寬帶網(wǎng)絡(luò)流媒體技術(shù)和應(yīng)用

2019-11-03 09:07:14

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供稿：網(wǎng)友

中國(guó)電信集團(tuán)北京研究院楊明川解沖鋒

背景

　　流媒體技術(shù)是在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上以流的方式傳輸多媒體信息的技術(shù)。近年來(lái)，隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和用戶(hù)需求的驅(qū)動(dòng)，流媒體技術(shù)和相關(guān)的應(yīng)用得到越來(lái)越多的關(guān)注，被認(rèn)為是未來(lái)高速寬帶網(wǎng)絡(luò)的主流應(yīng)用之一。本文從流媒體的概念、流媒體應(yīng)用類(lèi)型、流媒體關(guān)鍵技術(shù)、流媒體的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)模式等方面對(duì)流媒體技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了全面的介紹。

概念

　　流媒體(Streaming Media)指在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上按時(shí)間先后次序傳輸和播放的連續(xù)音/視頻數(shù)據(jù)流。以前人們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上觀看電影或收聽(tīng)音樂(lè)時(shí)，必須先將整個(gè)影音文件下載并存儲(chǔ)在本地計(jì)算機(jī)上，然后才可以觀看。與傳統(tǒng)的播放方式不同，流媒體在播放前并不下載整個(gè)文件，只將部分內(nèi)容緩存，使流媒體數(shù)據(jù)流邊傳送邊播放，這樣就節(jié)省了下載等待時(shí)間和存儲(chǔ)空間。流媒體數(shù)據(jù)流具有三個(gè)特點(diǎn)：連續(xù)性(Continuous) 、實(shí)時(shí)性(Real - time) 、時(shí)序性，即其數(shù)據(jù)流具有嚴(yán)格的前后時(shí)序關(guān)系。我國(guó)的863高科技研究計(jì)劃“高性能信息示范網(wǎng)絡(luò)3 Tnet ”中，明確提出要從寬帶流媒體等典型業(yè)務(wù)入手，建立一個(gè)能適應(yīng)Internet TV等媒體流實(shí)時(shí)傳輸?shù)母咝阅堋V域(城域)寬帶演示驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)3Tnet 。除了寬帶網(wǎng)絡(luò)外，流媒體技術(shù)還可以廣泛地應(yīng)用于其它網(wǎng)絡(luò)，例如無(wú)線流媒體傳輸是3G網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用之一。在NGN網(wǎng)絡(luò)中，流媒體也扮演重要的角色。流媒體應(yīng)用類(lèi)型：流媒體應(yīng)用可以根據(jù)傳輸模式、實(shí)時(shí)性、交互性粗略地分為多種類(lèi)型。

　　根據(jù)上述分類(lèi)，常見(jiàn)的流媒體的應(yīng)用主要有：視頻點(diǎn)播(VOD)、視頻廣播、視頻監(jiān)視、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教學(xué)、交互式游戲等。總之，目前基于流媒體的應(yīng)用非常多，發(fā)展非常快。豐富的流媒體應(yīng)用對(duì)用戶(hù)有很強(qiáng)的吸引力，在解決了制約流媒體的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題后，可以預(yù)料，流媒體應(yīng)用必然會(huì)成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的主流應(yīng)用。

流媒體關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

　　為了在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳輸媒體流，流媒體技術(shù)需要解決從音/視頻源的編碼/解碼、存儲(chǔ)，到網(wǎng)絡(luò)端的媒體服務(wù)、媒體流傳輸，到用戶(hù)端的播放一系列問(wèn)題。一個(gè)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(jīng)過(guò)編碼和壓縮后，形成媒體文件存儲(chǔ)后(直播的方式不需要文件存儲(chǔ))，媒體服務(wù)器根據(jù)用戶(hù)的請(qǐng)求把媒體文件(或者直播的媒體流)傳遞到用戶(hù)端的媒體播放器。在媒體傳輸中間還可能需要代理服務(wù)器進(jìn)行媒體內(nèi)容的分發(fā)或轉(zhuǎn)發(fā)。

　　為了實(shí)現(xiàn)較好質(zhì)量的流媒體實(shí)時(shí)播放，需要考慮媒體流傳輸?shù)乃协h(huán)節(jié)。其中，影響傳輸質(zhì)量的三個(gè)最關(guān)鍵的因素是：編碼和壓縮的性能和效率、媒體服務(wù)器的性能、媒體流傳輸?shù)馁|(zhì)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(zhì)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(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸，因此必須考慮傳輸中數(shù)據(jù)丟失對(duì)解碼質(zhì)量的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用了一些先進(jìn)的編碼技術(shù)，例如錯(cuò)誤彈性編碼(ErrorResilient Encoding)：在編碼中通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂剖沟冒l(fā)生數(shù)據(jù)丟失后能夠最大限度地減少對(duì)質(zhì)量的影響。在Internet環(huán)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(gè)流對(duì)應(yīng)一種描述，都可以提供可接受的視覺(jué)質(zhì)量。多個(gè)描述結(jié)合起來(lái)提供更好的質(zhì)量。最后，媒體流的壓縮/編碼還需要考慮速率調(diào)節(jié)的能力，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況是不斷變化的，流媒體的編碼必須能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)速率的變化。一種方法是采用可擴(kuò)展的層次編碼，可擴(kuò)展的壓縮/編碼生成多個(gè)子位流(Substream) ，其中一個(gè)位流是基本位流，它可以獨(dú)立解碼，輸出粗糙質(zhì)量的視頻序列，其他的子位流則起質(zhì)量增強(qiáng)的作用，所有的子位流一起還原出最好質(zhì)量的視頻序列。相應(yīng)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(zhì)量或者圖像的分辨率、圖像播放的幀速率上較差。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)速率變化時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)流輸出的層次來(lái)控制碼流的速率，從而適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)速率的變化。

(2)服務(wù)器性能

　　隨著流媒體規(guī)模的擴(kuò)大，流媒體服務(wù)器的性能成為制約流媒體服務(wù)擴(kuò)展能力的重要因素。流媒體服務(wù)器性能的關(guān)鍵指標(biāo)是流輸出能力和能同時(shí)支持的并發(fā)請(qǐng)求數(shù)量。影響流媒體服務(wù)器性能的因素很多，包括CPU能力，I/O總線，存儲(chǔ)帶寬等。通常，單個(gè)流媒體服務(wù)器的并發(fā)數(shù)都在幾百以?xún)?nèi)，因此，為了具有更好的性能，目前的高性能流媒體服務(wù)器都采用大規(guī)模并行處理的結(jié)構(gòu)，例如采用超立方體的結(jié)構(gòu)將各個(gè)流媒體服務(wù)單元連接起來(lái)。還有一種方法是采用簡(jiǎn)單的PC集群的方式，這種方式下多個(gè)PC流媒體服務(wù)器用局域網(wǎng)連接，前端采用內(nèi)容交換/負(fù)載均衡器將流媒體服務(wù)的請(qǐng)求分布到各個(gè)PC媒體服務(wù)單元。后一種方式性能較前一種方式低，但是成本低，容易實(shí)現(xiàn)。

(3)媒體流傳輸?shù)馁|(zhì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、延遲、丟失率等都有很高的要求，而基于無(wú)連接的包交換ip網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶寬資源和服務(wù)質(zhì)量的控制能力都比較弱，因此，在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行流媒體傳輸需要采用一些應(yīng)用層的質(zhì)量控制機(jī)制來(lái)解決傳輸中的問(wèn)題。這些質(zhì)量控制機(jī)制可以分為幾個(gè)層次：最常用的方式是采用速率適應(yīng)機(jī)制，基本的方法是通過(guò)一定的速率反饋機(jī)制，利用媒體流的速率層次編碼能力，在媒體服務(wù)器端動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)流媒體的傳輸速率，保證客戶(hù)端在網(wǎng)絡(luò)可用帶寬變化的時(shí)候也能夠正常地收看流媒體內(nèi)容。速率適應(yīng)機(jī)制附以差錯(cuò)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(chǎn)品都具備應(yīng)用層的速率適應(yīng)能力。另外一種方法是采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)，采用CDN傳輸流媒體的優(yōu)點(diǎn)主要包括三個(gè)方面：第一是通過(guò)應(yīng)用層的內(nèi)容分發(fā)降低了主干網(wǎng)絡(luò)的流媒體流量，并實(shí)現(xiàn)了基于應(yīng)用層的組播仿真(即利用主機(jī)構(gòu)建獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)層的邏輯組播樹(shù)，并采用主機(jī)上的應(yīng)用層軟件進(jìn)行組播轉(zhuǎn)發(fā))。第二是通過(guò)分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的流媒體服務(wù)器，避免了擁塞鏈路，提高了流媒體傳輸?shù)男阅芎晚憫?yīng)時(shí)間。最后，通過(guò)CDN能夠有效地提高整個(gè)流媒體系統(tǒng)的擴(kuò)展性，降低對(duì)每個(gè)流媒體服務(wù)器的性能要求。目前，利用CDN傳輸流媒體是大規(guī)模流媒體應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

流媒體業(yè)務(wù)系統(tǒng)

　　制約流媒體發(fā)展除了技術(shù)問(wèn)題外，還有商業(yè)運(yùn)營(yíng)的問(wèn)題。因?yàn)榱髅襟w應(yīng)用廣泛開(kāi)展的一個(gè)重要前提是：流媒體的應(yīng)用提供商必須能夠贏利。因此，流媒體應(yīng)用必須以適當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)模式來(lái)開(kāi)展，這涉及到諸多方面的問(wèn)題，包括業(yè)務(wù)的支撐能力、業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)模式等。

　　從業(yè)務(wù)提供的角度，一個(gè)完整的流媒體業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)該至少包含三個(gè)部分的功能：業(yè)務(wù)功能提供，通過(guò)功能的實(shí)現(xiàn)和整合向用戶(hù)提供完整的業(yè)務(wù)，例如對(duì)于遠(yuǎn)程教育應(yīng)用，功能提供是指將流媒體的教學(xué)資源組織成有計(jì)劃、有步驟的教學(xué)課程系列提供給用戶(hù)；業(yè)務(wù)管理，業(yè)務(wù)管理包括用戶(hù)管理、內(nèi)容管理、認(rèn)證、授權(quán)、記賬、計(jì)費(fèi)等；媒體內(nèi)容傳送，在承載網(wǎng)上有效地傳送流媒體內(nèi)容是業(yè)務(wù)提供的基礎(chǔ)。

　　目前，網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際運(yùn)行的流媒體業(yè)務(wù)系統(tǒng)一般都是小型的、用戶(hù)范圍比較狹窄的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)也能支持上述的基本功能，但是這種小而全的模式有幾個(gè)缺點(diǎn)：功能不完整、性能和擴(kuò)展性較差；系統(tǒng)的規(guī)模有限，包括網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和用戶(hù)的規(guī)模。對(duì)于獨(dú)立的流媒體應(yīng)用而言，用戶(hù)資源是獨(dú)立的，用戶(hù)需要單獨(dú)地去發(fā)展。而網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模一般局限于小區(qū)或者城域范圍；開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，業(yè)務(wù)提供慢；運(yùn)行和維護(hù)的成本高，應(yīng)用提供商需要獨(dú)立負(fù)責(zé)所有的運(yùn)行和維護(hù)；運(yùn)營(yíng)模式單一，不能有效地滿(mǎn)足市場(chǎng)的變化，缺乏靈活性。

　　這些因素都制約了寬帶流媒體業(yè)務(wù)的大規(guī)模開(kāi)展。為了解決這些問(wèn)題，一個(gè)可行的方法是把業(yè)務(wù)管理和流媒體內(nèi)容傳輸?shù)墓δ軓臉I(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)中獨(dú)立出來(lái)，構(gòu)成對(duì)寬帶流媒體應(yīng)用的支撐環(huán)境。支撐環(huán)境可以由獨(dú)立的運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)，這樣應(yīng)用提供商可以專(zhuān)注于業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)支撐環(huán)境開(kāi)展寬帶流媒體業(yè)務(wù)有很多優(yōu)點(diǎn)。

　　對(duì)應(yīng)用提供商而言，業(yè)務(wù)支撐環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)是：流媒體應(yīng)用通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的支撐環(huán)境提供完整、強(qiáng)大的業(yè)務(wù)管理功能；應(yīng)用的開(kāi)發(fā)周期短，特別有利于新應(yīng)用的開(kāi)發(fā)；應(yīng)用的運(yùn)行和維護(hù)成本小；支持大規(guī)模的應(yīng)用；共享的用戶(hù)資源；支持多種運(yùn)營(yíng)模式，應(yīng)用提供商可以根據(jù)市場(chǎng)要求和業(yè)務(wù)的特點(diǎn)選擇多種運(yùn)營(yíng)模式，和支撐平臺(tái)達(dá)成利潤(rùn)分賬的多種模式。

　　對(duì)于用戶(hù)而言，統(tǒng)一的支撐環(huán)境方便了用戶(hù)的使用，例如用戶(hù)僅需要一點(diǎn)認(rèn)證就可以訪問(wèn)全部(授權(quán)的)業(yè)務(wù)，并完成相關(guān)的支付等工作。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，支撐環(huán)境是一個(gè)增值業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)，它本身也是一種面向應(yīng)用提供商開(kāi)展的業(yè)務(wù)。特別是對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供商而言，可以在提供基本的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)的同時(shí)，提供增值業(yè)務(wù)，提升在價(jià)值鏈上的位置。圖2顯示了一個(gè)寬帶流媒體應(yīng)用支撐環(huán)境的典型結(jié)構(gòu)。

　　總之，獨(dú)立的寬帶流媒體業(yè)務(wù)支撐環(huán)境或者業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)對(duì)于克服現(xiàn)有系統(tǒng)的困難，支持高性能、可擴(kuò)展的流媒體業(yè)務(wù)的開(kāi)展具有很高的價(jià)值和重要的意義。目前，中國(guó)電信集團(tuán)北京研究院承接的863課題“高性能信息示范網(wǎng)應(yīng)用支撐環(huán)境開(kāi)發(fā)內(nèi)容和實(shí)施方案研究”正在對(duì)寬帶流媒體業(yè)務(wù)支撐環(huán)境做相關(guān)的研究。

流媒體價(jià)值鏈和運(yùn)營(yíng)模式

　　根據(jù)前面的分析，可以歸納出寬帶流媒體業(yè)務(wù)的價(jià)值鏈至少需要包括幾個(gè)部分：應(yīng)用提供商、內(nèi)容開(kāi)發(fā)商、業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、網(wǎng)絡(luò)提供商、用戶(hù)。其中，用戶(hù)最終獲得寬帶流媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)，并為之付費(fèi)。應(yīng)用提供商是寬帶流媒體業(yè)務(wù)的直接提供者，直接面對(duì)用戶(hù)提供業(yè)務(wù)。內(nèi)容提供商是流媒體內(nèi)容資源的擁有者，負(fù)責(zé)節(jié)目的制作，包括流媒體文件的生成、編碼、壓縮。業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商提供一個(gè)獨(dú)立的可運(yùn)營(yíng)的管理和傳輸平臺(tái)，為寬帶流媒體應(yīng)用提供支撐環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)提供商提供基本的承載網(wǎng)絡(luò)。

　　在整個(gè)價(jià)值鏈系統(tǒng)中，不同提供商可以根據(jù)自身的特點(diǎn)和市場(chǎng)需求同時(shí)扮演多個(gè)角色，從而構(gòu)成不同的運(yùn)營(yíng)模式。例如，網(wǎng)絡(luò)提供商可以同時(shí)作為流媒體業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商，因?yàn)橛删W(wǎng)絡(luò)提供商來(lái)運(yùn)營(yíng)流媒體業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)：首先是網(wǎng)絡(luò)提供商擁有網(wǎng)絡(luò)資源，這是構(gòu)建大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)必要的條件；其次，網(wǎng)絡(luò)提供商擁有用戶(hù)，特別是寬帶接入的用戶(hù)，這部分用戶(hù)自然成為流媒體業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)的潛在用戶(hù)；最后，通過(guò)構(gòu)建流媒體業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)提供商可以提高它在價(jià)值鏈中的地位，從而實(shí)現(xiàn)增值業(yè)務(wù)。內(nèi)容提供商也可以和應(yīng)用提供商整合，特別是目前的多數(shù)流媒體應(yīng)用都是以?xún)?nèi)容為中心，例如VOD應(yīng)用、遠(yuǎn)程教學(xué)應(yīng)用等。因此，內(nèi)容提供商可以直接融合應(yīng)用提供商的角色，通過(guò)流媒體業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)的支撐向用戶(hù)提供業(yè)務(wù)。

　　目前，流媒體業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)模式還在不斷發(fā)展中，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、應(yīng)用提供商、內(nèi)容提供商都在不斷尋求成熟的運(yùn)營(yíng)模式和合作模式。

摘自　中國(guó)電子報(bào)

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