基于流媒体技术的校园网视频点播服务器设计

基于流媒体技术的校园网视频点播服务器 基于流媒体技术的校园网视频点播服务器 设计 第7卷第6期2007年3月 1671—1815(2007)6—1240—04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering V0l_7No.6Mar.2o07 @2007Sci.Tech.Engng. 基于流媒体技术的校园网视频点播服务器设计 饶雨泰 (湖北广播电视大学,武汉430073) 摘要流媒体技术的在现代教育中应用El益广泛,文中首先根据某高校校园网络基 础,结合该校视频点播的具体要求,通过 对RTP/RTCP协议的研究,分析流媒体视频点播服务器的一般功能和结构,构建一 个基本的流媒体视频点播服务器的实现. 关键词视频点播流媒体流媒体服务器RIlP/RrCP 中图法分类号TP393.02;文献标识码A 流媒体既支持广播,也支持点播,对远程教育 过程中的直播,点播,答疑辅导,批改作业等学习方 式极为便利,流媒体越来越普及于因特网的远程教 育系统.流媒体文件可以通过WebJ]l~务器发布,通过 VOD视频点播服务器存储流媒体文件信息.基于流 媒体技术的远程教育模式,提高了网络教育资源的 传输和利用效率. 流媒体视频点播服务器(简称为流媒体视频服 务器)作为媒体资料存储和发布的中心,是整个视 频点播系统中的核心部分,主要作用是为优化视频 流而完成复杂的算法,处理类似VCR的用户请求等. 它的性能直接决定VOD的存储容量,并发用户数, 稳定性和图像质量. 选择好的视频点播服务器对于构建视频点播 系统十分重要.本文利用实现流媒体传输的两个基 本协议——RTP/RTCP协议,在普通高校现有主干网 络基础上,设计一个满足视频点播要求的流媒体视 频服务器. 1流媒体技术简介 1.1流媒体传输的基本特点 网上多媒体信息的传输主要有下载和流式传 输两种方式.使用下载方式往往需要等待很长时 2006年8月16日收到湖北省教育厅科学技术研究项目 (B200590001)资助 作者简介:饶雨泰,(1975一),男,汉族,湖北武汉,湖北广播电视大学 讲师.硕士.E-mail:raoyutai@163.corn. 间,待文件全部下载到本地后,才能观看.流媒体 是采用流式传输技术在网上播放的媒体格式,流 式传输方式是将整个多媒体文件经过特殊的压缩 方式分成一个个压缩包,由视频服务器向用户计 算机进行连续,实时的传送,在播放前并不下载整 个文件,只是将开始部分内容存人内存,后续数据 流将在后台的服务器内继续下载,随时传送随时 播放.避免了用户必须等待整个文件从Intemet上 下载才能观看的缺陷.用户只是在观看前等待几 秒或几十秒的启动延时即可连续观看.这种对多 媒体文件边下载边播放的流式传输方式,不仅使 启动延时大幅度地缩短,而且对系统缓存容量的 需求也大大下降.另外不会在用户本地的Intemet TemporaryFile文件夹中留下文件的痕迹.在一定 程度上保护了制作权. 流媒体受网络带宽,服务器性能,传输协议,文 件压缩格式等的影响.由于网络带宽的限制,多媒 体数据必须经过预处理.成为流媒体的形式,才能 进行实时传输.预处理的技术手段主要在于保持一 定质量和采用高效的压缩算法两个方面.流媒体技 术一般都有三个方面,即编码器(编码技术),播放 器(播放支持),流服务器.. 1.2流媒体的传输方式 实现流式传输有两种方法:顺序流式传输和实 时流式传输. 顺序流式传输是顺序下载,在一定时刻,用户 只能观看已经下载的部分,在传输期间,不能根据 用户的连接速度做调整,必须经历延迟,但是可以 饶雨泰:基于流媒体技术的校园网视频点播服务器设计1241 保证视频播放的最终质量,比较适合传输高质量的 短片.顺序流式文件是放在的H,ITI或FTP服务 器上,不需其它特殊的协议,可以穿越防火墙进行 访问. 实时流式传输保证媒体信号带宽与网络连 接匹配,使媒体可被实时观看,它需要专用的流 媒体服务器与传输协议.实时流式传输适合于 现场事件.也支持随机访问,用户可以通过快进 或后退观看前面或后面的内容.实时流式传输 需要特定的服务器,如WindowsMediaServer, RealServer,QuickTimeStreamingServer,在管理上 比标准的H,ITI服务器复杂.实时流式传输需要特 殊的网络协议,特殊协议往往对防火墙的兼容性 比较差,当用户通过防火墙时.可能不能正常访 问.特殊的网络协议主要有实时传输协议RTP (Real—timeTransportProtoco1),实时传输控制协议 RTCP(Real—timeTransportControlProtoco1),实时流 协议RTSP(Real—timeStreamingProtoco1)等.由于 传输控制协议(TCP)开销大,所以不适合传输实时 数据.RTP是Internet针对多媒体数据流的一种传输 协议.RTCP与R1'P一起提供流量控制和拥塞控制 服务,能以有效的反馈和最小的开销使传输效率 最佳化,特别适合网络实时数据传送.RTSP定义一 对多的应用程序是如何有效地通过IP网络传送多 媒体数据的,其体系结构位于RTP和RTCP之上,它 使用TCP或R1]P完成数据传输,RTP是双向的,客户 机和服务器都可以发出请求,来传送多媒体数据. 根据不同流媒体产品制作公司的不同,采用的协 议也有所不同,这也是为什么使用单一的一种流 媒体播放软件不能播放所有流媒体格式的原因. 因此,用户在使用前,要经过比较,进行选择,而且 各种不同公司开发的流媒体之间并不能互相自由 转换,而必须通过第三方的解码技术才能转成所 需要的格式.多个公司之间不断竞争,各自争夺市 场,导致了多种流媒体格式的存在,增加了用户的 工作量,但是,在一定程度上也促进了技术的不断 发展. 1.3主要的流媒体压缩编码技术及其格式 目前使用的流媒体技术主要有Microsoh公司的 WindowsMedia技术,RealNetworks公司的RealMedia 技术,Apple公司~QuickTime技术.表1显示了三种 表1三种流媒体技术的比较 流媒体技术在文件格式,是否使用MPEG4压缩算 法,专用媒体服务器等方面的对比. 究竟采用哪种流媒体技术,用户可以通过比 较,选择最适合自己实际的流媒体技术. 2流媒体视频服务器的基本功能和服务方式 2.1流媒体视频服务器的主要功能 1)响应客户的请求,把媒体数据传送给客户. 流媒体视频点播服务器在流媒体传送期间必须与 客户的播放器保持双向通信(这种通信是必需的, 因为客户可能随时暂停或快放一个文件). 2)响应广播的同时能够及时处理新接收的实 时广播数据,并将其编码. 3)可提供其他额外功能,如:数字权限管理 (DRM),插播广告,分割或镜像其他服务器的流,还 有组播. 2.2流媒体视频服务器的服务方式 1)单播.在客户端与媒体服务器之间建立一个 单独的数据通道,从1台服务器送出的每个数据包 只能传送给1个客户机. 2)组播.在以组播技术构建的网络上,允许路 由器一次将数据包复制到多个通道上. 3)点播与广播.点播连接是客户端与服务器之 间的主动的连接.在点播连接中.用户通过选择内 1242科学技.术与工程7卷 容项目来初始化客户端连接.用户可以开始,停 止,后退,快进或暂停流.广播指的是用户被动地 接收流.在广播过程中.数据包的单独一个拷贝将 发送给网络上的所有用户,客户端接收流,但不能 控制流. 3构建流媒体视频服务器 3.1RTP瓜TCP协议简介 实时传输协议RTP(RealtimeTransportProtoco1): 是针对Internet上多媒体数据流的一个传输协议,由 IETF(Intemet工程任务组)作为RFC1889发布.RrP 被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作.其 目的是提供时间信息和实现流同步.RTP的典型应 用建立在UDP上.但也可以在TCP或ATM等其他协 议之上工作.RTP本身只保证实时数据的传输,并不 能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制,也不 提供流量控制或拥塞控制.它依靠RTCP提供这些服 务. 实时传输控制协议RTCP(RealtimeTransport ControlProtoco1):负责管理传输质量在当前应用进 程之间交换控制信息.在RTP会话期间,各参与者周 期性地传送RTCP包,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地改变传输速率.甚至改变 有效载荷类型.RTP和RTCP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. RTCP主要有4个功能: (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: (2)为RTP源提供一个永久性的CNAME( 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SSRC(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CNAME来 从一个指定的与会者得到相联系的数据流(如音频 和视频): (3)根据与会者的数量来调整RTCP包的发送 率; (4)传送会话控制信息,如可在用户接口显示 与会者的标识,这是可选功能. 3.2RTP/RTCP工作过程 工作时.RTP协议从上层接收流媒体信息码流 (如H.263),装配成RTP数据包发送给下层,下层协 议提供RTP和RTCP的分流.如在UDP中.RTP使用一 个偶数号端口,则相应的RTCP使用其后的奇数号端 口.R1P数据包没有长度限制,它的最大包长只受下 层协议的限制[l3_. 3.3服务器的算法 服务器软件模型主要有两种,即并发服务器和 循环服务器.循环服务器(IterativeServer)是指在一 个时刻只处理一个请求的服务器.并发服务器 (ConcurrentSenr)是指在一个时刻可以处理多个 请求的服务器.事实上,多数服务器没有用于同时 处理多个请求的冗余设备.而是提供一种表面上的 并发性,方法是依靠执行多个线程,每个线程处理 一 个请求,从客户的角度看,服务器就像在并发地 与多个客户通信. 由于流媒体服务时间的不定性和数据交互实 时性的请求,流媒体服务器一般采用并发服务器算 法.设计了一个基本的流媒体服务器.能够同时响 应多个用户的请求,把本地硬盘流媒体文件或实时 数据流(H.263格式)发送给用户.在应用中,把客户 分为请求实时数据的实时客户和请求文件数据的 文件客户两类.主要算法为: (1)打开设备,分配资源.当设备准备好时,创 建一个RTP实时服务线程和一个RTCP实时服务线 程. (2)创建一个UDP套接字并将其绑定到所提供 服务的地址之上. (3)反复调用接收模块,接收来自客户的RTCP 报告,根据其类型做出响应.对新实时客户的请求, 把客户地址添加到实时服务的客户列表中,对新文 件客户的请求.则创建一个新RTP文件服务线程和 一 个新RTCP文件服务线程;对已经在服务中的客户 则根据RTCP报告的内容调整服务. 流媒体技术的应用日益广泛,对流媒体技术的 研究具有很大的实际意义,本文通过对删RTCP协 议的研究.分析流媒体服务器的一般功能和结构, 提出在校园网络环境在构建一个基本的流媒体服 务器的实现方案. (下转第1278页) 1278科学技术与工程7卷 3 4 5 牛海军.多阶段生产/库存系统随机需求的整体库存模型.西安电 子科技大学,2001;28(5):612—615 WangSha0jan,SarkerBR..Optimalmodelsforamulti—stage supplychainsystemcontrolledbykanbanunderjust—-in—-time philosophy.EuropeanJournalofOperationalResearch,2006;172 (1):179—20o XhoujaM.Erratumtooptimizinginventorydecisionsinamulti—. stagemulti—customersupplychain.TransportationResearchPart 6 7 8 E:LogisticsandTransportationReview,2006;42(3):243 Anagun.Selectinginventorymodelsusinganexpertsystem. Computers&IndustrialEngineering.1997;33(1—2):299--302 AehabalDD.Adecisionsupportsystemforvendormanaged inventory.JournalofRetailing,2000;76(4):430--454 FelixTS.Chan.Adecisionsupportsystemforpredueti0n schedulinginanplatingcell,ExpertSystemswithApplications, 2006;30(4):727—738 Multi-stageWWAlgorithmofVariableDemand WANGLei,DAIGen—xin,HOUYun-zhang (DepartmentofManagementScienceandEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071,P.R.China; SchoolofManagementandEngineering,NanjingUniversitf,Nanjing210093,P.R.China) [Abstract]Themulti— stageinventorymanagementistheimportanttopicofthesupplychainresearch,as regardsfortheorderstrategyproblemofindependentdemand.WWalgorithmisregardedasthehighefficiency oneonthebasisthatdemandrateisnotconstant.Thedemandofallstagesisnotvariableduringt hecoul'Seof planexecution.Someresearchonmulti— stageorderstrategyproblemofindependentdemandjustasthefollowing aredone.Undertheconditionsthereexpensesparameters,suchasmaterialprice,onceorderin gexpense, inventorypreservationcostperunit,arefixed,duringthecourseofplanexecution,thedemand ofstagemare adjustedatstagei(1<i<m)whiletheotherstagesdemandareconstant,howtoadjusttheo rderstrategyto realizethelowestgrossinventorycost.besides.TheWWalgorithmisimproved. [Keywords]multi—stageWWalgorithmvariabledemand (上接第1242页) 0 2 3 4 参考文献 王宝智.多媒体宽带网技术.北京:国防工业出版社.2002:19— 20 蒋东兴,林鄂华.WindowsSockets网络程序设计大全.北京:清华 大学出版社,1999:86—89 宋云娴.网络教学的现状和未来.多媒体世界,1997;2:23—35 钟玉琢.MPEG运动图像压缩编码标准ISO/IEC11172.北京:机械 工业出版社.1995:45—86 5蒋东兴.清华大学网络教学实践与规划.新世纪网络教育研讨会. 20o1 6武祥村.一个网上共享式CAI课件点播学习系统TH—COD.现代教 育技术研究与应用.1999;10:31—33 7黄维通.基于BWD的网络考试系统的设计与实现.计算机工程. 2oo0;11:32—36 8周霖.课件点播系统研究与实现.计算机工程,2000;11:45—46 ofVideoonDemandServeronCampusLANBasedonStreamingMedia YA0Yu-tai (BroadcastandVideoUniversityofHubei,Wuhan430073,P.R.China) [Abstract]Streamingmediatechnologyisincreasinglyusedinmodemeducation.Firstlythenetworkbasisin theuniversityWebisintroduced,thenitisrelatedtothespecificrequirementofVideoondemandsystem, and analysesthegeneralfunctionandstructureoftheserverinvideoondemandsystembased— onstreamingmedia techniquethroughthestudyoftheRTP/RTCPprotoco1.Thebasicrealizationschemeisexplained. [Keywords]video—on—demandstreammediavideoserverRTP/RTCP