流媒体网络传输的技术瓶颈

孙飞

　　网络技术的发展让宽带网逐渐有了普及的声势和现实步伐，流媒体的瓶颈正悄悄地被突破。据专家预测，流媒体有望在最近几年内成为发展的热点。无论是在国内已经有较多应用的教育、广电、政府、电信等行业部门，还是在企业内部网中主要应用于职工培训、信息广播、产品发布、远程监控、视频会议、客户服务等业务，流媒体都在随着宽带网络的普及步伐而显出其蕴涵的巨大潜力。

　　一、流媒体网络传输方式

　　目前应用于互联网上的流媒体发布方式主要有单播（Singlecast）、广播（Broadcast）、多播（Multicast）和点播（Unicast）等四种技术。

　　（1）单播（Singlecast）：在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的资料信道，从一台服务器送出的每个资料包只能传送给一个客户机，这种传送方式称为单播。每个用户必须对媒体服务器发送单独的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的资料包拷贝。这种巨大冗余造成服务器负担沉重，响应需要很长时间，甚至停止播放；管理人员也被迫购买硬件和带宽来保证一定的服务质量。单播一般用于广域网的流媒体传输。

　　（2）广播（Broadcast）：广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制流。例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中资料包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户。使用单播发送时，需要将资料包复制多个拷贝，以多个点对点的方式分别发送到需要它的那些用户；而使用广播方式发送，资料包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，而不管用户是否需要。单播和广播这两种传输方式都非常浪费网络带宽。

　　（3）多播（Multicast）：IP多播技术构建一种具有多播能力的网络，允许路由器一次将资料包复制到多个信道上。采用多播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续数据流，而且没有时延。媒体服务器只需要发送一个信息包，而不是多个；所有发出请求的客户端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机，减少网络上传输的信息包的总量。网络利用效率大大提高，成本大为下降。多播吸收了上述两种发送方式的长处，克服了两者的弱点，将资料包的单独一个拷贝发送给有需要的客户。多播不会复制资料包的多个拷贝传输到网络上，也不会将资料包发送给那些不需要它的客户，在多媒体应用中占用的网络带宽最小。但多播一般只能用于局域网或专用网段内传播。

　　（4）点播（Unicast）：点播连接是客户端与服务器之间的主动的连接。在点播连接中，用户通过选择内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、暂停、快进、后退或停止流。点播连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自连接服务器，占用网络带宽很多。

　　随着宽带业务的普及，流媒体传输技术的发展，视频直播、视频点播业务被众多宽频网站所应用。但无论是在硬件还是在软件环境上，都有很多技术需要我们去关注与研究。

　　二、硬盘技术带来的网络存储瓶颈

　　宽带技术使网络入口的速度得到提高，用户可以享受在网上畅游的感觉，同时并发数量的增加，可以向更多的用户同时提供服务。网络带宽增加后，相应存储部分也要增加，如果采用传统的存储技术就会成为I/O（输入/输出）的瓶颈，系统不能按照最优化的、效率最高的方式来提供，就会形成前台是宽带，后台是窄带，这样就会影响宽带的效率和意义。

　　目前硬盘数据传输的瓶颈不在硬盘接口，而在于硬盘盘体本身。硬盘厂商在生产IDE或SCSI硬盘时使用的盘体是相同的，只是所用的接口电路不同而已，而目前硬盘由于受到磁介质和机械因素的影响，速度很难有大幅度的提高。也就是说，硬盘的传输速度在现有技术条件下可能达到SCSI甚至IDE的接口速度，所以我们认为SCSI硬盘同IDE硬盘的实际性能是差不多的，而数据传输之所以不尽如人意完全是由于盘体本身造成的，与使用IDE还是SCSI接口没有多大关系。

　　如何提高存储设备的性能呢？我们可以采用RAID技术。RAID可以让多个硬盘同时服务于同一个请求，从而在总体上提高数据传输速度；而且，RAID还有强大的数据保护功能。使用RAID可以使连续数据传输速度达到50Mbit/s或更高，这对于大多数用户已经足够。同时我们采用优化的读取算法使硬盘的寻道时间和寻道次数都大幅度降低，增加了硬盘的寿命。动态的负载均衡技术使单台服务器的各块网卡的负载基本相同，使系统的整体性能得到了很大的提高。

　　目前RAID级别分为0～5级，可以获得业界广泛认同的有4种，RAID 0、RAID 1、RAID 0+1和RAID 5。

　　RAID 5是目前应用最广泛的RAID技术。各块硬盘进行条带化分割，相同的条带区进行奇偶校验，校验数据平均分布在每块硬盘上，如图1所示。以n块硬盘构建的RAID 5阵列可以有n-1块硬盘的容量，存储空间利用率非常高。任何一块硬盘上的数据丢失，均可以通过校验数据推算出来。RAID 5具有数据安全、读写速度快、空间利用率高等优点，应用非常广泛，但不足之处是如果一块硬盘出现故障以后，整个系统的性能将大大降低。

　　总而言之，RAID 0及RAID l最适合于Web服务器、直播服务器和采集工作站，提供了最佳的性能与最便宜的价格；RAID 5则适用于流媒体点播服务器的节目库、数据库服务器等大量数据处理中心。

　　三、传输技术成为目前网络直播发展的瓶颈

　　网络直播实时性、互动性及丰富多彩的音、视频多媒体的特性给网民带来全新的网络视角和体验，但传输速度欠佳也让其未来的发展底气不足。因此，网络直播发展应该突破带宽、网速等传输技术瓶颈。 对于经常上网的人来说，网络直播不是什么新鲜事。作为一种全新的数字传播方式，从政协会议、人大会议到各种精彩的一种全新的数字传播方式，从政协会议、人大会议到各种精彩的体育赛事，网络直播近几年来发展迅速。最近，互联网全面直播《十面埋伏》首映式，再度引发了人们对网络直播这一新型传播媒介的关注。尽管这只是电影商业炒作的一种手段，但800万用户的传播覆盖力着实让人为之侧目，更让人们对网络直播的发展前景有了期待。不过，此次所做的一项对网络直播认知度的网络调查显示，近八成的网民认为网络直播前景不错，但因带宽及网速制约造成的直播效果不理想也成为网民反映最多的问题。显然，网络直播要想获得长足的发展不能忽视传输这一技术瓶颈。

　　由于网络技术的特殊性，网络用户要得到数据必须从连接网络的服务器上获得，在数据量小或用户不多的情况下，并不会有什么问题，但当用户成倍增长，数据量极度膨胀时，就会对内容提供方的服务器及存储设备提出挑战。往年，央视春节联欢晚会网络直播还没到高峰时期，就已出现因为用户太多而连接不上央视国际网站的视频服务器、看不到直播的现象，甚至出现服务器死机的严重情况。看来，网络直播的发展还得着力解决硬件设备的传输能力。

　　以远古科技（VIEWGOOD）的视频直播技术解决方案为例，他们采用了KeyBufferTM技术，充分保证系统拥有最优秀的同步性和最短的时延性，广域网时延只有100ms；采用MPEG-4编解码技术，既保证了图像的质量，又大大缩减了视频所占的带宽；服务器端进行实时编码压缩，客户端进行实时解码、实时播放，充分保证系统拥有最短的时延性；采用高效的多播与单播衍发技术有效地利用网络带宽资源。

　　四、流媒体点播技术瓶颈

　　众所周之，流媒体技术被一些大公司（如Microsoft、Real、Apple）垄断着，虽然他们的服务系统（如Media Server、Real Server、QuickTime）功能强大，但是相对说来，价格昂贵、英文界面、设置复杂以及对电脑性能要求高，不是很适合中国市场。而且每家公司技术保守的壁垒难以打破，一般都是只支持他们特定的文件格式，不能同时兼容多种文件格式，而其中一些比较专业的应用对很多用户来说也是没有必要的，更重要的是需要专业人员来配置这样的系统。种种原因导致了普通的用户根本无法配置起这样的流媒体服务系统，就算真正配置起来的话，也是仅仅只能支持特定的文件类型，而且还需要转换工具的辅助。流媒体平台对比请参见《中国多媒体视讯》第九期。

　　目前流媒体点播技术方面的主要瓶颈有：第一、系统能够支持的视频流格式有多少；第二、是否能够流畅地播放高清晰（高码流）的影视节目；第三、点播、直播视频源内容时的响应速度快慢，缓冲长短；第四、对网络带宽资源的利用情况如何；第五、视频流传输所用的网络协议是开放的还是自定义的；第六、视频节目的防盗链与多重认证方法。

　　随着国内流媒体的兴起与众多IT精英的投身，国内企业在商业流媒体系统应用的开发领域确实走在国际前列。

　　五、网络瓶颈

　　高清晰度、连贯流畅的流媒体节目需要较高的带宽来传输数据，电信运营商还无法为大多数用户提供相应的网络带宽来欣赏高质量的节目，低质量的服务当然无法获取收益，这就是我们要谈的网络瓶颈。通常情况下，100Mbit/s网络实际使用效率只有80％左右，如《中国多媒体视讯》第九期所示。上述性能指标针对的是广域网；对于局域网、城域网，流媒体厂商们一般会采用多播的方式，只占一路带宽，无并发流数限制。

　　互联网的飞速发展，带动了宽带网络环境建设的逐步成熟，单纯的信息发布和市场宣传网站已远远不能满足企业日益增长的需求。而宽带网络的发展、流媒体系统的快速推进和用户需求的提升都促使门户网空前重视网络内容应用。宽带视讯已经被认为是未来高速宽带网络的主流应用之一。我们有理由相信，在宽带日渐普及的今天，流媒体方式必将成为网络媒体的主流。　

----《中国多媒体视讯》