流媒体技术在宽带网络的应用与发展

2019-11-03 10:39:40

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供稿：网友

梁晓辉游志胜

　　摘要文章介绍了流媒体的概念与特点，深入分析了流媒体系统及其关键技术，研究了流媒体技术在宽带网络中的应用及在国内外的发展情况，对流媒体技术在发展中遇到的问题做了说明。还针对我国目前的宽带网络现状，提出了流媒体技术的应用和发展建议。

　　关键词流媒体宽带网络编码方式传输协议

　　在宽带网络建设中，人们逐渐认识到宽带应用才是真正支撑宽带网络发展的力量源泉，也是宽带网络经营者的效益来源。基于中、高速网络的流媒体（Streaming Media）技术由此诞生，它的诞生和发展推动了互联网整体架构的革新，同时赋予宽带应用更多的娱乐性和互动性。目前在中国的宽带网络市场上，基于不同压缩编码方式的MPEG－1，MPEG－2，REAL，WMT，QuickTime等各种流媒体技术的产品成了宽带网络的宠儿，日益受到人们的关注。

　　一、流媒体的概念与特点

　　流媒体是指运用可变带宽技术，在数据网络上按时间先后次序传输和播放的连续音/视频数据的一种格式。流媒体在播放前只将部分内容缓存，并不下载整个文件，在数据流传送的同时，用户可在计算机上利用相应的播放器或其它的硬件、软件对压缩的动画、视音频等流式多媒体文件解压后进行播放，这样就节省了下载等待时间和存储空间，使时延大大减少，而多媒体文件的剩余部分将在后台的服务器内继续下载。

　　流媒体数据流具有连续性、实时性、时序性三大特点，具有严格的前后时序关系。

　　二、流媒体系统及其关键技术

　　1.流媒体系统的组成

　　流媒体系统包括音/视频源的编码/解码、存储、流媒体服务器、媒体流传输网络、用户端播放器5个部分（如图1所示），原始音/视频流经过编码和压缩后，形成媒体文件存储，媒体服务器根据用户的请求把媒体文件传递到用户端的媒体播放器。

图1 流媒体系统组成结构图

　　2.流媒体文件格式

　　流媒体文件是将一个资料（动画、影音等）分段传送，用户不必等待整个内容传送完毕，就可以观看到即时、连续的内容，甚至可以随时暂停、快进、快倒。由于不同公司发展的文件格式不同，传送的方式也有所差异，以下是目前流行的几种流媒体文件格式。

　　（1）Real Networks公司的.rm视频影像格式和.ra的音频格式

　　Real Networks公司的Real System由媒体内容制作工具Real PRoducer、服务器端Real Server、客户端软件（Client Software）组成，其流媒体文件包括Real Audio，Real Video，Real Presentation和Real Flash。RealAudio和Real Video中所采用的自适应流（Sure Stream）技术是Real Networks公司具有代表性的技术，可自动并持续地调整数据流的流量以适应实际应用中的各种不同网络带宽需求，轻松地在网上实现视、音频和三维动画的回放。Real格式具有极高的压缩比和很好的传输能力，其流式文件采用Real Producer软件进行制作，将源文件或实时输入变为流式文件，再把流式文件传输到服务器上供用户点播。服务器端软件为Real Server 8，具有网络管理功能，支持广泛的媒体格式与流媒体商业模式。客户端播放器Real Player的全球注册人数已经超过了1.6亿人，占据了60%的网上视频流点播市场。

　　由于其成熟、稳定的技术性能，互联网巨人美国在线（AOL），ABC，AT&T，Sony和Time Life等公司和网上主要电台都使用Real System向世界各地传送实时影音媒体信息以及实时的音乐广播。在我国，大量的影视、音乐点播和春节晚会、昆明世博会开幕式的网上直播都采用了Real System系统。

　　（2）Microsoft公司的.asf格式

　　微软公司也推出了一整套包括流媒体制作（Media Tools）、发布（Media Server）和播放软件（Me?鄄dia Player）的信息流式播放方案Microsoft Media Technology。Media Tools提供了一系列的工具帮助用户生成ASF格式的多媒体流（包括实时生成的多媒体流），是整个方案的重要组成部分，它分为创建工具和编辑工具两种，创建工具主要用于生成ASF格式的多媒体流，包括Media Encoder，Author，Vid To ASF，Wav To ASF，Presenter五个工具；编辑工具主要对ASF格式的多媒体流信息进行编辑与管理，包括后期制作编辑工具ASF Indexer与ASF Chop，以及对ASF流进行检查并改正错误的ASF Check。ASF是一种包含音频、视频、图像以及控制命令、脚本等多媒体信息在内的数据格式，通过分成一个个的网络数据包在Internet上传输，实现流式多媒体内容发布。ASF支持任意的压缩／解压缩编码方式，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。Media Server可以保证文件的保密性，不被下载，并使每个使用者都能以最佳的影片品质浏览网页，具有多种文件发布形式和监控管理功能。Media Player则提供强大的流信息的播放功能，不仅用于Web方式播放，还可以用于在浏览器以外的地方播放影音文件。

　　微软公司将Microsoft Media技术捆绑在Win?鄄dows 2000中，具有方便、先进、集成、低费用等特点。此外，ASF还将被用作Windows版本中多媒体内容的标准文件格式，这无疑将对Internet，特别是流式技术的应用和发展产生重大影响。但目前在整体解决方案方面和Real Networks的软件相比还有差距，且只能在微软平台上使用。

　　（3）Apple公司的QuickTime

　　Apple公司于1991年开始发布QuickTime，它几乎支持所有主流的个人计算平台和各种格式的静态图像文件、视频和动画格式，是创建3D动画、实时效果、虚拟现实、A／V和其他数字流媒体的重要基础。

　　QuickTime包括服务器QuickTime Streaming Server、带编辑功能的播放器QuickTime Player（免费）、制作工具QuickTime 4 Pro、图像浏览器Picture Viewer以及使Internet浏览器能够播放QuickTime影片的QuickTime 插件。QuickTime 4支持两种类型的流：实时流和快速启动流。使用实时流的 Quick?鄄Time 影片必须从支持 QuickTime 流的服务器上播放，是真正意义上的流媒体，使用实时传输协议（RTP）来传输数据。快速启动影片可以从任何Web Server上播放，使用超文本传输协议（HTTP）或文件传输协议（FTP）来传输数据。

　　目前，FOX新闻在线、FOX体育在线、BBC WORLD、气象频道（Weather Channel）等机构都加入QuickTime内容供应商行列，使用QuickTime 技术制作实况转播节目。通过好莱坞影视城（www.hollywood.com）检索到的许多电影新片片段，也都是以QuickTime格式存放的。

　　（4）其他

　　除了上述3种主要格式外，在多媒体课件和动画方面的流媒体技术还有Macromedia的Shockwave技术和MeataCreation公司的Meta Stream技术等。

　　通过Macromedia的Shockwave技术可以方便地在Web页面中加入图像、动画以及交互式界面等操作。Shockwave与Macromedia产品紧密联系在一起，包括Flash，Shockwave for Authorware，Shockwave for Director等技术。

　　MetaStream 3D的图形设计软件是Ray Dream Studio 5 以及Ray Dream 3D，可以方便地在网上创建、发布及浏览被缩放的3D图形，它具有小文件量及流传输的特点，比其它任何一种已存在的Internet 3D技术压缩率都高，主要应用于游戏开发厂商、页面设计者、电子商务、科学研究者、专业设计者等。

　　此外，MPEG-4被认为是对抗微软向媒体市场进军的一种技术。MPEG-4将块头很大的数字文件压缩成较小的文件，以便在互联网上进行传输，并提供交互功能，使影视节目具有在当今只有互联网网站和视频游戏才能提供的交互性。

　　3.流媒体系统的关键技术

　　流媒体系统中，影响流媒体播放质量的3个最关键的因素是：编码和压缩的性能与效率、媒体服务器的性能、媒体流传输的质量控制。

　　（1）编码/压缩

　　流媒体系统中的编码用于创建、捕捉和编辑多媒体数据，形成流媒体格式。

　　影响音/视频流的编码性能的因素很多：首先是编码效率，要求在保证一定音/视频质量的前提下，媒体流的码流速率尽量低，以达到压缩流媒体文件的目的。其次是编码的冗余性和可靠性，与普通多媒体文件压缩/编码不同的是，流媒体文件需要在网络上实时传输，因此必须考虑传输中数据丢失对解码质量的影响。在Internet环境下，最典型的方法是多描述编码(MDC)。MDC把原始的视频序列压缩成多位流，每个流对应一种描述，都可以提供可接受的视觉质量，多个描述结合起来提供更好的质量。最后需要考虑速率调节的能力，一种方法是采用可扩展的层次编码，生成多个子位流（Substream），其中一个位流是基本位流，它可以独立解码，输出粗糙质量的视频序列，其他的子位流则起质量增强的作用，所有的子位流一起还原出最好质量的视频序列。当网络速率变化时，可以通过调节流输出的层次来控制码流的速率，从而适应网络速率的变化。

　　（2）媒体服务器

　　流媒体系统中的媒体服务器用于存放和控制流媒体的数据。

　　随着流媒体规模的扩大，流媒体服务器的性能成为制约流媒体服务扩展能力的重要因素。流媒体服务器性能的关键指标是流输出能力和能同时支持的并发请求数量。影响流媒体服务器性能的因素很多，包括CPU能力、I/O总线、存储带宽等。通常单个流媒体服务器的并发数都在几百以内，因此为了具有更好的性能，目前的高性能流媒体服务器都采用大规模并行处理的结构，例如采用超立方体的结构将各个流媒体服务单元连接起来。还有一种方法是采用简单的PC集群的方式，这种方式下多个PC流媒体服务器用局域网连接，前端采用内容交换/负载均衡器将流媒体服务的请求分布到各个PC媒体服务单元。后一种方式的性能不如前一种方式，但是成本低，容易实现。

　　（3）流媒体传输网络

　　流媒体传输网络是适合多媒体传输协议甚至是实时传输协议的网络。

　　流媒体在因特网上的传输必然涉及到网络传输协议，这是制约流媒体性能的最重要的因素。为了保证对网络拥塞、时延和抖动极其敏感的流媒体业务在面向无连接的ip网络中的服务质量，必须采用合适的协议，其中包括Internet本身的多媒体传输协议，以及一些实时流式传输协议等。

　　①Internet本身的多媒体传输协议

　　RSVP(Resource Reserve Protocol)协议预留一部分网络带宽，能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS。在某些试验性的系统如网络视频会议工具VIC中就集成了RSVP。该协议的两个重要概念是流与预定。流是从发送者到一个或多个接收者的连接特征，通过IP包中"流标记"来认证。发送一个流之前，发送者传输一个路径信息到目的接收方，这个信息包括源IP地址、目的IP地址和一个流规格。这个流规格是由流的速率和延迟组成的。接收者实现预定后，基于接收者的模式能够实现一种分布式解决方案。

　　②实时流式传输协议

　　目前几种支持流媒体传输的协议主要有用于 Internet上针对多媒体数据流的实时传输协议RTP（Real-Time Transport Protocol）、与RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务的实时传输控制协议RTCP（Real-time Transport Control Protocol）、定义了一对多的应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据的实时流协议RTSP（Real-Time Streaming Protocol）。

　　·RTP

　　RTP被定义在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。RTP通常使用UDP来传送数据，也可在TCP或ATM等其他协议上工作。RTP本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务。

　　·RTCP

　　在RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP包。RTCP包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此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，以适应网络的带宽。通常采用两个方法来调节：一是窗口法，通过逐渐增大传送的码率，当发现网络上出现了包的碰撞，也就是检测到了丢包时，再减小发送的码率；二是基于速率的方法，先估计网络的带宽资源，再调整编码的目标速率来适应网络的状态。基于窗口的解决方案会引入类似TCP的重传，所以经常采用基于速率的解决方案。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。

　　·RTSP

　　RTSP在体系结构上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成数据传输。HTTP与RTSP相比，前者的请求由客户机发出，服务器作出响应；使用后者时，客户机和服务器都可以发出请求，即RTSP可以是双向的。RTSP是应用级协议，控制实时数据的发送，它提供了可扩展框架，使实时数据的受控、点播成为可能。该协议目的在于控制多个数据发送连接，为选择发送通道（如UDP、组播UDP与TCP）提供途径，并为选择基于RTP上发送机制提供方法。

　　另外，采用内容分发网络（CDN）可以实现应用层的质量控制机制。采用CDN传输流媒体的优点主要包括三个方面：第一是通过应用层的内容分发降低了主干网络的流媒体流量，并实现了基于应用层的组播仿真（即利用主机构建独立于网络层的逻辑组播树，并采用主机上的应用层软件进行组播转发）；第二是通过分布在网络边缘的流媒体服务器，避免了拥塞链路，提高了流媒体传输的性能和响应时间；第三是通过CDN能够有效地提高整个流媒体系统的扩展性，降低对每个流媒体服务器的性能要求。目前，利用CDN传输流媒体是大规模流媒体应用的发展趋势。

　　三、流媒体在宽带网络的应用及在国内外的发展

　　1.流媒体在宽带网络的应用

　　流媒体技术可广泛用于网上新闻发布、在线直播、网络广告、远程教育、实时视频会议等。商业网站利用流媒体播放新闻，开展音/视频直播和点播服务。企业和机构采用点播和流媒体进行员工培训、信息发布、公司介绍等，从而提高效率，节约开支。基于流媒体的应用不仅转变了传统互联网呆板的内容表现形式，使传统影视媒体市场与宽带网络的应用服务相融合，还产生了宽带VOD、在线音乐、远程教育、宽带收费电视等新的应用。具有强视觉冲击力的视频节目成了人们进入宽带网络的最重要的应用之一，多媒体互动成了人们对宽带网络未来发展的期待。　

　　2.流媒体在国外的发展情况

　　由于流媒体发展的广阔前景，业务支撑系统运营商、应用提供商、内容提供商及网络提供商纷纷利用各自的优势向该领域扩张。IBM的媒体资产管理解决方案以内容管理器（Content Manager）为基础层，建立多极存储管理层，可以使媒体公司在多种媒体应用程序和系统之间实现数字化资产的存储、获取、管理和发布。YAHOO提供流媒体内容服务，它通过与Carsey-Werner Distribution合作，在其站点上提供了连续剧、名人访谈、电影以及音乐录像等内容，并计划举办在线音乐会和播放在线烹饪录像等内容。韩国电信在运营流媒体业务方面为用户提供成人节目、教育节目、电视剧点播，使其获得赢利。Keynote Systems公司已推出了一个为测试Internet上的流媒体性能设计的“The Streaming Media 20”指数，该公司按音频电子商务、财经音频、广播和有线电视等4类选取了20个流媒体网站，每周收集这些网站流媒体内容的性能信息并进行分析，得到该指数，为流媒体服务提供商向用户提供更优质的服务提供了基础数据。

　　3.流媒体在国内的发展情况

　　在中国的宽带网络市场上，已推出不少基于MPEG-1，MPEG-2，REAL，WMT，QuickTime等各种流媒体编解码技术的产品，推动着宽带应用的发展。思华科技的流媒体平台已经在国内部分城市的宽带网络上实现了应用，并推出了适合中国现阶段宽带网络的IP机顶盒解决方案，使传统的电信运营商能够在现有的网络上推出适合电视机终端市场的方案。该公司与微软合作，向市场推出了从视频采集到播出系统一整套基于Microsoft Media Tech?鄄nologies体系开发的MPEG-4流媒体解决方案，这也是中国第一套应用在全城域宽带网络上的端到端的流媒体解决方案。

　　4.发展中遇到的问题

　　制约流媒体发展的问题有技术、管理问题，还有商业运营的业务模式问题。

　　从技术的角度来说，对各种基于流媒体的应用影响最大的不是带宽，而是流媒体传输过程中的抖动和延时。网络的延迟和抖动影响数据包传输顺序的正确，使媒体数据不能连续输出，造成播放出现停顿。

　　面对未来浩如烟海的流媒体内容，其管理也是一个难题。这些问题包括如何对节目素材和资料进行有效的数字化存储管理；如何高效地对各种素材进行检索、查询、浏览等数字化后管理问题；节目素材的再获取、再利用问题；数字化存储在制作过程中的工作流程管理问题等等。

　　目前，网络上实际运行的流媒体业务系统一般都是小型的、用户范围比较狭窄的系统。这些系统虽然可以向用户提供完整的业务，实现用户管理、内容管理、认证、授权、记账、计费等业务管理，并在承载网上有效地传送流媒体内容，但是这种小而全的业务模式有几个缺点：功能不完整、性能和扩展性较差；系统的规模有限（包括网络的规模和用户的规模），其用户资源是独立的，且网络的规模一般局限于小区或者城域范围；开发周期长，业务提供慢；运行和维护的成本高，应用提供商需要独立负责所有的运行和维护；运营模式单一，不能有效地满足市场的变化，缺乏灵活性。

　　另外，还有诸如收费方式、网络盗版等众多的难题。

　　四、结论

　　随着流媒体技术的不断成熟和商业应用市场的不断扩大，带动了诸如流媒体技术、流媒体内容的存储和管理、流媒体终端、流媒体服务商、网络运营商、数字安全等不少市场的发展。

　　为了解决拥塞造成的抖动和延时问题，不但要求网络有足够的带宽,还要有较好的稳定性和可伸缩性。对等网络（Peer to Peer）以其各节点平权、资源共享的特点避免了传统的Client/Server模式中对Server集中访问带来的网络拥塞，使网络有较好的稳定性。此外，卫星互联网也是一个比较好的方法，通过星状的卫星系统将内容投送到互联网的边缘，或将远程用户直接接入骨干网，从而解决骨干网阻塞造成的抖动和延时问题。

　　为了推动我国以媒体资产管理为核心的数字化、网络化的进程，近年来索贝、大洋等公司分别开发出了以媒体资产管理为核心的多媒体网络和自动播控系统、节目资料存储管理系统等。目前，关于媒体资产管理系统的开发和研究工作还需要加强与媒体资产所有者的合作，提高管理和利用的效率。

　　对于流媒体商业运营的业务模式问题，一个可行的方法是把业务管理和流媒体内容传输的功能从业务功能实现中独立出来，构成对宽带流媒体应用的支撑环境。支撑环境可以由独立的运营商运营，这样应用提供商可以专注于业务功能实现。通过支撑环境开展宽带流媒体业务有很多优点：{1}对应用提供商而言，流媒体应用通过一个独立的支撑环境提供完整、强大的业务管理功能；应用的开发周期短，特别有利于新应用的开发；应用的运行和维护成本小；支持大规模的应用；共享的用户资源；支持多种运营模式，应用提供商可以根据市场要求和业务的特点选择多种运营模式，和支撑平台达成利润分账的多种模式。{2}对于用户而言，统一的支撑环境方便了用户的使用，例如用户仅通过一点认证就可以访问全部(授权的)业务，并完成相关的支付等工作。{3}对于运营商而言，支撑环境是一个增值业务支撑平台，它本身也是一种面向应用提供商开展的业务。特别是对网络提供商而言，可以在提供基本的网络接入服务的同时，提供增值业务。

　　流媒体的收费方式可以按照不同的情况，采用按播放次数收费或包月计费。为了避免因网络、媒体服务器等问题造成的同一应用在较短时间范围内重复使用，也可按同一应用在某一时间段内单次计费。

　　梁晓辉四川省电信公司成都市分公司工程师四川大学计算机学院在职博士研究生

　　游志胜四川大学计算机系教授博士生导师中国图像图形学会副理事长

　　
摘自　中国电信网站

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