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TCP/IP原理与应用研究总结报告：流媒体实时交互的原理概述 本科课程论文 Course Paper课程名称 Course：TCP/IP协议原理与应用课程性质 Course No：原理与应用学 分 数 Credits：3主讲教师 Instructor：XXX开设学院 College：计算机与信息工程学院开设时间 Semester：2012年2月2012年6月论文编号 Paper No: XXXXXX撰写日期 Date: 2012-5-25流媒体实时交互的原理概述The principle of real-time interaction of streaming mediaXX（计算机与信息工程学院 网络工程 09级 XXXXXX）论文类型Paper Type: 研究总结 Summary of Focused Research论及主题 Subject Covered: 引言 流媒体的相关概念 流媒体的实时性与交互性 流媒体实时交互的原理 结论巢 湖 学 院流媒体实时交互的原理概述XX（计算机与信息工程学院 09网络工程 09级 XXXXXXXX）Email: XXXXXXXX163.com摘 要:生活中，流媒体技术应用随处可见，如远程教育、视频会议、互联网直播等等，其实时交互功能给用户带来了极大的便利。信息在网络的传输过程中，都是使用网络体系各层次的协议来实现。因此，流媒体的传输以及功能的实现离不开协议的承载。本篇论文首先介绍流媒体的相关概念，其次介绍实现实时交互性所需要的基本传输协议，最后用图示来阐明客户端与服务器实时交互的过程。关键词:流媒体；实时交互；RTP；RTCP；RTSP；RSVPThe principle of real-time interaction of streaming mediaXXXXXX（09012064, College of Computers & Information Engineering, ChaoHu University, Hefei, China）Email:XXXXXX163.comAbstract:In life, the application of streaming media technology can be seen everywhere, such as distance education, video conference, live broadcast on the Internet etc.In the process of transmission,the information is based on the protocols of various network system levels.Therefore,the transmission of streaming media and the realization of the function are also inseparable from the protocol. Firstly,this paper introduces the concept of streaming media. Secondly,it introduces the basic transmission protocol that the realization of real-time interaction used. Finally, the graph elucidate the process of real-time interactive between the client and the server. Key words:Streaming Media ; Real-time interactive ; RTP ; RTCP ; RTSP ; RSVP1 引言当我们使用TCP/IP协议下载电影文件时，服务器将文件按照一定的次序分成若干独立的数据报文，依次发出去，客户端的程序将这些数据报文重新组装起来，最终形成和源文件一样的完整文件。这样，我们就可以对这个文件进行任何操作了。而流媒体技术并非如此，它能够将文件按照特定的顺序发送出去，客户端的播放程序可以边接收数据边播放。为了使播放更加稳定连贯，通常客户端会通过为接收数据开辟缓存区的方式来解决网路拥挤的问题。这样，只需要在缓冲区充满前等待几秒钟，就可以开始欣赏电影了。文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。流式传输不仅使启动延时成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。生活中，流媒体技术应用随处可见，如远程教育、视频会议、互联网直播等等。由此可见，目前基于流媒体的应用非常多，而且发展非常迅猛。丰富的流媒体应用对用户有很强的吸引力，因此在解决了制约流媒体的关键技术问题后，我们可以预料到，流媒体应用必然会成为未来网络的主流应用。本篇论文首先介绍流媒体的相关概念以及流媒体的实时交互的体现，然后详细介绍实现流媒体实时交互所需要的传输协议，最后阐述流媒体实现实时交互的过程。2 流媒体的相关概念参考文献12.1 流媒体与流媒体技术流媒体（Streaming Media）是指在Internet/Intranet上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）。它在播放前并不下载整个文件，而是将文件的开始部分内容先存入内存，虽然在开始时会出现一些延时，但保证了数据流可以随时传送随时播放。流媒体技术不是单一的技术，它建立在众多的基础技术之上，包括网络通信技术、多媒体数据采集技术、多媒体数据压缩技术、多媒体数据存储技术和多媒体数据传输技术。流媒体实时交互的特性就是由多媒体数据传输技术来体现的。2.2 流式传输实现流媒体的关键技术就是流式传输。流式传输的定义很广泛，主要指通过网络传送媒体（如音频、视频）技术的总称。实现流式传输有两种方法：顺序流式传输和实时流式传输。顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时，我们可以观看已经下载的部分，而不能跳到还未下载的后续部分。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，但它不适合长片段或者有随机访问要求的视频，如讲座、演说与演示，也不支持现场广播。实时流式传输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。实时流式传输需要专用的流媒体服务器，如QuickTime、Streaming Server与WindowsMediaServer，它还需要特殊网络传输协议，如RTSP（Realtime Streaming Protocol）或MMS(Microsoft Media Server)。实时流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，如我们对视频播放的快进或后退操作。2.3 流式传输的基本原理2.3.1 流式传输图示参考文献2流式传输的实现需要缓存，使用缓存系统来弥补传输延时和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓存所需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据，通过丢弃已经播放的内容，流可以重新利用腾出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器，其传输过程如下图所示：HTTP/TCP 控制信息RSTP/TCP媒体文件定位Web浏览器Web服务器A/V播放器A/V服务器RTP/UDP 2.3.2 流式传输过程解析流式传输的过程如下：用户选择某一流媒体服务器后，Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP/TCP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Web浏览器启动相应的媒体播放器程序，从Web服务器检索相关参数对媒体播放器程序进行初始化。媒体播放器程序及A/V服务器同时运行实时流控制协议（RTSP），以交换A/V传输所需的控制信息，A/V服务器使用RTP/UDP协议将A/V数据传输给A/V客户端程序（一般可认为客户端程序等同于媒体播放器程序），一旦A/V数据抵达客户端，A/V客户程序即可播放输出。在播放过程中，客户机的媒体播放器需要通过RSTP/UDP与媒体服务器实时交换控制信息，媒体服务器根据客户机反馈的流媒体接收情况，自动调整向客户机传送的媒体数据流，从而在客户端达到最优的接收效果。3 流媒体的实时性与交互性所谓流媒体的交互性，通俗地来讲，就是在媒体播放时，用户通过选择和控制操作来自主选择播放内容。而实时性则是指系统必须对外来时间再限定时间内做出反应，简单地说，就是达到所需要的“快”。有了实时性，才能实现交互性。流媒体的实时与交互的特性使我们能够更好更自主化地选择自己所需的媒体服务，这种相对于传统媒体而言不曾具有的新型特性，使流媒体技术广受欢迎，满足人们的需求。具有流媒体的实时交互性的产品充斥着我们生活工作的各个方面。如大家电脑里必备的看电视工具，PPS、PPTV、Youku网等等，亦或是，远程教育系统，视频会议系统等等。这些产品给我们的生活工作带来极大的便利，技术的发展总是为人类而服务。4 流媒体实时交互的原理Internet原本不是用于实时多媒体流的通信的，使用TCP/IP协议不能保证实时通信所要的带宽，传输延迟所造成的时间抖动将使实时通信的质量严重下降。另外，TCP协议负责数据的流量控制，保证传输的正确性，具有数据重发的功能，这一点不符合实时通信的要求。所以在Internet上传送多媒体信息时，采用的都是UDP/IP协议。由于UDP和IP都不具有连接保证，因而数据传输的可靠性没有保障。因此，IETF（Internet工程项目组）提出了多种实时通信协议，其中针对流媒体传输的各种常用实时协议主要有：实时传输协议RTP、实时传输控制协议RTCP、实时流协议RTSP、资源预定协议RSVP。4.1 四种协议简述参考文献34.1.1 RTP协议在IP网络上传输数字音频或视频信号所使用的协议是实时传输协议RTP（Real-time Transport Protocol）。RTP提供两个关键的特性：每个数据报中的序号及时间戳。序号允许接收端检测不按顺序的交付或数据丢失，时间戳允许接收端控制回放。因为设计RTP是为了让它传送包括音频和视频等实时数据，所以RTP不强制统一语法解释，而是每个分组以固定的首部开头、首部中的字段指定如何解释其余的首部字段以及如何解释有效负荷。RTP固定的首部格式如下图所示：VERPXCCMPTYPE序号时间戳同步源标识符参与源IDRTP采用基于速率的流量控制机制，使得发送方和接收方可以协同工作。RTP协议通常工作在UDP协议之上，但也可以在其他协议上工作。RTP不提供资源预定，本身并不能为按顺序传送数据报文提供可靠的传输机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠实时传输控制协议RTCP提供这些服务。4.1.2 RTCP协议实时传输控制协议（Real-time Transport Control Protocol）是RTP的伴随协议，它是RTP协议的一个完整部分，提供需要的控制功能。RTCP允许发送端和接收端互相传输一系列报告，这些报告包括有关正在传输的数据以及网络性能的额外信息。RTCP报文封装在UDP数据报中，以便进行传输，发送时使用比它们所属的RTP流的端口大1的协议号。RTCP使用5个基本报文类型允许发送端和接收端交换有关会话信息。5种RTCP报文类型如下表所示：类型含义200发送端报告201接收端报告202源描述报文203结束报文204应用程序特定报文发送端周期性地传输发送端报告报文，提供绝对时间戳；接收端周期性地传输接收端报告报文，向发送端通知接收的条件。发送端还传输源描述报文，提供有关拥有源站控制权的用户的常规信息。在停止数据流时发送端传输一条结束报文。应用程序特定报文类型提供了基本功能的扩展，以允许用户程序定义报文类型。4.1.3 RSTP协议实时流协议RSTP（Real-time Streaming Protocol）是为了满足流媒体实现多点传送和以点播方式单一传送的要求而提出的网络应用层协议。它在体系结构上位于RTP和RTCP之上，使用TCP或RTP完成数据传输。RTSP利用流技术把数据分成许多数据包，数据包的大小由客户端和服务器端的实际带宽决定，当客户端接收到足够的数据包时，用户不需要下载整个媒体文件就可以开始播放流媒体。因为播放器在播放一个数据包的同时，解压另一个数据包并下载第三个数据包。流媒体数据可以是输入的实况信息，也可以是存储的视频、音频片段。通过RTSP协议，服务器端可以跟踪流媒体传输的时间地址和方式，实现暂停、快放、后退等交互功能。4.1.4 RSVP协议由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更加敏感，为了在网络中传输高质量的音频、视频信息，除带宽满足要求之外，还应提供一种有效的资源预约机制，可以有效地描述应用程序对资源的需求。RSVP（Resource Reserve Protocol）是Internet上的资源预定协议，使用RSVP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Qos。在某些试验性的系统如网络视频会议工具中就集成了RSVP。RSVP是一个单工协议，只在一个方向上预定资源。特别地，RSTP是一个面向用户端协议，由信宿负责资源预定，可以满足点到多点的群通信中客户端衣钩的需求，每个客户可以预定不同数量的资源，接收不同的数据流。4.2 流媒体实时交互的过程4.2.1 实时交互的关键协议RTSPRTSP是应用层协议，用于控制实时数据的传送。RSTP提供了一个可扩展的框架，使实时数据的受控，点播成为可能，也就是实现与用户的交互功能。RTSP建立并控制一个或几个时间同步的连续流媒体，换言之，RSTP充当多媒体服务器的网络远程控制。在RSTP连接期间，RTSP用户可以打开或关闭多个对服务器的可靠传输连接以发出RTSP请求。4.2.2 实时交互过程图示有关实时交互过程的RTSP方法如下：u SETUP：让服务器给流分配资源，启动RTSP连接；u PLAY与RECORD：启动SETUP分配流的数据传输；u PAUSE：临时停止流，而不释放服务器资源；u TEARDOWN：释放流的资源，RTSP连接停止。客户端使用RTSP协议与服务器端通信获取流媒体数据的过程如下图所示：HTTP连接连接描述SETUPPLAYRTP AudioRTP VidioRTCPPAUSETEARDOWN客户端MediaServerWebServer图示交互过程描述：客户端使用HTTP向Web服务器发送连接请求，Web服务器根据收到的请求将所请求的连接描述发送给客户端，客户端使用连接描述中的信息创建RTSP连接，与媒体服务器进行通信，获取流媒体数据。首先客户端向媒体服务器发送SETUP命令，收到服务器端的响应后，建立RTSP连接；然后客户端发送PLAY命令，收到服务器端的响应后，开始传输音频、视频数据，及适当的控制信息；如果媒体播放过程中，需要暂停，客户端将发送PAUSE命令，暂停数据传输；当客户端需要结束媒体播放时，将向媒体服务器发送TEARDOWN命令，结束媒体数据的传输。5 结