（电路与系统专业论文）基于Web+Service的通用视频编码平台的设计和实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 视频编码技术是多媒体技术的研究热点之一，也是各种视频应用和视频服务 的基础。国际上视频编码标准主要有两大系列：1 t u 针对低码率视频通信制定的 h 2 6 x 系列视频编码标准和i s o 1 e cj t c l 针对多媒体数据存储制定的m p e g 系 列标准。从1 9 8 8 年到2 0 0 4 年，视频编码经历了近l o 个标准。平均每两年就有 新标准提出。目前最新制定的视频编码标准是由i s o 和i t u 建立的联合视频工 作组制定的h 2 6 4 视频编码标准，是一个面向未来i p 和无线环境下的视频压缩 标准，其在视频压缩效率方面比目前所有的视频压缩标准都要高。但是这种提高 是以提高算法复杂度为代价的。因此h ，2 6 4 的编码速度在通常情况下还不能满足 实际应用的要求。所以新标准通常和旧标准并存，不同的企业可能采用不同的标 准。不同的研究机构也会对不同的标准“情有独钟”。这给建立一个通用的视频 编码技术平台带来很大的困难。而大量异构平台的存在无论对于学术研究还是实 际产品的生产，都会带来额外的信息交互和技术复用的负担。针对这种情况以及 目前视频编码技术的研究状况，本文在两个方面展开工作： 首先，本文利用在电子商务领域被广泛应用的w e bs e r v i c e 技术，设计并实 现了一个全新的开放式的分布式视频编码通用平台。该平台具有优秀的可扩展性 和复用性，可以实现视频编码标准的“即插即用”，同时，由于其分布式的体系 结构，视频编码的计算负担被整个网络分担，从而使该平台具有了简单的“网络 计算”的概念，这种分布式计算形式可以较好的解决视频编码计算量大的问韪。 本文的平台为视频编码传输系统咀及v o d 视频点播系统都提供了实际应用模 型，并且具有跨操作系统，跨编程语言的特性。在具体实现时，本文在平台中整 合了m p e g 4 和h 2 6 4 两个最新的视频编码标准。 接下来，本文又针对h2 6 4 标准运算复杂度高，编码速度慢的情况，遵循 h2 6 4 算法的设计初衷，提出了利用直方图作为特征，再利用自相关法对直方图 特征进行处理的新的帧内预测决定模式来取代原有算法，在尽量维持原码率的情 况下，较大的提高了h 2 6 4 编码的速度，从而使视频编码通用平台获得了更好的 效果。 关键词；w e bs e r v i c e ；视频编码；h 2 6 4 ： a b s t r a c t b e i n gt h eb a s eo fa l lk i n d so fv i d e oa p p l i c a t i o n sa n ds e r v i c e s ，v i d e oc o d e cb e c a m ea n 1 m p o r t a n ta r e ao f m u l t i m e d i at e c h n i q u er e s e a r c h 1 1 l ei t u ta n di s o i e ca r er e s p o n s i b l ef o ra n p r e v i o u s j n t e r n a t i o n a lv i d e e c o r a p r e s s i o n s t a n d a r d sh2 6 4 a v ci st h ec u r r e n tv i d e o s t a n d a r d i z a t i o np r o j e c to ft h ei t u tv i d e oc o d i n ge x p e r t s g r o u p ( v c e g ) a n dt h ei s o i e c m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ( m p e g ) t h em a i ug o a l so ft h i ss t a n d a r d i z a t i o ne f f o r ta g et 0 d e v e l o p a s i m p l e a n d s t r a i g h t f o r w a r d v i d e o c o d i n gd e s i g n ，w i t h e n h a n c e d c o m p r e s s i o n p e r f o r m a n c e h 2 6 4f a c e st ot h ei pa n dw i r e l e s se n v i r o n m e n ta n di t sc o m p l e s s i o nr a t i oi sh i g h e r t h a ne x i s t e do n e sh o w e v e r , t h ec o m p l e x i t y o f t h e a l g o r i t h m i s v e r y h i g h s o t h eo l ds t a n d a r d sa r e s t i l lw o r k i n gw i 血t h en e wo n et o g e t h e r d i f f e r e n ts t a n d a r d sa r eu s e db yd i f f e r e n t se n t e r p r i s e si t r a i s e sd i f f i c u l t i e st oe s t a b l i s ha g e n e r a lp l a t f o r mo fv i d e oc o d e c b u t h e t e r o g e n e o u s e n v i r o n m e n ti sh a r m f u lf o rb o t hr e s e a r c ha n dp r o d u c l i o nb e c a u s eo ft h ee x l l a1 0 a d m yr e s e a r c h f o c u s e so n t h e t w o a s p e c t s ：e s t a b l i s h m e n to f g e n e r a l p l a t f o r m o f v i d e o c o d e ca n d i m p r o v e m e n t o f h2 6 4 w e bs e r v i c ei su s e dt od e s i g na n di m p l e m e n tan w o p e nd i s t r i b u t e dp l a t f o r mo fv i d e o c o d e ct h ep l a t f o r mi sf l e x i b l ef o re x t e n d i n ga n d r e u s i n g v i d e oc o d e c c a l lb e p l u g & p l a y ” i nt h ep l a t f o r mt h et a s ki sd i s t r i b u t e di nt h et e r m i n a lw i t hc o m p u t i n ga b i l i t yi nt h en e ts ot h a t m a n yc o m p u t i n g t a s k sc a n b ep r o c e s s e d p a r a l l e n y , i t i sac o n c e p t o f “n e t w o r k c o m p u t i n g i n t h e d i s s e r t a t i o n , p r a c t i c a lm o d e l sa r ep r o p o s e dt oi m p l e m e n tv i d e ot r a n s m i t t i n gs y s t e ma n dv i d e oo i l d e m a n ds y s t e r ni na d d i t i o n ，t h em o d e l sc a no p e r a t ea c r o s sa l lm a j o ro p e r a t i n gs y s t e m sa n d p r o g r a r m n i n gl a n g u a g e sm p e g 4 a n dh 2 6 4s t a n d a r d sa r ei n t e g r a t e di n t ot h ep l a t f o r m h2 6 4i st o oc o m p l i c a t mt of m 6 lr e a lt i m et a s k s an e wm e t h o dw h i 血t a k e sh i s t o g r a ma s m a c r o b l o c k sf e a t u r ea n du s i n ga u t o c o r r e l a t i o nt od e a lw i t h 血ef e a t u r ei s p r o p o s e di n t h e d i s s e r t a t i o nt or e p l a c et h eo r i # n a ti n t r ap r e d i c t i o na l g o r i t h mt h em o d i f i c a t i o no ft h ea t g ( ) r i t h m g r e a t l yi n c r e a s e st h ee n c o d i n gs p e e dw i t h o u td i s t i n g u i s h e di n c r e a s i n go f b i tr a t ea n dm a k e st h e p l a t f o l n o r ee 币c i e n t k e y w o r d s ：w e bs e r v i c e ，v i d e oc o d e c , 1 1 1 2 6 4 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业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了谢意。 签名：立是日期：滗占! 碰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：立幺翩签名：签名：，万二叁导师签名：! 丝奠日期：芝垒。2 f 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 论文背景及研究意义 视频编码技术是多媒体技术的研究热点之一，也是各种视频应用和视频服务 的基础( “。国际上视频编码标准主要有两大系列：i t u ( 最初是c c i t t ) 针对低 码率视频通信制定的h2 6 x 系列视频编码标准和i s o i e cj t c l 针对多媒体数据 存储制定的m ? e g 系列标准。表1 - 1 列出了各视频编码标准的目标码率和应用领 域。 表1 - 1 视频编码标准的目标码率和应用领域 组织名称视频编码标准码率范围典型应用 t t u th2 6 1 p 6 4 k b p s p 2 1 3 0 在i s d n 等宽带信道上的视频 传输，如视频电话等 l s oi s1 1 1 7 2 。215m b p sv c d m p e g l i s 0i s1 3 8 1 8 24 - 1 0 0 m b p s 高品质数字视频和音频传输和 m p e g ，2存储，如d v d 、h d t v ( 高清 晰度电视) 等 i t u th 。2 6 36 4k b p s 或 6 4 k b p s甚低比特率视频通信，如p s t n ( 公共开关电话网络) 上的视频 电话和视频会议系统 i s 0c d 】4 4 9 6 2 2 4 一1 0 2 4 k b p s实时多媒体监控、低比特率下的 m p e g 4移动多媒体通信、内容存储和检 索多媒体系统等 1 t u th2 6 3v e r s i o n2 6 4 k b p s 同h 2 6 3 ( h 2 6 3 + ) i t u th 2 6 l 6 4 k b p s 到2 4 0 m o p s兼顾广播和电信、覆盖从低码率 通信到高清晰电视的广域标准 从1 9 8 8 年到2 0 0 4 年，视频编码经历了近1 0 个标准。平均每两年就有新标 准提出。目前最新制定的视频编码标准是由i s o 和i t u 建立的联合视频工作组 ( j o i n tv i d e ot e a m ，简称t ) 制定的t 视频编码标准，它在i s o 中的正式 名称是m p e g 4 标准的第十部分，在i t u 中的正式名称是h ，2 6 4 。本文在以后的 叙述中统一采用h2 6 4 这个名称。h2 6 4 标准是一个面向未来i p 和无线环境下的 视频压缩标准，其在视频压缩效率方面比目前所有的视频压缩标准都要高。 ! ! 塞三些查茎三兰堡圭兰堡篁奎 h 2 6 4 采用了传统的基于宏块和运动3 1 、偿的方案，但是在技术细节上却做了较多 的改进。中国自主制定的音视频编码技术标准a v s 2 】 3 j ，就是以h2 6 4 框架为基 础的。h2 6 4 压缩效率的提高是以增加算法复杂度为代价的。因此h 2 6 4 的编码 速度在通常情况下还不能满足实际应用的要求。所以新标准通常和旧标准并存， 由下针对不同的应用，不同的企业可能采用不同的标准。不同的研究机构也会列 f i 同的标准“情有独钟”。 视频编码技术这种“百花齐放”的情况，给建立统一的视频编码平台带来了 很大的困难。不同的系统往往采用不同的视频编码标准。这给异构系统的互连带 来了很大的障碍。m i c r o s o f t 新一代的w i n d o w sm e d i ap l a y e r 整合了流媒体服务 器功能，同时m i c r o s o f t 提供v f w 和d i r e c t x 4 1 的接口标准，任何符合此接口标 准的视频编码标准实现，都可以无缝的嵌入到w i n d o w s 系统中。但是这种接口 相对比较复杂，尤其是d i r e c t x 技术，涉及到m i c r o s o f t 的c o m 技术，而c o m 技术本身就很复杂。更为重要的是m i c r o s o f t 的技术只是局限在w i n d o w s 系统中， 并不是开放的系统架构，即实现的视频编码技术只能在w i n d o w s 上使用。目前并 没有一种机制用来建立统一的视频编码通用研究和应用平台。 大量异构平台的存在，无论对于学术研究还是实际产品的生产，都会带来额 外的信息交互和技术复用的负担。在学术研究方面，由于缺乏一个通用的实验平 台，学术成果的共享成为一个很大的困难。研究人员不得不进行大量的重复工作 去仿真、验证或实现已有的研究成果，并且还需要自行构建一个实验平台去进行 实验。在这个过程中，往往会因为系统的不同，编程语言的不同而遇到麻烦。对 于实际的产品生产，一个通用的平台，同样可以提供高度的可扩展性。这种扩展 包括技术的升级，异构平台的互连，在不同操作系统间的移植等。所以探讨建立 统一的视频编码通用研究和应用平台的方案无论对科研还是实际应用都是具有 积极意义的。 同时作为最新的视频编码技术，h2 6 4 标准是本文视频编码平台的重要组成 部分。在不改变h2 6 4 标准码流结构和维持原有码率的情况下，找到简单可行的 算法替代原有的复杂算法，提高h 2 6 4 的编码速度，对于h2 6 4 标准的实用化有 着重要的意义，对本文平台的效果也有很大的影响。并且这种改进在理论研究和 实际应用中都具有一定的意义。 1 2 本论文的研究内容 本论文的研究重点集中在以下两方面： 2 第一章绪论 ( 1 ) 开放的通用视频编码平台的设计与实现 通用平台的构建工作包括： 平台的基本构思：通用平台的建设要尽可能的考虑平台的复用性，易实 现性，扩展性和异构平台的互连性。w e bs e r v i c e 技术的诞生，为创建 松散耦合的分布式网络平台提供了可能。同时该技术还具有跨平台，跨 语言等便于异构平台互连的优越特性。w e bs e r v i c e 技术是近年来软件 业最重要的方法论面向对象思想在网络时代和领域的自然延伸。本 文的平台即是以w e bs e r v i c e 技术作为基础。 平台基本架构的设计：平台的基本架构的研究是平台思想的具体体现。 除了考虑目前流行的分布式网络应用平台技术之外，还要具体考虑视频 编码平台自身的特点。因此平台基本架构的确立，实际上是建立在对目 前的平台技术和视频编码技术的研究之上的。 服务器端核心软件结构设计：软件设计是这个部分的核心内容。因此为 了实现良好的软件结构，需要对软件设计方法进行研究和实现。先进的 平台架构不可避免的要采用些新的技术。对于新技术的实现，一方面 要了解其基本原理，另一方面则很大程度上依赖于开发工具。因此软件 的实现过程实际上是对先进开发工具使用方法的研究过程。 服务器端视频编码标准的整合：视频编码两大研究热点：m p e g 4 和 h2 6 4 标准，都将被作为实例，遵循设计好的软件架构，整合进视频编 码平台。 多种形式的客户端实现：客户端的实现形式越灵活，越多样化，说明平 台的设计越具有弹性。所以本文将使用g u i 和基于浏览器( 瘦客户端) 两种形式实现平台的客户端。 平台性能及其它应用模式的讨论：性能对任何平台都是至关重要的。对 平台性能的讨论实际上是构建一个平台不可或缺的部分。这种讨论需要 在总结上述平台技术研究的基础上进行，并且也是进一步展开后续研究 的基础。 ( 2 ) h 2 6 4 算法的改进 改进算法的目的是为了降低原有算法的复杂度，从而提高h2 6 4 编码的速 度。这部分的工作包括： 算法改进原则的确定：改进算法的主要目的是找到一种算法替代原有的 北京工业大学工学硕士学位论文 复杂算法。码率是衡量一个编码器的重要指标。t t 2 6 4 在码率方面大大 的优于其它编码标准。但是这是以提高算法复杂度为代价的。新算法的 引入除了提高编码速率之外，还要尽可能的保证码率和原算法的码率相 比，没有太大的增幅。否则，新算法的引入，将导致整个h 2 6 4 编码算 法的退化，失去h2 6 4 算法的优势。 算法改进的思路及实验：本文利用宏块的自身特征以及h 2 6 4 帧内预测 的设计思想，提出取代原有帧内预测算法的新方法。在尽量维持码率的 情况下，较大的提高了编码速度。 1 3 论文的结构安排 论文的第二章介绍了w e bs e r v i c e 的基本思想以及实现w e bs e r v i c e 所涉及 到的基本技术。w e bs e r v i c e 是目前软件业的研究热点之。本章还就w e bs e r v i c e 目前的研究和应用状况做了一定的介绍。 第三章介绍了视频编码标准的发展，基本技术和现状。h2 6 4 作为最新的视 频编码标准，成为国内外研究的热点。本章讨论了h 2 6 4 视频编码技术的概况和 其中的一些关键技术，包括帧内预n i j ( i n t r a p r e d i c t i o n ) ，基于多尺寸块的运动估计 和变换编码，去除块效应的后滤波( i n l o o pf i l t e r ) ，自适应块尺寸d c t 变换( a b t ) ， 上下文自适应的二进制算术编码( c a b a c ) 等。 第四章在第三章介绍的基础上，针对帧内预测模式的设计展开分析，确定利 用宏块自身特性预判帧内预测模式的方法。该方法主要分为两个步骤：宏块特征 的提取和根据特征进行判决的方法。本章就这两个步骤进行详细的论述。宏块特 征的提取利用了亮度直方图，根据特征进行判决的方法则就直接阈值法和自相关 法等方法进行了讨论和比较。 第五章详细的阐述基于w e bs e r v i c e 技术的通用视频编码平台的思想和基本 架构。 第六章阐述了平台的实现方法，并给出h 2 6 4 和m p e g 4 两个实例以证明平 台的通用性和实用性。最后对平台性能问题做了讨论。由于平台在实现时采用了 面向对象技术和最新的泛型编程技术，本章还简略的对这两种软件设计方法进行 了介绍。 最后对全文进行了总结，并对本文涉及到的技术领域进行了展望。 篁三兰兰! ! ：型：耋兰垫奎垒垒量垫竺 第2 章w e bs e r v i c e 关键技术及发展现状 2 1w e bs e r v i c e 的基本思想 如今，任何用于构筑分布式应用的方法都不及w e b 模型被更为快速和广泛 地采用。w e b 模型的极大成功归功于他的核心特征：比起传统的r p c ，d c o m 和 c o r b a 等分布式编程模型，w e b 模型具有更为松散的关联性。w e b 客户端和服 务器的交互非常简单，他们通过传送m i m e ( 多用途的网际邮件扩充协议) 类型 的数据包来交换信息，并且可以通过修改协议头来改变信息的语义。信息传送的 目的地址用u r l 来间接地指定，这种间接指定可作协调负载平衡、协议跟踪和 其它作用【”。 由于交互的简单性，w e b 编程模型使系统开发可采用渐增的方式，不象紧 密关联的r p c 和分布式对象系统，应用程序的各个部分必须被同时开发 6 。 w e bs e r v i c e 的基本思想就是使应用程序也具有w e b 分布式编程模型的松散 连接性，而这些应用并不一定像w e b 模型一样是基于浏览器的。w e bs e r v i c e 提 供一个建立分布式应用的平台，使得运行在不同的操作系统和不同的设备上的软 件、用不同的程序语言和不同厂商的软件开发工具开发的软件、所有可能已开发 和部署的软件都能够利用这一平台实现分布式计算的目的。 根据w e bs e r v i c e 的基本思想，未来的应用将由一组应用于网络的服务组合 而成。只要两个等同的服务使用统一标准和中性的方法在网络上宣传自己，那么 从理论上说，一个应用程序就可以根据价格或者性能的标准，从两个彼此竞争的 服务之中选出一个。除此之外，一些服务允许在机器之间复制，因而可以通过把 有用的服务复制到本地储存库，来提高允许运行在特定的计算机( 群) 上的应用 程序的性能。 w e bs e r v i c e 体系结构是面向对象分析与设计的一种合理发展，同时也是电 子商务解决方案中，面向体系结构、设计、实现与部署而采用的组件化的合理发 展。这两种方式在复杂的大型系统中经受住了考验。和面向对象系统一样，封装、 消息传递、动态绑定、服务描述和查询也是w e bs e r v i c e 中的基本概念，而且， w e bs e r v i c e 另外一个基本概念就是：所有东西都是服务，这些服务发布一个a p i 供网络中的其它服务使用，并且封装了实现细节。这正是面向对象思想的直接体 现【”。 ! ! 塞三些奎耋三耋塑圭兰堡篁圣 总之，w e b s e r v i c e 是在i n t e r n e t 上进行分布式计算的基本构造块。开放的 标准以及对用户和应用程序之间的通信和协作的关注产生了这样一种环境，在这 种环境下，w e bs e r v i c e 成为应用程序集成的平台9 1 0 1 1 l 。应用程序是通过使 j ：j 多个不同来源的x m lw e b s e r v i c e 构造而成的，这些服务相互协同工作，而 不管它们位于何处或者如何实现。 2 2w e bs e r v i c e 的意义 w e b 是为了程序到用户的交互，而w e bs e r v i c e 是为程序到程序的交互做 准备。w e bs e r v i c e 使公司可以降低进行电子商务的成本、更快的部署解决方案 以及开拓新机遇。w e bs e r v i c e 是在电子商务中产生并迅速普及的。它可以为企 业内部或企业与i n t e m e t 商业伙伴带来很多的商业利益，如：更有利于向企业客 户提供服务；加速应用整合并减少集成成本；集成多样化的服务内容；提高商业 灵活性；促进软件重用，动态创造新商业机会等【1 。 w e bs e r v i c e 不仅仅是一个革命性的技术，同时它对计算机软件的体系架构 将产生深远的影响。原先处于不同平台，使用不同对象技术的c o r b a 、d c o m 、 e j b 构架都能够去除平台和实现的差异，统在一个技术层面之上，这个技术层 面就是w e bs e r v i c e 技术层。应用w e bs e r v i c e 技术，使得计算机系统之间能够 真正摒除平台差异和实现差异，依靠预先达成一致的w e bs e r v i c e 规范，完成无 缝的系统对话。允许在不同平台上、以不同语言编写的各种程序以基于标准的方 式相互通信正是w e bs e r v i c e 体系结构的主要优点之一。随着w e b 服务技术的广 泛应用，各个技术提供商将得以专注于自身技术的发展，而将原先花费相当大精 力的与其它技术供应商的互操作技术全盘转移给w e bs e r v i c e 技术，这将为各个 技术提供商节省相当大的研发成本，同时这也意味着计算机软件厂商的部门机构 的重新调整 1 引。 同时，w e bs e r v i c e 的发展将有力地推动应用开发模式的变迁，以w e bs e r v i c e 方式提供现有应用程序，可以构建新的、更强大的应用程序。当代应用需要摆脱 独立解决方案的实现模式，需要舍弃复杂系统连接的实现方法。一个有效的应用 绝对不应该是仅仅基于程序员以及那些复杂的代码的。冗长的串行的开发循环应 当被即时的、快速的应用装配所取代。利用w e bs e r v i c e ，能够创建出可供任何 人从任何地方使用的功能非常强大的应用程序。它极大地拓展了应用程序的功 能，并实现了软件的动态提供。在这种情况下，软件已不完全指那些从光盘上进 行安装的程序，而是演变为一种服务。n 层计算技术具有能够大幅度提高生产力、 紧密耦合的特点，而w e b 具有面向消息、松散耦合的特点，它们之间有机的结 6 兰三耋坠! ! ：兰：耋竺垫垄垒茎曼堡些 合，就产生了w e bs e r v i c e 。它的出现标志着应用程序的开发已经进入了新的历 史阶段”。 2 3w e b s e r v i c e 技术的发展现状 作为新兴的技术，w e bs e r v i c e 仍然处于发展与完善过程中。但是其基础协 议栈已经比较成熟和稳定。本章2 4 节会对w e bs e r v i c e 的技术细节做详细的介 绍。目前对于w e bs e r v i c e 技术的研究，主要集中在以下方面： 对基础协议栈之上的协议栈的研究，如工作流等【1 4 1 ； 对w e bs e r v i c e 安全性的研究巴 对w e bs e r v i c e 应用模式的探讨【1 5 】 w e bs e r v i c e 主要应用于电子商务领域，成为构建企业级应用的一种新技术。 由于历史的原因，企业平台往往采用不同的体系结构。w e bs e r v i c e 技术给这些 企业平台的互连提供了个有效而又轻量级的解决方案。以此，w e bs e r v i c e 技 术目前得到了广泛的应用。 华尔街日报曾发表了w e b s e r v i c e 在维珍移动( 美国) 公司应用的报道， 反映出w e bs e r v i c e 在商业领域的实际应用状况。维珍移动拥有美国最大的全数 字、全p c s 无线网络，它采用b e aw e b l o g i cp l a t f o r m 和w e bs e r v i c e 创建了一 个实时通信中心，把其技术设施完美地连接在一起，包括蜂窝式网络主干、客户 关系管理系统和后台系统，为客户提供内容广泛的、实时的移动服务，充分体现 了其更快的速度、创新、可靠、简便的服务特色。 不仅是电信业，目前w e bs e r v i c e s 在电子政务、金融、零售、能源、交通、 电子制造、软件、地理信息服务等彳亍业和领域都有广泛应用，并且有许多成功的 案例。 软件业内咨询机构s t e n c i lg r o u p 认为：w e bs e r v i c e 的采用将经历早期应用、 系统地部署、新业务模式等几个阶段。2 0 0 2 年中期以前为第阶段，更加强调 内部集成项目，驱动因素是成本效益和挖掘已有投资效益的能力。早期应用者来 自金融服务、高技术制造、通信、汽车和保险等领域。从2 0 0 2 年中到2 0 0 4 年初 的第二阶段中，企业会系统地、策略性地开发和采用w e bs e r v i c e ，以理顺已有 的流程。进入第三阶段后，将会出现为w e bs e r v i c e 所驱动的新的业务模式， 并实现真正动态的业务关系【1 “。 7 ! ! 塞圭些奎兰三兰塑圭兰堡篁兰 2 4 实现w e bs e r v i c e 的若干关键技术 2 4 1 指导技术路线的基本概念 w e bs e r v i c e 是描述一些操作( 利用标准化的x m l 消息传递机制可以通过 网络访问这些操作) 的接口。从理论上讲，开发人员可通过调用w e b 应用编程 接n ( a e i ) ( 就像调用本地服务一样) ，将w e b 服务集成到应用程序中，不同的 是w e ba p i 调用可通过互联网发送给位于远程系统中的某一服务。w e bs e r v i c e 是用标准的、规范的x m l 概念描述的，称为w e bs e r v i c e 的服务描述。这一描 述囊括了与服务交互需要的全部细节，包括消息格式( 详细描述操作) 、传输协 议和位置。该接口隐藏了实现服务的细节，允许独立于实现服务所基于的硬件或 软件平台和编写服务所用的编程语言来使用服务，允许并支持基于w e bs e r v i c e 的应用程序能够松散耦合、面向组件和跨技术实现。w e bs e r v i c e 履行一项特定 的任务或一组任务。w e bs e x ，e i c e 可以单独或同其它w e bs e r v i c e 一起用于实现 复杂的聚集或商业交易【l ”。 从表面上看，w e bs e r v i c e 就是一个应用程序内核，它向外界暴露出一个能 够通过w e b 进行调用的a p i 。即能够用编程的方法通过w e b 来调用这个应用程 序。调用这个w e bs e r v i c e 的应用程序叫做客户。 从本质上讲，w e bs e r v i c e 是建立可互操作的分布式应用程序的新平台。w e b s e r v i c e 平台是一套标准，它定义了应用程序如何在w e b 上实现互操作性。只要 可以通过w e bs e r v i c e 标准对这些服务进行查询和访问，就可以用任何的语言， 在任何的平台上写w e bs e r v i c e 。 2 4 2 体系结构 w e bs e r v i c e 体系结构基于三种角色( 服务提供者、服务注册中心和服务请 求者) 之间的交互。交互涉及发布、查找和绑定操作。这些角色和操作一起作用 于w e bs e r v i c e 构件：w e bs e r v i c e 软件模块及其描述。在典型情况下，服务提 供者托管可通过网络访问的软件模块( w e bs e r v i c e 的一个实现) 。服务提供者 定义w e bs e r v i c e 的服务描述并把它发布到服务请求者或服务注册中心。服务请 求者使用查找操作来从本地或服务注册中心检索服务描述，然后使用服务描述与 服务提供者进行绑定并调用w e bs e r v i c e 实现或同它交互。图2 1 显示了这些操 作、提供这些操作的组件及它们之间的交互。 第二章w e bs e r v i c e 关键技术及发展现状 w 2 4 3 协议栈的构成 图2 - 1w e bs e r v i c e 体系结构 w e bs e t v i c e 的整体框架和一系列优越特性都是以其协议栈为基础的1 1 3 1 。 w e bs e r v i c e 定义了自己的协议栈。如图2 - 2 所示，底部的是先前已经定义 好的并且广泛使用的传输层和网络层的标准：i p 、h t t p 、s m t p 等。而中间部 分是目前开发的w e b 服务的相关标准协议，包括服务调用协议s o a p 、服务描 述协议w s d l 和服务发现协议u d d i 、w s i n s p e c t i o n ，以及服务工作流描述语言 w s f l 、w e b 服务的安全协议以及路由协议等。右边部分是各个协议层的公用机 制，这些机制般由外部的正交机制来完成【i 。 根据其协议栈，可将w e bs e r v i c e 定义为：通过s o a p 在w e b 上提供的软 件服务，使用w s d l 文件进行说明，并通过u d d i 进行注册。 协议栈的最下面三层确立了保证一致性和互操作性的技术。这三层是基础 w e bs e r v i c e 协议栈，它们相对于协议栈中上面几层来说更成熟，也更标准。同 时这三层协议也涵盖了本文讨论的平台所用到的技术内容。因此，本文仅就这三 层协议做一些简单的讨论和叙述。 北京工业大学工学硕士学位论文 ￥，sr 。 【j d d i lj ：) d i w s d l s o a p i1 t j _ 1 。1 jf 丁l j s m tp p o p o i 】m 0 c l c 圈圈l 迸塑羹韭i 鎏堡鍪l s e r i c ed i s c o 、e b l j i ： 筹致靼 s e t v i c ep u b ii c a t i o n 擞努发电i s e r v i c ed e s c r ；p t i o n 黻：；争粥述 x m l - b a s e d m e s s a g i n g 罐卡x m i 。的溺息机糕 n e t w o r k l i 目络 一 j 至 薯 = t ， 墓 2 答 矗 窖 薹 ! 一 2 谤 i 理葑 顷 t 圈2 - 2w e bs e r v i c e 挤议栈 2431w e bs e r v i c e 协议栈的网络层 w e bs e r v i c e 协议栈的最底层是网络层。该层可表示任意多个网络协议： h t t p 、f t p 、s m t p 、消息排队( m e s s a g eq u e u i n g ) 、因特网o r b 间协议( i n t e m e t i n t e ro r bp r o t o c o l ，i i o p ) 上的远程方法调用( r e m o t em e t h o di n v o c a t i o n ，r m ) 、 电子邮件等等。在任何给定的情况下使用的网络协议都依赖于应用程序需求【”】。 对于可以从因特网访问的w e bs e r v i c e ，人们选择网络技术的时侯通常会倾 向于选择普遍部署的协议，如h t t p 。对于内部网中提供和使用的w e b s e r v i c e ， 使用另外的网络技术也会被认同。我们可以根据其它需求选择网络技术，包括安 全性、可用性、性能以及可靠性。这使得w e b s e r v i c e 可以利用已有的更高级的 联网基础结构和面向消息的中间件，如m q s e r i e s 。在有多种网络基础结构的企 业中，h t t p 可以用来在这些基础结构之间搭建桥梁。 w e bs e r v i c e 的好处之一在于，它为专用内部网和公用因特网服务的开发和 使用提供了统的编程模型。所以，网络技术的选择对服务开发者来说是透明的。 2 , 432w 曲s e r v i c e 的重要基础x m l x m l 代表e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e 的缩写， 意为可扩展的标记语言) 【2 “。x m l 是一套定义语义标记的规则，这些标记将文 档分成许多部件并对这些部件加以标识。它也是元标记语言，即定义了用于定义 其它与特定领域有关的、语义的、结构化的标记语言的句法语言。 1 0 。 篓三兰坠! ! 兰至矍耋丝苎查垒垄量銎些 x m l 不只是像超文本标记语言( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ，h t m l ) 或是 格式化的程序，用户可以定义自己需要的标记。x m l 标记描述的是文档的结构 和意义。它不描述页面元素的格式化。 x m l 的数据描述机制意味着它将成为一种在i r l t e m e t 上共享信息的强大途 径，因为： ( 1 ) 它是开放的；x m l 能够在不同的用户和程序之间交换数据，而不论其 平台如何。 ( 2 ) 它的自描述的特性使其对于b 2 b 和企业内部网解决方案来说是一种有 效的选择。 ( 3 ) 无需事先协调，就可以在程序之间共享数据。 正是由于x m l 具有如此优越的特性，w e bs e r v i c e 技术才将x m l 作为其技 术的基础。w e bs e r v i c e 技术的许多特性都源于x m l ，其最重要的两个协议s o a p 和w s d l 都是基于x m l 的。 2 433 简单对象访问协议s o a p s o a p ( s i m p l e0 b j e c ta c c e s sp r o t o c o l 简单对象访问协议) 为在一个松散的、分 布的环境中使用x m l 对等地交换结构化的和类型化的信息提供了个简单且轻 最级的机制。s o a p 本身并不定义任何应用语义，如编程模型或特定语义实现， 它只是定义了一种简单的机制，通过一个模块化的包装模型和对模块中特定格式 编码的数据的重编码机制来表示应用语义。s o a p 的这项能力使得它可以被很多 种类的系统用于从消息系统到r p c ( r e m o t e p r o c e d u r ec a l l ) 的延伸。 s o a p 由四部分组成： s o a pe n v e l o p e ( s o a p 信封) ，它构造定义了一个整体的表示框架，可用于 表示在消，g ( m e s s a g e ) o p 的“是什么”，“谁应当处理它”，以及这是可选的还是 强制的( 所谓可选的就是可以由目标应用程序自己选择是否处理，而强制则是表 明必须处理，如果无法处理则需要返回错误) 。 s o a p e n c o d i n gr u l e s ( s o a p 编码规则) ，定义了一个数据的编序机制，通过 这样个编序机制来定义应用程序中需要使用的数据类型，并可用于交换由这些 应用程序定义的数据类型所衍生的实例。目前s o a p 编码规则已经渐渐被规范化 为使用x m ls c h e m a 作为数据模型的标准定义方式。 s o a pr p c r e p r e s e n t a t i o n ( s o a pr p c 表示) ，定义了一个用于表示远端过程 调用和响应的约定。也就是定义了如何使用s o a p 消息来表示传统的r p c 。 北京工业大学工学硕士学位论文 s o a pb i n d i n g ( s o a p 绑定) ， 定义了一个使用底层传输协议f 比如h t t p 、 s m t p 等) 来完成在结点间交换s o a p 消息的约定。 为了简化s o a p 的复杂度，这四部分在功能上是正交的。特别的，信封和编 码规则是被定义在不同的x m l 命名空间( n a m e s p a c e ) 中，这样有利于通过使用模 块化的设计获得实现的简明性。 从根本上来看，s o a p 消息是从发送方到接受方的种传输方法，s o a p 消 息般会和实现模式相结合，例如请求邝向应的来回消息模式。s o a p 的实现可以 为特殊网络系统或网络协议的特有特征来优化。例如，通过s o a ph t t p 绑定， 就可以将s o a p 响应消息通过h t t p 响应来传输，此时，请求和响应使用同一个 h t t p 的连接。 然而，无论s o a p 是与哪种协议绑定，消息都可以通过消息路径( m e s s a g ep a t h ) 来指定路线发送，消息路径机制使消息在到达最终目的地之前可以在一个或多个 中间结点上处理。其中，每个处理s o a p 的结点正是表现为一个w e bs e r v i c e ， 这些w e bs e r v i c e 通过s o a p 消息完成了交互和远程调用，s o a p 为调用w e b s e r v i c e 提供了一个基本的消息调用机制。 到目前为止，s o a p 最引人注目的特征是它可以在许多不同的软件和硬件平 台上实现。这意味着s o a p 可用于链接企业内部和外部的不同系统。过去曾试 过多种方法以提出一个可用于系统集成的通用通信协议，但它们都没有象s o a p 一样获得广泛的认可。与许多早期的协议相比，s o a p 更小巧，而