流媒體技術
流媒體技術
一、 流媒體簡介
1、流媒體的出現
長期以來，由于受到網路帶寬的限制，互聯網上的數據都是以文字、圖片之類的靜態內容為主，而那些音頻、視頻數據很難在網上發布，因為一般非壓縮的廣播級品質視頻需要160Mbps的網絡帶寬；非壓縮CD音質的音頻則需要大約2.8Mbps的網絡帶寬。目前大部分網絡用戶的帶寬還只是56Kbps，這與音頻、視頻的傳播要求相差甚遠。網絡帶寬很難在短期內得到迅速提升，因此要實現網上音頻、視頻傳播就必須在傳播文件本身下功夫，這樣就出現了流媒體(Streaming media)。所謂流媒體是指采用流式傳輸的方式在Internet播放的媒體格式，而流式傳輸方式則是將整個A/V及3D等多媒體文件經過特殊的壓縮方式分成一個個壓縮包，由視頻服務器向用戶計算機連續、實時傳送。
流媒體技術的開發創意是從傳統的TCP/IP協議對通過網絡傳送信息的控制方法中得到的。當我們通過TCP/IP協議下載文件時，服務器會按照一定的次序將文件分成若干個獨立的數據包，然后依次發送出去。而客戶端的程序會將這些數據包重新組裝起來，最終形成和原來完全一樣的完整的文件。這時候，我們就可以對這個文件進行任何可能的操作了。流技術則不然。流技術能夠按照特定的順序將文件發送出去，而播放程序則可以邊接收數據邊播放他們。
2、流媒體形式簡介
目前，在Internet/Intranet上提供流媒體服務的軟件中應用廣泛、成熟的產品還不多。 根據媒體形式的不同，流媒體可分為如下五類：
1）、流式音頻。網上流式音頻主要有數字化聲音、音樂和語音識別三種形式，如ToolVox,RealAudio,Crescendo MIDI等。
2）、流式視頻。如VDO Net公司的VDO Live，CISCO公司的IP/TV， XING Technology公司的StreamWorks等。
3）、流式動畫。如Macromedia公司的FLASH矢量動畫。
4）、流式圖象。新推出的RealPlayer G2支持RealPix流式圖象文件格式。
5）、流式文本。新推出的RealPlayer G2支持RealText流式文本文件格式。
二、流媒體實現的關鍵技術---流式傳輸
流式傳輸的定義很廣泛，現在主要指通過網絡傳送媒體（如視頻、音頻等）的技術總稱。其特定含義為通過INTERNET將影視節目傳送到PC機。
1、 流式傳輸的方式
實現流式傳輸有兩種方法：順序流式傳輸（progressive streaming）和實時流式傳輸（Realtime streaming）。
1)、順序流式傳輸（progressive streaming）
順序流式傳輸是順序下載，在下載文件的同時用戶可觀看再線媒體，在給定時刻，用戶只能觀看已下載的那部分，而不能跳到還未下載的前頭部分，順序流式傳輸不象實時流式傳輸在傳輸期間根據用戶連接的速度做調整。由于標準的HTTP服務器可發送這種形式的文件，也不需要其他特殊協議，它經常被稱作HTTP流式傳輸。順序流式傳輸比較適合高質量的短片段，如片頭、片尾和廣告，由于該文件在播放前觀看的部分是無損下載的，這種方法保證電影播放的最終質量。這意味著用戶在觀看前，必須經歷延遲，對較慢的連接尤其如此。
順序流式文件是放在標準HTTP 或 FTP服務器上，易于管理，基本上與防火墻無關。順序流式傳輸不適合長片段和有隨機訪問要求的視頻，如：講座、演說與演示。它也不支持現場廣播，嚴格說來，它是一種點播技術。
2）、實時流式傳輸（Realtime streaming）
實時流式傳輸總是實時傳送，特別適合現場事件，也支持隨機訪問，用戶可快進或后退以觀看前面或后面的內容。理論上，實時流一經播放就可不停止，但實際上，可能發生周期暫停。
實時流式傳輸必須配匹連接帶寬，這意味著在以調制解調器速度連接時圖象質量較差。而且，由于出錯丟失的信息被忽略掉，網絡擁擠或出現問題時，視頻質量很差。如欲保證視頻質量，順序流式傳輸也許更好。實時流式傳輸需要特定服務器，如QuickTime Streaming Server、RealServer與Windows Media Server。這些服務器允許你對媒體發送進行更多級別的控制，因而系統設置、管理比標準HTTP服務器更復雜。實時流式傳輸還需要特殊網絡協議，如：RTSP (Realtime Streaming Protocol)或MMS (Microsoft Media Server)。這些協議在有防火墻時有時會出現問題，導致用戶不能看到一些地點的實時內容。
2、流式傳輸的原理
1）流式傳輸的實現途徑與過程
首先，多媒體數據必須進行預處理才能適合流式傳輸，這是因為目前的網絡帶寬對多媒體巨大的數據流量來說還顯得遠遠不夠。預處理主要包括兩方面：一是降低質量；二是采用先進高效的壓縮算法。
其次，流式傳輸的實現需要緩存。這是因為Internet是以包傳輸為基礎進行斷續的異步傳輸。數據在傳輸中它們要被分解為許多包，由于網絡是動態變化的，各個包選擇的路由可能不盡相同，故到達客戶端的時間延遲也就不等。為此，使用緩存系統來彌補延遲和抖動的影響，并保證數據包的順序正確，從而使媒體數據能連續輸出，而不會因網絡暫時擁塞使播放出現停頓。
再次，流式傳輸的實現需要合適的傳輸協議。WWW技術是以HTTP協議為基礎的，而HTTP又建立在TCP協議基礎之上。由于TCP需要較多的開銷，故不太適合傳輸實時數據。在流式傳輸的實現方案中，一般采用HTTP/TCP來傳輸控制信息，而用RTP/UDP來傳輸實時聲音數據。 2） 、支持流媒體傳輸的網絡協議
A、實時傳輸協議RTP與RTCP
RTP： 實時傳輸協議（Real－timeTransportProtocol）一種用于Internet上針對多媒體數據流的一種傳輸協議。
RPCP： 實時傳輸控制協議(Real－timeTransportControlProtocol)和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務。
RTP是用于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，其目的是提供時間信息和實現流同步。RTP通常使用UDP來傳送數據，但RTP也可以在TCP或ATM等其他協議之上工作。當應用程序開始一個RTP會話時將使用兩個端口：一個給RTP，一個給RTCP。RTP本身并不能為按順序傳送數據包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務。通常RTP算法并不作為一個獨立的網絡層來實現，而是作為應用程序代碼的一部分。
實時傳輸控制協議RTCP和RTP一起提供流量控制和擁塞控制服務。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中含有已發送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料，因此，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。RTP和RTCP配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網上的實時數據。 B、 時流協議RTSP
RTSP：實時流協議 (RealTimeStreamingProtocol) 定義了一對多的應用程序如何有效地通過IP網絡傳送多媒體數據。
實時流協議RTSP(RealTimeStreamingProtocol)是由RealNetworks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在體系結構上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成數據傳輸。HTTP與RTSP相比，HTTP傳送HTML，而RTP傳送的是多媒體數據。HTTP請求由客戶機發出，服務器作出響應；使用RTSP時，客戶機和服務器都可以發出請求，即RTSP可以是雙向的。
C、資源預訂協議RSVP協議
RSVP：資源預訂協議(ResourceReserveProtocol )正在開發的Internet上的資源預訂協議。
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、視頻信息，除帶寬要求之外，還需其他更多的條件。 使用RSVP預留一部分網絡資源（即帶寬），能在一定程度上為流媒體的傳輸提供方便
3） 、識別流媒體類型的途徑--MIME
Web服務器和Web瀏覽器如何識別流媒體并進行相應的處理呢？答案是MIME。MIME是MultipurposeInternet MailExtensions（通用因特網郵件擴展）的縮略詞。它不僅用于電子郵件，還能用來標記在Internet上傳輸的任何文件類型。Web服務器和Web瀏覽器都基于HTTP協議，而HTTP都內建有MIME。HTTP正是通過MIME標記Web上繁多的多媒體文件格式。
流式傳輸的過程一般是這樣的：
1、 用戶選擇某一流媒體服務后，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始信息中檢索出來
2、 然后客戶機上的Web瀏覽器啟動A/VHelper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。
3、 A/VHelper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。與CD播放機或VCRs所提供的功能相似，RTSP提供了操縱播放、快進、快倒、暫停及錄制等命令的方法。
4、 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。
需要說明的是，在流式傳輸中，使用RTP/UDP和RTSP/TCP兩種不同的通信協議與A/V服務器建立聯系，是為了能夠把服務器的輸出重定向到一個不同于運行A/VHelper程序所在客戶機的目的地址。實現流式傳輸一般都需要專用服務器和播放器，其基本原理如圖一所示。
三、流媒體的播放方式
1、 單播
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,這種傳送方式稱為單播。每個用戶必須分別對媒體服務器發送單獨的查詢,而媒體服務器必須向每個用戶發送所申請的數據包拷貝。這種巨大冗余首先造成服務器沉重的負擔，響應需要很長時間，甚至停止播放；管理人員也被迫購買硬件和帶寬來保證一定的服務質量。
2、 組播
ＩＰ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。采用組播方式，單臺服務器能夠對幾十萬臺客戶機同時發送連續數據流而無延時。媒體服務器只需要發送一個信息包，而不是多個；所有發出請求的客戶只需連結到這個數據流而不是連結到視頻服務器，從而降低帶寬的使用。網絡利用效率大大提高，成本大為下降。
3、 點播與廣播
點播連接是客戶端與服務器之間的主動的連接。在點播連接中，用戶通過選擇內容項目來初始化客戶端連接。用戶可以開始、停止、后退、快進或暫停流。點播連接提供了對流的最大控制，但這種方式由于每個客戶端各自連接服務器，卻會迅速用完網絡帶寬。
廣播指的是用戶被動接收流。在廣播過程中，客戶端接收流，但不能控制流。例如，用戶不能暫停、快進或后退該流。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，而不管用戶是否需要。
使用單播發送和廣播方式發送的方式會非常浪費網絡帶寬，組播吸收了上述兩種發送方式的長處，克服了上述兩種發送方式的弱點，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客戶，保證了網絡上多媒體應用占用網絡的最小帶寬。
四、流媒體的文件格式
1、 壓縮媒體文件格式
壓縮格式有時被稱為壓縮媒體格式，包含了描述一段聲音和圖象的同樣信息，盡管它的文件大小被處理得更小。很明顯，壓縮過程改變了數據位的編排。在壓縮媒體文件再次成為媒體格式前，其中數據需要解壓縮。由于壓縮過程自動進行，并內嵌在媒體文件格式中，通常我們在存儲文件時沒有注意到這點。該過程如圖二所示。
2、 流式文件格式
流式文件格式經過特殊編碼，使其適合在網絡上邊下載邊播放，而不是等到下載完整個文件才能播放。可以在網上以流的方式播放標準媒體文件，但效率不高。將壓縮媒體文件編碼成流式文件，必須假如一些附加信息，如計時、壓縮和版權信息。編碼過程如圖三所示。表一列舉了常用的流式文件類型。
3、媒體發布格式
媒體發布格式不是壓縮格式，也不是傳輸協議，其本身并不描述視聽數據，也不提供編碼方法。媒體發布格式是視聽數據安排的唯一途徑，物理數據無關緊要，我們僅需要知道數據類型和安排方式。以特定方式安排數據有助于流式多媒體的發展，因為我們希望有一個開放媒體發布格式為所有商業流式產品應用，為應用不同壓縮標準和媒體文件格式格式的媒體發布提供一個事實上的標準方法。我們也可從以相同格式同步不同類型流中獲益。 總有一天，單個媒體發布格式能包含不同類型媒體的所有信息，如計時、多個流同步、版權和所有人信息。實際視聽數據可位于多個文件中，而由媒體發布文件包含的信息控制流的播放。常用媒體發布格式如表二所示。
五、媒體服務器
1、媒體服務器的硬件平臺
視頻服務器的工作模式是當服務器響應客戶的視頻流后，從存儲系統讀入一部分視頻數據到對應于這個視頻流的特定的緩存中，然后此緩存中的內容送入網絡接口發送到客戶。當一個新的客戶請求視頻服務時，服務器根據系統資源的使用情況，決定是否響應此請求。系統的資源包括存儲I/O的帶寬、網絡帶寬、內存大小和CPU的使用率。
1) 、目前有三中類型的視頻服務器結構：
A、通用主機方法
最早的通用視頻服務器采用計算機主機來實現其功能，它運行在一個標準的操作系統上，如UNIX系統，硬件由一系列眾多的的視頻磁盤陣列組成。視頻服務器的主要功能是存儲、選擇、傳送大量的數據，卻很少進行數據處理。因此，將主機作為視頻服務器既不利于發揮主機的主要功能，有增加了系統的成本，因為必須提供大量的并非必須的硬件和軟件。因此，有必要研究具有專門的功能、結構簡單的視頻服務器。
B、緊耦合多處理機
按照視頻服務器功能要求，制作出大量完成某項指令或專門功能的硬件單元，然后將相關單元組合成相應的專用系統。這些系統有的擅長創建靜止圖象，有的是數據庫管理器，還有的是網絡設備和其它動態視頻的數據庫。最后將這些系統級聯起來構成緊耦合多處理機實現的視頻服務器。這種服務器費用低、性能高、功能強，具有解決專項問題的特征，但節目受到一定的限制，擴展性較差。
C、調諧視頻服務器
調諧視頻服務器的主板有一個有獨特微碼的嵌入式仿真器控制。磁盤控制器、ATM打包器和記帳計算機接口都利用這些極高速的仿真器來提供它們的功能和各功能塊間的通訊。仿真器是通過特殊的寄存器總線和微碼緊密耦合的。調諧視頻服務器的結構是可擴展的。只要在主板中插入更多的服務通路，就可以達到擴容的目的。
2、 視頻服務器的軟件平臺
網絡視頻平臺包括媒體內容制作、發行與管理模塊、用戶管理模塊、視頻服務器。內容制作涉及視頻采集、編碼。發行模塊負責將節目提交到網頁，或將視頻流地址郵寄給用戶。內容管理主要完成視頻存儲、查詢；節目不多時可使用文件系統，當節目量大，就必須編制數據庫管理系統。用戶管理可能包括用戶的登記和授權。視頻服務器將內容通過點播或直播的方式播放。對范圍廣、用戶多的播放，可在不同區域的中心（如中國華東上海、華北北京、華中武漢等）建立相應的分發中心，協同完成播放。此外，對商業站點，還應包括計費系統等。網絡視頻播放的結構如圖三所示。
1）任務服務(Session Service)
建立和維持客戶和服務器之間的通信通道；為特定的客戶設備管理一系列的服務器資源；每一個客戶設備只分配一個任務。
2）內容服務(Content Service)
其操作過程如下：
⑴、 為當前的一個或多個視頻主題查詢內容；
⑵、 容服務返回一個與所需要的視頻內容相關聯的"assetcookie"；
⑶、 客戶把"assetcookie"交給流服務,準備視頻內容"流化"
⑷、 流服務用節目解析器解析出"assetcookie"；
⑸、 流服務定位MDS中所關聯的節目內容；
⑹、 流服務指引"視頻泵""流出"節目內容到客戶端。
3）流服務（StreamService）
流服務指引"視頻泵"（VideoPump）以實時流的形式分發數據（MPEG-1或MPEG-2傳輸流）到客戶端；同"視頻泵"一起執行VCR控制功能（暫停、繼續、快進、快退）；客戶端通過媒體網絡（MediaNet）以流（MediaNetStream）的形式接收BLOB數據；
-BLOB（BinaryLargeOBject）二進制大對象，如bitmap（位圖）、imagestills（靜止畫面）及客戶需要下載供本地訪問的一些存儲在VS中的數據，以可靠方式傳輸（通過MN），而實時視頻流的傳輸往往被認為是不可靠的（如圖五）。
4）媒體數據存儲服務（MediaDataStoreService-MDS）
進行文件管理（創建、存儲、修改、刪除）及目錄管理功能；當"視 頻泵"(videopump)要"播"一個視頻文件時，它先給MDS目錄服務器（MDSDirectoryServer）發一個消息打開文件，然后從該目錄服務器得到這個文件的磁盤布局數據；由于影像文件都很大，視頻服務器采用RAID（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）存儲影像文件；所有用來存儲影像節目文件的磁盤稱作一個卷（volume）,每個卷都有一個TOC（table of contents），存儲卷里面的文件及它們在磁盤陣列的位置，TOC的大小決定了一個卷能存儲文件的個數；AStripe是卷上所有磁盤同樣大小的一塊存儲空間；Striping是把一個文件分散成片（塊）存儲在不同的磁盤上，可以減少單塊盤的訪問次數和時間，以利于并發流的處理；存儲節目時，先存tableofcontents（如文件的大小、創建的時間、在磁盤陣列中的位置等），然后橫跨磁盤連續地存儲，每一塊盤上存一個stripe，當寫完第一個RAID后，繼續下一個RAID，當寫到最后一個RAID的最后一塊硬盤時，又從第一個RAID寫起。當最后一個stripe沒寫滿時，會留下空的小塊，下次寫盤時，又從下一個RAID開始寫盤；因為采用RAID存儲機制，當硬盤出現故障，不影響視頻服務器正常運行，數據不會丟失。視頻服務器還支持"熱插拔"（hot－swap）磁盤。
5）文件（節目）上傳和下載（FTPService）
視頻服務器提供遠程訪問MDS的能力，即mdsftp。遠程客戶計算機 運行FTP即可上傳和下載視頻服務器中的MDS文件（影像節目文件），如圖六所示。
視頻服務器還提供遠程兩臺視頻服務器之間上傳和下載MDS文件（影 像節目文件）的能力，這特別適合分布式大規模VOD系統的實現。
6）RTSP服務
RTSP（RealTimeStreamingProtocol）服務處理客戶與服務器之間的 通信任務；接收客戶基于RTSP協議的請求；把請求映射為適當的基于媒體網絡（MN）的視頻服務器呼叫；執行呼叫到合適的視頻服務器進程；轉發視頻服務器應答并返回給客戶如圖七。
六、未來屬于流媒體
人們常說互聯網是一場革命，實際上在流媒體全面發展之前，這場革命是不徹底的。沒有流媒體的互聯網無聲無影,所謂"虛擬的世界"的說法名與實相去太遠。流媒體技術全面應用后，人們在網上聊天就不必用文字表達自己的語言了，直接語音輸入就行了。如果想彼此看見對方的容貌、表情，只要雙方各有一個攝像頭就可以了；電子商務的貨品展示也不再限于圖片的二維觀看了，看到感興趣的商品，點擊后，就會有講解員和商品的影像出現，可以達到與現實完全一致的展示效果，而且你可以與講解員進行現場交流；網上新聞也不僅僅只能用文字和圖片表達，更有真實感的影像新聞也會出現。非但如此，流媒體還將給互聯網帶來全新的內容，如網絡電視、網絡影院、網上教育等。 流媒體發端于美國，目前的流媒體技術都源于美國，而且美國的帶寬比國內豐富得多，因此流媒體在美國的應用已經非常廣泛。像如今在美國如火如荼的MP3.COM就是得益于流媒體技術. 網絡電視,相對于傳統電視，它的優勢是：
第一，提升電視臺的形象，在國內眾多的電視臺網站中，能夠把電視臺最大的優勢資源－－視頻節目在互聯網上進行全面應用的電視臺并不多，網絡電視能夠馬上提升電視臺的國內國際形象。
第二，網絡電視是一個全互動的電視概念，它是雙向的，對電視臺和觀眾的溝通反饋起著非常大的作用，傳統電視這方面是相當弱的，基本上，它是單向的。
第三，網絡電視除了能在互聯網上進行廣播外，它還能讓全世界的網民對電視節目進行點播，想看什么就看什么，想什么時候看就什么時候看。傳統電視能做到這一點嗎？不能。
第四，隨著網絡帶寬越來越寬，電信寬帶網，廣電寬帶網和城域網等等寬帶網的鋪設，在互聯網欣賞廣播級的電視節目不再是一件遙遠的事情。現在在小范圍內已經有應用，這個時候建立網絡電視是一個非常前瞻性的事情，搶占未來的制高點。這時候，網絡電視不再是電視臺的一個補充，而是可以完全以一個獨立的電視臺形式運營存在。
可以預見，隨著廠商對流媒體技術的不斷發展和完善，、以及用戶對流媒體需求的增加，流媒體技術定會更上層樓。
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