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隨著互聯(lián)網的飛速發(fā)展,流媒體技術的應用越來越廣泛,從網上廣播、電影播放到遠程教學以及在線的新聞網站等都用到了流媒體技術。但現(xiàn)有公開文獻所報道的大多是利用現(xiàn)有的流媒體服務器來搭建一個流媒體服務系統(tǒng)，或者是針對流媒體數(shù)據(jù)的編碼方式所進行的研究。本文對流媒體服務器技術的研究重點在于如何建立一個服務器，并且在實現(xiàn)流媒體傳輸?shù)膬蓚€基本協(xié)議RTP/RTCP的基礎上構建一個基本的流媒體服務器。
2 流媒體技術簡介
2.1 “流”的定義
現(xiàn)在網上傳輸視頻、音頻主要有下載（Download）和流式傳輸（Streaming）兩種方式。流式傳輸是連續(xù)傳送視/音頻信號，當流媒體在客戶機播放時其余部分在后臺繼續(xù)下載。流式傳輸有順序流式傳輸(Progressive Streaming)和實時流式傳輸(Realtime Streaming)兩種方式。實時流式傳輸是實時傳送，特別適合現(xiàn)場事件，實時流式傳輸必須匹配連接帶寬，這意味著圖像質量會因網絡速度降低而變差,以減少對傳輸帶寬的需求。“實時”的概念是指在一個應用中數(shù)據(jù)的交付必須與數(shù)據(jù)的產生保持精確的時間關系。
在Internet中使用流式傳輸技術的連續(xù)時基媒體就稱為流媒體，通常也將其視頻與音頻稱為視頻流和音頻流。實現(xiàn)流式傳輸一般都需要專用服務器和播放器。
2.2 流媒體系統(tǒng)組件
流媒體是由各種不同軟件構成的，這些軟件在各個不同層面上互相通信，基本的流媒體系統(tǒng)包含以下3個組件：
播放器（Player），用來播放流媒體的軟件。
服務器（Server），用來向用戶發(fā)送流媒體的軟件。
編碼器（Encode），用來將原始的音頻視頻轉化為流媒體格式的軟件。
這些組件之間通過特定的協(xié)議互相通信，按照特定的格式互相交換文件數(shù)據(jù)。有些文件中包含了由特定編解碼器解碼的數(shù)據(jù)，這種編解碼器通過特定算法壓縮文件的數(shù)據(jù)量。
3 流媒體服務器的基本功能和服務方式
3.1 流媒體服務器的主要功能
（1）響應客戶的請求，把媒體數(shù)據(jù)傳送給客戶。流媒體服務器在流媒體傳送期間必須與客戶的播放器保持雙向通信（這種通信是必需的，因為客戶可能隨時暫停或快放一個文件）。
（2）響應廣播的同時能夠及時處理新接收的實時廣播數(shù)據(jù)，并將其編碼。
（3）可提供其他額外功能，如：數(shù)字權限管理（DRM），插播廣告，分割或鏡像其他服務器的流，還有組播。
3.2 流媒體服務器的服務方式
（1）單播。在客戶端與媒體服務器之間建立一個單獨的數(shù)據(jù)通道，從1臺服務器送出的每個數(shù)據(jù)包只能傳送給1個客戶機。
（2）組播。在以組播技術構建的網絡上，允許路由器一次將數(shù)據(jù)包復制到多個通道上。
（3）點播與廣播。點播連接是客戶端與服務器之間的主動的連接，在點播連接中，用戶通過選擇內容項目來初始化客戶端連接，用戶可以開始、停止、后退、快進或暫停流。廣播指的是用戶被動地接收流，在廣播過程中，數(shù)據(jù)包的單獨一個拷貝將發(fā)送給網絡上的所有用戶，客戶端接收流，但不能控制流。
4 構建流媒體服務器
4.1 RTP/RTCP協(xié)議簡介
實時傳輸協(xié)議RTP（Realtime Transport Protocol）：是針對Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個傳輸協(xié)議, 由IETF(Internet工程任務組)作為RFC1889發(fā)布。RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現(xiàn)流同步。RTP的典型應用建立在UDP上，但也可以在TCP或ATM等其他協(xié)議之上工作。RTP本身只保證實時數(shù)據(jù)的傳輸，并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務。
實時傳輸控制協(xié)議RTCP（Realtime Transport Control Protocol）：負責管理傳輸質量在當前應用進程之間交換控制信息。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包，包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料，因此，服務器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，故特別適合傳送網上的實時數(shù)據(jù)。
RTCP主要有4個功能:
（1）用反饋信息的方法來提供分配數(shù)據(jù)的傳送質量，這種反饋可以用來進行流量的擁塞控制，也可以用來監(jiān)視網絡和用來診斷網絡中的問題；
（2）為RTP源提供一個永久性的CNAME（規(guī)范性名字）的傳送層標志，因為在發(fā)現(xiàn)沖突或者程序更新重啟時SSRC(同步源標識)會變，需要一個運作痕跡，在一組相關的會話中接收方也要用CNAME來從一個指定的與會者得到相聯(lián)系的數(shù)據(jù)流（如音頻和視頻）；
（3）根據(jù)與會者的數(shù)量來調整RTCP包的發(fā)送率；
（4）傳送會話控制信息，如可在用戶接口顯示與會者的標識，這是可選功能。
4.2 RTP/RTCP工作過程
工作時，RTP協(xié)議從上層接收流媒體信息碼流（如H.263），裝配成RTP數(shù)據(jù)包發(fā)送給下層，下層協(xié)議提供RTP和RTCP的分流。如在UDP中，RTP使用一個偶數(shù)號端口，則相應的RTCP使用其后的奇數(shù)號端口。RTP數(shù)據(jù)包沒有長度限制，它的最大包長只受下層協(xié)議的限制。
4.3 服務器的算法
服務器軟件模型主要有兩種，即并發(fā)服務器和循環(huán)服務器。循環(huán)服務器(Iterative Server)是指在一個時刻只處理一個請求的服務器。并發(fā)服務器(Concurrent Server)是指在一個時刻可以處理多個請求的服務器。事實上，多數(shù)服務器沒有用于同時處理多個請求的冗余設備，而是提供一種表面上的并發(fā)性，方法是依靠執(zhí)行多個線程，每個線程處理一個請求，從客戶的角度看，服務器就像在并發(fā)地與多個客戶通信。
由于流媒體服務時間的不定性和數(shù)據(jù)交互實時性的請求，流媒體服務器一般采用并發(fā)服務器算法。本文構建了一個基本的流媒體服務器，能夠同時響應多個用戶的請求，把本地硬盤流媒體文件或實時數(shù)據(jù)流（H.263格式）發(fā)送給用戶。在應用中，把客戶分為請求實時數(shù)據(jù)的實時客戶和請求文件數(shù)據(jù)的文件客戶兩類。主要算法為：
（1）打開設備，分配資源。當設備準備好時，創(chuàng)建一個RTP實時服務線程和一個RTCP實時服務線程。
（2）創(chuàng)建一個UDP套接字并將其綁定到所提供服務的地址之上。
（3）反復調用接收模塊，接收來自客戶的RTCP報告，根據(jù)其類型做出響應。對新實時客戶的請求，把客戶地址添加到實時服務的客戶列表中，對新文件客戶的請求，則創(chuàng)建一個新RTP文件服務線程和一個新RTCP文件服務線程；對已經在服務中的客戶則根據(jù)RTCP報告的內容調整服務。
RTP實時服務線程1：初始化客戶列表和RTP首部。
RTP實時服務線程2：從設備讀取媒體數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給實時服務列表中的客戶。
RTP實時服務線程3：更新RTP首部和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
RTP實時服務線程4：計算延時，重復第二步。
RTCP實時服務線程1：初始化RTCP首部。
RTCP實時服務線程2：發(fā)送發(fā)送方報告給實時服務列表中的客戶。
RTCP實時服務線程3：計算延時，重復第二步。
RTP文件服務線程1：初始化RTP首部。
RTP文件服務線程2.：從文件讀取媒體數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶。
RTP文件服務線程3：更新已發(fā)送數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息，為生成發(fā)送方報告做準備。
RTP文件服務線程4：計算延時，調整發(fā)送速度，正常情況下開始重復第二步。
RTCP文件服務線程1：初始化RTCP首部，發(fā)送一個源描述(SDES)報文給客戶。
RTCP文件服務線程2：根據(jù)已發(fā)送數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息生成發(fā)送方報告，發(fā)送給客戶。
RTCP文件服務線程3：計算延時，正常情況下開始重復第一步。
5 流媒體服務器實現(xiàn)中應注意的問題
5.1 會話和流的兩級分用
一個RTP會話(Session)包括傳給某個指定目的地對(Destination Pair)的所有通信量，發(fā)送方可能包括多個。而從同一個同步源發(fā)出的RTP分組序列稱為流(Stream),一個RTP會話可能包含多個RTP流。一個RTP分組在服務器端發(fā)送出去的時候總是要指定屬于哪個會話和流，在接收時也需要進行兩級分用，即會話分用和流分用。只有當RTP使用同步源標識(SSRC)和分組類型(PTYPE)把同一個流中的分組組合起來，才能夠使用序列號(Sequence Number)和時間戳(Timestamp)對分組進行排序和正確回放。
5.2 多線程的管理
并發(fā)服務器模式要求用多線程來提供服務，所以多線程的管理十分重要。在本文構建的服務器中，不同客戶的請求和反饋都由服務器的主線程處理，由于實時數(shù)據(jù)的獨有性，不同實時客戶可以共用一個RTP實時服務線程和一個RTCP實時服務線程，這樣可以大大減小服務器的負擔，而每個文件客戶由于請求的文件不同，相應地對速度和開始時間的要求都可能不同，所以需要有自己獨有的RTP文件服務線程和RTCP文件服務線程。
RTP服務線程負責把實時數(shù)據(jù)流發(fā)送給客戶，RTCP服務線程根據(jù)RTP線程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，產生發(fā)送方報告給客戶。RTP線程和RTCP線程之間通過一段共享內存交互統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對共享內存必須設置互斥體進行保護，防止出現(xiàn)錯誤讀寫。在這種方式下，服務器可以根據(jù)每個用戶的不同請求和具體情況方便地提供不同的服務。
5.3 時間戳的處理
時間戳字段是RTP首部中說明數(shù)據(jù)包時間的同步信息，是數(shù)據(jù)能以正確的時間順序恢復的關鍵。時間戳的值給出了分組中數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的采樣時間(Sampling Instant)，要求發(fā)送方時間戳的時鐘是連續(xù)、單調增長的，即使在沒有數(shù)據(jù)輸入或發(fā)送數(shù)據(jù)時也是如此。在靜默時，發(fā)送方不必發(fā)送數(shù)據(jù)，保持時間戳的增長，在接收端，由于接收到的數(shù)據(jù)分組的序號沒有丟失，就知道沒有發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，而且只要比較前后分組的時間戳的差異，就可以確定輸出的時間間隔。
RTP規(guī)定一次會話的初始時間戳必須隨機選擇，但協(xié)議沒有規(guī)定時間戳的單位，也沒有規(guī)定該值的精確解釋，而是由負載類型來確定時鐘的顆粒，這樣各種應用類型可以根據(jù)需要選擇合適的輸出計時精度。
在RTP傳輸音頻數(shù)據(jù)時，一般選定邏輯時間戳速率與采樣速率相同，但是在傳輸視頻數(shù)據(jù)時，必須使時間戳速率大于每幀的一個滴答。如果數(shù)據(jù)是在同一時刻采樣的，協(xié)議標準還允許多個分組具有相同的時間戳值。
5.4 媒體數(shù)據(jù)發(fā)送速度的控制
由于RTP協(xié)議沒有規(guī)定RTP分組的長度和發(fā)送數(shù)據(jù)的速度，因而需要根據(jù)具體情況調整服務器端發(fā)送媒體數(shù)據(jù)的速度。對來自設備的實時數(shù)據(jù)可以采取等時間間隔訪問設備緩沖區(qū)，在有新數(shù)據(jù)輸入時發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，時間戳的設置相對容易。對已經錄制好的本地硬盤上的媒體文件，以H.263格式的文件為例，由于文件本身不包含幀率信息，所以需要知道錄制時的幀率或者設置一個初始值，在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候找出發(fā)送數(shù)據(jù)中的幀數(shù)目，根據(jù)幀率和預置值來計算時延，以適當?shù)乃俣劝l(fā)送數(shù)據(jù)并設置時間戳信息。
5.5 多種流同步
RTCP的一個關鍵作用就是能讓接收方同步多個RTP流，例如：當音頻與視頻一起傳輸?shù)臅r候，由于編碼的不同，RTP使用兩個流分別進行傳輸，這樣兩個流的時間戳以不同的速率運行，接收方必須同步兩個流，以保證聲音與影像的一致。為能進行流同步，RTCP要求發(fā)送方給每個傳送一個唯一的標識數(shù)據(jù)源的規(guī)范名(Canonical Name），盡管由一個數(shù)據(jù)源發(fā)出的不同的流具有不同的同步源標識(SSRC)，但具有相同的規(guī)范名，這樣接收方就知道哪些流是有關聯(lián)的。而發(fā)送方報告報文所包含的信息可被接收方用于協(xié)調兩個流中的時間戳值。發(fā)送方報告中含有一個以網絡時間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)格式表示的絕對時間值，接著RTCP報告中給出一個RTP時間戳值，產生該值的時鐘就是產生RTP分組中的TimeStamp字段的那個時鐘。由于發(fā)送方發(fā)出的所有流和發(fā)送方報告都使用同一個絕對時鐘，接收方就可以比較來自同一數(shù)據(jù)源的兩個流的絕對時間，從而確定如何將一個流中的時間戳值映射為另一個流中的時間戳值。
6 結論
流媒體技術的應用日益廣泛，對流媒體技術的研究具有很大的實際意義,本文通過對RTP/RTCP協(xié)議的研究，分析流媒體服務器的一般功能和結構，給出構建一個基本的流媒體服務器的實現(xiàn)方案，實驗證明可以同時滿足多個實時和文件客戶的要求,并已經應用于一個遠程監(jiān)控系統(tǒng)中。
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