IP网络VOD系统的设计.docx
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IP网络VOD系统的设计
IP网络视频点播系统的设计
目录
摘要：
1
关键词：
1
1视频点播的概述1
1.1视频点播简介1
1.2视频点播系统的功能1
1.3视频点播的特点1
2基于IP网络的视频点播系统2
2.1IP网络视频点播系统中的关键技术指标2
2.2实时流媒体传输协议3
3视频点播系统的设计与实现4
3.1服务器系统5
3.2传输网路6
3.3客户端系统6
3.4基于IP网络的视频点播系统的优势7
4总结8
致谢8
参考文献8
Abstract9
Keyword:
9
IP网络视频点播系统的设计
摘要：
随着网络和计算机技术的不断发展，真正的数字视频点播宽带通信业务—视频点播应用越来越广泛。
视频点播是一项集电视、电影、电脑软硬件、电信和数据通信网于一体的综合集成技术。
它涉及到数字信号处理、通信技术、计算机网络技术、消费电子等领域。
本文通过对视频点播系统的关键技术及传输协议的认识，论述了基于IP网络的视频点播系统的设计与实现。
关键词：
视频点播关键技术传输协议服务器系统客户端系统
1视频点播的概述
1.1视频点播简介
随着PC机性能的不断提高及网络技术的发展、普及，多媒体应用越来越多地出现在用户的应用系统中，并逐渐由单机模式走向网络模式，采用网络数字化流机制的Video应用，既视频点播（视频点播，VideoonDemand），以其快速、有效、灵活的特点，得到广泛青睐，越来越成为具有使用价值的时尚潮流。
视频点播又叫点播电视，即按需要的视频流播放，是近年来新兴的传媒方式，是计算机技术、网络通信技术、多媒体技术、电视技术和数字压缩技术等多学科、多领域融合交叉结合的产物。
1.2视频点播系统的功能
视频点播系统根据不同的质量和实现方式我们通常分为以下几种常见的点播方式：
带计算机网络视频应用系统、有线电视模拟视频点播应用系统、有线电视数字视频点播应用系统、基于网络邻居的视频点播系统、基于IP网络的视频点播系统。
每一种系统，均能提供相应的点播服务给用户，差别在于各种系统的服务性能、扩展性能、安全性能以基于标准的接轨程度。
一个完整的视频应用系统应该包含以下三种功能：
（1）视频点播功能：
支持数百、数千个并发用户的点播请求，每个用户均可点播相同的或者不同的节目，每个用户可自由控制节目的前进、后退等操作。
（2）实时转播功能：
将实时的视频信号（摄像头信号、电视信号）实时压缩成数字信号，通过广播形式传送到每一个请求的客户端。
在一台服务器可以实时转播多台实时数字电视信号。
（3）视频广播功能：
将存储的数字视频信号通过过广播形式传送到每一个请求的客户端。
其中实时转播、视频广播采用节省带宽的TCP/IP多播功能，服务器每路视频只发送一次信号，在网络交换机中自动将信号复制到所需的端口，不需要信号的端口不会有信号。
1.3视频点播的特点
视频点播的特点有：
1、技术综合性。
视频点播作为高新科技的产物，融多媒体数据压缩、ATM宽带交换、用户接入等多项技术于一体。
（1）多媒体数据压缩。
多媒体技术核心不是媒体展示技术，而是数据压缩技术。
从单一媒体的转换，其信息量是爆炸性的，如果不处理好这些信息的存储，在多的信息也会成为无用信息。
目前，已为人们所接受的MPEG-1、MPFG-2标准，因其较高的数据压缩比和高质量的画面还原特性，而逐渐成为多媒体业界的工业标准。
（2）ATM宽带交换。
视频点播中的视/音频信号不仅要占用较大的网络带宽，而且有较强的时间相关性，对网络延迟极为敏感。
传统的PSTN网，以太网完全为无法满足多媒体数据对网络传输的要求。
异步传送模式（ATM）是电信网向宽带网络转变的关键网络技术。
通过称为信源中继的过程，ATM处理持续可变且不规则的带宽，它不仅可以保证信号传输的实时性，而且可以充分利用网络带宽资源，这是传送数据和图像的最高效、最快速的方法。
（3）用户接入网。
根据ITU-T的定义，现有用户接入网基本上是使用双绞线作传输媒体，现有的业务类型基本为电话、传真和计算机网络业务。
其中，电话、传真业务是模拟通信方式，带宽为0.2~3.4KHZ，进行数据通信则使用调制解调器。
然而随着视频点播业务的出现，通信网将由仅仅传输语音发展到需同时传送大容量高速率的话音、数据、图像，这是传统的接入方式所无法实现的。
2、获取信息的主动性和可选择性。
视频点播的本质是信息的使用者根据自己的需求主动获得多媒体信息，它区别于信息发布的最大不同：
一是主动性、二是选择性。
这种方式在信息化社会和有信息迅速发展产生的社会自由氛围中，越来越符合信息资源消费者的深层需求，它彻底改变了广播式的强制信息灌输方式。
3.使用的便捷性。
由于技术的保证，视频点播的信息查询方法简单、响应速度快，多媒体信息显示界面简洁明了。
并且视频点播系统的用户端装置的设计是透明的，用户使用极为方便。
2基于IP网络的视频点播系统
2.1IP网络视频点播系统中的关键技术指标
目前视频点播系统都能支持多种视频音频数据格式，如DVD、VCD、DIVX/MPEG4、ASF、MP3等，每路MP3音频流占128kbps，每路VCD/MPEG-1视频流占1.5Mbps，每路DVD/MPEG-2视频流占3-8Mbps带宽，每片VCD需要1.2GB存储容量，每片DVD需要4.7GB存储容量，可见多媒体信息量非常大。
此外视频点播系统必须是一个实时系统，要求视频音频数据以实时数据流形式传输，声音图像都是对时延非常敏感的对象，流一旦开始传输，就必须以恒定的速率传送到桌面，否则会因流的中断而出现声音图像抖动停滞现象，从而影响视频点播系统视听效果。
因此，要支持数十、数百个并发用户的多种流格式点播请求，必须要认真考察网络带宽、I/O带宽、服务损失率等关键技术指标，才能确保所设计的视频点播系统有效、经济、实用。
1.网络带宽
宽带网大多是以TCP/IP方式组网，其网络带宽是指网络传输数据的吞吐量。
视频点播系统网络带宽是指桌面系统与服务器连接时通过网络传输多媒体数据的吞吐量，表现在客户端的视频点播网络带宽为所点播音频视频的带宽，表现在服务器端的视频点播网络贷款为多用户并发点播音频视频流的带宽迭加。
视频点播服务器段及主干必须具备足够的带宽以满足多个并发用户同时点播的需求。
目前在开展宽带IP城域网的地方，城域网骨干一般都是1Gbit/s或2.5Gbit/s甚至更高的传输速率，接入层也一般都是光纤到小区，光纤到大楼。
但在“最后一公里”即用户到局端的小区接入点，即使小区内每个家庭有十兆，百兆的高速端口，整个小区与城域级视频点播点播中心之间的带宽也可能会出现“瓶颈”。
因此，在宽带IP城域网的视频点播系统设计中可采用分布式设计原则。
在城域级的宽带应用中，可将视频服务器分成若干区域，每个区域中设定若干台专用服务器处理用户点播请求，这样既能缓解视频服务器及汇总处理太多并发用户的压力，也能使用户流量至于都流向一个方向。
2.I/O带宽
I/O带宽是指服务器与I/O设备之间传输数据的吞吐量。
由于视频点播系统多媒体数据流经过网络汇聚在服务器端，因此视频点播系统I/O带宽主要考察服务器与I/O设备之间的数据吞吐能力，一般是指服务器与大容量存储设备之间的带宽，设计时更多考虑的是IDE硬盘、SCSI硬盘、RAID系统、SAN系统等外设的接口数据传输带宽。
3.服务损失率
从用户角度出发，我们考察视频点播服务损失率指标，是指当用户申请音视频服务时，他被拒绝的可能性有多大。
设服务器支持N条并发流，用户接受服务的时间为T。
在单位时间内有一个请求的概率为λ，则视频服务的拒绝率可表示为：
ρ=1―N/（1+λ*T）。
为降低服务损失率，我们可有针对性地通过提高网络带宽、I/O带宽来提高并发流数N；或通过架构多服务器集群来提高并发流数N和降低每服务器的用户服务时间T。
这些都是要全局平衡考虑的问题，在使视频点播系统整体性能价格比达到最优的同时，尽量降低视频点播系统的服务损失率。
2.2实时流媒体传输协议
1.实时传输协议RTP和RTCP
RTP（Real-timeTransportProtocol）是用于IP网上针对多媒体数据流的一种传输协议，被定义在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。
为了保证实时性，RTP一般使用UDP/IP协议来传送数据，RTP也可以在TCP/IP或ATM等协议上工作。
RTP通常使用UDP来传送数据，它提供了两个关键的特性：
每个分组中的序号以及时间戳，序号允许接收方检测不按顺序的交付或数据丢失，时间戳允许接收方控制回收。
当应用程序开始一个RTP会话时将使用两个端口：
一个是RTP，另一个是实时传输控制协议RTCP。
RTP本身并不能为按顺序传送报提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务。
通常RTP算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。
实时传输控制协议RTCP（Real-timeTransportControlProtocol）负责管理传输质量在当前应用进程之间交换控制信息。
在RTP会话期间，各个会话的参与者周期性地传送RTCP数据。
RTCP中包含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料。
RTCP允许发送方和接收方互相传输一系列报告，这些报告包含有关正在传输的数据以及网络性能的额外信息，RTCP报文封装在UDP中以便进行传输，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率。
RTP和RTCP配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。
2.实时流协议RTSP
实时流协议RTSP（Real-timeStreamingProtocol）由RealNetworks和Netscape共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。
RTSP在体系结构上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP和RTP完成数据传输，能为多媒体数据流提供VCR风格的远端控制功能，如播放、停止、快进和快倒等。
此协议是流媒体技术中用于流控制的部分，在流媒体技术中具有十分重要的作用。
RTSP负责在服务器和客户机之间创建并控制连续媒体流，其目标是像HTTP协议为用户提供文字和图形服务那样为用户提供连续媒体服务，但HTTP是无状态协议，而RTSP是有状态的，因为RTSP服务器必须记录客户的状态以保证请求与媒体流的相关性。
其次，HTTP传送HTML，而RTSP传送的是多媒体数据。
RTSP在功能上与HTTP有重叠，与HTTP相互作用体现在与流内容的初始接触是通过网页的。
目前的协议规范目的在于允许在网页服务器与实现RTSP媒体服务器之间存在不同传递点。
例如，演示描述可通过HTTP和RTSP检索，这降低了浏览器的往返传递，也允许独立RTSP服务器与用户不全依靠HTTP。
但是，RTSP与HTTP的本质差别在于数据发送以不同协议进行。
HTTP是不对称协议，客户机只能发送请求，而RTSP是对称的，客户机和服务器都可以发送请求和回应请求，即RTSP可以是双向的。
RTSP中，媒体用户和服务器都可发出请求，且其请求都是无状态的；在请求确认后很长时间内，仍可设置参数，控制媒体流。
重用HTTP功能至少在两个方面有好处，即安全和代理。
要求非常接近，在缓存、代理和授权上采用HTTP功能是有价值的。
当大多数实时媒体使用RTP作为传输协议时，RTSP没有绑定到RTP。
RTSP假设存在演示描述格式可表示包含几个媒体流的演示的静态与临时属性。
3.资源预定协议RSVP协议
由于音频和视频数据流比传统数据对网络延时更敏感，要在网络中传输高质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需要其他更多的条件。
RSVP（ResourceReserveProtocol）正是IP网上的资源预定协议，使用它预留一部分网络资源（即带宽）能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS。
在某些实验性的系统，如网络视频会议工具Vic中就集成了RSVP。
RSVP只在单方向上进行资源请求，因此，尽管相同的应用程序，同时可能既担当发送者也担当接受者，但RSVP对发送者与接受者在逻辑上是有区别的。
RSVP运行在IPV4或IPV6上层，占据协议栈中传输协议的空间。
RSVP不传输应用数据，但支持因特网控制协议，如ICMP、IGMP或者路由选择协议。
正如路由选择和管理类协议的实施一样，RSVP的运行也是在后台执行，而并非在数据转发路径上。
RSVP本质上并不属于路由选择协议，RSVP的设计目标是与当前和未来的单播和组播路由选择协议同时运行。
RSVP进程参照本地路由选择数据库以获得传送路径。
以组播为例，主机发送IGMP信息以加入组播组，然后沿着组播组传送路径，发送RSVP信息以预留资源。
路由选择协议决定数据包转发到哪。
RSVP只考虑根据路由选择所转发的数据包的QOS。
为了有效适应大型组、动态组成员以及不同机种的接收端需求，通过RSVP，接收端可以请求一个特定的QOS[RSVP93]。
QOS请求从接收端主机应用程序被传送至本地RSVP进程，然后RSVP协议沿着相反的数据路径，将此请求传送到所有节点（路由器和主机），但是只到达接收端数据路径加入到组播分配树中时的路由器。
所以，RSVP预留开销是和接受端的数量成对数关系而非线性关系。
3视频点播系统的设计与实现
目前，视频点播在窄带和宽带上都得到不同程度的应用，系统结构是影响其性能的一个重要因素。
典型的视频点播系统主要由三部分组成：
服务器系统、传输网络、客户端系统。
点播网点播网视频制作服务器视频制作服务器
交换机路由器
点播网视频制作服务器
点播网点播网
点播网交换机路由器
图1：
基于IP网络视频点播系统结构图
3.1服务器系统
服务器系统主要由视频服务器、档案管理服务器、通信子系统和网络接口组成。
1.视频服务器
视频服务器是视频点播系统中的重要组成部分，也是系统设计中的一个难点，其原因主要有三方面：
一是视频服务器既要并发的提供多个视频服务，又要保证每个客户的服务质量；其二，视频服务器需要醉倒限度的利用各个系统资源（如CPU、磁盘、内存等），避免某一环节的设计不当而出现瓶颈；第三，视频服务器需要实现对用户实时请求的处理、访问许可控制、VCR（VideoCassetteRecorder）功能（如正常播放和快进、快退、暂停、恢复等）操作，以及不同操作之间的转换。
视频服务器主要由存储设备、高速缓存和控制管理单元组成，其目标是实现对媒体数据的压缩和存储，以及按请求进行媒体信息的检索和传输。
存储设备是要解决如何存放视频文件的问题，即磁盘以及磁带库或光盘库的配置参数，如媒体文件的存放策略等问题。
按照视频文件发送的顺序，习惯上将内存视为第一级库，磁盘（陈列）为第二级库，而磁带库或光盘库为第三级库（如图2）。
内存的存取速度是最快的，但价格也最高，在内存中存放视频文件是不现实的。
由于磁盘最具有吞吐率高，存取延时小等优点，因此在存储设备中占有重要地位，特别是磁盘阵列RAID比单一磁盘的性能又有了进一步提高。
当系统需要扩容时，就采用增加磁盘个数的方法来实现。
相对于磁盘阵列而言，磁带库、光盘库的吞吐率低，而且存取延时大，不适合于直接向用户发送视频节目流，所以存放点播概率小，较陈旧的节目。
而用户点播频繁的热点节目仍存储在磁盘阵列中。
当用户点播磁带库、光盘库中的节目时，需要先将节目迁移至磁盘阵列中，再从磁盘阵列发给用户。
控制管理单元主要解决CPU的调度、定时器的操作、线程的管理和进程间通信等问题。
由于视频点播业务的实时性的特点，视频服务器在响应每个点播请求时，通常构造一个由两个线程组成的生产者—消费者模式。
其中生产者从磁盘中读取媒体数据，并将数据发送到内存中。
消费者负责从内存中读取这些数据并通过网络发送到点播用户。
为了实现快进、快退功能，方法有两种：
一是，当用户发出快进指令后，视频服务器以高于正常播放两到三倍的速率读取数据，并发到用户。
同时用户的回放速率也提高到对应的水平。
采用这种方法服务器只存储一份正常速率的视频文件，节省了存储空间，但是服务器和客户端的工作负担成倍增加，传输网络容易堵塞。
另一种是，服务器分别存储正常、快进、快退三个文件。
首先从正常速率文件中读取部分I帧图像，以顺序方式形成快进文件，以逆序方式形成快退文件。
这种方法可以保持用户视觉上的连续，缺点是需要较大的存储空间。
但因其易操作，被大部分的视频点播系统所采用。
2.档案管理服务器、通信子系统和网络接口
档案管理服务器主要承担用户信息管理、积肥、影视材料的整理和安全保密等工作。
网络接口主要实现与外部网络的数据交换和提供用户反问的接口。
通信子系统主要完成服务器对用户点播的接纳和音频、视频数据向网络的发送。
由于不同带宽的节目消耗服务器的资源不同，因此服务器在资源管理时需要根据自身的资源情况维护一个有限状态机（FiniteStateMachine,FSM）。
当用户向视频服务器发出点播请求时，服务器通过查看FSM了解资源状况以决定是否接纳请求。
如果资源允许，则为该用户建立相应的状态转移图，以便记录和相应用户的交换操作。
如果服务器或者网络状况变化，服务器和用户还可以进行重新协商，以便在一个可以保障的QoS下，继续提供视频点播服务。
为了能够实现重协商，就要求服务器中存放的节目时竟可伸缩编码生成的或存放同一节目不同带宽的文件副本，如果视频点播系统采用三层C/S结构，则这部分接纳控制功能也可由控制服务器来实现。
3.2传输网路
随着Internet的迅速发展，越来越多的计算机连接到了互联网，IP网干线的路由能力也达到数千兆比特/秒，甚至更高，这就为在IP网络上开展视频点播业务提供了可能。
由于IP网络不能确保服务质量，用于传送大量节目数据的UDP协议本身又不具备面向连接的功能，因此发送方无法了解音频、视频流在网络中的传输状况，也就不能进行评估与控制。
LETF在RFC1889中提出了RTP协议，它可在传送层提供反馈机制，从而使服务提供者可以进行一定的控制。
因此，视频点播的节目数据通常是在简单高效的RTP/UDP/IP协议下传输的。
网络协议是Internet中的关键协议，IPv4无论从计算机本身的发展还是从Internet的规模和网络传输速率来看都已经很不适用了，其中最主要的问题是32比特的IP地址不够用，为此，1995年后陆续公布了一系列有关IPv6的协议、编址方法，路由选择以及安全等问题的RFC文档：
RFC1752，1809，1883，1884，1886等。
IPv6中定义了流的概念，通过采用流标记的办法为更加高效处理数据组流提供了一种机制，这种方法对于实时应用尤其有用，能够为实时媒体流提供更好的服务质量（QoS）。
用户端与交换局之间的数据交换是通过接入网实现的，它包括前端设备和物力传输设备。
接入网不仅要考虑当前的媒体应用对高带宽的需求，而且还要考虑键来发展的需要和相后的兼容性。
当前，可用于建立这种服务系统的网络物理介质主要有：
CATV（有线电视）的同轴电缆，光纤和双绞线。
而采用的网络技术要是：
快速以太网、FDDI和ATM技术。
目前，实际提供宽带业务的接入网主要有：
光纤接入网、HFC网、铜线接入网（在DAVIC（DigitalAudio-Visual-Council）中主要定义了三种最为常用的接入系统：
ADSL、HFC、FTTC）。
其中使用较多的是HFC、ADSL两种方式。
（1）光纤和同轴电缆混合网（HFC）：
从交换局到用户小区采用光纤，从光节点到用户住宅采用树状电缆结构，每个光节点可以向几百用户提供视频点播业务。
光纤的调制频带和调制方法与同轴电缆一样，这样可以省去光纤电缆节点上的信号形式转换。
（2）ADSL的双绞线：
利用不对称高速数字用户环路（ADSL）技术可以向用户传送8Mb/s左右的视频信号及窄带用户上行信号，传输距离可达3~5公里，可传输2路MPEG-2或6路MPEG-1信号。
有迹象表明，随着光纤技术的进展，光纤到用户将是视频点播发展的必由之路。
3.3客户端系统
客户端设备是用户在家中用来接收、收看节目的装置。
客户端包括Web浏览器和播放软件，用来实现用户远端节目访问和点播功能；播放控制服务器部分包括Web服务器、播放控制中心和数据库管理，负责用户接纳管理、资源分配和用户命令处理等；视频服务器则通过与播放控制中心间的命令交互，按照用户要求，提供节目数据发送服务。
目前，根据不同的功能需求和应用场景，主要有三种视频点播系统：
N视频点播、T视频点播、I视频点播。
N视频点播（Near-Video-On-Demand），可称其为就近式点播电视。
这种点播电视的方式是：
多个视频流依次间隔一定的时间启动发送同样的内容。
比如，十二个视频流每隔十分钟启动一个发送同样的两小时的电视节目。
如果用户想看这个电视节目可能学要等待，但最长不会超过十分钟，他们会选择距他们最近的某个时间起点进行收看。
在这种方式下，一个视频流可能为许多用户共享。
T视频点播（TrueVideo-On-Demand），称其为真实点播电视，它真正支持即点即放。
当用户提出请求时，视频服务器将会立即传送用户所要的视频的内容。
若有另一个用户提出同样的需求，视频服务器就会立即为他再启动另一个传输同样内容的视频流，不过，一旦视频流开始播放，就要连续不断的播放下去，直到结束。
这种方式下，每个视频流转为某个用户服务。
I视频点播（InteractiveVideo-On-Demand），称为交换式点播电视。
它比前两种方式有很大程度上的改进。
它不仅可以支持即点即播，而且还可以让用户对视频流进行交换式的控制。
这时，用户就可像操作传统的录像机一样，实现节目的播放、暂停、倒退、快进和自动搜索等操作。
只有使用相应的终端设备，用户才能与某种复去提供者进行联系和互操作。
在视频点播系统中，需要电视机和机顶盒，在一些特殊系统中，可能还需要一台配有大容量硬盘的计算机以存储来自视频服务器的影视文件。
客户端系统中，除了涉及相应的硬件设备，还需要配备相关的软件。
例如，为了满足用户的多媒体交互的需求，必须对客户端系统的界面加以改造。
此外，在进行连续媒体播放时，媒体流的缓冲管理、声频与视频数据的同步、网络终端与烟波中断的协调等问题都需要进行充分的考虑。
客户端的作用主要有三个：
第一个作用就是对视频中心下行的已调高频信号进行解调，然后对借条出来的数字信号进行压缩。
因为从视频点播视频服务器传来的多媒体信号一般都是经过压缩的MPEG格式的视频、音频数据流，必须经过解码才能成功播放。
第二个作用是根据客户端的工作状况自动调节工作参数。
例如，多媒体数据流失采用可扩展性编码，客户端可根据自身状况决定是否在接收基本层数据的同时还要接收增加层。
第三个作用是将用户的节目选择信号、用户的收视状况及用户在收视过程中发出的控制信号送往上行线路到达视频服务中心。
3.4基于IP网络的视频点播系统的优势
基于IP网络的视频点播是目前视频点播系统发展的方向，其优势在于
1、安全性：
通过TCP/IP方式传输，服务器不共享任何目录给用户，用户不需登陆服务器，用户端在Windows的“网上邻居”中看不到视频服务器的任何视频资料。
2、稳定性：
在服务方面，采用专用视频点播软件进行服务器的读盘请求，系统调度，可保证服务器持续、稳定的从存储系统中获得用户所需的视频音频数据。
在数据发送方面，采用专用视频点播软件进行服务器的网络发送调度，可保证服务器持续、稳定的将内存视频音频文件的发送到客户端，网络可优先处理视频音频数据，保证用户端可得到稳定的
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