流媒體實時交互的原理概述.doc

TCP/IP原理與應用研究總結報告：流媒體實時交互的原理概述 本科課程論文 Course Paper課程名稱 Course：TCP/IP協議原理與應用課程性質 Course No：原理與應用學 分 數 Credits：3主講教師 Instructor：XXX開設學院 College：計算機與信息工程學院開設時間 Semester：2012年2月2012年6月論文編號 Paper No: XXXXXX撰寫日期 Date: 2012-5-25流媒體實時交互的原理概述The principle of real-time interaction of streaming mediaXX（計算機與信息工程學院 網絡工程 09級 XXXXXX）論文類型Paper Type: 研究總結 Summary of Focused Research論及主題 Subject Covered: 引言 流媒體的相關概念 流媒體的實時性與交互性 流媒體實時交互的原理 結論巢 湖 學 院流媒體實時交互的原理概述XX（計算機與信息工程學院 09網絡工程 09級 XXXXXXXX）Email: XXXXXXXX163.com摘 要:生活中，流媒體技術應用隨處可見，如遠程教育、視頻會議、互聯網直播等等，其實時交互功能給用戶帶來了極大的便利。信息在網絡的傳輸過程中，都是使用網絡體系各層次的協議來實現。因此，流媒體的傳輸以及功能的實現離不開協議的承載。本篇論文首先介紹流媒體的相關概念，其次介紹實現實時交互性所需要的基本傳輸協議，最后用圖示來闡明客戶端與服務器實時交互的過程。關鍵詞:流媒體；實時交互；RTP；RTCP；RTSP；RSVPThe principle of real-time interaction of streaming mediaXXXXXX（09012064, College of Computers & Information Engineering, ChaoHu University, Hefei, China）Email:XXXXXX163.comAbstract:In life, the application of streaming media technology can be seen everywhere, such as distance education, video conference, live broadcast on the Internet etc.In the process of transmission,the information is based on the protocols of various network system levels.Therefore,the transmission of streaming media and the realization of the function are also inseparable from the protocol. Firstly,this paper introduces the concept of streaming media. Secondly,it introduces the basic transmission protocol that the realization of real-time interaction used. Finally, the graph elucidate the process of real-time interactive between the client and the server. Key words:Streaming Media ; Real-time interactive ; RTP ; RTCP ; RTSP ; RSVP1 引言當我們使用TCP/IP協議下載電影文件時，服務器將文件按照一定的次序分成若干獨立的數據報文，依次發(fā)出去，客戶端的程序將這些數據報文重新組裝起來，最終形成和源文件一樣的完整文件。這樣，我們就可以對這個文件進行任何操作了。而流媒體技術并非如此，它能夠將文件按照特定的順序發(fā)送出去，客戶端的播放程序可以邊接收數據邊播放。為了使播放更加穩(wěn)定連貫，通?？蛻舳藭ㄟ^為接收數據開辟緩存區(qū)的方式來解決網路擁擠的問題。這樣，只需要在緩沖區(qū)充滿前等待幾秒鐘，就可以開始欣賞電影了。文件的剩余部分將在后臺從服務器內繼續(xù)下載。流式傳輸不僅使啟動延時成十倍、百倍地縮短，而且不需要太大的緩存容量。生活中，流媒體技術應用隨處可見，如遠程教育、視頻會議、互聯網直播等等。由此可見，目前基于流媒體的應用非常多，而且發(fā)展非常迅猛。豐富的流媒體應用對用戶有很強的吸引力，因此在解決了制約流媒體的關鍵技術問題后，我們可以預料到，流媒體應用必然會成為未來網絡的主流應用。本篇論文首先介紹流媒體的相關概念以及流媒體的實時交互的體現，然后詳細介紹實現流媒體實時交互所需要的傳輸協議，最后闡述流媒體實現實時交互的過程。2 流媒體的相關概念參考文獻12.1 流媒體與流媒體技術流媒體（Streaming Media）是指在Internet/Intranet上使用流式傳輸技術的連續(xù)時基媒體（如音頻、視頻或多媒體文件）。它在播放前并不下載整個文件，而是將文件的開始部分內容先存入內存，雖然在開始時會出現一些延時，但保證了數據流可以隨時傳送隨時播放。流媒體技術不是單一的技術，它建立在眾多的基礎技術之上，包括網絡通信技術、多媒體數據采集技術、多媒體數據壓縮技術、多媒體數據存儲技術和多媒體數據傳輸技術。流媒體實時交互的特性就是由多媒體數據傳輸技術來體現的。2.2 流式傳輸實現流媒體的關鍵技術就是流式傳輸。流式傳輸的定義很廣泛，主要指通過網絡傳送媒體（如音頻、視頻）技術的總稱。實現流式傳輸有兩種方法：順序流式傳輸和實時流式傳輸。順序流式傳輸是順序下載，在下載文件的同時，我們可以觀看已經下載的部分，而不能跳到還未下載的后續(xù)部分。順序流式傳輸比較適合高質量的短片段，如片頭、片尾和廣告，但它不適合長片段或者有隨機訪問要求的視頻，如講座、演說與演示，也不支持現場廣播。實時流式傳輸保證媒體信號帶寬與網絡連接匹配，使媒體可被實時觀看到。實時流式傳輸需要專用的流媒體服務器，如QuickTime、Streaming Server與WindowsMediaServer，它還需要特殊網絡傳輸協議，如RTSP（Realtime Streaming Protocol）或MMS(Microsoft Media Server)。實時流式傳輸總是實時傳送，特別適合現場事件，也支持隨機訪問，如我們對視頻播放的快進或后退操作。2.3 流式傳輸的基本原理2.3.1 流式傳輸圖示參考文獻2流式傳輸的實現需要緩存，使用緩存系統來彌補傳輸延時和抖動的影響，并保證數據包的順序正確，從而使媒體能連續(xù)輸出，而不會因為網絡暫時擁塞使播放出現停頓。通常高速緩存所需容量并不大，因為高速緩存使用環(huán)形鏈表結構來存儲數據，通過丟棄已經播放的內容，流可以重新利用騰出的高速緩存空間來緩存后續(xù)尚未播放的內容。實現流式傳輸一般都需要專用服務器和播放器，其傳輸過程如下圖所示：HTTP/TCP 控制信息RSTP/TCP媒體文件定位Web瀏覽器Web服務器A/V播放器A/V服務器RTP/UDP 2.3.2 流式傳輸過程解析流式傳輸的過程如下：用戶選擇某一流媒體服務器后，Web瀏覽器與Web服務器之間使用HTTP/TCP交換控制信息，以便把需要傳輸的實時數據從原始信息中檢索出來；然后客戶機上的Web瀏覽器啟動相應的媒體播放器程序，從Web服務器檢索相關參數對媒體播放器程序進行初始化。媒體播放器程序及A/V服務器同時運行實時流控制協議（RTSP），以交換A/V傳輸所需的控制信息，A/V服務器使用RTP/UDP協議將A/V數據傳輸給A/V客戶端程序（一般可認為客戶端程序等同于媒體播放器程序），一旦A/V數據抵達客戶端，A/V客戶程序即可播放輸出。在播放過程中，客戶機的媒體播放器需要通過RSTP/UDP與媒體服務器實時交換控制信息，媒體服務器根據客戶機反饋的流媒體接收情況，自動調整向客戶機傳送的媒體數據流，從而在客戶端達到最優(yōu)的接收效果。3 流媒體的實時性與交互性所謂流媒體的交互性，通俗地來講，就是在媒體播放時，用戶通過選擇和控制操作來自主選擇播放內容。而實時性則是指系統必須對外來時間再限定時間內做出反應，簡單地說，就是達到所需要的“快”。有了實時性，才能實現交互性。流媒體的實時與交互的特性使我們能夠更好更自主化地選擇自己所需的媒體服務，這種相對于傳統媒體而言不曾具有的新型特性，使流媒體技術廣受歡迎，滿足人們的需求。具有流媒體的實時交互性的產品充斥著我們生活工作的各個方面。如大家電腦里必備的看電視工具，PPS、PPTV、Youku網等等，亦或是，遠程教育系統，視頻會議系統等等。這些產品給我們的生活工作帶來極大的便利，技術的發(fā)展總是為人類而服務。4 流媒體實時交互的原理Internet原本不是用于實時多媒體流的通信的，使用TCP/IP協議不能保證實時通信所要的帶寬，傳輸延遲所造成的時間抖動將使實時通信的質量嚴重下降。另外，TCP協議負責數據的流量控制，保證傳輸的正確性，具有數據重發(fā)的功能，這一點不符合實時通信的要求。所以在Internet上傳送多媒體信息時，采用的都是UDP/IP協議。由于UDP和IP都不具有連接保證，因而數據傳輸的可靠性沒有保障。因此，IETF（Internet工程項目組）提出了多種實時通信協議，其中針對流媒體傳輸的各種常用實時協議主要有：實時傳輸協議RTP、實時傳輸控制協議RTCP、實時流協議RTSP、資源預定協議RSVP。4.1 四種協議簡述參考文獻34.1.1 RTP協議在IP網絡上傳輸數字音頻或視頻信號所使用的協議是實時傳輸協議RTP（Real-time Transport Protocol）。RTP提供兩個關鍵的特性：每個數據報中的序號及時間戳。序號允許接收端檢測不按順序的交付或數據丟失，時間戳允許接收端控制回放。因為設計RTP是為了讓它傳送包括音頻和視頻等實時數據，所以RTP不強制統一語法解釋，而是每個分組以固定的首部開頭、首部中的字段指定如何解釋其余的首部字段以及如何解釋有效負荷。RTP固定的首部格式如下圖所示：VERPXCCMPTYPE序號時間戳同步源標識符參與源IDRTP采用基于速率的流量控制機制，使得發(fā)送方和接收方可以協同工作。RTP協議通常工作在UDP協議之上，但也可以在其他協議上工作。RTP不提供資源預定，本身并不能為按順序傳送數據報文提供可靠的傳輸機制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠實時傳輸控制協議RTCP提供這些服務。4.1.2 RTCP協議實時傳輸控制協議（Real-time Transport Control Protocol）是RTP的伴隨協議，它是RTP協議的一個完整部分，提供需要的控制功能。RTCP允許發(fā)送端和接收端互相傳輸一系列報告，這些報告包括有關正在傳輸的數據以及網絡性能的額外信息。RTCP報文封裝在UDP數據報中，以便進行傳輸，發(fā)送時使用比它們所屬的RTP流的端口大1的協議號。RTCP使用5個基本報文類型允許發(fā)送端和接收端交換有關會話信息。5種RTCP報文類型如下表所示：類型含義200發(fā)送端報告201接收端報告202源描述報文203結束報文204應用程序特定報文發(fā)送端周期性地傳輸發(fā)送端報告報文，提供絕對時間戳；接收端周期性地傳輸接收端報告報文，向發(fā)送端通知接收的條件。發(fā)送端還傳輸源描述報文，提供有關擁有源站控制權的用戶的常規(guī)信息。在停止數據流時發(fā)送端傳輸一條結束報文。應用程序特定報文類型提供了基本功能的擴展，以允許用戶程序定義報文類型。4.1.3 RSTP協議實時流協議RSTP（Real-time Streaming Protocol）是為了滿足流媒體實現多點傳送和以點播方式單一傳送的要求而提出的網絡應用層協議。它在體系結構上位于RTP和RTCP之上，使用TCP或RTP完成數據傳輸。RTSP利用流技術把數據分成許多數據包，數據包的大小由客戶端和服務器端的實際帶寬決定，當客戶端接收到足夠的數據包時，用戶不需要下載整個媒體文件就可以開始播放流媒體。因為播放器在播放一個數據包的同時，解壓另一個數據包并下載第三個數據包。流媒體數據可以是輸入的實況信息，也可以是存儲的視頻、音頻片段。通過RTSP協議，服務器端可以跟蹤流媒體傳輸的時間地址和方式，實現暫停、快放、后退等交互功能。4.1.4 RSVP協議由于音頻和視頻數據流比傳統數據對網絡的延時更加敏感，為了在網絡中傳輸高質量的音頻、視頻信息，除帶寬滿足要求之外，還應提供一種有效的資源預約機制，可以有效地描述應用程序對資源的需求。RSVP（Resource Reserve Protocol）是Internet上的資源預定協議，使用RSVP預留一部分網絡資源，能在一定程度上為流媒體的傳輸提供Qos。在某些試驗性的系統如網絡視頻會議工具中就集成了RSVP。RSVP是一個單工協議，只在一個方向上預定資源。特別地，RSTP是一個面向用戶端協議，由信宿負責資源預定，可以滿足點到多點的群通信中客戶端衣鉤的需求，每個客戶可以預定不同數量的資源，接收不同的數據流。4.2 流媒體實時交互的過程4.2.1 實時交互的關鍵協議RTSPRTSP是應用層協議，用于控制實時數據的傳送。RSTP提供了一個可擴展的框架，使實時數據的受控，點播成為可能，也就是實現與用戶的交互功能。RTSP建立并控制一個或幾個時間同步的連續(xù)流媒體，換言之，RSTP充當多媒體服務器的網絡遠程控制。在RSTP連接期間，RTSP用戶可以打開或關閉多個對服務器的可靠傳輸連接以發(fā)出RTSP請求。4.2.2 實時交互過程圖示有關實時交互過程的RTSP方法如下：u SETUP：讓服務器給流分配資源，啟動RTSP連接；u PLAY與RECORD：啟動SETUP分配流的數據傳輸；u PAUSE：臨時停止流，而不釋放服務器資源；u TEARDOWN：釋放流的資源，RTSP連接停止?？蛻舳耸褂肦TSP協議與服務器端通信獲取流媒體數據的過程如下圖所示：HTTP連接連接描述SETUPPLAYRTP AudioRTP VidioRTCPPAUSETEARDOWN客戶端MediaServerWebServer圖示交互過程描述：客戶端使用HTTP向Web服務器發(fā)送連接請求，Web服務器根據收到的請求將所請求的連接描述發(fā)送給客戶端，客戶端使用連接描述中的信息創(chuàng)建RTSP連接，與媒體服務器進行通信，獲取流媒體數據。首先客戶端向媒體服務器發(fā)送SETUP命令，收到服務器端的響應后，建立RTSP連接；然后客戶端發(fā)送PLAY命令，收到服務器端的響應后，開始傳輸音頻、視頻數據，及適當的控制信息；如果媒體播放過程中，需要暫停，客戶端將發(fā)送PAUSE命令，暫停數據傳輸；當客戶端需要結束媒體播放時，將向媒體服務器發(fā)送TEARDOWN命令，結束媒體數據的傳輸。5 結