流媒体技术的宽带应用

2019-11-03 17:54:30

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供稿：网友

祝兴咏　湖北麻城市广播电视局

　　摘要流媒体技术是未来宽带网络为用户提供丰富的多媒体信息服务的主流技术，本文结合流媒体技术在麻城市广电宽带网的应用实践。就流媒体系统的技术选择，系统组成结构、应用服务功能作了具体介绍。

　　当前，广电行业正经历一场有线电视HFC网络双向改造升级和新型宽带数据网建设并举；模拟电视向数字电视过渡和数据业务拓展应用共兴为主要标志的数字化革命。在这场网络技术与应用服务变革中，广电行业面临着机遇和挑战。其中，宽带数据业务的竞争尤为激烈。在这场围绕宽带业务用户争夺的博弈中，麻城市广电局于2003年8月建设开通了以太网和HFC网Cable Modem两种方式混合接入的宽带综合数据业务运营网。网络开通后，我们经过深入的市场需求分析后认识到：没有丰富的宽带业务应用就难有较高的用户接入率，没有较高的用户接入率就没有市场，没有市场就没有网络的生存发展空间。为在激烈的市场竞争中占有一席之地，我们确立了“丰富业务内容，推行个性服务，建立客户中心，强化营销理念”的市场营销策略和“业务整合数字化，服务政府信息化，宽带内容本地化”的内容服务策略，并及时在麻城市广电宽带数据网络的信息平台“麻城信息港”网站上，充分利用流媒体技术，整合和开办了宽带影院（VOD）、网上直播、数据广播等大量交互实时的宽带视频业务，向广电宽带数据网络用户提供丰富的内容服务，影响大效果好。

　　本文结合流媒体在麻城广电宽带网上的应用实践，就流媒体的技术选择、流媒体系统组成结构、流媒体业务应用等方面作一具体介绍，仅供参考。

一、流媒体系统的技术选择

　　流媒体是指在Internet（包括局域网、城域网）中使用流式传输技术的连续时基媒体，如音频、视频或多媒体文件。随着网络技术的快速发展，为了给人们提供更多形式、更高质量的信息模式，流媒体技术的应用发挥了重要作用。流媒体是通过把连续的影像和声音信息，经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包，形成一定格式的发布文件，由服务器向用户计算机连续实时地传送。所以在流媒体系统的建设过程中，多媒体压缩标准、文件格式、服务器体系结构和处理信息能力等方面的技术选择尤为重要，它将对网络运营和用户质量产生直接的影响。

1. 技术选择需要考虑的因素

　　（1）流媒体数据量与用户质量的兼顾性。在网络多媒体系统中，长期以来，网络传输的数据量与用户端的质量是一对矛盾。即：要确保用户端有较好的质量，就必须加大网络传输的数据量，则需要增加网络带宽和磁盘存储空间，因而必须增加建设成本。所以，在流媒体压缩标准的选择上要体现二者兼顾性原则：尽量以最小的数据量在用户终端还原最好的主观视频质量。

　　（2）流媒体文件格式的兼容性。网络多媒体在十几年的发展历程中，形成的文件格式众多。既有国际通用的格式（如MPEG系列），又有一些公司的自有格式，仅Real Microsoft Apple 三大流媒体公司的流媒体文件格式就有“rm”“asf”“mov”“avi”“swf”等，纷繁复杂而且在网上都有应用。因而，在对文件格式的选择上要体现兼容性原则，在提高用户质量的前提下，各种文件格式都要能够广泛兼容或便捷转换。

　　（3）点播系统的并发性。作为运营级网络，必须提供面向大量用户接入的能力和管理功能。因此，流媒体服务器的I/O带宽要求足够大，特别是用户在对同一文件（节目）同时点播时，服务器的并发能力要强。在用户逐渐增多后，要支持分布式多服务器的协同工作和负载均衡。

　　（4）流媒体存储的海量性。电视剧、电影、歌曲、音乐等多媒体原始素材资料，都是以流媒体文件的形式存储在磁盘中供用户点播的，那么对系统的磁盘存储容量和并行I/O能力要求足够大，能适应海量存储的要求。

　　（5）流媒体数据的安全性。流媒体文件在磁盘上要具备科学的分布放置策略和安全备份策略。以确保在点播时不至于因文件损坏而发生点播失败的问题。

　　（6）用户的可管理性。在运营级的网络中，对用户的管理功能至关重要。因此，流媒体系统需具备用户的身份验证功能和计费或加密功能，以防止非法用户的访问，同时，以便于对不同身份用户提供分级控制服务。

2. 压缩编码标准的选择

　　20世纪九十年代以来，随着视频编码技术的成熟，国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）相继推出了一系列视频压缩编码的国际标准：JPEG，H.26X，MPEG1/2等。其中JPEG标准应用于静止图像的压缩编码：MPEG-1应用于带伴音的数字活动图像的压缩编码，码率为1.5mbps，一般家用VCD便是MPEG-1的一种应用；MPEG-2是一种应用于专业级的压缩编码标准，其码率具有从3Mbps-80Mbps的可分级性；H.26X压缩编码标准主要是基于桌面视频会议的应用。就在这些压缩编码技术标准在满足各自领域应用需求的同时，互联网作为一种新型的媒体大举进入人们的工作和生活。而在上述压缩编码技术标准中，除H.26X是国际电联为互联网制定的以视频会议为主要应用的技术标准外，MPEG-1和MPEG-2都具有数据量大，需要专业网络传输的特点。为适应在互联网上多媒体的灵活传输，国际运动图像专家组（MPEG）于20世纪90年代末又发布了MPEG-4标准草案，与MPEG-1/2不同的是，MPEG-4是基于音视频对象的可分级编码技术，其码率可从5Kbps-2mbps的范围变化，它综合了数字电视、交互图形学和Internet等领域的技术功能。它在要求高效压缩编码的同时，强调多媒体网络通信的灵活性和交互性。表1是几种MPEG压缩编码文件数据量与主观评价效果的比较。

　　从以上比较可以看出：将同一个节目使用不同的压缩编码，当效果基本相同时，由不同压缩编码所形成的节目数据量差别很大。当视音频质量达到VCD效果时，采用MPEG-4标准压缩编码文件的数据量，只占MPEG-1压缩编码文件数据量的26.7%；当视音频质量达到DVD效果时，采用MPEG-4标准压缩编码文件的数据量只占采用MPEG-2压缩编码文件数据量的23%。在主观效果基本相近的前提下，尽可能减少多媒体文件的数据量，对流媒体在互联网上的应用具有非常重要的意义。一是在确保用户质量的同时，可以降低视频传输对网络带宽和服务器的I/O带宽要求，二是在相同的磁盘空间内可存储更多的节目内容。因此，我们在流媒体系统选择了MPEG-4压缩编码标准，其生成的流媒体文件格式为AV1，以供城域网内的广电宽带用户通过“麻城信息港”网站点播。当码率为700kbps时，在用户终端的主观评价效果基本可以达到DVD的水平。但是，考虑广电宽带网作为运营网，既是网络服务提供者（NSP），又是信息业务提供者（ISP），在向网上提供开放的多媒体服务时，还需要考虑流媒体信息在Internet上传输时，能适应不同的网络带宽和速率的客观要求。为此，我们还选择了Real公司的rm流式文件压缩格式，向Internet用户提供服务。Real Media也是目前Internet上较流行的跨平台的客户/服务器结构的多媒体应用标准，其采用音频/视频流和同步回放技术实现了网上全带宽的多媒体回放。这样，两种压缩编码标准互补应用，从根本上确保了麻城广电宽带网向城域网内用户和Internet用户提供的多媒体信息服务，在用户端都有较好的内在质量和主观效果。

3. 服务器系统的选择

　　对同时提供信息服务（ISP）和向英特网提供节目服务（ICP）的运营网络，如何选择合适的视频服务器及相应业务解决方案是一个比较突出的问题。因为，视频服务器作为VOD等流媒体应用系统的核心设备，它在很大程度上决定了整个系统解决方案和应用质量的优劣。

（1）计算机CPU和主板的选择。

　　视频服务器作为视、音频信号的处理中心，其性能决定了整个系统的性能。但视频服务器系统究其根本仍为计算机系统，只是作为服务器系统的计算机相对于普通的计算机而言，则要求其指标更高，传输量更大，速度要求更快。因此，对于作服务器之用的计算机，其主板和CPU性能是否匹配，将直接影响系统对数据的处理能力和速度。在CPU时钟频率飞速增长的今天，人们往往将处理器速度作为衡量系统性能的标准。有时非常笼统地认为：处理器越快，性能就越好。可是在实际使用过程中，系统性能并未因处理器速度的提高而得到明显的改善。是因为总线速度和RAM对总线速率度的均衡能力，令处理器时钟速度增加无法为系统性能带来很大的改善。因此，在视频服务器中，宜采用双CPU结构，使操作指令系统与数据处理系统分别由不同的CPU来完成。将视频数据通道与总线相对独立，其处理控制由专用CPU完成。这样，视频数据流I/O均受控直接访问，大大提高了数据处理和传输速度的可靠性。为此，我们选择了InteXEON2.4G（“志强”系列）双CPU处理器和支持多I/O通道和多CPU构架的Intel主板，其总线时钟频率为533Mhz，数据带宽高达4.3GB/s。

（2）磁盘系统的选择。

　　服务器系统的磁盘驱动器性能也是决定流媒体系统I/O总吞吐量的关键因素。在硬盘家族中按类型可分为SCSI硬盘和IDE硬盘，对于流媒体服务器的硬盘，经过比较，我们选择转速高、性能好、I/O带宽大的SCSI硬盘阵列作为流媒体服务器的磁盘系统。表2是两种硬盘的性能比较：从以上性能比较可以看出：SCSI硬盘比IDE硬盘具有明显优势。基于流媒体服务器对安全性和稳定性的严格要求，为了确保系统的稳定性，我们选择用两块SCSI硬盘作专用系统盘，一是进行系统双备份，二是以便于将操作系统与节目系统分开。为了确保数据信息的安全性，我们选择用五块SCSI硬盘作数据盘，并采用Raid5接口控制技术。因为Raid5具有数据备份和热拔插功能，可对节目数据进行备份，当某块硬盘损坏或数据破坏时，可随时插入新的硬盘自动修复丢失和损坏的数据。另一方面由于Raid5功能还可以提高硬盘阵列的I/O带宽和数据吞吐能力，这对提高用户对同一节目的并发点播能力大有帮助。另外，当用户在点播节目时，视频流从硬盘输出时对稳定性和速度要求较高。若硬盘输出不稳或转速不够，在用户点播高峰易造成缓存不足，使视频节目出现停顿和马赛克等不良现象，影响用户终端收视效果。这样SCSI硬盘所具有的转速高、寿命长、稳定性好的特点。可以在很大程度上提高系统的性能。

（3）输入输出接口（I/O）选择。

　　作为面向公众接入的多媒体服务器，客观上要求必须具备多个存储I/O通道和多个网络I/O接口通道，来满足网络中并发操作和大吞吐率的要求。对于存储I/O通道，一般采用多个SCSI或光纤通道（FC），每个SCSI或FC通道连接一个磁盘阵列，所有SCSI和光纤通道I/O速率的总和决定了流媒体系统的总吞吐能力。因磁盘阵列不同于普通的硬盘系统，I/O总线并不直接连接磁盘而是由RAID控制器连接磁盘控制器，再连接到磁盘。这样，PCI总线将作为Raid系统与主机（CPU）的高速I/O总线接口。因此，要求在服务器主板上具备丰富的支持并发操作的PCI高速总线。对于网络I/O接口，一般流媒体服务器都应具有多个100/1000Mbit/s以太网接口便于与以太网核心交换机相连，目前，由于以太网技术的进步，局域网和广域网之间的差别逐渐消失，ip流媒体很容易在广域网上进行大规模应用。因此，提供千兆和万兆以太网接口已经成为多媒体服务器跟上时代潮流的标志。当然，根据应用的多样性，如能提供ATM、DVB-ASI等网络接口则使用起来更为方便灵活。对于以上两种不同的I/O通道接口，必须满足有效存储I/O（用于流媒体数据实际存储I/O）通道速率的总和大于网络I/O接口（指用于播发流媒体数据与的网络相连的接口）速率总和这一重要指标，才不至于形成瓶颈。基于以上的考虑，我们选择了Intel多接口主板，除集成有100/1000Mbps以太网接口外，还具有4个64bit/100Mhz、2个32bit/33Mhz的PCI总线接口。基本能满足目前的系统要求。

4. 操作系统的选择

　　目前，主流的操作系统有Unix、linux、WindowsNT/2000等类型。在对众多操作系统的选择中，作为向公众提供多媒体服务而言，对操作系统的安全性、稳定性、扩展性、对病毒的免疫力和支持多进程数的能力都是需要重点考虑的。那么不妨将三大操作系统主要性能作一比较：

　　操作系统主要性能比较中不难看出，Linux的性能比较适宜作服务器操作系统。Linux系统虽然标准性和通用性较强，但其使用的广泛程度远不及Windows，所以针对攻击它的病毒也相对较少，从而也降低了病毒入侵的风险。因此，为了更好地适应流媒体系统服务需求，我们采用了定制的Linux操作系统，优化了整个服务器系统的安全、稳定性能。

二、流媒体系统的组成结构

　　麻城市广电宽带网络信息平台的流媒体系统，由媒体内容制作、媒体内容存储管理、用户管理、视频点播服务和客户端五大部分组成。流媒体内容制作系统：包括多媒体信息采集与编码并兼作直播。流媒体内容管理系统：主要完成多媒体内容存储、查询及节目管理、创建和发布。用户管理系统：则主要涉及用户登记、授权、计费和认证。视频点播服务系统：主要为流媒体内容的播放提供伺服服务。客户端系统：主要负责在用户端PC上提供流媒体内容播放服务。

1. 节目制作子系统（兼作网上直播）

　　流媒体采集制作子系统，由节目采集压缩、批量编码、编目工作站和相应的模块组成。其中，采集压缩工作站主要负责将原始独立的音、视频、图片、文字等素材进行MPEG-4压缩编码数字化，组成适合网络传输的流媒体（一般为350kbps-1mbps）格式，然后存储到VOD点播服务器，供用户点播。在需要直播时则直接将数据流上传到录播服务器上，直接向网上播出。批量编码模块主要负责将存在VCD （MPEG-1）、 DVD （MPEG-2）光盘上的节目，重新转换编码成为MPEG-4/avi或rm、wmv等格式的数据流。管理员还可以通过内容制作子系统对节目进行初步的编辑或合成。

2. 内容管理子系统

　　流媒体内容管理子系统，包括流媒体文件的存储、查询及节目管理。在媒体存储系统中采用了带Raid5控制功能的大型磁盘组，用于节目存储。其存储容量高达300GB，能满足多达1000部/集节目的海量存储需求，并且具有高性能数据读写能力和访问数据共享。在节目码流为350kbps时能同时容纳800个用户的并发点播。我们采用北京视翰公司大型节目管理软件，其媒体内容管理模块具有以下管理功能。a、管理员可以在任何一台PC机上，通过浏览器连接到点播服务器，利用Web页面提供的各种功能向服务器远程加入节目，修改节目信息，删除节目和浏览节目。b、管理可自定义节目类别将不同节目进行分类，方便用户查询。c、还可以通过精品栏目设置，将新节目放到主页或通过排行榜动态地将点播率高的节目自动排放到主页上。d、系统提供节目内容自动索引和模糊方式查询功能。用户只需输入节目相关信息的一部分或关健字，即可找到相应的节目。e、具有对服务器上每个节目进行权限级别管理的设置功能，使具有相应级别的用户点播相应类型的节目。如成人节目没有得到成人授权级别的未成年人则不能进入点播状态。f、管理员可以查看当前用户的点播情况，可监控用户名、用户IP地址、用户正在点播的视频文件名称等信息。g、具有组成服务器域管理功能，从而可以实现服务器的分布设置，集中管理，负载均衡。

3. 用户管理子系统

　　用户管理子系统，设置有完善的用户登记、授权、计费和认证管理。支持用户多级别的身份认证管理，对不同的用户身份，系统可提供不同的访问控制功能。系统支持灵活丰富的计费策略和计费接口，可实现按包月制计费，按点播次数计费，定时折扣优惠等多种功能和策略。

4. 点播服务子系统

　　视频服务器是网络提供流媒体服务的核心。点播服务系统是连接节目管理系统与接收系统的桥梁。主要功能是，应接收系统和节目管理系统的节目点播请求，找到存储在硬盘上的节目，并控制节目以流的形式传输到终端PC机。其性能直接决定流媒体系统的总体性能。整个系统支持多通道SCSI接口，实现高速、并行、多重I/O总线能力，支持多用户对同节目的并发点播。支持对用户的接纳控制，请求处理，数据检索，按流传送多种功能。支持多服务器间的域管理，实现服务器的分布设置、集中管理、负载均衡、协同工作，具有极大的扩展灵活性。系统设计完全符合国际标准，遵循http协议TCP/IP协议和RTP/RTCP/RTSP等国际标准的流协议，可实现与各类系统的兼容互通。

5. 客户端子系统

　　流媒体系统提供的所有实时的多媒体服务，最终都需要通过客户端在用户的PC机重现。也就是不同的用户，通过客户端能远程登陆点播页面，并能够顺利地完成浏览、查询和点播节目或者接收在线直播节目。麻城广电宽带数据网络信息平台的流媒体系统客户端，采用了北京视翰公司自主开发的流媒体播放器。支持MPEG-1/2，MPEG-4，WMV，ASF，AVI，RM，RMVB，MOV，MP3等国际所有通用格式和部分专有媒体格式的播放；并且支持Powerpoint，Word，image，authorware等Office文档；支持文本、图片、Web页面与音、视频的集成。点播节目延时小，同时支持快进快退功能。其中网络直播同时支持美国微软公司的Media Player播放器，用户可通过客户端随时下载播放器，方便不同用户对各种内容点播。

三、流媒体系统的应用服务

　　以Internet为代表的信息技术革命正在深刻地改变人们的生活，而以流媒体技术为代表的新技术在互联网上应用，正在改变Internet的服务内容和服务方式。由此加快了网络服务的三大转变：即由静态的信息向实时信息转变；由文本信息向多媒体信息转变；由窄带内容向宽带内容的转变。麻城市广电宽带数据网抓住流媒体技术应用的历史机遇，及时在网上开发了网络直播、视频点播、远程教育等流媒体业务的应用服务，为网络的运营与发展创造了广阔的空间。

1. 网上直播

　　流媒体是一种新型的网络数据信息载体，通过搭建的信息平台，非常方便开展丰富多彩的应用业务，可以产生意想不到的效果。我们利用直播服务器开通了两套网上直播节目。其直播文件为MPEG-4压缩编码，码流为500Kbps。一套是“电影在线”节目，内容以境外大片为主。一套是“热点直播”节目，其直播内容根据不同的热点事件经常调整。这样，能有效地吸引和覆盖观众。网络开通不到一年，我们利用“热点直播”频道在网上成功直播了在麻城市主办的多场大型明星演唱会和多起国际国内重大新闻事件。特别是明星演唱会的直播，对那些面对价格不菲的票价囊中羞涩的观众和想花钱买票而买不到票的观众来说，“网上直播”倍受他们的青睐。通过网上直播业务的开展，“麻城信息港”的点击率与日俱增，麻城广电宽带网络的社会知名度日益提高。

2. 视频点播

　　网上交互实时的视频点播，可以随个人的主观意愿观看自己喜欢的节目，从根本上改变了人们过去被动接受信息的传统。这是信息传播领域的一次跨越，深受广大用户欢迎。为体现这一特色服务，我们在“麻城信息港”的流媒体系统中设置了“影视点播”栏目。系统存储有1000部集电影、电视剧、动画片、MTV供用户自由点播。为了区别于其它运营网站，体现广电宽带特色，节目均采用MPEG-4压缩编码，使用700Kbps/1Mbps的码流，在用户端可以欣赏到相当DVD质量的视频效果。用户使用后，评价广电宽带网的视频点播效果明显优于其他网络。这对于城域网内的用户发展起到了积极的推动作用。

3. 远程教育

　　近年来，网络远程教育因打破了时空、年龄、学历的限制，给不同层次、不同行业的人群提供了低成本的学习机会，因而受到广泛欢迎。为此，我们在网络的多媒体系统中设置了“网络教育”专栏。首先，利用卫星信号提供教育节目进行网上直播，然后，将人们感兴趣的重点内容下载和部分其他素材，将其编排成“职业教育”和“中学教育”两部分存入系统，供用户重温复习时点播。很受学生、家长以及社会人士欢迎。

　　在下一步的流媒体应用中，我们准备着手开通视频会议系统，使网络提供更多的交互实时业务。促进网络的进一步发展。

----《中国数据通信》