计提供理论基础。 第三章：提出v o d 系统的整体设计架构，并设计系统的l s d b 数据库和统一 的数据包格式。 第四章：v o d 服务器模块设计，分析用户行为和节目流行度等因素对节目 调度的影响，提出了本v o d 系统的节目调度方案。 第五章：结合v o d 系统客户端需求，在嵌入式机顶盒的应用基础上，采用 d i r e c t s h o w 技术实现客户端播放器。 第六章：论文总结，并就几个可以继续深入研究的设计点进行展望。 最后是参考文献，致谢，发表论文情况等。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式v o d 相关理论技术基础 为了能够设计出良好的嵌入式v o d 平台，应该也必须了解v o d 服务器以 及客户端有关技术的基本概念和发展状况。本章将对嵌入式v o d 服务器端节目 调度和机顶盒客户端播放器设计的相关技术进行介绍和分析，包括实时流媒体 传输所用协议r 1 四l 盯c p 和i 玎s p 技术，服务器端节目调度相关知识以及和i 玎s p 客户端播放器相关的d i r e c t s h o w 技术和机顶盒等相关知识。 2 1 实时流媒体传输技术 流媒体一般是指在h l t 锄e t 上流式传输的可播放的媒体格式，如音视频或多 媒体文件【n n l 。其传输的最大特点是i n t e n l e t 上的视频文件在播放前不需要下载 整个文件，用户可以边观看边下载。可见流式传输与传统文件下载相比，能减 少用户观看的等待时间，同时也不再对系统缓存有苛刻需求。 实现媒体流式传输【1 2 】有两种方法：实时流式传输和顺序流式传输。实时广 播视频多采用流式传输服务器或应用l h s p 实时协议；顺序流式传输是使用 h t t p 服务器的通过顺序流发送文件的方式。 2 1 1r t p 协议 我们知道，协议的选择和实现是实现v o d 系统功能实现的重要技术范畴。 我们所选用的协议要需要具有通用性，并且需要具有一定的可修改性。 目前v o d 系统传输数字音视频流所采用的协议是实时传输协议r t p ( r e a l - t i l i l et r a l l 咖r tp r o t o c 0 1 ) 【1 3 l 。它为i n t e n l e t 上的实时信息提供端到端的传 输服务，通常与u d p 协议配合使用。但r t p 协议本身不提供任何机制来保证传 输信息的正确性和及时性。 工作时，r t p 协议从上层接收信息码流( 如h 2 6 4 ) ，打成r t p 数据包发送给下 层，i 汀p 数据包没有长度限制，它的最大包长受下层协议的限制【1 4 】。 总体来说，r t p 提供两个关键特性【l5 j ：其一是每个数据报中的序号。其二是 数据报中的时间戳。序号允许接收端不按顺序交付，时间戳可以使接收端控制 视频的回放。 6 武汉理丁大学硕：卜学位论文 r t p 的每个数据报都有2 位版本( v e r ) 字段，当前的r t p 版本号为2 ；首部 字段用于指定有效载荷类型的7 位有效载荷( p t y p e ) 字段；其中p 位指定是否 在有效载荷后填充补零，用于数据需要固定分块时；如果应用程序类型允许首 部扩展，则使用x 位来指定；m 位通常用于需要标记数据流中的某点( 如在发送 视频时每帧的头) 的应用程序；c c 表示参与源i d 的数量，每个参与源由3 2 比特 构成。而时间戳是可以随机选择的，准确时间间隔由有效载荷类型确定【1 6 j 。 表2 1 为r t p 固定数据包头格式。 表2 1 r t p 固定包头格式 由此可见，r t p 协议的作用是保证时间和实时流同步。其实质就是提供一个 时间标签和序列号来控制适时数据流的播放。它不保证实时传输数据的正确性， 也不保证服务质量。可以说它更加侧重的数据传输的实时性【1 7 1 。 2 1 2r t s p 协议 实时流协议r t s p ( r e a lt 妇es 仃e 锄i l l gp r o t o c 0 1 ) 【1 8 】是支持实时信息流式传 输的应用层协议，适用于c l i c i l t s e r v e r 体系结构的控制场合，用于控制实时性多 媒体数据的发送。 i 汀s p 既然是应用级协议便可以通过t c p 或i j l ) p 传输，但r t s p 操作并不依赖 用于携带连续媒体的传输机制f 1 9 1 。r t s p 协议在语法和操作上与h t t p 很类似， 但它自身具有两个相对优势：1 ) 实时传输和播放。用户可通过i n t 锄e t 即时播放 音视频文件；2 ) 用户不必将所有下载的数据同时存储在本地，从而节省大量的 磁盘空间【2 0 】。 由此可见，i 盯s p 协议的作用是为了控制具有实时特性的信息数据的发送。 它提供对媒体流的控制功能如播放、暂停等。 为实现这些操作，l 玎c 规范定义了相应的方法用于客户端和服务器间的通 信。r t s p 方法【2 l 】如表2 2 所示。 其中 7 武汉理t 大学硕上学位论文 c s 表示客户端发送命令至服务器 s 叫表示服务器发送命令至客户端 表2 2r t s p 方法 命令方向对象( p 节目；s 数据流) 要求 d e s c r i b e c s p ，s 推荐 a n n o u n c ec ss - cp ，s可选 g e tp a ra m t e r c - ss cp ，s可选 o p t i o n s c - ss cp ，s必须 p a u s e c 卜_ s p ，s 推荐 p u wc - sp ，s必须 r e c o r d c - sp ，s可选 r e d i r e c t s cp ，s可选 s e t u p c j sp ，s必须 s e tp a r a m t e rc ss c s 可选 t e r a d o w nc s p ，s必须 2 1 3l 汀c p 协议 实时传输控制协议r t c p ( r e a l t i m et r a l l s p o r tc o n 缸d lp r o t o c o i ) 属于r t p 的 完整部分，它是r t p 的伴随协议，提供r t p 需要的控制功能。控制功能表现在四 个方面【竭：1 ) 提供信息流的质量反馈；2 ) 带有r t p 传输层标识。如程序重新启 动等发出报告；3 ) 控制传输速率；4 ) 传送最小连接控制信息单位。 r t c p 使用5 个基本报文类型来进行发送端和接收端的会话。报文封装在 u d p 数据报中。这5 个基本报文分别是：发送端报告报文；接收端报告报文；源 描述报文；结束报文和应用程序特定报文。 表2 3 中列出了5 种r t c p 报文类型。 表2 35 种r t c p 报文类型 其中，结束报文和应用程序特定报文是最简单的。发送端在停止发数据流 时传输一条结束报告报文；而应用程序特定报文类型提供报文的扩展，用于应 用程序定义报文类型。 发送端报告报文由发送端周期性发送，提供绝对的时间戳。 武汉理工人学硕士学位论文 接收端报告报文由接收端周期性地发送，向发送端通知接收的条件。 源描述报文也是由发送端发送，提供拥有源站控制权用户的信息。 2 1 4r t s p r t p 】订c p 协议关系 由前面分析我们知道，i 玎s p 和r t p 瓜t c p 协议各提供相应的功能，来保证 h n 锄e t 上流媒体的有序传输和质量传输。 r t p 只保证实时数据的传输，r t c p 管理控制信息，提供信息流的同步和服 务质量的控制。i s p 是服务器端的远程控制，主要控制节目流的播放，暂停等。 其中，视频数据由r t p 传输；视频质量由r t c p 控制； 视频控制( 播放、暂停等) 由r t s p 实现。 从协议使用结构上讲，r t s p 位于r p r t c p 之上；从编程角度来讲，r t p 与 r t s p 都属于应用层，但从功能来讲，r 1 1 p 是传输层，r t s p 是应用层【列。客户端i m 只负责接收数据，而l 玎c p 除接收服务器消息外，还要向服务器信息反馈。 图2 1 表现了视频点播传输层次所用协议。 一一组c 衙，卜一 服务器 一嗍c 哪，卜一 播放器 一一c 啷，卜一 图2 1视频传输所用协议 2 2d i r e c t s h o w 技术 2 2 1d i r e c t s h o w 基础原理 d i r c c t s h o w 【2 3 】是d i 觥的一个成员，d i f e c t x 是微软公司开发的一套基于 w i n d o w s 平台的a p i 编程接口，用于高效完成多媒体数据的处理。d i r e c t s h o w 能 有效解决各种格式的媒体文件播放问题。 d i r e c t s h o w 的应用框架是开放性的，它是进行流媒体处理的开发包，也是 基于c o m 的编程接口。本质上讲，d i r e c t s h o w 基本工作原理就是一个流水操作， 9 武汉理工人学硕十学位论文 它通过把称作d i r e c t s h o w 单元组件的f i l t e r 串联成f i l t e rg r a p h ，由f i l t e rg r a p h m 狮a g e r 控制实现播放。 从本地系统来说，d i r e c t s h o w 可以对不同格式媒体文件进行编解码，实现 媒体格式间相互转换。也可以从采集设备上采集音视频信息数据并保存为文件。 从网络应用角度来说，d i r e c t s h o w 可广泛用于视频点播、视频监控等领域。 总体来说，d i r e c t s h o w 能充分发挥流媒体的性能，可以简化媒体播放、格 式转换等工作。它适合于音视频多媒体数据的处理，但又不局限于多媒体数据。 用户可以自己创建组件加入到d i 翮s h o w 结构中以达到个人特殊的效果。 2 2 2f i l t e r 原理 为实现对多种对象( 不同流格式或不同终端设备) 的处理，d i r e c t s h o w 使用了 组件( c o m ) 封装的便利实现方法。组件在d i r e c t s h o w 中被称为过滤器( f i l t 呻。 f i l t e r 是d i r e c t s h o w 最基本的组成元件。从本质上说它是c o m 组件，从性 质上讲，它是完成d i r e c t s h o w 媒体处理过程的基本单元。d i r e c t s h o w 提供了一 组标准的f i l t e r 供应用程序使用，主要有以下类型【2 4 l ： ( 1 ) 源过滤器( s o u ef i l t 砷。负责把数据导入f i l t e rg r a p h 中，数据来源可 以是本地文件也可以是h l t 锄e t 。 ( 2 ) 分离过滤器( s p l i t t c rf i l t e r ) 。把数据输入流分割成多个流输出。 ( 3 ) 变换过滤器( t r a i l s f o mf i l t 砷。获取输入流后对数据解码、格式转换等 并生成输出流。 ( 4 ) 混合过滤器( m i xf i l t 神。把多个输入流组合成一个数据流，和分离过 滤器作用相反。 ( 5 ) 提交过滤器( r e i l d e rf i l t 神。接收数据流并把数据流提交给外设。 由f i l t e r 以上功能可看到，d i c t s h o w 分步骤对多媒体数据进行处理，每一 步由一个f i l t c r 来完成。应用程序使用时需要将各f i l t e r 有序连接成过滤器图表 ( f i l t e rg 】陌呸) h ) 。 f i l t e rg r a p h 的任纠2 4 】是确定应用程序每一步该使用哪个f i l t e r 以及它们之 间的连接方式。多媒体数据流在f i l t e r 研a p h 的流动路程是从源f i l t e r 经由中间 f i l t e r 到提交f i l t e r ，最后在播放器端播放。应用程序在这个过程中完成对数据流 的读取、解析、解码和播放。 l o 武汉理工人学硕+ ：学位论文 2 2 3p i n 功能 f i l t e r 之所以可以相连是因为它们之问连接的接口也是c o m 形式的，这个 起连接作用的接口称为引脚( p i n ) 。 f i l t e r 利用p i n 在各f i l t e r 间传输数据。每个p i n 都属于一个f i l t e r 的私有对 象。f i l t e r 可以动态的创建、销毁p i n ，也能自由控制p i l l 的生存时间。p i n 从功 能上分为两种类型，即输入p i n ( h l _ p u tp i n ) 和输出p 试q l t p u tp i n ) 。 连接f i l t e r 时，前后两个p i n 必须是不同类型的，即输入p i n 只能和输出p i n 相连，且连接的方向总是从输出p i i l 指向输入p i i l 。 f i l t e r 之间的连接过程( 也就是p i n 之间的连接过程) ，实际上是连接双方媒 体类型匹配的过程。f i l t e r 连接【2 4 均大致过程是： 如果应用程序在调用f i l t e r 连接函数时已经指定了完整的媒体类型，则用此 媒体类型进行p i n 连接； 如果应用程序调用连接函数时没有指定媒体类型，则做以下相应处理1 27 】： 首先要枚举出需连接输入p i i l 上所有可能的媒体类型，将这些媒体类型依次 与输出p i i l 进行试连接；如果输出p i i l 能接受，则p i n 成功连接； 如果对输入p i n 枚举的所有媒体类型输出p i i l 都不支持，则对输出p m 上所 有媒体类型进行枚举，依次与输入p i n 进行试连接，如果输入p i n 能接受其中的 任一媒体类型，则p i n 成功连接； 如果对输出p i n 上所有媒体类型输入p i n 也都不支持，则p i n 连接失败。 f i l t e r 的p i n 连接如图2 2 所示。 2 3 节目调度算法 图2 2 f i l t e r 和p i i l 连接示意图 随着多媒体技术的进步，基于分布式v o d 系统的节目调度方案也在逐步发 展，表现为从节目调度的不同侧面实现多种有效的节目调度方案，从不同程度 上提高v o d 系统的资源利用率。 但同时随着互联网节目源的增多，用户的需求增大，边缘s e e ri o 带宽的 瓶颈缺点也日益明显。如何合理调度边缘s e r v e r 和网络资源，如何优化中心s e r v e r 武汉理t 人学硕i j 学位论文 资源配置成为v o d 发展的关键问题。为了解决边缘s e v e r 的并发问题，需要对节 目调度方案进行探索。 2 3 1 静态调度 一般来说，算法指的是完成某项任务所需的系统化的指令集，这种任务可 以是任何能够得出可认知结果的任务【2 5 1 。典型的多媒体流调度算法分为静态调 度( s t a t i cs c h e d u l i i l g ) 与动态调度( d y n 锄i cs c h e d u l m g ) 两类。 静态调度算法一般利用广播或组播通道发送媒体流。典型的静态调度算法 包括周期广播算法【2 6 - 2 7 1 ，金字塔算法【2 8 】。静态调度算法有以下突出优点，一是算 法结构较简单，不易受用户动态行为的影响；二是对用户点播率不敏感，对用 户个体来讲，其点播性能不会因总用户数的增加而下降；三是算法公平性相对 高，对不同用户而言，系统提供的服务性能很相似。 但是，静态调度算法也有其相对明显的缺点，比如说当用户启动延迟过长 时，对用户提供的服务质量不太高，不支持用户的交互操作等。 2 3 2 动态调度 和静态节目调度算法对比，典型的节目调度动态调度算法有b a t c h i n g 算法、 客户端缓冲算法、s m p 算法和补丁算法族。在动态调度算法中，除了补丁算法 族以外的其他动态调度算法统称为传统动态调度算法，这些算法各有其不同的 适用范围。3 2 】。 动态流调度算法有其明显优点，首先是单个用户的启动延迟小。因为系统 可以实时响应用户请求，最重要的是动态算法能支持用户的v c r 交互操作，满 足v o d 点播特点。 动态调度算法也有其缺点，该类算法一般结构较复杂，算法的公平性比静 态调度算法要差，特别是在用户访问频率过高使系统服务达到饱和状态之后， 系统性能随新用户的增加而显著下降。 根据v o d 系统实时应用需求，本文只研究动态调度算法类型。 2 4 嵌入式v o d 系统设备机顶盒 s t 7 1 0 0 【3 3 1 是本文设计的嵌入式v o d 系统客户端采用的外部硬件设备，它和 1 2 武汉理下大学顾i ：学位论文 电视机一起满足用户对v o d 实时节目的点播和观看需求。 s t 7 1 0 0 是目前市场上较成熟的高清解码芯片，其优势在于能同时支持高清 的h 2 6 4 标准和标清的m p e g 2 解码。 从编程角度上来看，s t 7 1 0 0 机顶盒软件是一个包括在其上运行的一系列程 序的嵌入式l i n u x 操作系统【3 4 】。从内部结构上讲，s t 7 l o o 的指令c a c h e 和数据 c a c h e 分别设开，它除支持标清和高清，还支持音视频解码器、支持a n s i c 编译 器等，给编程开发带来很大便利。 2 5 本章小结 本章对设计一个嵌入式v o d 系统所涉及的基本理论和技术进行了简述和分 析，包括l 玎p 协议簇，d i r e c t s h o w 技术和节目调度方案等。下一章将重点研究嵌 入式v o d 系统的整体设计。 武汉理_ 丁入学硕i ：学位论文 第3 章嵌入式v o d 系统的整体设计 目前市场上已有很多v o d 系统具备了基本的节目点播功能，但大多数系统 由于欠缺合理的结构，导致v o d 系统的响应速度在实际的应用中不是很理想。无 论从经济因素还是效率因素考虑，一个合理的v o d 系统架构都至关重要。另外， 系统的通用数据结构设计和数据库的构造也对v o d 性能影响很大。本章拟解决 这些问题。 3 1 系统分布式架构 较大规模v o d 系统大都采用分布式服务器架构。这种架构是指v o d 系统 的数据信息和程序可以不在同一个服务器上，可以把服务器端按功能进行相应 的合理拆分，把各个功能的实现放在几个相对独立的服务器上，最后通过这些 服务器之间的相互协作来共同完成整个系统的功能。 因为这种分布式架构方法能克服传统集中式系统造成的中心s e r v e r 资源紧 张和响应瓶颈的缺陷，本文在v o d 系统服务端采用分布式架构。正如在第一章 引言所述，将服务器按功能划分为不同的功能s e r v e r 。有边缘s e r v e r 、认证s e e r ， 管理s e r v e r 等。 从功能上来说，中心s e r v e r 类似于人的心脏，主要记录各s e r v e r 以及用户 的状态，处理边缘s e r v e r 的调度请求信息，记录视频文件的进出信息等；管理 s e r v e r 对节目信息和用户信息进行管理；注册s e r v e r 实现对用户的权限管理和计 费信息等相应管理；数据库s e e r 主要用于存储海量的视频数据并提供对数据 库的查询和管理。v