寬帶網絡流媒體技術和應用

2019-11-03 09:07:14

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供稿：網友

中國電信集團北京研究院楊明川解沖鋒

背景

　　流媒體技術是在數據網絡上以流的方式傳輸多媒體信息的技術。近年來，隨著寬帶網絡的發展和用戶需求的驅動，流媒體技術和相關的應用得到越來越多的關注，被認為是未來高速寬帶網絡的主流應用之一。本文從流媒體的概念、流媒體應用類型、流媒體關鍵技術、流媒體的業務系統和運營模式等方面對流媒體技術和應用進行了全面的介紹。

概念

　　流媒體(Streaming Media)指在數據網絡上按時間先后次序傳輸和播放的連續音/視頻數據流。以前人們在網絡上觀看電影或收聽音樂時，必須先將整個影音文件下載并存儲在本地計算機上，然后才可以觀看。與傳統的播放方式不同，流媒體在播放前并不下載整個文件，只將部分內容緩存，使流媒體數據流邊傳送邊播放，這樣就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) 、時序性，即其數據流具有嚴格的前后時序關系。我國的863高科技研究計劃“高性能信息示范網絡3 Tnet ”中，明確提出要從寬帶流媒體等典型業務入手，建立一個能適應Internet TV等媒體流實時傳輸的高性能、廣域(城域)寬帶演示驗證網絡3Tnet 。除了寬帶網絡外，流媒體技術還可以廣泛地應用于其它網絡，例如無線流媒體傳輸是3G網絡的主要應用之一。在NGN網絡中，流媒體也扮演重要的角色。流媒體應用類型：流媒體應用可以根據傳輸模式、實時性、交互性粗略地分為多種類型。

　　根據上述分類，常見的流媒體的應用主要有：視頻點播(VOD)、視頻廣播、視頻監視、視頻會議、遠程教學、交互式游戲等?？傊?，目前基于流媒體的應用非常多，發展非?？臁ＸS富的流媒體應用對用戶有很強的吸引力，在解決了制約流媒體的關鍵技術問題后，可以預料，流媒體應用必然會成為未來網絡的主流應用。

流媒體關鍵技術問題

　　為了在數據網絡上傳輸媒體流，流媒體技術需要解決從音/視頻源的編碼/解碼、存儲，到網絡端的媒體服務、媒體流傳輸，到用戶端的播放一系列問題。一個典型的媒體流傳輸流程如圖1所示。

　　從圖1中可以看出原始音/視頻流經過編碼和壓縮后，形成媒體文件存儲后(直播的方式不需要文件存儲)，媒體服務器根據用戶的請求把媒體文件(或者直播的媒體流)傳遞到用戶端的媒體播放器。在媒體傳輸中間還可能需要代理服務器進行媒體內容的分發或轉發。

　　為了實現較好質量的流媒體實時播放，需要考慮媒體流傳輸的所有環節。其中，影響傳輸質量的三個最關鍵的因素是：編碼和壓縮的性能和效率、媒體服務器的性能、媒體流傳輸的質量控制。

(1)編碼/壓縮的性能

　　影響音/視頻流的壓縮/編碼性能的因素很多，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。為了解決這個問題，采用了一些先進的編碼技術，例如錯誤彈性編碼(ErrorResilient Encoding)：在編碼中通過適當的控制使得發生數據丟失后能夠最大限度地減少對質量的影響。在Internet環境下，最典型的方法是多描述編碼(MDC)。MDC把原始的視頻序列壓縮成多位流，每個流對應一種描述，都可以提供可接受的視覺質量。多個描述結合起來提供更好的質量。最后，媒體流的壓縮/編碼還需要考慮速率調節的能力，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。一種方法是采用可擴展的層次編碼，可擴展的壓縮/編碼生成多個子位流(Substream) ，其中一個位流是基本位流，它可以獨立解碼，輸出粗糙質量的視頻序列，其他的子位流則起質量增強的作用，所有的子位流一起還原出最好質量的視頻序列。相應的，僅有部分的子位流(必須包含基本子位流)則輸出的視頻在圖像的質量或者圖像的分辨率、圖像播放的幀速率上較差。當網絡速率變化時，可以通過調節流輸出的層次來控制碼流的速率，從而適應網絡速率的變化。

(2)服務器性能

　　隨著流媒體規模的擴大，流媒體服務器的性能成為制約流媒體服務擴展能力的重要因素。流媒體服務器性能的關鍵指標是流輸出能力和能同時支持的并發請求數量。影響流媒體服務器性能的因素很多，包括CPU能力，I/O總線，存儲帶寬等。通常，單個流媒體服務器的并發數都在幾百以內，因此，為了具有更好的性能，目前的高性能流媒體服務器都采用大規模并行處理的結構，例如采用超立方體的結構將各個流媒體服務單元連接起來。還有一種方法是采用簡單的PC集群的方式，這種方式下多個PC流媒體服務器用局域網連接，前端采用內容交換/負載均衡器將流媒體服務的請求分布到各個PC媒體服務單元。后一種方式性能較前一種方式低，但是成本低，容易實現。

(3)媒體流傳輸的質量控制

　　這是制約流媒體性能的最重要的因素。由于流媒體傳輸對網絡帶寬、延遲、丟失率等都有很高的要求，而基于無連接的包交換ip網絡對帶寬資源和服務質量的控制能力都比較弱，因此，在IP網絡上進行流媒體傳輸需要采用一些應用層的質量控制機制來解決傳輸中的問題。這些質量控制機制可以分為幾個層次：最常用的方式是采用速率適應機制，基本的方法是通過一定的速率反饋機制，利用媒體流的速率層次編碼能力，在媒體服務器端動態地調節流媒體的傳輸速率，保證客戶端在網絡可用帶寬變化的時候也能夠正常地收看流媒體內容。速率適應機制附以差錯控制和冗余控制能夠有效地保證流媒體的正常收看。目前流媒體的主流產品都具備應用層的速率適應能力。另外一種方法是采用內容分發網絡(CDN)，采用CDN傳輸流媒體的優點主要包括三個方面：第一是通過應用層的內容分發降低了主干網絡的流媒體流量，并實現了基于應用層的組播仿真(即利用主機構建獨立于網絡層的邏輯組播樹，并采用主機上的應用層軟件進行組播轉發)。第二是通過分布在網絡邊緣的流媒體服務器，避免了擁塞鏈路，提高了流媒體傳輸的性能和響應時間。最后，通過CDN能夠有效地提高整個流媒體系統的擴展性，降低對每個流媒體服務器的性能要求。目前，利用CDN傳輸流媒體是大規模流媒體應用的發展趨勢。

流媒體業務系統

　　制約流媒體發展除了技術問題外，還有商業運營的問題。因為流媒體應用廣泛開展的一個重要前提是：流媒體的應用提供商必須能夠贏利。因此，流媒體應用必須以適當的業務模式來開展，這涉及到諸多方面的問題，包括業務的支撐能力、業務的運營模式等。

　　從業務提供的角度，一個完整的流媒體業務系統應該至少包含三個部分的功能：業務功能提供，通過功能的實現和整合向用戶提供完整的業務，例如對于遠程教育應用，功能提供是指將流媒體的教學資源組織成有計劃、有步驟的教學課程系列提供給用戶；業務管理，業務管理包括用戶管理、內容管理、認證、授權、記賬、計費等；媒體內容傳送，在承載網上有效地傳送流媒體內容是業務提供的基礎。

　　目前，網絡上實際運行的流媒體業務系統一般都是小型的、用戶范圍比較狹窄的系統。這些系統也能支持上述的基本功能，但是這種小而全的模式有幾個缺點：功能不完整、性能和擴展性較差；系統的規模有限，包括網絡的規模和用戶的規模。對于獨立的流媒體應用而言，用戶資源是獨立的，用戶需要單獨地去發展。而網絡的規模一般局限于小區或者城域范圍；開發周期長，業務提供慢；運行和維護的成本高，應用提供商需要獨立負責所有的運行和維護；運營模式單一，不能有效地滿足市場的變化，缺乏靈活性。

　　這些因素都制約了寬帶流媒體業務的大規模開展。為了解決這些問題，一個可行的方法是把業務管理和流媒體內容傳輸的功能從業務功能實現中獨立出來，構成對寬帶流媒體應用的支撐環境。支撐環境可以由獨立的運營商運營，這樣應用提供商可以專注于業務功能實現。通過支撐環境開展寬帶流媒體業務有很多優點。

　　對應用提供商而言，業務支撐環境的優點是：流媒體應用通過一個獨立的支撐環境提供完整、強大的業務管理功能；應用的開發周期短，特別有利于新應用的開發；應用的運行和維護成本??；支持大規模的應用；共享的用戶資源；支持多種運營模式，應用提供商可以根據市場要求和業務的特點選擇多種運營模式，和支撐平臺達成利潤分賬的多種模式。

　　對于用戶而言，統一的支撐環境方便了用戶的使用，例如用戶僅需要一點認證就可以訪問全部(授權的)業務，并完成相關的支付等工作。對于運營商而言，支撐環境是一個增值業務支撐平臺，它本身也是一種面向應用提供商開展的業務。特別是對網絡提供商而言，可以在提供基本的網絡接入服務的同時，提供增值業務，提升在價值鏈上的位置。圖2顯示了一個寬帶流媒體應用支撐環境的典型結構。

　　總之，獨立的寬帶流媒體業務支撐環境或者業務支撐平臺對于克服現有系統的困難，支持高性能、可擴展的流媒體業務的開展具有很高的價值和重要的意義。目前，中國電信集團北京研究院承接的863課題“高性能信息示范網應用支撐環境開發內容和實施方案研究”正在對寬帶流媒體業務支撐環境做相關的研究。

流媒體價值鏈和運營模式

　　根據前面的分析，可以歸納出寬帶流媒體業務的價值鏈至少需要包括幾個部分：應用提供商、內容開發商、業務支撐系統運營商、網絡提供商、用戶。其中，用戶最終獲得寬帶流媒體應用業務，并為之付費。應用提供商是寬帶流媒體業務的直接提供者，直接面對用戶提供業務。內容提供商是流媒體內容資源的擁有者，負責節目的制作，包括流媒體文件的生成、編碼、壓縮。業務支撐系統運營商提供一個獨立的可運營的管理和傳輸平臺，為寬帶流媒體應用提供支撐環境。網絡提供商提供基本的承載網絡。

　　在整個價值鏈系統中，不同提供商可以根據自身的特點和市場需求同時扮演多個角色，從而構成不同的運營模式。例如，網絡提供商可以同時作為流媒體業務支撐系統的運營商，因為由網絡提供商來運營流媒體業務支撐系統有許多優點：首先是網絡提供商擁有網絡資源，這是構建大規模的應用系統必要的條件；其次，網絡提供商擁有用戶，特別是寬帶接入的用戶，這部分用戶自然成為流媒體業務支撐系統的潛在用戶；最后，通過構建流媒體業務支撐系統，網絡提供商可以提高它在價值鏈中的地位，從而實現增值業務。內容提供商也可以和應用提供商整合，特別是目前的多數流媒體應用都是以內容為中心，例如VOD應用、遠程教學應用等。因此，內容提供商可以直接融合應用提供商的角色，通過流媒體業務支撐系統的支撐向用戶提供業務。

　　目前，流媒體業務的運營模式還在不斷發展中，網絡運營商、應用提供商、內容提供商都在不斷尋求成熟的運營模式和合作模式。

摘自　中國電子報

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