（计算机应用技术专业论文）流媒体视频传输拥塞控制与qos的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着i n t e r n e t 和多媒体技术的飞速发展，流媒体视频传输成为 网络应用的一大热点，流媒体彻底改变了传统i n t e r n e t 只能表现文 字和图片的缺陷，可集音频、视频及图文于一体。近年来，多媒体 应用呈现出由播放型转向基于内容的访问、检索和交互操作的趋势。 这些新型的基于内容的分布多媒体应用都面f 临一个如何保证应用服 务质量( q o s ) 的问题。 本文简要介绍了当前流媒体视频传输普遍使用的视频编码标准 m p e g 一4 及用于传输m p e g 视频流的实时传输协议r t p r t c p 。在此基 础上，从端系统与网络层两个方面分析了影响实时视频流传输质量 的因素。实时流媒体在传输层采用u d p 协议，它们或者采用开环控 制，即没有端到端拥塞控制机制，或者采用非t c p 友好控制。由于 实时流媒体应用与普通的文件数据传输有着不同的q o s 要求，发送 方的发送速率不能有剧烈的抖动，而t c p 拥塞控制采用a i m d ( a d d i t iv ei n c r e a s ea n dm u l t i p l ic a t i v ed e c r e a s e ) 方式，这极 大地破坏了这种数据流的平滑性；另一方面，无拥塞控制或采用非 t c p 友好拥塞控制的u d p 流在发生网络拥塞时不会减少发送的数据， 这将对i n t e r n e t 产生负面影响，甚至造成拥塞崩溃。 本文归纳了广泛使用的两种t c p 友好的拥塞控制机制，分别是 基于探测与基于模型的拥塞控制，并比较了两种方案的优缺点。由 于基于模型的方案更加适合于流媒体传输，本文着重介绍了几种基 于模型的拥塞控制算法，在分析其中较为成熟的t f r c 算法的基础上， 设计了一种改进方案。n s 网络模拟实验结果证明，该算法具备发送 速率平滑性与t c p 友好性，且可以根据用户的兴趣对不同视频对象 进行优先级设簧。现有i p 网络只提供“尽力而为”的服务，这种服 务并不能应对流媒体模型。本文简要介绍了这两种模型的特点，并 详细分析了区别型的分类调节机制，传输提供质量保障。i e t f 在i p 网络的q o s 方面提供了一些服务模型和机制的建议，其中最基本的 是综合业务r s v p 模型( i n t s e r v ) 和区别型( d i f f s e r v ) 业务分组 标记算法及队列管理、调度算法。由于已有的标记算法和队列管理 算法对于h l p e g 视频传输存在弊端，本文结合m p e g 一4 编码特性对此 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 进行了改进。改进后的区分算法和队列管理算法可以区分分组的重 要性，可针对视频的重要数据进行优先对待。n s 网络模拟实验结果 证明，改进算法对视频质量的提高有一定帮助。 关键词：流媒体；视频传输；拥塞控制；q o s ；区分服务 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 a b s t r a c t s t r e a m i n gm e d i at r a n s m is s i o nb e c o m e so n eo ft h eh o ts d o t s o fn e t w o r ka p p l ic a t i o n sa lo n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n t e r n e ta n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y t h et r a d i t i o ni n t e r n e tcan o n ly r e p r e s e n tc h a r a c t e r sa n dp ic t u r e s s t r e a 加i n gm e d i a t o t a l l yc h a n g e st h ev ic e i tcanr e p r e s e n tn o to n l vc h a r a c t e r s a n dp ic t u r e s ， b u ta ls oa u d i oa n dv id e o r e c e n t l y ， t h et r e n d o ft h ea p p l i c a t io n so f u l t i m e d i ap r e s e n ts l i k et h is ：p l a y i n g t u r n i n gt ot h ea c c e s s i n g ， s e a r c h i n ga n da l t e r n a t i v e m a n i p u l a t i o nb a s e do nc o n t e n t s t h e s en e w s t y l ed is t r i b u t i n g m u l t i m e d i aa p p l ic a t i o n s ， w h i c hb a s e do nc o n t e n t s 。f a c e t h e p r o b l e mt h a tish o wt oe n s u r ea p p l ic a t i o ns e r v i c eq u a l i t y ( q o s ) t h ev i d e oc o d i n gs t a n d a r dm p e g 一4w h ic hu s e d f r e q u e n t l y i ns t r e a mm e d i at r a n s m is s i o na n dt h er e a l t i m et r a n s m is s i o n p r o t o c 0 1r t p r t c pw h i c hu s e di nm p e gv i d e os t r e a mt r a n s m is s i o n w i l lb ei n t r o d u c e di nt h et h e s is b a s e do nt h o s e ，t h ef a c t o r s w h ic ha f f e c tt h eq u a l i t yo fr e a l t i m ev i d e os t r e a mt r a n s m is s i o n w i l lb ea n a l y z e di ne n d t o e n ds y s t e ma n dn e t w o r k1 a y e r r e a l t i m es t r e a m i n gm e d i au s e su d pp r o t o c 0 1i nt r a n s p o r tl a y e r i tu s e so p e n 一1 0 0 pc o n t r o l ， w h ic hh a sn oe n d t o e n dc o n g e s t i o n c o n t r o lo rusesnont c p f r ie n d l yc o n t r 0 1 t h ea p p l ic a t i o n so f r e a l t i m es t r e a mm e d i ah a v ed i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n tw i t h n o r m a ld o c u m e n td a t at r a n s m is s i o n t os e n d e r ，t h es e n d i n g s p e e ds h o u l dn o th a v ev i o l e n td i t h e r i n g b u tt c pc o n g e s t i o n c o n t r o lu s e sa i m d ， w h ic hc a nd e s t r o vd a t as t r e a ms m o o t h n e s s i nt h eo t h e rw a y ，t h eu d ps t r e a m ，w h ic hu s e sn o nc o n g e s t i o n c o n t r o lo rn o nt c p f r i e n d l yc o n t r 0 1 ，w i l ln o td e c r e a s es e n d i n g d a t aw h e nn e t w o r kc o n g e s i o no c c u r s t h isc o u l dm a k eb a d i n f u l e n c et ot h ei n t e r n e t ，o re v e nm a k ec o n g e s t i o nc o l l a p s e t w ot c p f r i e n d l yc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n is m ，w h i c ha r e w i d e l yu s e d ， w i l lb ec o n c l u d e di nt h et h e s is t h e va r eb a s e d o ne x p l o r ea n dm o d e lc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 t h ea d v a n t a g e sa n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 s h o r t c o m i n g sw i l la ls ob ec o m p a r e d b e c a u s et h es c h e m eb a s e d o nm o d e lism u c hm o r ef i t f o r s t r e a m i n gm e d i at r a n s m is s i o n somea l g o r i t h m s ，w h ic ha r ea l lb a s e do nm o d e l 。a r ei n t r o d u c e d o nt h e b a s eo fa y a l y s i n gt f r ca l g o r i t h m ， a ni m p r o v e ds c h e m e is p r e s e n t e d t h er e s u l to fn sn e t w o r ks i m u l a t i o ne x d e r i m e n t p r o v e st h a tt h en e wa l g o r i t h mh a ss e n d i n gs p e e ds m o o t h n e s sa n d ist c p f r i e n d l y ，a n da ls oc a ns e td i f f e r e n tv id e oo b j e c tsb a s e d o nuseri n t e r e s t i n ga c c o r d i n gt op r i o r i t y t h ei pn e t w o r ki n e x is tencecano n l yp r o v id eb e s t e f f o r ts e r v ic e t h es e r v ic e cann o td e a lw i t hs t r e a mm e d i am o d e l s o t h ec h a r a c t e r is t ic s o ft h e s et w o o d e lsw i l lb es i m p l yi n t r o d u c e d t h e nw ea m p l y a n a l y s ed i f f s e r vg r o u p i n ga d j u s t m e n t e c h a n is m i e t fg i v e s s o m ea d v ic e sa b o u ts e r v ic e o d e la n dm e c h a n is mo nt h eo o si n i pn e t w o r k t h em o s tb a s a lo ft h o s earei n t s e r va n dd if f s e r v o p e r a t i o ng r o u p i n gt a ga l g o r i t h ma n dq u e u em a n a g e m e n t ， s c h e d u l ea l g o r i t h m t h et a ga l g o r i t h m sa n dq u e u em a n a g e e n t a 1g o r i t h m si ne x is t e n c eh a v es o m es h o r t c o 【l l i n g si nm p e gv i d e o t r a n s m is s i o n ， s os o m ei m p r o v e m e n tsareg i v e nc o n s i d e r i n gt h e m p e g 一4c o d i n gc h a r a c t e r is t i c t h enewd i f f s e r va l g o r i t h ma n d q u e u em a n a g e m e n ta l g o r i t h mc a nd is t i n g u is ht h ei m p o r t a n c eo f g r o u p sa n dc a np r e f e r e n t i a l l yt r e a tt h ei m p o r t a n tv i d e od a t a t h er e s u l to fn sn e t w o r ks i m u l a t i o ne x d e r i m e n td r o v e st h a tt h e i p r o v e da l g o r i t h mh a ss omeh e l pt oi m p r o v et h ev id e oq u a l i t y k e yw o r d s ：s t r e a m i n gm e d i a ；v i d e ot r a n s m is s i o n ：c o n g e s t i o n c o n t r 0 1 ：q o s ： d i f f s e r v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 背景与意义 第一章绪论帚一早三= 百下匕 i n t e r n e t 的迅猛发展和普及为流式传输技术的发展提供了强大的市场动 力，流媒体业务正变得日益流行。作为新一代i n t e r n e t 的标志，流媒体彻底 改变了传统i n t e r n e t 只能表现文字和图片的缺陷，而可集音频、视频及图文 于一体。它的应用为网络信息交流带来革命性的变化，流媒体必将成为未来 i n t e r n e t 应用的主流，并将推动i n t e r n e t 整体框架的革新。 近年来，越来越多的多媒体应用呈现出由播放型转向基于内容的访问、检 索和交互操作的趋势。其中协同虚拟环境c v e ( c o l l a b o r a t i v ev i r t u a l e n v i r o n m e n t ) 、交互数字电视i t v ( i n t e r a c t i v et v ) 、多媒体内容分发系统 m c d n ( m u l t i m e d i ac o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k s ) 、移动视频监控系统m v s s ( 1 0 b i l ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ) 等应用成为研究的热点。 为了支持应用中对视频内容的访问，大多数应用引入了m p e g 一4 编码标准 中“视频对象”的概念。采用基于对象的方法，把图象和视频分割成不同的对 象，分别压缩编码，除了能够提高数据压缩比外，更重要的是可以实现基于帧 的压缩编码所无法实现的以下功能： 虚拟环境中典型的“虚实结合”功能。对象分割技术将多个身处异地的任 务视频对象抽取出来，合成到一个虚拟会议室中，实现虚拟视频会议系统，或 者合成到一个虚拟教室中，实现协同虚拟学习环境。 基于内容的交互功能。用户可以通过视频播放器以多种方式与服务器中的 视频对象进行交互，如鼠标点击对象、移动对象、缩放对象、增加对象与删除 对象。在基于对象的i t v 应用中，不同的观看者对同一视频对象可以有不同的 交互和表现。 基于对象的精细颗粒度的速率控制机制。移动视频监控系统中，由于信道 带宽低，误码率高，采用基于对象的可伸缩性视频编码方法，可以实现基于对 象的精细颗粒度的速率控制机制。如优先给人们感兴趣的视频对象分配更多的 比特率，给背景对象分配较少的比特率。 以上这些新型的基于内容的分布多媒体应用都面临一个如何保证应用服 务质量( q o s ) 的问题。由于当前i n t e m e t 不保证q o s ，每个应用都采用适合 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 自己的传输协议来完成传输任务，以达到期望的性能。对实时性要求较高的多 媒体应用为了避免重传造成的延迟，多采用u d p 协议；而传输可靠数据的应 用，如h t 印、郇、t e l i l c t 等，都采用基于窗口和重传机制的t c p 协议来完成无 丢失的数据传输。由于多媒体应用的蓬勃发展，u d p 数据流在h l t e m e t 上所占 的比例已经占到主导地位，而u d p 数据流对网络的侵占性已经威胁到了t c p 数据流的传输。这些采用u d p 协议的应用，与t c p 应用不能公平地共处。因 此，需要这样一种拥塞控制协议，它既能保证与t c p 流友好相处，公平地分 享带宽，又能使用户收到满意的视频效果。为了满足基于对象的应用，该拥塞 控制还必须是基于视频对象的。 从端系统进行改进是目前最直接的手段，但是并不是最有效的。虽然这些 技术对基于i p 网络的视频应用有极大的帮助，但其缺点也是显而易见的：只 能被动适应网络当前状况( 如可用带宽) ，而不能主动提出q o s 要求，得到指 定的q o s 服务。其根本原因是在现有的i p 网络构架上只能提供尽力而为的服 务( b e s te f f o r t ) ，不能对特定业务提供特定的质量保证。在此背景下，国际 上也掀起了网络q o s 保障机制的研究热潮并已有大量的研究成果，这对网络视 频业务的大规模商业应用提供了一大契机。而网络q o s 保障与基于端系统的控 制机制是相辅相成互为补充的，因为网络的q o s 服务并不一定能提供绝对的质 量保障。它仍需要端系统控制机制提供有力的保障机制。在各种质量保证机制 中，区分服务更能满足视频对服务的特殊要求。由于视频通信对差错、时延的 特殊要求以及m p e g - 4 编码的特性，将其按照对质量贡献的重要程度进行标记， 利月jd s ( d i f f s e r v 一一d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 域的p h b ( p e rh o pb e h a v i o r ， 单跳行为) 特性进行区分服务，以保证重要数据的高q o s 是一种提高视频传输 质量的解决方案。 1 2 国内外现状 视频数据必须进行压缩才能适合流式传输。m p e g 系列国际标准已经成为 影响最大的多媒体技术标准，对数字电视、视听消费电子产品、多媒体通信等 信息产业的重要产品产生了深远影响。m p e g 是运动图像专家组的简称，负 责数字视频、音频和其他媒体的压缩、解压缩、处理和表示等国际技术标准的 制定工作。 i p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 专家组相继成功定义了 m p e g l 和m p e g 一2 之后，于1 9 9 3 年7 月开始制订全新的m p e g 一4 标准，并 分别于1 9 9 9 年初和2 0 0 0 年初正式公布了版本1 和版本2 。m p e g 4 是基于第二 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 代视音频编码技术制定的压缩标准，以视昕媒体对象为基本单元，实现数字视 音频和图形合成应用、交互式多媒体的集成，目前己经在流式媒体服务等领域 开始得到应用”1 。 媒体在i n t e r n e t 上的传输必然涉及到网络传输协议，i p 协议之上的传输 层有两种通信协议：t c p 和u d p 。目前的i n t e r n e t 还不能满足视频传输应用的 带宽、时延、丢包要求，且目前i n t e r n e t 上的主要流量还是基于t c p 协议的， 由于t c p 协议丢包重传的特性增加了抖动和失真，不符合m p e g 一4 视频传输对 时延的严格要求。u d p 协议提供无连接、不可靠的数据报服务。不具备拥塞退 避机制的u d p 流在拥塞的网络环境中将大量抢占具有拥塞退避机制的协议流 的带宽，同时自身的丢包也迅速增加，并带来系统拥塞崩溃的潜在危险。而网 络拥塞是影响i n t e r n e t 视频通信质量的一个重要因素。拥塞控制的目的就是 保证网络传输的平稳性和公平性，并尽量提高视频传输的服务质量。因此没有 拥塞控制的u d p 协议也不适用于多媒体流的传输0 1 。为此研究新的拥塞控制策 略，使之既适合于m p e g 一4 视频流式传输，又能与p 公平分享带宽的拥塞控 制机制成为了i n t e r n e t 传输领域的一个重要课题。 在网络传输领域中经常采用的拥塞控制方法有两种。一种是基于窗口的， 它以数据包个数为单位，使用缓慢增加拥塞窗口来获取与可用网络带宽的匹 配，当检测到网络拥塞时，就迅速减少拥塞窗口的大小，以减少和避免网络冲 突，t c p 传输协议就是采用了这种方法；另种是基于速率的，它以每秒发送 的比特数为单位，先估计网络的可用带宽，然后调整发送数据的速率，试图使 视频传输的网络带宽需求与该连接链路的可用带宽相匹配，来减少或避免拥塞 的发生。显然，由于基于窗口的控制方法因为重传延时太长及抖动问题难以适 用于视频实时传输。因此基于速率的拥塞控制在视频的实时传输中得到了广泛 的应用。 视频流式传输系统整体结构由三大部分组成：速率控制部分、视频流服务 器和相应的客户端。视频流服务器从客户端的反馈来估计可用的带宽，其发送 速率由速率控制模块根据网络状态进行动态调整。常用于调整源端发送速率的 算法有两种类型：基于探测”3 的和基于模型”1 的。根据发送方调整速率的不同 方式，基于探测的速率控制算法分为a i m d ( a d d i t i v ei n c r e a s ea n d m u l t i d l i c a t i v ed e c r e a s e ) 方法和m i m d ( m u l t i p l i c a t i vi n c r e a s ea n d m u l t i d l i c a t i v ed e c r e a s e ) 方法。基于探测的码率控制算法的优势在于实现 简单，可以适用于单点到单点和单点到多点的流式传输，不足在于其算法本身 导致了源端发送码率固有的波动性。基于模型的方法是通过一个以分组丢失率 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 p l r ( p a c k e tl o s sr a t e ) 、往返时间r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 等为参数的t c p 吞吐量模型来计算发送方的最大传输速率，发送方以此计算结果为依据来对自 身的发送速率进行调整。这种控制算法的优势在于发送速率较基于码率的控制 算法平滑，不足在于发送方计算量较大以及对拥塞的敏感度稍有降低。 很多t c p 友好拥塞控制机制被提出，其中，r ap 7 】( r a t ea d a p t i o n p r o t 。c 0 1 ) 、l d a 8 1 ( 1 0 s s d e l a yb a s e da l g o r i t h m ) 及t f r c 叩( t c pf r i e n d l y r a t ec o n t r 0 1 ) 等协议都是模仿t c p 行为的。t f r c 被i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 纳为标准，并比其他协议更强健。它考虑了所有影 响t c p 速率的参数，更主要的是t f r c 在会话期间有更加稳定的速率。 t f r c 模型虽然可作为视频发送速率的重要参考，却不能用于定制发送速 率。因为t f r c 也存在自身的缺陷：即使连接带宽是恒定的，t f r c 所估计的带 宽也会总是周期性地波动，这是因为t f r c 总会是在没有丢包的情况下尽力提 高发送速率，为避免网络拥塞，发送速率会再次明显降低。因此采用t f r c 协 议只能做到与t c p 协议的友好，却不能用于实际的视频数据传输。 多媒体网络通信的特点决定了网络为适应多媒体通信应该具有些起码 的要求，否则，服务质量就得不到保证。不同于在设计阶段就考虑到q o s 的 a t m 网络，在现有的基于i p 的因特网上进行实时的视频通信是具有挑战性的。 这是因为i p 网络只提供“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务，这种服务为用 户承诺的特性就显得太少了。同时，由于多媒体业务占去了大量的带宽，势必 会影响现有的网络要保证的关键业务的可靠传输。在现有的i p 网上传输实时 视频流还面临着挑战。 虽然d i f f s e r v 仍在不断的发展，一些标准仍在制定、完善之中，但经过 几年的发展，d i f f s e r v 的相关概念及模型已经比较成熟了，d i f f s e r v 体系结 构也已经比较明确了。在此基础上，与服务提供有关的问题，如d s c p ( d i f f s e r v c o d ep o i n t ，区分服务点代码点) 的定义、p h b 服务的定义等等已逐步完善。 但是，如何在此基础上针对m p e g 一4 视频传输，特别是基于“视频对象”的视 频传输还存在许多问题有待解决。 1 3 论文研究内容与工作目标 本文的主要目标为利用现有的模拟条件，分析拥塞产生原因，并研究在 m p e g 一4 视频传输中的q o s 的改进，将从两方面着手进行研究： 端系统方面：在分析拥塞产生原因的基础上，研究已有的拥塞控制协议对 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 于m p e g 一4 视频传输的优缺点，结合m p e g 一4 “面向对象”的特点，提出一种改 进方案，设计一种能适用于基于内容的访问拥塞控制算法。 网络层方面：采用区分服务的思想，利用d i f f s e r v 提供的优势，对m p e g 一4 视频流的不同部分进行有区别的服务质量保障。首先，由于已有的分组标记算 法不能有效地区分m p e g 一4 视频流的重要与次重要数据，因此该部分的目标之 一是结合已有的标记算法，提出一种符合m p e g 4 的分组标记算法；其次，在 分组排队的过程中，需要相应的队列管理算法，可以区分分组的重要性，对重 要的数据提供更高的服务，而该部分的目标之二则是设计相应的队列管理算 法。 1 4 论文的章节安排 本文的内容是这样安排的：第一章介绍了问题产生的背景，分析了国内外 的研究现状及存在的不足，提出本文的研究目标。第二章介绍m p e g 一4 标准及 流式传输协议。第三章首先总结了已有的t c p 友好拥塞控制协议，并在基于模 型的拥塞控制机制的基础上进行改进，使之更加有利于m p e g 一4 视频的传输， 共具有面向视频对象的特性。模拟实验证明了其优越性。第四章首先介绍了面 向网络q o s 保障机制，在分析各种不足的基础上提出了一些改进方案，并通过 模拟实验和分析了实验结果，证明q o s 得到了改进。最后是全文的总结。 匿南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章流媒体传输特点及流式传输协议 2 1 流媒体传输简介 流媒体( s t r e a i i lm e d i a ) 技术就是把连续的视频和音频信息经过压缩处理 后放在网络服务器上，让客户端用户在线收看，而小必等到整个多媒体文件下 载完就可以收看。它的出现使得在窄带互联网中传播多媒体信息成为现实。最 早的流媒体商业化产品是于1 9 9 5 年由美国的r e a l n e 柳o r k 推出的r e “系列软 件。目前的流媒体产品主要有r e a l n e 脚o r k s 公司的r e a ls i 、微软的 w i n d d w sm e d l a 和a p p l e 公司的q l l i c k t i m e “。其中r e a ls y s t e n l 被认为是窄 带网上最优秀的流式媒体传输工具。它分为三个部分：媒体内容制作工具 r e a l p r o d u c e f 、服务器端引擎r e a l s e e r 、客户端播放软件r e a l p l a y e r 。微软为 了占领流媒体市场对m e d i a 系列的产品实行集成策略，把产品捆绑在w i n d o w s 操作系统中。但就现在看r e a l n e h o r d s 公司仍然占有着流媒体市场的最大分 额。虽说在当前的互联网的带宽条件下在网络上观看电影效果还不是很好，但 随着网络基础设施的完善和多媒体技术的发展，效果必然会达到本地播放的效 果。 流式传输有两种方式：顺序流式传输( p r 0 掣e s s i v es i r e a i i i i n g ) 和实时流式 传输( r e a l _ t i m es t 1 n g ) 。 1 顺序流式传输 顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在给 定时刻，用户只能观看己下载的那部分，而不能跳到还未下载的前面部分，顺 序流式传输不象实时流式传输在传输期间能够根据用户连接的速度做调整。由 于标准的h t t p 服务器可发送这种形式的文件，不需要其他特殊协议，它经常 被称作h t r p 流式传输。顺序流式传输比较适合高质曩的短片段，如片头、片 尾和广告，由于该文件在播放前观看的部分是无损下载的，这种方法保证电影 播放的最终质量。这意味着用户在观看前，必须经历延时，对较慢的连接尤其 如此。 顺序流式文件是放在标准h t t p 或f t p 服务器上，易于管理，基本上与 顺序流式文件是放在标准h t t p 或f t p 服务器上，易于管理，基奉上与 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 防火墙无关。顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的视频。它也不支 持现场广播，严格说，它是一种点播技术。 2 实时流式传输 实时流式传输指保证媒体信号与网络连接带宽相匹配，使媒体可被实时观 看到。实时流与h r r p 流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器与对应的传 输协议。实时流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，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。理论上，实时流一经播放就不可 停止，而实际上，可能发生周期暂停。 实时流式传输需要特定服务器，目前流行的服务器就有q 吡i c kt i m e s 仃e a m i n 2s e r v e r ，r e a l s e r v e r 与w i n d o w sm e d i as 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，因而系统设鼍和管理比标准h t t p 服务器更复 杂。 2 2m p e g 标准与实时传输协议 2 2 1 m p e g 标准 2 2 1 1m p e g 标准概述 j v t ( j o i n t d e ot e a m ，视频联合工作组) 于2 0 0 1 年1 2 月在泰国p a t t a y a 成立。它由i t u t 和i s o 两个国际标准化组织的有关视频编码的专家联合组 成。j v t 的工作目标是制定一个新的视频编码标准，以实现视频的高压缩比、 高图像质量、良好的网络适应性等目标。目前j v t 的工作已被i t u - t 接纳， 新的视频压缩编码标准称为h 2 6 4 标准，该标准也被i s o 接纳，称为a v c ( a d v a i l c e dv i d e oc o d i n g ) 标准，是m p e g 4 的第1 0 部分。 m p e g 本是m o v i n gp i c t l l r e se x p e r t sg r o u p ，即动态图象专家组的英文缩 写，这个专家组始建于1 9 8 8 年，其成员均为视频音频及系统领域的技术专家。 今天我们所泛指的m p e g x 舨本，是指一组由i t u ( i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m 眦i c a t i i o n gu i l i o n ) 和i s o 恤t e m a t i o n a ls t a l l d a r d so r g a n j z a t i o n ) 制定发 布的视频、音频数据的压缩标准。 为适应技术的发展和应用的需求，m p e g 组织先后制订了m p e g 一1 、 m p e g 2 和m p e g 4 压缩编码标准，分别适用于不同带宽和数字影象质量的要 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 求。m p e g _ 4 的标准名是甚低速率视听编码( v e r v l o wb i t r a t ea u d i o v i s u a l c o d i n g ) 。m p e g 组织于1 9 9 9 年1 月正式公布了m p e g _ 4v 1 o 版本。1 9 9 9 年 1 2 月又公布了m p e g 一4v 2 o 版本。 与前两者不同，m p e g 一4 不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，而 且更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。m p e g 一4 标准将众多的多媒体应用 集成于一个完整的框架内，诣在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工 具，用于实现音频视频数据的有效编码及更为灵活的存取。m p e g 4 试图达到 两个目标：一是低比特率下的多媒体通信；二是多工业的多媒体通信的综合。 m p e g 一4 与m p e g - 1 2 相比，在低比特率环境下的流式视频方面占有极大 的优势。m p e g 一4 编码的比特率范围为5 k b p s 1 肺p s ，而m p e g 一1 和m p e g - 2 标准不能提供有限带宽条件下高质量的流式传输所需要的压缩比。 m p e g 4 标准取得了革命性的进步，它集交互性、高压缩率、高质量、通 用可存取、高度的灵活性和可扩展性于一身，一出现就获得了普遍的接受，成 为高质量音视频流式传输的主要选择。m p e g 4 标准提供了比m p e g 一1 2 更为 广泛的功能，最终希望建立一种能被多媒体传输、多媒体存储、多媒体检索等 应用领域普遍采纳的统一的多媒体数据格式。其应用前景非常广阔。它的出现 对以下各方面产生了极大的推动作用：数字电视、远程教学、动态图象、万维 网( w w w ) 、多媒体电子邮件、电子新闻、实时多媒体监控、低比特率下的 移动多媒体通信、基于内容存储和检索多媒体系统、i n t e m e 讥n 舡锄e t 上的视频 流与可视游戏、基于面部表情模拟的虚拟会议、d v d 上的交互多媒体应用、 基于计算机网络的可视化合作实验室场景应用、演播电视等。 2 2 1 2m p e g 标准的特点 1 、基于内容的表达方式 由于人们不愿意与抽象的事物打交道( 比如像素) ，而更喜欢场景中有意 义的实体，所以内容的概念是m p e g 一4 视频编码标准的核心，音频采用的也 是类似的基于内容的途径。 2 、交互性 交互性是m p e g 4 的另一个重要概念。事实上，由于其本身的复杂性， a v 被分割到许多技术领域，而各领域都或多或少独立地进行研究。m p e g 意 识到改变这种状态的时机已经成熟，为此提出了用不同方式显现和处理a v 信 息的方案。这意味着m p e g _ 4 试图同时继承自然的与合成的a v 对象，包括单 声道、多声道和立体声音频，以及2 d 、3 d 或单目、多目或立体视频。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 3 、灵活性和可扩展性 与m p e g - 1 2 相比，m p e g _ 4 不仅要面对计算能力、内存和可编程性的持 续发展，而且要面对音频和图象处理与表达技术的不断变化。过去的经验表明， 如果标准的制定不考虑硬件和方法的持续进步而仅仅试图确定一个方案，就会 很快面临过时的危险。因而构成m p e g 。4 基础的另一个重要特征就是灵活性 和可扩展性。这一点由m p e g _ 4 句法描述语言( m s d l ) 提供。根据m s d l 的规范文件，为支持灵活性和可扩展性，m s d l 对解码器编程能力定义了三个 级别，o 级为不可编程级，解码器仅具有一种标准算法，该算法在商议阶段需 经编码器同意；1 级为灵活级，解码器能提供一系列标准化的工具，编码器编 码过程中可以灵活地将其配置成某种算法；2 为扩展级，解码器能为编码器提 供可以下载新工具和新算法的机制。总之，m s d l 赋予了m p b g - 4 吸纳新技 术从而保持发展的能力，也是用户能够按照具体要求，建立自己专用的 m p e g 一4 a v 系统。 2 2 2 实时传输协议 2 2 2 1 实时传输协议r t p r t p “”提供端到端的实时数据传输服务，包括载荷标识，数据序号，时戳 和传输控制。r t p 数据通常采用u d p i p 封装，它利用u d p 的多路复用及校验 和服务，共同完成实时数据传输功能。 r t p 头格式如图2 2 所示。 前1 2 个字节出现在每个r t p 包中，仅仅在被混合器插入时，才出现c s r c 识别符列表。这些域有以下意义： 版本( v ) ：2 比特，此域定义了r t p 的版本，此协议定义的版本是2 ( 值1 被r t p 草案版本使用，值o 用在最初”v a t ”语音工具使用的协议中) ； 填料( p ) ：l 比特，若填料比特被设置，此包包含一到多个附加在末端的 填充比特，不是负载的一部分。填料的最后一个字节包含可以忽略多少个填充 比特。填料可能用于某些具有固定长度的加密算法，或者在底层数据单元中传 输多个r t p 包： 扩展( x ) ：1 比特，若设置扩展比特，固定头( 仅) 后面跟随一个头扩展； c s r c 计数( c c ) ：4 比特， c s r c 计数包含了跟在固定头后面c s r c 识别 符的数目： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 o1 23 oi234s 6 78901 2 3 4 5678 9 o123 45678 9 o1 + 。+ 。+ 一+ 。+ + 一+ + + + + 一+ - + 一+ 一+ - + 一+ 一+ 一+ 一+ + + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + l v ；2 lp | x 1 c c i m i p t 日e q u e n e en u m b e r + + 。+ 。+ + 一+ 一+ 一十+ 一+ 一+ - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ t i m e 目t 瓠r | p + 一+ 一十一+ + 十一+ 一十+ 。+ 。+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十 8 y n c h r o n i z a t i 8 a u r c e( s g 挝e )土d e n t i f i e r + # + + # + # + # + + # _ + _ + 自+ # + + # + + # + ；+ _ + _ + _ + + # + # + # + # + + # + # + _ + # + ；+ = + = + c o n t r i b u 匕i n g8 a u r 。ec 8 r c ) 主d e n t i f i e r g + 一+ - 十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ * + 一+ - + + 一+ - + - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + 一+ 一+ - + 一+ 一+ - + + 一+ 图2 2r t p 包头格式 标志( m ) ：1 比特，标志的解释由具体协议规定。它用来允许在比特流中 标记重要的事件，如帧范围。规定该标志在静音后的第一个语音包时置位； 负载类型f p t ) ：7 比特，此域定义了负载的格式，由具体应用决定其解 释。协议，可以规定负载类烈码和负载格式之间一个默认的匹配。其他的负载 类型码可以通过非r t p 方法动态定义。r t p 发射机在任意给定时间发出一个 单独的r t p 负载类型。此域不用来复用不同的媒体流； 序列号：1 6