（计算机应用技术专业论文）基于网络计算机的视频点播和信息管理系统.pdf

摘要 本论文的主要研究内容是能够适用于城域网或小区网环境的视频点播和信 息管理系统。传统的电视系统信息单向传送，用户只能被动接收。而v o d 是以“选 择控制权在用户”的崭新概念为基础的双向视音频信息系统，实现了按用户需要 播放视音频节目的理想。 v o d 是未来信息高速公路构架的重要组成部分，是未来信息服务中宽带业务 的灵魂。国外九十年代末兴起的v o d 服务已广泛应用于各大星级酒店和高档住宅 小区、娱乐场所、有线电视台，成为其提高服务水准，增加竞争力的必各设施。 通过v o d 系统，人们足不出户便可观赏最流行的影视节目，查询众多服务信息， 进行网上购物，了解最新财经动态，欣赏高品质多媒体视频，尽享全方位多 功能的信息服务。中国多媒体数字化领域的领先者，开发出了一系列业界领先的 具有自主知识产权的信息产品，如v o d ，m p e g 一2 编解码器，h p c ，p d a ，i r d ，可视 电话会议系统等。其中，视频点播系统代表国内v o d 技术的最高水平，不仅可以 提升综合娱乐、群体视频需求、酒店服务的服务水平，并为经营者带来显著的经 济效益。 正当传统的模拟技术在视频点播面前已经无能为力之时，网络和多媒体数字 技术的迅速发展，使我们在忽然之间看到了全新的曙光以全数字方式，通过计算 机网络和客户机服务器的结构( 或分布式结构) 提供服务，这才是真正的v o d ， 无等待、零管理、免维护、超大容量、无损耗。它的核心就是采用全数字技术， 利用最尖端的网络技术，将视频信号以数字流的方式进行管理，从而将所有限制 抛于脑后，真真正正的实现了多年以来人们的梦想v i d e oo nd e m a n d ，随意视频 点播。 本研发系统目标采用c l i e n t s e r v e r 模式，用网络计算机( n c ) 实现v o d 视 频点播。在实际应用中，用户通过客户端来与视频服务器端进行通信，获得流媒 体信息，在客户端实现实时流媒体播放。 关键词流媒体；视频点播；网络计算机 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sv o da n di n f o r n a a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mu s e di nt h em a n a n dl a ne n v i r o n m e n t i nt h et r a d i t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m t h et r a n s f e ro fi n f o r m a t i o ni s s i n g l e d i r e c t i o n a l a n dt h ec l i e n t sh a v et oa c c e p tt h e i n f o r m a t i o np a s s i v e l y v o di sab i d i r e c t i o n a lv i d e oa n da u d i oi n f o r m a t i o ns y s t e m b a s e do nan e wc o n c e p t ，w h i c ht h es e l e c t i o na n dc o n t r o la r eo nt h ec l i e n t s s i d e i t r e a l i z e st h ei d e a lo fp l a y i n gv i d e oa n da u d i op r o g r a m sa c c o r d i n gt ot h ec l i e n t s r e q u i r e m e n t s v o di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e m e n t so ft h ef u t u r ei n f o r m a t i o nh i g h w a y s t r u c t u r e a n di ti st h es o u lo ft h ef u t u r eb r o a d b a n di n f o r i l l a t i o ns e r v i c e v o ds e r v i c e w i l i c hw a s f l o u r i s h i n gi nt h ew e s ti nt h ee n do f 9 0 s i sa l r e a d yw i d e l yu s e di nm a n y q u a l i f i e dh o t e l s a n du p t o w n s ，e n t e r t a i n m e n tp l a c e s ，t vs t a t i o n ，e t c i t g r a d u a l l y b e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e q u i r e m e n t sf o ri m p r o v i n gt h e i r q u a l i t yo f s e r v i c e sa n di n c r e a s i n gt l l e i r c o m p e t i t i v ea b i l i t y u s i n gv o ds y s t e m p e o p l ec a n e n j o yt h em o s tp o p u l a rt vp r o g r a m sa n dm o v i e sw i t h o u tg o i n go u t ，m e ya l s oc a n l o o kf o ra 1 1d i f f e r e n tk i n d so f i n f o r m a t i o n ，s h o po nt h en e t w o r k ，f m do u tt h er e c e n t e c o n o m i ct r e n d s ，e n j o yt h eh i g h - q u a l i f i e dm u l t i m e d i av i d e op r o g r a m ，e t c 。p e o p l ec a n e n o vc o m p l e t e da n df i m c t i o u a li n f o r m a t i o ns e r v i c e t h ef o r e r u n n e r so ft i l ec h i n e s e m u l t i m e d i ad i g i t a la r e a ，d e v e l o p e das e r i e so fa d v a n c e di n f o r m a t i o np r o d u c t st h a t h a v ei n f o r m a t i o np r o p e r t yr i g h t s ，s u c ha sv o d ，口e g 一2c o d e da n dd e c o d e ds y s t e m ， h p c ，p d a ，n e t - m e e t i n gs y s t e m ，e t c a m o n go ft h e s e ，v o ds y s t e mr e p r e s e n t s 也eh i g h e s tl e v e lo fc h i n e s ev o d t e c h n i q u e s i tn o to n l yi n c r e a s e st h er e q u i r e m e n t s o f s y n t h e t i ce n t e r t a i n m e n t sa n dm u l t i v i d e n ，a n dt h el e v e lo f t h es e r v i c e so f t h eh o t e l s 。 b u ta l s ob r i n g st h eh i g he c o n o m i ce f f e c tf o rt h eb u s i n e s s m a n w h e n 血et r a d i t i o n a la n a l o gt e c h n i q u e sa r en ou s ef o rt h ev o d t h ed e v e l o p i n go f t h e n e t w o r ka n dt h em u l f i m e d i ad i g i t a lt e c h n o l o g i e sp r o v i d eu sar e a lv o dc o n c e p t ， w h i c hp r o v i d e st h es e r v i c e sf r o mt h en e t w o r ka n dt h ec l i e n t s e r v e rs t r u c t u r e ( d i s t r i b u t e ds y s t e m ) v o di sn ow a i t i n g ，n om a n a g e m e n t ，n om a i n t e n a n c ea n dn o c o s t i n g b u t l a r g ec o n t e n t i t sc o r ei sa d o p t i n g t h e d i g i t a lt e c h n i q u e sa n du s i n g t h em o s t a d v a n c e dn e t w o r kt e c h n i q u e s ，t om a n a g et h ev i d e os i g n a l sa st h ed i g i t a ls t r e a m s i t c o n q u e r sa l lt h er e s t r i c t i o n s a n di n d e e d r e a l i z e st h ep e o p l e sl o n g t e r md r e a m v i d e o o nd e m a n d ， t h i ss y s t e ma d o p t sc l i e n t s e r v e rm o d e ，a n dr e a l i z e sv o d u s i n gn e t w o r kc o m p u t e r s ( n c ) i nt h e a c t u a l u s e s ，p e o p l ec o m m u n i c a t ew i t ht h e v i d e os e r v e rt h r o u g ht h e c l i e n t s a p p l i c a t i o n ，o b t a i nt h es t r e a mm e d i a , a n d t h e nr e a l i z et h er e a l - t i m ep l a y i n go f t h es t r e a mm e d i ao nt h ec l i e n t s s i d e ， k e y w o r d s t r e a mm e d i a ：v o d ：n e t w o r kc o m p u t e r s i i 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蕴! 差! 12 日期：塑坐：6 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：造堡! 丛导师签名：茎矍壁垒 日期：叟垡! ! ： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及其意义 v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 是视频点播技术的简称，也称为交互式电视点播系 统，意即根据用户的需要播放相应的视频节目，从根本上改变了用户过去被动 式看电视的不足。当您打开电视，您可以不看广告，不为某个节目赶时间，随 时直接点播希望收看的内容，就好像播放冈r j n i j 放进自己家里录像机或v c d 机中 的一部新片子，但是您又不需要购买录像带或者v c d 盘，也不需要录像机或者 v c d 机。这就是信息技术带给您的梦想，它通过多媒体网络将视频节目按照个 人的意愿送到千家万户。 放眼宽带网络的应用，v o d 最贴近百姓生活，不过它的技术难度也最大。 拿中国电信的话来说，就是高速路有了，就要有车跑，v o d 应用就是宽带多媒 体网络上最醒目的车。 v o d 技术不仅可以应用在电信的宽带网络中，同时也可以应用在小区局域 网及有线电视的宽带网络中。如今在建设智能小区过程中，计算机网络布线己 成为必不可少的一环，小区用户可以通过网络计算机( n c ) 、电脑( p c ) 、电视 机( 配机顶盒) 等方式实现v o d 视频点播应用，丰富了人们的文化生活；有线 电视经过双向改造，可以让广大的电视用户通过有线电视网点播视频节目。 作为一个v o d 系统主要由三部分构成： 一、服务端系统 服务端系统主要由视频服务器、数据库服务器、内部通讯子系统和网 络接口组成。数据库服务器主要承担信息管理、计费、影视材料的整理和 安全保密等任务。内部通讯子系统主要完成服务器间信息的传递、后台影 视材料和数据的交换。网络接口主要实现与外部网络的数据交换和提供用 户访问的接口。视频服务器主要由存储设备、高速缓存和控制管理单元组 成，其目标是实现对媒体数据的压缩和存储，以及按请求进行媒体信息的 检索和传输。视频服务器与传统的数据服务器有许多显著的不同，需要增 加许多专用的软硬件功能设备，以支持该业务的特殊需求。例如：媒体数 据检索、信息流的实时传输以及信息的加密和解密等。对于交互式的v o d 系统来说，服务端系统还需要实现对用户实时请求的处理、访问许可控制、 v c r ( v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r ) 功能( 如，快进、暂停、重绕等) 的模 拟。 二、网络系统 网络系统包括主干网络和本地网络两部分。因为它负责视频信息流的 实时传输，所以是影响连续媒体网络服务系统性能极为关键的部分。同时， 媒体服务系统的网络部分投资巨大，故而在设计时不仅要考虑当前的媒体 应用对高带宽的需求，而且还要考虑将来发展的需要和向后的兼容性。当 前，可用于建立这种服务系统的网络物理介质主要是：c a t v ( 有线电视) 的同轴电缆、光纤和双绞线。而采用的网络技术主要是：快速以太网、f d d i 和a t m 技术。 三、客户端系统 目前，根据不同的功能需求和应用场景，主要有三种v o d 系统：n v o d ， t v o d ，l v o d 。 n v o d ( n e a r v i d e o 一0 n d e m a n d ) ，可称其为就近式点播电视。这种点播 电视的方式是：多个视频流依次间隔一定的时间启动发送同样的内容。比 如，十二个视频流每隔十分钟启动一个发送同样的两小时的电视节目。如 果用户想看这个电视节目可能需要等待，但最长不会超过十分钟，他们会 选择距他们最近的某个时间起点进行收看。在这种方式下，一个视频流可 能为许多用户共享。 t v o d ( t r u ev i d e o o n d e m a n d ) ，称其为真实点播电视，它真正支持即 点即放。当用户提出请求时，视频服务器将会立即传送用户所要的视频内 容。若有另一个用户提出同样的需求，视频服务器就会立即为他再启动另 一个传输同样内容的视频流。不过，一旦视频流开始播放，就要连续不断 的播放下去，直到结束。这种方式下，每个视频流专为某个用户服务。 i v o d ( i n t e r a c t i v ev i d e o o n d e m a n d ) ，称为交互式点播电视。它比 前两种方式有很大程度上的改进。它不仅可以支持即点即放，而且还可以 让用户对视频流进行交互式的控制。这时，用户就可象操作传统的录像机 一样，实现节目的播放、暂停、倒回、快进和自动搜索等。 只有使用相应的终端设备，用户才能与某种服务或服务提供者进行联系和 互操作。在v o d 系统中，需要电视机和网络计算机( n c ) 。客户端系统中，除了 涉及相应的硬件设备，还需要配备相关的软件。例如，为了满足用户的多媒体 交互需求，必须对客户端系统的界面加以改造。此外，在进行连续媒体播放时， 媒体流的缓冲管理、声频与视频数据的同步、网络中断与演播中断的协调等问 题都需要进行充分的考虑。 可见v o d 服务虽然很诱人，但其实现技术却不是一根“易啃的骨头”。不 过随着网络技术、计算机技术、存储技术等的飞速发展，广大用户充分享受v o d 乐趣的日子已经不远了。到那时，点播用户只要操作遥控器，轻轻一按，就可 心想事成的收看和欣赏自己喜爱的节目，并可随时调整放映的进度、快慢等。 v o d 的出现使得电视机变成了一种可以随机获取信息的媒体，更像是一本书或 是一张报纸，可以浏览，可以调整，不再局限于某一时间、曰期和固定节目的 限制。 虽然，v o d 的最初出现是为了更好的满足用户对自主收看视频节目的需求， 但是随着v o d 技术的不断进步，其广泛的应用对大众文化和商业运作模式都将 产生强烈的影响。v o d 不仅可以为终端用户提供多样化的媒体信息流，来扩大 人们的信息渠道，丰富人们的精神生活：而且在医院、宾馆、飞机等场所的娱 乐，公司的职员培训、远距离市场调查、公司的广告业务等领域将逐渐充斥着 v o d 技术的全新应用。 1 2 视频点播系统发展概况 v o d 可以广泛应用于计算机局域网、广域网、宽带综合接入网、有线电视 网等，在许多领域都具有广阔的应用前景。 v o d 视频点播技术的出现，在某种意义上讲是视频信息技术领域的一场革 命，其巨大的潜在市场，使世界主要发达国家都投入了大量的资金，加速开发 和完善这一系统。v o d 技术之功能远远超出人们的想象。用户可在家中的电视 第1 章绪论 机前，利用遥控器按照自己的意愿来实现点播电视、信息查询、家庭购物、远 程医疗、电视教育、电子函件、旅游指南、定票预约、股票交易等等流动。这 一技术的出现，极大地提高和改善了人们的生活质量和工作效率。 率先进入这个领域的产品，国外主要是一些大型公司，如o r a c l e ，苹果公 司等作了大量的研究工作。目前主要的供应商有n e c 和c i s c o 等公司。目前各 公司都以一定的技术方式提供了可称为真正v o d 系统的产品，而在具体性能上 有各有千秋。主要有以下三种： 一、客户机使用顶置盒，顶置盒内藏m o d e m 和有线电视接收装置，并连结 到电视的射频输入上。 由顶置盒与服务器通过电话线进行数据通信，由客户机以标准的 a t 指令集与服务器的多用户卡联系，通过服务器的管理软件控制服务 器直接管理的视频播放客户机，播放相应的视频节目，再由调制器将该 节目信号调制到有线电视的频道中，客户端的顶置盒自动跳到该频道接 收电视节目，从而实现了视频点播。它的优点在于：客户端顶置盒功能 专用化从而降低了成本，可以使用现有线路不必重新布线。缺点在于： 模拟传输的机制造成信号质量随传输距离下降很快；操作反应因为先要 拨号，再要等待服务器控制视频播放客户机，速度极慢，有的情况还要 考虑电话费的问题；其他有线电视用户也可以收看别人点播的视频而不 必付费；最大可能同时支持的用户数比较少( 有线台总的频道数一 已有频道数掌2 ) 2 ，或者有线台频道数一已有频道数；记费管理困难。 这类产品是数字与模拟的混合产品，目前已比较成熟，也是当前v o d 技 术讨论的热点，国内的j u s tv o d 系统就是此类的典型。 二、全面使用i p 网络技术。通过纯计算机网络，以管理服务器和加强型的 文件服务器作为视频服务。 优点在于：能力最为强大，可以任意扩展功能领域；所有操作都相 当于本地执行，没有烦人的长时间等待；信号以数据方式传播，绝对无 损；多用户点播相同节目时，一类产品可以基本只受网络能力限制( 如 c i s c o 的产品) ，另一类也可允许较多用户( 如f i s c 等公司产品) ；记 费管理等很容易实现。缺点在于：客户机使用电脑，成本较高；能支持 的用户数受网络能力限制，一般在5 0 户左右同时使用，a t m 为8 0 用户 同时使用；通常需要布线。c l s c o 等产品中，由于使用了m u l t i c a s t 技术，对广播式视频播放( n 、，0 d ) 性能大幅提高，但对于纯v o d 没有性 能提高。目前来看，发展广播视频对于v o d 系统是一个误区，完全没能 发挥出计算机网络应有的优势。我们建议采用有线网络与以太网双网并 存以提高性能。 三、也是i p 网络技术，但通过有线电视网线联网，以c a b l em o d e m 连结。 在原有的模拟信号上，一种方式采用6 4 q a m 或2 5 6 q a m 方式进行调 制，上行时采用电话线。另一种方式采用双向h f c 网，用q p s k 方式调 制。性能在v o d 上基本类似上一种产品。优点是只要对主干网作一定改 动，不必全面布线；一般带宽能力大于上一种情况。缺点是网络上行能 力过弱，用户较多时根本不能使用，必须通过m o d e m 连结服务器：其他 用途无法使用；客户机成本过高( c a b l em o d e m 价格目前还较高，大批 量价格约在2 0 0 0 - 3 5 0 0 元) 。不过，目前c a b l em o d e m 价格据估计可会 在2 3 年内有下降趋势。 北京工业大学工学硕士学位论文 四、其他。 利用数字广播技术进行n v o d 点播，可以支持理论上无穷多个用户。 但需要用户大量的等待，并且不能操作( 目前经常把上面三种称为i v o d ， 以与n v o d 分别) ，美国的大量产品都是基于这种方式( 如m e d i ah a w k 、 n s t r e a m 、s e a c h a n g e 等公司提供的号称支持8 0 及以上用户的系统都是 采用的这种方式) 。该类系统由于造价与我们提供的系统相比并无明显 优势，且我们的系统如果需要，可通过增加第三方通用软件方法实现， 再则使用中又增加了诸多不便，因而我们不推荐这类产品。 我国的v o d 还处在试验阶段，离大范围应用还有一定距离。但是自1 9 9 9 2 年以来，一场电话声讯服务热在全国电信部门兴起。目前，许多城市都已开通 了电话声讯服务台，一般每个服务台都要安装十几个或者几十个小型数据库， 除了商情、股市信息之外，很大成分属于在线娱乐，如点歌、猜谜、游戏等等 由电话用户自己拉出的节目。这种以音频为主的在线娱乐看上去是很初级的， 但每年则可实现几十亿元的营业收入。这足以使全国上百个大型数据库的拥有 者们瞠目结舌。如果把这种声讯服务扩展为v o d 多媒体服务，与各类信息源部 门，包括广播电视、新闻、图书馆业结盟，将会产生何种量级的经济优势昵? 毋庸置疑，v o d 将会成为信息业的一个新的增长点，蕴育着一个巨大的市场。 从国际发展趋势来看，宽带业务的发展速度并非象人们想像得那么快，这 主要是因为这些业务尚未成为人们生活的第一需要，或为用户带来更大利益， 以及昂贵的费用等诸多因素的限制。从技术的角度来讲，要使v o d 网络进入商 业运营，除了多媒体视频服务器外，a t m 交换机的实用化，i p 网络上传输服务 质量的保证问题的解决，接入网的瓶颈的解决，高效实用的用户终端成本的降 低，相应软件业的兴起等等，都是必须加以考虑的问题。从业务的角度来讲， 国家必须尽快制定与信息业的高速发展相适应的法律和法规，如信息版权、许 可证等等。r o d 系统刚问世数年，目前大都处于试验阶段，但其巨大的发展潜 力与广阔的应用前景确是十分诱人的。在当今社会向高度信息化迈进的时代， v o d 作为最形象、最直接、最合乎用户需求的信息服务手段之一，必将在今后 的信息高速公路上传送最多的信息，对社会产生重大的影响，给人们带来巨大 的经济效益。对这一新兴的产业，我们应给予足够的关注和支持，并推动这项 业务在中国的发展。 我国的视频点播的发展目前还难以预料，但只要网络费用和网络计算机 ( n c ) 等等的价格大幅度下降，达到用户能承受的能力，那么v o d 也许会向v c d 一样火爆起来，从而形成电子信息产业一个新的经济增长点。 1 3 本文主要研究内容 本文的主要研究内容是能够适用于城域网或小区网环境的视频点播和信息 管理系统。 该系统目标采用c l i e n t s e r v e r 模式，用网络计算机( n c ) 实现v o d 视频 点播，软件方面是我们的主要研发内容。在实际应用中，用户通过客户端来与 视频服务器端进行通信，获得视频信息，在客户端实现实时视频播放a 目标系统研究内容要求： 一、系统的开放性 网络范围广、覆盖面大、涉及的技术和产品众多，因此保证系统的开 4 一 放性是非常重要的。在这样一个前提下，强调开放性就需要注意以下几 个问题：方案选择的产品是否符合现有的国际标准；方案选择的产品 是否是可升级的，在新的标准出现以后，系统可否升级到新的标准：厂 商在相应产品和技术领域内的地位和参与标准化的能力。 二、可扩展性和战略上的灵活性 网络规模和信息应用正以前所未有的速度发展，因此系统扩展性应从 两方面考虑：一是规模的扩张。用户的增加和速度的提高，要求主干 网的带宽有相当大的增长空间；二是支持新应用的能力。i n t e r n e t 网 络的进一步发展，将改变众多我们习以为常的生活方式，例如i p 电话、 视频会议、视频点播、虚拟社区、网上购物等等。 三、系统成本的低廉 使用普通p c 服务器充当视频点播服务器，系统以纯软件方式实现媒体 流处理，大大节约v o d 视频播放系统的最大的一笔投资。 四、客户端免维护性 客户端使用客户端程序即可实现点播，无须安装任何其它软件，整套 软件均为启动后从服务器获得，保证客户端免维护。 五、媒体播放质量高 支持m p e g l ，m p e g 2 标准，在系统资源耗费很小的情况下实现播放。 六、易于管理，操作简便 系统自带管理软件，可通过它来对影音资料和用户浏览信息进行添加， 删除，修改等操作，方便快捷，易于使用。 七、工具易用方便 1 4 本文结构 本文共分四个章节，重点阐述了基于网络计算机的视频点播和信息管理系统。 第一章，也就是本章，说明本系统的意义、发展概况、研究内容。 第二章，介绍了本系统的总体设计方案。 第三章，详细描述了服务中心的模块设计和实现过程。 第四章，详细描述了服务器端的模块设计和实现过程。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章系统总体设计方案 2 1 系统设计原则 v o d ( 视频点播) 系统是用来按用户需求将视频信息通过宽带发衣的一种方 式。v o d 服务器环境是非常复杂的，它的设计采用c 1 i e n t s e r v e r 模型，并且 适应分布式计算环境。 目标系统设计原则主要是： 一、技术的先进性和易升级性 系统采用当今先进的、主流的技术，能够很好地保障若干年后仍是主流 技术，同时可以对诸如操作系统、数据库管理系统现平稳升级。 二、系统的稳定性 系统选用可靠的硬件设备、操作系统及数据库系统，采用目前使用最广 的数据库开发工具，确保系统的稳定。 三、系统的标准性与开放性 系统设计将采用统一的国际标准和工业标准，同时提供与外部系统的接 口，满足与其它相关系统相连接的不同需求。 四、可扩充性与易维护性 系统设计时将充分考虑将来的扩展和维护上的简便及无风险。 五、安全性、保密性 放在数据库中的数据的安全以及交换数据的安全、一致性在该系统中将 给予高度重视，同时网络互联后对各自的数据采取必要的保密措施。 六、实用性及经济性 该系统的最终目的是增强企业竞争能力和取得经济效益，既能实现最终 目的又能投资小也是该系统设计的原则之一。 2 2 系统原理 目标系统以客户服务器模型实现。其原理图如图2 1 所示，用户使用网 络计算机( n c ) 作为操作终端。 第2 章系统总体设计方案 图2 1 系统原理图 目标系统是通过一系列功能模块，实现视频点播服务和信息管理服务。 信息服务技术的实质在于突破网络带宽、存储设备容量和i o 吞吐量的瓶 颈：因此，对于视频服务来说，存取视频数据的方式是衡量系统性能优劣的基 础；基于此，人们将视频点播系统划分为“文件共享方式”、“下载方式”和“流 式”三种系统。 以“文件共享方式”为基础的视频点播系统又称为“最简单的视频点播系 统”，这种系统可以不配备额外的应用软件，也可设计专门的客户、服务器应用 软件以方便用户选择和点播节目。这种系统属于非流式系统，与流式视频点播 系统有本质的区别，因为用户在进行视频播放时，实际上是通过操作系统的文 件系统来直接访问服务器上的共享视频文件的。由于它没有任何特殊的机制保 证视频数据传输的实时性，因此要求网络有足够的带宽、服务器磁盘有充分的 i o 速率来保证视频数据传输。同时，由于这种点播系统以文件操作为基础， 因而系统难以实现跨平台和扩大网络规模的目标；此外，由于要求服务器共享 视频文件，增加了节目管理的难度、降低了系统的安全性。 真f 的视频服务要求通过服务器把视频数据发送给客户端。目前，有两个 通用的传输方案供使用一一“下载”和“流”。“下载”的意思是：通过网络传 输整个视频文件，把数据存储到用户终端的存储设备中。由于在全部内容到达 用户端以前，不能播放视频节目，因此它也属于非流式系统。为此。用户必须 考虑两个因素：播放启动延时和客户端存储需求，前者是指从选择节目到显示 视频内容所需的时间；后者表示在播放之前，用户终端能够用于缓存视频数据 的存储容量。“下载”机制能够较好地满足一些低质量和时间短的视频片段点播 应用，但对于要求播放启动延迟短和视频质量高的应用，“下载”过于简单而不 能很好地工作。例如，传送1 0 分钟长、要求1 5 m b p s 网络带宽的m p e g 一1 视频 片段，通过l o b a s e t 以太网连接，启动延迟时间至少为1 5 分钟，同时要求用 北京工业大学工学硕士学位论文 户端大约有1 l o m b 的空余存储空间。在播放更高质量或更长时间的视频节目时， 情况将变得更为严重。 系统采用“流式”技术解决了这个问题，一旦用户端可利用的数据量足够 大，就自动播放所选择的节目。播放延时通常在几秒n - - - 十秒之间，通过释放 已经播放的数据，数据流可以重新利用空出的缓存空间，因而解决了“下载” 机制带来的问题。现有的多种视频传输系统，如m i c r o s o f tm e d i ap l a y e r 、r e a l p l a y e r 都使用“流式”的技术，但他们主要应用于i n t e r n e t 的窄带传输。 不提供任何流量控制的“流式服务”称为“简单流式服务”，它也会带来一 些问题。例如：如果服务器一直以比用户端采样速率还快的速度传送数据的话， 会带来用户端上数据累积，造成更大的存储容量需求或者溢出缓冲区。另一方 面，如果由于网络拥挤的原因，服务器传输数据比客户端的播放速度慢，视频 播放的效果就会降低。 我们设计的系统采用一种称为“带有控制的流”的技术来解决这些问题， 它一直监视播放速率的需求、网络流量和客户端缓冲区，并动态调整这些参数， 以确保系统连贯性和协调运行。 系统不仅支持将上百个高品质的“带有控制的流”传送给网络客户，而且 能够动态调整系统中众多用户终端和多个服务器的工作状态，以克服网络拥挤 和存储设备的i o 瓶颈，以保证客户端平滑的视频输出。 2 3 系统整体方案模型 系统模型图如图2 2 所示。 图2 2 系统模型图 一8 一 整个系统可分为服务器端、服务中心、客户端三大部分，其中前两部分是 由我独立设计开发的，也就是我论文的主要部分。 图2 2 注解： 通过r d p 协议，网络计算机( n c ) 可以实现i e 、o f f i c e 、聊天、0 a 、游戏。 v o d 视频播放模块先由v o ds e r v i c ec e n t e r 中的数据库引擎得到点播列表 ( v o ds e r v i c ec e n t e r 实现业务逻辑) ，当用户选中其中一首，由v o ds e r v i c e c e n t e r 的智能分流模块决定将这个点播连接分给哪个r t s p r t p 服务器，此 后由视频播放模块直接和r t s p r t p 服务器连接取得视频数据。 酒店服务包括：酒店消费查询。 消息管理包括：呼叫服务员、信息公布。通过v o ds e r v i c ec e n t e r ( 实现 业务逻辑) 来实现功能。 房间管理和消费管理由管理工具系统通过v o ds e r v i c ec e n t e r 控制v o d 。 一、系统运行流程 ( 一) 系统启动流程 首先启动数据库服务器，然后启动每台视频服务器( 点播服务器) ，之 后启动服务中心，服务中心通过系统配置( 管理工具) 得知系统有哪些 视频服务器( 点播服务器) ，服务中心要定时检测这些服务器是否运行 以便分配点播流负载；管理工具和客户端可以在需要的任何时候启动， 在系统配置完成后管理工具主要通过房间管理来影响系统的运行。 ( 二) 系统配置流程 管理工具启动后，判断系统是否初始化，如果没有，将创建一些数据 库表；然后管理员可以配置系统的视频服务器( 点播服务器) ，以及相 关的设置并启动此服务器；再然后管理员可以开始配置系统的房间以 及对应的i p 地址；最后管理员可以添加一些歌曲到系统里面，并指定 其收费等相关信息。 ( 三) 客户端启动后系统交互过程 1 客户端( 电影和m t v ) 启动后，首先和服务中心建立连接，如果不成功 报告错误； 2 服务中心创建一个线程处理这个客户端连接，并初始化和数据库的一 个会话； 3 客户端向服务中心发送一个请求，查询所在的房间是否打开； 4 服务中心接到此请求后，通过数据库会话查询此房间是否开放，并发 送回应给客户端； 5 客户端接到回应，如果房间打开直接进入6 ；否则显示“房间未开， 请等待“，直到接到服务中心发送的此房间已经开放消息然后进入6 ； 6 客户端向服务中心发送菜单请求( 最开始请求顶级菜单) 。 7 服务中心处理请求，将处理结果，发回回应，其中包含文本和图片等 信息，或者其他的信息。 8 如果是菜单和选择列表信息，客户端显示菜单和列表信息，并等待用 户输入；如果是点播路径，进入1 0 。 9 客户端接收到用户输入，将输入打包成请求，然后执行6 ； 1 0 客户端显示提示对话框，问用户是否确认点播； 1 1 客户端和点播服务器端建立连接并通过r t s p r t p 协议请求播放指定 北京工业大学工学硕士学位论文 的影片； 1 2 服务器端发回应答，指示请求是否成功； 1 3 客户端接收到应答，如果是成功的应答，开始播放影片；否则显示错误。 二、系统的优缺点 ( - - ) 这种系统模式有许多优点，主要是： 1 安全性 这种系统模型屏蔽外界对数据库的干扰，保证系统安全。对系统而言， 系统安全很重要，这里主要是维护系统帐户数据库安全。 2 易扩展 这种系统结构便于在其基础之上进行再次扩展。这是指系统可以方便的 扩充功能，增加新的软件模块。 3 升级方便 软件系统模块化，便于升级。系统开发维护一个很重要的主题是经常升 级，该设计的思想就是根据功能把系统模块化，因此，每次只要升级相 应模块，就可以实现目的。 4 结构清晰 系统整体结构按功能划分设计，结构清晰。 5 均衡负载 系统整体结构可以把不同程序放在不同机器上均衡负载。一旦系统负荷 过重，则可通过升级系统设备，以及把模块分散不同机器来实现均衡负 载功能。 6 通用性强 系统通用性是指该系统框架对于此类视频点播系统具有通用性，该系统 可以通过改变一些数据库结构，修改指令以及修改相应人机对话界面来 实现各种各样的专版，比如酒店v o d 系统，学校多媒体教学系统等。 ( 二) 这种系统模式也有缺点，主要是： 1 系统模块过于分散，导致系统运行效率降低。 2 系统模块化，导致系统实现周期长，工作多，增加了实现难度。 3 在实现上可能出现技术瓶颈。 2 4 流协议模型 几年前，i n t e r n e t 仅仅是用于文件传输( f t p ) 、电子邮件、终端仿真( t e l n e t ) 和网络新闻，用户数量很少，数据通信基于建立在i p 上的两个传输层协议： 传输控制协议( t c p ) 和用户数据报协议( u d p ) 。随着用户的不断增加以及多媒体 应用的不断发展，现有的i n t e r n e t 协议系统己不能适应多媒体应用的需要。 为了满足多媒体信息表现的严格同步要求，必须对媒体发送、恢复、处理 和表现进行实时调度。这种调度必须考虑在提供系统的端到端服务时所涉及到 的等待、时延变化和出错率等问题。 在多媒体数据的传输中要保持相关媒体之间的同步，尤其是在通过不同的 通道传输时保持同步，是十分困难的。例如，由于音频与视频编解码的复杂度 不同，在速度上也就不同；网络传输中由于不同分组选择的路由的不同而带来 时延的不同；由于各种物理设备在特性上的差异导致显示、处理或缓冲上时延 的不同，等等。 1 0 一 第2 章系统总体设计方案 服务质量( q o s ) 是衡量媒体流特性的一个基本指标体系，用于说明用户与服 务提供者之间、发送与接收信息的用户之间有关信息传递质量的约定。用户和 系统在动态的协商中对服务质量进行调整、确认。 服务质量参数包括：速度比率、利用率、平均时延、最大时延、晟大抖动、 位错率( b e r ) 和包错率( p e r ) 等。例如，视频电话的服务质量要求为：速度比率 为1 0 ，利用率为1 o ，平均时延为0 2 5s ，最大抖动为1 0m s ，最大位错率为 0 0 1 ，最大包错率为0 0 0 1 。 另外，许多多媒体应用，如视频会议、视频点播等，已不再是简单的对等 实体问的通信，而是组用户间复杂的通信关系，因此还要求通信协议系统能够 支持群组通信。 一、实时流协议r t s p 实时流协议r t s p 是应用级协议，用于控制具有实时特性的数据投递，它提 供一个可扩展的框架，以使诸如音频和视频之类的实时媒体的点播投递成为可 能。该协议为了控制多种数据投递的会话，提供了用于选择投递信道( 例如u d p 、 组播u d p 和t c p 信道) 的方法，以及选择基于r t p 的投递机制的方法。 二、实时传输协议r t p i e t f 定义的实时传输协议r t p 提供用于具有实时特性的数据的投递服务， 是用来解决i p 网上实时通信问题的一种技术方案。开发r t p 就是为了提供用于 音频和视频这类连续媒体数据的轻型应用层协议并且在会议工具之间提供协同 工作的能力。r t p 可以支持各种实时通信的应用，比如同步的恢复、信号丢失 的监测、安全保密和内容的识别等。r t p 还具备一种时间戳与控制机制，可以 实现带有定时特性的不同信息流之间的同步，它采用基于速率的流量控制机制， 发送方采用与接收方约定的速率发送，可以保证发送方既不会“淹没”接收方， 也不会使接收方产生“饥饿”。 但是，r t p 本身并不提供任何确保及时的投递机制或者其它的q o s ( 服务质 量) 保证，没有指定恢复丢失数据报的任何机制，而是依赖较低层服务去完成 这些工作。它既不保证投递或者防止失序投递，也不假定低层网络是可靠的并 且按顺序投递分组。r t p 无法解决资源预留和q o s 控制问题，因此它还要依靠 资源预留协议r s v p 来提供这方面的功能。r t p 中所包括的顺序编号使得接收端 能够复原发送端的分组顺序，但是顺序编号也可以用来确定一个分组在数据流 中的恰当的位置( 例如在视频解码中) ，而不需要按顺序解码分组。 实时运输控制协议r t c p 用于分发发送者和接收者统计信息以及与会者的 详细信息，r t c p 的功能包括q o s 监控和拥塞控制；标识媒体间的同步；以及会 话规模估计和缩放等等。 实时传送协议( r e a lt i mp r o t o c 0 1 ) 提供具有实时特征的、端到端的数据 传送服务，可以用来传送声音和运动图像数据。在这项数据传送服务中包含了 装载数据的标识符、序列计数、时戳和传送监视。通常r t p 的协议元是用u d p 协议元来装载的，用u d p 来装载r t p 协议元素复用、校验和来实现r t p 的复用。 u d r a m 头r 伸 u d p 愿户羲据睾段 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一_ 。- 。_ - _ h _ _ 图2 3 用u d p 来装载r t p 协议元素 北京工业大学工学硕士学位论文 如果支持它的网络能提供组播( m u l t i c a s t ) 功能。则r t p 也可用组播将数 据送给多个目的用户。 必须注意的是，r t p 没有提供任何确保按时传送数据