（计算机软件与理论专业论文）基于ace的高效视频会议系统的研究与实现.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于a c e 的高效视频会议系统的研究与实现 摘要 随着计算机，通信，图象压缩等相关技术的进步，多媒体技术得到了迅 速的发展。作为多媒体应用的一个重要组成部分，视频会议系统越来越受到 人们的关注。视频会议能为用户提供直接的，全面的沟通，并能节约时间， 降低成本，提高效率，在社会性的信息交流中发挥巨大的沟通作用。 本文对视频会议服务器的相关实现技术进行了深入的探讨和研究，系统 的分析了其问题空间和主要涉及的挑战，并提出了可行的解决方案，降低了 视频会议系统的开发难度和工作量，并对一些关键性技术进行了改进。 本文系统地分析了视频会议系统的问题领域，通过对自适应通信环境 ( a c e ) 和框架进行系统的系统化复用分析，来降低系统开发难度。详细讨论 了负载均衡在服务器领域中的应用和实现以及由此引起的同步问题以及解决 方案。文章还对视频会议服务器存在的安全问题进行分析，并给出了一种高 效解决方案。针对视频会议系统要处理大量的客户联接，我们对客户端通信 采用的i 0 策略进行了分析，并在此基础上对并发框架进行了讨论。系统中 各个服务器模块的设计采用了模块化设计思想，使得服务器的可扩展有了很 大的提高。本文还对服务器的稳定性和高性能进行了详细的讨论。 根据应用领域分析的结果，给出了视频会议服务器总体设计框架即由主 控服务器，认证服务器，流媒体服务器，数据库服务器，接入服务器和 v o d 视频点播服务器组成，并详细的阐述了各个服务器的功能以及实现方 案。 利用a c e 开发视频会议系统，实现了视频会议系统的高移植性。本课 题的研究，也为将来利用a c e 设计和开发网络应用软件提供了借鉴。 关键词自适应通信环境；框架；服务器；视频会议 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fv i d e oc o n f e r e n c e c o n t r o l l i n gs y s t e m b a s e do na c e a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ea d v a n c e m e n to fc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n s ，i m a g e c o m p r e s s i n ga n do t h e rt e c h n o l o g i e s ，m u l t i m e d i at e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e d r a p i d l y a sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，v i d e oc o n f e r e n c e s y s t e mg e t sm o r ea n dm o r ea r e n t i o n v i d e oc o n f e r e n c ec a np r o v i d eu s e r sw i t h d i r e c ta n dc o m p r e h e n s i v ec o m m u n i c a t i o n ，i tc a na l s os a v et i m e ，r e d u c ec o s t s ， i m p r o v ee f f i c i e n c y , t h u sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n i ns o c i e t y t h ea r t i c l ep r o p o s e sav i d e oc o n f e r e n c ec o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e d o na c e ( a d a p t i v ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ) t h ed e s i g n a t i o no ft h i ss y s t e m i sa c h i e v e db yr e f e r r i n gt og e n e r a ls t r u c t u r eo fv i d e oc o n f e r e n c es y s t e ma n dt o m e e tt h en e e d so ft h ep r o d u c t i ta l s oi n v o l v e sl a r g ea m o u n to fr e a d i n go n d o m e s t i ca n do v e r s e a sd o c u m e n t sc o n c e r n i n gt h i sf i e l d t h i st h e s i sg i v e st h e o v e r a l ls t r u c t u r ea n dl o g i c a lp e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r eo ft h i ss y s t e m ，d e s i g n s t h ef r a m e w o r ko ft h em a s t e rc o n t r o ls e r v e ro fi t t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h e w o r ke l e m e n t s ( w o r k i n gp r i n c i p l e s ) f u n c t i o nm o d u l ea n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h em a s t e rc o n t r o ls y s t e m t h ea r t i c l ea n a l y z e s s y s t e m a t i c a l l y t h ep r o b l e m sc o n c e r n i n gv i d e o c o n f e r e n c ec o n t r o l l i n gs y s t e m ，i th a sm a d et h ea p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e ml e s s d i f f i c u l tb ya n a l y z i n gt h es y s t e mr e u s eo fa c ea n dt h ef r a m e w o r k so ft h es y s t e m i td i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no f1 0 a db a l a n c eo f ( i nt h ef i e l do f ) t h es e r v e r s ， d i s c u s s e si t ss y n c h r o n o u sp r o b l e m sa n dh a sp r o v i d e dw i t hs o l u t i o n sf o rt h e s e p r o b l e m s t h i st h e s i sa l s oa n a l y z e st h es a f e t yp r o b l e m su s e di nv i d e oc o n f e r e n c e a n da l s op r o v i d e sw i t he f f i c i e n ts o l u t i o n s a sv i d e oc o n f e r e n c ec o n t r o l l i n g a l g o r i t h m ，w ep r o p o s e st oc o m b i n ea d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mw i t ha n tc o l o n y i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mt os o l v ej o b s h o pp r o b l e m a tf i r s t ，u s i n gs y s t e mh a st o d e a lw i t ht h ec o n n e c t i o n so fm a n yc o s t u m e r s ，t h et h e s i sh a sa n a l y z e dt h ec l i e n t s a d o p t e di os t r a t e g y i nc o m m u n i c a t i o na n di t sf r a m e w o r k s t h em o d u l e ( m o d u l e s ) o f t h es e r v e r si s ( a r e ) d e s i g n e dw i t ht h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o n ，t h u s i m p r o v e dt h es c a l a b i l i t yo ft h es e r v e r s t h es t a b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c eo ft h e s e r v e r sa r ea l s od i s c u s s e di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ea n a l y s i so fa p p l i c a t i o n s ，t h i st h e s i sg i v e st h e o v e r a l ls t r u c t u r eo fv i d e oc o n f e r e n c ec o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c hc o m p o s e so f m a n g e rc o n t r o ls e r v e r ，a u t h e n t i c a t i o ns e r v e r , v i d e os e r v e r ，d a t a b a s es e r v e r ， a c c e s ss e r v e ra n dv o ds e r v e r ；i te l a b o r a t e st h ef u n c t i o na n di m p l e m e n t a t i o no f t h es e r v e r s b yu s i n ga c e ，t h ep r o b l e mo fp o r t a b i l i t yi nv i d e oc o n f e r e n c ec o n t r o l l i n g s y s t e mb a s i cp l a t f o r mi ss o l v e d a n dt h i st h e s i sp r o v i d e sw i t hr e f e r e n c ef o rt h e f u t u r ed e s i g n a t i o na n dd e v e l o p m e n to fn e t w o r ka p p l i c a t i o n sb yu s i n ga c e k e y w o r d sa d a p t i v ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，f r a m e w o r k ，s e r v e r ， v i d e oc o n f e r e n c ec o n t r o l l i i n gs y s t e m l i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于a c e 的高效视频会议系 统的研究与实现，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 锄t 锣 1 日期：刀卵学年乡月少日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于a c e 的高效视频会议系统的研究与实现系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密画。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：新l 彦日期砌蓉年：；月岁日 导师签名：哆吖 8 羔群日期：吵 ，年3 月旷日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于由大连浩视数字有限公司的视频软件- - v c o m o f f i c e 视频会 议系统。该系统预计将于2 0 0 8 年5 月份发布。 1 2 视频会议概述 远在i n t e r n e t 出现之前，人们就在对人类交流的研究中明确了每一个基本 交流要素对于整体交流的贡献。大多数的研究把人类交流划分出三个基本要 素：说话的内容、怎么说的、所看到的。事实上这一领域中所有的研究都得出 这样的结论：视频因素是最有力的。它占据人类交流的所有信息量的一半以 上。因此，任何关于人类交流的应用都能由于因如视觉的因素而使效果大大提 高n 1 。也许技术上面临的挑战可能会减缓视频会议应用的实施速度，但是这些 困难正在被迅速的解决，视频会议的发展潜力是不可限量的。 目前，随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展，视频会议的应用越 来越广泛。美国国际数据集团( i n t e r n a t i o n a ld a t ag r o u p ) 预测的未来几年i t 业界 热点技术中，基于i n t e m e t 的视频会议系统将是未来会议系统的发展趋势乜1 。 1 2 1 视频会议的概念 视频会议系统又称会议电视、视讯会议等，是指两个或两个以上不同地方 的个人或群体，通过传输线路及多媒体设备，将语音、图像及文件资料互传， 实现即时且互动的沟通，是一种支持人们远距离进行实时信息交流、开展协同 工作的i t 应用系统口】。 视频会议系统是集通信技术、计算机技术、多媒体技术于一体的远程异地 通信方式，在召开视频会议时，处于两地或多个不同地点的与会代表，既可以 听到对方的声音，又能看到对方的形象和对方会议室的场景，同时可以共享诸 如图像、应用文档、应用程序等资源，使每个与会者有身临其境之感h 5 1 。在视 频会议技术出现前，人们通过电话会议实现异地召开会议，参会人员只能听到 声音。而视频会议引入视频因素使得信息交流的效率和效果大大提高，因此更 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 加受到了人们的青睐。 1 2 2 视频会议发展历程 视频会议在电讯行业已经存在了3 0 多年，但在2 0 世纪9 0 年代以前，这 些系统一直使用专用的编解码硬件和软件，会议呼叫的各终端使用的编解码器 必须来自同一个厂商，否则不能正常工作，这种非标准化系统产品的使用极大 地阻碍了视频会议领域的发展。 另外，当时的网络状况非常不稳定并且带宽不理想，这样限制了视频会议 数据的传输速度伸1 。视频传输在理论上可以达到3 0 帧s 以上，能够与电视的视 频传输速度相符( 电视视频传输n t s c 制式为3 0 帧s ，p a l 制式为2 5 帧s ) ，而 当时视频传输速度一般不超过1 5 帧s ，这样来，全动态的视频图像几乎是不 可能的，得到的图像质量一般也都不太稳定，并且图像窗口质量也不尽人意， 所以这种视频传输业务很难大规模地投入到商用视频通信市场中去。 随着互联网技术的飞速发展，i p 通信技术得到了广泛的应用，逐渐成为通 信领域的主角，并与语音通信、视频通信逐渐结合形成新的产业，为通信世界 开辟了一个崭新的天地。通信业在经历了将近一个世纪的电路交换通信模式 后，目前其技术的整体发展趋势由电路交换向分组交换演化，i p 网络将是未来 通信网络最大的基础通信设施1 。 纵观视频会议技术的发展史，该技术大致经历了以下几个发展阶段： 1 2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代的模拟会议电视阶段从上个世纪6 0 年代 开始，世界发达国家开始研究模拟会议电视系统，并逐渐商用化。当时美国电 报电话公司( a t & t ) 公司曾推出模拟可视电话系统，但由于当时的电话网带宽 无法满足需求，其视频信号只能通过极其昂贵的卫星信号传输，这使得成本无 法降低，再加上市场需求不强，限制了它的推广，视频会议市场沉寂下来。6 0 年代末期，在压缩编码技术推动下，由模拟系统转向数字系统。8 0 年代初期， 研制出2 m b i t s 彩色数字电视会议系统，日本和美国形成非标准的国内会议电 视网协1 。8 0 年代中期，大规模集成电路技术飞速发展，图像编码技术取得突 破，网络通信费用降低，为会议电视走向实用提供了良好的发展条件。但视频 会议技术仍只限于高档的会议室视频会议系统的应用，限制了它的进一步普 及。 2 2 0 世纪9 0 年代初至1 9 9 5 年的i s d n 上的数字会议电视这一阶段前 期是基于s d h 、d d n 网的视频会议；后期主要是基于i s d n 网的视频会议。 2 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 9 0 年代初期，第一套国际标准h 3 2 0 获得通过，不同品牌之间的兼容性问题得 到解决，视频会议朝着小型化发展。另外p c 机的空前发展以及c o d e c ( 图像 编码器) 可以做成插入计算机插槽的模块，使得贵族化的技术具有了平民价 格。 3 1 9 9 5 年以后i p 网上的数字会议电视9 0 年代后期p c 机的快速升级， 数据存储和处理能力越来越强，并且信息压缩技术快速发展，产生软件解压 器，以及i n t e m e t 的迅猛发展，进一步推动了视频会议的发展。目前，视频会 议技术正向基于i n t e m e t 网络上的纯软件方向发展。 1 2 3 视频会议分类 视频会议系统按照传输网络可以分为以下几类： 1 基于p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公共交换电话网) 的系 统一般只提供点到点的通信功能，因受信道速率3 3 6 k b p s 的约束，难以提供 较好的质量和音频，应用范围有限阳1 。 2 基于i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ，综合业务数字网) 的系统 是目前使用最多的系统，i s d n 线路结合了数字通信的灵活性与电话系统的低 价位。通常i s d n 提供6 4 k b p s 或1 2 8 k b p s 的带宽，足够一般通信会议系统 使用，所以对于桌面会议系统比较合适。 3 基于a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，异步传输方式) 和b i s d n ( b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ，宽带综合业务数字网) 的系 统因a t m 和b i s d n 尚未普及，因此这种类型的系统目前很难有较大的发 展1 。 4 基于l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ，局域网) 的系统与其他网络相比，l a n 具有组网简单、传输速率高等特点，其上运行的视频会议系统也较容易实现好 的运行效果。 5 基于i n t e r n e t 的系统是以上各种类型网络集合而成的错综复杂的环 境，在其上运行的视频会议系统相对来说实现难度最高。但是，随着i n t e m e t 的商业巨大成功，基于i p 网络的具有多媒体通信功能的应用系统成为多媒体 应用的主要发展趋势n 引。 1 3 课题研究意义 随着计算机技术、通信网络技术、对媒体技术的迅速发展，视频会议技术 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 已经被越来越多的应用在各个部门和领域。视频会议技术正从大型视频会议系 统朝着中小型应用的方向发展，中小型视频会议系统有着巨大的市场潜力。 根据市场调查分析，目前日本市场上已在销售及正在开发中的各类视频会 议系统具有以下三大弊端：价格昂贵、只有大中规模以上的公司才有能力购 买；对网络带宽要求过高，不能很好地适应当前i n t e m e t 网络环境：操作繁 琐，维护成本高。 针对以上问题，大连浩视公司致力于开发出一套适用于中小型企业应用、 完全基于i n t e m e t 具有较好服务质量、方便易于普通用户使用的具有自主知识 产权的视频会议系统软件，即基于a c e 的视频会议系统。该产品集视频会 议、数据会议、电子白板、视频点播等功能于一体，充分考虑到日本的文化背 景，按照业界公认的产品设计准则进行设计，主要面向日本的中小企业视频会 议市场需求。 本课题主要研究了基于a c e 的视频会议系统的主要技术标准和关键技 术，在进行市场调查和需求分析的基础上，分析了项目的经济可行性和技术可 行性。在此基础上，设计了基于a c e 的视频会议系统的网络拓扑结构和逻辑 功能结构，重点设计并实现了系统的会议管理与控制系统，即完成了会议服务 器端的设计和开发。 1 4 论文研究的内容与结构 本文主要研究基于i n t e m e t 的视频会议体系结构，重点研究会议服务器的 设计与实现。在阅读大量国内外文献、资料和源代码的基础上，对视频会议相 关技术进行了深入的研究，用软件实现了视频会议服务器的功能。 本文在简要介绍视频会议基本概念和相关标准的基础上，重点分析视频会 议服务器领域，得出其问题空间和主要设计挑战。提出可行性的解决方案，降 低视频会议服务器开发难度和工作量。本文的目标在于设计一个具有较强扩展 性的服务器框架来完成通信和基本的逻辑处理功能，并提供有效的接口，使其 他人员能够专注于各种具体会议逻辑层的开发，这样就大大加快了会议服务器 端的开发，此外服务器具有良好的可扩展性。 本论文的内容结构安排如下： 第一章：介绍了视频会议服务器的发展历程及现状，并介绍本文的组织结 构。 第二章：对视频会议系统中运用的关键技术进行了详细的分析，本章分析 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 了音视频编码解码，视频会议的服务质量( q o s ) ，流媒体技术，负载均衡，i o 策略，信息安全。 第三章：介绍了软件系统化复用的思想，讨论了模式，类库和框架，并引 出和介绍了开发视频会议服务器用到的自适应通信环境( a c e ) 。 第四章：设计了基于a c e 的视频会议服务器的总体设计框架，即整个服 务器机群是由：主控服务器，流媒体服务器，认证服务器，数据库服务器，接 入服务器，v o d 服务器组成。并详细的说明了各个服务器的功能及模块划分 和设计。 第五章：详细介绍了主控服务器中各个功能模块的设计与实现，并给出了 主控服务器的部分代码。 结论部分对本文所研究的内容进行总结，并对以后的研究方向和任务做出 展望。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章视频会议的关键技术 在i n t e m e t 上实现视频会议系统，需要解决以下几个方面的关键技术：音 视频编解码技术、信息传输的服务质量保证、流媒体技术、i o 策略选择、负 载均衡、信息安全技术。 2 1 音视频编解码技术 2 1 1h 2 6 4 视频压缩处理协议 h 2 6 4 a v c 是i t u - tv c e g ( i t u tv i d e oc o d i n ge x p e r t sg r o u p ，国际电信 联盟视频编码专家组) 和i s o i e cm p e g 共同开发的视频处理标准，i t u t 作为 标准建议h 2 6 4 ，i s o i e c 作为国际标准1 4 4 9 6 1 0 ( m p e g 4 第l o 部分) 高级视 频编码( a v c ) n 3 1 。 h 2 6 4 不仅比h 2 6 3 和m p e g 4 节约了5 0 的码率，而且对于网络传输具 有更好的支持功能。它引入了面向i p 包的编码机制，有利于网络中的分组传 输，支持网络中视频的流媒体传输n 引。h 2 6 4 具有较强的抗误码特性，可适应 丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输。h 2 6 4 支持不同网络资源下的 分级编码传输，从而获得平稳的图像质量。h 2 6 4 能适应于不同网络中的视频 传输，网络亲和性好。 2 1 2g 7 2 9 音频压缩传输协议 国际电信联n ( i t u t ) 于1 9 9 5 年1 1 月正式通过了g 7 2 9 ，它是当前较新的 一种语音压缩标准。1 9 9 6 年i t u t 又制定了g 7 2 9 的简化方案g 7 2 9 a ，主要 降低了计算的复杂度以便于实时实现，因此目前使用的都是g 7 2 9 a n 5 1 。 g 7 2 9 是由美国、法国、日本和加拿大的几家著名国际电信实体联合开发 的。它需要符合一些严格的要求，比如在良好的信道条件下要达到长话质量， 在有随机比特误码、发生帧丢失和多次转接等情况下要有很好的稳健性等。这 种语音压缩算法可以应用在很广泛的领域中，包括i p 电话、无线通信、数字 卫星系统和数字专用线路n 6 1 7 1 。 g 7 2 9 编译码软件用于语音信号的数字化压缩处理，在保证话音较高质量 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的条件下，降低语音信号传输比特率，减小其占用带宽，从而增加信道容量。 在多媒体通信系统中，与其他图象处理技术结合，实现多媒体信息的传输n 3 1 。 通过g 7 2 9 编译码器实现解码后的语音信号经过主观测试，具有很高的语音质 量，基本达到长话音质n 9 1 。 2 2 视频会议的服务质量 由于i n t e m e t 是一种无连接的网络，目前只提供一种尽力而为( b e s te f r o r t ) 传送业务，不能保证提供应用所需的网络带宽，也不能保证数据流的传输时延 和丢失率等质量指标。i n t e m e t 能够满足非实时数据业务的要求，不能满足音 频和视频等实时应用。如何提供具有一定服务质量( q o s ) 的保证也是i p 视频系 统的关键技术和技术难点之一啪1 。 在基于i p 的视频会议系统中，需要从承载网络和视频会议应用系统两个 层面上考虑q o s 问题。 1 网络设计上对q o s 的保证改善网络条件来提高网络传输的性能。增 大带宽可在一定程度上缓解q o s 问题，用户可通过高速i p 网络获得1 0 m 甚至 1 0 0 m 的接入带宽，这对开展视频会议业务很有利乜“拢1 。还可采取以v l a n ( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ) 交换机代替集线器、部署i g m p ( i n t e r n e tg r o u p m u l t i c a s tp r o t o c 0 1 ) 路由器、通过帧中继和a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 网 络传输图像等措施提高视频传输质量。另外，部署高性能路由器，尽可能减少 路由的跳数来降低网络传输时延，以提高i p 视频业务质量。 2 视频会议系统应用层面的q o s 保证视频会议系统一般采用i e t f ( i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 实时协议，主要包括实时传输协议实时传输控 制协议( r t p r t c p r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 和资源预留协议( r s v p , r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 。r t p 为交互式 音频、视频等具有实时特征的数据提供端到端的传送服务。如果底层网络支持 组播，r t p 还可使用组播向多个目的端点发送数据。r t p 本身只保证实时数据 的传输，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。r t c p 是r t p 的控制协议，它周期 性地与所有会话的参与者进行通信，并采用和传送数据包相同的机制来发送控 制包。r t p 协议本身并不提供任何q o s 保证机制，q o s 必须由下层网络来保 证乜引。但是通过r t c p 控制包可以为应用程序动态提供网络的当前信息，据此 可对r t p 的数据收发作相应调整使之最大限度地利用网络资源。 7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 资源预留是指根据业务数据的q o s 要求和带宽资源管理策略进行带宽资 源分配，在i p 网上提供一条完整的路径。r s v p 是网络中预留所需资源的传 送通道建立和控制的信令协议。通过预留网络资源建立一条从发送端到接收端 的路径，使得i p 网络能提供接近于电路交换质量的业务，即在面向无连接的 网络上，增加了面向连接的特性：它既利用了面向无连接网络的多种业务承载 能力，又提供了接近面向连接网络的质量保证乜4 1 。但是r s v p 没有提供多媒体 数据的传输能力，它必须配合其它实时传输协议来完成多媒体通信服务。 2 3 流媒体技术 2 3 1 流媒体的概念 所谓流媒体技术( 或称流式媒体技术) 就是把连续的影像和声音信息经过压 缩处理后存放到视频传送服务器上，由视频传送服务器把节目传送到网络，用 户在客户端通过播放器可实时观看节目。在网络上传送的一系列相关的数据称 为“流”。 流式传输时，声音、影像或动画等时基( 基于时间连续的) 媒体由音视频服 务器向用户计算机连续、实时传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而 只需经过几秒或十数秒的启动延时缓存即可进行观看。当音频、视频的时基媒 体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。流式传 输不仅是启动延时成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。流式传 输避免了用户必须等待整个文件全部从i n t e m e t 上下载后才能观看的缺陷。 实现流式传输通常采用实时传输控制协议( r t c p ) 和实时传输协议( r t p ) 。 2 3 2 实时传输协议r t p 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 ) 是i e t f 的音视频传输工作组建议的实时 传输协议标准，它为音频、视频等实时数据提供端到端的网络传输服务。这些 服务包括负载类型识别、序列编号、时间戳及传输监控。r t p 通常运行于 u d p 协议之上，利用下层协议提供的组播功能实现多点传输，但是它独立于 下面的传输层和网络层口5 瑚，。 r t p 本身并不提供资源预留，也不保证实施服务的q o s ( q u a l i t y o f - s e r v i c e ) ，而是依赖于下层服务来实现，如r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 p r o t o c 0 1 ) 。 每个r t p 数据包都由一个头部和不定长的媒体数据组成，其中，r t p 包 头的前1 2 个字节是固定的。r t p 包头结构如图2 1 所示： o81 62 43 l v = 2 p xc cmp t s e q u e n c en u m b e r t i m e s t a m p s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ( s s r c ) i d e n t i f i e r c o n t r i b u t i n gs o u r c e ( c s r c ) i d e n t i f i e r 图2 1r t p 数据包头结构 f i g 2 1t h e s t r u c t u r eo fr t pd a t ap a c k e th e a d r t p 数据包头中各字段的功能简单介绍如下： v ：2 b i t s ，r t p 版本号，为2 。 p ：l b i t ，填充标志，为1 时表示数据尾部有填充字节。 x ：l b i t ，扩展标志，为1 时表示在r t p 头与数据间有r t p 扩展头。 c c ：4 b i t s ，贡献源标志符计数器，指出贡献源标志符的个数。 标记位( m ) ：1 比特，该位的解释由配置文档( p r o f i l e ) 来承担。 净荷类型( p t ) ：7 比特，该域标识了r t p 净荷的格式，它决定了应用程序 如何对净荷解码。 序列号( s e q u e n c en u m b ：1 6 比特，发送方在每发送完一个r t p 包后就 将该域的值增加一，接收方可以由该域检测包的丢失及恢复包序列。 时间戳( t i m e s t a m p ) ：3 2 比特，记录包中数据的第一个字节的采样时刻。 同步源( s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ，s s r c ) ：3 2 比特，该域是同步源的一个标 识符。所谓同步源，就是指r t p 包流的来源。 贡献源列表( c s r cl i s t ) ：0 1 5 项，每项3 2 比特，它包含了所有对该 r t p 包中数据存在贡献的同步源的标识符。 2 3 3 实时传输控制协议r t c p 一般来说，r t p 的实现总是伴随着使用r t c p ( r e a l t i m ec o n t r o l p r o t o c 0 1 ) ，这一协议为大规模的多点通信提供通信量监控、最小会议控制和身 份识别功能等乜引。r t c p 可以为传送的r t p 数据的q o s 提供反馈，这样通信中 的第三方在收到反馈包时可以判断网络的状况。r t c p 可以在会话中传送控制 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 信息，而且会话中的每个参与者都可以知道会话的规模。r t c p 可以实现以下 的控制功能： 1 q o s 监控和拥塞控制发送音频( 或视频) 数据的发送者会产生个s r 包，包中含有所发送的包数和字节数统计等信息，接收者可据此估计出实际的 数据率。会话成员向所有参与会话活动的音频、视频源发送r r 包，包中含有 所接收的最高包序列号、丢失的包数、包间隔抖动测量值以及计算源端和目的 端之间r t t ( r o u n dt r i pt i m e ，来回时间) 所需的时间戳。 2 标志媒体问的同步r t c p 的s r 包中含有实际时间和相应的r t p 时间 戳，可用于不同媒体问的同步。 3 提供标志信息r t p 数据包只能通过随机产生的3 2 b i t s 的标志符来标 志源，而r t c p 的s e d s 数据包为每一个对话成员提供了全局惟一的标志符信 息，如e m a i l 等，可以满足复杂应用的需要。 4 会话规模估计和规划参与会话的每个成员周期性地发送r t c p 包， 各站点可据此估计或计算出参与会话的人数，及时调节实时控制的信息量，使 得控制信息量和媒体业务量达到平衡。 r t c p 定义了多种包的类型，用于承载多种控制信息。每个r t c p 包都和 r t p 数据包类似，都以一个固定的头部开始，后面跟着一个随包的类型的不同 而不同的结构化元素。该元素可能是变长的，但总是在3 2 比特边界上结束。 r f c l 8 8 9 中提到5 种类型的r t c p 包，在实时语音传输中一般采用3 中比较重 要的包，即s r 、r r 和s d e s 。 2 4i o 策略选择 视频会议是多人在线的系统，服务器要同时处理大量的客户端请求。因此 i o 性能对系统性能有着十分重要的影响，而i o 策略又决定了并发策略乜引。 i o 策略描述了服务器如何发起多个i o 请求以及同时响应多个服务请求。并 发策略描述如何为多个客户端提供服务。并发策略和i o 策略相互影响，并在 很大程度上决定了整个服务器的设计框架，进而影响服务器的性能啪1 。 w i n d o w s 下提供了“套接字模式 和“套接字i o 模型”，对i o ( 输入输 出) 操作进行管理。套接字模式用于决定在随一个套接字调用时，那些w i n s o c k 函数的行为是同步还是还是非同步。而另一方面，套接字模型描述了如何对套 接字上进行的i o 进行管理及处理o 。 使用锁定模式，在i o 操作完成前，执行操作的w i n s o c k 函数( 比如s e n d 1 0 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 和r e c v ) 会一直等候下去，不会继续往下执行。如果使用s e l e c t 模型，则多个套 接字不能同时进行i o ，然而网络会议中这种i 0 非常频繁的应用来说，i o 很 可能会成为瓶颈。在不使用套接字i o 模型的情况下，有一种解决的办法就是 采用多线程。耳p ( t h r e a d p e r - c o n n e c t i o n ) 每个连接一个线程，这有助于使应用的 多个i o 操作并行化，从而有可能改善性能。这种技术也比较直观，特别是在 使用顺序的阻塞式函数调用时。但是，它并非总是最好的选择，因为多个线程 引起的与上下文切换以及调度有关的开销以及互锁和竞争可能会显著的降低性 能。而且，当请求连接的客户增多，线程的数目就会大量增加，因此，操作系 统必须花费额外的资源和时间来协调众多的线程，一旦处理不当，将会造成系 统资源负荷过重，甚至可能导致整个系统陷于瘫痪状态硌孙。 w i n d o w s 提供了多种i o 模型来配合使用锁定套接字模式口3 。使用“套 接字i o 模型”应用程序通过异步方式，同时管理一个或多个套接字上进行的 通信。有以下几种类型的套接字i o 模型，可让w i n s o c k 应用程序对i o 进行 管理，它们包括：w s a a s y n c s e l e c t ( 异步选择) ，w s a e v e n t s e l e c t ( 事件选择) ， o v e r l a p p e d ( 重叠) 以及c o m p l e t i o np o r t ( 完成端口) 。 i o c p ( i oc o m p l e t i o np o r t 输入输出完成端口) 是一种能够合理利用与管理 多线程的机制。该机制使用完成端口，用一定数量的线程处理重叠i o ( o v e r l a p p e di o ) 的技术，帮助处理大量客户端请求的网络代理服务问题完成端 口模式要求创建一个w i n 3 2 完成端口对象来对重叠i o 请求进行管理，并通过 创建一定数量的工作者线程( w o r k e rt h r e a d ) ，来为已经完成的重叠i o 请求提 供服务。其实，可以把完成端口看成系统维护的一个队列，操作系统把重叠 i o 操作完成的事件通知放入该队列，由于是“操作完成”的事件通知，故取 名为“完成端口”。一个完成端口被创建以后，可以和多个文件旬柄进行关联 ( 文件句柄可以是真正的文件句柄，也可以是s o c k e t 句柄或命名管道) ，并在关 联后的句柄上进行重叠i o 操作。当i o 操作完成后，一个重叠i o 完成的事 件通知就会被排在此端口的完成队列上，此时，某个工作者线程将会被唤醒来 为完成端口服务，执行特定的处理工作。一般来说，一个应用程序可以创建多 个工作者线程来处理完成端口上的通知事件，工作者线程的数量与服务器的硬 件配置有关，比如处理器的个数，一般情况下工作者线程的个数为c p u 的数 目乘2 减1 ，此时可以达到最大程度的并发，使系统发挥最佳性能口引。 如果在u n i x 下则要用e p o l l 。在f r e e b s d 下用k q u e u e 。每一种操作系统都 提供了一种同时支持多个i o 的异步i o 模型。 在系统具体的通信模块实现中我们使用了自适应通信环境( a c e ) 提供的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 p r o a c t o r 框架，前摄模块就是描述怎样有效地利用操作系统支持的异步机制， 用来构造应用和系统m 脚1 。 2 5 负载均衡 负载均衡( l o a db a l a n c e ) 建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效 透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能 力、提高网络的灵活性和可用性【3