流媒體網絡傳輸的技術瓶頸

2019-11-03 09:00:28

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供稿：網友

孫飛

　　網絡技術的發展讓寬帶網逐漸有了普及的聲勢和現實步伐，流媒體的瓶頸正悄悄地被突破。據專家預測，流媒體有望在最近幾年內成為發展的熱點。無論是在國內已經有較多應用的教育、廣電、政府、電信等行業部門，還是在企業內部網中主要應用于職工培訓、信息廣播、產品發布、遠程監控、視頻會議、客戶服務等業務，流媒體都在隨著寬帶網絡的普及步伐而顯出其蘊涵的巨大潛力。

　　一、流媒體網絡傳輸方式

　　目前應用于互聯網上的流媒體發布方式主要有單播（Singlecast）、廣播（Broadcast）、多播（Multicast）和點播（Unicast）等四種技術。

　　（1）單播（Singlecast）：在客戶端與媒體服務器之間需要建立一個單獨的資料信道，從一臺服務器送出的每個資料包只能傳送給一個客戶機，這種傳送方式稱為單播。每個用戶必須對媒體服務器發送單獨的查詢，而媒體服務器必須向每個用戶發送所申請的資料包拷貝。這種巨大冗余造成服務器負擔沉重，響應需要很長時間，甚至停止播放；管理人員也被迫購買硬件和帶寬來保證一定的服務質量。單播一般用于廣域網的流媒體傳輸。

　　（2）廣播（Broadcast）：廣播指的是用戶被動接收流。在廣播過程中，客戶端接收流，但不能控制流。例如，用戶不能暫停、快進或后退該流。廣播方式中資料包的單獨一個拷貝將發送給網絡上的所有用戶。使用單播發送時，需要將資料包復制多個拷貝，以多個點對點的方式分別發送到需要它的那些用戶；而使用廣播方式發送，資料包的單獨一個拷貝將發送給網絡上的所有用戶，而不管用戶是否需要。單播和廣播這兩種傳輸方式都非常浪費網絡帶寬。

　　（3）多播（Multicast）：ip多播技術構建一種具有多播能力的網絡，允許路由器一次將資料包復制到多個信道上。采用多播方式，單臺服務器能夠對幾十萬臺客戶機同時發送連續數據流，而且沒有時延。媒體服務器只需要發送一個信息包，而不是多個；所有發出請求的客戶端共享同一信息包。信息可以發送到任意地址的客戶機，減少網絡上傳輸的信息包的總量。網絡利用效率大大提高，成本大為下降。多播吸收了上述兩種發送方式的長處，克服了兩者的弱點，將資料包的單獨一個拷貝發送給有需要的客戶。多播不會復制資料包的多個拷貝傳輸到網絡上，也不會將資料包發送給那些不需要它的客戶，在多媒體應用中占用的網絡帶寬最小。但多播一般只能用于局域網或專用網段內傳播。

　　（4）點播（Unicast）：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、暫停、快進、后退或停止流。點播連接提供了對流的最大控制，但這種方式由于每個客戶端各自連接服務器，占用網絡帶寬很多。

　　隨著寬帶業務的普及，流媒體傳輸技術的發展，視頻直播、視頻點播業務被眾多寬頻網站所應用。但無論是在硬件還是在軟件環境上，都有很多技術需要我們去關注與研究。

　　二、硬盤技術帶來的網絡存儲瓶頸

　　寬帶技術使網絡入口的速度得到提高，用戶可以享受在網上暢游的感覺，同時并發數量的增加，可以向更多的用戶同時提供服務。網絡帶寬增加后，相應存儲部分也要增加，如果采用傳統的存儲技術就會成為I/O（輸入/輸出）的瓶頸，系統不能按照最優化的、效率最高的方式來提供，就會形成前臺是寬帶，后臺是窄帶，這樣就會影響寬帶的效率和意義。

　　目前硬盤數據傳輸的瓶頸不在硬盤接口，而在于硬盤盤體本身。硬盤廠商在生產IDE或SCSI硬盤時使用的盤體是相同的，只是所用的接口電路不同而已，而目前硬盤由于受到磁介質和機械因素的影響，速度很難有大幅度的提高。也就是說，硬盤的傳輸速度在現有技術條件下可能達到SCSI甚至IDE的接口速度，所以我們認為SCSI硬盤同IDE硬盤的實際性能是差不多的，而數據傳輸之所以不盡如人意完全是由于盤體本身造成的，與使用IDE還是SCSI接口沒有多大關系。

　　如何提高存儲設備的性能呢？我們可以采用RAID技術。RAID可以讓多個硬盤同時服務于同一個請求，從而在總體上提高數據傳輸速度；而且，RAID還有強大的數據保護功能。使用RAID可以使連續數據傳輸速度達到50Mbit/s或更高，這對于大多數用戶已經足夠。同時我們采用優化的讀取算法使硬盤的尋道時間和尋道次數都大幅度降低，增加了硬盤的壽命。動態的負載均衡技術使單臺服務器的各塊網卡的負載基本相同，使系統的整體性能得到了很大的提高。

　　目前RAID級別分為0～5級，可以獲得業界廣泛認同的有4種，RAID 0、RAID 1、RAID 0+1和RAID 5。

　　RAID 5是目前應用最廣泛的RAID技術。各塊硬盤進行條帶化分割，相同的條帶區進行奇偶校驗，校驗數據平均分布在每塊硬盤上，如圖1所示。以n塊硬盤構建的RAID 5陣列可以有n-1塊硬盤的容量，存儲空間利用率非常高。任何一塊硬盤上的數據丟失，均可以通過校驗數據推算出來。RAID 5具有數據安全、讀寫速度快、空間利用率高等優點，應用非常廣泛，但不足之處是如果一塊硬盤出現故障以后，整個系統的性能將大大降低。

　　總而言之，RAID 0及RAID l最適合于Web服務器、直播服務器和采集工作站，提供了最佳的性能與最便宜的價格；RAID 5則適用于流媒體點播服務器的節目庫、數據庫服務器等大量數據處理中心。

　　三、傳輸技術成為目前網絡直播發展的瓶頸

　　網絡直播實時性、互動性及豐富多彩的音、視頻多媒體的特性給網民帶來全新的網絡視角和體驗，但傳輸速度欠佳也讓其未來的發展底氣不足。因此，網絡直播發展應該突破帶寬、網速等傳輸技術瓶頸。對于經常上網的人來說，網絡直播不是什么新鮮事。作為一種全新的數字傳播方式，從政協會議、人大會議到各種精彩的一種全新的數字傳播方式，從政協會議、人大會議到各種精彩的體育賽事，網絡直播近幾年來發展迅速。最近，互聯網全面直播《十面埋伏》首映式，再度引發了人們對網絡直播這一新型傳播媒介的關注。盡管這只是電影商業炒作的一種手段，但800萬用戶的傳播覆蓋力著實讓人為之側目，更讓人們對網絡直播的發展前景有了期待。不過，此次所做的一項對網絡直播認知度的網絡調查顯示，近八成的網民認為網絡直播前景不錯，但因帶寬及網速制約造成的直播效果不理想也成為網民反映最多的問題。顯然，網絡直播要想獲得長足的發展不能忽視傳輸這一技術瓶頸。

　　由于網絡技術的特殊性，網絡用戶要得到數據必須從連接網絡的服務器上獲得，在數據量小或用戶不多的情況下，并不會有什么問題，但當用戶成倍增長，數據量極度膨脹時，就會對內容提供方的服務器及存儲設備提出挑戰。往年，央視春節聯歡晚會網絡直播還沒到高峰時期，就已出現因為用戶太多而連接不上央視國際網站的視頻服務器、看不到直播的現象，甚至出現服務器死機的嚴重情況。看來，網絡直播的發展還得著力解決硬件設備的傳輸能力。

　　以遠古科技（VIEWGOOD）的視頻直播技術解決方案為例，他們采用了KeyBufferTM技術，充分保證系統擁有最優秀的同步性和最短的時延性，廣域網時延只有100ms；采用MPEG-4編解碼技術，既保證了圖像的質量，又大大縮減了視頻所占的帶寬；服務器端進行實時編碼壓縮，客戶端進行實時解碼、實時播放，充分保證系統擁有最短的時延性；采用高效的多播與單播衍發技術有效地利用網絡帶寬資源。

　　四、流媒體點播技術瓶頸

　　眾所周之，流媒體技術被一些大公司（如Microsoft、Real、Apple）壟斷著，雖然他們的服務系統（如Media Server、Real Server、QuickTime）功能強大，但是相對說來，價格昂貴、英文界面、設置復雜以及對電腦性能要求高，不是很適合中國市場。而且每家公司技術保守的壁壘難以打破，一般都是只支持他們特定的文件格式，不能同時兼容多種文件格式，而其中一些比較專業的應用對很多用戶來說也是沒有必要的，更重要的是需要專業人員來配置這樣的系統。種種原因導致了普通的用戶根本無法配置起這樣的流媒體服務系統，就算真正配置起來的話，也是僅僅只能支持特定的文件類型，而且還需要轉換工具的輔助。流媒體平臺對比請參見《中國多媒體視訊》第九期。

　　目前流媒體點播技術方面的主要瓶頸有：第一、系統能夠支持的視頻流格式有多少；第二、是否能夠流暢地播放高清晰（高碼流）的影視節目；第三、點播、直播視頻源內容時的響應速度快慢，緩沖長短；第四、對網絡帶寬資源的利用情況如何；第五、視頻流傳輸所用的網絡協議是開放的還是自定義的；第六、視頻節目的防盜鏈與多重認證方法。

　　隨著國內流媒體的興起與眾多IT精英的投身，國內企業在商業流媒體系統應用的開發領域確實走在國際前列。

　　五、網絡瓶頸

　　高清晰度、連貫流暢的流媒體節目需要較高的帶寬來傳輸數據，電信運營商還無法為大多數用戶提供相應的網絡帶寬來欣賞高質量的節目，低質量的服務當然無法獲取收益，這就是我們要談的網絡瓶頸。通常情況下，100Mbit/s網絡實際使用效率只有80％左右，如《中國多媒體視訊》第九期所示。上述性能指標針對的是廣域網；對于局域網、城域網，流媒體廠商們一般會采用多播的方式，只占一路帶寬，無并發流數限制。

　　互聯網的飛速發展，帶動了寬帶網絡環境建設的逐步成熟，單純的信息發布和市場宣傳網站已遠遠不能滿足企業日益增長的需求。而寬帶網絡的發展、流媒體系統的快速推進和用戶需求的提升都促使門戶網空前重視網絡內容應用。寬帶視訊已經被認為是未來高速寬帶網絡的主流應用之一。我們有理由相信，在寬帶日漸普及的今天，流媒體方式必將成為網絡媒體的主流。　

　　
----《中國多媒體視訊》