（计算机系统结构专业论文）一种基于p2p+vod的视频共享系统的研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 流媒体应用是推动未来宽带应用的主动力，但流媒体对带宽的高占用特性使 其在i n t e m e t 上大规模应用面临诸多困难。传统的c s 、单源组播以及c d n ( c o n t e n t d e l i v e r y n e t w o r k ) 模式面临着网络带宽、拥塞控制和费用等问题。为了更好的解决 流媒体在互联网的分发问题，基于p 2 p 的流媒体分发技术被提出来了。p 2 p ，即端 对端网络，又称为对等计算，就是通信的主机互相互为服务器，每一台主机都享 受其它机器提供的服务，也为别的机器提供服务。这一模式将服务由中心推向了 边缘，充分利用了网络边缘的主机的资源。p 2 p 网络的应用很广泛，模型也很多， 有各自的优缺点。 本文介绍了一个p 2 p 流媒体系统p 2 pv o d ，实现了用p 2 p 网络进行大规模流 媒体共享同步播放。本文针对p 2 p 流媒体系统需要解决的一些关键问题：单源传 输与多源传输、媒体源定位机制、源节点选择机制、数据传送调度机制、激励机 制这几个方面进行了讨论，介绍了p 2 pv o d 的解决方法。p 2 pv o d 采用有一个中 心目录服务器的结构，数据传输通过p 2 p 的方式进行。p 2 pv o d 采用了多源传输 的模式，基于a s 值的源节点选择机制，播放顺序优先的数据调度的机制，基于“报 答的激励机制，保证了流媒体数据的传输和播放质量。 p 2 pv o d 视频共享系统主要是基于b t 协议来进行扩充，并针对流媒体的播 放特点：在片段选择算法上对实时性和顺序性进行了更高的要求；考虑了多种阻 塞机制来鼓励系统内的p e e r 节点参与到文件共享中来；提出了一个简单快捷的路 由算法来避免消息的泛滥以及保证播放控制协议的快速传递；利用了用户的i d 编 号来进行同一局域网节点协作以及防火墙穿透技术来保证更多的p e e r 节点参与到 整个系统中来。此外，p 2 pv o d 系统还在b t 协议的基础上添加了文件播放控制 扩展协议，除了能够保证系统中的所有p e e r 节点用户尽可能地同步观看影视资源； 还能够兼容传统的b t 协议，这样可以保证系统除了可以利用自己的网络外还可以 同时利用现有的广泛运用的b t 网络。 关键词：p 2 p ，流媒体，p 2 p 视频点播 a b s t r a c t a b s t r a c t s t r e a m i n gm e d i a w i l lb e c o m et h em a i nd r i v i n gf o r c ef o rf u t u r eb r o a d b a n dn e t w o r k a p p l i c a t i o n b u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hb a n d w i d t ho ft h es t r e a m i n gm e d i ao nt h e i n t e r n e ta r ef a c e dw i t l lm a n yd i f f i c u l t i e s t h et r a d i t i o n a lc s ，s i n g l e s o u r c em u l t i c a s t a n dc d n ( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) m o d e la r ef a c i n gn e t w o r kb a n d w i d t h ，c o n g e s t i o n c o n t r o la n dc o s ti s s u e s t ob e t t e rs o l v et h ep r o b l e m so ft h es t r e a m i n gm e d i au s e di nt h e i n t e r n e td i s t r i b u t i o n ，t h es t r e a m i n gm e d i ao v e rp 2 pn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sb e e n p r o p o s e d p 2 p , t h a ti s ，p e e r - t o - p e e rn e t w o r k ，a l s ok n o w n 雒e n dt oe n dc o m p u t i n g , m e a n st h a tt h eh e s t sp r o v i d es e r v i c ef o re a c ho t h e ra st h es o l v e r e v e r yh o s te n j o yt h e s e r v i c e sp r o v i d e db yt h eo t h e rh o s t ，b u ta l s op r o v i d es e r v i c e sf o rt h eo t h e r s t h i sm o d e l w i l lp u s ht h es e r v i c ef r o mc e n t e rt ot h ee d g eo ft h en e t w o r ka n di tc a l lm a k ef u l lu s eo f t h er e s o u r c e sp r o v i d eb yt h eh o s ti nt h ee d g eo ft h en e t w o r k p 2 pn e t w o r kh a saw i d e r a n g eo f u s e ，a n dh a sm a n y m o d e l s e a c hm o d e lh a si t sc h a r a c t e r t h i sp a p e rd i s c u s s e sap 2 ps t r e a m i n gm e d i as y s t e mn a m e dp 2 pv o ds y s t e m i t c a l la c h i e v eal a r g e s c a l es t r e a m i n gm e d i as h a r ea n dp l a yt h em e d i as y n c h r o n i z a t i o ni n t h ep 2 pn e t w o r k s t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ek e yp r o b l e m so ft h ep 2 ps t r e a m i n gm e d i a s y s t e m ：s i n g l e - s o u r c e o rm u l t i s o u r o et r a n s m i s s i o n ,m e d i as o u r c e sp o s i t i o n i n g m e c h a n i s m ，t h es o u r c en o d es e l e c t i o nm e c h a n i s m ，d a t at r a n s m i s s i o ns c h e d u l i n g m e c h a n i s m ，i n c e n t i v em e c h a n i s m si nt h e s ea r e a sw e r ed i s c u s s e d ，a n di ta l s oi n t r o d u c e d t h es o l u t i o no ft h ep 2 pv o ds y s t e m p 2 pv o d u s i n gac e n t r a ls e r v e rd i r e c t o r ys e r v e r , d a t at r a n s m i s s i o n t h r o u g h p 2 pn e t w o r k p 2 pv o da d o p t e dt h em u l t i - s o u r c 曷 t r a n s m i s s i o nm o d e l ，c h o o s et h ep e e r sb a s e do nt h ev a l u eo ft h es o u r c en o d ea s s e l e c t i o nm e c h a n i s m ，p i c k e dt h ef i l ei n d e x 谢mt h eh i g hp r i o r i t yo fd a t as e q u e n c e m e c h a n i s m ，t h ei n c e n t i v em e c h a n i s mb a s e do nt h e ”p l a yb a c k ”m e t h o d a l lo ft h e s e m e t h o d sa r eu s e dt oe n s u r et h es t r e a m i n gd a t at r a n s m i s s i o na n dt h ep l a yq u a l i t y p 2 pv o dv i d e os h a r i n gs y s t e mi sm a i n l yu s e dt h eb tp r o t o c o lt oe x p a n d i ta l s o m a k e ss o m ei m p r o v e m e n ta f t e rc o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e so ft h es t r e a m i n gm e d i a i t a d o p t sah i g h e rd e m a n do ft h er e a l t i m ea n do r d e ri nt h ef r a g m e n tc h o s e na l g o r i t h m i t e n c o u r a g e sa l lp e e r si nt h en e t w o r k st os h a r et h e i rf i l eb yu s i n gav a r i e t yo fb l o c k i n g t t a b s t r a ( 了r m e c h a n i s m i tp r o p o s e sas i m p l ea n de f f i c i e n tr o u t i n ga l g o r i t h mt ot h ef l o o ds p r e a do f t h em e s s a g ea n dt oe n s u r et h a tt h ec o n t r o lp r o t o c o lc a nb er a p i d l yb r o a d c a s tb yt h ep e e r s i tm a k e su s eo ft h eu s e r si dn u m b e rf o rt h eb e t t e rc o l l a b o r a t i o ni nt h es r i t i el o c a l n e t w o r ka n db s e st h et e c h n o l o g yo ft r a n s m i t t i n gt h r o u g ht h ef i r e w a l lt oe n s u r em o r e p a r t i c i p a t i o nj o i ni nt h ew h o l es y s t e m i na d d i t i o n , t h ep 2 pv o ds y s t e ma d dap l a y e rc o n t r o le x p a n s i o np r o t o c o lb a s e do n t h eb tp r o t o c 0 1 i tn o to n l yl e ta l lu s e r si nt h es y s t e mw a t c hm o v i e ss y n c h r o n i z a t i o n , b u ta l s oc o m p a t i b l e 、) l ，i t l lt h et r a d i t i o n a lb t p r o t o c 0 1 i tc a nl e tt h ep 2 pv o ds y s t e mr u n i nb o mi t so w ns p e c i a ln e t w o r k sa n dt h et r a d i t i o n a lb tn e t w o r k s k e y w o r d s ：p 2 p , m e d i as t r e a m i n g , p 2 pv o d h i 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，论文中不包含其它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： 姜趑 日期：年月e l 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： 差趑 导师签名：勉 日期：年月 e 1 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 流媒体技术 第一章绪论 计算机技术特别是网络技术的飞速发展，深刻地改变着人们的工作、生活和 思维。随着单机处理能力的增强和宽带网络的普及，人们不再满足于i n t e r n e t 上只 有文字和图片，而希望看到内容更加丰富的音频、视频信息。在网络上传输视频 信息，最简单直接的方式，就是把视频内容按某一格式采集、编码，存放在文件 中；然后把文件通过一般的网络传输协议传输到对端，再在对端的机器上解码并 播放。目前这种方式仍然被广泛地采用。但是这种方式有它的缺点：l 、必须等整 个媒体文件全部传输完毕，才能开始播放文件，用户往往要经过漫长的等待；2 、 不适合现场直播的形式；3 、占用很大的硬盘空间；4 、媒体文件存放在硬盘上， 客户可以任意处置，不利于媒体文件的版权保护。针对这些缺点，人们提出了流 媒体技术。 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是指在i n t e m e t i n t r a n e t 上使用流式传输技术的多媒 体。流媒体在播放前不需要下载整个文件，可以边下载边观看。其原理是把向用 户传输的多媒体文件按照播出时间顺序分为不同的片断，然后依次把这些片断发 给用户，连续播放这些片断就形成了连续的声音和图像。 由于采用了流媒体这种形式，数据的传输和播放必须保持一定的同步。在理 想的网络环境下，数据匀速地稳定地到达客户端，客户端只需要很小的缓存，把 刚到达的数据播放就可以了。但在实际的网络环境下，网络中有很多的不稳定因 素，包括：网络延迟；带宽；抖动等。因此需要客户端保留一个足够大的缓存， 以消除或减轻网络因素对播放的影响。然而缓存只能在一定范围内解决问题，如 果传输和播放的速度差别较大，仍然会导致播放停顿或缓存溢出。过大的缓存还 增加了系统的负担。 流媒体系统要解决的另一个问题是不同的客户端的网络异构性，即不同的客 户端往往带宽等网络状况差别较大，需要区别对待。 为了让播放速度和传输速度相适应，人们提出了一系列的技术。在数据编码 方面，提出了适应不同带宽的可扩展编码。在传输控制方面，提出了拥塞控制的 电子科技大学硕士学位论文 方案。在网络协议方面，提出了控制流媒体传输和播放的一系列协议。本文第二 章将对这些问题做详细的探讨。 然而，目前在i n t e m e t 中流媒体应用的q o s 并不能让人满意，因为i n t e m e t 的 原始设计主要是为满足端对端系统的需求，传统的基于单播的传输方式很容易导 致服务器端的性能瓶颈，并不能有效的支持流媒体的大规模数据分发。 1 1 2p 2 p 网络技术 p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 【l 】作为一种应用技术是上世纪9 0 年代末提出的，它能利用 i n t e m e t 中的各个节点进行对等计算，充分挖掘了i n t e m e t 上空闲资源，在利用率、 扩展性、容错性等方面具有潜在的巨大优势，并在文件共享、分布式计算、协同 工作、i n t e m e t 存储等方面已经取得了初步的良好应用。相对于传统的c s 模式， p 2 p 模式的一个非常显著的特点就是节点无需依赖集中式服务器资源，各节点可以 直接进行通信。每个节点具有相同的地位，既可以请求服务，也可以提供服务， 同时扮演着c s 模式中服务器和客户机的双重角色，甚至还可以具有路由器和高 速缓存的功能。p 2 p 结构如图1 1 所示。 图l lp 2 p 结构 在p 2 p 模式下，由于每个节点都具有客户机和服务器的功能，这样，每个节 点在从别的节点接收数据流的同时还向其它节点发送数据流。节点为系统提供有 限的计算或存储资源，节点之间协作为其它节点提供服务，将服务器的负载分散 到节点中，从而有效地减轻了服务器的负载和网络带宽占用，极大地提高了系统 的可扩展性，具有潜在的应用前景。 2 第一章绪论 1 1 3p 2 p 流媒体技术 近年来p 2 p 网络应用于文件下载已经广泛地开展起来了。有关p 2 p 应用于流 媒体传输的研究也开始展开。相对于文件下载，流媒体传输对于p 2 p 网络提出了 更高的要求。因为文件传输是先下载再打开，而流媒体传输是边下载边打开，因 此对传输的实时性、延迟、抖动都比较敏感。对于一个播放速率为r 0 的流媒体数 据，要求接收数据的速率不低于r 0 ，才能保证媒体数据能连续不中断地播放。而 且，流媒体播放要求数据以一定的顺序到达。如果数据晚于播放时刻到达，则没 有意义了。如何用一个相对较小缓存，保证媒体文件顺畅、稳定地播放，是p 2 p 网络流媒体系统要解决的一个挑战性的问题。 在p 2 p 流媒体系统中，节点的一个子集拥有某个媒体数据或媒体数据的部 分，它们将媒体数据流传送到请求节点。请求节点在接收到一定的流媒体数据后， 开始回放数据。与此同时，它也成媒体文件的供应节点。发送数据、接收数据和 回放数据三者同步地进行。p 2 p 流媒体【2 增艮务体系下的p e e r 节点一般具有以下几个 特性： ( 1 ) p 2 p 流媒体系统是自增长的。随着请求节点后来成为供应节点，系统的 总容量将扩大：系统服务的节点越多，它的容量将越大。 ( 2 ) 与传统的服务器节点相比，p e e r 节点作为普通的主机节点，其所能够或 愿意提供的带宽资源有限，而流媒体数据率较高，因此通常需要多个节点才能为 单个节点提供数据服务；节点加入和退出网络的频率也较高，节点可能随时离开 网络。 ( 3 ) 不同p e e r 节点具有异构性。节点的带宽资源具有异构性，原因可能是接 入的网络不同，也可能是节点的意愿不同，因而能接收和处理不同q o s 等级的流 数据；不同p e e r 节点所缓存数据也具有异构性，导致其对外所能提供的数据内容 也不同；同一p e e r 节点的上行、下行带宽也可能具有异构性。 由于p 2 p 服务体系需要让某些节点暂时发挥服务器功效，而这些节点与传统 的服务器相比存在一定差异，如提供服务的节点位置不固定、服务能力有强有弱、 节点频繁加入和离开等。而流媒体本身又有其独特性质，如数据存储量大、带宽 占用高、持续服务时间长、高q o s 要求等。因此，在p 2 p 流媒体服务体系中，如 何在充分而又合理地利用众多节点资源的同时并能确保服务质量，而面临着许多 挑战。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及进展 随着互联网的普及和宽带技术的发展，以p 2 p 技术为核心的软件产品正在为 越来越多的网民所接受和喜爱。自2 0 0 0 年开始，国内外多家p 2 p 产品纷纷问世， 其中以国外n a p s t e r 3 1 、g n u t e l l a 4 】、f r e e n e t 5 1 等和国内o p e n e x t 6 1 、k u g o o 7 1 、p o c o l 8 】 等为代表的p 2 p 产品在短短几年时间，用户的注册量不断增长，已成为许多网民 不能离弃的上网伙伴。p 2 p 已成为2 0 0 4 年风险投资热点，更多的商家和1 1 r 人士将 会投入到p 2 p 产品的开发和经营上来。就国内p 2 p 软件市场而言，由于目前存在 的几家知名p 2 p 产品几乎都是以即时通信和文件搜索、共享为主要功能，而且多 数产品还处于开发和运营的初期，因此，探询p 2 p 多个功能的开发和商业应用， 将成为竞争的焦点，而整个p 2 p 领域正蕴藏着巨大的商机。 p 2 p 系统中客户贡献资源给群体，反过来又使用其它客户提供的资源。特别， 供应节点可以将拥有的某一媒体文件流传送给请求节点。这样，节点为了共享内 容而合作，数据通信量不会固定在某个特定的地方。典型的情况是，没有掌管内 容的中心服务器，节点处在平等地位。 1 2 1 第一代p 2 p 系统 n a p s t e r 是最为著名，它为用户提供了共享m p 3 格式音乐文件的下载。n a p s t e r 实质上并非纯粹的p 2 p 系统，它通过一个中央服务器保存所有n a p s t e r 用户上传的 音乐曲目和存放位置的信息。n a p s t e r 的不足主要是存在单点失效问题。 o n u t e l l a 是一个纯粹的p 2 p 文件共享系统，它没有中心服务器，所有查询都是 通过在网络中以有限洪泛( f l o o d i n g ) 的方式进行，通过1 t l ( t i m et ol i v e ，存 活时间) 限制消息转发次数。g n u t e l l a 可能找不到系统中存在的信息，但它主要的 不足是在网络中产生了很大的流量。 f r e e n e t 是一个基于j a v a 的跨平台分布文件存存储系统，其最大的特点就是 匿名。文件发布者、查询者以及文件持有者在f r e e n e t 中都是匿名的。为了实现匿 名，f r e e n e t 在路由上降低了效率，路由中的每一个节点不能判断前一个节点是否 是文件的请求者，也不能判读后一个节点是否文件的持有者。 1 2 2 第二代p 2 p 系统 为了解决前面p 2 p 系统不可扩展性问题，大量的研究集中在如何构造一个高 度结构化的系统，在这些结构化的系统中，叠加拓扑被严格控制，文件存放在确 4 第一章绪论 定的位置上。系统提供从文件标识符到存放该文件的节点标识符的映射服务，然 后将查询请求路由到该节点。通过以上方法，系统提供了一个可扩展的方案，实 现了文件查询的“精确匹配 。近年来许多研究成果都是基于d h t ( d i s t r i b u t e dh a s h t a b l e ，分布式哈希表) 的分布式查询和路由算法。 将d h t 算法引入大规模的p 2 p 系统能提高资源定位查询的效率和系统可扩展 性。d h t 的基本原理是：每个节点有唯一的标识符( n o d e l d ) ，每个消息( 或资源) 也有一个与n o d e l d 属于同一名字空间( n a m e s p a e e ) 的标识符( k e y ) ，k e y 和n o d e i d 在名字空间中是相对一致均匀分布的；根据消息的k e y ，节点能够将消息路由到 n o d e l d 与k e y 最为“接近 的节点。d h t 可以作为各种大规模分布式应用的底层 基础设施，它提供了统一的简化应用接口，应用程序可以从d h t 获得内在的负载 均衡、鲁棒性等优点。典型的d h t 算法有：c h o r d t 9 1 、c a n 1 0 1 、p a s t r y t l l l 和t a p e s t v 1 2 1 。 1 2 3p 2 p 流媒体系统 近年来，基于p 2 p 网络的流媒体服务体系已经引起了许多大学( 如s t a n f o r d u n i v e r s i t y 1 3 1 、p u r d u eu n i v e r s i t y t1 4 1 、m a r y l a n du n i v e r s i t y t 15 1 、c e n t r a l f l o r i d a u n i v e r s i t y t l 6 1 、c h i n e s eu n i v e r s i t yo fh o n gk 0 n 毋1 1 7 】等) 、研究机构( 如m i c r o s o f t r e s 鲫r c h 【1 8 】等) 以及公司( 如v t r a i l s 19 1 、a l l c a s t 2 0 1 等) 的重视并纷纷开展研究。 一般的p 2 p 系统与p 2 p 流媒体系统之间的主要区别在于节点间的数据共享模 式：前者使用“下载后打开 的模式，而后者使用“边下载边播放”的模式。特 别，在p 2 p 流媒体系统中，节点的一个子集拥有某个媒体文件，它们将媒体文件 流传送到请求节点。另一方面，请求节点在流会话期间回放并存储媒体数据，在 流会话结束后，它们也成为媒体文件的供应节点。一般的p 2 p 流媒体系统通常具 有下列特性： ( 1 ) p 2 p 流媒体系统是自增长的。随着请求节点后来成为供应节点，系统的总容 量将扩大：系统服务的节点越多，它的容量将更大。 ( 2 ) p 2 p 流媒体系统是无服务器的。一个节点假定不呈现像服务器一样的行为， 比如，打开大量并发连接。 ( 3 ) 节点在它们贡献给系统的输出带宽上是异构的。造成这种异构性的原因可能 是连接到节点的接入网络不同，或者节点贡献的意愿不同。 ( 4 ) 供应节点与请求节点的关系最典型的是多对一，而不像一般的p 2 p 系统的一 对一。因为，一个供应节点提供的输出带宽可能小于媒体数据的播放速度，所以， 在一个实时流会话中包含多个供应节点是必需的。 5 电子科技大学硕士学位论文 由于p 2 p 服务体系需要让某些节点暂时发挥服务器功效，而这些节点与传统 的服务器相比存在一定差异，如提供服务的节点位置不固定、服务能力有强有弱、 节点频繁加入和离开等。而流媒体本身又有其独特性质，如数据存储量大、带宽 占用高、持续服务时间长、高q o s 要求等。因此，在p 2 p 流媒体服务体系中，如 何在充分而又合理地利用众多节点资源的同时并能确保服务质量，面临着许多挑 战。 1 3 本文的工作 本文的课题来源于四川网印公司的一个项目。该项目致力子开发一套基于p 2 p 技术的流媒体播放系统p 2 pv o d 。该系统和公司网站相结合。用户登录公司网站 后，可以共享自己本地机器上的电影也可以看别人正在播放的电影。如果用户想 观看电影，只要下载一个很小的客户端，并进行简单的身份认证，就可以观看了。 该系统采用p 2 p 技术，因此具有较高的可扩展行，只要占用较少的服务器资源， 就可以支持较大的并发用户数。 本文系统地介绍了流媒体技术和p 2 p 网络技术。在此基础上，探讨了开发p 2 p 流媒体系统的一些关键问题，在研究现有的解决方案的基础之上，根据公司项目 的需要，提出了p 2 pv o d 系统的解决方法，并设计和开发了p 2 p 流媒体系统p 2 p v o d 。 本文各章节的内容如下：第一章绪论，第二章介绍了流媒体的相关技术研究， 第三章介绍了p 2 p 网络的概念、特点、应用、体系结构、路由和典型系统，第四 章介绍了p 2 p 流媒体系统的一些关键问题及分析，第五章介绍了p 2 p v o d 系统的 设计和实现。第六章对本文进行了一个简单的总结。 6 第二章流媒体技术研究 2 1 概述 第二章流媒体技术研究 在网络上传输音视频等多媒体信息，目前主要有下载和流式传输两种方案。 下载是将媒体文件全部下载到本地后才开始播放，而流式传输是边下载边播放。 显然，流式传输具有用户等待时间短，占用本地存储空间小等优点。 流媒体【2 l 】是指在i n t e m e t 中使用流式传输技术的连续时基媒体，如：音频、视 频或多媒体文件。流式媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入 内存，然后边播放边传输，只是在开始时有一些延时。实现流式传输有两种方法： 实时流式传输( r e a l t i m es t r e a m i n g ) 和顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 。 1 、实时流式传输 实时流式传输技术保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时观看 到。被传输媒体数据根据网络带宽的不同相应地作调整。这意味着在带宽较低的 时候，图像质量将较差，而媒体的实时性能够得到保证。这种传输方式适合现场 直播。这种方式也支持随机访问，用户可快进或后退以观看前面或后面的内容。 实时流式传输需要特定服务器，如q u i e k t i m es t r e a m i n gs e r v e r ，r e a ls e r v e r 与 w i n d o w sm e d i as e r v e r 。实时流式传输还需要特殊网络协议，如：r t s p ( r e a l - t i m e s t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 或m m s ( m i c r o s o f tm e d i as e r v e r ) 。 2 、顺序流式传输 顺序流式传输不像实时流式传输在传输期间根据用户连接的速度做调整。这 种播放方式保证媒体的播放质量，但是在连接速度较慢的情况下，不能保证连续 流畅地播放。顺序流式传输比较适合高质量的短片段，如片头、片尾和广告。这 种方式可以采用标准的h t t p 或f 1 1 p 服务器，用h t t p 或f t p 服务器协议发送文 件，不需要其它特殊协议。严格说来，它是一种点播技术。 一个典型的流媒体应用结构如图2 1 所示。媒体经过压缩技术存在硬盘上，流 媒体服务器接收客户端的请求，应用层q o s 控制层通过q o s 的要求以及网络状况 调整压缩的媒体流的参数( 如比特率) ，然后流媒体传输层对其进行打包，通过传 输层协议进行连续媒体分发，客户端接收到媒体流后，通过媒体同步技术进行播 放。以上的过程涉及到的技术有：媒体压缩技术，应用层的q o s 控制，视频服务 7 电子科技大学硕士学位论文 器技术，媒体同步技术和流媒体传输协议。 2 2 视频编码技术 图2 - 1 流媒体系统组成结构 视频编码标准作用是使对于不同制造商产品之间能相互操作，进而带动整个 视讯市场的成长。 视频编码的国际化标准由目前两个国际正式组织制定。一个是国际电信联盟 的电信标准化部门( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，t e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ，i t u t ) ，另一个是国际标准化组织国际电工委员会第一联 合技术委员会( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，j o i n tt e c h n i c a lc o m m i t t e e1 ；i s o i e cj t c l ) 。i t u t 视频编 码标准称为规范( r e c o m m e n d a t i o n s ) ，它们的名称都采用h 2 6 x ，例如h 2 6 1 、h 2 6 2 、 h 2 6 3 以及h 2 6 4 ；i s o i e c 则采用m p e g x 作为标准名称，例如m p e g 1 、m p e g - 2 以及m p e g 4 。绝大多数的i t u t 规范都是针对实时视讯通讯应用，例如视讯会 议和影像电话；另一方面，m p e g 标准主要则是为了支持视讯储存( d v d ) 、广播 视讯( 有线电视、d s l 和卫星电视) 以及视讯串流( 例如透过因特网或是无线通 讯来传输视讯) 等各种应用。在绝大多数情形下，这两个标准化委员会是独立工 作，各自发展不同的标准，唯一例外是h 2 6 2 m p e g 2 标准，它是由这两个单位共 同发展。n r u t 和i s o i e cj t c l 最近又同意结合双方力量，共同发展由i t u - t 委 第二章流媒体技术研究 员会首先提出的h 2 6 4 标准；h 2 6 4 又称为m p e g - 4p a r t1 0 或是m p e g 4a v c ， 这项标准能获得两个委员会采用，是因为它在效能上已经超越了目前所有的视讯 编码标准。图2 - 2i t u t 规范和i s o f l e cm p e g 标准的演进历程总结删t 规范和 i s o i e cm p e g 标准的演进历程。 m p e ( lm p e g - 4m p e g 7 i & m 柚p d e 刹g 。 iiifilitti 1 9 8 41 9 8 61 9 8 81 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 82 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 42 0 0 6 图2 - 2r r u - t 规范和i s o i e cm p e g 标准的演进历程 2 2 1m p e g x 标准 m p e g 系列标准是i s o i e c 的动态图像专家组( m p e g ，m o v i n gp i c t u r ee x p e r t g r o u p ，也叫w g i i ) 制订的。m p e g 这个专家组始建于1 9 8 8 年，专门负责为c d 建立视频和音频标准，其成员均为视频、音频及系统领域的技术专家。m p e g 专 家组先后制定了m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 、m p e g 7 和m p e g 2 1 一共五个国 际标准。 m p e g 1 制定于1 9 9 2 年，为工业级标准而设计，可适用于不同带宽的设备。 它可针对s i f 标准分辨率( 对于n t s c 制为3 5 2 x 2 4 0 ，对于p a l 制为3 5 2 x 2 8 8 ) 的图像进行压缩，传输速率为1 5 m b s e c ，每秒播放3 0 帧，具有c d ( 指激光唱盘) 音质，质量级别基本与v h s 相当。m p e g 1 被用于数字电话网络上的视频传输， 如非对称数字用户线路( a d s l ) ，视频点播( v o d ) ，以及教育网络等。同时， m p e g o l 也可被用做记录媒体或是在i n t e m e t 上传输音频。 m p e g 2 ( 即u 的h 2 6 2 ) 制定于1 9 9 4 年，设计目标是高级工业标准的图 像质量以及更高的传输率。m p e g - 2 所能提供的传输率在3 1 0 m b i t s s e c 间，其在 n t s c 制式下的分辨率可达7 2 0 x 4 8 6 ，m p e g - 2 也可提供并能够提供广播级的视像 和c d 级的音质。m p e g - 2 的另外一个突出的特点是可在一个较广的范围改变压缩 比，以适应不同画面质量，存储容量，以及带宽的要求。 m p e g - 4 的正式名称是i s o i e c1 4 4 9 6 ，定稿于1 9 9 8 年1 0 月，1 9 9 9 年1 月成 9 电子科技大学硕士学位论文 为国际标准。完全向后兼容的m p e g 2 第二版于1 9 9 9 年底定稿。2 0 0 0 年初被正式 接收为国际标准。m p e g 4 主要应用于视像电话( v i d e op h o n e ) 、视像电子邮件( v i d e o e m a i l ) 和电子新闻( e l e c t r o n i cn e w s ) 等，其传输速率要求较低，在4 8 0 0 6 4 0 0 0 b i t s s e e 之间，分辨率为1 7 6 x 1 4 4 ( 1 9 9 1 年第一版的参数) 。m p e g - 4 利用很窄的带宽，通 过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。 m p e g 4 标准的编码是基于对象的，这样便于操作和控制对象；而传统的压缩 方法是基于帧的，显然无法对对象进行操作。在过去，由于传输带宽的限制且多 媒体压缩是基于帧的，当比特率很低时，整个帧的质量都受到影响，直接影响到 图像的质量，没有灵活性；而m p e g - 4 标准能够以对象为基准对比特率进行控制。 即便在低带宽时，也可以利用码率分配方案，对于用户感兴趣的对象可以多分配 一些比特率，对于用户不感兴趣的对象少分配一些比特率，从而保证图像的质量。 m p e g 7 标准被称为“多媒体内容描述接口刀，为各类多媒体信息提供一种标 准化的描述，这种描述将与内容本身有关，允许快速和有效的查询用户感兴趣的 资料。它将扩展现有内容识别专用解决方案的有限的能力，特别是它还包括了更 多的数据类型。换而言之，m p e g 7 规定一个用于描述各种不同类型多媒体信息的 描述符的标准集合。该标准于1 9 9 8 年1 0 月提出，于2 0 0 1 年最终完成并公布。 m p e g 7 的目标是支持多种音频和视觉的描述，包括自由文本、n 维时空结构、统 计信息、客观属性、主观属性、生产属性和组合信息。对于视觉信息，描述将包 括颜色、视觉对象、纹理、草图、形状、体积、空间关系、运动及变形等m p e g 7 的目标是根据信息的抽象层次，提供一种描述多媒体材料的方法以便表示不同层 次上的用户对信息的需求。以视觉内容为例，较低抽象层将包括形状、尺寸、纹 理、颜色、运动( 轨道) 和位置的描述。对于音频的较低抽象层包括音调、调式、 音速、音速变化、音响空间位置。最高层将给出语义信息：如“这是一个场景： 一个鸭子正躲藏在树后并有一个汽车正在幕后通过。 抽象层与提取特征的方式有 关：许多低层特征能以完全自动的方式提取，而高层特征需要更多人的交互作用。 m p e g 7 还允许依据视觉描述的查询去检索声音数据，反之也一样。 互联网改变了物质商品交换的商业模式，这就是“电子商务。新的市场必然 带来新的问题：如何获取数字视频、音频以及合成图形等“数字商品 ，如何保护 多媒体内容的知识产权，如何为用户提供透明的媒体信息服务，如何检索内容， 如何保证服务质量等。此外，有许多数字媒体( 图片、音乐等) 是由用户个人生 成、使用的。这些“内容供应者 同商业内容供应商一样关心相同的事情：内容 的管理和重定位、各种权利的保护、非授权存取和修改的保护、商业机密与个人 1 0 第二章流媒体技术研究 隐私的保护等。目前虽然建立了传输和数字媒体消费的基础结构并确定了与此相 关的诸多要素，但这些要素、规范之间还没有一个明确的关系描述方法，迫切需 要一种结构或框架保证数字媒体消费的简单性，很好地处理“数字类消费”中诸 要素之间的关系。m p e g - 2 1 就是在这种情况下提出的。制定m p e g 2 1 标准的目 的是：( 1 ) 将不同的协议、标准、技术等有机地融合在一起；( 2 ) 制定新的标准； ( 3 ) 将这些不同的标准集成在一起。m p e g 2 1 标准其实就是一些关键技术的集成， 通过这种集成环境就对全球数字媒体资源进行透明和增强管理，实现内容描述、 创建、发布、使用、识别、收费管理、产权保护、用户隐私权保护、终端和网络 资源抽取、事件报告等功能。 2 2 2h 2 6 x 标准 h 2 6 1 是r r u - t 为在综合业务数字网( i s d n ) 上开展双向声像业务( - - i 视电 话、视频会议) 而制定的，速率为6 4 k b s 的整数倍。h 2 6 1 只对c i f 和q c i f 两种 图像格式进行处理，每帧图像分成图像层、宏块组( g o b ) 层、宏块( m b ) 层、 块( b l o c k ) 层来处理。h 2 6 1 是最早的运动图像压缩标准，它详细制定了视频编 码的各个部分，包括运动补偿的帧间预测、d c t 变换、量化、熵编码，以及与固 定速率的信道相适配的速率控制等部分。 h 2 6 2 其实就是m p e g 2 ，参见前面m p e g 2 介绍。 h 2 6 3 是最早用于低码率视频编码的i t u t 标准，随后出现的第二版( h 2 6 3 + ) 及h 2 6 3 + + 增加了许多选项，使其具有更广泛的适用性。h 2 6 3 是r r u t 为低于 6 4 k b s 的窄带通信信道制定的视频编码标准。它