（计算机应用技术专业论文）基于流媒体的网络结构及算法研究.pdf

独创声明 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，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的， 本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲京、呻 导师躲 学位论文版权使用授权书 未1 方喂 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、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。本人授权堂撞可 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适用本授权书) 一 学位论文作者躲家脚 签字日期：2 0 0 7 年荜月一7e l 一礼参1 方啜 导师签字：t 孓、la ”飘 签字日期：2 0 0 7 年“月7 e l 山东师范大学硕士学位论文 基于流媒体的网络结构及算法研究 捅要 流媒体正在成为推动未来宽带应用的主动力。但目前来讲流媒体的质量还不 能令人满意。在传统的c s 模式下服务器很容易成为系统瓶颈，如何在i n t e m e t 网络上提供大规模的流媒体内容分发一直是流媒体研究领域的核心问题。i p 组 播通过让多个节点共享一条数据流，从而能减轻服务器和网络的负载，然而i p 组播技术有其自身固有的限制而难以部署，主要包括协议本身的复杂性、网络异 构性、以及缺少支持组播的可靠的、具有扩展性的拥塞控制机制等。因此尽管p 组播存在很多年了，但众多原因使其短期内难以在i n t e r n e t 上得到广泛实施；c d n 通过在i n t e m e t 上部署大量节点并把服务和内容“推”向网络的“边缘”，从而 减轻服务器和网络的负载，但其昂贵的费用使得一般的内容提供商难以承担。 p 2 p 技术在文件下载、文件共享上的成功引起了人们的广泛关注，p 2 p 可以看作 一个通信模型，每一个节点都有着一样的能力，每一个节点都能执行通信任务。 可以说p 2 p 中的节点既是服务器也是客户机，它现在越来越多的被人们用来进 行文件的交换。于是有人提出了p 2 p 流媒体的概念。p 2 p 流媒体通过利用普通节 点的资源为其它节点提供服务，在不改变现有网络配置的前提下具有良好的性价 比，是一种具有广泛应用前景的流媒体分发方法。， 为了提高流媒体的q o s ，有人提出了基于p 2 p 网络的媒体分发技术：将p 2 p 技术和流媒体技术相结合。本文首先介绍了p 2 p 及流媒体的相关知识，随后又 对典型的p 2 p 流媒体模型进行了分析。不同的模型都是试图在网络带宽效率 ( b a n d w i d t he f f i c i e n c y ) 、延时( d e l a y ) 和可靠性( r e l i a b i l i t y ) 之间做出某种权衡。随后 本文提出一种结合c s 技术和p 2 p 技术优点的混合型流媒体结构，希望其能在 效率、延时、可靠性之间做出权衡，混合型的流媒体系统通过d s 方式去组织节 点，通过p 2 p 的方式来分发数据。其主要特点为：一、易于实现，节点通过服务 器集中管理，无需构造和维护复杂的组播树，也不需要部署复杂的i 2 p 组通讯 协议二、健壮性( r o b u s t ) ，节点不依赖于任何其它特定的节点。三扩展性 ( s c a l a b g i t y ) ，通过p 2 p 的方式分发数据，用户越多，分发越快。 最后本文对流媒体模型作了一个抽象，希望在逻辑上提供一种模型。还有对 于流媒体系统中比较重要的缓存算法进行了讨论，提出了在缓存算法中加入流行 山东师范大学硕士学位论文 度的概念，希望通过流行度的概念能进一步使缓存中的数据达到比较好的状念， 从而提高整个系统得性能。 关键词：p 2 p 流媒体 2 山东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e d i as t r e a m i n gi sb e c o m i n gt h em a i n l yd r i v i n gf o r c ef o rf u t u r eb r o a d b 姐d n e t w o r ka p p l i c a t i o n s i nat r a d i t i o n a lc l i e n t - s e r v e rs t r e a m i n gs y s t e m ，t h es e r v e ro f t e n b e c o m e st h eb o t t l e n e c kd u et ot h eh j 曲b a n d w i d t ha n dl o n gd u r a t i o no fm u l t i m e d i a s t r e a m s ，h o wt od i s t r i b u t es t r e a m i n gm e d i ac o n t e n tt oal a r g en u m b e ro fh o s t si na s c a l a b l ew a yh a sb e c o m et h ek e yp r o b l e mo fm u l t i m e d i ar e s e a r c ha r e a i pm u l t i c a s t c o u l db et h eb e s tw a yt oo v e i c o m et h i sd r a w b a c ks i n c ei tc o u l dl e tm a n yh o s t ss h a r e o n es t r e a m ；h o w e v e r , i t sd e p l o y m e n to nt h ei n t e m e ti ss t i l ll i m i t e dd u et os e v e r a l f u n d a m e n t a lc o n e e h l s c d n ( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k i n g ) c a np u s ht h ec o n t e n ta n d s e r v i c et ot h ee d g eo fi n t e r u e tb yu t i l i z i n gas e to fs e r v i c en o d e st h a th a v eb e e n p r e d e p l o y e d , t h u sa l l e v i a t et h eb u r d e no nt h es e r v e ra n dt h en e t w o r k , b a tw ec a l ln o t a f f o r dt h ee x p e n s i v ec h a r g eo fc d n t h es u c c 嚣so f p 2 pt e c h n o l o g yi nt h ed o c u m e n t d o w n l o a da n df i l es h a r i n gc a u g h tw i d ea t t e n t i o n p e e r - t o - p e e ri sac o m m u n i c a t i o n s m o d e li nw h i c he a c hp a r t yh a st h es 鼬ec a p a b i l i t i e sa n de i t h e rp a r t yc a l li n i t i a t ea c o m m u n i c a t i o ns e s s i o n i ti si m p l e m e n t e db yg i v i n ge a c hc o m m u n i c a t i o nn o d eb o t h s e r v 盯a n dc l i e n tc a p a b i l i t i e s i ti su s e dm o l ea n dm o f ei nt h ee x c h a n g i n gf i l e s s o s o m e b o d yp r o p o s e dt h ec o n c e p to fp 2 ps 廿e a m i n gm e d i a - p 2 pm e d i as t r e a m i n gg a l l u t i l i z eb a n d w i d t hr e s o u r c eo fh o s tn o d e st op r o v i d es e r v i c et oo t h e rp e e rn o d e s w i t h o u tc h a n g i n gt h ec u 玎僦d e p l o y m e n to fi n t e r n e t ；i ti sc o s t - e f f e c t i v ea n dc o n t a i n s g o o da p p l i c a t i o nv a l u ei nf u t u r e i no r d e rt oi m p r o v et h eq o so fs t r e a m i n go v e rt h ei n t e r n e t , s t r e a m i n gm e d i ao v e r p 2 pn e t w o r ki sp r o p o s e d i tc o m b i n a t i o mt h ep 2 pt e c h n o l o g ya n dt h es t r e a m i n g m e d i at e c h n o l o g y f i r s t , w eg i v e nt h ek n o w l e d g eo f p 2 pt e c h n o l o g ya n dt h es t r e a m i n g m e d i at e c h n o l o g y t h e na n a l y s i so f s o m ec l a s s i c a lm o d e l so f p 2 ps t r e a m i n gm e d i a 1 1 他d i f f e r e n tm o d e l sh a v ea l ld e m o n s t r a t e dt h a tt h e r ei sa l w a y sau a d e o f fa m o n g b a n d w i d t he f f i c i e n c y , d e l a ya n dr e l i a b i l i t y t h i si sp a p e rp r e s e n t san e ws t r e a m i n g n d i as t r u c t e rw h i c hm i x e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp 2 pt e e h n o l o g ya n dt h es t r e a m i n g m e d i at e c h n o l o g y i tf r i e st oa c h i e v eab e t t e rt r a d e - o f f ；b sl e v e r a g i n gt h ea d v a n c e si n b o t hp 2 pa n dc s 1 _ h ec o i p e r a t i o u si nm i x e ds t r e a m i n gm e d i a 眦v e r ys i m p l e ： 山东师范大学硕士学位论文 e v e r yn o d ep e r i o d i c a l l ye x c h a n g e sd a t aa v a i l a b i l i t yi n f o r m a t i o nw i t ha s e to f p a r t n e r s ， a n di e - $ r i e v e su n a v a i l a b l ed a t af r o mo n eo rm o r ep a r t n e r s , o rs u p p l i e sa v a i l a b l ed a t at o p a r t n e r s w ee m p h a s i z et h r e ef e a t u r e so f m i x e ds t r e a m i n g ：( 1 ) e a s yt oi m p l e m e n t , a s i td o e sn o th a v et oc o n s t r u c ta n dm a i n t a i nac o m p l e xa p p l i c a t i o nm u l t i c a s tt r e e ，i ta l s o d o e sn o th a v et od e p l o yc o m p l e xg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，p e e r sa r em a n a g e db ya c e n t r a ls e w e r ；( 2 ) r o b u s ta n dr e s i l i e n t , a st h ep a r t n e r s h i p se n a b l ea d a p t i v ea n dq u i c k s w i t c h i n ga m o n gm u f t i s u p p l i e r s ；( 3 ) s e a l a b i l i t y ，a sm e d i a d a t ad i s t r i b u t e di nap 2 p m a n n e r , m o r eu s e r s ，m o r eq u l c h y f i n a l l y ，t h i sa r t i c l ei l a d ea na b s t r a c tm o d e lo fs t r e a m i n gm e d i a i nt h eh o p e t o p r o v i d eam o d e lo f l o g i c t h ei m p o r t a n to fs t r e a m i n gm e d i as y s t e mc a c h i n ga l g o r i t h m i sd i s c u s s e d t h ep o p u l a rc o n c e p tw a sa d d e di nc a c h i n ga l g o r i t h m w eh o p et h a tt h e p o p u l a rc o n c e p tc a l la c h i e v ef i n - t h e rr e l a t i v e l yg o o dc o n d i t i o ns oc a ni m p r o v et h e p c r f o r n 眦c eo f t h es y s t e m 4 k e y w o r d ：p 2 ps t r e a m i n gm e d i a 山东师范大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题的研究背景 随着互联网宽带网络技术的进步，促使i n t e m e t 从窄带迅速向宽带转换。宽 带的普及和通信网络技术的迅速发展，人们不再局限于传统的网页浏览，文件下 载等应用，而是将焦点更多的放到了网络多媒体服务，而视频服务更是成为其中 重要的组成部分。据i d c ( i d c 是全球著名的信息技术、电信行业和消费科技 市场咨询、顾问和活动服务专业提供商) 、p a u lk a g a na s s o c i a t e s ( 保罗卡根协会) 和r a y m o n dj a m e s ( 美国最大的金融服务公司之) 信息，全球视频点播、视频广播 和视频会议服务的年收入2 0 0 5 年将比2 0 0 4 年增长3 0 亿美元。当前国内正在建 设国家视频网格，其主要作用是提供以下服务功能：集成视频会议、视频点播、视 频广播和视频监控等；支持高清晰度电视和第三代移动通信；支持p c 、p d a 和机 顶盒( s t b ) 等用户终端；提供远程教育、远程医疗、家庭娱乐和电子保安等一系列 创新服务。这些都表明视频服务有着广阔的应用前景。流媒体具有边传输，边下 载，边播放的特点，它将成为视频服务发展的重点。 然而由于流媒体对流量带宽的资源需求很大，解决服务器端流量带宽瓶颈成 为促进流媒体应用发展的首要问题。例如以一个传统的流媒体服务为例【l 】：一个 比特率为3 0 0 k b p s 的视频节目，如果同时1 0 0 0 人访问，那么服务器端网络带宽 必须达到3 0 0 m b s 以上。能满足这些条件的网络和服务器少之又少，如果支持更 多的用户就更是难上加难，我们可以使用服务器集群，提高整个流媒体系统性能， 通过增加光纤提高出口带宽，但是这就使得我们的投入相当高而成本问题恰恰是 我们要首先去考虑的问题。在互联网上，最经济的方式是让尽可能多的用户按照 “就近”原则，从服务提供点获取服务，这样在骨干网络中不必要的流量就可以 尽可能地少，从而能够大大节省网络带宽。对于以往的集中式系统，即便是服务 器的服务能力再强劲，也不可能为一个城市或更大规模的用户群提供服务，因而 分布式系统是唯一可能的选择。但是，传统的分布式系统解决方案中，系统并不 能按照用户的行为特点动态地改变服务方式，也不能按需分配资源。结果是，要 么系统服务能力不足，无法满足用户需要；要么系统所拥有的资源长时间空闲， 系统资源造成很大浪费。那么怎样才能找到一种高效、经济的流媒体模型就成为 现在的一个研究热点，本文的研究工作也正是在这样一种背景下提出的。 山东师范大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 流媒体技术起源于窄带互联网时期。由于经济发展的需要，人们迫切渴求一 种网络技术，以便进行远程信息沟通。从1 9 9 4 年一家叫做p r o g r e s s i v en e tw o r k s 的美国公司成立之初，流媒体开始正式在互联网上登场亮相。1 9 9 5 年，他们推 出了c s 架构的音频接受系统r e a la u d i o ，并在随后的几年内引领了网络流式技 术的汹涌潮流。1 9 9 7 年9 月，该公司更名为r e a l n e t w o r k s ，相继发布了多款应用 非常广泛的流媒体播放器r e a l p l a y c r 系列，在其鼎盛时期，曾一度占据该领域超 过8 5 的市场份额。r e a l n e t w o r k s 公司可以称得上是流媒体真正意义上的始祖。 2 0 0 0 年下半年，随着全球范围内的互联网升温，宽带i p 网不再是梦想，作为流 媒体技术倡导者和发起者的美国r e a ln e t w o r k s 、m i c r o s o f t 、a p p l e 等公司几乎 同时向世界宣布了他们最新的流媒体技术的宽带解决方案，在短短的时间里，流 媒体技术有了飞跃性发展 传统流媒体系统对用户带宽、服务器负载的高要求都限制了流媒体的应用， 宽带虽然速度有了很大提高，但视频质量仍然不够理想，特别是节假日或者上网 高峰，而且对于提供流媒体服务的网络运营商来讲，要想提供高质量的服务投入 是巨大的。由于流媒体实用和潜在的价值，国内外很多研究机构都已对流媒体展 开了大量的研究。应用p 2 p 技术的bt 和电驴的出现带来了下载的革命性体验， 那么p 2 p 技术是不是能应用在流媒体系统中呢? 不少研究机构都开始对p 2 p 的流 媒体传输进行研究。美国斯坦福大学在早期提出了s p r e a d l t 体系，该体系将p e e r 组织成单一的组播树，利用p e e r 的资源转发媒体流。佛罗里达大学提出的 z i g z a g ，则是将p e e r 组织成层次式的集群，按照一定的规则建立组播树，实现 了大规模的组播应用。马塞诸塞大学则设计实现了d i r e c t s t r e a m ，一个基于目 录的视频点播系统，目录中维护了服务器的影片信息索引以及组播树中所有 p e e r 的信息，新的p e e r 加入时查找目录，若存在提供其请求服务的组播树则加 入相应的组播树，否则由服务器处取得服务并创建新的组播树。而微软研究院在 继c o o p n e t 之后又设计了s p l i t s t r e a m 流媒体系统，该系统以减小组播树内部节 点的负载为目标，建立多棵组播树，每棵组播树的内部节点是其它组播树的叶子 节点，完整的媒体流被分割为均等的数据流在各棵组播树上传送，这样将传统的 单组播树中内部节点的转发负载分散到所有参与组播的节点中。美国普度大学则 6 山东师范大学硕士学位论文 一直以来对基于单播的p 2 p 流媒体传输进行研究，2 0 0 2 年他们提出了p 2 p 流媒 体传输的模型，模型建议采取一些激励机制鼓励p e e r s 共享它们的资源，同时提 出了以基于i p 地址前缀的集群来有效地管理p e e r s 。经进一步的研究后，他们 又在随后的技术报告中提出了p r o m i s e 流媒体系统。在p r o m i s e 中，解决了如何 根据动态变化的网络状况以及网络拓扑，选取最好的服务提供者的问题，同时考 虑了p e e r s 能力的异构性，提出了如何在各个服务提供者分配传输的数据以及传 输速率的算法。 时下国内很多基于p 2 p 流媒体系统已经建立，例如c o o l s t r e a m i n g ， g r i d m e d i a ( 清华大学多媒体实验室) ，p p l i v e ( 华中科技大学创业团队) ， p p s t r e a m ，a n y s e e ( 华中大) 等等。虽然目前来讲像p p l i v e 之类的网络电视得到 广泛应用，但是国内p 2 p 流媒体的相关研究发展较晚，相关的资料相对较少，所 以说我们还有很多工作去做。 1 3 课题研究的主要内容 本文主要研究网络环境下流媒体服务系统的建立，深入探讨流媒体的系统结 构以及流媒体中的调度问题。 ( 1 ) 首先对流媒体技术及目前的p 2 p 技术做了相关的研究。对流媒体技术 的传输基础，传输协议及流媒体的播放方式和文件格式做了一定的了解。对于目 前的p 2 p 的几种形式和目前p 2 p 技术的应用也做了相应的了解。 ( 2 ) 对于目前典型的p 2 p 流媒体模型做了深入的研究。深入的对比较典型 的基于树的p 2 p 流媒体模型p e e r c a s t 、z i gz a g 、s p l i t s t r e a m 和基于g o s s i p 协议的d o n e t 模型作了深入的分析。 ( 3 ) 提出一种混合的流媒体模型，结合传统c s 结构和p 2 p 结构的特点。 对流媒体的模型进行抽象，提出一种逻辑上的结构。对流媒体系统中的缓存算法 进行研究。 山东师范大学硕士学位论文 第2 章流媒体和p 2 p 相关技术 2 1 流媒体概述 流媒体t 2 ( s t r e a mm e d i a ) 是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体。 说得更具体一点，所谓流媒体技术，就是把连续的影像和声音信息经过压缩处理 后放到流媒体网络服务器上，通过因特网让浏览者一边下载一边观看、收听，而 不需要等到整个多媒体文件下载完成就可以即时观看的技术。即流媒体技术实现 了边传输、边下载、边播放的过程。“ 为了迸一步理解流媒体，在此对“媒体”和“流”这两个概念作迸一步解析。 媒体也称为媒介或媒质，它是表示和传播信息的载体。通常指的多媒体就是对 多种媒体上的信息和多种存储媒体上的信息进行处理和加工的技术。而多媒体系 统就是利用计算机网和数字通信网技术对多媒体信息进行处理和控制的系统。 流媒体亦属于多媒体的范畴。流媒体中的媒体是指表示媒体，主要是指声音 编码信息。但是流媒体强调了一个“流”字。流媒体的“流”指的是流媒体数据 的网络传输方式和播放方式。当特定的流媒体服务器在发送数据时，不管是声音、 视频还是其他各式的媒体文件，总是将一个文件分成多个较小的部分，依次将他 们发送到用户端。 2 2 流媒体的传输技术 2 2 1 流媒体的传输基础 流媒体实现的关键技术就是流式传输。流式传输的过程一般是这样的：用户 选择某一流媒体服务后，w e b 浏览器与w e b 服务器之间使用h t t p t c p 交换控 制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的 w e b 浏览器启动视频、音频播放程序，使用h t r p 从w e b 检索相关参数对播放 程序初始化。流式传输定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒体( 如视频、音 频) 的技术总称。其特定含义为通过i n t e m e t 将影视节目传送到p c 机。实现流式 传输主要有两种方法：实时流式传输r e ( 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 ) 实时流式传输必须匹配连接带宽，这意味着在以调制解调器速度连接 时图像质量较差。而且，由于出错丢失的信息被忽略掉，网络拥挤或出现问题时， 8 山东师范大学硕士学位论文 视频质量很差。如欲保证视频质量，顺序流式传输也许更好。实时流式传输需要 特定服务器，如w i n d o w sm e d i as e r v e , r e a ls e r v e r 与q u i c h i m es t r e a m i n gs e n r 盯。 这些服务器可以用来对媒体发送进行更多级别的控制，因而系统设置、管理比标 准h t t p 服务器更复杂。实时流式传输还需要特殊的网络协议，如实时传输协 议r t p 与r t c p ，实时流协议r t s p ( r e a lt i m es f f e a r n m gp r o t o c 0 1 ) 及常用的应用层 协议h r r p 等。r t p 是针对网络上传输多媒体数据流的传输协议，适用于在一对 一或一对多的传输情况下工作，可以提供时间信息并实现流同步；实时传输控制 协议r t c p 和r t p 配合工作，提供流量控制和拥塞控制服务；r t s p 是由r e f l n e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的，r t s p 定义了一对多应用程序如何应用邛网 络传输多媒体数据，r t s p 在协议体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，与h i t p 相比，r t s p 是双向的，使用r t s p 时，客户端和服务器都可以发出请求。 2 2 2 流媒体的传输协议 2 2 2 1 实时传输协议r t p i u l p 【4 】( r e a l - t i m et r a a s p o n p r o t o c 0 0 是用于m t c r 埘吼上针对多媒体数据流的一 种传输协议。r t p 被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供 时间信息和实现流同步。r t p 通常使用u d p 来传送数据，但r t p 也可以在t c p 或a r m 等其他协议之上工作。当应用程序开始一个r t p 会话时将使用两个端口： 一个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传 送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。通常r t p 算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。r t p 提供端对端网络传输功能，适合通过组播和点播传送实时数据，如视频、音频和 仿真数据。r i p 没有涉及资源预订和质量保证等实时服务，r t c p 扩充数据传输 以允许监控数据传送，提供最小的控制和识别功能。r t p 与r t c p 设计成独立传 输和网络层。 2 2 2 2 实时传输控制协议r t c p r t c p 5 】( r e f l - t i m et r a n s p o ac o n t r o lp m t o c 0 0 和r ，r p 一起提供流量控制和拥 塞控制服务。在r t p 会话期间，各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含 有己发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以 9 山东师范大学硕士学位论文 利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合 使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送 网上的实时数据。 2 2 2 3 实时流协议r t s p 实时流协议r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 是由n e t s c a p e 和 r e a l n e t w o r k s 共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过i p 网 络传送多媒体数据。r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用t o p 或r t p 完成数据传输。哪与r t s p 相比，本质差别就在于数据发送以不同协 议进行。h t t p 是不对称协议，用户发出请求，服务器做出响应。而r t s p 中， 媒体用户和服务器都可发出请求，且其请求都是无状态的，在请求确认后很长时 间内，仍可设置参数来控制媒体流r t s p 提供了一个可扩展框架，使实时数据 如音频与视频的受控、点播成为可能。数据源包括现场数据与存储在剪辑中数据。 该协议目的在于控制多个数据发送连接，为选择发送通道，如u d p 、组播u d p 与t c p 提供途径，并为选择基于r t p 上发送机制提供方法。 2 2 2 4 资源预留协议r s v p 由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网络中传输高 质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需其他更多的条件。r s v p 嘲( g c s o u r c e r e s e r v ep r o t o c 0 1 ) 是正在开发的i n t e r n e t 上的资源预留协议，使用r s v p 预留一部 分网络资源，能在一定程度上为流媒体的传输提供q o s 。 在r s v p 中，数据流是一系列信息，有着相同的源、目的( 可有多个) 和服务 质量，q o s 要求通过网络以流说明形式通讯。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。r s v p 支持三种传输类型：最好性能 ( b e s t - e f f o r t ) 、速率敏感( r a t e - s e n s i t i v e ) 和延迟敏感( d e l a y - s e n s i t i v e ) 。 2 2 3 流媒体播放方式 2 2 3 1 单播 在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的数据通道，从一台服务器送 出的每个数据包只能传送给一个客户机，这种传送方式称为单播粥。每个用户 必须分别对媒体服务器发送单独的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所申 1 0 山东师范大学硕士学位论文 请的数据包拷贝。这种巨大冗余首先造成服务器沉重的负担，响应需要很长时间， 甚至停止播放：管理人员也被迫购买硬件和带宽来保证一定的服务质量。 2 2 3 2 点播与广播 点播i s 连接是客户端与服务器之间的主动连接。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。用户可以开始、停止、后退、快进或暂停流。 点播连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自连接服务器， 会迅速用完网络带宽。 广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制流。 例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中数据包的单独一个拷贝将发 送给网络上的所有用户，虽然服务器只需要发送一次数据，效率很高，但如果多 媒体通信采用广播发送方式，则大量的数据将造成“广播风暴”，使网络通信处 于瘫痪。 2 2 3 3 组播 使用单播发送时，需要将数据包复制多个拷贝，以多个点对点的方式分别发 送到需要它的那些用户，随着用户的增多，这种传输方式会非常浪费网络带宽。 而使甩卢播方式发送，数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，而不 管用户是否需要，上述两种传输方式都存在一定的弊端。组播嗍吸收了上述两种 发送方式的长处，克服了上述两种发送方式的弱点，将数据包的单独一个拷贝发 送给需要的那些客户。组播不会复制数据包的多个拷贝传输到网络上，也不会将 数据包发送给不需要它的那些客户，这样就保证了网络上多媒体应用占用网络的 最小带宽。但技术实现也相应复杂些。 组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制到多 个通道上采用组播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续数据 流而无延时。媒体服务器只需要发送一个信息包，而不是多个；所有发出请求的 客户端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机上，减少网络上传输 的信息包的总量。这样网络利用效率会大大提高，并且成本大为下降。组播传输 可在数据链路层( 第二层) 和网络层( 第三层) 实现，支持的网络类型包括以太网、 f d d i 和a t m ，大多数路由器提供商支持d 组播。 山东师范大学硕士学位论文 2 3 常见的流媒体文件格式 2 3 1 微软高级流格式a s f m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sm e d i a 的核心是a s f 1 0 1 1 1 】( a d v a n c e ds t r e a m f o r m a t ) 。微软将a s f 定义为同步媒体的统一容器文件格式。a s f 是一种数据格 式，音频、视频、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过这种格式，以网络数 据包的形式传输，实现流式多媒体内容发布。a s f 最大优点就是体积小，因此 适合网络传输，使用微软公司的最新媒体播放器( m i c r o s o f tw i n d o w sm e d i ap l a y e r ) 可以直接播放该格式的文件。用户可以将图形、声音和动画数据组合成一个a s f 格式的文件，当然也可以将其他格式的视频和音频转换为a s f 格式，而且用户 还可以通过声卡和视频捕获卡将诸如麦克风、录像机等等外设的数据保存为a s f 格式。另外，a s f 格式的视频中可以带有命令代码，用户指定在到达视频或音频 的某个时间后触发某个事件或操作。 a s f 的特征f 1 2 1 ： 可扩展的媒体类型a s f 文件允许制作者很容易地定义新的媒体类型。a s f 格式提供了非常有效的灵活地定义符合a s f 文件格式定义的新的媒体流类型。 任一存储的媒体流逻辑上都是独立于其他媒体流的，除非在文件头部分明显地定 义了其与另一媒体流的关系。 部件下载。特定的有关播放部件的信息( 如，解压缩算法和播放器) 能够存 储在a s f 文件头部分，这些信息能够为客户机用来找到合适的所需的播放部件 的版本，如果它们没有在客户机上安装。 可伸缩的媒体类型a s f 是设计用来表示可伸缩的媒体类型的”带宽”之间的 依赖关系。a s f 存储各个带宽就像一个单独的媒体流。媒体流之间的依赖关系存 储在文件头部分，为客户机以个独立于压缩的方式解释可伸缩的选项提供了丰 富的信息流的优先级化- 现代的多媒体传输系统能够动态地调整以适应网络资 源紧张的情况( 如，带宽不足) 。多媒体内容的制作者要能够根据流的优先级表 达他们的参考信息，如最低保证音频流的传输。随着可伸缩媒体类型的出现，流 的优先级的安排变得复杂起来，因为在制作的时候很难决定各媒体流的顺序。 a s f 允许内容制作者有效地表达他们的意见( 有关媒体的优先级) ，甚至在可伸 缩的媒体类型出现的情况下也可以 山东师范大学硕士学位论文 多语言a s f 设计为支持多语言。媒体流能够可选地指示所含媒体的语言。 这个功能常用于音频和文本流。一个多语言a s f 文件指的是包含不同语言版本 的同一内容的一系列媒体流，其允许客户机在播放的过程中选择最合适的版本。 目录信息a s f 提供可继续扩展的目录信息的功能，该功能的扩展性和灵活性都 非常好。所有的目录信息都以无格式编码的形式存储在文件头部分，并且支持多 语言，如果需要，目录信息既可预先定义( 如，作者和标题) ，也可以是制作者自定 义。目录信息功能既可以用于整个文件也可以用于单个媒体流。 2 3 2r e a l s y s t e m 的r e a l m e d i a 文件格式 r e a l n e t w o r k s 公司的r e a l m e d i a t l 3 】包括r e a l a u d i o 、r e a l v i d e o 和r e a l f l a s h 三类文件，其中r e a l a u d i o 用来传输接近c d 音质的音频数据，r e a l v i d e o 用来 传输不间断的视频数据，r e a l f l a s h 则是r e a l n e t w o r k s 公司与m a e m m e d i a 公司新 近联合推出的一种高压缩比的动画格式r e a l m e d i a 文件格式的引入了，它使得 r e a l s y s t e m 可以通过各种网络传送高质量的多媒体内容。第三方开发者可以通过 r e a l n e t w o r k s 公司提供的s d k 将它们的媒体格式转换成r e a l m e d i a 文件格式。 2 3 3 q u i c k t i m e 电影( m o v i e ) 文件格式 a p p l e 公司的q u i c k t i m e 电影文件现已成为是数字媒体领域的工业标准。 q u i e k t i m e 电影文件格式定义了存储数字媒体内容的标准方法，使用这种文件格 式不仅可以存储单个的媒体内容( 如视频帧或音频采样) ，而且能保存对该媒体作 品的完整描述；q u i e k t i m e 文件格式被设计用来适应为与数字化媒体一同工作需 要存储的各种数据。因为这种文件格式能用来描述几乎所有的媒体结构，所以它 是应用程序间( 不管运行平台如何) 交换数据的理想格式。q u i c k t i m e 文件格式 中媒体描述和媒体数据是分开存储的，媒体描述或元数据( m e t a - d a t a ) 叫做电影 ( m o v i e ) ，包含轨道数目、视频压缩格式和时间信息同时m o v i e 包含媒体数据 存储区域的索引。媒体数据是所有的采样数据，如视频帧和音频采样，媒体数据 可以与q u i c k t i m e m o v i e 存储在同一个文件中，也可以在一个单独的文件或者在 几个文件中 2 4p 2 p 技术简介 f 2 p 1 4 1 技术称为对等网络技术，它是一种用于不同p c 客户之间，不经过中 山东师范大学硕士学位论文 间设备直接交换信息的技术，实质上是一种网络结构思想。p 2 p 技术并不是一个 全新的网络技术，早在几年前，互联网出现的时候p 2 p 技术就应运而生。它与 目前网络中占据主导地位的客户端服务器( c l i e n t s e r v e r ) 结构的本质区别是整 个网络结构中不存在中心节点( 或中心服务器) 。p 2 p 节点之间关系是平等的、直 接联系的，具有处理信息和提供信息等功能。即每台p c 可以直接连接到其它p c ， 并进行文件交换，而不需要连接到服务器上再进行浏览与下载。p 2 p 技术弱化了 服务器的作用，甚至取消服务器，任意两台p c 互为服务器，同时又是客户机。 p 2 p 技术的目的就是希望能够充分利用i n t e r a c t 中所蕴含的潜在的计算资源，通 过系统中各个节点之间直接的数据通信引导网络计算从中心走向边缘，充分利用 终端设备的处理能力，每个节点主动地加入网络中共享资源。随着p 2 p 技术的 发展，它逐步应用到视频技术领域，使p 2 p 技术与流媒体技术的结合应用成为 必然。 传统的流媒体播放方式是基于c s 集中式网络模式，面临网络带宽受限的问 题，表现在媒体服务器负担过重，支持客户数目有限，节目播放效果较差；而p 2 p 技术采用分布式网络模式，很好地解决了网络带宽瓶颈问题。如果在流媒体技术 中融入p 2 p 技术，用户可根据他们的网络状态和设备能力与一个或几个用户建 立连接来分享节目，这种连接能减少服务器的负担，合理使用网络带宽，提高每 个用户的节目播放质量，即使是大量的用户同时访问流媒体服务器，也不会造成 服务器因负载过重而瘫痪。 2 5p 2 p 的两种形式 p 2 p 改变了网络“内容”所在的位置，使其从“中心”走向“边缘，也就是 说内容不再主要的存在于服务器上，而是存在于所有用户的p c 机上。p 2 p 使得 p c 重新焕发活力，不再是被动的客户端，而成为具有服务器和客户端双重特征 的设备。 实际上，p 2 p 模式也不一定是完全无中心的。它可分为纯粹的p 2 p 和混合的 p 2 p 两类。纯粹的p 2 p 是指所有参与的计算机都是对等点，各对等点之间直接通 信，自始至终都没有中心服务器对对等点之间的信息交换进行控制、协调或处理。 混合式p 2 p 则依