流媒体技术及其应用

□北方交通大学 冯玉珉 刘亚伟 尉明明
　　互联网的普及和多媒体技术在互联网上的应用，迫切要求能解决实时传送视频、音频、计算机动画等媒体文件的技术。在这种背景下，流式传输技术及流媒体应运而生。

　　流媒体是指在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体，与传统的单纯下载相比较，流媒体具有明显的优点：由于不需要将全部数据下载，因此等待时间可以大大缩短；由于流文件往往小于原始文件的数据量，并且用户也不需要将全部流文件下载到硬盘，从而节省了大量的磁盘空间；由于采用了RSTP等实时传输协议，更加适合动画、视频音频在网上的实时传输。

　　 一、流媒体的技术特征

　　流媒体的主要技术特征就是采用流式传输，即通过Internet 将影音节目传送到PC机。实现流式传输有两种方法：顺序流式传输（Progressive streaming）和实时流式传输（Real-time streaming）。

　　顺序流式传输采用顺序下载方式，用户可以观看在线媒体节目。但是在给定时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的前序部分；它不能根据用户的连接速度做调整。由于标准的HTTP服务器可发送这种形式的文件，而不需要其他特殊协议，它经常被称作HTTP流式传输；顺序流式传输方式适合高质量的短片段，如片头、片尾和广告，媒体文件在播放前观看的部分是无损下载的，QoS高；顺序流式文件放在标准HTTP 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、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。

　　2．实时流式传输

　　实时流式传输保证媒体信号带宽与网络连接相匹配，使媒体可被实时观看到。实时流与HTTP流式传输不同，需要专用的流媒体服务器与传输协议。实时流式传输特别适合现场事件，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，实时流一经播放就可不停地收看，但实际上，可能会发生周期暂停。

　　3．二者比较

　　（1）从视频质量上讲，实时流式传输必须匹配连接带宽，由于出错丢失的信息被忽略掉，网络拥挤或出现问题时，视频质量会很差；如欲保证视频质量，顺序流式传输更好。

　　（2）实时流式传输需要特定服务器，如QuickTime Streaming Server、Real Server与Windows Media Server，这些服务器允许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。

　　火墙时有时会出现问题，导致用户不能看到一些地点的实时内容；而顺序流式传输与防火墙无关。

　　二、视频服务器硬件平台

　　目前有三种类型的视频服务器结构：通用主机（最早使用），紧耦合多处理机，调谐视频服务器。视频服务器把存储的视频信息，以视频流的形式，通过网络接口发送给相应的客户，同时响应客户的交互请求，保证视频流能够连续输出。在响应客户的视频请求后，从存储系统读入一部分视频数据，到对应于这个视频流的特定缓存中，然后此缓存中的内容送入网络接口发送到客户。当一个新的客户请求视频服务时，服务器根据系统资源的使用情况决定响应速度与服务质量，诸如存储I/O的带宽、网络带宽、内存大小和CPU的使用率。
　　在实时输出视频流的过程中，一方面，为避免引起画面的抖动，服务器必须以恒定的速率播放，如MPEG-1 1.5Mbit/s的恒比特流；另一方面，视频流中包含的多种信号必须保持同步，如音唇失步< 40ms。另外，视频流具有数据量大的特点，它在存储系统上的存放方式，直接影响视频服务器提供的交互服务，如快进和快倒等功能的实现。因此，视频服务器必须解决视频流特性提出的各种要求。

　　三、流媒体传输的网络协议及传输流程

　　TCP需要较多的开销，故不太适合传输实时数据；流式传输一般采用HTTP/TCP来传输控制信息，而用RTP/UDP来传输实时声音数据。

　　 1．流媒体多层协议

　　（1） 实时传输协议RTP

　　实时传输协议RTP被定义为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，但RTP也可以在TCP或ATM等其他协议之上工作；当应用程序开始一个RTP会话时将使用两个端口：一个给RTP，一个给RTCP。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；通常RTP算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。

　　（2）实时传输控制协议RTCP

　　实时传输控制协议RTCP和RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务；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。

　　RTP和RTCP配合使用，它们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。

　　（3）实时流协议RTSP

　　实时流协议RTSP定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据；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，HTTP传送HTML超链接文档，而RTSP传送的是多媒体数据；HTTP请求由客户机发出，服务器做出响应；使用RTSP时，客户机和服务器都可以发出请求，即RTSP可以是双向的。

　　（4）资源预订协议RSVP

　　由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网络中传输高质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需其他更多的条件；RSVP是正在开发的IP网上的资源预订协议，使用RSVP预留一部分网络资源（即带宽），能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS。

　　2．流媒体关系链

　　（1） 交换控制信息

　　 客户机与服务器间在HTTP／TCP协议上交换控制信息；可把原始信息中需要传输的实时数据检索出来；此后，客户机上的Web浏览器启动A／V Helper程序，使用HTTP协议从服务器检索相关参数（目录、A／V编码类型以及A／V服务器地址）。

　　（2） 提供操作指令/功能

　　流传输运行RTSP交换实时流控制信息，例如播放、快进、快倒、暂停、录制等操作；另外，RTSP还可以控制单个／多个同步时序的连续媒体流。

　　（3） 流式传输播放

　　实时数据由RTP／UDP传输（与流式传输服务器交互）；HTTP作为应用层，依赖传输层TCP构成通路；由于TCP不考虑时间信息，不适于多媒体流传输。

　　3．流媒体实时传输流程

　　四、流媒体的主要应用

　　互联网的迅猛发展和普及为流媒体业务发展提供了强大的市场动力，流媒体业务正变得日益流行。流媒体技术广泛用于在线直播、视频点播、远程教育、多媒体新闻发布、网络广告、电子商务、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网信息服务的方方面面，它的应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和生活将产生深远的影响。

　　1．Internet视频直播

　　流媒体的视频直播应用突破了网络带宽的限制，实现了在低带宽环境下的高质量影音传输，其中的智能流技术保证不同连接速率下的用户，可以得到不同质量的影音效果。此外，流媒体的多址广播（Multicast）技术可以大大减少服务器端的负荷，同时最大限度地节省了带宽。

　　2．校园视频网

　　校园网的建设近几年来也逐渐呈现出蓬勃向上的态势，随着多媒体技术的不断发展，特别是多媒体传输技术的突破，使网络多媒体教学得以实现。现在已经有许多成熟的产品，如Cisco公司的IP/TV，可以用来组建校园视频网，提供实时广播、定时广播、视频点播三种通信模式。

　　3．远程教育

　　就目前来讲，能够在互联网上进行多媒体交互教学的技术多为流媒体，像Real System、Flash、Shockwave等技术就经常应用到网络教学中。随着网络及流媒体技术的发展，越来越多的远程教育网站开始采用流媒体作为主要的网络教学方式。

　　4．宽窄带会议电视

　　目前符合H.323以及H.264的会议电视系统均采用流媒体技术；按照ITU－T等国际标准，实施IP会议比电信网环境更为复杂，大多数产品均采用Intranet或VPN；至于实时流问题，可采用电信网出口接路由器，实现大规模、大区域会议，但QoS又难以保证，是亟待解决的问题之一；在信息安全方面，有的公司产品推出三级安全措施的VPN网关，QoS较好；目前许多部门正在研发宽窄带互通、不同制式终端、不同速率的媒体流。在真正的IP环境中实现实时、多点交互、高清晰度的会议系统时，如何保证流媒体特点，比一般视频技术应用难度更大。

摘自《通信世界》