宽带流媒体在有线电视网络中的实现

2019-11-03 10:35:42

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供稿：网友

湖南邵阳电视台邓永红　　摘要：本文从流媒体技术的原理、流媒体的传输方式、流媒体三种主流格式及其比较、流媒体的解决方案、宽带流媒体在有线电视网络中的具体实现等方面，详细地阐述了宽带流媒体技术及其在有线电视网络中的实现。

　　关键词：宽带流媒体，有线电视网络。

　　在网络上传输音/视频(A/V)等多媒体信息,目前主要有下载和流式传输两种方案。一是采用下载方式,用户必须考虑两个因素；即对客户端的存储需求和播放启动延时。因为A/V文件一般都较大,所以需要的存储容量也较大；同时由于网络带宽的限制,下载常常要花数十分钟甚至数小时,所以这种处理方法延迟也很大。二是流式传输表示声音、影像或动画等时基媒体由视频服务器向用户计算机的连续、实时传送。在采用流式传输的系统中,用户不必等到整个文件全部下载完毕,而只需经过几秒或十数秒的启动延时即可进行观看。当声音等时基媒体在客户机上播放时。文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。流式传输不仅使启动延时成十倍、百倍地缩短,而且不需要太大的缓存容量。

　　所谓流媒体(Streaming Media)指的是在Internet /Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体,显然,流媒体实现的关键技术就是流式传输。通过流式技术进行传输，即使在网络非常拥挤或很差的拨号连接条件下，也能提供清晰、不中断的音影给观众，从而使窄带互联网传输多媒体视音频内容成为可能。

　　“流媒体”不同于传统的多媒体，它的主要特点就是运用可变带宽技术，以“流”（Stream）的形式进行数字媒体的传送，使人们在从28K到1200K的带宽环境下都可以在线欣赏到连续不断的高品质的音频和视频节目。在互联网大发展的时代，流媒体技术的产生和发展必然会给我们的日常生活和工作带来深远的影响。

　　早期的流媒体主要是在窄带互联网上应用，因为受带宽条件的制约，1999年，人们在网上仅仅可以看到一个很小的视频播放窗口。在具备一定带宽的局域网上，人们也很难欣赏到高画质的影音节目，原因很简单：网络带宽不足，音视频编码压缩算法不够先进，客户端计算机解码运算速度不够高。

　　随着宽带化成为建设信息高速网络架构的重点，许多城市的城域网从接入到核心各个部分都实现了宽带化，架构了以ip为基础的无阻塞数据承载平台。网络的宽带化不仅是为了使人们在宽阔的信息高速路上更顺畅地进行交流，使网络上的信息不再只是文本、图像或简单的声音文件，而且人们越来越希望宽带网络带来更直观更丰富的新一代的媒体信息表现。于是流媒体传输问题得以解决。

一、流媒体技术的原理

　　流式传输使用缓存系统来弥补数据包到达客户端的延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓存所需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据，通过丢弃已经播放的内容，流可以重新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。一般流式传输的实现需要合适的传输协议。由于TCP需要较多的开销，故不太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用HTTP／TCP来传输控制信息，用RTP／UDP来传输实时声音图像数据。

　　流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，Web 浏览器与Web服务器之间使用HITP／TCP交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的Web 浏览器启动A／V 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（音频/视频）数据的编码类型或与A／V检索相关的服务器地址。

　　A／V 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。与CD播放机或VCRs所提供的功能相似，RTSP提供了操纵播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法。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。

二、流媒体的传输方式

　　实现流式传输有两种方法：实时流式传输（Realtimestreaming）和顺序流式传输（PRogressive Streaming）。具体如下：

1．实时流式传输

　　实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接配匹，使媒体可被实时观看到。实时流与HT－TP流式传输不同，他需要专用的流媒体服务器与传输协议。

　　实时流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快进或后退以观看前面或后面的内容。理论上，实时流一经播放就不可停止，但实际上，可能发生周期暂停。

　　实时流式传输必须配匹连接带宽，这意味着在以调制解调器速度连接时图像质量较差。而且，由于出错丢失的信息被忽略掉，网络拥挤或出现问题时，视频质量很差。如欲保证视频质量，顺序流式传输也许更好。实时流式传输需要特定服务器，如Quick Time Streamine Server、Real Server与 Windows Media Server。这些服务器允许你对媒体发送进行更多级别的控制，因而系统设置、管理比标准HTTP服务器更复杂。实时流式传输还需要特殊网络协议，如：RTSP(Realtime Streaming Protocol)或MMS（Microsoft Media Server）。

2．顺序流式传输

　　顺序流式传输是顺序下载，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那部分，而不能跳到还未下载的前头部分，顺序流式传输不象实时流式传输在传输期间根据用户连接的速度做调整。由于标准的HTTP服务器可发送这种形式的文件，也不需要其他特殊协议，它经常被称作HTTP流式传输。

　　顺序流式文件是放在标准HITP或FTP服务器上，易于管理，基本上与防火墙无关。顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的视频，如：讲座、演说与演示。它也不支持现场广播，严格说来，它是一种点播技术。

三、流媒体三种主流格式及其比较

　　到目前为止，因特网上使用较多的流媒体格式主要有三种，它们是Real Networks公司的 Real Media，微软公司的 Windows Media ，苹果公司的 Quick Time。

1．Real Media

　　Real Media包括三类文件：Real Audio、Real Video及Real Flash。Real Audio用来传输CD音质的音频数据，Real Video用来传输连续视频数据，而Real Flash则是Real Networks公司与Macromedia公司新近推出的一种高压缩比的动画格式。作为最早的因特网流式技术，在视音频方面Real Media已成为网络视音频播放事实上的标准。

　　Real Networks公司的Real System由三部分组成： Real Server（服务器端广播软件） Real Encoder或 Real Producer（服务器端编码压缩软件） Real Player（客户端播放软件）。

　　为支持一台视频服务器对多台服务器的并发连接，Real Networks公司推出了一种复播技术，使其能够在网络上以树型结构复制服务器，使网络响应不受影响，从Real System G2系统开始，使用了流（Sure Stream）技术，对一个已安装了Sure Stream的视频服务器，服务器端会自动侦测该客户端的Real Player的连接速度，根据客户端不同的拨号速率和带宽，让音频和视频数据流根据相应的带宽，传输不同压缩比率的图像，使其始终以流畅的方式播放。

　　在一个Real System G2系统中，编码软件Real Encoder或Real Producer生成多种带宽的数据流，当一个接收进程Real System G2连接到一个能提供可调带宽内容的服务器Real Server（一个已安装了Sure Stream的视频服务器）上时，Real Server会自动侦测该Real Player的连接速度，根据客户端不同的拨号速率（不同带宽），让音频和视频自动适应带宽，动态地根据网络的带宽自动调整播放格式，使其始终以流畅的方式播放。而且这中间发生的转换过程是瞬间完成的。

2．Windows Media

　　微软公司的Windows Media的核心是ASF（Advanced Stream Format）。ASF是一种数据格式，音频、视图、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过这种格式，以网络数据包的形式传输，实现流式多媒体内容发布。其中，在网络上传输的内容就称为ASF Stream。ASF支持任意的压缩/解压/编码方式。并可以使用任何一种底层网络传输协议，具有很大的灵活性。微软公司希望用ASF取代苹果公司的 Quick Time之类的技术标准，并打算将ASF用作将来Windows版本中所有多媒体内容的标准格式。为此微软公司已将Windows Media技术捆绑在Windows 2000中，这无疑将对因特网的应用和发展产生重要影响。

　　Windows Media Player （媒体播放器）是一款能提供最强的扩展性、灵活性和方便性的多媒体播放软件。它与Internet Explorer5.0紧密集成，与Real表现Player的功能相差无几，可播放绝大多部分的多媒体格式文件，“Media Guide”（网络媒体向导）更象是一张图文并茂的电子版新闻快报，每日将网上的各种最新的影视、音乐等焦点信息及时呈现在用户面前，它不仅支持自定义播放列表，而且提供了更为强大的媒体资料库管理和维护功能，并支持曲目的检索、添加、删除、排序、和移动等操作。同时当需要浏览视音频节目时，该软件具有自动检测客户端是否安装解码软件，在没有的情况下，会自动下载解码软件进行安装，以保证正常浏览。并能与Real Player一样。根据网络速率自动调整以获得最佳播放效果。它不仅能播放流式视音频，而且能播放所有的音频和视频点播格式，包括Mp3、Wav、Midi、Rmi、Aif、Snd、Au等音频文件格式和Mpg、Avi、Dat、Mov、Ivf等视频文件格式。另外Windows Media特殊的压缩格式（wma）对音轨压缩后可提供比Mp3高一倍的压缩比。并能够在播放视频时，图像窗口大小可自动调整，同时支持全屏播放，在各种显示模式下均能保持清晰和稳定的图像。对于来自于不同站点的流式信号，不用暂停就能继续播放。它的出现等于把收音机、电影院、CD播放机和信息数据库都集成在一个应用程序中。

3．QuickTime

　　QuickTime是苹果公司推出的能在计算机上播放高品质视频图像的技术，是面向专业视频编辑、Web网站创建和CD—ROM内容制作开发的多媒体技术平台，是数字媒体领域事实上的工业标准，它可以通过Internet提供实时的数字化信息流、工作流与文件回放功能。QuickTime初次面世与1991年，它是创建3D动画、实时效果、虚拟现实、音频/视频和其它数字媒体流的重要基础。它由三个不同部分组成：QuickTime电影（Movie）文件格式、QuickTime抽象层及QuickTime内置媒体服务系统。QuickTime电影文件格式定义了存储数字媒体内容的标准方法，使用这种文件格式不仅可以存储单个的媒体内容，如视频帧或音频采样，而且能保存对该媒体作品的完整描述。QuickTime媒体抽象层是一种综合性的媒体软件架构，它定义了软件工具和应用程序如何访问QuickTime内置媒体服务系统，以及如何通过硬件提升QuickTime的关键性能。QuickTime内置媒体服务系统则可作为软件开发工具的基础，帮助软件开发商和用户充分利用QuickTime的技术优势。

　　QuickTime的主要特点是：具有目前最高音频和视频播放质量的播放器，内置Web浏览器插件(Plug—in)技术；支持IETF流标准以及RTP、RTSP、SDP、FTP和HTTP等网络协议；支持多种视频和动画格式。此外，其优秀的压缩技术，使操作更加简单。

　　影音多面手QuickTime4.0主要由多媒体播放器（QuickTime Player）和图片浏览器（Picture Viewer）、Flash矢量动画以及最热门的MP3音乐支持，它提供了一个升缩自如的播放控制平台，还新増了一个类似于IE的收藏夹，QuickTime Player还支持多个窗口的同步播放。

四、流媒体的解决方案

　　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：即内容采集、视音频捕获和压缩编码、内容编辑、内容存储和播放、应用服务器内容管理和发布。

　　内容采集：节目源可以是摄像机、电视台节目、VCD光盘、卫星输入信号等。

　　视音频捕获和压缩编码：硬件一般为视音频捕获卡，编码软件如 RealProducer、MS　Media　Encoder等。

　　内容编辑：对内容进行编辑修改、归档、做索引、如Virage　Video　Logger可以对视频文件做索引入库。

　　内容存储和播放：节目不多时可使用文件系统，当节目量大，就必须编制数据库管理系统。使用数据库存储视音频文件、视频服务器运行流播放服务软件如realserver或 MS Media　Service等播放视音频。

　　应用服务器内容管理和发布：发行模块负责将节目提交到网页，或将视频流地址邮寄给用户。内容管理主要完成视频存储、查询。用户管理则包括用户的登记和授权。

　　一般来说流媒体系统大致包括以下几个部件：转档／转码工具（Encoders）——用于压缩转档；服务器(Server)——管理并传送大量多媒体内容；编码器(Scripters)——可整合多媒体，并以互动方式呈现；播放器（Players）——在用户端的PC上呈现串流的内容，另外还有许多不同的多媒体制作工具（Content－creation　tools）。

五、宽带流媒体在有线电视网络中的具体实现

1．有线电视网络宽带流媒体平台应达到的目标

（1）能够提供有线网上万接入用户的并发用户，每个用户300Kbps-1000Kbps的流应用系统。

（2）采用集群或分布式的体系结构，降低对网络带宽的要求，实现对Real Server、QuickTime和Windows Media的集中/分布式服务器及内容的统一管理。

（3）开发有特色的专业频道，以直播的方式提供高质量、多媒体、互动节目，满足不同用户的需求。

（4）实现基于流服务特征的（服务器当前带宽，CPU消耗、内存消耗、并发点播用户数量、打开文件数等）高级负载均衡调度策略。

（5）基于认证统计、实施策略内容分发。

（6）实现对采编直播设备的远程管理，实现基于WEB的自动录播、存储发布。

（7）构造成熟的数字化商业媒体系统。　　

2．有线电视网络宽带流媒体服务平台系统组成

　　有线电视网络宽带流媒体服务平台系统由采集编码设备、流媒体服务器、管理服务器、Cache服务器、具体如下：

（1）采集编码设备

　　采集编码设备是视频网站内容的创作端，负责将各种不同类型的视频源压缩转换成流格式的视频文件。系统的目标是为用户提供高质量的流格式视频，而压缩制作这些高质量的视频节目需要大量的计算资源。因此在采集编码设备中，必须对系统的资源进行优化配置，要能达到系统目标的要来。由于现在的流媒体系统大体上分为Microsoft的Media Server、RealNetwork的Real System、Apple的Quick Time，考虑到成本和性能等因素，采集编码设备采用PⅣ级的PC，选用Winnov 2代的采集卡。Winnov 2代的采集卡不但能够达到1M码率的视频流的实时采集压缩，实现现场直播，而且可同时支持Microsoft和Real的视频流格式，系统以后无论采用Microsoft media server还是 Real System，都可以轻松实现。

（2）流媒体服务器

　　流媒体服务器是提供流式传输的核心设备。要求有很高的稳定性，同时能满足现有的应用需求，即能支持200个并发点播流和10个直播流，为达到这样的性能需求，采用2个CPU/2G内存的服务器，操作系统运行Windows 2000 Server，流媒体系统选用Windows Media Server、Real Server和Quick Time。

（3）管理服务器

　　在管理服务器上运行着“流媒体管理系统”，对整个系统的运行提供管理接口，同时也是用户的访问入口。整个系统运营的关键性数据全部保存在这台设备上，因此要求具有较高的可靠性和稳定性，由于担负用户的访问入口，因此也需要较高的性能。

（4）Cache服务器

　　应该考虑到系统的弹性和可伸缩性：随着业务的增加和用户的增多，系统可以灵活地增加直播流的数量，通过增加带宽 Cache Server和接近最终用户端的节点Server的数量来增加并发用户的数量，同样可以满足视频点播存储容量增加对系统的扩展要求。

3．有线电视网络宽带流媒体系统的功能

（1）节目内客提供

　　节目内容是流媒体系统的中心和灵魂，只有好的节目源才可以使流媒体系统获得生存，直至盈利。

（2）计费系统

　　对于一个运营系统来说，实现盈利是最终的目的，交费用户和普通用户要拥有不同的节目收看权限，而计费是必不可少的功能模块。计费的基础是对用户访问的认证。

　　不管是哪一种系统，都提供基于流访问的安全认证，为实现计资奠定基础。我们还按照节目类型、时间、贵宾等因素来确定计费的折扣原则，比如说，系统制定了“星期六观看视频点播的用户可以享受8折优惠”这样一个折扣原则，同时还为某些节目提供优惠，等等。通过这样的方式达到促销目的。系统也为这样的需求作了完整的考虑，灵活多样地提供多种计费方式。

（3）广告管理

　　对于建设流媒体服务平台的系统来说，广告的播放是获得经济效益的重要手段。在节目中插入若干段视频、动态图片、动态文本滚动广告，设置插播策略，实现个性化广告插播、广告访问统计、记费，后台管理系统可以为不同区域（小区）的用户发布个性化的内容，这些个性化的内容也包合个性化的广告媒体。

　　HFC网拥有丰富的带宽资源，具有巨大的产业开发价值. 为了能在宽带网络上提供丰富多彩的宽带内容，宽带网络运营商应与内容供应商捆绑构成服务平台，形成健康的网络生态链。流媒体及宽带网技术的发展，给网民在线欣赏高质量的视频节目带来了可能，同时也为网络运营商带来了一种新的运营模式，必将成为有线电视宽带网络发展提供极大的发展机遇。

摘自《赛迪网》

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