（计算机应用技术专业论文）流媒体内容分发网络传输技术的研究.pdf

中文摘要 随着网络技术的高速发展，i n t e m e t 用户飞速增长，网络拥塞、服务器负载 过重、访问延时过大等问题一直困扰着用户。c d n ( c o n t e n t d i s t r i b u t i o n n e t w o r k 内容分发网络) 的出现极大改善了i n t e m e t 用户的访问速度和服务质量。c d n 是 构筑在现有i n t e m e t 上的一种先进的流量分配网络。它将网络原来服务器中的内 容存储到分布在各地的代理缓存服务器中，通过网络的动态分配控制器将用户的 请求自动指向健康、可用并且距离最近的缓存服务器上，以便提高访问的响应速 度和服务的可靠性，从而改善i n t e m e t 的服务质量。但是，伴随流媒体内容在许 多应用领域，如教育、医疗和娱乐等方面的日益流行，又对c d n 技术提出了新 的挑战。 代理缓存能成功地传输静态的文本内容，但在传输流媒体内容时却有困难， 这是流媒体内容本身所具有的连续性和文件容量很大的特点所造成的。对于一个 2 小时的视频文件，将整个文件作为一个单独网络内容缓存是不切合实际的，这 样很容易耗尽缓存空间。几种缓存方法已经出现，然而这些方法并不能真正适合 内容受欢迎程度和用户访问方式动态变化的情况。 本文的主要目的就是研究怎样调节已有的代理资源( 包括部分缓存策略) 从 而在i n t e m e t 上高效、高质量地传输流媒体内容。本文使用了在大小可变分段( 即 按指数方式) 基础上的基于内容访问量置换策略的两种缓存方法，使用这两种缓 存方法可以及时反映内容的受欢迎程度和变化趋势。仿真实验结果表明，这两种 缓存适用于不同的访问率变化范围。文中还利用在指数分段思想下的预取方法， 详细阐述了在各种网络连接带宽情况下，大小可变分段方法预取开始点、缓存最 小值的计算以及用户访问时的具体传输过程。 本文的创新之处在于以大小可变分段方法为主线，将流媒体内容的缓存和预 取这两个相对独立的阶段结合起来进行综合研究，这样既可以保证终端客户请求 的命中率、播放启动延时又可以减少代理抖动。从而，为流媒体内容分发网络服 务提供可靠的q o s 保证。 关键词：c d n 流媒体大小可变分段置换策略预取 a b s t r a c t w i t hh i g hs p e e dd e v e l o p i n go fn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h en u m b e ro f i n t e m e tu s e r s r a p i dg r o w t h ，m a n yp r o b l e m si n c l u d i n g n e t w o r k c o n g e s t i o n s ，t h eo v e r w e i g ho ft h es e r v e r sl o a d , t h eo v e r s i z e dt i m ed e l a y o f v i s i t i n ga n ds oo n a r ep u z z l i n gt h eu s e rc o n t i n u o u s l y t h ea p p e a r a n c e o f c d n ( c o n t e n td i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) h a v ee n o r m o u s l yi m p r o v e db o t h t h ev i s i t i n gs p e e da n dt h es e r v i c eq u a l i t yo fi n t e m e tu s e r s c d ni s c o n s t r u c t e do nak i n do fa d v a n c e dt r a f f i ca s s i g n m e n tn e t w o r ko ft h e e x i s t i n gi n t e m e t i ts a v e st h ec o n t e n t sw e r es t a i di nn e t w o r ks e r v e rt ot h e p r o x yb u f f e rs e r v e r sd i s t r i b u t e di ne a c hp l a c e a n du s e r sr e q u e s t sa r e d i r e c t e dt ot h eh e a l t h ，u s a b l ea n dt h en e a r e s tb u f f e rs e r v e rb yt h en e t w o r k d y n a m i ca s s i g n m e n tc o n t r o l l e ra u t o m a t i c a l l ya n dt h es p e e do fv i s i t i n g a n dt h er e l i a b i l i t yo fs e r v i c ea r ei m p r o v e d a n dt h u st h es e r v i c eq u a l i t yo f i n t e m e ti si m p r o v e d b u t w i t l lt h ee v e rm o r ep o p u l a t i o no f t h es t r e a m i n g m e d i ac o n t e n ti nm a n ya p p l i c a t i o nd o m a i n sf o re x a m p l e ：e d u c a t i o n ， m e d i c a ls e r v i c ea n de n t e r t a i n m e n t , i tp r o p o s e san e wc h a l l e n g et ot h e c d n t e c h n o l o g y t h e p r o x yb u f f e rc a ns u c c e s s f u l l yt r a n s m i tt h es t a t i ct e x tc o n t e n t ，b u t i th a st h ed i f f i c u l t yi nt h et r a n s m i s s i o no ft h es t r e a m i n gm e d i ac o n t e n t t h i si sr e s u l t e db yt h ec o n t i n u i t yo ft h es t r e a m i n gm e d i ai t s e l fa n dt h e h u g e n e s so fd o c u m e n t s f o rat w oh o u r s v i d e od o c u m e n t , i ti sn o ta c t u a l t ot a k et h ee n t i r ed o c u m e n tt ob ea ni n d e p e n d e n tn e t w o r k 。c o n t e n tc a c h e ， b e c a u s ei ti sv e r ye a s yt oe x h a u s t st h eb u f f e rs p a c e a l t h o u g hs e v e r a l p a r t i a l b u f f e r sm e t h o d sh a v e a l r e a d ya p p e a r e d ，t h e s ec a n n o tr e a l l y a d e q u a t ef o rt h es i t u a t i o nt h a tt h ep o p u l a r i t yo fc o n t e n ta n dt h ev i s i t i n g w a yb o t hu n d e rd y n a m i cc h a n g i n g t h em a i ng o a lo ft h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo fh o wt oa d j u s tt h e e x i s t i n gp r o x yr e s o u r c e s ( i n c l u d i n gp a r t i a lb u f f e r ss t r a t e g y ) t ot r a n s m i t s t r e a m i n gm e d i ac o n t e n tq u i t ee f f e c t i v e l yt h r o u g hi n t e r n e t t h i sp a p e r p r o p o s e dt w oc a c h i n gm e t h o d s ，w h i c ha b o u tt h ec o n t e n tv i s i t i n gq u a n t i 够 r e p l a c e m e n tp o l i c y b a s e do nt h ev a r i a b l e s i z e d s e g m e n t ( n a m e l y a c c o r d i n gt oe x p o n e n t i a lw a y ) n et w om e t h o d sc a l lb eu s e dt op r o m p t l y r e f l e c tt h ep o p u l a r i t yo ft h ec o n t e n ta n dt h ec h a n g i n gt e n d e n c y t h et e s t r e s u l to fe v e n t - d r i v e ns i m u l a t o ri n d i c a t e dt h a t , t h e s et w ob u f f e r sa r e s u i t a b l ef o rt h ed i f f e r e n tv a r i a t i o nr a n g eo fv i s i t i n gr a t i o u s i n gt h e p r e f e t c h i n gm e t h o du n d e rt h eg u i d eo fe x p o n e n t i a ls e g m e n tt h o u g h t , t h i s p a p e ra l s oi n t r o d u c e di nd e t a i lt h ev a r i a b l e s i z e ds e g m e n tp r e f e t c h i n g s t a r tp o i n t s ，t h ec o m p u t a t i o no fb u f f e r sm i n i m u mv a l u ea n dt h ec o n c r e t e d e l i v e r yp r o c e s sw h e nu s e r sv i s i t i n gu n d e rm a n yb a n d w i d t h ss i t u a t i o n so f n e t w o r kc o n n e c t i o n t h ei n n o v a t i o no ft h i sa r t i c l el i e si nt a k i n gt h ev a r i a b l e s i z e d s e g m e n tm e t h o da sam a s t e rl i n et ob r a n dt w or e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t s t a g e s ( t h ep a r t l yb u f f e ro fs t r e a m i n gm e d i ac o n t e n ta n dp r e f e t c h i n g ) t o g e t h e r a n dt h e ng i v eas y n t h e t i cs t u d y , i tn o to n l y p r o m i s e st h e b y t e - h i t - r a t i oa n dt h es t a r t - u pd e l a yo ft e r m i n a lc l i e n t s 。b u ta l s oc o u l d r e d u c e st h ep r o x yj i t t e r t h u s ，i tp r o v i d e sr e l i a b l eq o sg u a r a n t e et ot h e s e r v i c e so fs t r e a m i n gm e d i ac o n t e n t d e l i v e r yn e t w o r k k e yw o r d s ；c d n , s t r e a m i n gm e d i a , v a r i a b l e s i z e d s e g m e n t ， r e p l a c e m e n tp o l i c i e s ，p r e f e t c h i n g 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎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。 学位论文作者签名：哥罐、靶 签字日期：一犀月哆1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：蘩毽毫 签字日期：娜占年，月哆日 导师签名： 签字日期： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 1 1 1 互联网发展现状 第一章绪论 自互联网诞生以来，它已经迅速地发展为当今世界上影响最广泛、增长最快、 市场潜力最大的产业之一，被喻为是第三次工业革命知识经济时代的主要标 志。在中国，互联网更是在以超出人们想象的深度和广度迅速地发展，根据中国 互联网络信息中心( c n n i c ) 于2 0 0 5 年7 月发布的第十六次中国互联网络发展 状况统计报告显示，截止到2 0 0 5 年6 月3 0 日，我国的上网计算机总数己达 4 5 6 0 万台，和上年同期相比增长2 5 6 ；我国上网用户总数突破1 亿，为1 0 3 亿 人，和上年同期相比增长1 8 4 ，宽带用户首次超过了拨号上网用户人数。我国 网民数和宽带上网人数均仅次于美国，位居世界第二。网络国际出口带宽总数达 到8 2 ，6 1 7 m ，c n 下注册的域名数和网站数分别为6 2 万和6 8 万“1 。除此之外，根 据英国著名的i t 市场调研机构o v u m 公司的最新研究报告预测，在未来五年内， 全球i p 流量增长最快的将是公共i n t e r n e t 流量，会从2 0 0 1 年的每天3 1 ， 0 0 0 t b ( t e r a b i t s ) 增长到2 0 0 8 年的每天8 0 0 ，0 0 0 t b 。 1 1 2 媒体内容缓存技术的研究动态 与此同时，传统网络内容提供方式是由中, b l 民务器集中提供，在网上内容较 少、用户访问量不大、网络规模较小的环境下尚能满足需要。但是随着互联网应 用的日益广泛、多媒体内容日益增多以及用户数量及请求数量的爆炸式增长，这 时传统网络结构和技术就难以保证向用户提供高质量的浏览、观看多媒体内容。 因此，需要寻求新的网络体系结构和技术来解决以上问题，在最大限度上能够满 足网络用户的需求。c d n 和流媒体技术就是这种有用的工具。 内容分发网络即c o n t e n td i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，简称c d n ，其概念最早是 1 9 9 8 年开始提出来的。当时美国麻省理工大学( m i t ) 的一批研究生通过分析当 时i n t e r n e t 的网络状况，提出了一套能够实现用户就近访问的解决方案，最终 设计并实现了其独有的系统嗍。概括而言，c d n 是构筑在现有的i n t e r n e t 上的一 种先进的流量分配网络，它将网络源服务器中的内容存储到分布于各地边缘的缓 存服务器中，通过网络的动态流量分配控制器，将用户的请求自动指向健康、可 天津大学硕士学位论文第一章绪论 用而且距离用户最近的缓存服务器上，以提高用户访问的响应速度和服务可用 性，改善i n t e r n e t 上的q o s ，能有效的提高网络资源的利用效率。 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 则是指一种新式的、在i n t e r n e t i n t r a n e t 中使 用流式传输技术的连续时基媒体，例如音频、视频或多媒体文件。它把连续的影 像和声音信息经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包，由音、视频服务器向用户 终端连续、实时地传输。这种特殊的媒体格式可以让用户一边下载一边观看、收 听，而不需要等整个压缩文件全部下载到自己的机器上以后才观看。所以流媒体 技术最显著的特征就是“边下载，边播放”。 然而，流媒体内容的出现对现有网络提出许多挑战。不像t c p 应用，流媒体 服务对每一个流要有一定的带宽，以保证所需的b i t r a t e 和严格的延时变化( 也 就是抖动) ，以避免流客户端缓存下溢。对于这样的流服务，c d n 是一种极为有 效的方法，它可以缓解网络拥塞和抖动。几篇文章已经考虑怎样有效地缓存流媒 体内容。在参考文献 3 3 4 3 5 3 中，媒体内容以分层技术进行编码，代理缓存服 务器管理每一个流的多个层。在参考文献 6 中提出了一种称为前缀后缀的缓存 方法，它仅仅存储媒体内容的开始部分，即前缀部分。它将所存内容最小化，同 时减少播放启动等待时间。参考文献 7 也利用前缀后缀方法缓存思想，并描述 了关于缓存系统的资源管理。可选择缓存在参考文献 8 3 中被提出，通过存储流 的多个段，特别是那些在用户端引起缓存下溢的段，它作为前缀后缀缓存方法 的一种改进。在参考文献 9 中提出了基于段的缓存方法，它实际上是前缀后缀 方法的一种改进，将后缀部分进一步以2 的指数递增方式进行划分，并给初始段 赋予较高的优先权，以保证每个流媒体内容的第一个段第一次被访问时，就能进 入缓存。在参考文献 1 0 1 1 中提出了s l i d i n g i n t e r v a l 缓存，它有助于在时 间上相邻的对同一个内容的后续访问。省去向内容服务器请求的过程，直接从代 理服务器获取内容，播放启动延时大大降低。 1 1 3 媒体内容预取技术的研究动态 因为网络状态是动态变化的，内容服务器到代理和代理到客户之问的网络连 接带宽各不相同，只考虑缓存并不能保证传输的连续性，将要观看的内容有可能 未能及时载入代理缓存服务器，也称之为代理抖动，在客户端又称之为播放抖动。 解决播放抖动的直接办法是将内容全部缓存在客户端，该方法又称之为下载一观 看。这需要大量缓存空间和一个很长的启动延时，该方法的成本效益很低。客户 缓存空间是有限的，并且依靠代理服务器保证q o s 。在客户端一旦开始播放媒体 内容，代理抖动引起的暂停不仅使客户不悦，而且可能使客户放弃观看。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 解决代理抖动问题的关键是利用预取方法及时预取未缓存的段。在参考文献 e 1 1 3 1 2 1 3 1 4 中，详细描述了流媒体内容的几种预取方法。在参考文献 1 3 1 4 中，对于以分层方式进行编码的流媒体内容，未缓存的流媒体内容层的 预取一直由保持的已缓存流的预取窗口完成。并在播放之前，在预取窗口的一个 固定时间段识别和预取所有丢失的数据。在参考文献 1 1 中，为了充分利用缓存， 预取用来预载一定数量的数据。在参考文献 1 3 中，由于连接中断，主动预取方 法利用所有部分获取数据方法来提高网络带宽利用效率。在参考文献 1 5 ，通过 为常规播放使用一种理想平滑技术，在交互式流应用中重新播放。 为了保证流的传输质量，消除代理抖动，本文利用了一个简单而又有效的方 法，即大小可变分段的主动预取方法来解决代理抖动问题。重点阐述了在各种不 同网络情况下，具体而言是不同的代理一客户连接带宽和代理一内容服务器连接 带宽情况下，如何计算预取开始点和缓存空间的最小值。 1 2 流媒体内容分发网络国内外发展现状 目前，国际上众多知名厂商，如c i s c o 、n o r t e l 、n e t w o r ka p p l i a n c e 等公 司纷纷推出自己的c i ) n 解决方案及产品，n o r t e l 甚至预言将来的互联网将以c d n 为基础“”。例如，在c d n 和网存储( n a s ) 两个领域里都位居世界第一的美国 n e t w o r ka p p l i a n c e 公司发布了全球第一个流媒体缓存设备，可以同时缓存 m i c r o s o f t 的w i n d o w sm e d i a 、a p p l e 公司的q u i c k t i m e 以及r e a ln e t w o r k s 的 r e a lm e d i a 流媒体，而且还发布了业界第一个企业级e c d n 解决方案。根据调查， 全世界在c d n 方面的投入，今年将剧增到1 4 亿美元，而用于c d n 服务方面的支 出，将超过2 0 亿美元，比2 0 0 0 年增长了将近1 0 倍。 2 0 0 0 年底，中国的c d n 产业也开始起步，出现了包括c h i n a c a c h e ，中宇科 技等多家公司在内的c d n 服务提供商，大型数据中心如世纪互联数据中心有限公 司也开始提供类似服务。其中，北京中宇科技有限公司推出的c d n 解决方案 c a c h e f l o w ，开发了第一个可扩展的内容智能传递体系一- - c l q ，它将优化的内容 智能专用设备和开放性、可扩展性的软件控制相结合，使运营商和企业可以根据 需要定制自己的网络。 在c d n 网络建设方面，国内最知名的c d n 运营商北京蓝汛通信技术有限公司 ( c h i n a c a c h e ) 的全网带宽使用达到2 3 g b p s 。而根据美国n e t d g e 科研小组有 关c d n 服务商的最新统计报告显示，除亚太地区外，全球列第一、二位的c d n 运 营商( a k a m a i 、d i g i t a l l s l a n d ) 的全网带宽使用分别是1 5 g b 和1 5 g b p s ，显然 c h i n a c a c h e 已经成为跻身世界前列的c d n 运营商。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在c d n 网络应用方面，这几年的央视春节联欢晚会网上直播就是一个c d n 成 功应用的例子。在2 0 0 5 年的c c t v 春节联欢晚会上，c h i n a c a c h ec d n 网络第三 次为央视c c t v c o m 服务。在春节联欢晚会直播的近5 个小时内，c c r v t o m 点击 量达到2 亿多次，同时在线人数最高达到1 8 万人u ”。 随着网络技术的发展，现有的各种网络，如电信网、移动网和广播电视网将 融入下一代网络( n g n ) 个以i p 为基础的覆盖各种资源的网络，即通常所 说的三网合一。届时，网络上的应用将更加丰富，同时只有将用户需要访问的内 容尽可能分布到离用户最近的地方才能有效地提高网络的利用率，为用户提供更 高品质的服务，而这些都为流媒体内容分发网络提供了无限的发展空间。同时， 各种国际标准化组织也不断推出新的技术和协议标准，保证了流媒体内容分发网 络支持的应用服务的发展，如e s i ( e d g e s i d ei n c u d e ) “8 1 技术的出现，将使流媒 体内容分发网络能支持更多更丰富的应用服务，如内容过渡、广告插播等。 目前，我国流媒体技术在网络上的应用已经迅速展开，企事业单位、个人网 站、校园中的局域网等拥有网络环境的地区，纷纷开展了流媒体应用，流媒体技 术给人们的生活带来巨大的改观已是不争的事实。伴随电视技术的快速发展和消 费者生活水平的提高，流媒体电视逐渐成为市场主流。有调查显示，8 1 的消费 者认为购买彩电时，流媒体功能成为影响其购买的主要因素。对消费者而言，是 否具有流媒体功能成为选购彩电的新标准“”。随着宽带网络的建设不断向纵深发 展，用户对宽带网络的使用开始向娱乐、影视欣赏等方向转移，对流媒体的应用 需求也从简单的了解信息向视听欣赏转变。沿着流媒体技术的指引，人们看到未 来宽带的发展方向，多媒体互动成了人们对宽带网络未来发展的寄托。 可以肯定，流媒体内容分发技术将随着网络技术的发展而不断前进，并成为 i n t e r n e t 及将来n g n 网络中不可分割的一部分。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容是在分析目前已有的支持流媒体内容分发网络缓存技 术的基础上，根据一般用户对流媒体内容访问行为的特点，在大小可变分段思想 的基础上，使用了基于内容访问量置换策略的缓存方法。它克服已有缓存技术， 如完全缓存和分层缓存方法没有考虑内容受欢迎程度的不足。通过仿真实验，结 果表明基于内容访问量的两种置换策略的缓存方法适用于不同的流媒体网络环 境。即在相邻的时间间隔t 内，用户对流媒体内容的访问率变化范围很小时，应 采用基于内容绝对访问量置换策略的缓存方法；当在相邻时间间隔t 内，用户对 流媒体内容访问率变化范围很大时，应采用基于内容相对访问量的置换策略的缓 天津大学硕士学位论文第一章绪论 存方法更合理。分析结果还表明，基于内容相对访问量置换策略同样具有基于内 容访问频率置换策略缓存方法的优点，即在缓存大小有限和内容受欢迎程度很高 等情况下缓存效率特别高。为了避免代理抖动，利用了基于指数的大小可变分段 预取方法，文中详细介绍了如何计算主动预取开始点和缓存最小值，以及预取调 度过程。文中最后还详细阐述了，在各种网络连接情况下，用户访问内容时的具 体传输过程。 1 4 本文内容安排 第一章是绪论，主要介绍本文的选题背景和意义、国内外对相关技术的研究 现状以及本文将进行研究的工作内容。 第二章简要介绍了与本文研究工作密切相关的流媒体和c d n 概念、工作原 理、所需技术支持、流媒体内容分发网络的基本结构，为后文的理论分析、实验 研究打下理论基础。 第三章详细阐述基于指数的大小可变分段方法思想、缓存准入和两种置换策 略、实验方法和结果。 第四章阐述在各种网络条件下，基于指数分段的预取方法对预取开始点、缓 存最小值的计算以及主动预取调度过程和用户访问内容时的具体传输过程。 第五章对本文的工作进行了概括和总结，并对今后更进一步的研究内容予以 展望。 天津大学硕士学位论文第二章流媒体内容分发网络 2 1 流媒体技术 第二章流媒体内容分发网络 2 i i 流媒体的概念 流媒体是指在i n t e r n e t i n t r a n e t 中使用流式传输技术的连续时基媒体。流 式媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入缓存，流式媒体的数 据流随时传送随时播放，只是在开始时有一些延迟啪1 。而流式传输技术就是把连 续的声音和图像信息经过压缩处理后放到网站服务器上，让用户一边下载一边收 听观看，而不需要等待整个文件下载到自己的机器后才可以观看的网络传输技 术。 2 1 2 流媒体技术原理 流式传输的实现需要缓存。因为i n t e r n e t 以包传输为基础进行断续异步传输， 对一个实时音视频源或存储的音视频文件，在传输中它们要被分割为许多包，由 于网络是动态变化的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延 迟也就不等，甚至先发的数据包还有可能后到。为此，使用缓存系统来弥补延迟 和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，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，流可以重新利用空 出的高速缓存空间来缓存后续尚未播出的内容嘲。 流式传输的过程原理如下： 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； w e b 浏览器启动音视频客户程序，使用h t t p 从w e b 服务器检索相关参数对 音视频客户程序初始化，这些参数可能包括目录信息、音视频数据的编码类型或 与音视频检索相关的服务器地址； 音视频客户程序及音视频服务器运行实时流协议，以交换音视频传输所需 的控制信息，实时流协议提供执行播放、快倒、暂停及录制等命令的方法； 天津大学硕士学位论文第二章流媒体内容分发网络 音视频服务器使用r t p u d p 协议将音视频数据传输给客户程序，一旦音视 频数据到达客户端，音视频客户程序即可播放输出。 基本原理如图2 1 所示。 图2 1 流式传输基本原理 2 1 3 支持流媒体传输的控制协议 流媒体业务由于数据量大、实时等特点，对网络传输也提出相应的要求，主 要表现在高带宽、低传输时延、同步和高可靠性几方面。为了保证好的q o s ，必 须考虑传输模式、协议栈和应用体系控制等问题。图2 - 2 所示是流媒体传输协议 在t c p i p 协议族的层次结构中的位置以及客观存在与其他协议的配合关系。 r t p r t c j r t s ps d p r s v p u d pt c p b e a r e rl a y e r 图2 吨流媒体传输协议 h 实时传输与控制协议( r t p r t c p ) 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 ) 是i e t fa u d i oa n d v i d e ot r a n s p o r tp r o t o c o l 小组专门为声音、视频等实时数据提供的端到端的 传输服务而设计的，作为r f c l 8 8 9 发布。r t p 协议由两个相关的协议组成：承 载具有实时属性的数据流业务的r t p 实时传输协议；承载网络服务质量监控信 息的r t c p 实时传输控制协议。 实时传输协议( r t p ) 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。r t p 协议可以在其他网络层或协议层上使用， 通常r t p 的协议元用u d p 协议元来装载，并利用u d p 复用和校验和实现r t p 的 复用。r t p 协议不是作为一个独立的协议层次来完成的，而是集成到应用处理 天津大学硕士学位论文 第二章流媒体内容分发网络 进程中，倾向于可变化的、根据具体应用的需要提供所需提供的信息。本质上， r t p 协议主要位于o s i 七层模型的会话层。用u d p 来装载r t p 协议元，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 用u d p 来装载r t p 协议元 r t p 协议的目的是提供实时数据( 如交互式的音频和视频) 的端到端传输 服务，因此在r t p 中没有链接的概念，它可以建立在底层的面向链接或面向非 连接的传输协议上；r t p 也不依赖于特别的网络地址格式，仅需要底层传输协 议支持帧( f r a m i n g ) 和分段( s e g m e n t a t i o n ) 就足够了；另外r t p 本身不提供 任何可靠性机制。在典型的应用场合下，r t p 般是在传输协议之上作为应用 程序的一部分加以实现的。 实时传输控制协议r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 用于统 计、管理和控制r t p 传输，两者协同工作，提供流量控制和拥塞控制服务，能 显著提高网络实时数据的传输效率。在r t p 会话期间，各参与者周期性的传送 r t c p 包。r t c p 包中含有已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，服务器可以利用这些信息动态改变传输速率，甚至改变有效的载荷 类型。r t p 和r t c p 配合使用，能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化， 故特别适合传送网上的实时数据。 总的说来，r t c p 主要提供4 大功能： ( 1 ) 用反馈信息的方法来提供分配数据的传送质量，这种反馈可以用来进行 流量的拥塞控制，也可以用来监视网络和用来诊断网络中的问题； ( 2 ) 为r t p 源提供一个永久性的c n a 胍( 规范性名字) 的传送层标志，因为 在发现冲突或者程序更新重启时s s r c ( 同步源标识) 会变，需要一个运作痕迹， 在一组相关的会话中接收方也要用c n a m e 来从一个指定的与会话话者得到相联 系的数据流( 如音频和视频) ； ( 3 ) 根据与会话者的数量来调整r t c p 包的发送率； ( 4 ) 传送会话控制信息，如可在用户接口显示与会话者的标识，这是可选功 能。 在r t p r t c p 协议基础上，不同的媒体类型需要不同的封装和管理技术。目 前国际上正在研究基于r t p r t c p 的媒体流化技术，包括砸p g 一1 2 4 的流媒体 化技术。另外，r f c 中还从高层讨论了协议的分段问题，指出r t p 最大包长是 受网络最大传输单元m t u 和协议的潜在限制。这就解释了较早版本的w i n d o w s m e d i a 如何传送相对较大的r t p 数据包，而后将其分成3 段或更多段的问题。”。 天津大学硕士学位论文第二章流媒体内容分发网络 实时流协议( i s p ) 实时流协议r t s p ( r e a l - t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 是由r e a l n e t w o r k s 和n e t s c a p e 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 被定义在r f c 2 3 2 6 中嘲，其定义是在h t t p 的基础上 进行的，借用大量的h t t p 语法和操作。r t s p 在体系结构上位于u d p 和t c p 之 上，它使用t c p 或r t p 完成数据传输。使用r t s p 时，客户机和服务器都可以发 出请求，即r t s p 可以是双向的。 r t s p 是应用级协议，控制实时数据的发送，它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 在服务器中的数据。该协议目的在于控制多个数据发送连接，为选择发送通道， 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。r t s p 能够与r s v p ( 资源预留协议) 一起使用，用来设置和管理保留带宽的流式会话或 者广播。 不同于h t t p ， i t s p 以一个独立的信道发送数据，对流本身进行独立控制， 从而使得数据实际上可以基于多种传输层协议进行发送，包括u d p 和t c p 传输 协议，并且数据能分别通过单播和组播的发送信道进行发送。控制信息也可以 在u d p 和t c p 传输协议之上发送。拥有独立的信道进行通信使客户端和服务器 都能发出请求，从而大大方便了对流的控制。 r f c o ”也描述了在实验测量t r a c e 中可以看到的会话标志位以及时间戳的 格式和许多选项。其中包括正常播出时间，用它可以定义流的绝对时间以达到 同步的目的，另外也可以通过它判断网络条件。多个细小的流数据包可以组合 成更大的传输层数据包，以减小信息包的资源消耗，从而可能获得更佳的传输 性能。 ( 习r s v p 协议 资源预留协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 是网络控制协议， 它使i n t e r n e t 应用传输数据流时能够获得特殊服务质量。r s v p 是非路由协议； 它同路由协议协同工作，建立与路由协议计算出路由等价的动态访问列表，r s v p 属o s i 七层协议栈中的传输层，开始是为研究人员构造的，i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，工程任务组) 正朝标准化方向努力。 船、p 数据流 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 天津大学硕士学位论文第二章流媒体内容分发网络 务质量，o o s 要求通过网络以流说明形式通讯。流说明是互联网主机用来请求 特殊服务的数据结构，保证互联网处理主机传输。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 ) 与延迟敏感 ( d e l a y - s e n s i t i v e ) 。用来支持这些传输类型的数据流服务依赖o o s 实施。 最好性能传输为传统i p 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。例如：速率敏感传输请求l o o k b p s 带宽， 如在扩展期实际发送2 0 0 k b p s ，路由器可能延迟传输。速率敏感传输目的不在 通过电路交换网络传输，但它通常与电路交换网络( i s d n ) 应用有联系，现在正 运行在数据报网络( i p ) 上。这类应用如h 3 2 3 视频会议，设计运行在i s d n ( h 3 2 0 ) 或a t m ( h 3 1 0 ) 上，但发现在i n t e r n e t 上也有应用。h 3 2 3 编码是 常数速率或准常数速率，它需要常数传输速率。 r s v p 服务支持速率敏感传输，称为位速率保证服务。延迟敏感传输要求传 输及时，并因而改变其速率。例如：b 4 p e g - i i 视频根据图像改变量大小平均流 量为3 7 m b p s ，3 m b p s 可能对应一堵上色的墙，而7 硒p s 可能是海洋的波浪。 m e p g - i i 视频源发送关键帧和增量帧。典型的，每一秒一个或两个关键帧，描 述整个图像，而每秒1 3 或2 8 帧描述关键帧之间的变化，增量帧通常比关键帧 小。因此，帧与帧之间速率变化比较大。但由于单个帧要求在一帧时间内发送 出去，或解码器速度跟不上，必须对增量帧传输进行特定优先级别协调。r s v p 服务支持延迟敏感传输，被看作控制延迟服务( 非实时服务) 与预报服务( 实 时服务) 。 r s v p 数据流处理 r s v p 数据流基本特征是连接，数据包在其上流通。连接是具有相同单播或 组播目的数据流，r s v p 分别处理每个连接。r s v p 支持单播和组播连接( 这里连 接是一些发送者与另一些接收者的会话) ，而流总是从发送者开始的。特定连接 的数据包被导向同一个i p 目的地址或公开的端口。i p 目的地址可能是组播发 送的目的地址，也可能是单个接收者的单播地址。公开目的的端口可用u d p t c p 目的端口段，另外传输协议等价段或某些应用特定信息定义。 r s v p 数据发布是通过组播或单播实现的。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。单播传输特征是只有一个接收者。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，在这种情况下，r s v p 可建立多对一传输的资源预定。每个r s v p 发送者和 接收者对应唯一的i n t e r n e t 主机。然而，单个主机可包括多个发送者和接收者， 以公开端口区分。 天津大学硕士学位论文第二章流媒体内容分发网络 2 1 4 流媒体播放方式 1 单播( u n i 嘲t i 岫 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。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 组播( m u l t i c 龉t i n g ) ip 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，减少网络上传 输的信息包的总量。网