（计算机系统结构专业论文）p2p技术在视频流媒体网络中的研究和应用.pdf

摘要 摘要 随着网络规模的不断扩大和上网用户的大量增加，为上网用户提供文字、视 频和音频的三位一体化信息和娱乐服务成为当前流媒体网络市场上致胜的关键。 但是传统的c s 模式的流媒体服务系统由于服务器性能和服务器端的带宽资源有 限，在很大程度上阻碍了流媒体业务质量的提高和容量的扩大。采用i p 多播方案 的流媒体服务又由于它的技术性问题和所带来的市场问题，使得并没有大范围的 推广。研究者开始考虑利用i n t e r n e t 边缘用户的资源，在视频流媒体网络中采用p 2 p 技术，在应用层实现多播服务。应用层的多播服务基本思想是：在不改变网络基 础设旌、不依赖网络层提供多播服务的情况下，在应用层实现多播服务功能，供 用户使用。 本论文在分析了p 2 p 技术的各种应用，主要是p 2 p 技术在视频流媒体网络中 的应用后，深入研究了p 2 p 技术在应用层的多播技术中的应用，并针对基于p 2 p 技术的视频流媒体网络的典型模型进行了分析，比较各种模型的优缺点，总结出 不同的模型在权衡网络带宽效率、延迟和可靠性三者之间的缺陷。 根据对各种视频流媒体网络中典型模型的分析总结，本课题设计并实现了一 个基于p 2 p 技术的视频流媒体网络模型d d s t r e a m 以数据驱动的方式进行视频 流媒体数据分发的模型，并构建了一种以视频流媒体服务器、超级节点s p 和普通 节点三层体系结构的高效但又简单易行的视频流媒体网络。在该网络中，每个节 点周期性的和其他节点交换有效数据，或者获取需要的数据，或者给其他节点提 供自己拥有的数据。该视频流媒体网络模型在网络带宽效率、延迟和可靠性之间 做出了很好的平衡，它的主要特点有：( 1 ) 网络匹配特性，使用终端用户的网络 位置信息来对节点进行分组管理，对节点间的邻近度进行优化：( 2 ) 易于实现， 根据数据的流向来分发视频流媒体数据，不需要维护复杂的数据结构：( 3 ) 适应 性强，能很好的适应复杂变化的网络环境；( 4 ) 扩展性好，加入视频流媒体网络 中的用户越多，性能越好；( 5 ) 带宽利用率高，及时对每个节点的带宽变化情况 进行控制，充分利用空闲带宽；( 6 ) 端对端延迟小，通过在带宽和延迟之闻达到 平衡使得端对端延迟减小。 关键词：p 2 p 视频流媒体网络应用层的多播技术数据驱动 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ep o p u l a r i z a t i o no fi n t e m e ta n dt h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fi n t e m e tu s e r s ，t o p r o v i d ee n t e r t a i n m e n ts e r v i c eo ft h et r i n i t yo fw o r d ，v i d e oa n ds o u n db e c o m e st h ek e y b u tt h et r a d i t i o n a li n t e r n e tm o d e lo fc sc o m m u n i c a t i o nm a k e st h es t r e a m i n gq u a l i t y u n s a t i s f a c t o r yb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fs e r v e r sp e r f o r m a n c ea n db a n d w i d t h i p m u l t i c a s tr e m a i n sj u s tam s e a r c hc o m m o d i t yw i ml i m i t e dp e n e t r a t i o ni n t oc o m m e r c i a l l y d e p l o y e di n t e r n e tb e c a u s eo ft h ep r o b l e m so ft e c h n o l o g ya n dm a r k e t a p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i e a s th a sb e e np r o p o s e da sa l la l t e r n a t et e c h n i q u e t h eb a s i ci d e ao fa p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s ti st oi m p l e m e n tt h em u l t i c a s t i n gf u n c t i o n a l i t ya tt h ea p p l i c a t i o nl a y e r i n d e p e n d e n to f t h es u p p o r to f m u l t i c a s t i n gf i m c t i o n a l i t yi nn e t w o r kl a y e r a f t e rt h ea n a l y s e so f t h ea p p l i c a t i o no f p 2 pi nt h ef i e l do f v i d e os t r e a m i n gn e t w o r k ， t h ep a p e rg i v e sad e t a i lr e s e a r c ho ft h ea p p l i c a t i o no fp 2 pi nt h et e c h n o l o g yo f a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ，a n a l y z e ss e v e r a lc l a s s i c a lm o d e l sa b o u tv i d e os t r e a m i n g n e t w o r ka n ds u m m a r i z e st h a ta l lm o d e l sh a v et h el i m i t a t i o ni nt h et r a d e o f fa m o n g b a n d w i d t he f f i c i e n c y , d e l a ya n dr e l i a b i l i t y t h i sp a p e rp r e s e n t sd d s t r e a m ，ad a t ad r i v e nv i d e os t r e a m i n gn e t w o r km o d u l e b a s e do np 2 p , a n db u i l d sat h r e e t i e r e d a p p l i c a t i o nl a y e r m u l t i c a s ta r c h i t e c t u r e c o m p o s e do f v i d e os e r v e r , s u p e rp e e r sa n dc o m m o np e e r s i nt h ed d s t r e a m ，e v e r yp e e r p e r i o d i c a l l ye x c h a n g e s d a t aa v a i l a b i l i t yw i t ho t h e r s ，r e t r i e v e su n a v a i l a b l ed a t ao r s u p p l i e sa v a i l a b l ed a t at oo t h e r s d d s t r e a mm a k e sag o o dt r a d e o f fa m o n gb a n d w i d t h e f f i c i e n c y , d e l a ya n dr e l i a b i l i t y i t sm a i nc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d et h ef o l l o w i n gp a r t s ：( 1 ) t h et r a i to fm a t c h i n go fn e t w o r k ，a si tm a n a g e st h ei n f o n n a t i o no fp e e r sb yg r o u p i n g a c c o r d i n gt ot h e i rl o c a t i o ni nt h ei n t e r n e t ；( 2 ) e a s yt oi m p l e m e n t ，a si td i s t r i b u t e st h e v i d e od a t aa c c o r d i n gt ot h en e e do fp e e r s ，a n dd o e sn o th a v et om a i n t a i nac o m p l e x g l o b a ls t r u c t u r e ；( 3 ) r o b u s ta n dr e s i l i e n t ，a si t c a l la d a p tt h ec o m p l e xa n dd y n a m i c e n v i r o n m e n to fn e t w o r kv e r yw e l l ；( 4 ) g o o de x p a n s i b i l i t y , a si th a sb e r e rp e r f o r m a n c e w i t ht h ei n c r e a s eo fu s e r s ；( 5 ) h i g hu t i l i z i n go fb a n d w i d t h ，a si tc a nc o n t r o lt h ep e e r s a c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo f b a n d w i d t ho f t h e ma n dm a k eg o o du s eo f t h e i rb a n d w i d t h ；( 6 ) l o wd e l a yo f p e e rt op e e r , a si tc o n s i d e r st h ed e l a ya m o n gp e e r ss u f f i c i e n t l yb e s i d e st h e b a n d w i d t h ，a n dm a k e st h ed e l a yo f p e e rt op e e ri s1 0 w k e y w o r d s ：p 2 p , v i d e os 订e a m i n gn e t w o r k ，a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ，d a t ad r i v e n 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：窒堡墨日期：加z 年j 月j 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：窒垄墨导师签 日期：一一，年，月j 日 盈 t 、 校 第一章绪论 1 1 视频流媒体网络现况 第一章绪论 根据中国互联网信息中心第十三次中国互联网网络发展状况调查统计报告，我 国上网人数已经达到7 9 5 0 万，其中宽带上网和专线上网用户占5 5 3 ，分别为1 7 4 0 万和2 6 6 0 万。宽带接入的加快伴随而来的是市场竞争的日益激烈，目前文字、音 频和视频三位一体化的信息和娱乐服务成为主流。根据国外相关应用市场调查表 明，有5 1 的上网用户经常使用流媒体。因此宽带内容的主体变成了“流媒体” 而非网页。宽带应用将以v o d 和视频会议、远程教学、远程医疗等“流媒体”应 用为主，为上网用户提供文字、视频和音频的三位一体化信息和娱乐服务成为当 前流媒体网络市场上致胜的关键。 但是，视频流媒体数据资源数据量大，对服务器端网络的带宽、服务器性能要 求很高，严重阻碍了视频流媒体网络的发展。例如，一个比特率为3 0 0 k b p s 的视 频节目，如果同时1 0 0 0 人访问，那么服务器网络带宽必须达到3 0 0 m b p s 以上，而 且服务器每秒至少发送3 0 0 m b 的数据。能满足这些条件的网络和服务器少之又少， 如果想更多的用户访问更是难上加难。总结出要为大规模用户群提供高质量、节 目丰富的视频流媒体服务，整个视频流媒体网络系统必须具备如下一些要求： 巨大的存储予系统和网络传输带宽需求。 由于媒体对象中视频和音频数据的数据量非常巨大，并且客户需要实时的接受 和解码视频和音频数据，因而单个的媒体数据流就需要消耗较大的存储子系统带 宽和网络传输带宽。若要为大规模的用户群提供高质量的流媒体服务，则服务系 统的存储子系统和网络传输子系统的带宽需求就非常庞大。例如，若要为1 0 0 0 个 并发用户提供h d t v 格式的电影点播服务，则所需要的存储子系统和网络传输子 系统的带宽需求高达2 0 g b p s 。如此巨大的带宽需求超过了现有网络技术和诸如 r a i d ( r e d u n d a n t a r r a y so f i n e x p e n s i v e d i s k s ) 等存储技术的承受范围。 高实时性保障需求。 在流媒体服务当中，用户通过网络实时的接收和解码播放视频流媒体数据。若 媒体数据包在其解码播放的最迟时间期限之后到达，则该媒体数据包就会因为其 已经变成无效数据而在客户端被丢弃。因此，若要保证用户所享受的服务质量， 电子科技大学硕士学位论文 系统需要对所有活动的数据流提供严格的传输带宽以及传输延迟保障策略。 巨大存储容量需求。 由于媒体对象中视频数据和音频数据的庞大数据量，系统中要存储丰富的媒体 文件对象则需要巨大的存储空间。例如，仅存储2 0 0 部播放编码流为2 0 m b p s ，播 放时间长度为2 小时的h d t v 格式电影文件，系统所需要的存储空间高达3 6t b 。 如此巨大的存储空间需求给大规模视频流媒体服务系统的构建成本带来了巨大的 挑战。 针对构建大规模视频流媒体网络服务系统的要求和存在的问题，现有的解决方 法有如下两种： 1 、通过使用服务器集群技术，提高流媒体服务系统的性能；通过增加光纤提 高出口带宽。这种方法从一定程度上增加了流媒体服务系统的容量，但是仍然不 能满足目前庞大的用户群。而且，这种方法以昂贵的硬件成本和系统的复杂度为 基础，使得流媒体的成本太高。 2 、使用分布式系统。传统的分布式多媒体系统主要使用客户端一服务器模式， 服务器以单播的方式和每个客户建立连接。由于流媒体服务具有高带宽、持续时 间长等特点，随着客户数目的快速增加，服务器的资源如带宽很快就被消耗完， 成为系统瓶颈所在，导致系统的可扩展性极差。为了解决系统的可扩展性问题， 许多研究都提出了相应的解决办法。如i p 多播技术，实现了i n t e m e t 上高效的一 对多通信，提高了系统的可扩展性。此外，在此基础上提出的补丁、周期广播以 及流合并等技术也极大地减少了服务器带宽的消耗。然而，由于i p 多播存在的种 种限制，如很难实现可靠性多播和拥塞控制等，i p 多播技术并没有得到广泛的应 用。另一种方案是在网络边缘部署代理缓存或内容分发网络( c d n ) ，媒体服务 器将媒体内容以推的方式存放在代理缓存或c d n 服务器上，客户请求媒体服务器 时，可从代理缓存或c d n 服务器获得服务，而不必消耗服务器的资源。但这种方 案只是部分地解决了可扩展性问题，因为此时代理缓存或c d n 服务器很有可能成 为系统瓶颈。 近年来，对等网络的研究在文件共享、应用层的多播方面得到了广泛的关注， p 2 p 技术得以快速地发展，如由第一代的p 2 p 网络g n u t e l l a t m 、f r e e n e t 【4 i 发展到第 二代的c h o r d r s 、c a n 、p a s t r y 酬，以至第三代的v i c e r o y 。在p 2 p 方式下，每个对 等实体( p e e r ) 既是服务的提供者，又是服务的享用者。p e e r 为系统提供有限的计 算或存储资源，p e e r 之间协作为其他p e e r 提供服务，将服务器的负载分散到p e e r s 中。加入系统的p e e r 越多，p e e r 为系统贡献的资源也越多，整个系统总的服务能 2 第一章绪论 力也就越强，从而有效地减轻了服务器的负载，极大地提高了系统的可扩展性。 由于p 2 p 模式可以在大规模的网络应用中有效地提高系统的可扩展性。基于 p 2 p 方式的流媒体传输的研究也逐步引起了人们的重视，相关技术或原型系统不断 出现。从传输方式的角度而言，p 2 p 流媒体传输方式可以划分两种：基于应用层的 多播技术的p 2 p 流媒体传输和基于单播的p 2 p 流媒体传输。 如何利用现有的计算机资源和宽带网络资源并使得流媒体网络这种资源消耗 严重的业务普及就是我们亟待需要解决的问题。p 2 p 技术在视频流媒体网络中的应 用就是我们的答案。 1 2 章节内容安排 第一章是绪论，主要介绍了视频流媒体网络的一个现况和构建大规模的视频流 媒体网络的要求和存在的问题，提出了p 2 p 技术在其中的关键作用。 第二章介绍了设计和实现p 2 p 视频流媒体网络中用到的流媒体技术、p 2 p 技术、 应用层的多播技术等相关理论知识。 第三章主要介绍了目前存在的几种p 2 p 视频流媒体网络的典型模型，包括e s m 模型、p e e r c a s t 模型、n i c e 模型等，重点分析了z i g z a g 模型、s p l i t s t r e a m 模型以 及基于g o s s i p 协议的d o n e t 模型等。 第四章详细介绍了d d s t r e a m 模型，包括整个o v e r l a y 网络的设计、流媒体数 据的分段和管理、使用控制信息的超级节点s p 的引入、节点如何组织和管理( 包 括节点的加入和离开等) 、通信节点的管理以及节点的调度算法等。 第五章对d d s t r e a m 模型进行了分析和实验验证。 第六章对论文进行了总结并对未来的工作前景进行了展望。 电子科技大学硕士学位论文 第二章视频流媒体网络的相关理论基础 2 1 流媒体技术 传统网络，即i n t e r a c t 和i n t r a n e t 等当前主要网络形式。曾经给人们的生活带 来了质的飞跃。今天，面对人们对多媒体音视频信息的实时、高品质的传输要 求，传统网络却遇到了前所未有的挑战。方面，传统网络只能提供最大努力 ( b e s t e f f o r t ) 服务，却不能为多媒体服务提供服务质量( q o s ) 的保证，尤其是网 络带宽、包遗失率( p a c k e tl o s sr a t i o ) 、延迟等经常变化，很不稳定。由于它主要 是以文本传输为基础而设计的，只能进行少量数据的有效传输，它的固有架构等 特点使其难以实现大量的音视频数据的有效传输。另一方面，许多媒体编码器。 并不将网络自身情况考虑在内。一般来说不同的媒体具有不同的特性：实时媒 体，如音频视频等对时间延迟非常敏感，1 ：f l 能容忍某种程度的错误；网络文本 数据等非实时媒体则更注重可靠的传输，而适度的延迟是可以接受的。在同等 网络条件下，不同类型的媒体应区别对待。鉴于以上各种情况，设计一个高质量 的并能处理各种网络情况的多媒体流系统显得非常必要。 2 1 1 流媒体概念 流媒体其实是一种多媒体文件，其在网络上传输的过程中应用了流技术。所谓 流技术，就是将完整的影像和声音数据经过压缩处理后保存在网站服务器上，用 户可以边下载边获取信息，从而无需将整个压缩文件下载之后再观看的网络传输 技术。与单纯的下载方式相比，这种对多媒体文件边下载边播放的流式传输方式 不仅使启动延时大幅度地缩短，而且对系统缓存容量的需求也大大降低。流媒体 系统大致有以下几个组件：转档编码工具( e r l c o d e r ) ，用于压缩转档；服务器 ( s e r v e r ) ，管理并传送大量多媒体文件：编码器( s c r i p t e r ) ，可整台多媒体，并以 互动方式呈现；播放器( p l a y e r ) ，在用户端呈现流的内容。 流媒体技术有三大特点：( 1 ) 能够实时播放音视频和多媒体内容，也可对其进 行点播，具有交互性；( 2 ) 边下载，边播放；( 3 ) 客户端接收、处理和回放一个 流媒体文件，但该文件不在客户端驻留，不占用客户端的存储空间，流媒体处理 和播放完随即被清除。只有同时符合这三个特点的才能称其为流媒体。 和播放完随即被清除。只有同甜符合这三个特点的才能称其为流媒体。 第二章视频流媒体网络的相关理论基础 2 1 2 流媒体技术相关 2 1 2 t 格式 目前在国际互联网上使用较多的流式视频格式主要是以下三种： ( 1 ) r e a l n e t w o r k s 公司的r e a l m e d i a 。r e a l n e t w o r k s 公司所制定的音频视频压 缩规范称为r e a l m e d i a ，它采用音频，视频流和同步回放技术来实现在i n t e r n e t 上 全带宽地提供最优质的多媒体。r e a l m e d i a 包括三类文件：r e a l a u d i o 用来传输接 近c d 音质的音频数据，r e a l v i d e o 用来传输连续视频数据，而r e a l f l a s h 则是 r e a l n e t w o r k s 公司与m a c r o m e d i a 公司新近合作推出的一种高压缩比的动画格式。 ( 2 ) a p p l e 计算机公司的q u i c k t i m e 。a p p l e 计算机公司的q u i c k t i m e 可以通 过i n t e r n e t 提供实时的数字化信息流、工作流与文件回放功能，它由三个不同部分 所组成：q u i c k t i m e 电影( m o v i e ) 文件格式、q u i c k t i m e 媒体抽象层以及q u i c k t i m e 内置媒体服务系统。 ( 3 ) m i c r o s o f t 公司的a d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t ( a s f ，高级流格式) 。m i c r o s o f t 公司推出的a s f 是一个独立于编码方式，在i n t e r n e t 上实时传播多媒体的技术标 准。m i c r o s o f t 公司打算将a s f 作为将来w i n d o w s 版本中所有多媒体内容的标准文 件格式。在w i n d o w s 9 8 的后续版本w i n d o w s 2 0 0 0 和w i n d o w sm e 中，就已经内置 了对a s f 文件的支持，包括支持a s f 文件的媒体播放器，a s f 文件的制作工具等。 a s f 格式的文件作为视频的主要优点包括：本地或网络回放、可扩充的媒体类型、 部件下载、可伸缩的媒体类型、流的优先级化、多语言支持、环境独立性、丰富 的媒体流之间的关系以及扩展性等。 2 1 2 2 传输 流媒体文件在网络上传输需要下面几点。 首先，多媒体数据必须进行预处理才能适合流式传输，这是因为目前的网络带 宽对多媒体巨大的数据流量来说还显得远远不够。预处理主要包括两方面：一是 采用先进高效的压缩算法；二是按照网络带宽的大小，减小图像尺寸，在满足视 频效果的基础上，根据不同场景，清除人体视觉和听觉所不能感知的多余数据。 其次，流式传输的实现需要缓存。这是因为i n t e r n e t 是以包传输为基础进行断 续的异步传输。数据在传输中它们要被分解为许多数据包，由于网络是动态变化 的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不等。为此， 使用缓存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体 电子科技大学硕士学位论文 数据能连续播放，而不会因网络暂时阻塞使播放出现停顿， 第三，流式传输的实现需要合适的传输协议。在网络上，一般采用h t t p t c p 协议来传输控制信息，而用u d p 协议来传输实时声音数据。 2 1 2 3 视频压缩及编码 传统的不可扩展性视频编码的目标是将视频压缩成适合一个或者几个固定编 码率的编码流，是面向存储的，因此不适合网络传输。为了适应网络带宽的变化， 面向传输的可扩展性编码的思想应运而生。可扩展性编码就是将多媒体数据压缩 编码成多个流，其中一个可以独立解码，产生粗糙质量的视频序列，它适应最低 的网络带宽，称为基本层编码流；其他的编码流可以以层为单位在任何地点截断， 称为增强层，用来覆盖网络带宽变化的动态范围，它们不可以单独解码，而只能 与基本层和它以前的增强层联合在一起解码，用来提高观看效果。因此，可扩展 性编码流具有一定的网络带宽适应能力。 2 1 2 4 应用层q o s 控制技术 由于目前的i n t e r n e t 只提供b e s t ，e f f o r t 的服务，所以需要通过应用层的机制来 实现q o s 的控制。q o s 控制技术主要集中在对网络带宽的变化进行响应和处理分 组丢失的技术上，主要可以分为两类：拥塞控制技术和差错控制技术。 拥塞控制的目的是采用某种机制应对和避免网络阻塞，降低时延和丢包率。常 用的拥塞控制机制有速率控制和速率整形。对于视频流，拥塞控制的主要方法是 速率控制。速率控制机制试图使个视频连接的需求与整个连接链路的可用带宽 相匹配，这样可以同时使网络拥塞和包丢失率达到最小。速率控制机制主要包括 基于数据源端的、基于目的的以及混合速率控制。在基于数据源端的控制机制中， 视频数据源端收集反馈信息，进行控制计算并采取相应的控制动作。这种方法在 因特网中被率先采用，但是在异构网络中的运行情况并不是很好。基于目的端的 控制机制则主要根据所接收的视频流的状况向上层反映相应的统计信息，实时调 整缓冲及播放内容，并力图使节奏均匀，这种机制使用较少。混合性速率控制的 方法兼有前二者的特点，即目的端增加减少通道，而数据源端同时根据反馈调整 各个通道的速率。混合速率控制方法的一个例子是目标集分组的方法。 拥塞控制只能减少数据包的丢失，但是网络中不可避免的会存在数据包丢失， 而且到达时延过大的分组也会被认为没有用而被丢弃，从而降低了视频质量。要 改善视频质量就需要一定的差错控制机制。差错控制机制包括：( 1 ) 前向纠错 ( f e c ) ：f e c 是通过在传输的数据流中加入用于纠错的冗余信息，在遇到包丢失 6 第二章视频流媒体网络的相关理论基础 的情况时，利用冗余信息恢复丢失的信息。它的不足是增加了编码时延和传输带 宽；( 2 ) 延迟约束的重传。通常流的播放有时间限制，因此，仅有当重传的时间 小于正常的播放时间时，重传才是有价值的；( 3 ) 错误弹性编码( e r r o r - r e s i l i e n t e n c o d i n g ) ：在编码中通过适当的控制使得发生数据的丢失后能够最大限度的减少 对质量的影响。在i n t e r n e t 环境下，最典型的方法是多描述编码( m d c ) 。m d c 把原始的视频序列压缩成多位流，每个流对应一种描述，都可以提供可接受的视 觉质量。多个描述结合起来提供更好的质量。该方法的优点是实现了对数据丢失 的鲁棒性和增强的质量。其缺点是相比单描述编码( s d c ) ，它在压缩的效率上受 到影响。而且由于在多描述之间必须加入一定的相关性信息，这进一步降低了压 缩的效率。( 4 ) 错误的取消( c o n c e a l m e n t ) ：错误的取消是指当错误已经发生后， 接受端通过一定的方法尽量削弱对人的视觉影响。主要的方法是时间和空间的插 值( i n t e r p o l a t i o n ) 。近年来的研究还包括最大平滑恢复，运动补偿时间预测等。 2 1 2 5 流服务器 当视频服务器响应客户的视频流请求以后，它从存储系统读入一部分视频数据 到对应于这个视频流的特定缓存中，再把缓存的内容通过网络接口发送给相应客 户，保证视频流的连续输出。目前存在三种类型的视频服务器结构： ( 1 ) 通用主机方法。采用计算机主机作为视频服务器。它的主要功能是存储、 选择、传送数据。缺点是系统成本高而且不利于发挥主机功能。 ( 2 ) 紧耦台多处理机。把一些可以大量完成某指令或者专门功能的硬件单元 组合成的专用系统级联起来，就构成了紧耦合多处理机实现的视频服务器。这种 服务器费用低、性能高、功能强，但是扩展性较差。 ( 3 ) 调谐视频服务器。这种服务器主板上有一个独特微码的嵌入式仿真器控 制。通过在主板中插入更多的服务通路，可以方便地进行扩展。 2 1 2 ，6 媒体同步 所谓媒体同步是指保持一个数据流或者不同媒体流之间的时间关系。通常有三 种类型的同步控制：流内( i n t r a s t r e a m ) 同步、流间( i n t e r - s t r e a m ) 同步和对象问 ( i m e r - o b j e c t ) 同步。由于网络时延，导致媒体流在传输过程中失去同步关系，媒 体同步机制可以确保客户端正确地恢复媒体流的同步。 媒体同步机制实际上就是在媒体内或者媒体间说明其时间关系。说明时间关系 的方法有：基于间隔的方法、基于轴的方法、基于控制流的方法和基于事件的方 法。对于连续媒体，应用最为广泛的说明方法是基于轴的说明或时间戳。时间戳 电子科技大学硕士学位论文 方法是在每个媒体的数据流单元中加进统一的时间戳或者时间码，具有相同时间 戳的信息单元将同时予以表现。在发送时，将各个媒体都按时间顺序分成单元， 在同一个时间轴上，给每个单元都打上一个时间戳，处于同一时标的各个媒体单 元具有相同的时间戳。在各个媒体到达终端后，让具有相同时间戳的媒体单元同 时进行表现，这样就得到了媒体之间同步的效果。对与终端系统而言，同步机制 包括阻止( p r e v e n t i v e ) 机制和纠正( c o r r e c t i v e ) 机制。前者是主要通过减小延迟 和抖动来减少同步错误，后者主要是在发生同步错误之后恢复同步。考虑到i n t e r n e t 传输的延迟随机性，同步错误是不可避免的。因此，在接受方的错误补偿是必须 的。 2 1 2 7 流媒体相关协议 ( 1 ) t c p u d p 协议 t c p u d p 【40 】协议是最基本的传输协议，提供多路复用、错误控制、拥塞控制、 流量控制等功能。首先，t c p u d p 都可以使得不同应用程序的数据到同一个机器 的同一个i p 地址：其次，t c p ，u _ d p 都提供错误控制，t c p 和绝大多数的u d p 实 现都采用检验和( c h e c k s u m ) 检验包的正确性，如果检验和不正确，t c p u d p 都 将丢弃这个包，上层的应用( l e 如r t p ) 将不会接收到有误码的数据包，与u d p 不 同的是，t c p 会重传丢失的数据包和错误的数据包，所以t c p 提供可靠的数据传 输，而u d p 不保证任何可靠传输；第三，t c p 中有拥塞控制机制来避免网络拥塞， u d p 没有。最后，t c p 拥有流量控制机制来避免接收端的缓存的o v e r f l o w 。u d p 没有流量控制。 由于t c p 提供可靠的数据传输，机制比u d p 复杂的多，所以t c p 的时延也要 比u d p 大的多，在对时间要求严格的流媒体系统中，t c p 不一定适用。在流媒体 的传输中，更多的是使用u d p 协议，然而，u d p 本身不保证包的可靠传输，包的 丢失监测需要依赖于上层协议，比如r t p 。 ( 2 ) 实时传输协议( r t p ) 与实时传输控制协议( r t c 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 ) 和r t c p ( r e a l t i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 都是 基于i p 的应用层协议。r t p 为实时音视频数据提供端到端的传送服务，包括有效 载荷类型标识、序列标号、时间标签和源标识，可以提供时问信息和实现流同步。 由于t c p 中重传机制会引起时延，通常r t p 运行于u d p 之上，但是也可以在t c p 或者a t m 等协议之上运行。r t c p 用来监视服务质量和在会议过程中交换信息。 它提供q o s 反馈、参与者标识、控制包缩放、媒体间同步等服务。 第二章视频流媒体网络的相关理论基础 ( 3 ) 实时流协议( r t s p ) r t s p ( r e a l - t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 是由r e a l n e t w o r k s 和n e t s c a p c 共同提出 的一个应用层协议。它可以在媒体服务器和客户端之间建立和控制连续的音视 频媒体流，协同更低层协议r t p 、r s v p 等一起来提供基于i n t e m e t 的整套流式服 务。 ( 4 ) 资源预留协议( r s v p ) 资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c 0 1 ) 是运行于传输层的一个网络控制协 议。r s v p 允许数据流的接受方请求特殊的端到端q o s 。r s v p 是非路由协议，它 同路由器协同工作，在传输路径的路由器上预留必要的带宽，减少网络的时延和 抖动。r s v p 的流程是单一的，并不区分发送方和接受方，且支持单播和多播，适 应于可变成员个数和路由。r s v p 领域的发展非常迅速，但是目前它的应用只限于 在测试的小i n t r a n e t 网络上。 2 1 3 两种流媒体系统的设计方案及其比较 流媒体系统的设计目前主要有两个研究方向：基于传统网络( 或是基于i p ) 的方 案和基于专业网络( 或是基于m p ) t 拘方案。两者的共同之处在于流式传输实现过程 中都需要缓存、流式传输的实现都需要合适的传输协议以及两者都具备实时流式 传输和顺序流式传输方式。使用缓存系统可以用来弥补延迟和抖动的影响，并保 证数据包的顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使 播放出现停顿。合适的传输协议可以为传送数据包提供可靠的传送机制，提供流 量控制或拥塞控制以及实现流同步，提高传送质量和效率等。两者的主要区别在 于传输协议、传输的网络内容、使用的硬件这三方面互不相同，如表2 1 所示。 表2 1 两种设计方案的比较 基于i p 的设计方案基于m p 的设计方案 t c p i pf r i e n d l yp r o t o c o l 、 传输协议 h t t p t c p 、r t p ，u d p 、i u p 、m e d i a n e tp r o t o c o l r t c p 、r t s p 、r t v p 传输的网络内容文本、媒体兼具的信息 一县传输媒体信息 硬件 传统硬件组成+ 流媒体服务器+ 专用流媒体服务器+ 各种 外置大型存储器+ v d o s + 客户端显示设备 机顶盒+ 客户端显示设备 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 4 流媒体技术的发展方向 流媒体网络传输技术的实现无疑是网络媒体传输技术的一次重要飞跃，它的影 响力将是巨大的，它的前景也是无限光明的。正如每一次技术革命都带来人类社 会的质的改变，流媒体网络传输技术也会给媒体传输的发展带来强大的动力。 现在流媒体网络传输技术有很多的研究方向，因为新的技术需要大家从各个方 面加以扩展和深化。就目前的两大研究方向而言，基于i p 的改进型系统虽然实用， 但效率比较低；专业媒体网络易于实现，但缺乏通用性，可扩展性也比较差。因 此构建一套通用的流媒体综合业务服务系统将是流媒体技术发展的主流方向。 通信网( c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) 、广播网( b r o a d c a s tn e t w o r k ) 和计算机网 ( c o m p u t e rn e t w o r k ) 的有机融合必将引起通信和信息技术领域的一场深刻的革 命。未来的流媒体综合业务服务系统将逐步走向智能化，最终实现真正的智能网 络。 2 2 p 2 p 技术 p 2 p 是一种新近兴起的网络模型。与传统的c s 模型比较，它在网络资源利用 率、消除服务器瓶颈等多方面有明显的优势。因此，p 2 p 技术蕴涵着巨大的商业和 技术潜在价值。另外，p 2 p 技术的广泛应用以及它本身具备的成本低、通信效率 高的特点，可广泛适用于分布式搜索、分布式存储与计算及企业协同等领域。 2 2 1p 2 p 的概念 p 2 p 是英文p e e r - t o p e e r 的缩写，称为对等网或端对端技术。p 2 p 是一种网络 模型，在这种网络中所有的节点是对等的( 称为对等点) ，各节点具有相同的责 任与能力并协同完成任务。对等点之间通过直接互连共享信息资源、处理器资源、 存储资源甚至高速缓存资源等，无需依赖集中式服务器或资源就可完成。这种模 式与当今广泛使用的客户端，服务器( c s ) 的网络模式形成鲜明对比，c s 模式中 服务器是网络的控制核心，而p 2 p 模式的节点则具有很高的自治性和随意性。随 着像n a p s t e r ”、g n u t e l l a 这种信息共享应用程序变得越来越流行，p 2 p 技术受到人 们的广泛关注。 从互联网的发展历史上看，p 2 p 并不是一个全新的概念。t c p i p 是现代互联网 整体架构的基础，但在t c p i p 中并没有客户端和服务器的概念，所有的设备都是 第二章视频流媒体网络的相关理论基础 通讯中平等的一端。早在3 0 年前许多公司的计算结构就可以划分到现在的p 2 p 中， 只不过由于带宽及处理能力等的限制，使得人们在沟通中出现了很多中间环节， 如中间服务器、导航网站、第三方信息( 交易) 平台等。现在，廉价的计算能力、 网络通讯能力、p c 计算机的存储能力强有力地推动了这项技术的迅速发展。 实际上，p 2 p 模式中也并不一定是完全无中心的。它可分为纯粹的p 2 p 和混合 p 2 p 两类。纯粹的p 2 p 模式是指所有参与的计算机都是对等点，各对等点之间直 接通讯，自始至终完全没有中心服务器对对等点间的信息交换进行控制、协调或 处理。而混合p 2 p 模式则依赖于中心服务器去执行一些功能。 2 2 2p 2 p 模式与c s 模式的比较 p 2 p 模式相对于c s 模式有一些主要优点。 p 2 p 模式最主要的优点就是资源的高度利用率。 在p 2 p 网络上，闲散资源有机会得到利用，所有节点的资源总和构成了整个网 络的资源，整个网络可以被用作具有海量存储能力和巨大计算处理能力的超级计 算机。c s 模式下，即使客户端有大量的闲置资源，也无法被利用。 可靠性高。 随着节点的增加，c s 模式下，服务器的负载就越来越重，形成了系统的瓶颈， 一旦服务器崩溃，整个网络也随之瘫痪。而在p 2 p 网络中，每个对等体都是一个 活动的参与者，每个对等点都向网络贡献一些资源，如存储空间、c p u 周期等。 所以，对等点越多，网络的性能越好，网络随着规模的增大而越发稳固。 基于内容的寻址方式处于一个更高的语义层次。 因为用户在搜索时只需指定具有实际意义的信息标识而不是物理地址，每个标 识对应包含这类信息的节点的集合。这将创造一个更加精炼的信息仓库和一个更 加统一的资源标识方法。 信息在网络设备间直接流动，高速及时，降低中转服务成本。 信息发布灵活。 c s 模式下的互联网是完全依赖于中心点服务器的，没有服务器，网络就 没有任何意义。而p 2 p 网络中，即使只有一个对等点存在，网络也是括动的，节 点所有者可以随意地将自己的信息发布到网络上。 但是，p 2 p 也有不足之处。首先，p 2 p 不易于管理，而对c s 网络，只需在中 心点进行管理。随之而来的是p 2 p 网络中数据的安全性难于保证。因此，在安全 策略、备份策略等方面，p 2 p 的实现要复杂一些。另外，由于对等点可以随意地加 电子科技大学硕士学位论文 入或退出网络，会造成网络带宽和信息存在的不稳定。 2 2 3p 2 p 的应用与研究现状 由于p 2 p 模式所具有的技术特点，很多计算机公司、研究部门都认为该技术蕴 含着巨大的商业和技术潜在价值并从不同的角度应用和研究该技术。目前主要 的研究角度有：文件交换、对等计算、协同工作、即时通讯、搜索引擎、网络游 戏、基于i n t e m e t 的文件存储系统、基于i n t e r n e t 的操作系统等。另