（通信与信息系统专业论文）视频点播系统中视频服务器端的设计和完善.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所星交的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。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他教育机构的学位 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 勉蕈牮 日期： 趔2 已生：垡 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文 本人签名： 导师签名： 于保密范围，适用本授权书。 日期：施垒。垒 f 1 期：o 二一 视频点播系统中视频服务器端的设计和完善 摘要 视频点播系统是一种典型的交互式多媒体信息系统。传统视频点播 系统的主要组成部分是视频服务器、文档服务器、传输网络和网络客户 端，其功能是根据用户的点播请求，发送相应的视频节目，其设计目标是 为更多的用户提供更好的服务质量。根据用户请求和自身功能，传统的 视频点播系统主要用来为校园网和企业网上的p c 用户提供实时高效的 视频点播和远程教学服务。 随着宽带网络和多媒体技术的发展，视频点播系统的功能也有了进 步扩展。奎文所介绍的视频点播系统就是对传统视频点播系统的一种 啦在煽巍f 瓦两丽丽藩丽丽蕊丽霞蠢涵谢 它来完成用户接纳和资源管理等功能；同时，该系统除了传统的视频点 播服务外，还有了葸阜舅癸典功鳇，即用户可以在本地游览节目时选取 感兴趣的节目片断，然后通知视频服务器进行剪切，并把剪切后的节目 传送到用户端。在该系统中，用户还可以在本地浏览视频节目的关键帧， 以决定是否点播该文件。渔目 靳视频点播系统在娱乐、教育等方面具有广阔的 应用前景，但一些尚需解决阿问题，阻碍了它的推广应用。服务质量不稳定。吏用成 瓣其中两个重要的原因。 视频服务器是视频点播系统中的重要组成部分，它的设计决定了系 统能否以更好的服务质量来支持更多的用户，以降低系统的成本。在视 塑壁叁墨望计时，考虑的主要问题有与播放控制服务器和客户端的悟总瑟 ，一 ，_ 一 。一1 。 互、m p e g l 视频流的打包和传输、关键帧的剪切及上传和服务质量( q o s ： q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的保障等。它由多个功能模块构成，其中控制进程模块 墨塑塑壁釜箍鲍捷! 坠塑坌：它负责与播控服务器的信息交互再歪i i i 石 功能模块的运作，涉及到u d p r t p r t c p f t p 等各种传输协议；读线程 燮要负责从硬盘中读出视频文件并写到系统b u f f e r 中；写鹱覆覆页 主要负责按照记时器的间隔从b u f f e r 中读出视频节目，打包，并发送到 挈算圭考；圭兰l 亭! 生! 验! 蔓旦里皇翅堕焦：坠5 惹堡堕塞塑夔垫堡步此文 出速率调整，以得到一个可接受的服务质量；模拟延时丢包模块主要负 责模拟网络的延时丢包情况，以配合q o s 模块的工作i 关键词：视频点播系统q o s 关键帧视频服务器可移植性 t h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to fv i d e os e r v e r o fvid e o - o n - d e m a n ds y s t e m a b s t 卧c 可 v i d e o - o n - d e m a n d s y s t e m i sat y p i c a li n t e r a c t i v em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n s y s t e m t r a d i t i o n a lv i d e o - o n - d e m a n ds y s t e r nm a i n l yi n c l u d ev i d e os e r v e r , a r c h i v es e r v e r , 咖s p o r tn e t w o r km a dn e t w o r kc l i e n tt e r m i n a l ，w h o s em a i n f u n c t i o ni st ot r a n s f e rv i d e of i l ea c c o r d i n gt ot h ec l i e n tr e q u e s t ，m a dw h o s e g o a li st op r o v i d e b e t t e rq o sf o rm o r e c l i e n t s a c c o r d i n g t oc l i e n tr e q u e s ta n d s e l ff u n c t i o n ，t r a d i t i o n a lv i d e o o n - d e m a n ds y s t e mi sm a i n l yu s e dt op r o v i d e r e a l - t i m em a dh i 9 1 1q u a l i t yv i d e om a dl o n g - d i s t a n c et e a c h i n gs e r v i c ef o rc l i e n t o f c a m p u s m a d e n t e r p r i s e n e t w o r k w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb r o a d - b m a dn e t w o r ka n dm u l t i m e d i a t e c h n i q u e v i d e o o n d e m a n ds y s t e ma c q u i r e sm o r ef u n c t i o n 曰”v i d e o - o n d e m a n d s y s t e mi nt h i sp a p e ri s a l li m p r o v e dv e r s i o no ft r a d i t i o n a lv i d e o o n d e m a n d s y s t e r n i nt h i ss y s t e m , a c c e s s c o n l a o ls e r v e ri ss e p a r a t e df r o mt h et r a d i t i o n a l v i d e os e r v e r , w h o s em a i nf u n c t i o ni st oa c c e p tc l i e n t sm a d m a n a g e t h es y s t e m r e s o u r c e s ；i nt h es a m et i m e ，b e s i d e st h et r a d i t i o n a lv i d e o o n d e m a n ds e r v i c e s ， t h i ss y s t e mc o u l da l s op r o v i d ev i d e oc u tm a de d i tf u n c t i o n ，t h a ti s ，c l i e n tc o u l d c h o o s et h ef a v o r i t ev i d e op r o g r a ms e g m e n t ，t h e ni n f o r mt h ev i d e os e r v e rt o c u ti t ，a n dt h e nt h ep r o g r a mt h a th a sb e e nc u tw o u l db es e n tt ot h ec l i e n t t e r m i n a l i nt h i ss y s t e m , c l i e n tc o u l da l s os c a nt h ek e y f r a m eo fv i d e o p r o g r a m ， t od e c i d ew h e t h e rh eo rs h ew o u l dl i k et od e m a n dt h i sf i l e v i d e o o n d e m a n d s e r v i c eo v e ri pn e t w o r k si s p e r t a i n i n g t oe n t e r t a i n m e n t ，e d u c a t i o na n d i n f o r m a t i o n b u ti ti sn o tp o p u l a r y e tb e c a u s eo f s o m e c o m p l i c a t i o n s s u c ha s q u a l i t yf l u c t u a t i o na n dh i g hc o s t 4 v i d e os e r v e ri sa i ri m p o r t a n td a r to ft h ev i d e o o n d e m a n ds y s t e m i t s d e s i g n d e c i d e sw h e t h e rt h es y s t e mc a r ts u p p o r tm o r eu s e r sw i t hb e t t e rq u a l i t y o fs e r v i c e s oa st or e d u c et h ep r i c eo ft h es e r v i c e t h em a i nc o n s i d e r e d p r o b l e m so ft h ed e s i g no fv i d e os e r v e ri n c l u d ec o m m u n i c a t i o n sw i t ht h e a c c e s sc o n t r o ls e r v e ra n d c l i e n t s p a c ka n d t r a n s f e rt e a l - t i m em p e g lv i d e o s t r e a m , k e y f r a m e c u ta n d u p l o a d ，e n s u r et h eq u a l i t yo f s e r v i c ee t c i ti sm a d e u po fm a n yf u n c t i o nm o d u l e s ，i nw h i c hc o n t r o lp r o c e s sm o d u l ei st h ek e r n e l p a r t w h i c h i n v o l v eu d p 压氓p r t c p f t pp r o t o c o la n dt h ei n f o r m a t i o n e x c h a n g ew i t ha c c e s sc o n t r o ls e r v e r ；r e a dt h r e a dm o d u l ei sr e s p o n s i b l et o r e a dt h ev i d e of i l ef r o md i s k sa n dw r i t ei ti n t ot h es y s t e m b u f f e r s ；w r i t et h r e a d m o d u l ei sr e s p o n s i b l et or e a dv i d e op r o g r a mf r o mt h eb u f f e rt op a c k a g e sa n d t h e ns e n dt h e mo n t ot h en e t w o r k ；l s tf i l ei n c l u d ei n f o r m a t i o na b o u tp r o g r a m c u ta n d e d i t ，k e y f r a m ec u tm o d u l e c u tt h ep r o g r a m a c c o r d i n gt ot h i sf i l e q o s m o d u l ei sr e s p o n s i b l et om o d i f yt h eb i tr a t ew h e nt h en e t w o r kc o n d i t i o ni s b a ds oa st oa t t a i na l la c c e p t a b l eq u a l i t yo fs e r v i c e ；s i m u l a t i n gd e l a ya n d1 0 s s m o d u l ei sr e s p o n s i b l et os i m u l a t et h er e a lc o n d i t i o no fn e t w o r kw i t h p a c k a g e d e l a ya n d l o s si no r d e rt oc o o p e r a t ew i t ht h eq o sm o d u l e k e yw o r d s ：v i d e o - o n - d e m a n ds y s t e mq u a l i t yo fs e r v e rk e y f r a m e v i d e os e r v e r p o r t a b i l i t y 1 , 1 多媒体技术概述 第一章绪论 多媒体技术是由计算机、通信和广播电视这三个原本互相独立的技术领域相互渗 透、相互融合而形成的一门崭新的技术。 1 9 8 7 年3 月，在国际第二届c d - r o m 年会上展出了世界上第一台多媒体计算机， 它便是多媒体技术的雏形。多媒体技术的出现，标志着人们已经可以有效的运用图像 通信领域中关于图像压缩编码的研究成果，清楚地展现出信息处理和通信技术的革命 性发展方向。随着视频数据压缩技术、大规模集成电路和大容量数字存储技术的发展， 多媒体技术的应用也越来越普遍。 传统的通信业务如电话、传真、数据以及电视信号的远距离传输都是相互独立 的，丽多媒体技术则能将各种业务综合起来。例如，在多媒体电视会议系统当中，不 但可以实时传输与会者的音容笑貌，使与会者具有同在一个会议室的感觉，而且还可 以将会议讨论的内容和传输的信息有机结合，大大减轻了与会者的负担。与会者可在 远距离以外从数据库查寻和调取与会议相关的资料，建立会议目录，记录会议的进展 情况，以便于将来的查询，而管理系统还可以自动处理与会者的加入和退出。 人与媒体之间的交互是多媒体技术最基本的特征之一。收看电视台播放的节目 时，观众只能通过买电视报或听预告才能知道电视上会播放什么节目，不能根据自己 的爱好来选择，更不能在看节目的时候实现快进、快退、以及暂停等操作。而多媒体 技术的出现则改变了这种人与系统之间的非交置性操作，使之能够对包括伴音在内的 电视图像进行交互式的调取、处理和操作。例如，观众可以通过指令任意地调出存储 剥图像数据库弦的电视节墨，还可以从节目中的任意指定位置开始播放，观看存储在 远距离系统上的节目如同操作录像机一样方便，这种业务就是通常所说的视频点播 ( v i d e o - o n d e m a n d v o d ) 。 从应用上讲，现阶段的多媒体通信系统大致可以分为5 类忆即独立商亭式业务、 多媒体信息检索与查询系统、多媒体会议与协同工作、v o d 系统、多媒体电子邮件 系统。 1 2 视频点播系统 视频点播系统由多媒体服务器、宽带通信网络和用户点播终端组成。它的主要功 能是响应用户的请求输出相应的视( 音) 频节目，它的设计目标是为尽量多的用户服 务，提供尽量好的服务质量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e ) 。 视频服务器存储和管理着大量的影视节目，为众多网络用户提供多媒体点播服 务。多个用户可以同时向视频服务器点播他们喜爱的节目，视频服务器从磁盘阵列中 同时读取视( 音) 频流，并通过网络发送到相应的用户终端。由于要为几百甚至更多 的用户提供并发的视频流，因此对视频服务器的工作效率、总线带宽、i o 能力、网 络接口及蚕缔鲍鳢绩性等都有很高的要求。所以如何有效地利用视频服务器系统资 源，是设计视频点播系统的关键问题。 目前高质量的多媒体应用大多通过具有o o s 保障的网络实现，例如建立在电路 交换网络上的电视会议系统和建立在i - i f c 和a d s l 网络上的v o d 系统等。因此宽 带通信网成为连接视频服务器和用户终端的枢纽。由于不能在统一的平台上处理、传 输不同类型的媒体数据，系统资源的利用和功能的丰富郝受到了限制。 随着通信技术的迅速发展，口与多种下层传输网络的有机结合为多媒体数据的 传输提供了统一的平台。特别是近年来，基于w w w 的视频应用大幅度增长，在毋 网上提供高质量的视频腥盔吸引了国际科学技术界越来越多的注意。 尽管v o d 业务对我们有着很大的吸引力，但实际的使用状况并不理想。服务质 量不稳定和使用成本高是其中两条主要的原因。众所周知，p 网是一个“尽力而为” 的网络，网络拥塞时，数据包所经历的延对会发生变化，甚至出现包丢失现象。对于 视频数据而言，丢包将引起画面质量的下降，而延时抖动则将造成播放的不连续性。 因此网络拥塞是引起服务质量不稳定的主要原因。而对视频服务器进行优化设计，使 之尽可能多地向并发用户提供服务是降低成本的有效手段。本文将对视频流的o q s 保障和视频服务器的优化设计做一些讨论。 1 3 相关研究状况 1 , 3 1 三愿c ，s 缩构的v o d 系统 为了便于系统升级和维护，三层c l i e n t s e r v e r ( 简称c s ) 结构服务模型应运而 生口】，其基本模型如图1 1 所示。该模型在逻辑上将系统分为三个层次：客户端、控 制服务器和数据服务器。在三层的c $ 结构中，应用逻辑由控制服务器来实现，而服 务的数据则存储在数据服务器，客户必须通过控制服务器才能访问数据服务器吼 两层c s 结构下原服务器中的w e b 模块、控制模块、数据库、q o s 控制模块等 集中在控制服务器上实现，数据服务器则专注于视频数据的发送，因此又被称为“视 频泵”。在v o d 应用中，人们通常把数据服务器称为视频服务器。经过这样的改造， 有助于视频服务器提高吞吐能力，支持更多的并发用户，从而有效地降低v o d 业务 的使用成本。 客户端n 圈1 - l 三层c ，s 结构的v o d 系娩 在实际应用中，众多的用户通过网络向控制服务器发送点播请求。控制服务器和 视频服务器之间可以为每个点播用户建立一条t c p 通道，用于传输控制命令。这种 做法的好处是程序编制和控制报文设计简单，但缺点也非常明显：由于在v o d 过程 中，交互命令通常是很少的，因此控制服务器与视频服务器同时消耗较多的系统资源 来维护这些低流量的t c p 连接是非常不经济的。 从另一个角度看，控制服务器已经将众多的点播用户进行了集中管理，而为每个 用户都建立一条t c p 连接的作法，实际上是把已经集中处理的任务又进行了发散。 因此为了提高系统资源利用率，进而提高视频服务器支持并发用户的数量，只通过控 制服务器与视频服务器之间的一条t c p 连接来传递所有点播用户的服务请求和应答 消息，这就要求视频服务器的监听进程能分辨出每一条控制命令来源于哪个用户，并 进行正确的处理。 1 3 2 基于i p 霸的r o d 系统框架 基丁婵网的v o d 系统框架如图i 2 所示。视频服务器上存放大量的视频节目， 并以标准w e b 的形式向外发布。用户通过浏览器登录w e b 服务器的网站，查看可供 点播的节目。全局数据库上存储着与节目相关的信息，供接纳控制服务器查询。文档 服务器则存放着非热门节目，当用户点播此类节目时需要接纳控制服务器将文件迁移 到视频服务器。如果用户想进行点播，则启动本地的应用程序与服务器中的控制模 块进行点播命令的交互。如果用户的点播请求“合法”，且视频服务器的资源允许， 就接纳该请求，并向点播用户发送视频数据；如果视频服务器收到接纳控制服务器转 发来的剪切要求，将对需要的片段进行剪切，并上传到编辑机来实现对这些片段的 编辑。 用 圈1 也基于口弼的v o d 系统 1 3 3 视频服务器的系统设计 视频服务器是v o d 系统中的重要组成部分。为了便于问题的讨论，视频服务器 的设计可以分为三个部分：存储子系统，调度子系统和通信子系统 钔。 1 存储子系统 存储子系统主要解决视频节目的存放策略、磁盘阵列与磁光盘库的系统配置等问 2 题。按照视频文件发送的顺序，习惯上将内存作为第一级库，磁盘阵列为第二级库， 雨磁带库或光盘库为第三级库挣】。 内存的存取速度是最快的，但造价也最高，通常用作磁盘与网络之间的缓存器。 由于磁盘阵列r a i d 具有吞吐率高【6 l ，存取延时小等优点，因此在存储系统中占有重 要的地位。多数商用v o d 系统的存储介质采用的就是磁盘阵列，当系统需要扩容时， 就采用增加磁盘个数的方法来实现，但这种方法的可扩展性差，特别是当存储空间超 过t b 时系统的可靠性下降，造价却变高了。 实际上由于不同视频节目被点播的概率不相同，因此，把它们无区别地存放在高 成本的磁盘阵列上是不合理的。磁光盘库可以大量可靠地存放视频文件，有效降低成 本。相对磁盘阵列而言，磁光盘库的吞吐率低而存取延时大，不适于直接向用户发送 视频节目流，所以用于存放点播概率低、比较陈旧的节目。而用户点播频繁的热点节 目仍存储在磁盘阵列中。当用户点播磁光盘库中的节目时，需要先将节目文件迁移到 磁盘阵列中，再从磁盘阵列发送绘用户。 采用三级存储模型，必须解决两个问题，一是如何界定陈旧与热点节目，二是如 何选取第二、第三级库的参数以便在满足点播要求的情况下系统的利用率最高。 2 调度子系统 该部分主要解决数据服务策略、缓冲区管理、状态机维护等问题。由于v o d 业 务实时性的特点，视频服务器在响应每一个点播请求时，遇整构造一个由两个线程组 成的生产童= 趟塞置撼璺必 其中生产者从磁盘中读取媒体数据，并将数据发送到缓冲区中。消费者负责从缓 冲区中读取这些数据并通过网络发送到点播用户。我们分别为它们设计了有限状态机 ( f i n i t es t a t em a c h i n e ，f s m ) ，来保障它们稳定地工作。为了使两个线程周期性地协 调工作，避免因磁盘或网络的过载而造成数据的丢失，要坠望羹土钱的友壅塞墨旦楚! ， 我们通过实验豹方法，确定了共事数据缓冲区的参数。为了实现媒体流的连续传 输，还需要解决塞堕斐王缝是翘够问题工作周期的选定受凡个方面因素的制约，例 如媒体流的带宽，磁盘的利用率、系统时钟的分辨率等。工作周期长，势必使每次发 往网络的数据量较大，因而易造成网路拥塞；相反，如果周期过短，则易造成系统效 率低。 3 通信子系统 该子系统主要解决三个方面问题：视频服务器内进程闻通信、点播用户的接纳控 制和音视频数据在网络上的发送。为响应用户在正常播放过程中的交互操作，我们还 需解决进程间通信( i p c ) 问题。 由于不同带宽的节目消耗服务器的资源是不同的，因此服务器在资源管理时需要 根据自身的资源情况维护一个f s m t 引。当用户向视频服务器发出点播请求时，服务器 会通过查看f s m 了解资源状况，以便决定是否接纳该请求。如果资源允许，则为该 用户建立相应的状态转移图以便记录和响应用户的交互操作。如果服务器或网络状况 发送变化，服务器和用户还可以进行重协商，以便在一个可以保障的q o s 下，继续 提供v o d 服务。为了能够实现重协商，就要求服务器中存放的节目是经可伸缩编码 ( s c a l a b l e c o d i n g ) 生成的，或者存放同一节目不同带宽的文件副本。 由于视频数据占用的带宽是较大的，易造成网络拥塞，因此在设计通信予系统时 应充分考虑所连接网络的传输特点，尽量提高网络的利用率。 1 , 4 本人的主要工作及论文安排 本人在攻读硕士研究生期间，认真学习了相关的多媒体传输协议，查阅了大量的 技术资料，在此基础上，参与了视频点播系统的开发与完善工作，主要完成的任务有 以下几个： 1 、多用户模拟客户端的设计 为了便于测试视频服务器的极限性能，设计了一个可模拟多个用户同时点播的客 户端的软件，并搭配已有的播放软件，共同组成了一套方便调试用的工具。可选取其 中两个用户观看播放的效果。它的核心部分是建立与视频服务器的s o c k e t 连接，通过 共同定义的报文格式进行消息交互，并且支持多用户的点播要求。 2 、q o s 保障的加入 考虑到未来广域网上的应用，网络状况将会出现较大的波动，因此希望通过增加 q o s 保障机制来应对网络拥塞的情况。为了测试该机制的有效性，首先设计了一个 模拟的丢包延时模块，用于在局域网内模拟在广域网的丢包和延时情况。然后在视频 服务器上加入r t c p 机制，当丢包率达到预先设定的门限时，降低发送速率来缓和网 络据塞的状况，圆时获得一个可按受的服务质量，雨当网络情况好转时，再把发送速 率重新调回原值。 3 、可移植性的相关研究 仔细学习了u n i x 和l i n u x 的发展过程，掌握系统的相关配置，了解了两种的相 同点和不同点，对比它们的优劣。程序移植后，对兼容性差的参数进行了调整，可移 植性差的函数进行了替换，并改正了一些隐含的错误，最终成功实现了移植。 论文结构分为两丈部分，前半部分主要是二章，重点介绍多媒体技术和视频点 播系统的背景信息以及所设计到的主要标准和协议，其目的是让读者了解系统的相关 五 信息，同时对视频服务器在整个系统中的位置以及要完成的功能有初步的了解。 第三章主要讲述了模拟多用户客户端的设计，同时介绍了s o c k e t 通信的相关信 息，说明了在设计时遇到的问题以及解决的方法，最后给出了使用该软件进行测试所 得到的数据以及分析。 第四章主要讲述了视频服务器系统可移植性方面的相关研究，对比了两种操作系 统的特点，描述了整个移植实现的过程，以及对程序可移植性方面的分析和修改，对 移植过程中出现的问题的剖析和解决，最后描述了实验的结果并进行了分析说明。 第五章详细论述了视频服务器上的q o s 保障功能的实现，实现的策略和方法， 并重点讨论了模拟丢包延迟模块的设计和实现的细节，最后讲述了在视频服务器上调 整发送速率时出现的问题以及解决的方法。 第六章总结了论文的内容，并说明了以后还需要继续和完善的地方，其中也包含 了本人的一些建议和想法。 第二章视频数据压缩与网络传输协议 视频数据压缩技术和网络传输技术的重大进步，使v o d 等流媒体业务得以推广 应用。本章主要回顾一下这两方面的技术发展 2 1 视频数据压缩标准 音视频等媒体，数字化后数据量极大。下面以彩色电视信号为例加以说明。c c i r 于1 9 8 2 年正式通过的“演播室数字电视的编码参数”建议，规定了阻y 、u 、v 的 分量编码作为演播室内的标准编码方式。用于演播室设备闻的标准数字接口和国际节 目交换的技术规定，y ，【w 的取样频率为1 3 5 6 7 5 6 7 5m h z ，即4 ：2 ：2 ；而每一取样 均匀量化为8b i t 。按这样的取样和量化规定，一路p c m 彩色电视图像信号的数码率 为： r 予( 1 3 5 + 6 7 5 + 6 7 5 ) m i - l z x 8b i t = - 2 1 6m b p s ( 2 1 ) 如此巨大的数据量使数据的存储和网络传输均很困难，因此需要对多媒体数据进 行压缩。为了促进国际间信息的交流，在i s 0 ，m c 和h u 等国际组织的努力下，制 订了一系列的多媒体数据压缩国际标准和建议，如i p e g 、h 2 6 1 9 1 、h 2 6 3 t 1 0 】、 m p e g t l l ，1 1 2 等。下面，我们将重点介绍在p 网传输中经常采用的m p e g 标准。 2 1 1m p e g - 1 标准 该标准由i s o 活动图像专家组( m o v i n g p i c t u r ee x p e r tg r o u p ，简称m p e g ) 为速 率l 1 5m b s 的数字声像信息的存储而制定共分为图像编码、声音编码和声像同步 与复用3 个部分。该标准通常用于能够提供录像质量视频节目的光盘存储系统。 由于应用的不同，m p e g - 1 与h 2 6 1 之间有着些显著的不同。例如，m p e g - 1 是针对数字存储的应用而制定的，因此它的编、解码器是不对称的，位于存储中心的 编码器往往比位于用户端的解码器要复杂得多。此外，在多媒体应用中，常常需要对 存储在数字存储介质上的已编码流进行随机的存取，因此，在m p e g 1 中将图像分割 成g o p ，g o p 的起始帧( i 帧) 的解码无需有先前帧的先验知识，可以作为随机的入 口点。m p e g - 1 码流由6 个层次构成：图像序列、图像组、图像、条、宏块和块。 2 1 2m p e g - 2 标准 m p e g 2 是由i s o 的活动图像专家组和i t u t 的第1 5 研究组共同制定的，在 i t u - t 的协议系列中，被称为h 2 6 2 。制定i v p e g 一2 的初衷是得到一个针对广播电视 质量的视频信号的压缩编码标准，但实际上最后得到的是一个通用的标准，它能在很 宽范围内对不同分辨率和不同输出比特率的图像信号有效地进行编码。它支持恒定比 特率、可变比特率、随机操作、信道跳接、可伸缩解码、位流编辑、及快进、快倒、 常速倒放、幔放等功能。 与m p e g 1 相比，m p e g 2 主要增加了下述几项功能： 1 增加了场图像的场间预测、桢图像的场间预测、用于p 帧的双基预测和用于 场图像的1 6 8 预测等4 种对隔行扫描图像更为有效的预测模式； 2 除4 ：2 ：0 的色信号取样模式外，还支持4 ：2 ：2 ，4 ：4 ：4 模式，前者色信号的样点 数在垂直方向上与亮度信号相同，只在水平方向上是亮度信号的一半：后者的色信号 的样点数与亮度信号则完全相同。 3 增加了可伸缩的视频编码方式，编码所产生的码流具有下述特征：对码流的 一部分解码和对码流的全部进行解码能够分别获得不同质量的重建图像。对部分码流 解码获得的图像比对全部码流解码获得的图像分辨率( 或信噪比、或帧率) 要低。 m p e o 2 所支持的可伸缩编码方式有空间可伸缩性、时间可伸缩性、信噪比可伸缩性 和数据分割等4 种。 2 1 3m p e g - 4 标准 m p e g - 4 工作组在1 9 9 3 年成立，它的初衷是制定一个通用的低码率( 6 4k b s 以下) 标准。但是由于很多压缩编码的第二代算法仍处于研究阶段，在m p e g - 4 工作 组预定的时间内似乎还不够成熟，因而m p e g - 4 的目标后来转向支持目前标准尚未全 面支持的那些应用。 m - p e g - 4 不再是一个单纯的音视频编码标准，它更多定义的是一种格式、一种框 架，而不是具体算法，为多媒体数据压缩提供了一个更为广阔的平台，允许在系统中 d n a 新的算法。m p e g - 4 标准的视频码流覆盖范围为5k b s 至5m b s ，可广泛应用于 数字多媒体信息交换、移动通信和数字电视广播。 m p e g 4 的主要特点有： 1 ，基于内容的编码，即不是基于像素，而是基于对象( o b j e c t ) 或实体( e n t i t y ) 进行编码。对每个对象的编码形成一个对象码流层，该层码流中包含着对象的形状、 7 位置、纹理以及其它方面的属性等。对一幅图像编码所形成的码流就由一系列这样的 对象层码流所构成。 2 编码效率的改进和并发数据流的编码。可以对多个并发数据流编码，并根据 对象和背景的特点调整和分配其码率，在相同主观质量下可达到更低的码率。 3 差错处理的鲁棒性，有助于低比特率视频信号在高误码环境下( 如移动通信 环境) 的传输。 4 基于内容的可伸缩性，可以有选择地只对感兴趣的对象进行传输、解码和显 示。 2 2 i p 传输网络 2 2 1 多媒体通信的要求 多媒体通信在带宽、实时性、误码率、拓扑结构等方面的要求和传统数据业务有 本质上的区别。对于数据应用，用户需要的是快速响应，这通常可以通过增大网络带 宽来实现。为了提高网络传输的效率，数据网络的设计是基于带宽共享和时分复用的。 音视频等多媒体信号的传输是以流的方式进行的，朝网络需要传递一个连续的分 组流，每个分组必须在预定的期限内到达目的地，否则将影响业务的质量。为了支持 多个a v 信号，网络必须有足够的带宽，并且要有确保每个流的带宽的机制。因此， 对于一个给定带宽的多媒体网络，它能支持的a 流的数量是有限的。 与传统的数据业务不同，多媒体业务允许一定的误码率。多媒体业务在传输中出 现误码和丢包，只会影响到某段时间的服务质量，同时，音视频数据具有一定的冗余， 可以承受一定的差错。而且，音视频业务有端到端的延时要求。故通常不需要重传。 随着通信技术的迅速发展，p 与多种下层传输网络的有机结合，使之逐步成为 统的通信平台。在i p 网上提供高质量的视频服务吸引了国际科学技术界越来越多 的注意，宽带多媒体业务被认为是下一代两络发展的重要动力。我们在口网上开展 多媒体应用的研究，就是努力使口网能满足多媒体通信的特殊要求。 2 2 2 互连网络拚议o p ) 互联网源于1 9 6 9 年美国国防部开始实现的a r p a n e t 计划意在建立分布式的 全国性信息网络。a r p a n e t 基于分组交换的概念，在实践中产生了一系列的网络协 议，其中以t c w i p i u l 最为有名，所以互联网通常被成为口网。 图2 - 1 是讲网的一个结构示意图。各个子网通过网关或路由器连接在一起，网 状连接的路由器是完成子网之间数据交换的节点，它采用存储一转发机制工作。 图2 1i p 网的拓扑示意圈 子网与路由器之间、路由器与路由器之间的线路可以是电话线、n i s d n 、x 2 5 、 专线卫星线路、帧中继或a t m 等。子网之间的连接要解决的熏要问题是异构问题。 将异构网互联使之为用户提供一致的通信服务，不仅需要梓决物理连接问题，还需要 实现异构子网之间数据的交换，这涉及到寻找路径和协议转换等。t c p i p 体系结构 和协议规范较好地解决了这些问题，使它迅速成为最具影响力的网络协议。 t c p i p 协议栈 网络传输协议的讨论往往离不开i s o 制定地o s i 参考模型。尽管t c p p 是先于 该模型制定的，我们仍可将因特网的协议与o s l 模型作圈2 - 2 所示的大概的对应。 应用层 表示层 会话层 应用层 传送层t c pu d p 网络层i p 使用i p 地址 数据链路层 使用物理地址 网络接口 物理层 ( 硬件接口)( 硬件) i s o 参考模型t c p i p 模型 圈2 - 2i s o7 层参考模型与t c p i p 模型的对比 i p 协议由i s o 的r f c 7 9 1 所规定，它处于网络层，主要功能是完成传送层数据 包和口报文之间的转换，并为口报文的传送选择路由，即为报文寻找一条从发送端 到接收端的传输路径。口提供的是一种无连接的服务，每个坪报文都包含完整的接 收端p 地址。 传送层有两类传送层协议，即t c p 和u d p 。t c p ( l y a l l s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 为在两个进程之间的全双工比特流交换提供可靠的串行通信通道，或称虚电路。尽管 其下层的层提供的报文服务不是无差错的，t c p 连接却必须保证可靠的、次序不 颠倒的比特流传输。为此，t c p 规定收端在接收到每一个包后必须返回一个确认信号。 如果发端在一定时间( 大于双程往返时间) 内收不到确认信号，则自动从未收到确认 的包开始重传。 重传可能引起数据的重复接收和次序的颠倒。为了有效地进行传输和进行漉量控 制，t c p 采用了滑动窗口的机制。窗口内的数据可以连续发送而无需等待确认，但窗 口的移动必须等待确认信号到达后才能进行。由于重传确认机制不利于保持音视频流 的连续性，因此多媒体信息传输通常采用u d p 协议。 u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 建立在口之上，它与口一样提供无连接的数据 报文传输。u d p 的功能是将在主机之间交换的报文封装到礤报文的数据区，以及检 查数据校验和。丽报文丢失、次序颠倒、流量控制和拥塞控制等都需要在高层协议中 去解决。u d p 的简单和高效率使得其实时性比t c p 要好，但它没有q o s 保障的缺陷 需要在高层协议中去完善，其中一个具有广泛影响的协议是实时传输协议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 ) 【1 4 1 。 2 2 。3 r t p 协议 r t p 协议是i e t f ( i n t e r a c t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 制订的，主要用来为实时数 据的应用提供点到点或多点通信的传输服务。r t p 主要包含了两部分内容，一部分定 义了r t p 数据报文格式和使用规则，另一部分为控制协议，即r t c p ( r e a l t i m e t r a n s p o r t c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。 r t p 传输服务使用者之间的连接称为r t p 会话，对每个会话参加者而言，会话 由一对传输层地址( 即一个网络层地址加上两个端口地址) 标识。参加r t p 会话的 各个节点，通过周期性地交换r t c p 报文来监测通信的质量。r t c p 报文不携带用户 信息，只携带与会话有关的控制信息。一个r t p 用户可以通过接收来自其它用户的 r t c p 报文，了解传输质量( 报文丢失、延时、延时抖动等) 。 从协议设计思想的角度来看，r t p 体现了应用层分帧( a p p l i c a t i o nl e v e lf r a m i n g ， 2 0 a l f ) 和集成层处理( i n t e g r a t e dl a y e rp r o c e s s i n g ，i l p ) 原则，主要体现在： 1 r t p 报文结构设计得较为合理，可以灵活地承载特定应用所定义的应用数据单 元a d u ( a p p l i c a t i o n d a t a u n i t ) 。r t p 就一些常见的编码方式( 如g 7 2 1 、h 2 6 1 、j p e g 、 m p e g 等) 定义了码流的打包方案。在轮廓文件中，r t p 利用标识符的值标识了打包 方案同格式文件闯的对应关系。此外，轮廓文件还包含了有关r t p 协议在特定应用 环境中具体使用方式的一些约定。 2 r t p 完全依赖予下层网络提供传输实时数据的服务质量保障，因而协议结构简 单，容易和具体应用相结合。在r t p 协议中，没有具体限定下层网络所能提供的传 输服务的类型，通常情况下，r t p 协议与碑协议栈相结合，运行于u d p 之上。r t p 仅使用u d p 提供的复用和校验服务。 另外，由于u d p 对报文丢失、顺序颠倒等数据传输过程中出现的差错几乎不做 任何处理，且r t p 本身也不提供对上述错误的处理，因而接收端应用需要利用r t p 报文固定头中所含的序列号来检测是否存在r t p 报文的丢失和乱序。 r t p 报文格式 一个标准的r t p 报文是由固定头( 丘x e dh e a d e r ) 和数据负载( p a y l o a d ) 两部分构成 的，如图3 所示。 ir t p 固定头j数据负载l 图2 - 3r t p 报文格式 其中的固定头部分如图2 - 4 所示： 01 23 012 3456 78901234 567890l234567890 l + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ _ + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ - 斗一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ l v = 2 i p i x l c cp t s e q u e n c en u m b e rl 十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 1t i m es t a m p1 + 一+ 一+ - + 一+ 一+ 一十_ + 一十一+ 一+ 一+ 一十一十一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ + 一+ 一+ + 一+ s y n c h r o n i z a t