李偉權(quán) 廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 361012

流媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的應(yīng)用

李偉權(quán) 廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 361012

隨著人們學(xué)習(xí)、工作、生活與因特網(wǎng)的關(guān)系日益密切，在當(dāng)前及未來(lái)的因特網(wǎng)技術(shù)發(fā)展中，流媒體技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展也越來(lái)越廣泛，流媒體在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)馁|(zhì)量問(wèn)題也就日益突出，文章主要綜述了如何解決好流媒體在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的應(yīng)用問(wèn)題。

時(shí)延抖動(dòng)；分組丟失；內(nèi)容分布網(wǎng)絡(luò)；傳輸協(xié)議

當(dāng)前，流媒體相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展很快，在Internet上傳輸流媒體得相關(guān)技術(shù)也成為研究者們的一個(gè)熱點(diǎn)。同時(shí)，在Internet上傳輸流媒體存在著許多困難，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)是在90年代發(fā)展起來(lái)的，基于的協(xié)議是IPv4，隨著網(wǎng)絡(luò)用戶的不斷增加，使得當(dāng)前的Internet不適合傳輸連續(xù)的流媒體，而且網(wǎng)上的信息的交互性也日益增長(zhǎng)，使得網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸量急劇增大，而網(wǎng)絡(luò)的傳輸瓶頸問(wèn)題也日益突出。本文主要是探討在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況下用哪些方式來(lái)有效地解決流媒體的傳輸問(wèn)題。

流媒體是指在網(wǎng)絡(luò)中使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)時(shí)基媒體，如音頻、視頻或多媒體文件。而流式傳輸就是把連續(xù)的聲音和圖像信息經(jīng)過(guò)壓縮處理后放在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，讓用戶邊下載邊收看或收聽(tīng)，而不需要等待整個(gè)文件下載到用戶自己的電腦后才可以觀看或收聽(tīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。

當(dāng)前的多媒體在網(wǎng)絡(luò)中傳輸主要存在三種形式:1.流式存儲(chǔ)音頻/視頻，2.流式實(shí)況音頻/視頻；3.流式交互音頻/視頻。它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求也是不同的。比如它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的要求就不一樣，流式存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可以在1s～10s之間，而流式實(shí)況則要求網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最多為幾十s，流式交互的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延則要求更加嚴(yán)格，一般不超過(guò)400ms，最好小于150ms，否則，用戶就難以接受。因此，一般而言，流式媒體在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸主要存在兩個(gè)主要需要解決的問(wèn)題，1.時(shí)延抖動(dòng)；2.分組丟失。

流媒體的傳輸實(shí)現(xiàn)一般需要合適的傳輸協(xié)議。由于TCP需要較多的開(kāi)銷，比如TCP協(xié)議中的重傳機(jī)制就不能適用于流媒體的分組數(shù)據(jù)報(bào)傳輸，在流媒體的網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，如遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞或路由器緩沖區(qū)已滿，則有可能將包含音頻/視頻的分組丟失，因此，在流媒體的傳輸方案中一般都采用HTTP/TCP來(lái)控制傳輸控制信息，而用RTP/UDP來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

目前，網(wǎng)絡(luò)上支持流媒體傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議有:實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP；實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP；實(shí)時(shí)流協(xié)議RTSP；RSVP協(xié)議。

當(dāng)一個(gè)實(shí)時(shí)的音頻/視頻源或是存儲(chǔ)的音頻/視頻文件在傳輸過(guò)程中被分解成許多的數(shù)據(jù)包分組，而網(wǎng)絡(luò)本身是動(dòng)態(tài)變化的，因此，各個(gè)分組選擇的路由可能就不相同，到達(dá)用戶端的時(shí)延也就不同。因此，需要采用一些技術(shù)來(lái)消除時(shí)延和抖動(dòng)的影響，以保證數(shù)據(jù)包順序正確，從而使媒體數(shù)據(jù)能夠連續(xù)輸出播放。比如，考慮使用RTP來(lái)傳輸采用64kb/s的PCM編碼語(yǔ)音數(shù)據(jù)，再假設(shè)應(yīng)用在20ms塊中收集這些編碼數(shù)據(jù)，即每個(gè)塊中有160個(gè)字節(jié)。發(fā)送端在每個(gè)語(yǔ)音數(shù)據(jù)塊的前面加上一個(gè)RTP首部（RTP header），這個(gè)首部包括音頻編碼的類型、序號(hào)和時(shí)間戳。這樣一個(gè)RTP首部和音頻塊一起形成RTP分組（RTP packer）。然后通過(guò)UDP套接字接口發(fā)送該RTP分組。在接收端，應(yīng)用從它的套接字接口接收到該RTP分組，從RTP分組中提取出該音頻塊，并使用RTP分組的首部字段來(lái)正確解碼和播放該音頻塊。另外，也可以采用丟失恢復(fù)方案（loss recovery scheme）來(lái)解決分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸過(guò)程中丟失存在的情況下仍然保持可接受的流媒體質(zhì)量。比如，在因特網(wǎng)電話應(yīng)用中通常采用的兩種類型丟失方案:前向糾錯(cuò)（F E C）和交錯(cuò)（interleaving）。前向糾錯(cuò)的基本思想是給原始的分組流增加冗余信息，這些冗余信息可以用來(lái)重建一些丟失分組的近似或準(zhǔn)確版本。付出的代價(jià)是多少會(huì)增加音頻流的傳輸速率，而且有可能在接收端會(huì)產(chǎn)生較大的分組丟失間隙。交錯(cuò)技術(shù)作為冗余傳輸?shù)囊环N替代方案，是發(fā)送方在發(fā)送分組之前對(duì)音頻流數(shù)據(jù)單元重新排序，使得相鄰的單元在傳輸流中以一定的距離分開(kāi)，交錯(cuò)可以減輕分組丟失的影響，一般不會(huì)產(chǎn)生像前向糾錯(cuò)方案中出現(xiàn)的大的分組間隙，而是產(chǎn)生多個(gè)小的分組間隙，明顯提高音頻流的傳輸質(zhì)量而且網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷也較低，也不增加流的帶寬需求。但該方案明顯增加了時(shí)延，因此，比較適合于處理流式存儲(chǔ)音頻。

當(dāng)然，也可以在接收端采用延遲播放（delaying playout）技術(shù)來(lái)消除流媒體的時(shí)延抖動(dòng)，延遲播放要和分組流中的數(shù)據(jù)塊的序號(hào)和時(shí)間戳機(jī)制結(jié)合起來(lái)，一般有固定播放時(shí)延和自適應(yīng)播放時(shí)延兩種策略:1.固定播放時(shí)延:即接收方在塊產(chǎn)生的q ms之后播放它。如果一個(gè)塊在時(shí)刻t加上時(shí)間戳，那么接收方將在t+q的時(shí)間后播放該數(shù)據(jù)塊。若在預(yù)定的播放時(shí)間之后才到達(dá)接收方的數(shù)據(jù)塊將被丟棄，即認(rèn)為該分組丟失。對(duì)于固定播放時(shí)延策略，就接收方而言，希望q值要小些，這樣在不同固定播放時(shí)延下的分組丟失曲線如圖1所示?？梢垣@得比較滿意的交互體驗(yàn)。比如，因特網(wǎng)電話能夠支持400ms以內(nèi)的播放時(shí)延。因此，最重要的就是如何來(lái)界定q值。2.采用自適應(yīng)播放時(shí)延策略能夠較好解決這個(gè)問(wèn)題，在理想的情況下，接收方要在滿足丟失率低于一定百分比的限制下，使播放時(shí)延最小。假設(shè)ti是第i個(gè)分組的時(shí)間戳，ri是分組i被接收方接收的時(shí)間，pi是分組在接收方播放的時(shí)間，di是平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的估計(jì)值，vi估計(jì)平均時(shí)延的估計(jì)平均時(shí)延偏差。則可以根據(jù)下面算法來(lái)確定播放時(shí)間pi:

圖1 不同固定播放時(shí)延下分組丟失曲線圖

K是個(gè)正的常數(shù)。

目前，流媒體的應(yīng)用發(fā)展很快，僅從發(fā)送方或接收方來(lái)改善時(shí)延抖動(dòng)和分組丟失顯然是不足以解決流媒體在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸問(wèn)題的，因此接下來(lái)，再討論一下關(guān)于媒體流在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)牧硪环N解決方法，即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（content distribution network CDN）。這是一種從網(wǎng)絡(luò)全局的角度來(lái)更好解決流媒體在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膯?wèn)題。CDN的基本工作原理是:使用一種不同于Web高速緩存的模式，對(duì)于CDN而言，是由內(nèi)容提供商來(lái)向CDN公司支付費(fèi)用，使得其流媒體可以被請(qǐng)求的用戶在更短時(shí)間得到。即由內(nèi)容提供商將其服務(wù)內(nèi)容提供給CDN公司，而CDN公司再將服務(wù)內(nèi)容復(fù)制到整個(gè)因特網(wǎng)上許多的CDN服務(wù)器，而這些服務(wù)器一般放置在數(shù)據(jù)中心（data center），數(shù)據(jù)中心通常由第三方擁有并運(yùn)營(yíng)，并靠近ISP接入網(wǎng)絡(luò)和客戶機(jī)。因此，在一個(gè)CDN的基本工作模式中重要的是如何來(lái)確定對(duì)于請(qǐng)求主機(jī)而言哪個(gè)是最好的CDN服務(wù)器，以便以最快的速度向客戶機(jī)提供內(nèi)容。顯然，CDN公司必須掌握因特網(wǎng)選路表以及從不同CDN服務(wù)器到各個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的往返時(shí)延估計(jì)值和其他測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)為ISP提供最好的盡力而為的服務(wù)。因此，采用CDN來(lái)傳輸流媒體有以下三個(gè)特點(diǎn):1.降低主干網(wǎng)絡(luò)的流量負(fù)荷；2.通過(guò)分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的流媒體服務(wù)器，避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞；3.通過(guò)擴(kuò)展CDN服務(wù)器數(shù)量可以有效降低每個(gè)CDN服務(wù)器的性能要求。

由于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行機(jī)制是建立在盡力而為的服務(wù)基礎(chǔ)之上，即對(duì)于應(yīng)用將得到的服務(wù)質(zhì)量（QoS）不作任何承諾。因此，為了解決流媒體在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)延抖動(dòng)和分組丟失的問(wèn)題，還需要在因特網(wǎng)中引入確保服務(wù)質(zhì)量的四個(gè)基本原則和調(diào)度、監(jiān)管機(jī)制。

四個(gè)基本原則分別是:1.將分組進(jìn)行標(biāo)記，使得路由器能夠區(qū)分不同類型流量的分組，即不同類型流量的分組擁有不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)先級(jí)別；2.在不同流量之間提供一定的隔離，使之不會(huì)產(chǎn)生相互干擾；3.盡可能地有效使用網(wǎng)絡(luò)資源，比如，帶寬共享；4.呼叫準(zhǔn)入原則，即在網(wǎng)絡(luò)中，為流媒體的傳輸至少提供一種最低的服務(wù)質(zhì)量，否則，網(wǎng)絡(luò)將拒絕對(duì)該流媒體使用網(wǎng)絡(luò)。

調(diào)度、監(jiān)管機(jī)制:

調(diào)度機(jī)制:通常采用先入先出（FIFO）、優(yōu)先級(jí)排隊(duì)、輪轉(zhuǎn)和加權(quán)公平排隊(duì)（WFQ）。

監(jiān)管機(jī)制:目前在網(wǎng)絡(luò)最常用的監(jiān)管機(jī)制是采用漏桶機(jī)制。

以上簡(jiǎn)要說(shuō)明了在網(wǎng)絡(luò)中，為更有效、更可靠傳輸流媒體而采用的四個(gè)基本原則和常用的調(diào)度、監(jiān)管機(jī)制。

最后，來(lái)簡(jiǎn)單探討關(guān)于流媒體技術(shù)的主要應(yīng)用。

1.視頻點(diǎn)播（VOD）

VOD技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)以及有線電視網(wǎng)。流媒體的視頻直播應(yīng)用突破了網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，實(shí)現(xiàn)了在低帶寬的環(huán)境下的高質(zhì)量影音傳輸，而新的智能流技術(shù)可以保證不同連接速率下的用戶得到不同質(zhì)量的影音效果。

2.視頻會(huì)議

視頻會(huì)議是流媒體技術(shù)一個(gè)新的商業(yè)用途，采用流媒體格式來(lái)傳送視頻/音頻文件，使用者不必等待而可以連續(xù)、實(shí)時(shí)觀看。其中，最常見(jiàn)的是可視電話的應(yīng)用。

3.遠(yuǎn)程教育

使用VOD技術(shù)可以在教師和學(xué)生之間采用交互式的教學(xué)，突破目前學(xué)校多媒體教學(xué)的單一手段，目前的多媒體教學(xué)主要時(shí)間和精力都放在課件的制作上，因此，采用流媒體技術(shù)可以將教師從繁重的課件制作上解放出來(lái)，并可以大大提高教學(xué)的互動(dòng)性。

4.因特網(wǎng)直播

隨著因特網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，在因特網(wǎng)上直接收看體育直播、大型晚會(huì)等直播的電視節(jié)目。隨著流媒體技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)在低帶寬環(huán)境下傳輸高質(zhì)量的音頻/視頻信息變的更加容易。

流媒體技術(shù)的發(fā)展主要依賴于網(wǎng)絡(luò)的傳輸條件、媒體文件的編碼壓縮效率以及客戶端的解碼等幾個(gè)重要因素。其中任何一個(gè)因素都有可能影響流媒體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。本文主要是綜述了如何解決流媒體傳輸過(guò)程中常見(jiàn)的時(shí)延抖動(dòng)和分組丟失問(wèn)題的方法和機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單概括了流媒體技術(shù)的應(yīng)用。

[1] James F.Kurose,Keith W.Ross.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京:高等教育出版社.2005.

[2] 余勇昌,宋宜昌.流媒體技術(shù)的原理、應(yīng)用及發(fā)展[J].現(xiàn)代電信科技.2003，(7): 1-4.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.09.054

李偉權(quán) 男 1971 大學(xué)本科 大學(xué)講師研究方向EDA技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。