寬帶流媒體應用系統架構研究

2019-11-03 09:05:45

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供稿：網友

中國電信集團北京研究院楊明川

　　摘要：隨著寬帶網絡的發展，流媒體應用得到了廣泛的應用。本文從可運營的寬帶流媒體應用系統的角度，分析了寬帶流媒體應用系統的層次架構，并對每個層次的一些相關問題進行全面的介紹和分析。

一、概述

　　流媒體（Streaming media）是指在數據網絡上按時間先后次序傳輸和播放的連續音/視數據流。與普通的音視頻文件先下載再播放的方式不同，流媒體在播放前并不下載整個文件，只將部分內容緩存，流媒體數據流就可以做到邊傳送邊播放，這樣節省了下載等待時間和存儲空間。流媒體數據流具有三個特點：連續性（continuous）、實時性（real-time）和時序性，即其數據流具有嚴格的前后時序關系。由于流媒體的這些特點，它已經成為在Internet上實時傳輸音視頻的主要方式。

　　近年來，隨著寬帶網絡的發展，特別是寬帶接入技術的發展，網絡傳輸的瓶頸正在被打破，實時的高質量流媒體傳輸已成為可能。這為流媒體的發展提供了基礎。另外，音頻和視頻編解碼技術的進步和網絡流媒體協議的標準化也為流媒體的廣泛應用起到重要的促進作用?；诹髅襟w傳輸的應用得到了越來越多的重視,可以預計，流媒體應用必將成為未來高速網絡的主要應用之一。

二、寬帶流媒體應用系統的架構

　　與普通的在互聯網上提供免費的流媒體內容不同，寬帶流媒體應用系統作為一個可運營、可管理的業務系統，需要在運營支撐、媒體傳輸、內容管理等方面進行全面的考慮。圖1是一個寬帶流媒體應用系統的層次架構示意圖。

圖1 寬帶流媒體應用系統層次架構圖

　　在圖1中，將寬帶流媒體應用系統劃分為五個層次。其中，最上層為內容、應用和增值業務提供層，這個層面主要是組織和提供流媒體的內容資源，并根據用戶的需求將資源整合成為流媒體增值業務產品提供給用戶；下面一層是流媒體服務提供層，這個層次主要由各種形式的流媒體設備構成，包括流媒體服務器、流媒體內容分發系統、流媒體的內容緩存系統等等；再下面一層是網絡承載層，該層提供ip網絡，是流媒體傳輸的基礎。最下面一層是終端接入層，流媒體應用系統可以為多種形式的流媒體終端設備提供服務，包括PC終端、TV、智能電話、移動終端（如3G手機等），為了支持多種終端，通常還需要相應的網關設備，如家庭智能網關、移動網關等。

　　為了實現可運營，整個流媒體應用系統還需要運營支撐層負責運營和維護，運營包括用戶管理、AAA、計費結算、設備管理、流媒體性能測量等。運營支撐層需要和其他的各個層面進行交互，是流媒體應用系統的管理核心。

1.內容、應用和增值業務提供層

　　內容、應用和增值業務提供層主要負責提供內容，并將內容資源組織成為可以面向最終用戶收費的流媒體產品和服務。對于寬帶流媒體應用而言，內容是確定流媒體產品和服務是否具有吸引力的根本因素，然而，缺乏對內容的良好組織、包裝和在此基礎上的增值服務，將會對用戶的使用帶來極大的不便，并最終影響用戶使用該流媒體產品。

　　目前，基于寬帶流媒體的應用較多。我們就幾種流行的應用進行簡單的分析。

　　(1)視頻點播（VOD）：這是最常見、最流行的流媒體應用類型。視頻點播的服務提供商應該將點播的內容進行良好的組織并向用戶提供簡單界面。目前，視頻點播的服務提供商通常都提供基于Web的節目列表、以及對節目的分類瀏覽、查詢等功能。額外的功能還包括對節目的介紹、評論、相關節目鏈接、BBS等。

　　(2)Internet TV：Internet TV包含兩層概念，一個是將傳統的電視節目通過流媒體技術在IP網絡上進行傳播的方式；另一層含義是以遵循傳統的電視節目的組織方式，以“電視頻道”的形式進行節目的組織的方式。

　　(3)遠程教學：遠程教學以應用對象明確、內容豐富實用、運營模式成熟，成為目前商業上較為成功的流媒體應用。比較前兩種應用服務而言，遠程教學更強調內容資源的組織，以及流媒體資源和其他文字、圖片資源的整合。

　　除了對內容的組織和整合，對內容的保護業務應用和業務提供商需要重視的問題。常見的手段是加密。對媒體內容的實時加密和解密需要流媒體系統（包括終端）具有較高的處理能力，同時密鑰的分發、管理需要復雜的支撐系統協調實現。另外一種較為流行的方式是數字版權管理（DRM）。但是DRM不適用于流式播放的情況。

2.流媒體服務提供層

　　流媒體服務提供層主要實現流媒體服務。通常所說的流媒體技術一般都在這個層面上。流媒體服務提供層主要由流媒體服務器構成。為了實現在IP網絡上實現流式傳輸，流媒體服務器需要涉及流數據的編碼/解碼、流媒體協議、流媒體的速率控制、流媒體的集群、流媒體的應用層組播、流媒體的內容分發。

　　(1)編碼/解碼：Internet上的流媒體編碼通常采用MPEG系列標準。如最新的Windows Media和Real System都采用了MPEG-4編碼標準。從流媒體傳輸的角度而言，編碼需要滿足幾個方面的要求：首先是壓縮效率，壓縮效率要求在保證一定音視頻質量的前提下，媒體流的碼流速率盡量低；其次是編碼的冗余性和可靠性。與普通的多媒體文件壓縮編碼不同的是，流媒體文件需要在網絡上實時傳輸，因此必須考慮傳輸中數據丟失對解碼質量的影響；最后，還需要考慮流媒體的速率調節的能力，因為網絡的擁塞狀況是不斷變化的，流媒體的編碼必須能夠適應網絡速率的變化，例如采用可擴展的層次編碼。

　　(2)流媒體協議：與普通的數據傳輸不同，流媒體因為具有持續媒體流的特點，因此需要專門的傳輸協議。目前，最常用的流媒體傳輸協議是RTP/RTCP協議，這兩個協議分別處理流媒體的傳輸和控制。

　　(3)流媒體的速率控制：由于Internet上網絡的擁塞變化非常大，往往不能保證在較長時間內的持續帶寬，因此，需要流媒體傳輸能夠適應這種網絡的變化。除了緩沖（Buffer）機制外，最常用的是速率控制機制，即當網絡擁塞時能夠自動的將流媒體的速率降低，盡管這樣會導致流媒體的質量變差，但不會導致服務的中斷，這對于保持流媒體服務的連續性非常重要。

　　(4)流媒體服務器集群技術：流媒體服務需要耗費較多的處理器資源，當流媒體傳輸的需求增加時，簡單的基于工業服務器的單個流媒體服務器就不再能夠滿足用戶的并發請求。流媒體服務器集群技術的核心是利用多個流媒體服務器構成集群系統來實現流媒體服務的性能擴展。

　　(5)應用層組播：對于點對多點流媒體廣播而言，最好的方式是采用組播（Multicast）技術。但是組播技術因為各種原因在IP網絡上并沒有得到有效的支持，因此，利用主機系統代替網絡節點進行組播仿真就成為一個具有吸引力的想法，但目前應用組播尚沒有得到廣泛的應用，在實現上可以看作是內容分發技術的一種形式。

　　(6)內容分發技術：內容分發技術主要也是解決流媒體傳輸的網絡質量問題，其核心的思想是將流媒體服務單元盡量推倒網絡的邊緣。這些分布在網絡邊緣的媒體服務單元在邏輯上可以構成一個內容分發網絡（CDN）向用戶提供媒體服務。目前，CDN已經成為流媒體傳輸的主流技術得到了廣泛的應用。

3.網絡承載層

　　網絡承載層即基礎的IP傳輸網絡。網絡承載層需要為流媒體提供支撐的主要包括兩個方面：組播和服務質量。

　　(1)組播：流媒體的廣播最佳的方式就是采用組播。組播技術經過多年的研究，已經較為成熟，并制定了多項關于組播的標準協議。但是組播在實際的運營網絡中很少實現。主要的因素包括擴展性、可靠性和穩定性等問題。目前，在骨干網上采用組播來實現流媒體傳輸不太現實，但是可以利用組播技術在局域網或者小區網中實現流媒體傳輸。

　　(2)服務質量：IP網絡的服務質量一直是受到廣泛關注的熱點問題。但是至今為止，商用的IP網絡上還不能提供充分的、可靠的服務質量保證，這和IP采用的Best Effort設計思路有關。但是，服務質量對于可靠的流媒體傳輸至關重要，良好的網絡傳輸服務質量的高質量流媒體服務的基礎。為流媒體傳輸提供服務質量保證是IP網絡的巨大挑戰。

4.終端接入層

　　通常，流媒體需要通過計算機上的媒體播放器呈現為視頻圖像。因此，最常見的流媒體終端為PC終端。但是隨著技術的進步和用戶的需求的增加，提供多種化的終端支持是流媒體發展的必然趨勢。這些終端包括：智能電話終端、電視、3G手機等。

　　智能電話終端作為傳統電話的擴展，可以通過附加IP協議和視頻處理芯片的方式支持流媒體。傳統的電視機可以通過增加機頂盒的方式收看IP方式的流媒體節目。3G手機作為支持多媒體的移動終端將是未來流媒體發展的一個重要方面。

　　為了保證不同形式的終端支持流媒體，需要相應的網關設備。目前，家庭綜合智能網關是一個關注的熱點，它可以為多種設備提供智能網關服務，并實現一個家庭網絡。

5.運營支撐層

　　為了實現可運營的流媒體應用系統，需要一個完善的運營支撐層對業務進行管理、計費的工作。從功能上，運營支撐層至少需要完成如下的工作：用戶管理、認證/授權、計費、網絡管理。一個完整的運營支撐系統還需要包括營業受理系統、帳務系統（收費渠道）、預付費卡系統、客服系統等等。

　　根據運營支撐層和流媒體其他各層次的關系，可以構成多種不同的運營模式?？紤]到電信運營商在業務運營、營業受理、收費渠道，以及網絡接入和客戶資源等方面的優勢，由電信運營商構建一個綜合的流媒體應用支撐平臺向各個流媒體應用和內容提供商提供綜合的業務支撐服務是目前較為可行，并且能夠實現多方互利多贏的運營模式，例如中國電信的互連星空等。

三、總結

　　作為互聯網上一個正在蓬勃發展的應用，流媒體應用作為未來高速網絡的主流應用的趨勢已經越來越明確。目前，人們已經越來越習慣在網絡上收聽在線的音樂，收看在線的電視和視頻節目，甚至通過網絡進行視頻聊天等等。

　　可以預計，寬帶流媒體技術和應用必然會在未來的網絡中發揮更重要的作用，并從一定程度上改變人們使用網絡的方式。

----《中國多媒體視訊》