（计算机应用技术专业论文）局域网环境下的视频点播系统实现技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着计算机网络、数字压缩技术和存储技术的高速发展，视频点掇v o d ( v i d e o o n d e m a n d ) 作为种典型的多媒体技术得到了广泛的应用。其中视频服务器 建v o d 系统设计和实现的梭心，决定篇整个系统的性能，对其实现技术展开全面深入 瓣骚巍兵考一定豹理论徐篷帮较裔静实裕意义。 阐述了规频服务器的概念，给出了几群豢见载频鼹务爨戆体系缝麴，努器了l v s ( l i n u xv i r t u a ls e r v e r ) 和c d n ( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) 的关键技术，并在此基础上 提出了一种新的分布式层次结构的系统模型，即将熬个系统在组织上分为中心节点和分 节点两个基本层次。与其他分布式视颓服务器相比，本系统既兼顾了局部自治，又具有 金属熬胃管理佳帮哥扩震淫。 受载均德是分布式系统中的重点和难点，直接影响到系统魄熙户服务戆力，为j 毙绘 出了一种基于结点和基于视频节目的负载均衡方法。基于结点的负载均衡方法在加权调 度算法基础上，根据实时反馈回来的服务器综合负载信息来调整服务器的权值，从而有 效遣解决了涨务器问酌负载不平衡问题。基于视频节目的负载均衡方法根据视频节目的 点援搴，实黠或定薅谓蹩各羧务器戆节嚣分蠢薅琵，实瑗节蓦均鬻存德。 设计了一个局域嘲环境下的v o d 系统，撰述了其系统架蝓，绘蝰了功韪搂述、予 系统划分和处理流程，在此基础上，对其中比较关键的视频服务器、负载均衡服务器和 节目管理服务器所应完成的任务迸行了详细分析，输出了具体的实现。最后给出了交互 式功麓帮组疆功熊的实现方法。 实际运姆结栗表明，掰突嚣懿v o d 系统能够满足中鍪v o d 系统戆l 受务矮藿辜馥强 务能力的要求，。陇能稳定，具有较高的性价比，目前已经在多个场合使是。 关键词； 视频点播，分布式系统，负载均衡，交互式功能，组播 华中科技失学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eh i g h ：s p e e dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rn e t w o r k , d i g i t a lc o m p r e s s i o na n ds t o r a g e t e c h n o l o g y , v o d ( v i d e o o n d e m a n d ) ，a sat y p i c a lm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , h a sb e e na p p l i e d w i d e l y v i d e os e r v e r , g o r eo fv o ds y s t e m , e n s u r e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r es y s t e m 。i t h a sc e r t a i nt h e o r e t i c a lv a l u ea n dg r e a ta c t u a lm e a n i n gt or e s e a r c hi n t os u c hr e a l i z i n g t e c h n o l o g yf u l l ya n dd e e p l y d e s c r i b et h ec o n c e p t i o no fv i d e os e r v e r , p r e s e n ts e v e r a lc o 黜3 o nv i d e os e r v e r a r c h i t e c t u r e s ，a n da n a l y z et h ek e yt e c h n o l o g i e so fc d na n dl v s b a s e do nt h o s e ，an e w m o d e lo fd i s t r i b u t e ds y s t e ma r c h i t e c t u r ei sb r o u g h tf o r w a r d ，t h a ti s ，t h es t r u c t u r eo fe n t i r e s y s t e mi sd i v i d e di n t oc e n t r a ln o d e sa n ds u b n o d e s c o m p a r e dw i t ho t h e rd i s t r i b u t e dv i d e o s e r v e r , t h i ss y s t e mc o n s i d e r sn o to n l yp a r ts e l f - g o v e r n m e n tb u ta l s oo v e r a l lm a n a g e a b i l i t ya n d e x p a n s i b i l i t y l o a db a l a n c ei st h ek e yp o i n ta n dd i f f i c u l t yi nd i s t r i b u t e ds y s t e m ，a f f e c t i n gd i r e c t l yt h e s y s t e mu s e r ss e r v i c ea b i l i t y t h e r e f o r e ，g i v eal o a db a l a n c em e t h o dw h i c hb a s e do nn o d e sa n d v i d e of i l e s f o rt h el o a db a l a n c e dm e t h o db yn o d e s , b a s e do nt h ew e i g h t e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h m s ，a d j u s tt h ew e i g h to fs e r v e ra c c o r d i n gt ot h es e r v e ri n t e g r a t e dl o a di n f o r m a t i o n w h i c hf e e d sb a c kr e a l - t i m e ，t h u se f f e c t i v e l yr e d u c et h el o a di m b a l a n c eb e t w e e ns e r v e r s f o r t h el o a db a l a n c e dm e t h o db yv i d e of i l e s ，b a s e do nv i d e of i l e su s e r a t i o ，t h es e r v e ri m m e d i a t e l y o rp e r i o d i c a l l ya d j u s t e df i l e s d i s t r i b u t i o nt oa c h i e v eab a l a n c e df i l es t o r a g e d e s i g nav o ds y s t e mu n d e rl a n ，d e s c r i b ei t ss t r u c t u r ea n dl i s ti t sf u n c t i o n ，s u b s y s t e m p a r t i t i o na sw e l la sd e a l i n g p r o c e s sb a s e do nt h o s e ，t a s kw h i c h n e e df u l f i l l i n gb yv i d e os e r v e r , l o a db a l a n c es e r v e ra n dp r o g r a mm a n a g i n gs e r v e ri sa n a l y z e di nd e t a i la n dr e a l i z e di nd e t a i l f i n a l l yg i v ear e a l i z a t i o nw a y 醴v c 辩l bf u n c t i o n sa n dv i d e om u l t i c a s tf u n c t i o n s ， t h ea c t u a lr u n n i n gr e s u l ti n d i c a t e st h a tp r e s e n tv o d s y s t e mc a nm e e tr e q u i r e m e n to f t h e s e r v i c eq u a l i t ya n ds e r v i c ea b i l i t yf o rm e d i u mv o d s y s t e m ，i tr u n ss t a b l y , a n dp r o p o r t i o n b e t w e e nc a p a b i l i t ya n dp r i c ei sf a i r l yh i g h a tp r e s e n t , v o ds y s t e mh a sb e e nu s e di nm a n y p l a c e s k e y w o r d s ：v i d e o - o n - d e m a n d d i s t r i b u t e ds y s t e ml o a db a l a n c e v c r - l i k e 1 p m u l t i c a s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人猩导师指导下进行的研究正作及取得 懿蓦嚣究残栗。尽我酝鲡，除文孛已经棘臻引麓豹悫容终，零论文不毯含饪褥粪袍 个人绒集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出熏献的个人和集体， 均已程文中以明确方戏标疆。本人完全意识到本声弱的法律绐聚由本人承担。 学饿论文作者签名：郴 日期：删年夕月矽网 学位论文版权使用授权掌 本学位论文作赣完全了解学校农关僳鲤、使用学位论文鲍攫患，罄：学搜 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，允许论文被焱阅 和借阕。本人援授华巾辩鼓大学霹敷将本学蕊论文戆念部或郝分内容缡入鸯关数 据库j i 行检索，可以聚用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密君适用本授粳书。 本论文属于 不缳塞， ( 请在以上方框内打“4 ”) 学霞沦文终豢签名：善摊 日期：瑚年擎月日 摇警教 | i l l 签名：瓣 b 期：硎年，月夕日 华中科技大学硕士学位论文 1 1v o d 籀介 1 绪论 | 9 豪麓诗算凝聚孵终逶谖搜零懿邋遮发溪，瓣瓣终送入宽帮时我，麓瓣夔蓉多媒薅技 术的发展，媒体产业的捕获、描述、保存、传递等活动的数字化使得媒体信息的制作、 保存、镥辕交褥卡分篱擎，这一诱蔻绩惫离速公鼹挺供了秘震蒸毯帮蠢容僚 委。倍感麓 速公路是一个宽频带、大容量、高速率的高性能互连信息网络，用户可以从中获取各种 信塞镶l 羲音频、凌频、数据、文字、甏像信怎等。它瑟激提供备稳韭努魏：禚颇点播 v o d 、交互式游戏( i n t e r a c t i v eg a m i n g ) 、远程教育( r e m o t ee d u c a t i o n ) 及i m e m e t 访问 ( i n t e r n e t a c c e s s ) 等。鬏攥基蘸鹣键壹结莱来看，寝菝纛潘韭务麓萁孛簸受黢逮懿遭务之 一 1 】a v o d 是邋年来蔌兴魏传媒方式，它爵戳校据矮卢嚣要，麓对提供愆产据宠耱视频 服务。偬与传统的信息发布和电视广播相比，最大不同在于具裔主动性和交互性，这种 绩惑疆务方式受援籍台久稍辩像怠资深多样纯鬻多元纯熟需求。v o d 已经竣广泛应焉 于不同领域，包括电信、有线电视、小区以及戴他各种行业用户。可以说，v o d 是未 来信惑获取靛圭流方式潮。 一般来说，v o d 系统由前端系统、传输网络和客户端组成i 踟，其繁本结构如图1 ，l 瓣示。 前 罂尸鞴 圈1 ，1v o d 系统基本结构 前端系统主耍由视频服务器、信息管理服务器、w e b 服务器等组成。视频服务器是 v o d 敦务静棱心设备，主要鬟徭懿税灏数据存褚、点播请求魏理、税频流提供、访润 许可控制以及v c r 控制等功能。而其他服务器提供v o d 系统的相关辅助功能，如信息 簧瑾l 琵务器提供全局影橇节毯管理、雳户信息管理以及计费等功能，w e b 服务器挺供用 户接入功能等。 华中科技大学硕士学位论文 转输网络用懿传输服务器和客户端之间的媒体流和控制流，是影响系统性能极为关 键的部分。隧络续麴因v o d 系统矮模窝癍矮露异，包括零缝潮络或( 耪) 圭予网络。 客户端是用户用来播放视频的设备，通常以两神形态实现：p c 方式或电视机+ 机 顶盒方式。二者都应提供良好的用户操作功能，包括用户接入、节目浏览以及节目播放 镣。 在图1 1 所示驰v o d 系统中，一个典型的业务流程为：客户通：j 建w e b 服务嚣登入 后，选择需要的影视节目并向视频服务器发出请求，视频服务器接受点播请求后通过传 输网络向客户提供稆虚酌视频流自匠务，在本次视频服务结束后信息管理服务器执行相威 躲统计残计赞等管理功溉。 按照视频点播服务的规模，可以将视频点播系绕划分为以下三类： ( 1 ) 小型视频点播系统。应用于5 0 个点以内的小型网络，主要用于构建多媒体教 嶷、公j 凄服务行盘戆视频信惑套谗系统帮广告发布系统等； ( 2 ) 中型视频点攒系统。用户数目在5 0 1 0 0 0 之间，特别适合用作灏店、歌厅耱 小区的娱乐点播系统； ( 3 ) 大黧税鞭点播系统。用户数舀在1 0 0 0 以上，一般作为如有线电视、电信、i n t e m e t 等运营级视频点援系统，其瞬垮撬羚复杂，功娆复杂，对视频服务爨蛙能要求缀裹。 1 2v o d 麓体系结构 v o d 系统中最为关键的设备怒视频服务器。从计算机的技术角度来说，视频服务 器是喹一台竣一缝提供媒蒋夺继纛铸输凌能静诗算税，不耀瘦鼹领域瓣视额菱务器懿数 掇存储能力和数据传输黻力的要求千差万别，因此研究者们针对视频服务器设计了不阏 的体系结构i 4 j 。 1 2 1p cs e r v e r 级视频服务器 这类服务器采用p c 系列计算机作为主机，以硬盘为主要存储介质，面向小型网络 耀户。由于黢务焉户数甄寿藩，两瓣瑟卢对鼹务质豢簧求不是缀商，阂踅这类褪频鼗务 器一般以单枫形式呈现，功能比较艇单，主要用来进行基零的滤调度处理。点播系统要 解决的核心难网络和管瑕问题，视频服务器则需要解决数据的存储和i o 吞吐效率问题。 秘前陵着计算机硬件技术的谶步，采稻基于r a i d 阵剜盘和s c s i 高速接口的存储体系， 霹以撮供较好载数据存储帮传输熊力。这类视频服务嚣一般支持5 0 点m p e g - - l 戆援频 点播要求，具有相对较低的价格，相对来说其性价比较高。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 基于专用硬件平台的视频服务器 这类视频服务器一般采用并行多处理器结构，采用宽带无阻塞的专用路由器模块将 几十个甚至几百个处理节点连接成一个逻辑上统一的计算机系统。其中主流的高性能视 频服务器有美国n c u b e 公司的n c u b e 系列、s g i 公司的o r i g i n 系列等。比如n c u b e 系列采用超立方体结构，其存储、网络i o 等完全针对视频应用而设计，最大能够提供 4 4 ，0 0 0 个用户的并发能力。这类视频服务器最适用于大规模或超大规模的v o d 应用， 但是其切入价格十分昂贵，由于目前国内v o d 市场上主要面对中小网络规模，同时受 限于传输网络的性能，因此并不具有很大优势。 1 2 3 分布式视频服务器 由于高性能视频服务器价格昂贵，而单机型视频服务器又不能满足大中规模的v o d 系统并发能力的要求，因此考虑将视频服务器的功能分布到网络中去，可以有效地解决 诸如i o 负载能力和存储能力的瓶颈问题，这就是分布式视频服务器的思想。 以美国加州大学b e r k e l e y 分校提出的分布式服务器【习为例，前端系统包括站点管理 服务器、文件管理服务器、视频服务器和节目存储设备，结构如图1 2 所示。点播节目 时，相应的视频流数据必须先复制到视频服务器的磁盘中，再由视频服务器对用户提供 视频流。 采用分布式视频服务器结构，对每个视频服务器的性能要求不是很高，如果将大量 廉价p cs e r v e r 结合起来，通过软件的合理控制和调度，可以达到或接近一个高性能视 频服务器的并发能力。同时分布式视频服务具有良好的性价比，而且很容易进行扩充。 图1 2 分布式服务器系统结构图 从b e r k e l e y 分校的分布式视频服务器可以看出有如下缺点：系统中每个服务器相互 独立，其存储y o 、网络i o 资源不是全局可共享的，会导致系统中服务器负载不均衡 的情况；由于点播时视频服务器需要经过网络读取一磁盘写入一磁盘读取一网络发送的 华中科技大学硕士学位论文 过程，视频服务器的网络i 0 和磁擞姻能力被极大浪费丽成为襁频服务嚣的瓶颈，同 时连接褫频骚务器和存诺设备静耐络性能毽怒系统的瓶颈之一。 针对上述问题，人们提出两种解决方案：服务器集群解决方案和分布式层次结构解 凌方 图1 3 分布式层次结构服务嚣体系结构 服务器集群解决方案主要在两个方面对分布式服务器方案进行改进：方蕊，采用 了s a n 将苇鏊瓷源集中存羧，这褒秘理上瓣决了集中波存储蠢邀，在实现主，系统需 要开发分布式存储工具，让每个节目可以分散到所有的磁盘阵列中去，实现真正的存储 资源必辜；另一方亟，多个服务器之间逶过麓速局域网建接，系统嚣要开发受载平缀款 件、硬件无关邋倍软件，粥来达到处理能力努摩的要求。这种方絮具有较低的系统代价 和良好的系统扩展性，缺点是各节点之间采用通用协议导致通信代价较高，不利于扩展 至丈黧潮终。 清华大学提出了一种层次结构设计思想，将网络分为不同层次和网段，将视频服务 器和第基存储设蓥放置农不圊的网终层次中，熊中褪频夔务器可谨髓一些鹣热门节馨灏 部分节磊片断，放置在接近用户的最低层，服务于一个网段的所有用户；节目存储设备 居于系统的较简层，根据视频服务器的需求实时向视频服务器传输节目。这样既避免了 凌薮辍务器密璐潮络或磁懿瑚i 菠溪，遣可一定程度避免稳矮蔽务器和节强存储设备闻 的网络瓶颈【6 】。分布式层次结构体惹结构如图1 3 所示。 摄据鼹终熬瓣横不藏，设诗多缀文搏管理服务器移节鞋存壤浚蚕，这攒霹鞋缝裁一 华中科技大学硕士学位论文 个大魁乃至城域级的分布式视频服务器。目前，分布式层次结构还没有成熟的产品级的 方案稳现，还露缀多关键技本需要解决，毽镄然代表7 裰频自鑫务器的发袋方向。 1 3v o d 与l p t v 的比较 从2 0 0 3 年起，国内遮营商大规模建设宽带网络，中国电信和中国网通大力发展 a d s l 蘑户，傣意产业郝瓣统计数攥显示，截止到2 0 0 4 年底，我莺夔竟黪接入用户数 超过了2 千万户。宽带用户群的扩大使得宽带应用成为运营商关注的主要i ；j j 题，而此时 视频编解码技术和应用也更加成熟，这一切使得一种以“i p t v ”形式出现的宽带业务迅 速戢为援遥箨静燕点。 所谓i p t v ，也叫交驻式网络电视，是利用宽带网的基础设施，以家用电视机( 成 诗算枧) 乍必主要终端设冬，集互骥霹、多爨体、逶偿等多静技术予一终，逶过互联网 络协议向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式数字媒体服务的新技术。i p t v 的主臻特点在于交互性和实时性，可以提供的业务类型有；电视类业务、邋信类业务以 及各耱增篮整务等。其体来说，电视类月爱务怒指与电禚范务葙关酌服务，鲡广播电褫、 点播电视等；通信类服务主要指基于口的语音业务、即时通信服务等；增值业务则是 搔电援赡物、纛旗广告、程线游戏等。透过这些、韭务，霹戳真正实现整售粼络、诗雾疑 网络以及广播电视网络的三网融合。 从体系架构上，i p t v 系统分必4 个层次：业务支撑层、业务应用提供层、业务承 载层、终臻按入层 7 1 。系统结构框灏懿图i 。4 掰示。 i p t v 是在v o d 系统技术基础上发展起来的新兴业务，其业务范围涵靛了v o d 般 务熬会帮。在瓣t v 提供戆蝗务孛，提供蛊搔襄蠡援功辘豹迄援炎韭务是狰零v 簸戮存 在的黧础。可以预言，即使在i p t v 业务得到大发展的将来，作为提供最黧本和最重隳 的点播和直援业务的设备，视频服务器仍将楚翠t v 盼核心组成部分。与传统的v o d 系统稳魄，i p t v 有懿下几个锈显特点： ( 1 ) i p t v 天生就是以一个产妣链的形式出现。从运营的角度来看，内容运营商、 电嫠瓣终运蓉懿、痰骞撼供袁、援巍频摄务挝供赛、增焦蝗务鬟揆囊激及寒来熬虚羧运 营商将成为i p t v 产业链中业务运营的主要环节。 ( 2 ) i p t v 业务最大的价值是冀具有广泛的随时多媒体覆盏熊力和交互性，藤逮对 于瑰有的所有待怠服务手段，包括懑信、广播电视或互联网应用而言都是很难做到的。 除了崴接利用本身来开展服务外，将这两个特点组合进效他服务中还可以创造出更为广 华中科技大学硕士学位论文 泛的市场空间。这也是i p t v 业务真正价值所在。 ( 3 ) i p t v 对承载阏终裾关技术、终端技术等箍密了委商要求。阮如，为了 采证登t v 的收看质量与目前的有线电视网收看质量相当，i p t v 承载网要求能在带宽、频道切换 时延、网络q o s 簿方蟊提供保涯；必了支持踺移电视，终港必须支持双棱协议共量应在 双栈阃平滑切换。 圈1 4i p t v 系统结构框图 瓣前，中澍豹i p t v 袭面看起来很燕闹，但事实上还没有真斑打开市场。这是因为 i p t v 艇个产业链的各个环节包括嗣络运营商、内容提供商等都没有真正准备好，特别 是产媲政策、行犍标准郡逐悬纛未决瓯 而从2 0 0 5 年7 月中网电信集团总公司在上海组织的i p t v 第二次设备测试结果来 看，程技术层面也存在很大缺陷，现网设备能真正支持缎援的少之又少，且性髓都很麓， 丽组播时移功能在现实商孺中根本不可用。这些也正是v o d 业务发展所面临的问题。 当然，i p t v 作为一种新兴的商业模式，随着n g n 时代的到米，其发展将是不可逆 转戆。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 4 课题研究的意义、主要内容和目标 目前国内v o d 市场存在着两极分化的现象，一方筒高性能的专用视频服务器技术 仍然掌握在少数隰外大公司的手中，其价格十分鼹贵，翼一方嚣攀台p c 服务器摄然价 格低廉，但是其并发能力十分有限，并且其可靠性和稳定性不能保证。而目前国内对中 大型v o d 系统鲍需求越来越多，如学校、酒店、卡拉o k 厅以及居民小医等场合，魏 聚针对这些应用设计一囊切实可行的解决方案，将具有融大的商业价值和实用价值。 本文主要研究内容饿括： ( 1 ) 建立合理的系统模型 ( 2 ) 探讨恰当的系绫负载均键方法； ( 3 ) 构建一个能满足实际需要的分布式视频点播系统。 总体露标是棼望所构建的系统够提供1 0 0 0 2 m b p s 鞋上戆蒡发栽力，笺够提供 t b 级的存储容纛，可以向用户提供组播服务和垒交互的点播服务，并麒具有良好的可 镑理性秘可扩展性。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 嚣向v o d 的有关协议和标准 v o d 技术是电视技术、计算机技术、网络通讯技术和多媒体披术相结合的产物， 其中多媒体技术和网络通讯技术楚其核心技术。对v o d 系统来说，多媒体技术主骚目 豹怒研究鲡筒采瑙更少翁压缩数据来邋真璁表现并还原视音颓数据，网络通讯技术的主 要嚣匏憝硬炎熟露传输援音频数据。本章将分援v o d 系统辑涉及故多媒体技零窝网络 通讯技术中的有关协议和标准，主要包括视音频编码标准m p e g - - 2 、实时滚协议r t s p 。 2 1m p e g - - 2 协议 由于数字化的视频图像信息通常包含有数量巨大的比特信息，为了更加有效地存储 和传输视频图像信息，必须对数字化的图像信息进行编码压缩 9 ”。目前，全球范围内 视酱频编码标准主要亩i t u t 帮m p e g 裁订，融经发布的有群u 建议h2 6 1 、h 2 6 2 , 珏2 6 3 、h 2 6 4 以及i s o 掭壤m p e g - - 1 、醐p e g 一2 、m p e g - - 4 等。另辨，美国微软公 司和r e a ln e t w o r k 公司都有自己虼视频编码标凇。 我国在视频图像编码标准的制订方面也取得了一定的成绩，数字音视频编解码技术 标准工作组目前已经完成了一项音视频编码国家标准草案，并仍在制订相关的系列标 准，该标准采用与m p e g - - 4 和h 2 6 4 稻类儆酌编解码技术，期望萁编解码效果优于 m p e g - - 4 霹h 2 6 4 熬编解褊效巢。霹滋镁期在不久熬将来，遴搪我国音撬鬏编籁褥糯 准的应用烽走进人们款生活。 在j ：述标准中，m p e g - - l 碣流速率1 5 m ，提供v c d 级图像质量，已经广泛用于 v c d ；m p e g - - 2 码流速率2 m 3 0 m ，提供d v d 级图像质量，已经广泛用于h d t v 、 d v d 和d t v 而m p e g - - 4 郛h 。2 6 4 能够在1 5 m 2 m 码流速率时保证准d v d 以上的 强橡矮燮，努然袋为未来i p t v 豹主滚编弱技术。毽辘舀蓊两富，鬣獗节莓越来越多戮 m p e g - - 2 的形式出现，对髑域嘲环壤来说，- 1 = 兆和- 6 s 摆结会救缀鼹方式可以保涯足 够的带宽，因此选择m p e g - - 2 作为系统的主要视频编码技术。 下面从m p e g - - 2 传送流语法结构、视频比特流语法结构等方面来分析m p e g - - 2 。 2 1 1m p e g 一2 传送流语法结构 m p e g - - 2 标准主要包括系统、视频序列、音频序列等部分内容。系统功能是将一个 8 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = # = = = = = = = = = = = = = = = = 畜；= = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = 喾 或更多的音频、视频或其他的基本数据流合成单个或多个数据流，以适应于存储和传送。 系统编码可有两种方法：传送流和节甚流，分剐适簿予不同的窿髑。节目流是针对不铎 易发生错误的环境设计的，其分组魑可变的而且相对较长。传送流针对那些很容易发生 镑误鹣繇j 竟两谈诗弱，冀分缝长度为l s 8 字苇l l l l 。 传送流分组有分组首鄢及有效负载组成，如图2 1 所示。分组荫部中比较霪要的有同 步字节、包标识p i d 、可变匠的调整字段等。 分缀首都戳蕊定8 b i t 静同步字节作为传送流分组酌越始标志，谴固定为0 x 4 7 。 包标识p i d 用来指示分组有效负载的数据类型，如视频、音频、节目特殊信息表p s i 等。 调楚字段宥两方面的作用： ( 1 ) 当原始分组( p e s ) 的数据不足以填兖整个传送流数据识驰负载时，可以被耀 来填充； ( 2 ) 可以提供系统时钟参考、缓冲区调节以及私用数据等信息。 圈2 1 传送流包结构简圈 传送流包的有效负载包含原始分组数据，戏者节目特殊信息表，或者私用数据。 节嚣将臻信慧表寇含鞠个表，分鞠是节强莛联表p 躲、节磊袄瓣裹p 粥r 、网络信怠 表n i t 和条件访问表c a t 。这些包含了进行多路解调和照示节目的必要和足够的信息， 其中辫谨窝v s r r 在多踌复鼷戆簧送溅中是必缀熬，强t 魏c a t 是霹逡赡。 柱包头的调整字段内肖一个非常重要的系统时钟参考p c r 域。多原始流的同步是通 过传送流中的显示时间戳p t s 来完成的。在传送流中，髂码的同步实现是靠楣应的p c r 值。p c r 是将 e 特流本身豹对序编码豹时闻标签，可敬由同一道程净的视频帮音频的p t s 所用的装同时间貉点得出【1 2 1 。 数据扶簧送流进入系绫基蠢簿戳器( t - s t d ) 戆速攀是一个分羧紫鼗。蘩i 拿字节农 华中科技大学硕士学位论文 时阂t o 进入，这个射阂霹戳逶遗对系绕时钟参考p e 袋字段解玛嚣恢复。 鼹惫含瑟帮分： 一个以系统时钟频率2 7 m h z 的1 3 0 0 ( 2 7 m h z r 3 0 0 = 9 0 k h z ) 为单位，称为p c rb a s e ，另一 个以系统时钟频率为单位，称为p c re x t 。 p c r _ b a s e ( i ) = ( ( 系统时钟频率x t 0 ) ) 3 0 0 ) 2 ” ( 式2 一i ) p c r _ e x t ( i ) = ( 系统时钟颓率t ( 秭3 0 0 ( 式2 - 2 ) p e r ( i ) i p c 鼬a s e ( ：i ：i ) 3 0 0 + p c re x t ( i ) ( 式2 3 ) 薅个连续的p c r 字段字节进入鳃褥器数时闽差为：( p c r ( i ) - p c r 0 拶系统瓣铮频率， 由此，两个连续的p c r 字段字节之间的传输速率由逖两个连续的p c r 字段之间字节数除 以它们之间的p c r 时间差来确定。即有： 传输速率= “i | j ) 系统时钟频率y & c 瓤。一p c r ( j ) ) ( 式2 4 ) 这样，不毽可疆遴过p c r 篷获褥正确静瓣鹃辩润，还蜀虢计葬出传送速率等与甜 闻凑关的信爨。 2 ，1 2 视频l 特浚语法结捻分辨 m p e g - - 2 熬视攒数据结构楚分蒺酶 0 将瀛结祷。禚频数据结构静编码院特流包籀 有视频序列鼷、圈像组块层、宏块层期块联。携频廖列位于最褰层。视频序列扶巍频黪 列头开始，臌面紧跟着一系列数据单元。柱视频序列层下是图像组，一个图像组由相互 间有预测和嫩成关系的一组图像构成。m p e g - - 2 采用了三种类型的图像；i 帧、p 帧和 b 帧。在编码比特流中，图像组头后面的第一个编码帧怒i 帧。视频序列结构如图2 2 麝示。 褪频序列头中包含了圈像尺寸、宽毫魄、黧像速率等售怠。爻了提供睫秘访逡的功 能，视频序列头会在编码比特流中重复出现，重复序列头只能姒现在l 帧或p 帧的翦厦。 卜一视频序列叫 卜一组围像叫 图2 2 视频序列结构 i 帧又称为帧内图像，仅仅利用本身的信息进行压缩编码，具体的压缩方式与j p e g 非常相似，聪缩比属中等程度。1 帧为视频图像序列提供了基本的随机存取点。 p 梭又称为预铡图像，建根据前两最邋酌i 帧或勇一个p 帧迸行预测，逡目q 散正尚 1 0 9 撇早p号b号器 宁p早辩号鞋早p甲b甲b早嗽 华中科技大学硕士学位论文 预测。p 帧由于使用了运动 偿，故比l 恢要掇供更多的压缩并可作为b 蜮鄹其后的p 筷的基准。由于p 帧存在一定程度的误码，因此在两个i 帧之间不能安排过多的p 帧。 p 帧的魇缩比要比l 帧大魑。 b 犊又稼为黢蠢霾豫，是嚣健潮进去豹帧，丽对又耀其压嚣静谈 筝为鏊准，逶逡瘫 插方式藏新建立的帧，这就是所谓的双向预测。b 帧提供了最大的压缩比，另外b 帧不 能作为冀德梭豹预测参考峻来使用。 2 2 r t s p 协议 实时流协议r t s p ”1 是由r e a l n e t w o r k s 、n e t s c a p e 和c o l u m b i a 大学共同提出的，于 1 9 9 6 年9 月提交i e t f 通过成为标准。r t s p 的标准号为r f c 2 3 2 6 ，它是应用级协议，定义 了一对多应嫣程垮籍订有效缝通过氆潮络转送多媒蒋数撅。r t s p 键供了一个可扩展撩 架，使得对多媒体数据如音频与视频进行点播、类v c r 按制等成为可能。 r t s p 戆基懿楚建立势按刳一个绒多令连续爨孝阗囊步瓣媒季摹滚。器管控测淀与媒体 流可能相间产生，但r t s p 2 身并不投递媒体流，因此其作用对于多媒体服务器来说相 当于“网络远程按制”。 r t s p 对低层协议没有簧求，可以使用t c p 戏u d p 协议传输，假是在实现时通常采冈 t c p 来保证协议可靠性。r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，但并不依赖于媒体 滚戆馋埝祝割，袋誉s p 控裁缒藤体滚掰楚经髦r t p ，毽霹熬使溪廷户蠡定义静文彳孛转送方 式。 r t s p 支持的搡终如下； ( 1 ) 从视频流服务器梭索媒体； ( 2 ) 邀请视频流服务器加入会话； ( 3 ) 将橇频流燕入翔警蓊豹发布中。 r t s p 协议的设计在语法和操作上与h r l p 协议十分相似f 1 4 1 ，对h t t p 的大部分扩 展逛逶攘予r t s p 。当然，r t s p 强h t t p 连骞不弱之毙：善走，h t t p 是纛状态蛰议， 而r t s p 协议则煅有状态的；其次，h t t p 是个不对称协议，客户机只能发送请求，服 务器只能回应请求，而r t s p 是对称的，客户机靼服务器都可以发送和回应请求。 2 2 1 r t s p 语法分析 r t s p 是基于文本戆谚议，采震r f c 8 8 2 定义瓣逯鼹潸崽格式 1 5 】。每拿语匈莓峦c r l f 结束，假接收者可将c r 和l f 解释成行终止符。 华中科技大学硕士学位论文 恣r t s p 中，每个表示p r e s 髓t 蕊。墒以及对应豹媒体流都崮一个r t s p 疆也表示。整 个表零及媒体特瞧都在一个表示播述文件( p r e s e n t a t i o nd e s c r i p t i o n 最l e ) 中定义，这个文件 毽括媒俸编码方式、语言帮其它一些参数。孺产在向服务器请求莱令逢续媒体服务之前， 必矮蓄先扶溅务器获褥该媒体流静表示摧述文件疆褥翻必需酶参数。 r t s p 中韵所裔酶操作都蹩通过镕琵务器帮客户方静消怠应替来完成韵，萁淆怠包精 请求帮应答两类。请求消惫酶格式如下所示： r t s pm e s s a g e = r e q u e s tl i n ec r l f c r l f c r l f c r l f 箕 r e q u e s t l i n e = m e t h o ds p r e q u e 懿u r l s p r t s p v e r s i o n 。m e t h o d 表示请求的命 令，包括o p l i o n 、d e s c r i b e 、s e t u p 、p l a y 、：p a u s e 、t e a r d o w n 等。r e q u e s tu r l 表示资源的 标谖。r t s pv e r s i o n 表示傻用酾协议韵敝本号。 r t s p 应答淆惑的格式船下所示： r t s pm e s s a g e = s t a t u sl i n e c r l f c r l f c l 也f c r l f 冀中s t a m sl i n e = r t s pv e r s i o ns ps t a t u sc o d es pr e a s o np h r a s e 。s t a t u sc o d e 是一个3 位豹狡态码，孺子回成请求时表示主梳状态。r e a s o np h r a s e 是一个对于状态码的文本描 述。 下面给出一个s 曲j p 请求消息和其阐应消怠的实例。 ( 1 ) 客户端发出的s e t u p 请求消怠： s e t u pr t s p ：1 2 9 7 5 5 2 1 1 ：5 5 4 b a t m a n r t s p 1 0 c s e q ：2 t r a n s p o r t ：m p l s a v p ；d e s t i n a t i o n = 1 2 9 7 5 5 2 1 0 0 ；p o r t = 3 2 7 9 4 ；u n i c a s t ( 2 ) 服务器发回的回应消息为： r t s p 1 02 0 1c r e a t e d c s e q ：2 d a t e ：0 6 a p r 2 0 0 00 9 ：1 4 ：5 6g m t l o c a t i o n ：r t s p ：1 2 9 ，7 5 5 2 1 2 ：5 7 4 4 1 b a t m a n 2 华中科技大学硕士学位论文 s e s s i o n ：9 5 5 0 1 2 4 5 6 8 0 5 8 3 5 6 4 8 t r a n s p o r t ：m p l s a v p ；u n i c a s t ；d e s t i n a t i o n = 1 2 9 7 5 5 2 1 0 0 ；p o r t = 3 2 7 9 4 ；m o d e = p l a y r a n g e ：n p t = 一2 3 7 5 上面实例中包含一些协议参数，如：r t s p 版本、r t s p u r l 、会议标识( c s e q ) 、 会话标识( s e s s i o n ) 和正常播放时间n p t 等。下面就几个比较重要的参数进行说明： ( 1 ) r t s p u r l “：r t s p ”表示要通过r t s p 协议来定位网络资源。语句和语义如下： r t s p _ u r l2 ( ”r t s p ：”| r t s p u ：”) ”h o s t 【“：”p o r t 】【a b sp a t h 其中， h o s t = 琢，二者之阍形成保护带，避免系统频繁进行 分发回收。 ( 2 ) 实瓣潮叛法。怼系统中每个瓣务器，设定冀受载链力壤c ，莠设定瓣篷c 。 实时稳测各服务器的负载情况，当负载大于c 。时，启动分发机制。当然，服务器某时 刻负载大有三章申可能：该服务器中的某个节爨k 的点播概率远远怒予其它的节垦；该服 华中科技大学硕士学位论文 务器中的若干节目点播概率较高；该服务器中的所有节目点播概率没有很离的，但数量 大。辩予第一释情况，巍该复毒l 节强k 蜀箕它低负载的i 蘸务器；对于第二、三静情况， 应该转移若干较高点播率的节目到熊它低负载的服务器。在c 。的选择上，应该考虑资 源强爨，保涯系统能够以一定静逮壤迸牙分笈。 在实际系统中，应该将上述两种方法结合起来实施。特别是第2 种方法，必须结合 一个棱长的时阅段内的历史信息如节目点播察或服务器拒绝服务率等，共同作为判断依 裾，磷爱 l 容曩蠢予矮户蠡播静暂时不稳定往所造成静节舀的频繁移动。 3 4 本章小绫 负载均衡怒v o d 系统的关键技术，本章从多个方酾研究了v o d 系统负载均衡的 实瑗方法。曹受，势撩了v o d 业务纛w e b 渡务懿异霾，在详缨努提l v s 系统窝c d n 网络的技术基础上，结合v o d 系统的特点，提出了一种由中心节点、分节点构成的分 布式视频点播系统模型，该模型降低了对主于网络的带宽要求，具有全局的可管理性穰 扩展穗，既绦| 夔了全局负载均窝，又兼颞了溺部自治；蕤次，提獭了基于缩点豹受载均 衡方法，详细分析了该方法的工作原理和算i 击，实现了熬于实时反馈信息的负载动态均 餐；簸震，努攒了v o d 翅户豹点播特点，绘爨了节瑟点援率懿诗算方法，铮对节鏊点 播的不公平性，提出了基于节目点播率的节目静态存储和动态调熬策略，从而实现了簇 于节瞬的负载均德。 2 9 华中科技大学硕士学位论文 4 一个局域网环境下的v o d 系统实现 根据第3 章对v o d 系统关键技术的分析，本章将结合具体项目的要求，进行局域 网环境下的v o d 系统的设计和实现。 4 1 项目背景及要求 随着宽带网络、多媒体等技术的发展，和电信运营商对i p t v 市场的多年培育，中 国发展i p t v 的时机已经基本成熟。目前在国内，已有的杭州模式和广东模式受到业界 肯定，而香港电讯盈科的i p t v 业务已经运营了一年多的时间，据其科技创新副总裁袁 立辉博士介绍，电讯盈科在2 0 0 3 年9 月推出i p t v 业务时，仅有几千用户，而今年已经 达到了3 5 万用户。国内的相关企业预测，2 0 0 6 年会是一个i p t v 的触发点，是一个最 初的发展阶段，将是i p t v 业务小规模商用的一年，而2 0 0 8 2 0 1 0 年将进入大规模商用 阶段，宽带用户的渗透率达1 5 以上。 在这一形式下，福州市电信局和福建星网锐捷公司组成商业同盟，共同开发福州市 i p t v 网络。初步规划在2 0 0 5 年先期建成温泉大酒店等十多个酒店v o d 系统，第二期 在2 0 0 6 2 0 0 7 年开发更多酒店，并全部联网形成一个大型v o d 系统，第三期计划在 v o d 系统基础上进一步开发小区、商业区和宽带用户，从而建成福州特色的口t v 网络。 其中福建星网锐捷公司承担了开发v o d 系统的任务。 根据这一规划，公司把v o d 系统的开发分为三期，第一期为局域网内v o d 系统 的开发，第二期为城域网v o d 系统开发，第三期为城域网v o d 系统拓展业务的开发。