网络流媒体及其应用

摘要：21世纪是互联网时代，互联网的发展已经从根本上改变了人们的生活，而网络多媒体技术的发展更加丰富了网络资源。网络流媒体技术的出现和发展使得视音频数据在网络上的传输、检索和接收这一系列问题得到根本的解决。本文将从流媒体的基本概念，涉及的有关协议以及三大主流流媒体的性能比较等方面加以阐述，最后详细阐述了流媒体在计算机辅助教育方面的应用――基于Web和流媒体的校园网络视频点播系统的搭建。

关键词：流；流媒体；视音频；网络协议；视频点播

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：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

传统的网络传输数据主要表现为文字和图片，而视、音频等多媒体数据的传输到接受等技术长期以来没有得到很好的解决。网络流媒体技术的出现为视、音频文件在网络上传输和接收提供了更强大和坚实的技术支持。流媒体技术的发展为“线上音乐”和“线上影片”等视音频点播系统成为了可能并得到了长足的发展。当然，流媒体技术的发展也必将推动我国传统教育模式的发展和转变。

2 流媒体技术

流技术指把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放到网站服务器上，让用户一边下载一边观看、收听，而不需要等整个文件下载到自己机器后才可以观看的网络传输技术。

该技术先在使用者的电脑上创造一个缓冲区，在播放前预先下载一段资料作为缓冲。只需要在经过几秒或几十秒的启动延迟后便可观看；流媒体指在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体的总称。

2.1 流式传输基本原理及一般过程

流式传输的实现需要缓存来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数据能够连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。

用户选择某一媒体服务后，Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP/TCP交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原是信息中检索出来；然后客户机上的Web浏览器启动A/Helper程序，使用HTTP从Web服务器检索相关参数对Helper程序初始化。这些参数可能包括目录信息、A/V数据的编码类型或与A/V检索相关的服务器地址。

A/Helper程序及A/V服务器运行实时流控制协议（RTSP），以交换A/V传输所需的控制信息（RTSP提供了操作播放、快进、快倒、暂停以录制等命令的方法）。A/V服务器使用RTP/UDP协议将A/V数据传输给A/V客户程序（一般可认为客户程序等同于Helper程序），一旦A/V数据抵达客户端，A/V客户程序即可播放输出。

实现流式传输一般都需要专用服务器、播放器、网络传输和控制协议以及流媒体传输和控制协议的支持，其基本原理如图1所示。

图1 流式传输原理图

2.2 实现流式传输的两种方法

顺序流式传输（Progressive streaming）是顺序下载，常被称作HTTP流式传输。在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在给定时刻，用户只能观看已下载的部分，而不能跳到还未下载的前头部分。

实时流式传输（Realtime streaming）指保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时观看。实时流式传输与顺序流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器和传输协议，特别适合现场时间，也支持随机访问，可快进或后退以观看前面或后面的内容。

2.3 流媒体传输协议

流媒体文件在Internet传输除了需要有基本的TCP/IP协议的支持外，还需要有流媒体传输控制、媒体数据传送、媒体播放控制等协议的支持下才能安全、准确地从网络服务器端抵达客户端。

RTP（Real-time Transport Protocol）即实时流传输协议，用于Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议。RTP被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的时提供时间信息和实现流同步。

RTCP（Real-time Transport Control Protocol）即实时流传输控制协议，它和RTP协议一起提供流量控制和拥塞控制服务。RTCP包中含有已发送数据包的数量、丢失数据包的数量等统计资料，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。

RTSP（Real-Time Streaming Protocol）即实施流协议，是由Real Networks和Netscape共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。RTSP在结构上位于RTP和RTCP协议之上，它使用TCP或RTP完成数据传输。

SDP（Session Description Protocol）即媒体描述协议，它是服务器端生成的描述媒体文件的编码信息以及所在服务器的连接等信息。客户端可以通过它来配置播放软件的设置，如视音频解码器，接受视音频数据的端口等。

RSVP（Resource Reserve Protocol）即资源预定协议，由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网络中传输高质量的音频和视频信息，除带宽要求之外，还需要其他更多的条件，使用RSVP协议可以预留一部分网络资源（带宽），能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS（质量服务数据包计划程序）。

3 网络流媒体性能比较

到目前为止，Internet上使用较多的流媒体播放格式或流媒体平台主要有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。

下面将以Real System、Windows Media Technology、QuickTime这当今网络三大主流流媒体技术及其性能进行比较。

3.1 系统组成

表1 三大流媒体技术比较

3.2 播放方式

在流媒体领域主要有三种媒体播放方式：单播、组播、点播和广播。

单播是指在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的数据通道，从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机；组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制到多个通道上；点播连接是客户端与服务器之间的主动的连接。用户可以开始、停止、后退、快进或暂停流；广播是指用户被动接受流。在广播过程中，客户端接受流，但不能控制流。广播方式中数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户。

综上所述，组播吸收了上述两种发送方式的长处，克服了上述两种方式的弱点，将数据包的单独一个拷贝发送给需要的那些客户。组播不会复制数据包的多个拷贝传输到网络上，也不会将数据包发送给不需要它的那些用户，保证了网络上多媒体应用占用网络的最小带宽。

正是基于组播技术的优势，上述三大主流流媒体系统也是主要采用组播方式传送多媒体数据流，只是数据流的编码压缩方式和具体的发送过程有所差异，下面将分别加以阐述：

3.2.1 Real System

RealServer中的组播是将一个现场直播流同时传递给多个客户端，而无需为每一个客户的连结发送一个单独的数据流，客户端只需连接到该数据流，而不是连接到RealServer服务器，从而降低带宽的使用。RealServer的组播又分两种：反向信道组播（back-channel multicast）和可伸缩组播（scalable multicast），当然这两种方法也可同时使用。

1) 反向信道组播（back-channel multicast）

反向信道组播在客户端和服务器之间保持一个用于统计和控制信息交互的控制信道，如图2所示。由于客户端和RealServer之间的信息交换是双向的，从而能发送验证信息、用户统计及服务质量信息等可以现实客户端的情况。

图2 反向信道组播

2) 可伸缩组播（scalable multicast）

图3 可伸缩组播

与反向信道组播相比，可伸缩组播没有控制信道，单这种方法占用更少的带宽，RealServer的系统资源使用也少，由于传输是单向的，可伸缩组播能向无限的用户播放，提供验证、连接统计和智能流功能，如图3所示。

3.2.2 Windows Media Technology

Windows Media服务允许在Windows Media服务器间分发ASF流。在Windows Media服务器间分发ASF流首先要建立分发广播站，分发广播站是一个器帮助作用的广播站，是将一个服务器中的ASF流分发到另一个服务器中的广播站，这样下一个服务器将可以组播传送来的ASF流。

可见，Windows Media服务器分发ASF流主要包括以下三个基本步骤：

1) 从Windows Media服务器分发.asf文件，创建一个点播单播点。分发由Windows Media编码器、Windows Media广播站，或远程单播点生成实况流，创建广播单播点。

2) 在目标Windows Media服务器中，创建一个广播站、节目和流以接收分发的内容。

3) Windows Media服务器组播流。

Windows Media服务器组件可以配置为向客户端发送组播流，从而避免使用大量的网络带宽。广播站用来向客户端Windows Media Player发送组播ASF流。

3.2.3 QuickTime

在QuickTime系统中，客户端通过接受SDP（Session Description Protocol）来知道如何加入一个组播组。SDP文件通常贴在网站上来预告节目，SDP文件包含组播地址和端口，同时还包括流的描述信息。

因为并不是所有的路由器都支持组播，在不支持组播的网络上，客户端可以通过与反射服务器建立连接来接收组播。反射服务器是一个RTSP服务器，反射服务器加入组播，将组播转换成一系列单播，然后将流发送到向它发出请求的客户端。

3.3 编码技术

3.3.1 Real System

Real System采用可扩展视频技术作为其主要视频编码解码，如其名称所示，此编码解码具有可扩展行为的能力，如连接速率低于编码时采用的速率，播放时服务器端丢弃不重要的信息，播放器解码尽可能还原视频质量，采用小波变换算法将信号编码成一系列顺序片断，使扩展性成为可能。

3.3.2 Windows Media Technology

Windows Media Video/Audio是微软视音频技术的首要codec，WMV派生于MPEG-4，是流式视频中质量最高的codec之一，WMA类似于MP3，并具有两大优势：特别适合于低速率传输，在给定速率下可获得更好的质量。其算法基于Windows Media Encoder v7。

3.3.3 QuickTime

美国Apple公司的QuickTime电影文件已成为数字媒体领域的工业标准，这种文件格式不仅可以存储单个的文件内容（视频帧或音频采样），而且能够保存对该媒体作品的完整描述。这种文件格式是由一个或多个轨道组成，每个轨道都独立于其他轨道，轨道提供一个强大而灵活的结构，使用它可以精确地控制以产生复杂的交互电影，每个轨道都代表一个独特的随时间变化的功能。

纵观以上三大主流流媒体系统，RealNetworks公司是世界领先的网上流式视音频解决方案的提供者，提供从制作端、服务器端到客户端的所有产品，但是价格较贵。而微软的流媒体解决方案在微软视窗平台上视免费的，制作端和播放器的视音频质量都上佳，而且易于使用；但目前在整体解决方案和RealNetworks的产品相比还有差距，且只能在微软视窗平台上上使用（播放器出外）。Apple公司的QuickTime，尤其是QuickTime4视苹果公司最新的流视频平台，对于使用Mac OSX的用户来说是一个比较理想的流视频方案选择，是仅次于RealPlayer与Windows Media Player的流视频播放器。

4 网络流媒体应用――视频点播系统（VOD）

一个完整的流媒体解决方案应是相关软硬件的完美集成，它大致包括下面几个方面的内容：1)内容采集；2)视音频捕获和压缩编码；3)内容编辑；4)内容存储和播放；5)应用服务器内容管理、。

VOD（Video on Demand）是视频点播技术的简称，也称为交互式电视点播系统，它通过多媒体网络将视频节目按照个人的意愿送到千家万户，根据用户的需要播放相应的视频节目，从根本上改变了用户过去被动式看电视的不足。

VOD系统主要由三部分构成：

4.1 服务端系统

服务端系统主要由视频服务器、档案管理服务器、内部通讯子系统和网络接口组成。

其各部分功能如下：

1)档案管理服务器主要承担用户信息管理、计费、影视材料的整理和安全保密等任务；

2)内部通讯子系统主要完成服务器间信息的传递、后台影视材料和数据的交换；

3)网络接口主要实现与外部网络的数据交换和提供用户访问的接口；

4)视频服务器主要由存储设备、高速缓存和控制管理单元组成，其目标是实现对媒体数据的压缩和存储，以及按请求进行媒体信息的检索和传输。

对于交互式的VOD系统来说，服务端系统还需要实现对用户实时请求的处理、访问许可控制、VCR（Video Cassette Recorder）功能（如，快进、暂停、重绕等）的模拟。

4.2 网络系统

网络系统包括主干网络和本地网络两部分。因为它负责视频信息流的实时传输，所以是影响连续媒体网络服务系统性能极为关键的部分。当前，可用于建立这种服务系统的网络物理介质主要是：CATV（有线电视）的同轴电缆、光纤和双绞线。而采用的网络技术主要是：快速以太网、FDDI和ATM技术。

4.3 客户端系统

目前，根据不同的功能需求和应用场景，主要有三种VOD系统：NVOD，TVOD，IVOD；其中IVOD称为交互式点播电视，它比前两种方式有很大程度上的改进。它不仅可以支持即点即放，而且还可以让用户对视频流进行交互式的控制。这时，用户就可像操作传统的录像机一样，实现节目的播放、暂停、倒回、快进和自动搜索等。

5 基于Windows Media流媒体技术的校园网视频点播系统的搭建

网络多媒体技术的进步为现代教育提供了新的手段，基于流媒体技术的校园网视频点播已经成为网络教学形式之一。流媒体技术克服了过去传统下载音视频信息存在延迟的缺陷，实现了连续的互动的教学方式，改变过去一成不变的面对面的课堂教学模式。学生可以根据自己的实际情况，安排教学计划，利用校园网享受高质量的教育。

下面将从网络视频点播系统的实现涉及系统平台的选择、视音频的制作－采集站、视频服务器的选择、Web服务器点建设和数据库管理以及客户端等这几个方面加以阐述：

5.1 系统平台的选择和系统体系结构

微软开发的Windows Media 是一种能适应多种网络带宽的流式多媒体信息的平台，可以提供包括流媒体的制作、、播放和管理的解决方案，且其成套产品集成在Windows 2000 Server 中，不需要额外购买，所以投入相对较少，我们选取它作为系统平台。主干网为1000M高速交换式光纤以太网，二级节点交换速率为10/100Mbps。使用网页制作工具Dreamweaver 和 ASP技术制作了网站对外，利用SQL Server数据库系统对各类资源进行管理，对每个节目的观看次数进行统计（见系统结构图）。

图4 系统结构图

5.2 采集工作站

采集工作站是带视频采集卡和编码器的计算机，用于流媒体文件的制作与生成。由于编码占用大量CPU的活动，所以建议选用处理器为Pentium III 400 以上，内存大于256M，高速硬盘的计算机。编码器采用微软2002年底最新的Media Encoder 9.0，其主要的特色在于容易使用，高品质编码，能有上佳的输出品质，增强的可程序化与管理。另外还可以通过采集卡采集录像机、电视机、VCD机、DVD机等输入的视频信号。

5.3 视频服务器

视频服务器是安装了流媒体服务软件的服务器，提供视频节目服务，监控系统运行状态，存储视频节目。我们选用Dell PowerEdge 4600 服务器，采用Windows 2000 Advance Server操作系统，安装Windows Media Service作为Windows Media服务器，使用户能够通过网络传输流媒体内容。

5.4 Web服务器和数据库管理

Web服务器的Web服务由Windows 2000 Server中内置的IIS提供。因为IIS对ASP脚本支持较好，我们在制作Web页面时采用了VBScript脚本语言编写ASP脚本程序，实现对视频资料库的查询。数据库采用Microsoft SQL Server，用于视频资料和用户信息的管理。

系统通过Web页面为用户提供资料检索服务，便于用户查找所需的内容。通过数据库关键字搜索功能，提供多种途径的检索服务，如名称、类别、地区等。

5.5 客户端

由于采用浏览器-服务器模式，所以客户端只需安装IE5或以上版本和Windows Media Play 9.0即可，用户使用十分方便，基本无需维护。

6 结束语

网络技术的飞速发展，尤其是宽带技术的逐渐成熟为流媒体技术的应用和进一步发展铺设了一条宽广、平坦的道路。流媒体技术的发展为广大网络用户搜索、获取、存储和传送视音频资料提供了极大的便利，不仅提高了网络利用率，丰富了人类生活，也为网络资源的进一步丰富和完善提供了条件。

流媒体技术的发展和逐渐成熟也逐渐为教育现代化改革一道利器。教育资源的表现形式发生了重大的变化，教育信息的表达、传送、接受和存储随着流媒体时代的到来将会显得更加的生动、便捷，不仅提高了学习者的学习兴趣，也进一步提高了学习者的学习效率，它将成为网络学习的一种重要方式。

参考文献：

[1] 钟玉琢，向哲. 流媒体和视频服务器[M]. 清华大学出版社，2003.6.

[2] 唐天虹，冯宝坤. 实战流媒体[M]. 科学出版社，2003.9.

[3] 严程. Internet资源与网络多媒体[M]. 清华大学出版社，1996.9.

[4] 高文. 多媒体压缩技术[M]. 北京电子工业出版社，2000.5.