（计算机软件与理论专业论文）基于asm的多媒体教学系统的设计与优化.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外。本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 论文作者签名：查塑竺： 日 期：呈q q2 整星 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定。 同意学校保留或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：本人授权贵州大学可以将本学 位论文的全部或部分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论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：茎亟茎j 导师签名：良磊盔e t 期：至q 立壁旦论文作者签名：釜塑竺! 导师签名：终磊致 期：至q 立壁旦 摘要 随着近年来流媒体技术的不断发展，在网络上观看多媒体视频节目的用户越来越多， 高校中通过借助多媒体教学平台辅助教掣是现代教学的一个发展趋势校园网络是一个 复杂的网络环境，如何保障多媒体教学系统中多媒体教学录像的传输质量是本文讨论的 重点问题 流媒体自适应传输技术是近年来流媒体技术研究的一个热点它根据不同网络带宽 和网络拥塞情况，动态地调整多媒体的传输速率，使不同带宽条件的接收者得到不同速 率的多媒体数据流，从而达到降低网络拥塞、保障流媒体数据稳定、连续传输的目的。 本文主要对贵阳医学院多媒体教学系统进行了设计和优化使用r e a lw o r k s 公司的 h e l i x d n a s e r v e r 提供流媒体服务，利用该软件具有的a s m 技术，验证流媒体自适应传 输技术在实际应用中的可行性本文介绍了流媒体技术的基本概念，关键技术，文件格 式以及相关传输协议，研究了流媒体自适应传输的相关技术：质量自适应、拥塞控制、 错误控制和a s m 技术等。在对多媒体教学系统的设计和优化方面主要的工作有；升级 了原有的h e l i xd n as e r v e r 流媒体服务软件，实现了a s m 技术在优化流媒体传输方面 的作用：对现有多媒体教学录像重新编码，以适应流媒体自适应传输的需要；通过取清 二次编码、降低视频编码的复杂度和声音编码的质量，在一定程度上降低了多码率编码 造成的编码时间较长、多媒体文件体积较大的问题；对多媒体教学系统的门户网站进行 了设计和优化，细化了资源的学科分类，提高了用户易用性，同时实现了用户上传多媒 体资源的功能等 关键词：流媒体，自适应传输，a s m ，传输协议 a b s t r a c t w i t ht h eu n c e a s i n gd e v e l o p m e n to fs t r e a m i n gm e d i a , m o l ea n dm o l eu s e r s w a t c hm u l t i m e d i av i d e op r o g r a mo nn e t w o r k i ti sag e n e r a lt e n d e n c yf o rm o d e m t e a c h i n gt oa d o p tm u l t i - m e d i at e a c h i n gs y s t e mi nm a n yu n i v e r s i t i e s c a m p u s n e t w o r ki sac o m p l e xn e t w o r ke n v i r o n m e n t , a n dh o wt oe n s u r et h et r a n s m i s s i o n q u a l i t yo fv i d e oi nm u l t i - m e d i at e a c h i n gs y s t e m i st h ek e yp r o b l e mo ft h e d i s c u s s i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n i nr e c e n ty e a r s , a d a p t i v es t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g yi s af o c u sp o i n ti n s t r e a m i n gm e d i at e c h n i c a ll e s e a r c h d y n a m i ca d j u s t i n gt r a n s m i s s i o ns p e e do f m u l t i - m e d i aa c c o r d i n gt od i f f e r e n tn e t w o r kb a n d w i d t ha n dc o n g e s t i o nc o n d i t i o n m a k e sd i f f e r e n tp e r s o nw h oh a v ed i f f e r e n tb a n d w i d t hc o n d i t i o nr c c e i v ed i f f e r e n t s p e e ds t r e a m i n gm e d i a , a n dt h e nr e d u c e sn e t w o r kj a ma n de n s u r e ss t e a d ya n d c o n t i n u o u ss t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eo p t i m i z a t i o np r o c e s sa n dt h ed e s i g nf o rt h e m u l t i m e d i at e a c h i n gs y s t e mo f t h eg n i y a n gm e d i c a lu n i v e r s i t y t h eo p t i m i z a t i o n p r o c e s sa n dt h ed e s i g na d o p ts t r e a m i n gm e d i as e r v i c e o f f e r e db yh e l i xd n a s e r v e ro ft h er e a lw o r k sc o m p a n y t h ea s m ( a d a p t i v es t r e a mm a n a g e m e n t ) t e c h n o l o g yo fh e l i xd n a s e r v e rv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fa d a p t i v es t r e a m i n g m e d i at e c h n o l o g ya tp r a c t i c a ll l s i n g i ti n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p to fs t r e a m i n g m e d i at e c h n o l o g y , c r u c i a lt e c h n o l o g y , f i l ef o r ma n dm e l t i n gt r a n s p o r tp r o t o c o l s t u d yt h er e l a t e dt e c h n o l o g yo f a d a p t i v es t r e a m i n gm e d i a , w h i c hi n c l u d eq u a l i t y a d a p t a t i o n , c o n g e s t i o nc o n t r o l ，w r o n gc o n t r o la n da s mt e c h n o l o g ye t c m a j o r w o r k si no p t i m i z a t i o np r o c e s sa n dt h ed e s i g no ft h em u l t i m e d i at e a c h i n gs y s t e m h a s ：u p & r i n gt h eo r i g i n a lh e l i xd n as e r v e r , i m p l e m e n t i n ga s mt e c h n o l o g y s e f f e c ti nt r a n s m i s s i o no f m u l t i - m e d i at e a c h i n gv i d e o ，r o - e 沁d em u l t i - m e d i at e a c h i n g v i d e ot os u i tn e e do fa d a p t i v es t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o n t h ep r o b l e mo f m u c hm o r et i m ei ne n c o d i n ga n db i gv o l u m eo fm u l t i - m e d i af i l ec a u s e db yu s i n g v a r i o u sy a r dr a t ea tt h es a m et i m ei sr e d u c e db yc a n c e l i n gt w o - p a s se n c o d i n ga n d 2 r e d u c i n gc o m p t c x i t yo fv i d e oc o d i n g 址l dq u 缸l 哆o fa u d i oc o d i n g v i ad e s i g n i n g a n do p t i m i z i n gt h ep o r t a ls i t eo ft h em u l t i - m e d i at e a c h i n gs y s t e ma n dm e l t i n g c a r e 舢yt h es u b j e c tc l a s s f i c a t i o no fl ( 撼0 1 1 r c e , t h es y s t e mo fm u l t i - m e d i at e a c h i n g i se a s i e rt ou s e t h e 丘m c t i o fu s e fu p l o a d i n gm u l t i - m e d i a “葛o u r c e sh a sb e e n i m p l e m e n t e d k e y w o r d ：s t r e a m i n gm e d i a , a d a p t i v es n 韵m i l l gm e d i at e c h n o l o g y , 燃 t r a n s p o r tp r o t o c o l 第一章绪 论 第一章绪论 本章主要介绍了流媒体发展的背景、流媒体的概念和基本原理。通过流媒体的发展 现状引出了流媒体自适应传输技术。最后概述了本文的主要工作 1 1 背景和现状 随着科技的不断进步，高校教师的教学手段也在不断创新，过去的黑板和课本等传 统教学手段已远远不能满足现代教学的需要。从引入幻灯片、投影等多媒体教学工具到 使用网络多媒体【陈，1 9 9 4 教学系统，教师和学生之间的关系经历了从主动的教、被动的 学到教与学的互动的转换过程。作为现代教育领域的重要手段之一的多媒体教学系统能 够将多媒体资源和其他数字资源整合起来，极大地支持了教和学的基本功能。通过给教 师学生提供优秀的教学平台，让学生学会自主学习，同时也减轻了任课教师的教学负担。 传统的多媒体传输方式是将多媒体数据整个下载下来后再进行播放，这种方式有等 待传输的时间很长和占用用户大量的磁盘空间两大缺点，严重限制了在校园网上师生对 于音视频多媒体的使用。这时，流媒体技术【陈，1 9 9 8 应运而生，流媒体技术的出现弥补 了传统多媒体传输模式的缺陷，用户可以在线观看教学视频节目而不再需要长时间的等 待数据传输。更不会占用大量的磁盘空问。 流媒体技术是指支持多媒体数据流通过网络从服务器向客户机传送，接收方边接收 边播放的技术。流媒体技术应用的最大好处是用户不需等待很长的时问来将视频等多媒 体数据完全下载到本地后才播放，而是只需将开始- - , j , 段时间的数据先下载到客户端缓 冲区中，客户端用户就可以开始播放数据了。以后的数据在用户观看节目的同时连续不 断地下载到客户端缓冲区中，播放的连续性使用户感觉不到数据是一边下载一边播放的 流媒体技术是网络传输技术【朱，2 0 0 2 和多媒体技术的结合体。它借鉴了传统的 t c p i p 协议【陈，1 9 9 5 】对通过网络传送信息的控制方法。当客户端通过t c p p 协议下载 文件时，服务器会按照一定的次序将文件分成若干个独立的数据包，然后依次发送出去。 而客户端的程序会将这些数据包重新组合起来，最终形成和原来完全一样的完整的文件。 这时，客户端就可以对这个文件进行操作了流媒体技术能够按照特定的顺序将文件发 送出去，而播放程序则可以边接收数据边播放它们。为了使播放更加稳定连贯，通常客 4 第一章 绪论 户端会通过为接收数据开辟缓存区的方法来解决网络拥塞的问题。只需要在缓存区充满 前等待几秒钟，就可以开始欣赏了 流媒体通信具有数据量大、实时性要求高的特点。流媒体应用在带宽、时延、抖动 等方面对以包交换【郑，1 9 9 9 为传输机制的i n t e m e t 提出了巨大的挑战。 首先，和传统的文本应用相比，流媒体应用通常需要更高的带宽。一个典型的2 5 s ( 3 2 0 2 4 0 ) 的q u i c k t i m e 电影片断，需要占用2 3 m b ，这相当于大约1 0 0 0 屏的文本 数据。 其次，音视频信号是连续媒体，具有实时性强的特点，要求依照采样码率连续播放 人的感观对播放过程的延迟、抖动非常敏感，需要采用缓冲技术【詹，2 0 0 4 控制抖动，使 信号在规定的回放点( p l a y b a c kp o i n t ) 播放。如果数据不能及时到达，播放进程将停止， 产生视觉、听觉无法容忍的缺陷。对于交互性的应用如i p 电话 崔，1 9 9 9 、视频会议 【崔，1 9 9 4 】等，信号处理和传输的延迟必须小于规定阀值( 2 0 0 m s 3 0 0 m s ) 。除延迟之外， 网络拥塞也对实时流量有着非常严重的影响。如果网络处于拥塞状态，对于非实时的数 据，唯一影响是传输需要更长的时问来完成，但对于实时数据。如果不能及时到达，将 会因数据过时被客户端丢弃。如果不采取适当的措施，丢包的重传将使情形进一步恶化， 并最终导致网络崩溃。 最后，经过压缩处理的音视频数据流往往具有突发性，数据流的产生速度并不恒定。 只增加带宽并不能解决突发问题。对于大多数应用，接收端有一个有限的缓冲。如果不 采取方法来平滑数据流，当数据到达过快，缓冲会溢出，一些数据包将丢失从而导致播 放质量的降低；当数据到达过慢，缓冲会下溢，应用将处于停顿状态。 与流媒体的高带宽、实时性和突发流量相比，在应用到网络教学的过程中时，网络 为成百上千的用户共享，有着有限的带宽、不可预测的延迟和可用性。必须解决上面的 矛盾才能有效的提供流媒体服务【谭，2 0 0 5 1 。 鉴于校园网的复杂性，引入流媒体自适应传输技术是一个较好的解决办法。流媒体 自适应技术是近几年来研究的一项热门技术，它通过根据不同网络带宽和网络拥塞情况， 动态地调整多媒体的传输速率，不同接收者根据各自不同的带宽条件得到不同速率的多 媒体数据流，从而达到降低网络拥塞、保障流媒体数据稳定连续的传输的目的。 到目前为止，主流流媒体软件产品主要有三个：r e a l n e t w o r k s 公司的h e l i x p l a t f o r m ， 微软公司的w i n d o w s m e d i a 和a p p l e 公司的q u i c k t i m e 。h e l i x p l a t f o r m 包括媒体内容制 作工具h e l i xd n ap r o d u c e r 、服务器端h e l i xd n as e r v e r 和客户端软件。该产品技术颁 第一章绪论 先，使用方便，产品齐全、性能好，有多种操作系统平台的版本，支持单播、多搔等。 自1 9 9 5 年推出以来占据了流媒体应用市场的最大份额。它支持标准的r t s p 协议，并采 用了自适应流传输技术，首先将不同码率的流同时编码合并到一个文件中，然后根据探 测到的带宽的变化而动态的调整多媒体数据的传输率；w m d o w sm e d i a 集成在w i n d o w s 产品中，包括了服务器端m e d i as e r v e r 、m e d i at o o l s 和客户端m e d i ap l a y e r ，该产品使 用方便，应用广泛，性能较好，功能丰富。其i n t e l l i g e n ts t r e a m i n g 技术也可根据网络客 户端的接入速率调节多媒体数据的传输：a p p l e 公司于1 9 9 1 年开始发布q u i c k t u n e 。包 括服务器q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 、带编辑功能的播放器q u i c k t h n ep l a y e r 、制作工 具q u i c k t i m e4p r o 、图像浏览器p i c t u r ev i e w e r 以及使m 浏览器能够播放q u i c k t i m e 影 片的q u i c k t i m e 插件。q u i c k t i m e 特别适合m a co s 平台，产品齐全，其播放器用户数 量仅次于前两个厂商。本文的多媒体教学平台使用的流媒体服务器是h e l i xp l a t f o r m 在 s o l a r i s 操作系统平台下的版本。 1 2 本文的研究内容 流媒体技术的产生和发展促进了网络多媒体技术的不断进步和发展。本文研究了流 媒体的自适应传输技术。通过对自适应传输技术的应用，升级优化贵阳医学院多媒体教 学系统的流媒体服务软件，提高在网络环境较差的情况下点播教学录像的用户的并发连 接数，同时也优化了用户操作平台的相应功能。主要工作如下： ( 1 ) 对h e l i xp l a t f o r m 的a s m ( a d a p t i v eg 打e a mm a n a g e m e n t ) 技术进行了研究 在r e a ls y s t e m 中，流媒体的自适应传输( s u r es t r e a m ) 是对自适应流管理( a s m ) a p i 的 实现。a s m 描述了流式数据的类型，辅助服务器的智能决策，根据网络环境确定发送哪 种类型数据包。a s m 的文件格式和广播插件预定义了a s m 规则。用最简单的形式分配 预定义属性和平均带宽给数据包组。对高级形式，a s m 规则允许插件根据网络条件变化 改变数据包发送。每个a s m 规则可有一定义条件的演示式，如演示式定义客户带宽是 5 ，0 0 0 到1 5 ，0 0 0 k b p s ，包损失小于2 5 。如果以上条件描述了客户当前网络环境，客户 就订阅此规则。在规则中定义的属性有助于r e a ls e r v e r 有效传送数据包，如网络条件变 化，客户就订阅另一个不同规则。 ( 2 ) 升级了h e l i x d n a s e r v e r 。将h e l i x d n a s t , q v e r 的版本升级到1 1 1 原版本的 流媒体服务在网络访问高峰期时，校园网部分用户点播教学视频时出现了长时间缓冲甚 至时常中断的现象。升级后的h e l i xd n a $ e r v e r 新版本具有a s m 功能，可以根据客户 6 第一章绪论 端的网络拥塞情况动态的调整视频流的传输码率。 ( 3 ) 对多媒体文件使用多种码率进行同时编码合并输出到一个媒体文件中。使用 h e l i x p r o d u c e r i ! 对多媒体视频数据进行重新编码输出，对所有教学录像进行了统一格式 的工作，将原来的多种格式并存统一成为现在的i - m 或r m v b 格式。对部分多媒体数据进 行多种码率同时编码且合并到一个文件中，在文件格式上支持了流媒体的自适应传输。 ( 4 ) 提高了教学系统的易用性。对多媒体教学资源按照学科进行详细分类，同时对 教学资源按照文件性质进行了分类，提高了师生检索教学资源的效率。我院的多媒体教 学资源主要来源于电教科购买并转换的视频、音频和图像资源，以及在网络上下载的多 媒体资源。很多资源还不全面，不完整，因此在用户操作平台上增加资源上传的模块， 鼓励我院师生提供自己的多媒体教学资源以丰富我院现有的教学资源。资源上传采用了 简单且易于实现的f t p 服务，通对过用户授权和分配相应的空间实现了资源的上传。 课题研宄价值： ( i ) 仓新点：使用了h e l i x d n a s e r v e r 的最新技术a s m 管理流媒体，在网络环境 较差的情况下提高了教学录像点播用户的并发连接数；在对多媒体文件编码的过程中， 通过取消二次编码、降低视频编码的复杂度和声音编码的质量，在一定程度上降低了多 码率编码造成的编码时间较长、多媒体文件体积较大的问题。 ( 2 ) 理论意义：综合运用了多媒体技术、流媒体技术、流媒体自适应传输技术和网 络技术等学科知识。分析了h e l i xd n as e r v e r 的a s m 技术的优缺点及解决办法。 ( 3 ) 应用价值：对提高多媒体技术在网络教学上的广泛应用提供了技术参考，自适 应传输技术同样在远程教学、网络会议、新闻娱乐和网络监控等领域也具有广泛的应用 前景。 7 第二章流媒体及相关协议概述 第二章流媒体及相关协议概述 本章简要介绍了流媒体的相关技术：音视频压缩和解压算法，q o s 技术，多播技术， 自适应传输技术和流媒体服务器技术。介绍了流媒体文件编码和发布格式，最后对流媒 体的传输与控制协议进行了介绍。 2 1 关键技术 流媒体技术是指支持多媒体数据流通过网络从服务器向客户机传送，接收方边接收 边播放的技术。流媒体从数据源的流化、网络的传输到在客户端播放，每一个环节都包 含了许多关键性技术。 2 1 1 音视频编码算法 音视频编码算法一直以来都是多媒体技术研究的一个重要领域。从流媒体技术的角 度来讲，编码算法讨论的主要有以下几个方面： ( 1 ) 压缩的效率。即在压缩多媒体文件时，要考虑保证音视频质量的前提下，流媒 体传输的码率尽量低； ( 2 ) 编码的冗余度和可靠性。在复杂的网络环境下，必须考虑流媒体数据在实时传 输时因为数据丢失造成的对解码质量的影响； ( 3 ) 流媒体的压缩编码算法要具有伸缩性。就是说多媒体数据经过一次性压缩编码 后，编码数据在传输的过程中能够根据网络带宽的变化而进行一定的传输速率的调整， 这样就使客户端在特定网络条件下获取最好质量的同时能够维持最佳的连续性。 目前，国际组织正式公布的音视频的编码标准主要有m p e g 系列和h 2 6 x 系列协议 传统的视频编码标准如h 2 6 1 ，h 2 6 3 ，m p e g 1 和m p e g - 2 是面向存储的，其主要特点是 将视频压缩成为几个固定码率的码流。m p e g i 技术被广泛的应用于v c d ，而m p e g 2 标准则用于广播电视和d v d 等，m p e g 系列标准对v c d ，d v d 及数字电视和高清晰度 电视等产业的发展产生了深远的影响。目前较适合流媒体领域使用的编解码标准主要有 m p e g - 4p a r t2 ( i s o i e c l 4 4 9 6 - 2 ) 、h 2 6 4 a v c ( r jm p e g - 4p a r t l 0 ) 、r e a l 公司的r m n n v b 、 微软的w m v - 9 和a v s 等，前两者为公开的国际标准，后两者为企业的私有标准，而 8 第二章流媒体及相关协议概述 a v s 是我国拥有自主知识产权的编解码标准a m p e g - 4 标准【袁，2 0 0 6 】( i s o i e c l 4 4 9 6 ) 是基于对象的编码标准。m p e g - 4 中a v 对 象( a v o , a u d i o v i s u a l o b j e c t ) 是听觉、视觉或视听内容的表示单元，通过对a v 对象进 行高效编码，实现了基于内容的压缩，从而提高了压缩比【董，2 0 0 3 。m p e g - 4 不仅仅可 提供高压缩，同时因为它基于a v 对象的编码特点也可实现更好的多媒体内容互动性及 全方位的存取性。 m p e g - 4 具有基于内容的的灵活的伸缩性，即分级编码后，纹理、图像和视频基于 内容的伸缩性，视频序列中时域、空域和质量的伸缩性。在m p e g - 4 中，通过视频对象 层( v o l ，v i d e oo b j e c tl a y e r ) 进行分级编码，根据带宽和误码率等因素在时域或空 域进行分级。时域分级是在带宽允许时在基本层之上的增强层中增加帧率，在带宽窄时 可在基本层中减少帧率，以达到充分利用带宽、使图像质量更好的目的；空域分级是指 对基本层中的图进行采样插值，增加或减少空间分辨率。 ( 2 ) h 2 6 4 编码 h 2 6 4 a v c 刘。2 0 0 6 1 是l g 前算法复杂度最高、性能最好代表最新技术水平的视频编 码标准之一。h 2 6 4 分两层结构，包括视频编码层和网络适配层。视频编码层处理的是 块、宏块和片的数据，并尽量做到与网络层独立，这是视频编码的核心，其中包含许多 实现错误恢复的工具；网络适配层处理的是片结构以上的数据，使h 2 6 4 能够在基于 r t p u d p i p 、h 3 2 3 m 、m p e g 2 传输和h 3 2 0 协议的网络中使用。 h 2 6 4 编码效率较高，在同等的图像质量条件下，h 2 6 4 的数据压缩比能比当前d v d 系统中使用的m p e g - 2 高2 - 3 倍，比m p e g - 4 高1 5 2 倍。 ( 3 ) r e a l 公司的r m r m v b 、微软的w m v - 9 r m r m v b 和w m v - 9 都是商业软件公司的专利技术。 ( 4 ) a v s 编码【江，2 0 0 6 】 中国的数字音视频编解码技术标准工作组( a v s ) 制订了我国拥有自主知识产权的 a v s 编解码标准，a v s 标准中的“视频”部分，获得国家标准化管理委员会正式批准，成 为国家标准，并于2 0 0 6 年3 月1 日起实施。a v s 视频标准采用了与h 2 6 4 类似的技术 框架，包括变换、量化、熵编码、帧内预测、帧间预测、环路滤波等技术模块。其编码 效率与h 2 6 4 相当。而算法复杂度、实现成本均低于h 2 6 4 。 9 第二章流媒体及相关协议概述 2 1 2 流媒体q o s 支撑技术 目前的i p 网络只能提供”尽力而为”的服务，这对于在网络上传输的流媒体来说显然 不能满足要求。只有网络的带宽和时延抖动维持在一定水平上，流媒体数据才能流畅地 在客户端播放，所以通过在i p 网络中引入q o s 机制可以在一定程度上保证流媒体数据 的可靠传输。r s v p 协议的提出，实现了l p 网络中q o s 机制的引入，通过r s v p 流数 据的接收者能够预约一定的网络资源，建立静态或动态的传输路径，从而保证一定的网 络传输质量【杨，2 0 0 4 。 2 1 3 多播( m u i f i c a s t ) 技术 i n t e m e t 网络用户在互连网络的飞速发展下，也呈几何级数快速增长。在i n t e m e t 上 v o d 、可视电话、视频会议、远程教育、远程医疗等业务对于其它业务来说，有数据量 大、时延敏感性强、持续时间长等特点。同单播和广播相比，组播采用转发技术和q o s 技术具有更高的网络利用率。m 多播( 也称多址广播或组播) 技术，是一种允许一台或 多台主机( 多播源) 发送单一数据包到多台主机( 一次的，同时的) 的t c p i p 网络技术 i n t e m e t 多播主干( m b o n e ) 网络由一系列相互连接的子网主机和相互连接支持m 多播 的路由器组成。多播技术包括i g m p 协议和多播路由协议两部分，主要用于解决i n t e m e t 上多播报文的路由选择问题。 2 1 4 自适应传输技术 i n t e m e t 网络的可用带宽、网络时延和数据包的丢失不可预测，无法保证流媒体数据 的实时性、高带宽和突发性的特殊要求。通过采用自适应技术，可以为不同环境下的客 户端匹配不同的连接速率，并且连接速率还会随网络的情况变化而变化自适应技术主 要包括质量自适应、拥塞控制和错误控制技术。质量自适应主要通过牺牲一定的编码质 量达到传输速率适应网络带宽的变化的目的。分层编码、多码率编码和多描述编码等都 属于质量自适应编码。拥塞控制采取一定的资源分配措施，避免或中止网络拥塞的发生。 拥塞控制包括基于路由器的拥塞控制、t c p 的拥塞控制和基于速率的拥塞控制。错误控 制分为前向纠错、有限制重发、错误恢复和错误隐藏等技术。 第二章 流媒体及相关协议概述 2 1 5 流媒体服务器技术 流媒体服务器技术【吴，2 0 0 5 是流媒体技术的核心，包括存储管理、流调度技术、服 务器集群、内容分发、代理缓存、数字版权管理等技术。流的发布可以使用标准的w e b 服务器，也可以利用专用的服务器。前者不需增加额外的开支，但与后者相比有以下缺 点。首先，t c p 采取很多措施保证数据的可靠性，然而实对流数据一般不需要可靠性， 所以采用t c p 作为传输协议很有些得不偿失；其次，h t t p 服务器总是利用所有可用带 宽一下子把所有数据发给用户，这样会加重客户端对缓存空间的需求。相对较好的做法 是，服务器控制发送数据包的速率，使其与要传送媒体流的比特率相匹配。最后，w e b 服务器无法根据客户的网络连接速度来调整发送媒体流的比特率，而专用的服务器可以 根据客户端的反馈信息和网络拥塞情况而调整发送媒体流的比特率，使得网络拥塞时客 户端尽可能保持播放的连续性。综上可知，采用专用的流服务器可以取得比使用w e b 服务器更好的性能和效果，所以现在越来越多的网站转向专有服务器方案。r e a l n e t w o r k s 和m i c r o s o f t 在它们各自的流产品系列中都包括了基于软件的流服务器产品，而s u n 和 s g i 则可以提供专用的流服务器硬件平台。 2 2 流媒体文件编码格式 在i n t e m e t 上所传输的多媒体格式中，基本上只有文本、图形可以照原格式在网上 传输。动画、音频、视频等虽然可以在网上直接播放，但文件偏大，即使使用专线上网， 也要等完全下载后才能观看，这三种类型的媒体均要采用流媒体技术来进行处理以便于 在网上传输。另外，还有一些如p o w e r p o i n t 文件、多媒体课件等内容也需要用流式技术 进行传输。 流媒体格式是将一个多媒体文件( 动画、影音等) 进行分段编码，经过分段编码的流 媒体文件传输时，用户不必等待整个流媒体文件传送完毕就可以观看到连续的视频内容， 甚至可以随时地暂停、快进、快倒。由于不同的流媒体软件公司开发的文件格式不同， 传送流媒体的原理也有所差异，因此，我们应该了解各种流媒体文件的格式。 常见的流式文件类型如表2 1 ： 1 l 第二章流媒体及相关协议概述 表2 1 常见的流式文件类型 文件类型 文件类型说明 a s f a d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t ( m i c r o s o f t ) w i n d o w sm o v i ev i d e o a u d i o ( m i c r o s o f t ) w n i v w i n d o w sm o v i e a u d i o ( m i c r o s o 矗) w m a r e a lv i d e o a u d i o 文件( r e a ln e t w o r k ) r f f l r m v b r e a lv a r i a b l eb i tr a t e 文件( r e a ln e t w o r k ) r e a la u d i o 文件( r e a ln e t w o r k ) m r p r e a lf i x 文件( r e a ln e t w o r k ) r tr e a lt c x t 文件( r e a ln e t w o r k ) s w fs h o c kw a v ef l a s h ( m a c r o m e d i a ) m o v q u i c k t i m em o v i e ( a p p l e ) q tq u i c k t i m em o v i e ( a p p l e ) 2 3 流媒体发布格式 制作完成的流媒体文件需要发布到网络上才能够被别人使用，这就需要以特定方式 安排压缩好的流媒体文件，而安排流媒体文件的格式就被称为流媒体发布格式。流媒体 发布格式不是压缩格式，也不是传输协议，其本身并不描述视听数据，也不提供编码方 法，媒体发布格式是视听数据安排的唯一途径。 常见的发布格式如表2 2 所示： 表2 ，2 常用的流媒体发布格式 发布格式说明 a s f a d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t r a m r a m f i l e r p m e m b e d d e dr a mf i l e a s xa s fs t r e a mr e d i r e c t o r a s f 流转向器文件 x m le x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e r t r e a l t e 】( t 文件 s m s m i l s y n c h r o n i z e dm u l t i m e d i ai n t e g r a t i o nl a n g u a g e s w f s h o c kw a v ef l a s h 第二章流媒体及相关协议概述 2 4 传输与控制协议 i n t e m e t 是一个基于包交换的通信网络，最初设计是主要考虑网络的连通性和可靠 性。流媒体传输时还是基于传统的t c p u d p 和i p 协议。传输数据时存在许多问题。如 数据包可被复制、延迟先发送的数据可能后到达和数据抖动等，严重影响了网络服务 质量。 为了解决上述问题，互联网工程任务组( i e t f ，i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 陆续 提出了一系列流媒体传输和控制协议主要包括： ( 1 ) 实时传输协议r t p ( r e a l t r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) ： ( 2 ) 实时传输控制协议r t c p ( r e a lt r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ； ( 3 ) 实时流控制协议r t s p ( r e a lt i m es t r e a mp r o t o c 0 1 ) ； ( 4 ) 资源预留协议r s v p ( r e s o u r c ee s e r v a tp r o t o c 0 1 ) 。 这些协议协同工作，很大程度上满足了流媒体数据的流式传输的需要。 流媒体传输和控制协议工作在不同的层面，见图2 1 。 2 4 1 实时传输协议r i t 图2 1 流媒体的传输和控制协议 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 ) 曲，2 0 0 5 是用于h t e m e t 上针对多媒体数据流的 一种传输协议。r t p 被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间 信息和实现流同步。r t p 在u d p 协议上运行，每条报文都封装在u d p 数据报中。虽然 1 3 第二章流媒体及相关协议概述 + t c p 比u d p 更为可靠，但其数据重传机制很容易导致网络拥塞。从而破坏连续媒体的实 时性和等时性。使用u d p 的另一个优点是其并发性，即单个计算机可以有多个使用r t p 的应用程序，而不会相互干扰通常情况下，r t p 选择偶数的u d p 端口号。 r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议之上工作。当应用程序开始一个r t p 会话时 将使用两个端口；一个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提 供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。通常 r t p 算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。 r t p 数据报文的两个关键特性是序列号和时间戳，序列号允许接收方检测传输过程 中的数据丢失、损坏和失序等情况，时间戳允许接受方维持数据接收的连续性，实现数 据流的同步和r t p 数据报文的重组并按正确的速率回放媒体流。如图2 2 所示。 图2 2 r t p 数据包示意图 2 4 2 实时传输控制协议r t c p 实时传送控制协议r t c p ( r e a l - t i m et r a n s p o r tc o n 订o lp r o t o c 0 1 ) 【曲，2 0 0 5 和r t p 一 起提供流量控制和传输控制服务，是r t p 的伴生协议。在r i p 的会话期间，各参与者 周期性地传送r t c p 包r t c p 包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量 等统计资料，因此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷 类型。r t p 和r t c p 配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化， 因而特别适合传送网上的实时数据。根据用户问的数据传输反馈信息，可以制定流量控 制的策略，而会话用户信息的交互，可以制定会话控制的策略。r t c p 数据报文封装在 u d p 中，以便于网络传输。 r t c p 提供拥塞控制，报文中定义了一个抖动间隔域，通过分析发送报告中的抖动 间隔，指出确定间隔的抖动，从而一定程度上避免了网络的拥塞。r t c p 用于确定r t p 的用户源，r t c p 为每个r t p 信息源提供一个标识数据源的规范名称c n a m e ( c a n o n i c a l n a m e ) ，通过c n a m e 接收方能够关联同一发送方的流媒体数据。r t c p 发送方报告报 文中含有和r t p 时间戳相对应的实时信息，由于发送方发出的所有流和发送方报告都使 用同一个绝对时钟，接收方就可以比较来自同一数据源的两个流的绝对时间，从而确定 1 4 第二章流媒体及相关协议概述 将一个流中的时间截值映射为另一个流中的时间戳值。 2 4 3 实时流控制协议r t s p r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 【曲，2 0 0 5 1 f f ! - - 种在应用层上控制实时传输数据 的工具。r t s p 提供一种可扩展的框架，使发送端提供能控制的、按需传输的实时数据。 协议是由r e a ln e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的，它定义了一对多的应用程序如何有效 地通过m 网络传送多媒体数据。r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用 t c p 或r t p 完成数据传输。h 下r p 与r t s p 相比，h t t p 传送h t m l ，而r t p 传送的是 多媒体数据。h t l 甲请求由客户机发出，服务器作出响应：使用r t s p 时，客户机和服 务器都可以发出请求，即r t s p 可以是双向的。 该协议用于c s 模型，是个基于文本的协议，用于在客户端和服务器端建立和协 商实时流会话。 2 4 4 资源预留协议r s v p r s v p 0 e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c o l ，r s v p ) 【曲，2 0 0 s l 为在i n t e m e t 上传输的数据流提 供了q o s 保障，这主要通过使用r s v p 预留部分网络资源来实现。它是非路由协议，它 同路由协议协同工作，建立与路由协议计算出的路由等价的动态访问列表，r s v p 属o s l 七层协议栈中的传输层。 r s v p 协议的两个重要概念是流与预定。流是从发送者到一个或多个接收者的连接 特征，通过口包中”流标记”