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Chapter7 流媒体相关网络协议 7 1流媒体传输基础7 1 1Internet传输的基本概念 1 数据和信号 1 数据 描述信息的数字 字母或符号 模拟数据是指由传感器采集得到的连续变化的值 数字数据是指模拟数据经采集 量化 编码后所得到的离散的值 2 信号 数据在传输过程中的表示形式 带有信息的某种物理量 模拟信号一般通过PCM脉码调制方法量化为数字信号 数字信号一般通过对载波进行移相的方法转换为模拟信号 7 1 1Internet传输的基本概念 Cont d 2 信道和带宽 1 信道按照其存在形式分为有线信道和无线信道 按照其传输信号的类型分为模拟信道和数字信道 2 带宽信号带宽是指信号以电磁波形式传输 电磁波的频谱范围 信道带宽是指信道上能够传送的最大频率范围 在通信过程中 信号带宽必须小于信道带宽 带宽单位为MHz 7 1 1Internet传输的基本概念 Cont d 3 信道容量和数据传输速率 1 信道容量 信道在单位时间内可以传输的最大信号量 表示信道的传输能力 2 数据传输速率 通信线上传输信息的速度 信号速率S是指单位时间内所传送的二制位代码的有效位数 以bps为单位 调制速率B是指脉冲信号经过调制后的传输速率 以BAUD为单位 在通信过程中 信道容量应大于传输速率 7 1 1Internet传输的基本概念 Cont d 4 差错校正和误码率 1 差错校正 字符代码在传输 接收过程中 由于信道噪声或其他外界干扰 难免会发生错误 及时自动检测差错并进一步自动校正 2 误码率 信息传输的错误率 Pe 出错比特数 传输比特数网络的误码率主要取决于信源至信宿之间的信道的质量 误码率越高 则信道的质量越差 7 1 1Internet传输的基本概念 Cont d 5 宽带和窄带一般以网络接入的数据传输率来区分 低于1兆的连接速率称为窄带接入 高于1兆的连接速率称为宽带接入 7 1 2Internet传输服务质量 QualityofService QoS 1 尽力传送 Best effort 单一服务模型应用程序可以在任何时候 发出任意数量的报文 而且不需要事先获得批准 也不需要通知网络 2 实时传送 Real time 综合服务模型应用程序首先通知网络它自己的流量参数和需要的特定服务质量请求 应用程序一般在收到网络的确认信息 才开始发送报文 7 2流媒体网络传输特点 1 流媒体技术关键特征 数据压缩流式传输2 优点 启动延时短对系统缓存容量的需求大大降低流式传输的实现有特定的实时传输协议 7 2流媒体网络传输特点 Cont d 3 应用流媒体技术传输网络音视频系统的基本原理 采用高效的压缩算法 在降低文件大小的同时伴随质量的损失 使多媒体数据文件变小以适合流式传输 架设流媒体服务器 修改MIME标志 通过各种实时协议传输流数据 7 3流媒体传输协议简介 RTP Real timeTransportProtocol 针对多媒体数据流 RTCP Real timeTransportControlProtocol 与RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务 RTSP Real TimeStreamingProtocol 定义了一对多的应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据 RSVP ResourceReserveProtocol 在一定程度上为流媒体的传输提供QoS MMSP MicrosoftMediaServerProtocol 流媒体协议在IP TCP协议中的位置 RTP Real timeTransportProtocol 实时运输协议 为实时应用提供端到端的运输 但不提供任何服务质量的保证 压缩编码 送入运输层 从开发者的角度看 RTP应当是应用层的一部分 7 3 1RTP RTP在端口号1025到65535之间选择一个未使用的偶数UDP端口号 而在同一次会话中的RTCP则使用下一个基数UDP端口号 默认端口号 RTP 5004RTCP 5005 7 3 1RTP Cont d 实时传输协议暗示它也可以看做传输层协议因为RTP封装了多媒体应用的数据块 并且向多媒体应用层提供了服务 7 3 1RTP Cont d 7 3 1RTP Cont d 1 RTP协议的相关概念 1 TimeStamping 时戳 把接收到的语音和视频等多媒体数据按照正确的时间顺序提交给上层 对于语音来说 时戳按封包间隔和采样速率乘积而递增 对于视频来说 时戳的生成依赖于应用程序是否能够分辨其帧数 如果能够分辨帧速率 则使用一个固定的速率增加 7 3 1RTP RTP协议的相关概念 2 SequenceNumbers 顺序编号 通常使用UDP协议传输数据排序RTP分组 以消除重复分组 保持视频和音频流连续播放 3 SourceIdentification 源标志 帮助接收端利用发送端生成的唯一数值来区分多个同时的数据流 得到数据的发送源 7 3 1RTP RTP协议的相关概念 4 PayloadType 载荷类型 对传输的音 视频等数据类型予以说明 并说明相关的编码方式 接收端从而知道如何解码和播放负载数据 5 Mixer 混合器 将多个载荷数据组合起来产生一个发出的包 允许接收端确认当前数据的贡献源 具有相同的同步源标识符 7 3 1RTP Cont d 2 RTP协议工作原理在流的概念中 时戳 是最重要的信息 RTP协议和UDP二者共同完成运输层协议功能 RTP的协议数据单元是用UDP分组来承载的 RTP协议虽然是传输层协议但是没有作为OSI体系结构中单独的一层来实现 7 3 1RTP Cont d 3 RTP首部格式NB PayloadType 有效载荷类型 7位 指出后面的RTP数据属于何种格式的应用 应用层可根据次类型进行处理 音频 律PCM 0 GMS 3 A律PCM 8 G 722 9 G728 1 视频 活动JPEG 26 H 261 31 MPEG1 32 MPEG2 33 等 7 3 1RTP Cont d 序号 占16位 在一次RTP会话时 初始序号随机选择 每发出一个RTP分组 其序号 1 这样能发现丢失的分组 同时也能将时序的RTP重新排列好 CompanyLogo 7 3 1RTP Cont d 时间戳 占32位 反映了RTP分组中的数据的第一个字节的采样时刻 在一个会话中 他的初始序号随机选择 即使没有信号发送 时间戳的数值也要随时间而不断地增加 接收端使用时间戳可准确知道应当在什么时间还原那一个数据块 从而消除时延抖动 时间戳还可以使视频应用中的声音和图像同步 时间戳的粒度取决于信号的类型 如某话音信号8kHz采样 每隔20ms构成一个数据块 则数据块中包含160个样本0 02 8000 160 CompanyLogo 7 3 1RTP Cont d CompanyLogo 如果只有系列号 并不能完整按照顺序的将data播放出来 因为如果data中间有一段是没有资料的 只有系列号的话会造成错误 需搭配上让它知道在哪个时间将data正确播放出来 如此我们才能播放出正确无误的信息 7 3 1RTP Cont d 同步源标识符 32位SSRC表示RTP的来源SSRC与IP地址无关 是随机产生的 两个RTP流恰好选择同一个SSRC流的概率极小 多个RTP流可复用到1个UDP用户数据报中 SSRC可使接收端的UDP能够将收到的RTP流送到各自的终点 CompanyLogo 7 3 1RTP Cont d 参与源标识符 32位 CSRC 用来标志源于不同地点的RTP流在多播环境中 可以用中间的一个站 混合站 把发往同一个地点的多个RTP流混合成一个流 可节省通信资源 而CSRC的数值就可以把不同的RTP流分开 7 3 1RTP Cont d 7 3 1RTP Cont d RTP包传输流程 7 3 1RTP Cont d 4 RTP协议的特点RTP协议具有很大的灵活性数据流和控制流分离RTP协议具有很大的扩展性和适用性 7 3 2RTCP 1 RTCP协议的工作原理 四个功能 1 为数据传输的质量提供反馈 并提供QoS检测 2 提供不同媒体间的同步 3 在会话的用户界面上显示会话参与者的标志 4 调节信息的缩放 7 3 2RTCP Cont d 2 RTCP分组格式 7 3 2RTCP RTCP分组格式 5种类型的报文 SRRRSDESBYEAPP 7 3 2RTCP RTCP分组格式 结束分组BYE 表示关闭一个数据流特定应用分组APP 使应用程序定义新的分组类型源点描述分组SDES 给出会话中参加者的描述 他包含参加者的规范名CNAME 电子邮件地址的字符串 7 3 2RTCP RTCP分组格式 接收端报告分组RR 接收端周期性地向所有的点用多播方式进行报告 接收端每收到一个RTP流就产生一个接受端报告分组RR RTP流的SSRC RTP流的分组丢失率 该RTP流中的最后一个RTP分组的序号 分组到达时间间隔的抖动等 7 3 2RTCP RTCP分组格式 CompanyLogo RR的两大作用 发送报告端分组SR 发送端周期性地向所有接受端用多播方式进行报告发送端每发送一个发送端报告分组RTP 就发送一个发送端报告分组SR该RTP的SSRC 时间戳 绝对时钟时间 分组数 字节数 绝对时钟时间 RTP要求每一种媒体使用一个流 而视音频就得用俩的流 绝对时钟时间可进行图像和声音的同步 7 3 2RTCP RTCP分组格式 7 3 3RTSP 1 RTSP协议的工作原理 1 RTSP协议的功能A 通过媒体服务器检索媒体B 媒体服务器邀请进入会议C 将媒体加到现成讲座中 7 3 3RTSP RTSP协议的工作原理 2 RTSP协议的实现A 初始化B TCP传输C UDP传输D 传输反馈 利用RTSP的流媒体连接过程 OPTION OPTIONResponse服务器信息 DESCRIBE DESCRIBEResponse待播放的文件信息 SETUP SETUPResponse连接信息 PLAY PLAYResponse播放信息 TEARDOWN TEARDOWNResponse 7 3 3RTSP Cont d 2 RTSP协议的结构 p84 具体解释另见补充 RTSP协议 7 3 3RTSP Cont d 3 RTSP协议的特点 1 可扩展性 2 易解析 3 安全 4 独立于传输 5 多服务器能力 6 记录设备控制 7 适合专业应用 8 播放种类的中立性 9 代理和防火墙的友好性 10 分配服务器控制 11 传输协商 12 能力协商 7 3 3RTSP Cont d 4 RTSP协议与其他协议的关系 1 RTSP协议与HTTP协议的联系目前的协议规范同时允许网页服务器和流媒体服务器支持RTSP实现 2 RTSP协议与HTTP协议的区别HTTP是一个不对称协议 在RTSP中 Client和Server都可发出请求 且请求是有状态的 HTTP是无状态协议 RTSP在任何情况下必须保持一定状态 资源预留协议 RSVP 最初是IETF为QoS的综合服务模型定义的一个信令协议 用于在流 flow 所经路径上为该流进行资源预留 从而满足该流的QoS要求 资源预留的过程从应用程序流的源节点发送Path消息开始 该消息会沿着流所经路径传到流的目的节点 并沿途建立路径状态 目的节点收到该Path消息后 会向源节点回送Resv消息 沿途建立预留状态 如果源节点成功收到预期的Resv消息 则认为在整条路径上资源预留成功 7 3 4RSVP 7 3 4RSVP 1 RSVP协议工作原理 1 发送端依据传输带宽范围的高低 传输延迟 以及抖动来说明发送业务 2 为了获得资源预留 接收端发送一个上行的RESV 预留请求 消息 3 当每个支持RSVP的路由器沿着上行路径接收RESV的消息时 它采用输入控制过程证实请求 并且配置所需的资源 4 当最后一个路由器接收RESV 同时接受请求的时候 它再发送一个证实消息给接收端 当发送端或接收端结束了一个RSVP会话时 将断开连接 7 3 4RSVP Cont d 2 RSVP数据流流说明是互连网主机用来请求特殊服务的数据结构 保证互连网处理主机传输 RSVP支持三种传输类型 最好性能 best effort 速率敏感 rate sensitive 与延迟敏感 delay sensitive 最好性能传输为传统IP传输 应用包括文件传输 如邮件传输 磁盘映像 交互登录和事务传输 支持最好性能传输的服务称为最好性能服务 速率敏感传输放弃及时性 而确保速率 延迟敏感传输要求传输及时 并因而改变其速率 7 3 4RSVP Cont d 3 RSVP数据流处理RSVP数据流基本特征是连接 数据包在其上流通 RSVP支持单播和组播连接 流总是从发送者开始 特定连接的数据包被导向同一个IP目的地址或公开的目的端口 IP目的地址是组播发送的组地址 或是单个接收者的单播地址 RSVP数据发布通过组播或单播实现 组播传输将某个发送者的每个数据包拷贝转发给多个目的 单播传输只有一个接收者 即使目的地址是单播 也可能有多个接收者 以公开端口区分 多个发送者也可能存在单播地址 RSVP可建立多对一传输的资源预订 每个RSVP发送者和接收者对应唯一的Internet主机 单个主机可包括多个发送者和接收者 以公开端口区分 7 3 4RSVP Cont d 4 RSVP服务质量 QoS 是流规范指定的属性 流规范用于决定参加实体 路由器 接收者和发送者 进行数据交换的方式 主机和路由器使用RSVP指定QoS 其中 主机代表应用数据流使用RSVP从网络申请QoS级别 路由器使用RSVP发送QoS请求给数据流路经的其它路由器 这样做 RSVP就可维持路由器和主机状态来提供所请求的服务 7 3 4RSVP Cont d 5 RSVP连接启动为了初始化RSVP组播连接 接收者首先使用Internet组成员协议 IGMP 加入IP目的地址指定的组播组 对单播连接 单播路由就象IGMP结合协议无关组播 PIM 在组播时的作用 接收者加入组后 潜在的发送者就开始发送RSVP路径信息给IP目的地址 接收者应用收到路径信息 开始发送相应资源预订请求信息 使用RSVP指定欲点播的流描述 发送者应用接收到资源预订请求信息后 开始发送数据包 7 3 4RSVP Cont d 6 RSVP资源预订类型A 独占资源预订 为每个连接中每个相关发送者安装一个流 1 固定过滤类型B 共享资源预订 由不相关的发送者使用 2 通配过滤类型 默认所有发送者 并通过预留消息中所携带的源端地址列表来限制通配符滤波器 3 共享显式类型 滤波器明确指定一个或多个发送者来进行预留 7 3 4RSVP Cont d 7 RSVP软状态实现对RSVP 软状态指可被某些RSVP信息更新的路由器和终端结点的状态 软状态特征允许RSVP网络支持动态组成员变化 并适应路由变化 一般说来 软状态由基于RSVP网络维护 使网络可在没有查询终端结点的情况下改变状态 RSVP协议为创建和维护组播和单播混合发送路径的分布式资源预订状态提供了一个通用功能 为维护资源预订状态 RSVP跟踪路由器和主机结点的软状态 路径与资源预订请求信息创建并周期更新RSVP软状态 如在清除时间间隔到期前没有收到相应更新信息 就删除该状态 显式teardown信息也可删除软状态 RSVP周期扫描欲建立的软状态 并转发路径与预订请求更新信息给下一跳 7 3 4RSVPRSVP软状态实现 当路由改变 下一个路径信息初始化新路由的路径状态 根据资源预订请求信息建立资源预订状态 现在未使用的网段状态标记为超时 RSVP规范要求在拓扑改变后两秒通过网络初始化新资源预订 当发生状态变化 RSVP无延迟的将变化从RSVP网络的一个终端传到另一个终端 如接收到的状态与存储状态不同 就更新存储状态 如结果改变了欲产生的更新信息 更新信息立即生成并转发出去 7 3 4RSVP Cont d 8 RSVP操作模型 基本RSVP协议操作RSVP资源预订处理初始化开始于RSVP后台服务查询本地路由协议以获得路由 主机发送IGMP消息加入组播组 而发送RSVP消息预订沿组路径的资源 每个能加入资源预订的路由器将收到的数据包传递给包分类器 然后将它们在包调度器中排队 RSVP包分类器决定每个包的路由和QoS类 RSVP调度器给每个接口所使用的特殊数据链路层媒介上传输分配资源 如数据链路层媒介有自身的QoS管理能力 包调度器负责协调数据链路层 获得RSVP所请求的QoS 调度器本身分配无源QoS媒介上包传输能力 如双铰线 也可分配其它系统资源 如CPU时间与缓存 7 3 4RSVPRSVP操作模型 基本RSVP协议操作 QoS请求一般发源于接收者主机应用 而被传递到本地RSVP应用 RSVP协议接着将对所有结点 路由器与主机 的请求沿逆向数据路径传到数据源 在每个结点处 RSVP程序应用一个称为进入允许控制的本地决定程序决定是否能提供所请求的QoS 如进入允许控制成功 RSVP程序设置包分类和调度器的参数 以获得所申请的QoS 如进入允许控制在某结点处失败 RSVP程序给产生此请求的应用返回一个错误指示 7 3 4RSVP Cont d 8 RSVP操作模型 RSVP隧道在整个Internet上同时配置RSVP或任意其他协议都是不可能的 实际上 RSVP决不可能在每个地方都被配置 因此 RSVP必须提供正确协议操作 即使只有两个支持RSVP的路由器与一群不支持RSVP的路由器相连 一个中等规模不支持RSVP的网络不能执行资源预订 因而服务保证也就不能实现 然而 如该网络有充足额外容量 也可以提供可接受的实时服务 隧道技术要求RSVP和非RSVP路由器用本地路由表转发到目的地址的路径信息 当路径信息通过非RSVP网络时 路径信息拷贝携带最后一个支持RSVP的路由器的IP地址 预订请求信息转发给下一个上游支持RSVP的路由器 7 3 4RSVP Cont d 9 加权平均排队方案基于RSVP网络间采用隧道技术的RSVP环境 NB 隧道技术仅在瓶颈出在非RSVP域且不可避免时才有风险 7 3 4RSVP Cont d 11 RSVP包格式 1 RSVP公共头 2 RSVP对象段 7 3 4RSVP Cont d 12 RSVP协议的特点 7 3 4RSVP Conclusions RSVP运行在传输层 在IP上层 与ICMP和IGMP相比 它是一个控制协议 RSVP的组成元素有发送者 接收者和主机或路由器 RSVP协议的两个重要概念是流与预定 流是从发送者到一个或多个接收者的连接特征 通过IP包中 流标记 来认证 发送一个流前 发送者传输一个路径信息到目的接收方 这个信息包括源IP地址 目的IP地址和一个流规格 这个流规格是由流的速率和延迟组成的 这是流的QoS需要的 接收者实现预定后 基于接收者的模式能够实现一种分布式解决方案 RSVP领域的发展非常迅速 但目前并没有在任何一种网络上得到证实 它的应用只是局限在测试的小Intranet网络上 因为RSVP的预定必须建立在完全流方式的基础上 其可扩展性问题倍受关注 RSVP还存在诸如当一个服务请求被申请控制否决时网络应该怎样通知用户以及用户怎样应答这样的通知等问题 7 3 5MMSP MicrosoftMediaServerProtocol在Internet上实现WindowsMediaServer中流媒体文件的传送与播放 建立在UDP或TCP上 属于应用层 使用协议翻转以获得最佳连接 如果连接到编入索引的asf文件 想要快进 后退 暂停 开始和停止流 必须使用MMS 若从独立的WindowsMediaPlayer连接到发布点 必须指定单播内容的URL 若有实时内容要通过广播单播发布 则该URL由服务器和发布点别名组成 7 4流媒体播放方式7 4 1单播 客户端与服务器之间的点对点连接 7 4 1单播 Cont d A 优点 服务器可以及时响应客户端提出的请求 服务器针对每个客户不同的请求发送不同的数据 容易实现个性化服务 B 缺点 服务器针对每个客户机发送数据流 服务器流量 客户机数量 客户机流量 在客户数量大 每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负 现有的网络带宽是金字塔结构 城际省际主干带宽仅相当于其所有用户带宽之和的5 On demond 点播 客户端与服务器之间的主动的连接 在点播连接中 用户通过选择内容项目来初始化客户端连接 一个客户端从服务器接收一个媒体流 同时独占这个连接 其他用户不能占用 并且能够对媒体进行开始 停止 后退 快进或暂停等操作 客户端拥有流的控制权 就像控制本地媒体一样 这种方式由于每个客户端各自连接服务器 服务器需要给每个用户建立连接 对服务器资源和网络带宽的需求都比较大 7 4 2组播 一种基于网络硬件设备实现的一种分组广播的数据传输方式 7 4 2组播 Cont d A 优点 需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流 节省了服务器的负载 由于组播协议是根据接收者的需要对数据流进行复制转发 所以服务器的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制 B 缺点 与单播协议相比没有纠错机制 发生丢包错包后难以弥补 但可以通过一定的容错机制和QoS加以弥补 现行网络虽然都支持组播传输 但在客户认证 QoS等方面还需要完善 这些缺点在理论上都有成熟的解决方案 只是需要逐步推广应用到现存网络当中 7 4 3广播 用户被动接收媒体流A 优点 网络设备简单 维护简单 布网成本低廉 由于服务器不用向每个客户机单独发送数据 所以服务器流量负载极低 B 缺点 无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务 网络允许服务器提供数据的带宽有限 客户端的最大带宽 服务总带宽 广播禁止在Internet带宽网上传输 如何理解 点播和广播应该放在一起理解 点播就是根据用户的请求播放媒体内容 用户一般可以控制播放进度 不同用户之间不会干扰 广播就是多人观看同一个媒体内容 而且看到的内容都是一样的 用户无法控制媒体播放过程 只能选择看或者不看 单播和多播放在一起理解 是网络数据传输的方式 更偏向于底层技术层面 单播是服务器和客户端一对一的传输方式 多播是一对多的传输方式 多播可以节省带宽 提高网络传输效率 补充 P2P基础技术 一 P2P技术介绍二 P2P技术应用 一 P2P技术介绍 1 P2P技术起源 1 20世纪70年代中期 源于局域网的文件共享 2 1999年 SETI home开始使用P2P计算方法来分析星际间无线电信号 3 2000年用于共享MP3音乐的Napster软件与美国唱片界的一场官司 一 P2P技术介绍 2 P2P技术基本概念P2P 即PeertoPeer的缩写 中文称为点对点技术或对等网络 1 各个节点对等 责任和义务相同 2 直接互连共享各类资源 无需依赖集中式服务器资源 3 区别传统的C S模式 表现形式为应用层上基于P2P网络协议的各种客户端软件 一 P2P技术介绍 优点 资源利用率高 这也是P2P最主要的优点 节点越多网络越稳定 不存在瓶颈问题 信息在对等节点间直接交换 高速及时 降低中转成本 基于内容的寻址方式处于一个更高的语义层 一 P2P技术介绍 Client Server模型peer to peer模型 一 P2P技术介绍 Client Server模式与P2P模式的比较表 一 P2P技术介绍 3 P2P网络的分类 1 集中式P2P网络一个中心服务器来负责记录共享信息以及回答对这些信息的查询 每一个对等实体对它将要共享的信息以及进行的通信负责 根据需要下载它所需要的其它对等实体上的信息 一 P2P技术介绍 2 分布式P2P网络Napster因为中央服务器的存在引起的版权纠纷导致了它的破产 以Gnutella和eDonkey为代表的后来者们吸取了Napster的失败教训 将Napster的理念更推进一步 在分布式对等网中 对等机通过与相邻对等机之间的连接遍布整个网络体系 每个对等机在功能上都是相似的 并没有专门的服务器 而对等机必须依靠它们所在的分布网络来查找文件和定位其它对等机 一 P2P技术介绍 3 半分布型P2P网络结合了集中式和分布式P2P形式的优点 在设计思想和处理能力上都得到近一步优化 它在分布式模式基础上 将用户节点按能力进行分类 使某些节点 超级节点 担任特殊的任务 二 P2P技术应用 1 P2P文件共享共享视频类 电影 电视剧等 教学类 教学录象等 等大型文件 采用集群进行下载的对等网络应用方式 BitTorrent Emule Edonkey等 二 P2P技术应用 2 即时通信允许两个或多个用户进行快速 直接的交流 易于同非终端计算机终端设备进行通信icq oicq MSNMessenger yahoomessenger等 二 P2P技术应用 3 P2P网络游戏网络游戏采用P2P技术建立起分布小组服务模型 配以动态分配的技术 每个服务器的承载人数将在数量级上超过传统的服务器模式 这