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北京邮电大学硕士论文 r 小容量v 。d 系统服务器的开发与研究 摘要 社会的进步，人民生活水平的提高，促使一些居民小区，饭 店，企业，公司和部门提出了开设本单位v o d 业务的需求、为此，开 发研制低成本，小容量的vod 系统成为热点之一，本论文重点讨论 了这种v od 系统服务器的设计与实现。 论文从vod 的系统构成，基本原理，基本技术和基本协议入手， 介绍t n 务器系统设计方案、给出了通信控制，播放控制，数据管理 和计费管理模块的功能和实现流程图；并详细阐述了各模块c “的软 件的编程实现。讨论了软件调试及其结果，最后，总结了设计过程的 经验与体会并提出了改进意见。 【关键词】服务器 v o d通信控制 播放控制数据管理 计费管理 3 北京邮逛大学硕士论文小窖量v o d 系统服务嚣的开发与研究 a b s t r a c t w i 也t h ep r o g r e s so fs o c i e t ya n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e s l i f e t h e d e m a n do fv o ds e r v i c et h a tc o m e sf r o m h o t e l ，r e s i d e n t i a l a r e a ， e n t e r p r i s e , c o r p o r a t i o ne t c h a s b e c o m em o r ea n dm o r e g r e a t s ot o d e v e l o p al o wc o s ta n d1 0 wc a p a c i t yv o d s y s t e m h a sb e c o m eo n e h o t s p o t t h i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h i s k i n do f v o d s y s t e m t h ea r t i c l ei sb a s e d o nv o ds y s t e m s a r c h i t e c t u r e ，b a s i ct h e o r y t e c h n o l o g y , p r o t o c o la n dt h e nm a i n l yi n t r o d u c e st h es y s t e m sd e s i g na n d t h o s em o d u l e s f u n c t i o n sa n dw o r kf l o wc h a r t ss u c ha sc o m m u n i c a t i o n s c o n t r o l m o d u l e ，p l a yb a c kc o n t r o lm o d u l e ，d a t am a n a g e m e n tm o d u l e c h a r g em a n a g e m e n tm o d u l e t h ea r t i c l ea l s oi n t r o d u c e sc ”p r o g r a m m i n g o ft h e s em o d u l e s ，s o f t w a r ed e b u g g i n ga n dp r e s e n t st h er e s u l t f i n a l l yi t s m m n a r i z e st h ee x p e r i e n c e sa n dm o d i f i c a t i o na d v i c e 北京邮电大学硕士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研究 剐百 从二十世纪2 0 年代末第一台电视被发明，到现在电视几乎遍布全世界每个 角落，每个家庭，并已经成为现代社会中获取信息，娱乐休闲的不可缺少的一种 手段。人们在享受电视带来的乐趣的同时，也发现了电视的一些缺点。电视台播 放的节日不能因观众的需求而随意地变换，而且也不能向录像带那样通过“快 进”、“快退”、“慢放”、“重放”来控制节目的播放，这就形成了被动地看电视的 方式。于是人们开始幻想有朝一日，能把这种被动地看电视变成主动地看电视， 在自己需要的时候观看想看的节目。于是视频点播业务的想法就应运而生了。为 实现这一梦想，从二十世纪七十年代以来，有很多公司、工程师和技术人员对视 频点播做了大量的努力和探索，但由于条件所限，一直没有找到很好的解决方案。 到二十世纪九十年代，随着多媒体信息压缩处理技术、宽带网络技术和计算机技 术的飞速发展，对于视频点播的研究和开发才真正兴起。 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，指按用户要求播放视频节目。它利用了网络和视频技术的优势，彻底改变了 过去收看节目的被动方式，利用系统提供的菜单，实现了节日的按需收看和任意 播放，集动态影视图像、静态图片、声音、文字等信息为体，为用户提供实时、 交互、按需的点播服务。 r o d 可以在网络教育、图书馆、企业培训、媒体娱乐等多方面得到应用。随 着多媒体通信技术的发展、因特网及宽带数据通信网络等信息基础设施的建设， 视频点播将会与人们的生活联系越来越紧密。 大型v o d 系统已经过长时期发展，一些发达国家的大公司相继开发并推出了 各种r o d 产品，然而，随着社会的进步，信息技术的发展以及人民文化生活的提 高，在一些居民小区，饭店，人民团体，公司和政府机关都希望为本单位装配小 容量的v o d 系统，以满足人民文化生活的需求。 这种v o d 系统的主要功能要求是 为了减少投资，服务器要求采用一般的p c 机 通信网络采用局域网； 支持多种视频格式：m p e g l ，m p e g 2 ，a v i 等： 要求实现至少1 0 个并发流； 至少同时提供2 0 种视频节目 软件编程尽量简单，以增强系统稳定性。 按照这一要求，我们的课题选为“小容量v o d 系统的开发与研究”。该论文 ! ! 室堕皇查堂塑主笙兰尘窒墨! 旦旦墨塑堕堕童塑塑蔓墨：! i 堕 嘉牵笥岔徽斋罢麒碧嚣票j 娑叠叟喜藿擎熬曩葬裟：蠢凿季 嚣砉缡守磊雾茹l 予嚣荔瓣著魏震羹斋雯嚣嘉萎霸簇裔蕃茹南 景军篓裂霈磁篇磊霾篓雾耄纂擎然器芸爰翼蠢柔? 器惹磊字要述了各模块c 忖的软件的编程实现。讨论了软件调试及再结果，最后，一甚兰占j 阪 全文分为六章 第一章v o d 系统简介 首先介绍了v o d 产生的社会背景和技术背景；然后概述了v o d 的特点和 类型，例如，它的数字化、实时性、带宽要求高、系统的摹杂性等，从分类 上来讲可分为新闻点播、交互式视频游戏、远程教学、远程医疗等；最后介 绍了- v o d 系统中所使用的主要技术：v o d 系统的概念模型、国际通用的 d a v i c 标准、m p e o 数据压缩技术、r a i d 技术、宽带网络a t m 技术等。 第二章g o d 系统相关协议 主要介绍了d a v i c 协议、m p e g 一2 标准、t c p i p 协议和w i n d o w s s o c k e t 工作机制。 第三章v o d 系统设计 介绍了系统实现的框架图，还分别介绍了服务器软硬件平台的选择和设 计完成的性能指标；通行网络的构架；客户机端的硬解压卡的分析。及系统 数据流和命令控制流的实现。 第四章服务器软件的设计实现 详细介绍t n 务器部分的设计和编程实现。 第五章客户机软件的设计和实现 介绍了客户机端的设计和实现。 第六章工作总结和系统改进意见 北京邮电大学硕士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研究 第一章v o d 系统简介 本章介绍了v o d 业务的产生、有关概念、业务特点，v o d 系统的组成模型和 相关的技术知识等。 1 iv o d 的产生 从1 9 2 8 年美国通用公司成功生产出第一台电视机n - - 十世纪八十年代，电 视机在全世界的几乎每个家庭得到普及，人们通过它来了解新闻、娱乐等各种信 息，获取各方面的知识。电视机极大地丰富了人们的精神生活。 然而，人们收看什么电视节目，什么时间收看，都只能依赖于电视台的安排。 尽管电视台可以提供很多的节目，但是，在现代社会中，要想真正完整地收看到 个自己满意的节目，对于许多人来讲也是不太容易做到的。这是因为，在快节 奏的现代社会中，许多人不可能为了收看某一个电视节目而预先安排自己的时 间，而等到自己有时间的时候，电视台播放的往往是自己所不喜欢的节目。被迫 习惯了这种被动收看方式的人们，对于有朝一日能够按照自己的需要自由地点 播，充满了美好而迫切的憧憬。视频点播业务的最初出现就是为了解决上述矛盾。 从二十世纪七十年代以来，有很多公司，无数工程师、技术人员对视频点播 做了大量的努力和探索，但由于条件所限，一直没有找到很好的解决方案。到二 十世纪九十年代，随着多媒体信息处理技术、宽带网络技术和计算机技术的飞速 发展，对于视频点播研究和开发才真正兴起。 视频点播简称v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) ，也称为交互式视频点播系统。利用 视频点播，人们可以根据系统提供的菜单选择自己喜欢的节目，在适合自己的时 间里收看节目，并可以根据自己的意愿对节目的收看过程进行控制，跳过自己不 喜欢的段落或者重复精彩的节目片断。视频点播既是一种业务，又是一种技术， 它利用先进的信息技术为人们提供更好的信息服务，提高了人们的生活质量，满 足了现代人快节奏生活的需要。 1 2v o d 的特点和类型 视频点播泛指利用交互式网络将声音图像进行实时传输，以实现影视点播、 信息查询、电视购物、远程教育等服务的一项交互式多媒体应用业务。 1 2 1 v o d 业务特点 v o d 业务是一种典型的交互式多媒体应用业务，它使用交互式命令在宽带网 北京邮电大学硕士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研究 络中传输多媒体数据信息，具有以下特点： ( 1 ) 数字化：不言而喻，多媒体数据中包含多种媒体，如视频、音频、文 字等信息，为了在同一条信道上进行传输和方便处理，必须把这些信息都表示为 数字形式。 ( 2 ) 实时性：视频点播是一种交互式的业务，用户的要求需要实时地得到 满足。如用户要求暂停播放点播的节目，业务就必须立即响应用户的要求，暂时 停止播放节目，等待用户的下一个要求。 ( 3 ) 带宽要求高：为了在网络中实时地传送多媒体数据，网络必须是宽带 的。这是因为，多媒体数据具有非常大的数据量，声音、图像的传输需要占用大 量的带宽资源，举例来说，在网络中传输m p e gl 格式的视频节目，需要的带宽 约是1 5 m b p 8 ，而传输m p e g2 格式的视频节目则需要3 1 5 m b p s 。可见，未压 缩的视频在现有网络上传输的效果是无法容忍的，而且会很容易地将网络资源吞 没，造成网络拥塞甚至崩溃。 ( 4 ) 系统复杂：v o d 系统包括音视频节目的制作设备、服务器、网络和客 户接收设备等四个组成部分，各个部分既相互独立又相互联系，因而在结构上比 较复杂；另外，系统处理的是多媒体数据，每种媒体有其独特的处理方法和表示 形式，不同的媒体类型之间还有相互联系，如视频和音频之间的同步关系等，这 又进一步增加了系统的复杂性。 1 2 ，2 v o d 业务类型 v o d 业务按照不同的原则可以划分成多种业务类型。通常区分v o d 业务类型 的原则有两种，一种是按照点播的内容来划分，另一种是按照业务交互性和实时 性的程度来划分。 按照点播的内容不同，v o d 业务有很多类型，在各个行业有着各种不同应用 具体有阱下几种： 电影点播m o d ( m o v i e so nd e m a n d ) 这是种代替录像带出租的业务，用户通过终端可在自己喜欢的时候点播存 在于视频服务器上的电影或录像节目，服务器通过网络将节目显示在用户的终端 上，用户可以对节目进行切录像机的操作，如快迸、重放、暂停等，此外还有 一些比录像机更为灵活的操作，如电影节目内容介绍、影片主要演员、导演等， 用户可以根据内容进行检索。 卡拉o k 点播( k a r a o k eo nd e m a n d ) 用户通过网络选择卡拉o k 节目，服务器提供节目单，用户点播自己喜爱的 歌曲，可以通过网络来调节音调、音速、并且可以选择是否保留原唱，就像自己 拥有一台卡拉o k 机一样。更为吸引人的是你不必去买大量的卡拉o k 光盘，可以 在网络中与别人共享一个巨大的歌曲库。 交互式视频游戏( i n t e r a c t i v ev i d e og a m e s ) 用户可以在线参加多媒体游戏，游戏选单、级别等信息由服务器提供。用户 北京邮电大学硕士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研究 选择参与、退出游戏，游戏的声音、画面等实时变化，动态下载。这样 必自己购买游戏软件，同时还可以和网友进行合作，相互交流经验教训 丰富了游戏的内容，增加了游戏的乐趣。 用户不 进一步 点播新闻( n e w so n d e m a n d ) 服务的提供者从各新闻单位实际收集信息，并且归类整理，提供方便的检索 方式，用户通过网络可以浏览各地的最新信息，也可以查阅以前任何一天的任何 类新闻，并且可以控制新闻按自己习惯的方式显示。这比订阅一大堆报纸，在 一大堆报纸中搜索新闻要方便得多。由于对新闻进行了归类，因此你可以很容易 地对比各家对同一事件的报导。还有一个明显的优点是你可以方便地查找以前的 事件，你可能模模糊糊地记得以前报纸上报导过某件事，翻报纸查找很费力气， 但通过网络查询就很容易了。 信息服务( s e r v i c eo nd e m a n d ) 信息社会里，人们无时无刻离不开信息的支持，掌握信息的人就有了成功的 机会，驾驭信息的人才可能最终成功。v o d 内部维护一个个性特征的数据库，对 外与信息的海洋i n t e r n e t 相连，提供实时的信息服务，用户可随时随地地查询 得到自己想要臼勺东西。通常提供的服务有：电子广告和图书的检索；交通旅游、 商务机构、股市行情的资讯；健康医疗的查询等。 远程教学( d i s t a n c el e a r n i n g ) 这是一个建立在网络上的虚拟教室或虚拟学校，用户可以自由加入或退出一 个课堂，可以与网络上的教师进行交流，并且可以控制摄象机的镜头，控制在监 视器上显示的内容。这种业务对于普及成人教育有很大的意义，并且对于地广人 稀的地区，也是一个解决孩子上学的方法。 远程购物( t e l e s h o p p i n g ) 用户通过终端，在家中就可以逛商店，这是一个网络上的虚拟商店，用户 可以自由地浏览商店中的各类产品，对于感兴趣的商品还可以看到更详细的信 息，比如服装的材料组成、厂家和产地等，不用担心这些信息是否经过了售货员 的加工。对于选中的商品，还可以通过网络定货，甚至利用信用卡，通过网络直 接付款。 除了上面所说的几种常用v o d 应用外，还有很多其他应用，如家庭银行( h o m e b a n k i n g ) 等，这里不再进行详细介绍。 按照业务交互性和实时性程度的不同，视频点播业务可以划分为几种不同的 类型，具体说明如下： 每次点播付费( p a y p e r - v l e w ) p p v ) 业务 使用这种业务的用户通过网络或者电话提交点播请求，服务器响应点播要求 并在电视台播放相应节日，这类似于现有的有线电视p p v ( 如打电话到电视台点 歌) 业务。这种业务不具有真正意义上的实时性，是点播业务最容易实现的一种。 类视频点播( q u a s i v i d e o - o n d e m a n d ，q v o d ) 业务 北京邮电大学硕士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研究 使用这种业务的用户按照感兴趣的视频节目进行分类，成为不同的组。用户 可以简单地从一个组切换到另一个组，观看不同类型的视频节目。 准视频点播( n e a rv i d e o o n d e m a n d ，n v o d ) 业务 这种业务每隔固定的时间( 如5 分钟) 在不同的信道中传送同样的节目，在 这些信道之间相互切换可以模拟实现快进快退等功能。在这种业务中，每个节目 占用多个信道，适合于有大量用户同时点播同一节目的情况。 真视频点播( t r u ev i d e o o n d e m a n d ，t - v o d ) 业务 用户使用这种业务可以对节目收看过程进行全面控制，可以实现录放像机的 全部功能，包括节目快进、快退播放、停止、随机定位等。t - v o d 业务需要为每 个用户分配一个信道，在多用户的情况下对带宽等资源的要求比较高。 在上面这些类型的业务中，p p v 是最容易实现的，而t - v o d 最难实现。q - v o d 和n - v o d 业务类似于看电影，用户使用这两种业务类型需要有本地控制器，把自 己所需要的节目信道和其他信道分离出来，从而获取自己所需要的信息。t - v o d 需要在本地客户端设备和远端服务器之间通过网络建立双向信道，用以实现全面 的控制。 从上面的介绍可以看到，要实现真正的v o d 业务需要建设一个复杂的系统 涉及很多关键技术。 1 3 v o d 系统的主要技术 v o d 是当前多媒体通信应用的一项前沿技术，它结合了面向未来的信息和通 信等相关技术，包括d a v i c 、m p e g 、a t m 、i p 、接入技术和存储技术等等，涉及 到多种媒体的信息处理( 编解码、压缩与解压缩) 和宽带网络传输，是多媒体技 术、计算机技术和通信技术等多种技术的综合。本节将对这些关键技术做简要介 绍。 1 3 1v o d 系统概念模型 在介绍关键技术之前，首先介绍v o d 系统的概念模型，这有助于理解系统在 什么位置使用了什么技术。 系统概念模型如卜1 图： 苎塞塑皇查兰堡主丝兰 尘窒墨旦旦墨竺堡堡壁堕互垄! ! ! ! 墨 图1 1v o d 系统概念模型 在这个概念模型图中，系统涉及的关键技术如下： v o d 系统的总体设计、规划必须符合d a v i c 协议，从而不同厂家的v o d 产品 可以相互配合，实现互通； 节目制作子系统提供整个系统的节目源，为了获得高清晰度的图像和逼真的 声音，节目一般采用m p e g 标准进行压缩；它与网络子系统( 由骨干网和接入网 组成) 进行连接，可以直接连接骨干网，也可以通过接入网进行连接。 服务器子系统必须能够存储大量的节目数据，并在需要时提供高速的数据提 取、播放控制等功能。海量存储、高速运算处理速度、宽带网络接口对于v o d 服务器来说是必须的，服务器需要采用高速工作站，内存容量大、处理速度快， 并配备有高速的r a i d ；它一般直接与骨干网相连，从而方便使用大容量的带宽 资源。 用户终端子系统可以采用s t b ( s e t t o pb o x ，机顶盒) 加电视机的形式 也可以利用p c 机的形式，这两种情况在后面进行讨论。 在网络子系统中，由于v o d 数据流要占用较高的带宽，这就要求通信网络具 有很高的带宽，目前干线传输网中比较成熟的是a t m 技术，所以现在v o d 系统都 采用a t m 网络作为其骨干网，并在用户端采用宽带接入网技术，如a d s l 或者h f c ， 与骨干网相连接。 下面对这些技术分别进行简单介绍： 1 3 2d a v i c 标准 d a v i c ( d i g i t a la u d i 0v i s u a lc o u n c i l ，数字音视频委员会) 是一个在瑞 士注册的非赢利组织，其目的在于提供一个国际公认的接口和协议，增强不同国 北京邮电大学硕士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研究 家、不同应用中数字音频、视频业务的互通性。该组织制定的d a v i c 协议规定了 v o d 系统的通用体系结构，并为整个系统的设计提出了全面的解决方案，目前已 有的v o d 系统基本上都遵循这个协议。对于这个协议，我们将在第二章中进行详 细介绍。 1 3 3m p e g 数据压缩 m p e g ( m o v i n gp i e t u r ee x p e r t sg r o u p ，运动图像专家组) 是由i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织) 与i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e e t r o n i cc o m m i t t e e ，国际电工委员会) 于1 9 8 8 年联合成 立的一个组织，专门致力于运动图像( m p e g 视频) 及其伴音编码( m p e g 音频) 标准化工作。现在已经制定了m p e g l 、m p e g 一2 两个成熟标准，另外三个m p e g 一4 、 m p g g 一7 和m p e g - 2 1 正在制定和实践之中。r o d 系统中传输的媒体流基本上都是使 用这个标准系列，特别是m p e g 一2 标准进行压缩编码过的，我们也将在第二章协 议部分进行详细介绍。 1 3 4r a i d 技术 在服务器上需要存储大量的节目数据，同时服务器又要能够高速读取数据 以响应用户终端的请求。为了满足服务器的这种需要，必须使用r a i d 。 r a i d 的全称是r e d u n d a n ta r r a yo fi n d e p e n d e n td i s k s ，即廉价冗余磁盘 阵列。这种技术在1 9 8 7 年由加州大学伯克利分校提出，最初的研制目的是为了 组合小的廉价磁盘来代替大的昂贵磁盘，以降低大批量数据存储的费用，同时也 希望采用冗余信息的方式，使得磁盘失效时不会使对数据的访问受损失，从而开 发出一定水平的数据保护技术。该技术提供了比通常的磁盘存储更高的性能指 标、数据完整性和数据可用性，它能够有效地弥补当今面临的i o 总是滞后于 c p u 性能的瓶颈问题。 r a i d 的基本结构特征就是组合( s t r i p i n g ) ，捆绑2 个或多个物理磁盘成组， 形成一个单独的逻辑盘。组合套( s t r i p i n gs e t ) 是指将物理磁盘组捆绑在一块 儿。在利用多个磁盘驱动器时，组合能够提供比单个物理磁盘驱动器更好的性能 提升。 数据以固定长度的块( c h u n k s ) 形式写入组合套中，块长度和平均i o 需求 的尺寸之间的关系决定了组合套的特性。总的来说，选择块尺寸的目的是为了最 大程度地提高性能，以适应不同特点的计算环境应用。 实际的计算环境依据箕不同的特点，可被划分为转换速率密集( t r a n s f e r r a t ei n t e n s i v e ) 环境或者需求速率密集( r e q u e s tr a t ei n t e n s i v e ) 环境。如 果个计算环境通常服务于小的用户数量和大的i o 需求，可以被认为是转换速 率密集环境，工程学和科学应用属于转换速率密集，例如c a m c a d 、图像处理和 数据集合等。一个计算环境，如果它是自然存在的多用户或在线交易系统( o l t p ) ， 可以被认为是一个标准的需求速率密集，交互式的数据库应用能产生大量的小 的i o 需求，由这些应用产生的i o 负荷可被称为需求速率密集。具备独立驱动 器操作功能的组合套可提供对于需求速率密集环境来说高的性能。例如，v o d 系 北京邮电大学硕士论文小容量v o d 系统服务器的开发与硼究 统服务器就是一个需求速率密集型的计算环境。 需求速率密集型环境中i 0 需求尺寸比块尺寸小很多，这将导致每一个i 0 需求落于一个单个的驱动器中，在这种情况下，由于有数个驱动器，阵列可同时 处理数个需求，或者说比单磁盘快数倍，这就满足了v o d 服务器快速读取数据的 需要。 另外，r a i d 还具备数据校验( p a r i t y ) 功能，数据校验分为从2 到5 四个 不同的级别，在磁盘发生失效时，校验功能结合磁盘中的完好数据，可以重建失 效磁盘上的数据。数据可用性( d a t aa v a i l a b i l i t y ) 也是r a i d 系统的指标之一， 数据可用性指的是阵列内部容错能力的水平，数据可用性程度越高，可被理解为 当发生越多的部件失效时而数据访问仍不丢失。 r a i d 阵列能够适应不同环境，在不同类型的主机之间以及操作系统之间移 动一个r a i d 阵列的能力越高，一般说来，可带来更好的投资保护。 1 3 5 宽带网络a t m 技术 v o d 业务对实时性要求很高，要求有高传输速率，高交换速率。采用m p e g 一2 标准压缩编码的媒体数据流需要在宽带的网络中进行交换和传输。目前比较成熟 的宽带网络技术是a t m 技术，所以现在v o d 系统都采用a t i v l 网络作为其骨干网， 该网的传输则采用大容量的光纤光缆等设备。 a t m 是a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 的简写形式，即异步传输模式。国际 电联于1 9 8 8 年推荐其为宽带综合业务数据网b - i s d n 的信息传输模式。a t m 是一 种传输模式，它的基本传输单位是a t m 信元。 a t m 信元是固定长度的分组，共有5 3 个字节，分为2 个部分。前面5 个字 节为信头，主要完成寻址的功能；后面的4 8 个字节为信息段，用来装载来自不 同用户，不同业务的信息。话音，数据，图像等所有的数字信息都要经过切割， 封装成统格式的信元进行传输，并在接收端恢复成所需格式。 由于a t m 技术简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，采用易于处理的 固定信元格式，所以a t m 交换速率大大高于传统的数据网，如x 2 5 、d d n 、帧中 继等。 另外，对于如此高速的数据网，a t m 网络采用了一些有效的业务流量监控机 制，对网上用户数据进行实时监控，把网络拥塞发生的可能性降到最小。对不同 业务赋予不同的”特权”，如语音的实时性特权最高，一般数据文件传输的正确性 特权最高，网络对不同业务分配不同的网络资源，这样不同的业务在网络中才能 做到“和平共处”。 图i 一2 是a t m 的一般组网方式，与骨干网络直接相连的可以是支持a t m 协议 的路由器或装有a t m 卡的主机，也可以是a t m 子网，还可以是其他的很多设备， 如a d s l 的d s l a m 等，连接的方式可以是p v c ( 永久性虚电路) 或者s v c ( 交换式 虚电路) 。在一条物理链路上，可同时建立多条承载不同业务的虚电路，如语音， 图像，文件传输等。 北京邮电大学硕士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研芄 1 3 6 宽带接入技术 图i - 2a i m 网络接入方式 画 路由器 由于v o d 系统中传输的信息是大容量的多媒体信息流，所以在骨干网和家庭 用户之间必须要有宽带的接入网。目前比较成熟的两种接入网技术是a d s l 技术 和h f c 技术，下面分别进行说明： 1 3 6 1 a d s l 技术 a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ，非对称数字用户环线) 是 o s l 的一种非对称版本，它利用数字编码技术从现有铜质电话线上获取最大数据 传输容量，同时又不干扰在同一条线上进行的常规话音服务。 这种技术利用电话话音传输以外的频率传输数据，也就是说，在普通电话线 路上，利用话音占用的频率范围之外的频率传输数据，数据和话音两者之间在频 率上相互分离，互不干扰。 充分利用这部分带宽，a d s l 能够向终端用户提供高达8 m b p s 的下行传输速 率和几百k b p s 的上行传输速率，比传统的模拟调制解调器快将近1 5 0 倍。 目前，在a b s l 中一般采用正交调幅删( q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a r i o n ) 、无载频幅度相位c a p ( c a r r i e r l e s sa m d i t u d e p h a s e ) 、或多音频、 d m t ( d i s c r e t em u l t i t o n e ) 等调制方式将下行信号搬移到规定的频带位置上。 1 9 9 5 年d m t 被a n s i 认可为a d s l 的标准调制方式。近年来还出现了一种简化的 a d s l 标准( g 9 9 2 ，2 ) ，称为u a d s l ，降低了成本。不论采用什么标准进行a d s l 的研究开发，它的总体框架是类似的，所不同的是各自的调制方式和设各内部结 构。a d s l 接入系统的概念模型如图1 3 所示： 吼a 扫纛臣享卜 f lf 图1 - 3 a d s l 接 概念模型 焉 一 m 盟呲、 、网、爹 北京邮电大学硕士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研究 图中缩写名词解释如下： d s l a m ：d s l 的接入复用器( a c c e s sm u l t i p l e x e r ) a - i u c ：a d s l 的传输单元一局端部分( a d s lt r a n s f e rd n i t c e n t r a l ) a t u r ：a d s l 的传输单元一远端( 用户) 部分( a d s lt r a n s f e ru n i t r e m o t e ) 目前，a d s l 设计目的主要实现两种功能：高速数据通信和交互视频。数据 通信功能可为因特网访问、公司远程计算或专用的网络应用。交互视频包括需要 高速网络视频通信的视频点播( v o d ) 、电影、游戏等。 1 3 62h f c 技术 除了电话线上的a d s l 技术之外，目前兴起的另一种宽带接入技术是h f c 它的全称是h y b r i df i b e r c o a x ，即光纤同轴混合系统。 h f c 是在原先有线电视( c a t v ) 的基础上发展起来的。有线电视采用同轴电 缆系统，提高了各地的电视接收效果，丰富了节目内容，受到人们的广泛欢迎。 然而，纯粹的同轴电缆系统因为具有干线容量不足、可靠性差等缺点，不能满足 社区宽带业务的需求，所以在传输的干线上采用光纤技术。这样，改造后的有线 电视系统中既有光纤又有同轴电缆，所以称为光纤同轴混合系统。 h f c 在干线传输中采用光缆作为媒介， 信号调制到一路光信号上，通过光纤传输， 字信号也通过光纤送到光节点设备。 应用副载波复用技术，将多路c a t v 送到光节点设备。电话信号和各种数 光节点设备是h f c 接入系统的关键部分，它包括一个模拟线性宽带光接收 机、一个下行信号光接收机和一个反向上行信号光发射机，另外还有一个下行信 号的射频放大器。光节点设备接收中心局送来的下行光信号，包括各种视频信号 和电话信号，进行光电变换，并将电话信号和视频信号合并。光节点设备通过本 身的射频放大部分，将这种电信号放大后，送往同轴电缆传给各用户。在上行方 面，光节点设备接收同轴电缆支路送来的上行信号，将这些电信号变换成光信号， 发往中心局或视频前端的上行光接收机。 从光节点设备到用户是一个传统的同轴电缆分配网，可以利用一些城市已有 的由树形结构组成的c a t v 分配网，通过同轴电缆将信号送入网路用户接口单元 ( n i u ) 。根据情况，n i u 可以安置在路边、高层建筑的某一层或用户家中，为同 轴电缆提供射频调制器接口，为用户提供各种信号。n i u 接收到同轴电缆送来的 混合信号后，将其分为两路，一路仍用同轴电缆真按送往用户电视机，另一路被 转换成音频信号，用双绞线送至用户的电话机。每一个用户接口单元最多可连接 6 0 部电话机，为6 0 个用户提供话音业务。一个光节点设备可服务5 0 0 个家庭。 h f c 的网络结构简单，一般由两级光纤、一级电缆构成。主前端到分前端、 分前端到分配节点( o d n ) 一般采用光纤，分前端到用户般采用电缆。在宽带 传输的h f c 上，加上相应的设备( 如c a b l em o d e m 等) 可以实现双向数据通信， 实现v o d 等宽带业务。 北京邮电大学硕士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研究 第二章v o d 系统相关协议 第一章中介绍了v o d 系统实现需要的很多关键技术，其中主要使用的协议 有两个，即d a v i c 协议和m p e o 协议。在我们的v o d 系统中，主要使用m p e g 一2 协议来提供高质量的音视频流，使用t c p i p 协议进行传输，并在t c p i p 协议上 参考m p e g 一2 协议的d s m c c 部分定义媒体的传输控制命令，使用s o c k e t s 机制 实现。 本章介绍以上协议，包括d a v i c 、m p e g 2 和t c p i p 协议。 2 1 1d a v i c 简介 2 1d a v i c 协议 d a v i c 组织成立于1 9 9 4 年8 月，总部设在欧洲的瑞士，其成员包括2 0 多 个国家的2 2 2 家公司，有设备制造商、业务提供商、政府机构和研究组织等。该 组织的任务是制定一系列数字音视频技术的完整协议规范集( d a v i c 协议) ，从 点播到增强广播业务在内的典型业务必须以它们为基础，构造完整的系统。 d a v i c 协议规范定义了数字音视频系统的最小工具集和动态特性，从而实 现端到端业务的互操作性。从d a v i c 组织成立到现在，该组织已经制定了从1 1 到1 5 共5 个版本的协议规范，这些规范已成为音视频端到端交互式应用的事实 标准。 d a v i c 组织存在了5 年，在它圆满完成既定任务之后，即宣告解散。目前， 只有该组织的网站( h t t p ：w w w d a v i c o r g ) 仍然存在，用户可以从网站上下载相 关的文档。 2 1 2d a v i c 协议中的业务系统框架 d a v i c 协议并不单独为v o d 业务制定系统实现说明书，而是为所有的点播 业务制定统一的实现说明。该协议规范详细描述了实现点播业务系统所需要的各 方面内容，包括系统需要实现的功能、技术框架、系统信息说明( 服务器、传输 系统和业务用户) 、系统工具集以及系统集成、实现和致性测试等。我所研究 和参考的d a v i c1 4 协议包括1 4 部分，分别对上述功能进行详细定义和说明。 限于篇幅，本节仅介绍点播系统的技术框架和协议分层，而下一节介绍系统 中的信息流和相关协议栈。 2 1 2 1 系统框架 d a v i c 组织在制定应用系统规范时，采用从宏观到微观的方式进行规范设 计。在该组织制定的协议中，应用系统抽象为不同的层次，依次为p o 、p 1 和p 2 ， 下一层次分别是上一层次，即p l 是p 0 、p 2 是p 1 的细化。 北京 峪电大学硕士论文小窖量v o d 系统照务器的开发与研究 在p o 层，d a v i c 协议把整个系统划分成若干个区域，每个区域构成一个 p 1 层实体。每个p 1 层实体包含一个实际的应用系统，其中含有服务提供商、传 输业务提供商和业务使用者等子系统，这些子系统和它们相互之间的接口由p 2 层进行详细定义和说明。d a v i c 协议中，p l 和p 2 层是研究核心。 图2 - l 是p 1 层的d a v i c 系统参考模型，在这个模型中，一个完整的音视频 系统细分为五个部分：内容提供商、业务提供者( 服务器) 、业务消费者( 用户 终端) 、服务器到用户间传送网络、内容提供商与服务器之间的传送网络。 盹窖 服务 且匮务 提供商 提供商 消费者 系统 传输系统系统 传输系统系统 ( c p s l l s p s 】 p d n c i p a l l s c $ f n h 自c e 二 一电 一仁二 一。 一口 a p p l 0 n i n t e a c e 广1 - 一一书0 一 一一一，。-一厂- 、一 一 一 。一一备 。 二 s 一d t “ s 目州 1 下 一 i_ t l r ： ! 1 一 口 i口 口口 ： 图2 1 d a v f c 系统通用参考模型 在这个参考模型中，子系统之间的接口按照分层进行定义。d a v i c 协议定 义了a 1 一a 1 2 共1 2 个接入参考点，用来描述这些接口，其中a 1 、a 9 、a i o 、a 1 1 位于子系统之间，而其它参考点定义在各个子系统内的功能实体之间。 p 2 层是p i 层中系统单元( 子系统) 的详细说明，即对内容提供商、业务提 供者等功能的细化。 2 i 2 2 d a v i c 协议分层 d a v i c 协议从功能对象的角度对整个系统进行分析，得到了系统的对象参 考模型。这个对象和i s d n 立体模型相类似，它将整个系统划分为用户、控制和 管理三个平面，每个平面上都有各自的实体( o b j e c t ) 用来传输不同的信息，实 现不同的功能。 每个对象实体都从高到低分为5 个服务层，分别与对方对等体的相应层结合 实现系统的服务。这5 个服务层分别是： 基本服务屡( p r i n c i p a ls e r v i c e ) ：该层与具体服务相对应，是系统使用者的 北京邸屯大学项士论文 小容量v o d 系统服务器的开发与研究 应用服务层( a p p l i c a t i o ns e n , i c e ) ：该层提供支持基本服务的各种资源，它 是将各类业务综合后的一种抽象功能划分，为基本服务层提供服务，使用会话传 输层进行通信，在服务器和用户终端之间传送各种数据和控制信息。 会话传输服务层( s e s s i o na n dt r a n s p o r ts e r v i c e ) ：该层的功能是建立、管理 和维护会话过程，提供端到端的通信通道。 网络服务层( n e t w o r ks e r v i c e ) ：该层完成与网络有关的功能，如网络的物 理传输、连接建立和拆除等。 物理层( p h y s i c a l ) ：物理层对应实际的物理设备，完成物理信号的实际传输 和接收功能。 2 1 3 系统中的信息流 不同服务层的对等实体间传送5 种信息流，分别表示为s 1 - - $ 5 ，各自含有 相应的数据信息。这些信息流和三个系统平面的对应关系表示如图2 - 2 所示。 s5 s4 图2 - 2d a v i c5 种信息流 这5 神信息流的功能分别为： s l 信息流：s 1 流存在于用户平面上，也就是我们平时所指的下行信道，它 是一个从服务器到用户终端的高速单向数据流，传送压缩视频、音频、文本等数 据。它只对服务器和终端有意义，其它中间传送实体只对s 1 流进行透明传送。 在v o d 系统中，s 1 流一般使用采用m p e o 1 和m p e g 2 标准压缩的音视频数 据作为传送媒体。 s 2 控制流：s 2 流也在用户平面上，它是服务器和用户终端之间在应用层上 的双向控制信息流，对中间实体透明，即平常所说的上行信道。使用s 2 流的数 据可咀控制s 1 流的传送，实现如播放、暂停、快进等播放控制功能。d a v i c 协 议中规定，s 2 流采用m p e g 一2 协议的d s m c c ( 数字存储媒体命令和控制) 作 为数据下载控制命令。 s 3 控制流：s 3 控制流工作在控制平面上，它完成会话管理，处于两个子系 北京邮电大学硕士论文小容量v o d 系统服务器的开发与研究 统中的传输控制层之间，用于建立、修改、终止一次会话，协商资源请求、报告 异常和切换视频广播频道等。s 3 流也采用m p e g 2 协议的d s m c c 部分进行工 作。 s 4 控制流：s 4 控制流工作在控制平面上，提供, 乎n q 连接和资源控制功能。 它完成连接管理，负责服务器与网络间、网络与用户间连接的建立和释放。 s 5 管理流：s 5 流是和网络管理相关的，它工作在管理平面上，在对等功能 层的面管理实体间以及面管理和层管理之间传送管理信息。 在这5 个流中，s l 、s 2 是端到端的业务信息流，与网络无关。s 3 、s 4 属于 控制信息流，负责业务的会话、呼叫、连接控制，与网络有很大关系。系统利用 了t c p 数据和带外数据实现s 3 、s 4 流的功能。 我们在参考d a v i c 协议设计自己的系统时，参考其中的s 1 、s 2 和s 3 信息 流，设计和实现了相应的信息流格式，并定义了相应的协议栈。 2 1 4 系统参考模型与信息流的关系 d a v i c 将每个子系统划分成前述的五个层次，其中，下面的四个层次可以 看作是分层实体，每层实体负责传送不同的信息流。在于系统的对等层之间通过 上下层实体间相互协作，通过传送相应的信息流完成个具体的应用。 系统通用参考模型与信息流之间的关系可以用图来表示： 服务提供者逻辑网络 服务使用者 圈2 - 2 d a v i c 系统功能实体关系图 2 2 m p e g 2 标准 在我们的系统中，传输的媒体数据采用m p e g 2 标准进行压缩，使用该协 议的d s m c c 部分进行传输控制。本节介绍这个标准。 2 2 1 m p e g 标准介绍 m - p e g 的全称是m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，它既是一个标准，又是一个 组织，即运动