倪朔東，施 佺

(南通大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇南通226019)

作為信息時(shí)代的產(chǎn)物，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在高校教育中取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。為了能夠充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)情境豐滿、師生交互頻繁、學(xué)習(xí)氛圍濃厚的優(yōu)勢，全面展示實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容的操作過程，將這些最優(yōu)質(zhì)的教學(xué)實(shí)景資源突破時(shí)間和空間的約束，真實(shí)高效地在網(wǎng)絡(luò)上還原，必須依靠視頻手段來呈現(xiàn)給更多的學(xué)習(xí)者。所以，作為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的一項(xiàng)主要功能，視頻教學(xué)已越來越得到教學(xué)管理工作者的重視。

高校網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)歷了漫長的階段，從傳輸介質(zhì)到中繼設(shè)備出現(xiàn)了性能參差不齊的現(xiàn)象，而視頻傳輸對于網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求極高，采用單一的單播或組播等網(wǎng)絡(luò)傳輸模式已經(jīng)不能很好地滿足視頻傳輸，構(gòu)建智能數(shù)據(jù)流傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)系統(tǒng)可以有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，充分發(fā)揮視頻教學(xué)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的作用。

1 研究背景

目前，國內(nèi)外都是采用流化本地視頻文件，通過合適的傳輸協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行視頻傳送，大多數(shù)高校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻采用以下幾種數(shù)據(jù)流傳輸模式:單播、組播、P2P［1］。

由于校園網(wǎng)是用于教學(xué)、科研、學(xué)校管理、信息資源共享和遠(yuǎn)程教學(xué)等方面工作的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)系統(tǒng)［2］，所以在教學(xué)視頻傳輸?shù)耐瑫r(shí)，必須兼顧到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，滿足學(xué)校其他工作的需求。結(jié)合校園網(wǎng)本身的特點(diǎn)，對以上3種傳輸模式進(jìn)行比較分析:

1)單播是最簡單原始的客戶端/服務(wù)器(Client/Server，C/S)模式，采用單點(diǎn)對單點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，即一臺服務(wù)器發(fā)出N個(gè)數(shù)據(jù)包給N個(gè)客戶端使用?，F(xiàn)在高校的師生基本都有自己的計(jì)算機(jī)，而且終端接入的帶寬也比較高(一般是10M/100M)，所以當(dāng)巨額數(shù)量的用戶發(fā)出請求時(shí)，勢必對服務(wù)器的負(fù)載造成很大的壓力，甚至出現(xiàn)癱瘓的現(xiàn)象。為此，學(xué)校只能通過不斷增加服務(wù)器的數(shù)量，采用負(fù)載均衡來支撐整個(gè)需求，極大地增加了硬件成本。

2)組播也是一種客戶端/服務(wù)器(Client/Server，C/S)模式，采用單點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，即一臺服務(wù)器發(fā)出1個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)復(fù)制給N個(gè)客戶端使用，這種模式極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，同時(shí)也減輕了服務(wù)器的負(fù)載和骨干網(wǎng)絡(luò)的擁塞。但是，組播要求從核心層到用戶接入層的每個(gè)路由器交換機(jī)必須支持組播功能，且不同廠商的設(shè)備之間達(dá)到組播聯(lián)調(diào)也同樣存在困難［3］，而在校園網(wǎng)長期的建設(shè)過程中必然會(huì)購入不同廠商的設(shè)備，每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)對組播設(shè)計(jì)的算法要求差別也很大，這對于非盈利性的校園網(wǎng)來說，在組播設(shè)計(jì)管理上的開銷將遠(yuǎn)大于組播在帶寬上帶來的優(yōu)勢。

3)P2P是一種新型的客戶端/客戶端(Peer to Peer)模式，采用單點(diǎn)對單點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，即每臺機(jī)器既充當(dāng)服務(wù)器也充當(dāng)客戶端的角色。P2P的原理是在用戶獲取數(shù)據(jù)的同時(shí)也作為服務(wù)器向其他用戶提供數(shù)據(jù)，這些眾多的提供者取代中心服務(wù)器提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)服務(wù)，從而節(jié)省中心服務(wù)器帶寬。P2P技術(shù)如果要有比較穩(wěn)定的應(yīng)用，那么大量的數(shù)據(jù)提供者就成為了關(guān)鍵，也就是說在同一時(shí)間內(nèi)大量的數(shù)據(jù)提供者成了P2P傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證［4］。由于校園網(wǎng)是提供教學(xué)、科研、學(xué)校管理等多項(xiàng)工作的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，不是單純地服務(wù)一個(gè)應(yīng)用，大量的用戶在校園網(wǎng)中同時(shí)接收和分發(fā)數(shù)據(jù)，勢必會(huì)對局域網(wǎng)中的其他應(yīng)用造成擁堵，成為網(wǎng)絡(luò)擁塞的罪魁禍?zhǔn)祝阅壳昂芏喔咝赑2P的應(yīng)用都做了限制。

不難看出，在校園網(wǎng)中僅靠單純的改善網(wǎng)絡(luò)傳輸模式來提高網(wǎng)絡(luò)視頻的傳輸質(zhì)量會(huì)帶來諸多的問題。構(gòu)建一個(gè)智能數(shù)據(jù)流(即源文件)來適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，滿足不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸是本課題研究的重點(diǎn)。

2 智能數(shù)據(jù)流傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)服務(wù)中，學(xué)員的學(xué)習(xí)質(zhì)量在很大程度上取決于視頻的觀看質(zhì)量，而在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中決定視頻質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能［5］，網(wǎng)絡(luò)視頻的傳輸性能指標(biāo)主要表現(xiàn)在接收延時(shí)、音畫同步和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自適應(yīng)性等方面，智能流傳輸技術(shù)是一個(gè)新提出的高性能傳輸技術(shù)，可以很好地提高網(wǎng)絡(luò)視頻的傳輸性能。

2.1 資源分配池技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)高性能視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)在于設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)越的服務(wù)程序，服務(wù)軟件設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮服務(wù)器對本身資源的調(diào)度算法。資源分配池技術(shù)的思路即在服務(wù)器為客戶機(jī)提供服務(wù)之前預(yù)先分配相關(guān)的資源，在服務(wù)器接收到客戶請求以后從池中調(diào)度資源，而不是在服務(wù)器接收客戶機(jī)請求以后再分配資源。資源分配池技術(shù)包括線程池與內(nèi)存池技術(shù)。

1)線程池技術(shù)

在視頻服務(wù)器初始化時(shí)，預(yù)先創(chuàng)建足夠的服務(wù)線程，當(dāng)用戶發(fā)出數(shù)據(jù)請求時(shí)能最快時(shí)間地響應(yīng)并提供使用，使得服務(wù)器能滿足大量用戶并發(fā)請求，提高整體的服務(wù)性能［6－7］。如圖1所示，服務(wù)器在啟動(dòng)時(shí)預(yù)先創(chuàng)建N個(gè)服務(wù)線程，也就是線程池，N個(gè)服務(wù)線程處于休眠狀態(tài)，然后服務(wù)器等待客戶機(jī)的服務(wù)請求，一旦服務(wù)器接收到客戶機(jī)請求，服務(wù)器將首先檢查服務(wù)線程池中的線程是否有空閑者，如果有，則調(diào)度該空閑線程執(zhí)行服務(wù);否則在池中再創(chuàng)建N個(gè)線程，然后選取一個(gè)線程執(zhí)行服務(wù)，線程執(zhí)行完服務(wù)后不會(huì)被銷毀，而是重新回收到池中以備下次再用。線程池中的線程在運(yùn)行過程中不會(huì)被銷毀，而是在服務(wù)進(jìn)程終止時(shí)一次性被銷毀。因此，線程池技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)視頻快速響應(yīng)服務(wù)請求的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

圖1 線程池技術(shù)

2)內(nèi)存池技術(shù)

視頻服務(wù)器在處理客戶請求時(shí)要分配許多小塊內(nèi)存用于中間操作，如果每次由操作系統(tǒng)來處理內(nèi)存分配，一方面操作系統(tǒng)執(zhí)行分配內(nèi)存算法需要消耗時(shí)間，另一方面，操作系統(tǒng)是按頁來分配內(nèi)存的，即使分配一個(gè)字節(jié)的內(nèi)存，也會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)從內(nèi)存空間提交一個(gè)頁面的內(nèi)存，這就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存的浪費(fèi)［8］。在分配次數(shù)無限增多的情況下，就會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程內(nèi)存碎塊過多，進(jìn)一步降低系統(tǒng)在分配內(nèi)存時(shí)的搜索速度。系統(tǒng)采用內(nèi)存池技術(shù)，預(yù)先分配一定的內(nèi)存塊在池中，當(dāng)用戶發(fā)出數(shù)據(jù)請求時(shí)先使用內(nèi)存池中的內(nèi)存塊，在池中內(nèi)存夠用的情況下就不會(huì)調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)存，減輕了服務(wù)器的負(fù)載。

如圖2所示，在接收到客戶的請求后，服務(wù)線程預(yù)先分配一個(gè)粒度(例如4 096)的內(nèi)存于池中，然后每次有新的內(nèi)存分配要求，則首先從池中切割一塊內(nèi)存，如果池中的內(nèi)存不夠分配，再請求系統(tǒng)分配一個(gè)粒度的內(nèi)存塊，直到池中的空閑內(nèi)存空間滿足分配請求為止，內(nèi)存使用完畢，只須將內(nèi)存塊回收到池中為后續(xù)重復(fù)利用即可，而不是釋放并返回操作系統(tǒng)，在整個(gè)服務(wù)過程結(jié)束后，一次釋放池，則所有分配的內(nèi)存也被一次釋放，這樣減輕了操作系統(tǒng)管理內(nèi)存的負(fù)擔(dān)。

2.2 結(jié)構(gòu)預(yù)解析技術(shù)

視頻屬于多媒體文件，而多媒體文件都是一些比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化文件，通常包括文件頭、媒體數(shù)據(jù)與媒體索引數(shù)據(jù)［9］。視頻流文件還有一個(gè)重要的屬性，就是文件的碼率，即文件正常播放時(shí)單位時(shí)間里解碼器需要讀入的數(shù)據(jù)量。目前，大多數(shù)流媒體系統(tǒng)都是在實(shí)際播放多媒體文件時(shí)分析每個(gè)媒體文件的結(jié)構(gòu)，再調(diào)用相應(yīng)的解碼模塊去解碼，在網(wǎng)絡(luò)狀況不好或者用戶重新定位媒體播放進(jìn)度時(shí)，由于響應(yīng)不及時(shí)，影響觀看效果。

圖2 內(nèi)存池技術(shù)

文件的結(jié)構(gòu)預(yù)解析技術(shù)的原理是在添加視頻教學(xué)內(nèi)容時(shí)預(yù)先獲取媒體文件的結(jié)構(gòu)信息，通過獲取文件的碼率，就可以自動(dòng)計(jì)算文件在點(diǎn)播時(shí)要緩沖的數(shù)據(jù)量。通過預(yù)先分析提取文件的索引信息塊就可以避免在后續(xù)拖動(dòng)進(jìn)度時(shí)重新解析文件索引信息，大大減少重新定位文件播放進(jìn)度的時(shí)間;通過結(jié)構(gòu)預(yù)解析技術(shù)也可以減少播放端的差錯(cuò)率，迅速確定用正確的解碼器解碼媒體。

2.3 數(shù)據(jù)流半緩存技術(shù)

數(shù)據(jù)流半緩存技術(shù)依賴于結(jié)構(gòu)預(yù)解析技術(shù)獲得的信息，在用戶點(diǎn)播視頻教學(xué)內(nèi)容時(shí)根據(jù)視頻的本身屬性計(jì)算出需要緩存的數(shù)據(jù)量，在視頻播放過程中建立一個(gè)視頻流的滑動(dòng)緩存窗口，滑動(dòng)緩存窗口是建立在物理內(nèi)存中，隨著播放的進(jìn)度總是預(yù)先緩存部分準(zhǔn)備要解碼的數(shù)據(jù)，通常為兩秒到幾十秒的數(shù)據(jù)量;如果用戶在播放過程中改變了播放進(jìn)度，通過計(jì)算，如果改變播放進(jìn)度后的流指針恰好在緩存的滑動(dòng)緩存窗口范圍內(nèi)，則可以不必向服務(wù)器發(fā)送SEEK請求，僅僅簡單地移動(dòng)讀取指針即可;如果數(shù)據(jù)流指針超出播放滑動(dòng)窗口的范圍，則廢棄現(xiàn)有的緩存數(shù)據(jù)，向服務(wù)器發(fā)送SEEK請求后創(chuàng)建新的滑動(dòng)窗口，雖然有部分?jǐn)?shù)據(jù)被廢棄，但它們浪費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)資源幾乎可以忽略。

如圖3所示，數(shù)據(jù)流半緩存技術(shù)的核心實(shí)現(xiàn)是一個(gè)滑動(dòng)窗口，滑動(dòng)窗口實(shí)際是一個(gè)環(huán)形緩存，維持一個(gè)寫入指針與一個(gè)讀取指針，讀取線程從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)寫入環(huán)形緩存區(qū)，并向右移動(dòng)寫入指針，當(dāng)寫入指針被溢出環(huán)形緩存區(qū)的范圍時(shí)，寫入指針將重新環(huán)繞到環(huán)形緩存的起點(diǎn)位置;解碼線程從環(huán)形緩存中讀取數(shù)據(jù)，并向右移動(dòng)讀取指針，當(dāng)讀取指針移到環(huán)形緩存終點(diǎn)時(shí)，重新環(huán)繞讀取指針到環(huán)形緩存的起點(diǎn)。

圖3 數(shù)據(jù)流半緩沖實(shí)現(xiàn)原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

眾所周知，接收延時(shí)在網(wǎng)絡(luò)視頻直播中是最重要的一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能指標(biāo)，為此實(shí)驗(yàn)主要從這項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行直播性能的比較。服務(wù)器上裝有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)直播軟件，Windows Media Encode(WME)和采用智能數(shù)據(jù)流傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)系統(tǒng)(以下簡稱智能流系統(tǒng))，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境和信號源的前提下，分別用這兩個(gè)軟件進(jìn)行直播，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

在一臺客戶端PC上安裝一個(gè)秒表軟件和一個(gè)屏幕錄像軟件，用一臺攝像機(jī)對著秒表，攝像機(jī)通過采集卡(本次實(shí)驗(yàn)采用osprey 450卡)作為信號源連接到直播服務(wù)器上。這時(shí)候在客戶端打開直播播放器，播放器窗口中顯示的視頻就是本機(jī)的秒表，用屏幕錄像軟件錄下視頻后，在某一時(shí)間點(diǎn)截下畫面，“客戶端計(jì)算機(jī)秒表顯示時(shí)間”與“客戶端直播窗口秒表顯示時(shí)間”的差值即為接收延時(shí)，如圖4、圖5所示，直播實(shí)驗(yàn)時(shí)間為60 min。

圖4 Windows Media Encode直播時(shí)的接收延時(shí)

圖5 本系統(tǒng)直播時(shí)的接收延時(shí)

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分別截取了 1 s，1 min，5 min，10 min，30 min，60 min的實(shí)時(shí)畫面。從圖4可看出，采用WME進(jìn)行直播的接收延時(shí)最多的是1 s畫面時(shí)的281 ms，最少的是1 min畫面時(shí)的0 ms。為了得到更客觀的平均接收延時(shí)，筆者隨機(jī)采集了60個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算平均接收延時(shí)約為248 ms。從圖5可看出，采用智能流系統(tǒng)進(jìn)行直播的接收延時(shí)最多的是30min畫面時(shí)的205ms，最少的是1 s畫面時(shí)的136 ms，筆者同樣隨機(jī)采集了60個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算平均接收延時(shí)約為163 ms。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)比較，采用本系統(tǒng)直播的平均接收延時(shí)比Windows Media Encode少85 ms，這是因?yàn)橹悄軘?shù)據(jù)流傳輸技術(shù)在視頻直播時(shí)采用的預(yù)判斷，主要是資源分配池技術(shù)在信號源傳輸前進(jìn)行了資源的合理分配，結(jié)構(gòu)預(yù)解析技術(shù)在播放器接收視頻流時(shí)進(jìn)行了快速正確的解碼，使得傳輸延遲盡可能地降到最小。

4 結(jié)語

本文提出了一種新的智能數(shù)據(jù)流傳輸模式，詳細(xì)闡述了資源分配池技術(shù)、結(jié)構(gòu)預(yù)解析技術(shù)和數(shù)據(jù)流半緩存技術(shù)這3種關(guān)鍵技術(shù)。最后通過實(shí)驗(yàn)和WME系統(tǒng)比較接收延時(shí)這項(xiàng)重要網(wǎng)絡(luò)直播指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)平均接收延時(shí)顯著減少，有效地提升了網(wǎng)絡(luò)視頻的性能。

［1］凌燕，藍(lán)善禎，徐品，等.P2P流媒體系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)概述［J］.電視技術(shù)，2012，36(3):58－61.

［2］王竹林.校園網(wǎng)組建與管理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［3］成吉思.組播技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教育上的應(yīng)用［J］.電腦知識與技術(shù)，2012(19):4731－4732.

［4］ JONATHAN S，OMER L，RAPHAEL G.An optimal topology for a static P2P live streaming network with limited resources［C］//Proc.IEEE 17th International Conference on Parallel and Distributed Systems.Tainan:IEEE Press，2011:729－734.

［5］王明偉，王奇，楊潔，等.視頻流傳輸性能的研究與分析［J］.電視技術(shù)，2010，34(12):30－33.

［6］賀杰.線程池技術(shù)應(yīng)用研究［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2011，10(5):58－60.

［7］張垠波.線程池技術(shù)在并發(fā)服務(wù)器中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40(7):153－156.

［8］甘彪，凌小峰，宮新保.基于動(dòng)態(tài)內(nèi)存池和WinpCap的高速數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)［J］.信息技術(shù)，2012，35(1):70－74.

［9］ 柳薇，馬爭鳴.網(wǎng)絡(luò)視頻編碼技術(shù)［J］.通信學(xué)報(bào)，2005，26(9):85－92.