（计算机应用技术专业论文）混合组播在流媒体直播系统中的设计与实现.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术和多媒体技术的飞速发展 网络上的多媒体应用日益丰富 作为其中的代表 流媒体直播系统被广泛应用于视频会议系统 远程教育系统 等 流媒体直播系统是典型的组通信模型的应用 本文重点研究了单播 广播 网络层组播 应用层组播 混合组播模型m i x c a s t 等组通信模型 单播可扩展 性差 广播仅能满足一个局域网网段内用户的需要 网络层组播通信效率最高 但由于需要底层硬件的支持而部署困难 应用层组播可扩展性好 易于部署但 是比网络层组播消耗更多的网络资源 混合组播模型m i x c a s t 综合利用了网络 层组播和应用层组播的优势 是一种较好的组通信模型 本文基于m i x c a s t 模型在流媒体直播系统中进行了混合组播的设计和实 现 将系统中的角色划分为三种 列表服务器l i s t s e r v e r m i x c a s t 数据代理 m d p 和m i x c a s t 对等点m p 在数据代理m d p 处实现混合组播 将数据以应用层 组播和网络层组播方式同步发送 初步实现了该系统 提出了集中控制方式的 应用层组播解决方案 主要解决域内肝加入以m d p 为根的组播转发树问题 包 括节点的加入 正常退出和异常退出的处理 提出了在m d p 处通过网络层组播 分发流媒体的解决方案 在m d p 处向一个组播组发送流媒体头信息 向另一个 组播组发送流媒体数据信息 客户端通过加入这两个组分别得到流媒体头信息 和数据信息 该系统经在局部范围内的测试 实现了客户端的流畅播放 理论分析和仿 真试验表明 该系统具有占用带宽少 可扩展性好等特点 关键词 流媒体直播系统 网络层组播 应用层组播 混合组播 混合组播在流媒体直播系统中的设计与实现 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h em u l t i m e d i a t e c h n o l o g y m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sb e c o m ei n c r e a s i n 甜yr i c ho nt h ei n t e r a c t a st h e r e p r e s e n t a t i v e l i v es t r e a m i n gm e d i as y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nv i d e o c o n f e r e n c es y s t e ma n dd i s t a n c el e a r n i n gs y s t e m l i v es t r e a m i n gm e d i as y s t e mi sa t y p i c a la p p l i c a t i o no fg r o u pc o m m u n i c a t i o n m o d e l t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fu n i c a s t b r o a d c a s t n e t w o r k l a y e rm u l t i c a s t a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s ta n dh y b r i dm u l t i c a s tm o d e lm i x c a s te t c u n i c a s th a sb a de x p a n d a b i l i t y a n db r o a d c a s to n l ym e e t st h en e e d so fu s e r si nt h e s a m el a n n e t w o r kl a y e rm u l t i c a s ti st h em o s te f f e c t i v eg r o u pc o m m u n i c a t i o n m o d e lb u ti ti sd i f f i c d tt ob ed e p l o y e db e c a u s eo ft h en e e do fh a r d w a r es u p p o r t a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s th a sg o o de x p a n d a b i l i t ya n di se a s i l yd e p l o y e db u ti t c o n s u m e sm o r en e t w o r kr e s o u r c e st h a nn e t w o r kl a y e rm u l t i c a s t m i x c a s tm o d e l w h i c hi n t e g r a t e st h ea d v a n t a g eo fb o t ht h en e t w o r kl a y e rm u l t i c a s ta n dt h e a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s ti sag o o dg r o u pc o m m u n i c a t i o nm o d e l h y b r i dm u l t i c a s tb a s e do nm i x c a s tm o d e li sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h e l i v es t r e a m i n gm e d i as y s t e m t h er o l e so ft h es y s t e ma r ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s l i s t s e r v e r m i x c a s td a t ap r o x y m d p a n dm i x c a s tp e e r m p h y b r i dm u l t i c a s ti s i m p l e m e n t e db ym d et h ed a t ai ss e n ts y n c h r o n o u s l yb ym e a n so ft h ea p p h c a t i o n l a y e rm u l t i c a s ta n dt h en e t w o r kl a y e rm u l t i c a s t a no r i g i n a ls y s t e mh a sb e e n i m p l e m e n t e d c e n t r a l i z e dc o n t r o l i n ga p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i e a s ts o l u t i o n sh a v eb e e n p u tf o r w a r dw h i c hm a i n l ys o l v et h ep r o b l e mh o wm p j o i n st h em u l t i c a s tt r e ew h o s e r o o ti sm d p i n c l u d i n gt h ed i s p o s eo ft h ej o i n t h en o r m a la n da b n o r m a lw i t h d r a w a l o fn o d e s as o l u t i o nt h a ts t r e a m i n gm e d i ai sd i s t r i b u t e db ym e a n so f n e t w o r kl a y e r m u l t i c a s ti i lt h em d pi sp u tf o r w a r d s t r e a m i n gm e d i ah e a d e ri n f o r m a t i o ni ss e n tt o am u l t i c a s tg r o u pb yt h em d pw h i l es t r e a m i n gm e d i ad a t ai n f o r m a t i o ni ss e n tt o a n o t h e rm u l t i c a s tg r o u p c l i e n t sr e c e i v eh e a d e ri n f o r m a t i o na n dd a t ai n f o r m a t i o n s e p a r a t e l yb y j o i n i n gt h et w og r o u p s 郑州大学硕士学位论文 t h es y s t e mh a sb e e nt e s t e di nl o c a la r e aa n dc l i e n t sp l a yf l u e n t l y t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mo c c u p i e sl e s sb a n d w i d t h a n dh a sg r e a te x p a n d a b i l i t y k e y w o r d s l i v es t r e a m i n gm e d i as y s t e m n e t w o r kl a y e rm u l t i c a s t a p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s t h y b r i dm u l t i c a s t h i 郑州大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题背景及选题依据 网络应用的需求是推动网络技术发展的原动力 互联网的发展印证了这个 道理 随着i n t e m e t 的不断发展 网络用户大量增加 催生了网络多媒体应用 的需求 目前网络上已经出现了各种多媒体业务的应用 作为其中的代表 流 媒体直播系统被广泛应用于视频会议系统 远程教育系统等 流媒体直播系统 是典型的组通信模型的应用 这种组通信模型的特征是有一个或多个发送者和 多个接收者 多个接收者接收同样的内容 现有的流媒体直播系统中数据通信 模型分为单播 广播 网络层组播和应用层组播 在单播通信模型中 服务器 端需要对连接的每个客户端传送同样的内容 这种方式非常消耗服务器的带宽 每台服务器最多支持几百个用户 只能满足小规模应用 广播通信模型虽然比 单播高效 但只能满足一个局域网网段内用户的需要 在网络层组播通信模型 中 数据通过路由器间构造的组播转发树进行转发 数据在每段链路上只需传 送一次 因此网络层组播对网络资源和服务器资源占用的都是最少 在大规模 网络环境下 网络层组播的通信效率最高 但是网络层组播的缺点是需要路由 器等硬件的支持 在互联网上大规模部署很困难 采用应用层组播的流媒体直 播系统 将路由器的组播功能提升至端主机的应用层实现 即组成员主机在接 收报文的同时 还将报文复制并传递给其它组成员主机 实现了应用层的数据 组播 而报文在网络层实际是用单播机制传送的 由于主机和路由器之间的 迂回转发使得同一物理链路上可能存在报文的多个副本 因此应用层组播会比 网络层组播消耗更多的网络带宽 鉴于现有的流媒体直播系统中数据通信模型存在的问题 参考文献 l 提出 了一种混合组播模型m i x c a s t 结合了网络层组播和应用层组播的优势 其核 心思想是在域间使用单播通信 域内使用组播通信 域间数据通过应用层组播 技术构造的转发树进行转发 域内数据使用网络层组播技术进行数据分发 以 满足大规模用户的实时数据分发要求 本课题旨在通过m i x c a s t 模型来研究混合组播的解决方案并将它应用在流 混合组播在流媒体直播系统中的设计与实现 媒体直播系统的设计和实现当中 以满足大规模用户的流媒体数据分发的需要 1 2 国内外研究现状 1 2 1 组通信技术研究 组通信技术包括单播 广播 网络层组播和应用层组播 以及最近提出的 混合组播 单播和广播前面已有描述 网络层组播模型包括传统的a s m 模型和近几年提出的s s m 模型 a s m 模型基于h o s t g r o u p 方式 任意源都可以向组发送数据 主机通过加入组而得 到数据 2 0 0 1 年 h h o l b r o o k 提出了基于c h a n n e l 订阅模式的源特定组播s s m s o u r c es p e c i f i cm u l t i e a s t 技术1 2 在协议简化 地址分配等方面有了较好的 改进 其缺点是在网络层只能支持单数据源 如果要支持多数据源 就需要在 更高的层上实现 随着o v e r l a yn e t w o r k 和p 2 p 技术的发展 研究人员试图从应用层来解决组 播面临的问题 应用层组播与网络层组播最大的区别在于 网络层组播依赖路 由器来构造转发树 而应用层组播是在主机之间构造转发树 处于网络层的路 由器只需支持单播就可以了 这样就大大简化了组播在网络层的部署难题 应 用层组播技术将会在后面章节介绍 混合组播技术综合了网络层组播转发效率高和应用层组播部署灵活的优 点 成为近年来的研究热点 目前混合组播解决方案包括国外的y o i d n 和h o s t m u l t i e a s t 4 1 参考文献 5 把这两者列入应用层组播方案 本文把它们列入混合 组播方案 以及国内的m i x c a s t 主要思想是在局部 小规模 支持网络层组 播的网络中使用网络层组播 而在网络层组播构成的 小岛 或没有网络层组 播支持的主机之间使用应用层方式连接 它是一种混合方案 不受网络条件的 限制 而且可以充分利用网络层组播的优点 1 2 2 流媒体直播系统研究 国外研究机构如卡耐基梅隆大学的e m s 系统 s t a n d f o r d 大学的p e e r c a s t 系统 微软的c o o p n e t 系统等等都已经有成熟的系统 这些系统采用的都是应 2 郑州大学硕士学位论文 用层组播解决方案 p e e r c a s t 是开源的p 2 p 流媒体软件 p 2 p 流媒体与传统的 流媒体不周 没有集中的中央流媒体服务器 每个节点在作为c l i e n t 从别的节 点接收媒体数据进行播放的同时 也要作为s e r v e r 向其它节点提供服务 将流 媒体服务器的负载分散到各参与节点 因此比传统的流媒体服务器能够支持更 多的用户 目前市场上主流商业化流媒体产品的软件供应商主要有微软公司 r e a l n e t w o r k s 公司和苹果公司 这些公司可以提供从编解码技术到媒体分发和 媒体播放的一整套解决方案 而且他们本身也有自己的流媒体技术标准 国内有众多的公司和学校也在研究该技术 代表性的软件产品有北京酷流 科技有限公司的c o o l s t r e a m i n g 华中科技大学创业团队的p p l i v e 高校的有华 中科技大学的a n y s e e 复旦大学的s o p 中科院的b i g m e d i a 浙江大学的 t v a n t s 等 目前p p l i v e 是国内做的较好的流媒体直播软件 已经进入商业 化运营阶段 p p l i v e 采用了基于应用层组播 a l m 的流媒体发布和传输技术 利用p 2 p 原理在最大程度上降低发布端服务器和带宽的负载 使得成千上万的 用户能够同时在线 欣赏清晰流畅的音视频节目内容 1 3 论文所做的工作和论文的结构 1 3 1 论文所做的工作 本文在总结前人的工作基础上 开展了如下的研究工作 1 基于m i x c a s t 模型在流媒体直播系统中进行了混合组播的设计和实 现 将系统中的角色划分为三种 列表服务器l i s t s e r v e r m i x c a s t 数据代理 m d p 和m i x c a s t 对等点m p 在数据代理m d p 处实现混合组播 将数据以应 用层组播和网络层组播方式同步发送 并初步实现了该系统 2 提出了集中控制方式的应用层组播解决方案 主要解决域内m p 加入 以m d p 为根的组播转发树问题 包括节点的加入 正常退出和异常退出的处 理 3 提出了在m d p 处网络层组播流媒体的解决方案 由于流媒体播放必 须有头信息 6 1 在m d p 处向一个组播组发送流媒体头信息 向另一个组播组发 混合组播在流媒体直播系统中的设计与实现 送流媒体数据信息 客户端通过加入这两个组分别得到流媒体头信息和数据信 息 1 3 2 论文的结构 论文结构安排为 第一章 引言 介绍了课题背景和选题依据 以及国内外研究现状和本文所 做的工作 第二章 相关技术 介绍了网络层组播技术 各种应用层组播技术及其适用 的场合 m i x c a s t 模型 流媒体技术以及w i m o c k 编程技术 第三章 系统整体结构设计 介绍了系统的运行结构和模块设计 第四章 混合组播的设计与实现 介绍了混合组播中应用层组播的设计实现 以及网络层组播的设计实现 第五章 系统性能指标分析 从理论上分析了系统的网络延迟和可扩展性 做仿真试验对比了混合组播与单播 网络层组播 应用层组播在服务器端带宽 占用和客户端平均加入延时两个指标方面的表现 第六章 结束语 总结全文 并指出了下一步的工作 4 郑州大学硕士学位论文 2 1 网络层组播技术 第2 章相关技术 传统的流媒体直播系统基于点对点的单播通信方式 随着用户数量的增多 而显得效率低下 于是人们提出了网络层组播的概念 s d e e r i n g 在1 9 8 8 年首 先提出了网络层组播通信模型 网络层组播采用一种基于h o s t g r o u p 的工作模 式 其工作模式是 用户主机根据组地址 g r o u pa d d r e s s 向本地路由器发送 i g m p m l d 请求 路由器只知道直连的网段上需要哪些组的数据 并不知道接 收者的具体信息 路由器收到用户请求后 根据运行的组播路由协议的不同 在路由器间构造共享树或者源树 来保证组播数据能够从发送者正确到达接收 者 网络层的组播协议主要分为组管理协议和路由协议两类 其中组管理协议 负责主机和路由器之间的交互 主机通过组管理协议来告知路由器加入或者离 开组播组 组播路由协议负责在路由器之间构造组播转发树 以完成组播数据 的分发 由于能有效地减少数据包的复制 网络层组播一直以来被认为是最有效的 一种用来实现数据分发的方法 虽然对网络层组播的研究一直都在进行 但是 由于其本身所带来的缺点 使得网络层组播至今并没有能够得到广泛的应用 而只能在局部范围内实现 优点 组播在一对多和多对多的通信场合下 能够大大地节省服务器资源和网络 带宽 相对于单播通信 组播数据报文在每段链路上只需传送一次 因此组播 对网络资源和服务器资源都是占用的最少 在大规模网络环境下 组播的通信 效率最高 缺点 目前网络层组播存在的最大问题 就是难以在大规模网络环境下进行部署 主要原因是以下几点 1 访问控制较为困难 传统的组播是一种多源一多接收者的工作模式 混合组播在流媒体直播系统中的设计与实现 任何主机都可以作为数据源 向某一个组地址发送组播数据 同时 任何一个 主机都可以作为接收者 接收来自组播源主机的数据 这种方式的优点是简单 灵活 易于在网络层实现 缺点是很难对发送方和接收方进行控制 2 地址分配问题 地址分配也是传统组播的主要问题之一 在i p v 4 中 将d 类地址保留为组播使用 也就意味着有2 2 8 个组播组地址可以使用 但是 如何在全球范围内保证每个组播应用使用的组地址不冲突 就需要有一个高效 健壮 扩展性好的地址分配方案 目前使用的是g l o p 技术 g l o p 将组播地 址的首字节固定为2 3 3 第二和第三字节为组播应用所在自治域的a s 编号 第四字节由用户分配 这就意味着每个自治域只能有2 5 6 个组地址可以分配 g l o p 技术由于可分配地址较少 因此被认为是一种过渡技术 i e t f 另外的解 决方案是m a l l o c 偿d a s c 由于比较复杂 也没有得到应用 总的来说 在 传统组播方式下 暂时还没有令人满意的地址分配技术 3 路由协议复杂 目前使用的组播路由协议 无论是域内的还是域间的 都比较复杂 在设计核心路由器的时候 般需要用硬件来实现组播数据报文 的转发 但是目前普遍采用的p i m s m 协议 由于其数据平面和控制平面之间 没有分开 有许多交互操作 致使协议实现较为复杂 且不利于高端路由器使 用硬件进行加速 同时 这些协议的健壮性和可扩展性也不够理想 比如用于 域间组播的m s d p 协议 由于可扩展性不理想 仅在i p v 4 环境下作为过渡方 案采用 而i p v 6 环境下还没有合适的替代者 4 管理难度大 缺乏计费模式 目前互联网的现状是 不同的自治域一 般由不同的网络运营商进行管理 从管理的角度 跨域的组播服务涉及到多个 运营商的协调问题 难度较大 同时 由于缺乏成熟的组播网管软件和成熟的 组播计费模式 也大大降低了运营商提供组播服务的热情 5 加重了路由器的负载 为了使路由器支持组播通信机制 就必须在路 由器中支持各种组播路由协议和组管理协议 同时 路由器还要支持组播转发 表的构造以及完成组播数据报文的转发 当组播组数日比较多时 会给路由器 增加不少负载 6 郑州大学硕士学位论文 2 2 应用层组播技术 由于网络层组播存在的一些问题 使得网络层组播在当前条件下还不能在 i n t e m e t 范围内大规模部署 人们开始研究新的组播方案 试图避开网络层组播 的种种缺陷 人们提出了应用层组播协议 即在应用层实现组播的功能 将路 由器的组播功能提升至端主机的应用层实现 这种组播方法不需要任何网络底 层架构的改变来实现组播 从而为组播的大范围开展与应用提出了一种新的途 径 应用层组播网的节点是组播成员主机 数据路由 复制 转发功能都由成 员主机完成 成员主机之间建立一个叠加在口网络之上的 实现组播业务逻辑 的功能性网络 称为叠 j 口n o v e r l a y n e t w o r k 主机基于自组织算法建立和维护 叠加网 应用层组播思想从提出到现在 已经有许多研究机构开展了相关研究项目 提出了一些应用层组播方案 我们将对这些方案作一些分类和比较研究 适合大规模单源场合的组播方案有n i c e l 7 1 z i g z a g i s l 和o m n i 9 1 它们 主要解决构造大规模组播树的问题 n i c e 和z i g z a g 都使用了 分层 h i e r a r c h i c a l 和 分群 c l u s t e r 的思路 大部分组成员位于分层结构的底 层 只和少量固定数目的节点存在联系 这样就大大降低了大部分组播成员的 处理开销 n i c e 把c l u s t e r 管理和数据分发这两个功能放在一个节点上 而在 z i g z a g 中是由不同节点完成的 目的是提高系统的可靠性 n i c e 的主要缺 点是高层节点的负载较高 可能会影响转发树的整体性能 z i g z a g 的缺点是 端到端延迟性能不是太好 这主要因为节点的连接都是来自于上层的外部头 而不是离的更近的本簇内的头节点 o i 的特点是采用基于树的先集中后分 散的转发树构造方式 主要针对大规模一对多的流媒体数据分发 其主要问题 是转发树构造方法不尽合理 小规模的多源组播方案代表是e n ds y s t e mm u l t i e a s t t l 0 1 1 1 l 和a l m i t l 2 1 针 对小规模 多数据源的情况 典型应用是视频会议系统 e n ds y s t e mm u l f i e a s t 的 方案是 首先将组播组的成员组织成一个 网 m e s h 每个成员都维护所有 组成员的列表 提高了组播组的可靠性 在m e s h 上以每个数据源为根各构造 一个生成树 s p a n n i n gt r e e 这样可针对每个数据源进行性能优化 其缺点是 系统开销比较大 降低了系统的可扩展性 适合小规模组播组的情况 a l m i 在 7 混合组播在流媒体直播系统中的设计与实现 组播成员之间维护一个 最小生成树 m s t i n i n l u l ns p a n n i n gt r e e 减小 了维护开销 但从每个源出发传输开销无法单独优化 生成树的维护开销限制 了组播组的规模 基于多树的方案代表是微软的c o o p n e t 1 3 1 它假设网络带宽比较充足 而 组播节点的稳定性不能保证 主要思路是 在组成员之间同时维护多个组播树 利用m d c 算 法 1 3 l 把媒体编码成n 个媒体流 沿多个组播树传播 组成员收 到n 个媒体流中的任何m m n 个就可完成解码 算法的问题是 维护多 个组播树开销较大 在 多路同时传送 机制下 数据的同步是一个难点 m d c 编码和单路编码相比效率较低 对网络带宽的浪费较大 利用拓扑信息的方案代表是t a g t l 4 1 它把组播节点之间的拓扑信息用于组 播树构造 减少报文的转发延迟和在同一链路上重复传递的报文数 拓扑测量 时它将延迟作为最重要的指标 也考虑带宽 构造组播树时它使新加入的节点 和父节点能够共用尽可能长的网络路径 t a g 使用拓扑信息获得性能提高 但 它破坏了网络的分层结构 拓扑测量和网络性能测量还需要研究 采用应用层网关的方案主要有s c a t t e r c a s t f l 5 和o v e r c a s t 阍 主要思路是 在网络中部署一些专用服务器 在应用层构造一个实现组播转发功能的特殊网 络 这和完全基于用户主机的方案相比具有更高的稳定性 但使用专用的服务 器降低了灵活性 基于特定逻辑结构的方案代表是b a y e u x i 7 和c a n c o n t e n t a d d r e s s a b l e n e t w o r k f 阍 它们使用特殊的逻辑结构对组播节点映射或编址 组播转发可使 用简单的规则实现 从而减少状态维护开销和转发开销 避免路由协议的使用 b a y e u x 基于t a p e s t r y 1 9 1 每个节点拥有全局唯一的d 并维护一个邻居表 这些邻居节点的d 和本节点的d 在一定数量的位上相同 转发中第n 跳节 点i d 和目的节点m 至少有n 位相同 b a y e u x 在t a p e s t r y 的基础上将组播树 的状态信息保存在 中间节点 上 其主要问题是这种维护状态的方式会限制 算法的可扩展性 c a n 组播是对c a n 1 9 1 的扩展 c a n 将一个d 维坐标空间 划分成若干部分 每个节点拥有其中某部分 两个直接相邻部分的坐标在d 1 维 上相同 而在另一维上不同 转发报文时把报文发给邻居中和目标坐标最接近 的节点 c a n 组播将组播组构造为c a n 使用 洪泛 方法在c a n 内转发 报文 这样可减少节点上维护的状态信息 提高数据传输的可靠性 但也会产 8 郑州大学硕士学位论文 生大量重复报文 文献 1 7 试图用启发式方法减少重复报文 但无法完全避免 这类方案还有d e l a u n a y t r i a n g u l a t i o n 2 0 等 它们共同的问题是 逻辑空间中节 点间的关系并不能对应实际网络中的关系 得到的报文转发路径很有可能在性 能方面存在问题 优点 应用层组播最大的优点是易于部署 由于应用层组播中是在主机之间构造 转发树 通过主机之间的单播通信进行数据传递 因此避开了网络层组播在广 域网上难以部署的问题 另外 应用层组播也易于针对特定应用进行优化 或 者针对不同应用采用不同的应用层组播协议 缺点 应用层组播目前存在的主要缺点为 比网络层组播消耗了更多的网络资源 端系统可能不稳定 导致组播的可靠性受影响 端系统性能无法保证 可能导 致延迟 转发速率等性能的下降 2 3m i x c a s t 模型 网络层组播虽然数据转发效率较高 但由于需要路由器的支持而使得部署 困难 应用层组播在端系统实现数据转发 部署灵活 但是数据转发效率较网 络层组播低 基于结合应用层组播和网络层组播优点的考虑 参考文献 1 提出 了一种混合组播模型m i x c a s t 其基本思想是 整个网络物理上被分为多个域 每个域有一个m i x c a s t 数据代理m d p m i x c a s td a t ap r o x y 由指定服务器充当 m d p 角色 系统采用二级转发结构 第一级是在域间的m d p 之间进行数据转 发 第二级是在域内进行转发 m d p 之间通过在覆盖层网络之上生成的应用层 组播转发树来传递数据 在每个域内部 m d p 又通过网络层组播技术将数据发 往某个组播组 m d p 既是应用层组播转发树上的一个节点 又是网络层组播 的发送者 域间结构图如图2 1 所示 9 混合组播在流媒体直播系统中的设计与实现 呻壤组播恃 线路 一 应 屠组格持辅墟蓐 图2 1 域间结构图 在每个域内部 m d p 一边通过加入的应用层组播转发树从父结点接收数 据 并在本地缓存 一边向约定的组播地址发送数据 路由器负责将数据发送 给那些加入组播组的主机 域内结构图如图2 2 所示 具有如p 角 2 4 流媒体技术 图2 2 域内结构图 客户端4 流媒体即流式媒体 指在i n t e r n c 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 如 音频 视频或多媒体文件 流式媒体在播放前并不需要整个文件 只需要将开始部分内容存入内存 流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 近年来随着宽带网的兴起 多媒体信息在网络信息的传输 与应用中占有越来越重要的地位 作为多媒体和网络领域的交叉学科 流媒体 1 0 郑州大学硕士学位论文 技术为多媒体信息提供了一条崭新的应用途径 以音频和视频信息为例 传统 的应用需要先下载后播放 流媒体的出现 改变了这种应用模式 将音频 视 频等多媒体信息转化成 流 的形式 信息在传输的同时即可进行播放 从而 使人们能够联机欣赏连续不断的多媒体节目 当前用于互联网的流媒体关键技术 主要包括 流媒体编解码技术 流媒体 调度和存储策略 流媒体的传输和控制协议 同步技术 不间断媒体发布技术 以及数字版权管理 2 4 1 流媒体技术标准 在流媒体系统中 音视频编解码技术在整个系统中处于重要地位 目前主 流的音视频编解码格式有 i t u t 建议的h 2 6 1 h 2 6 2 h 2 6 3 h 2 6 4 系列标 准 以h 2 6 4 为代表 m p e g 组织制定的m p e g 1 m p e g 2 m p e g 4 系列 标准 以m p e g 2 和m p e g 4 为代表 中国的数字音视频编解码技术标准工作 组 a v s 制订的拥有自主知识产权的a v s 编解码标准 1h 2 6 4 多媒体编解码技术 h 2 6 4 是i t u t 的视频编码专家组 v c e 0 和i s o i e c 的活动图像专家 组 m p e g 联合制定的新视频编码标准 国际电信联盟 i t u 在2 0 0 3 年7 月正式通过了h 2 6 4 视频压缩标准 h 2 6 4 的目的是为了在低比特率下获得很 好的图像压缩效果并能适应不同的网络环境 h 2 6 4 能提供比h 2 6 3 和m p e g 4 更高的压缩性能 使图像的数据量减少3 0 5 0 h 2 6 4 是在h 2 6 3 和h 2 6 3 的基础上发展而来的 基本编码框架仍然采用基于块的运动补偿和变换编码的 混合编码架构 继承了许多优秀的编码技术同时又采用了很多全新的编码技术 帧内预测 可变大小的图像分块 多预测参考帧 1 4 和1 8 像素精度的运动估 计 残差图像的整数变换编码等 与其他视频编解码标准相比 h 2 6 4 具有下 列优点 在同等还原图像质量的情况下 h 2 6 4 要比m p e g 4 节省5 0 以上 的码率 允许流媒体在更低的带宽上传输 节省带宽资源 适用性强 具备从 电话应用到高端广播和存储应用的各种类型 有较强的容错能力 在不稳定的 网络环境中 可以得到较好的质量 2m p e g 2 和m p e g 4 标准 混合组播在流媒体直播系统中的设计与实现 m p e g 4 是由运动图像专家组 m p e g m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg f o 印 定 义的 该工作组隶属于国际标准化组织 i s o 曾经制定过两项被业界广泛采 纳的标准 m p e g 1 和m p e g 2 m p e g 4 于1 9 9 8 年设计完成 来自全世界的 数以百计的科研人员为此作出了贡献 该规范于2 0 0 0 年正式成为一项国际标 准 与m p e g 1 和m p e g 2 相比 m p e g 4 更适于交互a v 服务以及远程监 控 它的设计目标使其具有更广的适应性和可扩展性 m p e g 4 传输速率在 4 8 0 0 6 4 0 0 b i t s 之间 分辨率为1 7 6 x1 4 4 可以利用很窄的带宽通过帧重建技 术压缩和传输数据 从而能以最少的数据获得最佳的图像质量 因此 它将在 数字电视 动态图像 互联网 实时多媒体监控 移动多媒体通信 i n t e m e t i n t r a n e t 上的视频流与可视游戏 d v d 上的交互多媒体应用等方面大显身手 m p e g 4 最有吸引力的地方还在于它能在普通c d r o m 上基本实现d v d 的质量 用 m p e g 4 压缩算法的a s f a d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t 高级格式流 可以将 1 2 0 m i n 的电影压缩为3 0 0 m b 左右的视频流 采用m p e g 4 压缩算法的d i v x 视频编码技术可以将1 2 0 r a i n 的电影压缩6 0 0 m b 左右 也可以将一部d v d 影 片压缩到2 张c d r o m 上 播放这种编码的影片对机器的要求并不高 只要 c p u 有3 0 0 m h z 以上 6 4 m b 内存 8 m b 的显卡就可以流畅地播放 3a v s 标准 a v s 是中国自主制定的音视频编码技术标准 a v s 工作组成立于2 0 0 2 年 6 月 a v s 视频当中具有特征性的核心技术包括 8 8 整数变换 量化 帧 内预测 1 4 精度像素插值 特殊的帧间预测运动补偿 二维熵编码 去块效 应环内滤波等 a v s 的8 8 变换与量化可以在1 6 位处理器上无失配地实 现 从而克服了m p e g 4 a v c h 2 6 4 之前所有视频压缩编码国际标准中采用的 8 8d c t 变换存在失配的固有问题 而m p e g 4 a v c 甩 2 6 4 所采用的4 x 4 整数变换在高分辨率的视频图像上的去相关性能不及8 8 的变换有效 a v s 采用了6 4 级量化 可以完全适应不同的应用和业务对码率和质量的要求 在 解决了1 6 b i t 实现的问题后 目前a v s 所采用的8 8 变换与量化方案 既 适合于1 6 b i td s p 或其他软件方式的快速实现 也适合于a s i c 的优化实现 a v s 视频的主要特点是应用目标明确 技术有针对性 因此在高分辨率应用中 其压缩效率明显比现在在数字电视 光存储媒体中常用的m p e g 2 视频提高一 个层次 在压缩效率相当的前提下 又较m p e g 4 a v c h 2 6 4 的实现复杂度大 郑州大学硬士学位论文 为降低 目前的a v s 视频技术可实现标准清晰度 c c 吸6 0 1 或相当清晰度 低清晰度 c i f s i f 等不同格式视频的压缩 2 4 2 流媒体格式及相关平台 流媒体技术是r e a l n e t w o r k s 公司首先推出的 现在许多厂商都有成熟的流 媒体产品 到目前为止 i n t e m e t 上流行的流媒体格式主要有r e n e t w o r k s 公 司的r e a lm e d i a a p p l e 公司的q u i c kt i m e 和m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sm e d i a l r e a lm e d i a r e a l m e d i a 包括三类文件 r e a l a u d i o r e a l v i d e o 及r e a l f l a s h r e a l a u d i o 用来传输近乎c d 音质的音频数据 r e a lv i d e o 用来传输连续视频数据 而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 c r o m e d i a 公司推出的一种高压缩比的动画格 式 作为最早的因特网流式技术 在视音频方面r e a lm e d i a 已成为网络视音频 播放事实上的标准 r e a l n e t w o r k s 公司自1 9 9 5 年发布r e a l a u d i o1 0 以来 r e a l a u d i o 和r e a lv i d e o 产品已经成为i n t e m e t 上最受欢迎的解决方案 其中所采用 的s u r es t r e a m 自适应流 技术是r e a l n e t w o r k s 公司的代表性技术 它通过r e a l s e r v e r 将a v 文件以流的方式传输 然后利用s u r es t r e a m 方式 根据客户端不 同的拨号速率 不同的带宽 使传输的a v 信息自动适应带宽 并始终以流畅 的方式播放 r e a ln e t w o r k s 公司的流式音视频解决方案由三部分组成 r e a ls e r v e r 服 务器端广播软件 r e a le n c o d e r 或r e a lp r o d u c e r 服务器端编码压缩软件 和 r e a lp l a y e r 客户端播放软件 2 w i n d o w sm e d i a 微软公司的w i n d o w sm e d i a 的核心是a s f a d v a n c e ds t r e a mf o r m a t 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 其中 在网络上传 输的内容就称为a s fs t r e a m a s f 支持任意的压缩 解压 编码方式 并可以 使用任何一种底层网络传输协议 具有很大的灵活性 微软公司希望用a s f 取 代苹果公司的q u i c kt i m e 之类的技术标准 并打算将a s f 用作将来w i n d o w s 版本中所有多媒体内容的标准格式 混合组播在流媒体直播系统中的设计与实现 微软公司的w m d o w sm c d i as y s t e m 由三部分组成 w i n d o w sm e d i as e r v i c e s 服务器端广播软件 w i n d o w sm e d i a e n c o d e r 或m i c r o s o f tp r o d u c e r 服务器 端编码压缩软件 和w i n d o w sm e d i ap l a y e r 客户端播放软件 3 q u i c k t l m e q u i c k t i m e 是苹果公司1 9 9 1 年推出的能在计算机上播放高品质视频图像的 技术 是面向专业视频编辑 w e b 网站创建和c d r o m 内容制作开发的多媒 体技术平台 是数字媒体领域事实上的工业标准 它可以通过i n t e m e t 提供实 时的数字化信息流 工作流与文件回放功能 苹果公司的流式音视频解决方案由三部分组成 q u i c k t i m es t r e a m i n g s e r v e r 服务器端广播软件 q u i c k t m a eb r o a d c a s t e r 实时编码软件 和 q u i c k t m a ep l a y e r 客户端播放软件 2 4 3 流媒体传输协议 目前 支持流媒体传输的协议主要有 1 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 用于i n t e r n e t 上针对多 媒体数据流的一种传输协议 r t p 通常工作在点对点或点对多点的传输情况下 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 传送数据 但也可 工作在a r m 或t c p 等协议之上 2 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 r t c p 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务 通常r t p 和r t c p 配合使用 r t p 依靠r t c p 为传送的数据包提供可靠的传送机制 流量控制和拥塞控制 因而 特另j j 适合传送网上的实时数据 3 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 ln e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的一个应用层协议 它可以在媒体服务器和客户端之间建 立和控制连续的音 视频媒体流