网络流媒体的技术和应用

来源:用户上传      作者: 王　刚

　　近年来，随着宽带网络的发展和用户需求的驱动，流媒体技术和相关的应用作为未来高速网络的主流应用之一得到了广泛关注和发展，文章从流媒体的概念、流媒体应用类型、流媒体关键技术、流媒体的业务系统和运营模式等方面对流媒体技术和应用进行全面的介绍。
　　
　　一、流媒体介绍
　　
　　流媒体（Streaming Media）是指视频、声音和数据通过实时传输协议以连续流方式顺序从源端向目的地传输，目的地只需接收到一定数据缓存后就可以立即播放的多媒体应用。流媒体在播放前并不下载整个文件，只将部分内容缓存，使流媒体数据流边传送边播放，这样就节省了下载等待时间和存储空间。流媒体数据流具有三个特点：连续性（Continuous）、实时性（Real-time）、时序性。而流媒体技术则是在数据网络上以流的方式传输多媒体信息的技术。流媒体技术的主要目标，就是在数据网络中通过一定的技术手段来实现有效实时的传递多媒体信息流。
　　随着流媒体一系列相关技术，包括音/视频编解码技术、媒体传输质量控制、宽带网络等技术的逐渐成熟和兴起，制约流媒体发展的主要障碍逐渐被打破，各国在相应的高速网络研究计划中都把宽带流媒体技术作为未来高速宽带网络的主流应用之一来进行重点研究，例如Internet2 （I2）的应用研究组认为未来I2网络的杀手应用应该包括几个基本的属性：交互式合作环境；对远程资源的公共访问；构建网络计算和数据服务的支撑平台；用虚拟现实显示信息。在所有的这些应用中，数字视频最被I2技术所看好，它可以覆盖从点播到远程的资源控制。我国的863高科技研究计划“高性能信息示范网络3Tnet”中，也明确提出要从宽带流媒体等典型业务入手，建立一个能适应Internet TV等媒体流实时传输的高性能、广域宽带演示验证网络3Tnet。
　　
　　二、流媒体应用类型
　　
　　流媒体应用可以根据传输模式、实时性、交互性概略地分为多种类型。传输模式主要是指流媒体传输是点到点的方式还是点到多点的方式。点到点的模式一般用单播（Unicast）传输来实现。点到多点的模式一般采用组播（Multicast）传输来实现，两者也可以结合实际情况进行灵活配置。实时性是指视频内容源是否实时产生、采集和播放，而非实时内容指预先制作并存储好的媒体内容。交互性指应用中，流媒体传输方向是单向还是双向。
　　根据上述分类，常见的流媒体的应用主要有：视频点播（VOD）：这是最流行的流媒体应用类型。通常视频点播是对存储的非实时性内容以单播传输方式实现，除控制信息外，通常不具有交互性。在具体实现中，它可能具有更复杂的功能；视频广播：视频广播可以看作是视频点播的扩展，它把节目源组织成频道，以广播的方式提供。用户通过加入频道收看预定好的节目，它也不具有交互性；Internet TV：也是以频道的方式提供，但是Internet TV的功能更类似于一般的电视，将直接来自电视的节目，通过实时的编码、压缩制作而成。它可以实现先进的多视角实况转换播放，并将相关的评论、资料信息实时传送到用户端的计算机上显示；视频监视：通过安装在不同地点并且与网络连接的摄像头，视频监视系统可以方便灵活的通过网络，以流媒体的形式传输来实现远程监测；视频会议：视频会议是典型的交互性流媒体应用。视频会议可以是双方的，也可以是多方的。前者可以作为视频电话，以点到点的方式传送视频流媒体信息。后者则需要多点控制单元，以广播的方式传输；远程教学：远程教学目前应用也比较广泛，而且具有很好的市场应用前景，它可以通过综合多种应用类型模式来实现；交互游戏：需要通过流媒体的方式传递游戏场景的交互游戏近年来也得到了迅速的发展，并具有很大的发展潜力。
　　总之，丰富的流媒体应用对用户有很强的吸引力，在解决了制约流媒体的关键技术问题后，可以预料，流媒体应用必然会成为未来网络的主流应用。
　　
　　三、流媒体关键技术问题
　　
　　为了在数据网络上传输流媒体，从技术上需要解决从音/视频源的编码/解码、存储到网络端的媒体服务、媒体流传输，到用户端的播放一系列问题。
　　流媒体传输流程为：原始的音/视频流经过编码和压缩，形成媒体文件存储后（直播的方式不需要文件存储），媒体服务器根据用户的请求把媒体文件（或者直播的媒体流）传递到用户端的媒体播放器。在媒体传输中间还可能需要代理服务器进行媒体内容的分发或转发。为了实现较好质量的流媒体实时播放，需要重点考虑的三个关键因素是：编码和压缩的性能和效率；媒体服务器的性能；媒体流传输的质量控制。
　　（一）编码/压缩的性能
　　影响音/视频流的压缩/编码性能的因素很多，首先是压缩效率。压缩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；其次是编码的冗余性和可靠性。考虑到网络实时传输中数据丢失对解码质量的影响，为此采用了如错误弹性编码这样的先进编码技术：在编码中通过适当的控制来最大限度地减少发生数据丢失后对质量的影响。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。因为网络的拥塞状况是不断变化的，所以最后，媒体流的压缩/编码还需要考虑速率调节的能力。
　　另一种方法是采用可扩展的层次编码，可扩展的压缩/编码生成多个子位流（Substream），其中一个是基本位流，它可以独立解码，输出粗糙质量的视频序列，其他的子位流则一起还原出最好质量的视频序列。相应的，仅有部分的子位流（必须包含基本子位流）则输出的视频在图像的质量或者图像的分辨率、图像播放的帧速率上较差。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。
　　（二）服务器性能
　　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。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，为了提升性能，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，如采用超立方体的结构将各流媒体服务单元连接起来。还有一种方法是将多个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。后者性能低，但成本很低，容易实现。
　　（三）媒体流传输的质量控制
　　这是制约流媒体性能的最重要因素。由于基于无连接的包交换IP网络对带宽资源和服务质量的控制能力都比较弱，无法满足流媒体的传播要求。因此，在IP网络上进行流媒体传输需要采用一些应用层的质量控制机制来解决传输中的问题。最常用的方式是采用速率适应机制，基本的方法是通过一定的速率反馈机制，利用媒体流的速率层次编码能力，在媒体服务器端动态地调节流媒体的传输速率，附以差错控制和冗余控制，来保证客户端在网络可用带宽变化时也能够正常地收看流媒体内容。另外一种方法是采用内容分发网络（CDN）传输流媒体，其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主干网络的流媒体流量，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来避免拥塞链路，提高传输的性能和响应时间。第三，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。除了上面介绍的问题外，宽带流媒体应用还需要解决媒体同步控制、安全、数字版权管理（DRM）、媒体兼容性等。
　　（四）流媒体业务系统
　　制约流媒体发展除了技术问题外，还有商业运营的问题。其应用的一个重要前提是：流媒体的应用提供商必须能够赢利。因此，流媒体应用必须以适当的业务模式来开展，这涉及到包括业务的支撑能力和运营模式等多方面的问题。
　　从业务提供的角度来看，一个完整的流媒体业务系统至少应包含业务功能提供、业务管理、媒体内容传送这三部分的功能。目前，网络上实际运行的流媒体业务系统一般都是用户范围比较狭窄的小型系统。这些系统虽然支持上述的基本功能，但也有其固有缺点：1、功能不完整、性能和扩展性较差；2、网络规模一般局限于小区或者城域范围，系统规模有限；3、系统的复杂性决定了业务开发周期长，提供能力较弱；4、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；5、运营模式单一，不能及时有效地满足市场变化，这一点尤为重要。
　　为了解决这些问题，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。对应用提供商而言，通过支撑环境开展宽带流媒体业务有很多优点：1、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；2、应用的开发周期短，应用的运行和维护成本小，有利于新应用的开发；3、通过支撑环境提供的流传送能力，支持大规模、大范围的流媒体应用；4、由于支撑环境上所有应用的用户共用一个统一的业务平台，可以最大限度实现共享；5、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。
　　对于用户而言，统一的支撑环境方便了用户的使用，例如用户仅需要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。对于运营商而言，支撑环境既是一个增值业务支撑平台，也是一种面向应用提供商开展的业务。而对网络提供商而言，可以在提供基本的网络接入服务的同时，提供增值业务，提升在价值链上的位置。
　　总之，独立的宽带流媒体业务支撑环境或者业务支撑平台对于克服现有系统的困难，支持高性能、可扩展的流媒体业务的开展具有深远的价值意义。目前，中国电信集团北京研究院承接的863课题：“高性能信息示范网应用支撑环境开发内容和实施方案研究”正在对宽带流媒体业务支撑环境做相关的研究。
　　（五）流媒体价值链和运营模式
　　综上所述，宽带流媒体业务价值链至少需要包括这几个部分：应用提供商、内容开发商、业务支撑系统运营商、网络提供商、用户。其中，用户最终获得宽带流媒体应用业务，并为之付费；应用提供商是宽带流媒体业务的直接提供者，直接为用户提供业务；内容提供商是流媒体内容资源的拥有者，负责流媒体文件的生成、编码、压缩等节目制作工作；业务支撑系统运营商提供一个独立的可运营的管理和传输平台，为宽带流媒体应用提供支撑环境；网络提供商提供基本的承载网络。
　　在整个价值链系统中，不同提供商可以根据自身的特点和市场需求同时扮演多个角色，灵活的构成不同的运营模式。
　　目前，流媒体业务的运营模式还在不断发展中，网络运营商、应用提供商、内容提供商都在不断寻求成熟的运营模式和合作模式。
　　人们常说互联网是一场革命，实际上在流媒体全面发展之前，这场革命是不彻底的，没有流媒体的互联网无声无影。流媒体技术全面应用后，人们可以在网上用耳麦和摄像头等设备，直接通过语音和视频进行交流和沟通；电子商务的货品展示也不再限于图片的二维观看了，看到感兴趣的商品，点击后，就会有讲解员和商品的影像出现，可以达到与现实完全一致的展示效果，而且你可以与讲解员进行现场交流；网上新闻也不仅仅只能用文字和图片表达，更有真实感的影像新闻也会出现。非但如此，流媒体还将给互联网带来全新的内容，如网络电视、网络影院、网上教育等。可以预见，随着厂商对流媒体技术的不断发展和完善，以及用户对流媒体需求的增加，流媒体技术定会更上一层楼。
　　（作者单位：许昌学院计算机科学与技术学院）

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-437411.htm