網絡流媒體及其應用

摘要：21世紀是互聯網時代，互聯網的發展已經從根本上改變了人們的生活，而網絡多媒體技術的發展更加豐富了網絡資源。網絡流媒體技術的出現和發展使得視音頻數據在網絡上的傳輸、檢索和接收這一系列問題得到根本的解決。本文將從流媒體的基本概念，涉及的有關協議以及三大主流流媒體的性能比較等方面加以闡述，最后詳細闡述了流媒體在計算機輔助教育方面的應用——基于Web和流媒體的校園網絡視頻點播系統的搭建。

關鍵詞：流；流媒體；視音頻；網絡協議；視頻點播

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)20-30340-04

Network Streaming Media and Its Application

XIA Gui-lin， YAN Xiao-yan

(Department of Computer， Science Chaohu College， Chaohu 238000， China)

Abstract: The 21st century is the era of Internet， the development of Internet has already changed people's life fundamentally， and the development of the network multimedia technology more abundant network resources. Network flow media appearance and development of technology is it look at audio frequency data transmission， search at network and receive this line of problems receive basic settlement to make. This text from flow basic conception of media， involve flow about agreement and three major mainstream performance person who compare respect of media explain. Explained in detail finally that application in auxiliary education of the computer of the media flows. And setting up of the campus network video request system of the media flows on the basis of Web.

Key words: streaming; streaming media; Audio/Video; network protocol; VOD

1 引言

傳統的網絡傳輸數據主要表現為文字和圖片，而視、音頻等多媒體數據的傳輸到接受等技術長期以來沒有得到很好的解決。網絡流媒體技術的出現為視、音頻文件在網絡上傳輸和接收提供了更強大和堅實的技術支持。流媒體技術的發展為“線上音樂”和“線上影片”等視音頻點播系統成為了可能并得到了長足的發展。當然，流媒體技術的發展也必將推動我國傳統教育模式的發展和轉變。

2 流媒體技術

流技術指把連續的影像和聲音信息經過壓縮處理后放到網站服務器上，讓用戶一邊下載一邊觀看、收聽，而不需要等整個文件下載到自己機器后才可以觀看的網絡傳輸技術。

該技術先在使用者的電腦上創造一個緩沖區，在播放前預先下載一段資料作為緩沖。只需要在經過幾秒或幾十秒的啟動延遲后便可觀看；流媒體指在Internet/Intranet中使用流式傳輸技術的連續時基媒體的總稱。

2.1 流式傳輸基本原理及一般過程

流式傳輸的實現需要緩存來彌補延遲和抖動的影響，并保證數據包的順序正確，從而使媒體數據能夠連續輸出，而不會因為網絡暫時擁塞使播放出現停頓。

用戶選擇某一媒體服務后，Web瀏覽器與Web服務器之間使用HTTP/TCP交換控制信息，以便把需要傳輸的實時數據從原是信息中檢索出來；然后客戶機上的Web瀏覽器啟動A/Helper程序，使用HTTP從Web服務器檢索相關參數對Helper程序初始化。這些參數可能包括目錄信息、A/V數據的編碼類型或與A/V檢索相關的服務器地址。

A/Helper程序及A/V服務器運行實時流控制協議（RTSP），以交換A/V傳輸所需的控制信息（RTSP提供了操作播放、快進、快倒、暫停以錄制等命令的方法）。A/V服務器使用RTP/UDP協議將A/V數據傳輸給A/V客戶程序（一般可認為客戶程序等同于Helper程序），一旦A/V數據抵達客戶端，A/V客戶程序即可播放輸出。

實現流式傳輸一般都需要專用服務器、播放器、網絡傳輸和控制協議以及流媒體傳輸和控制協議的支持，其基本原理如圖1所示。

圖1 流式傳輸原理圖

2.2 實現流式傳輸的兩種方法

順序流式傳輸（Progressive streaming）是順序下載，常被稱作HTTP流式傳輸。在下載文件的同時用戶可觀看在線媒體，在給定時刻，用戶只能觀看已下載的部分，而不能跳到還未下載的前頭部分。

實時流式傳輸（Realtime streaming）指保證媒體信號帶寬與網絡連接匹配，使媒體可被實時觀看。實時流式傳輸與順序流式傳輸不同，它需要專用的流媒體服務器和傳輸協議，特別適合現場時間，也支持隨機訪問，可快進或后退以觀看前面或后面的內容。

2.3 流媒體傳輸協議

流媒體文件在Internet傳輸除了需要有基本的TCP/IP協議的支持外，還需要有流媒體傳輸控制、媒體數據傳送、媒體播放控制等協議的支持下才能安全、準確地從網絡服務器端抵達客戶端。

RTP（Real-time Transport Protocol）即實時流傳輸協議，用于Internet上針對多媒體數據流的一種傳輸協議。RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的時提供時間信息和實現流同步。

RTCP（Real-time Transport Control Protocol）即實時流傳輸控制協議，它和RTP協議一起提供流量控制和擁塞控制服務。RTCP包中含有已發送數據包的數量、丟失數據包的數量等統計資料，服務器可以利用這些信息動態地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。

RTSP（Real-Time Streaming Protocol）即實施流協議，是由Real Networks和Netscape共同提出的，該協議定義了一對多應用程序如何有效地通過IP網絡傳送多媒體數據。RTSP在結構上位于RTP和RTCP協議之上，它使用TCP或RTP完成數據傳輸。

SDP（Session Description Protocol）即媒體描述協議，它是服務器端生成的描述媒體文件的編碼信息以及所在服務器的連接等信息。客戶端可以通過它來配置播放軟件的設置，如視音頻解碼器，接受視音頻數據的端口等。

RSVP（Resource Reserve Protocol）即資源預定協議，由于音頻和視頻數據流比傳統數據對網絡的延時更敏感，要在網絡中傳輸高質量的音頻和視頻信息，除帶寬要求之外，還需要其他更多的條件，使用RSVP協議可以預留一部分網絡資源（帶寬），能在一定程度上為流媒體的傳輸提供QoS（質量服務數據包計劃程序）。

3 網絡流媒體性能比較

到目前為止，Internet上使用較多的流媒體播放格式或流媒體平臺主要有RealNetworks公司的Real System、Microsoft公司的Windows Media Technology、Apple公司的QuickTime、IBM公司的VideoCharger、Oracle公司的OVS、Cisco公司的IP/TV、SGI公司的Kasenna MediaBase、Sun公司的Sun StorEdge。

下面將以Real System、Windows Media Technology、QuickTime這當今網絡三大主流流媒體技術及其性能進行比較。

3.1 系統組成

表1 三大流媒體技術比較

3.2 播放方式

在流媒體領域主要有三種媒體播放方式：單播、組播、點播和廣播。

單播是指在客戶端與媒體服務器之間需要建立一個單獨的數據通道，從一臺服務器送出的每個數據包只能傳送給一個客戶機；組播技術構建一種具有組播能力的網絡，允許路由器一次將數據包復制到多個通道上；點播連接是客戶端與服務器之間的主動的連接。用戶可以開始、停止、后退、快進或暫停流；廣播是指用戶被動接受流。在廣播過程中，客戶端接受流，但不能控制流。廣播方式中數據包的單獨一個拷貝將發送給網絡上的所有用戶。

綜上所述，組播吸收了上述兩種發送方式的長處，克服了上述兩種方式的弱點，將數據包的單獨一個拷貝發送給需要的那些客戶。組播不會復制數據包的多個拷貝傳輸到網絡上，也不會將數據包發送給不需要它的那些用戶，保證了網絡上多媒體應用占用網絡的最小帶寬。

正是基于組播技術的優勢，上述三大主流流媒體系統也是主要采用組播方式傳送多媒體數據流，只是數據流的編碼壓縮方式和具體的發送過程有所差異，下面將分別加以闡述：

3.2.1 Real System

RealServer中的組播是將一個現場直播流同時傳遞給多個客戶端，而無需為每一個客戶的連結發送一個單獨的數據流，客戶端只需連接到該數據流，而不是連接到RealServer服務器，從而降低帶寬的使用。RealServer的組播又分兩種：反向信道組播（back-channel multicast）和可伸縮組播（scalable multicast），當然這兩種方法也可同時使用。

1) 反向信道組播（back-channel multicast）

反向信道組播在客戶端和服務器之間保持一個用于統計和控制信息交互的控制信道，如圖2所示。由于客戶端和RealServer之間的信息交換是雙向的，從而能發送驗證信息、用戶統計及服務質量信息等可以現實客戶端的情況。

圖2 反向信道組播

2) 可伸縮組播（scalable multicast）

圖3 可伸縮組播

與反向信道組播相比，可伸縮組播沒有控制信道，單這種方法占用更少的帶寬，RealServer的系統資源使用也少，由于傳輸是單向的，可伸縮組播能向無限的用戶播放，提供驗證、連接統計和智能流功能，如圖3所示。

3.2.2 Windows Media Technology

Windows Media服務允許在Windows Media服務器間分發ASF流。在Windows Media服務器間分發ASF流首先要建立分發廣播站，分發廣播站是一個器幫助作用的廣播站，是將一個服務器中的ASF流分發到另一個服務器中的廣播站，這樣下一個服務器將可以組播傳送來的ASF流。

可見，Windows Media服務器分發ASF流主要包括以下三個基本步驟：

1) 從Windows Media服務器分發.asf文件，創建一個點播單播發布點。分發由Windows Media編碼器、Windows Media廣播站，或遠程單播發布點生成實況流，創建廣播單播發布點。

2) 在目標Windows Media服務器中，創建一個廣播站、節目和流以接收分發的內容。

3) Windows Media服務器組播流。

Windows Media服務器組件可以配置為向客戶端發送組播流，從而避免使用大量的網絡帶寬。廣播站用來向客戶端Windows Media Player發送組播ASF流。

3.2.3 QuickTime

在QuickTime系統中，客戶端通過接受SDP（Session Description Protocol）來知道如何加入一個組播組。SDP文件通常貼在網站上來預告節目，SDP文件包含組播地址和端口，同時還包括流的描述信息。

因為并不是所有的路由器都支持組播，在不支持組播的網絡上，客戶端可以通過與反射服務器建立連接來接收組播。反射服務器是一個RTSP服務器，反射服務器加入組播，將組播轉換成一系列單播，然后將流發送到向它發出請求的客戶端。

3.3 編碼技術

3.3.1 Real System

Real System采用可擴展視頻技術作為其主要視頻編碼解碼，如其名稱所示，此編碼解碼具有可擴展行為的能力，如連接速率低于編碼時采用的速率，播放時服務器端丟棄不重要的信息，播放器解碼盡可能還原視頻質量，采用小波變換算法將信號編碼成一系列順序片斷，使擴展性成為可能。

3.3.2 Windows Media Technology

Windows Media Video/Audio是微軟視音頻技術的首要codec，WMV派生于MPEG-4，是流式視頻中質量最高的codec之一，WMA類似于MP3，并具有兩大優勢：特別適合于低速率傳輸，在給定速率下可獲得更好的質量。其算法基于Windows Media Encoder v7。

3.3.3 QuickTime

美國Apple公司的QuickTime電影文件已成為數字媒體領域的工業標準，這種文件格式不僅可以存儲單個的文件內容（視頻幀或音頻采樣），而且能夠保存對該媒體作品的完整描述。這種文件格式是由一個或多個軌道組成，每個軌道都獨立于其他軌道，軌道提供一個強大而靈活的結構，使用它可以精確地控制以產生復雜的交互電影，每個軌道都代表一個獨特的隨時間變化的功能。

縱觀以上三大主流流媒體系統，RealNetworks公司是世界領先的網上流式視音頻解決方案的提供者，提供從制作端、服務器端到客戶端的所有產品，但是價格較貴。而微軟的流媒體解決方案在微軟視窗平臺上視免費的，制作端和播放器的視音頻質量都上佳，而且易于使用；但目前在整體解決方案和RealNetworks的產品相比還有差距，且只能在微軟視窗平臺上上使用（播放器出外）。Apple公司的QuickTime，尤其是QuickTime4視蘋果公司最新的流視頻平臺，對于使用Mac OSX的用戶來說是一個比較理想的流視頻方案選擇，是僅次于RealPlayer與Windows Media Player的流視頻播放器。

4 網絡流媒體應用——視頻點播系統（VOD）

一個完整的流媒體解決方案應是相關軟硬件的完美集成，它大致包括下面幾個方面的內容：1)內容采集；2)視音頻捕獲和壓縮編碼；3)內容編輯；4)內容存儲和播放；5)應用服務器內容管理、發布。

VOD（Video on Demand）是視頻點播技術的簡稱，也稱為交互式電視點播系統，它通過多媒體網絡將視頻節目按照個人的意愿送到千家萬戶，根據用戶的需要播放相應的視頻節目，從根本上改變了用戶過去被動式看電視的不足。

VOD系統主要由三部分構成：

4.1 服務端系統

服務端系統主要由視頻服務器、檔案管理服務器、內部通訊子系統和網絡接口組成。

其各部分功能如下：

1)檔案管理服務器主要承擔用戶信息管理、計費、影視材料的整理和安全保密等任務；

2)內部通訊子系統主要完成服務器間信息的傳遞、后臺影視材料和數據的交換；

3)網絡接口主要實現與外部網絡的數據交換和提供用戶訪問的接口；

4)視頻服務器主要由存儲設備、高速緩存和控制管理單元組成，其目標是實現對媒體數據的壓縮和存儲，以及按請求進行媒體信息的檢索和傳輸。

對于交互式的VOD系統來說，服務端系統還需要實現對用戶實時請求的處理、訪問許可控制、VCR（Video Cassette Recorder）功能（如，快進、暫停、重繞等）的模擬。

4.2 網絡系統

網絡系統包括主干網絡和本地網絡兩部分。因為它負責視頻信息流的實時傳輸，所以是影響連續媒體網絡服務系統性能極為關鍵的部分。當前，可用于建立這種服務系統的網絡物理介質主要是：CATV（有線電視）的同軸電纜、光纖和雙絞線。而采用的網絡技術主要是：快速以太網、FDDI和ATM技術。

4.3 客戶端系統

目前，根據不同的功能需求和應用場景，主要有三種VOD系統：NVOD，TVOD，IVOD；其中IVOD稱為交互式點播電視，它比前兩種方式有很大程度上的改進。它不僅可以支持即點即放，而且還可以讓用戶對視頻流進行交互式的控制。這時，用戶就可像操作傳統的錄像機一樣，實現節目的播放、暫停、倒回、快進和自動搜索等。

5 基于Windows Media流媒體技術的校園網視頻點播系統的搭建

網絡多媒體技術的進步為現代教育提供了新的手段，基于流媒體技術的校園網視頻點播已經成為網絡教學形式之一。流媒體技術克服了過去傳統下載音視頻信息存在延遲的缺陷，實現了連續的互動的教學方式，改變過去一成不變的面對面的課堂教學模式。學生可以根據自己的實際情況，安排教學計劃，利用校園網享受高質量的教育。

下面將從網絡視頻點播系統的實現涉及系統平臺的選擇、視音頻的制作－采集站、視頻服務器的選擇、Web服務器點建設和數據庫管理以及客戶端等這幾個方面加以闡述：

5.1 系統平臺的選擇和系統體系結構

微軟開發的Windows Media 是一種能適應多種網絡帶寬的流式多媒體信息的發布平臺，可以提供包括流媒體的制作、發布、播放和管理的解決方案，且其成套產品集成在Windows 2000 Server 中，不需要額外購買，所以投入相對較少，我們選取它作為系統平臺。主干網為1000M高速交換式光纖以太網，二級節點交換速率為10/100Mbps。使用網頁制作工具Dreamweaver 和 ASP技術制作了網站對外發布，利用SQL Server數據庫系統對各類資源進行管理，對每個節目的觀看次數進行統計（見系統結構圖）。

圖4 系統結構圖

5.2 采集工作站

采集工作站是帶視頻采集卡和編碼器的計算機，用于流媒體文件的制作與生成。由于編碼占用大量CPU的活動，所以建議選用處理器為Pentium III 400 以上，內存大于256M，高速硬盤的計算機。編碼器采用微軟2002年底最新發布的Media Encoder 9.0，其主要的特色在于容易使用，高品質編碼，能有上佳的輸出品質，增強的可程序化與管理。另外還可以通過采集卡采集錄像機、電視機、VCD機、DVD機等輸入的視頻信號。

5.3 視頻服務器

視頻服務器是安裝了流媒體服務軟件的服務器，提供視頻節目服務，監控系統運行狀態，存儲視頻節目。我們選用Dell PowerEdge 4600 服務器，采用Windows 2000 Advance Server操作系統，安裝Windows Media Service作為Windows Media服務器，使用戶能夠通過網絡傳輸流媒體內容。

5.4 Web服務器和數據庫管理

Web服務器的Web服務由Windows 2000 Server中內置的IIS提供。因為IIS對ASP腳本支持較好，我們在制作Web頁面時采用了VBScript腳本語言編寫ASP腳本程序，實現對視頻資料庫的查詢。數據庫采用Microsoft SQL Server，用于視頻資料和用戶信息的管理。

系統通過Web頁面為用戶提供資料檢索服務，便于用戶查找所需的內容。通過數據庫關鍵字搜索功能，提供多種途徑的檢索服務，如名稱、類別、地區等。

5.5 客戶端

由于采用瀏覽器-服務器模式，所以客戶端只需安裝IE5或以上版本和Windows Media Play 9.0即可，用戶使用十分方便，基本無需維護。

6 結束語

網絡技術的飛速發展，尤其是寬帶技術的逐漸成熟為流媒體技術的應用和進一步發展鋪設了一條寬廣、平坦的道路。流媒體技術的發展為廣大網絡用戶搜索、獲取、存儲和傳送視音頻資料提供了極大的便利，不僅提高了網絡利用率，豐富了人類生活，也為網絡資源的進一步豐富和完善提供了條件。

流媒體技術的發展和逐漸成熟也逐漸為教育現代化改革一道利器。教育資源的表現形式發生了重大的變化，教育信息的表達、傳送、接受和存儲隨著流媒體時代的到來將會顯得更加的生動、便捷，不僅提高了學習者的學習興趣，也進一步提高了學習者的學習效率，它將成為網絡學習的一種重要方式。

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