Ｄａｒｗｉｎ Ｓｔｒｅａｍｉｎｇ ｓｅｒｖｅｒ的研究與應用

摘要：介紹了Darwin streaming server(DSS)源碼的架構和核心流程；詳細分析了Darwin streaming server的關鍵技術：媒體封包和流量控制；最后給出了Darwin streaming server的應用實例。

關鍵詞：RTP；流媒體；Darwin Streaming Server(DSS)

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)35-2118-02

Research and Application of the Darwin Streaming Server

WANG Zhi-gang，ZHOU Nan，GAO Qing

(School of Computer Science Technology， Soochow University，Suzhou 215006，China)

Abstract:This paper introduces the architecture and the core flow of the Darwin streaming server(DSS) source code， then discusses the key technology in detail :Media Data Packetization and Flow Control， at last it shows an example Applications of DSS.

Key words: RTP; streaming media; darwin streaming Server (DSS)

1 引言

作為新一代互聯網應用的標志， 流媒體技術在近幾年得到了飛速的發展， 并且廣泛應用于遠程教育、網絡監控、視頻點播等系統之中。目前在流式媒體領域，有三種占有主導地位的產品，它們分別是Apple公司的Quick Time、Microsoft公司的Media Server以及Real公司的Real System。Darwin Streaming Server（簡稱DSS）是QuickTime Streaming Server開放式源代碼的版本，同時支持FreeBSD、Linux、Solaris、Windows NT和Windows 2000等多個操作系統，是當前所有同類產品中支持平臺最多的一個。

2 Darwin流化服務器介紹

Darwin Streaming Server（簡稱DSS）是QuickTime Streaming Server開放式源代碼的版本，目前最新的版本是6.0.3。DSS源代碼完全采用標準C++語言寫成，編程風格非常優秀，每一個C++類都對應著一對和類同名的.h/.cpp文件。整個服務器包括多個子系統，分別存放在獨立的工程內，其中，最為重要的是基礎功能類庫（Common Utilities Lib）和流化服務器（Streaming Server）兩個工程。表1給出了這個兩個模塊的具體功能。

表1 DSS 程序模塊架構分類及功能

3 Server程序詳細分析

整個DSS的運行是以模塊（Module）為基礎，以角色（Role）來分類各項任務的（Task），每一個角色都是為完成某一特定的任務而設定的。當客戶端提出請求時，DSS會根據該請求屬于哪一個角色來啟動適當的模塊。如前所述，Server Core 主要分三大模組：Server Core，RTSP subsystem 及RTP subsystem。Server從開始到結束整個流程也大概分為這三個部分。

3.1 Server Core（Startup Shutdown）

圖2 為程序啟動與結束時的流程圖。服務器在啟動的時候，會首先裝載沒有被編譯到服務器里面的模塊（即動態模塊），然后再裝載編譯為服務器一部分的模塊（即靜態模塊）。在模塊裝載完成之后，服務器會調用每個QTSS模塊的Register（注冊）角色，每個模塊都必須支持這個角色。在Register角色中，模塊會調用QTSS_AddRole函數來指定自己支持的其它角色。接下來服務器就以Initialize（初始化）角色調用每一個注冊支持該角色的模塊。Initialize角色執行模塊所需要的任何初始化任務，比如分配內存和初始化全局的數據結構。然后進入聆聽(Listen)的狀態接收客戶端的RTSP 請求。

3.2 RTSP 子系統

在服務器調用所有注冊了Initialize角色的模塊之后，就已經為接收來自客戶端的請求做好準備了，這些請求就是RTSP請求。當服務器收到一個RTSP請求時，就會創建一個RTSP請求對象，接著服務器會根據預先定義好的順序，調用各個模塊的相關角色，如圖3所示。在處理RTSP請求的時候，服務器調用的第一個角色是RTSP Filter（過濾器）角色。之后，服務器就會對請求進行解析。RTSP請求解析完成之后，服務器會以RTSP Route（路由）角色調用所有注冊了該角色的模塊，并傳入一個RTSP對象。在調用了所有RTSP Route角色之后，服務器就會以RTSP Preprocessor角色調用每個注冊了該角色的模塊。如果請求的類型互相匹配，則RTSP Preprocessor角色就調用QTSS_Write或者QTSS_WriteV函數來向客戶發送數據，對客戶端進行響應。如果沒有RTSP Preprocessor角色對RTSP的請求進行響應，則服務器就以RTSP Request（請求）角色調用成功注冊了該角色的模塊（第一個注冊RTSP Request角色的模塊，是唯一一個可以注冊RTSP Request角色的模塊）。RTSP Request角色負責響應所有沒有被RTSP Preprocessor角色（的模塊）處理過的RTSP請求。RTSP Request角色對請求進行處理之后，服務器就調用注冊了RTSP Postprocessor角色的模塊。處理RTSP Preprocessor或者RTSP Request角色的模塊可能需要為特定的客戶會話生成一些媒體數據。如果這樣的話，模塊可以通過調用QTSS_Play函數來實現，這個函數會使模塊的RTP Send Packets（RTP發送數據包）角色被調用，即進入RTP子系統。

3.3 RTP子系統

RTP subsystem 主要包括RTP 封包傳送及RTCP串流控制兩部份。在封包傳送方面，RTP Send Packets角色調用QTSS_Write或者QTSS_WriteV函數，在RTP會話的基礎上向客戶發送數據。當RTP Send Packets角色發送完成一些數據包之后，就會把控制權返回給服務器，并指定服務器下次調用模塊的RTP Send Packets角色的間隔時間。這個周期會一直重復，直到所有的媒體數據包被發送完成，或者由于客戶請求的原因需要暫停或中止客戶會話為止。在串流控制方面，當Server 接收到RTCP 封包時會先判定此RTCP 封包屬于哪一種，根據封包的種類，Server 會呼叫相應的模塊進行處理。

4 服務器關鍵技術研究

在了解了DSS整個運行流程的基礎上，本文主要研究了下面兩個重點：DSS對媒體資料的封包的算法和服務器端如何控制流量。這兩者的目的都是在使得客戶端的播放能夠清晰流暢。

4.1 媒體封包切割（Media Data Packetization）

在封包切割前，我們必須得到以下的幾個信息：

1) 在單一RTP 封包中能容納的最大QuickTime 媒體數據尺寸(Maxima QT Media Data Size， MQD)

2) 此種媒體數據其所有取樣(Sample)尺寸是否固定？(Constant QT Sample Size， CQS)

3) 此種媒體數據其所有取樣的持續期間(Duration)是否固定？(Constant QT Duration ， CQD)

4) 當所有取樣尺寸固定時其取樣尺寸為多少？(Constant Sample Size， CSS)

5) 當取樣尺寸不固定時其某一個取樣的大小(Sample Size， SS)

根據以上的信息，DSS 采用三種封包切割方式：

1) (CQS=true)and(CQD=true)and(CSS<=0.5 * MQD)把多個取樣封裝成一個RTP 封包，同時每個RTP標頭中M 字段設為1，QT 標頭中的PCK 字段也設為1。(RTP 標頭中M 字段設為1，表示此為某一取樣的最后一個封包；QT 標頭的PCK字段表示該封包切割所采用的方式。)

2) ((CQS=1)or(CQD=1))and(SS<=05 * MQD)數個取樣封裝成一個RTP 封包，同時此一RTP封包標頭的M 字段設為1，QT 標頭中PCK 欄位設為2。

3) 不符合(1)和(2)的情況時，采用之。單一的取樣被封裝成一個或數個RTP 封包中，同時最后一個屬于該取樣的RTP 封包之M字段設為1，其它設為0；QT 標頭PCK 字段設為3。由于客戶端必須以一個取樣為單位進行封包重組，因此根據RTP 的M 字段及QT 的PCK 字段，可以知道此一封包所采用的分割方式，同時采取相應的封包重組方法。另外在處理某一封包遺失時，也可以快速決定是否該丟棄與其相關的封包，增進客戶端的效率。

4.2 流量控制(Flow Control)

DSS 利用客戶端傳送回來的RTCP 封包信息以及變量“Quality level”來達成流量控制的機制。這些信息包括“Loss Rate”，“Getting better”以及“Getting worse”消息。

1) 封包遺失率(Loss Rate)：

如果客戶端的RTCP 回報中封包遺失率連續數次大于某一數值(此值為一百分比定值，由程序給定，稱SLossThinTolerance)，則將ratchetless 設為True，表示需要調降傳輸速度。如果RTCP 回報中封包遺失率連續數次小于某一數值(此為一百分比定值，稱為SLossThickTolerance)，則將ratchetmore 設為True。

2)“Getting Worse”及“Getting Better”：如果客戶端的RTCP 發出“Getting Worse”的消息，則直接將ratchetless 設為True。如果客戶端的RTCP 發出“Getting Better”的消息，則直接將ratchetmore 設為True。由ratchetless 或ratchetmore 的設定，可以調整QualityLevel 的數值。DSS 根據QualityLevel 的數值大小來決定傳輸速度的快或慢，進而達到一部份的流量控制的目的。

5 DSS應用實例

作為一個運行于多個操作系統平臺的開發源代碼的服務器，其不但功能強大、易于操作，而且DSS還提供了一種稱為Module的二次開發接口。使用這個開發接口，我們可以充分利用服務器的可擴展性及其實現的多種協議，并且能夠保證和將來版本兼容。這樣就可以分為兩種用途：直接使用和二次開發使用。

5.1 直接使用DSS

作為一個具有工業強度的產品，DSS完全可以直接用在我們項目中，例如，利用Vara software公司的Wirecast可以采集USB Camer實時的影音圖像，然后通過簡單的設置后發送給DSS，通過DSS傳送出去，這樣就可以建立我們的實時影音服務器。同時，如果存在大量客戶端，我們可以利用DSS的中繼功能通過簡單的增加PC機的數量來滿足我們的需求，簡單快捷，成本也并非一定高于找開發人員開發程序。

5.2 二次開發使用

我們可以利用DSS作為平臺進行二次開發，如增加對媒體格式的支持，增加客戶身份認證，增加對媒體內容的管理等模塊，使DSS成為一個符合實際需求的實用系統。抱此目的的讀者在掌握DSS整體流程的基礎上，應著重于其二次開發平臺（如Module）以及底層文件和媒體格式支持庫的研究。

6 結束語

作為三大主要流式媒體應用中唯一一個開放源代碼的產品，DSS讓開發人員能夠從最底層研究流式媒體技術，事實上，當前國內外許多公司正是在DSS的基礎上開發了自己的流式媒體相關產品，而且通過研究DSS， 我們學習到了高級網絡編程（Socket）、多線程之間的通信、任務調度、系統資源（CPU、磁盤等）的合理利用以及用于流式媒體的多個標準協議（RTP/RTCP、RTSP、SDP）的具體實現等等。這也是我們研究源碼的意義所在。

參考文獻：

[1] Apple Computer Inc. QTSS Modules Programming Guide， 2006.

[2] Sven Hessler， Michael Welzl. An Empirical Study of the Congestion Response of RealPlayer， Windows Media Player and QuickTime. IEEE. 2005.

[3] 黃拔峰，鐘明，楊傳均，張家鈺.Darwin Streaming Server的研究與應用[J].計算機工程，2004(10):134-135.