流媒體實(shí)時(shí)交互的原理概述.doc

TCP/IP原理與應(yīng)用研究總結(jié)報(bào)告：流媒體實(shí)時(shí)交互的原理概述 本科課程論文 Course Paper課程名稱 Course：TCP/IP協(xié)議原理與應(yīng)用課程性質(zhì) Course No：原理與應(yīng)用學(xué) 分 數(shù) Credits：3主講教師 Instructor：XXX開(kāi)設(shè)學(xué)院 College：計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院開(kāi)設(shè)時(shí)間 Semester：2012年2月2012年6月論文編號(hào) Paper No: XXXXXX撰寫日期 Date: 2012-5-25流媒體實(shí)時(shí)交互的原理概述The principle of real-time interaction of streaming mediaXX（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)工程 09級(jí) XXXXXX）論文類型Paper Type: 研究總結(jié) Summary of Focused Research論及主題 Subject Covered: 引言 流媒體的相關(guān)概念 流媒體的實(shí)時(shí)性與交互性 流媒體實(shí)時(shí)交互的原理 結(jié)論巢 湖 學(xué) 院流媒體實(shí)時(shí)交互的原理概述XX（計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 09網(wǎng)絡(luò)工程 09級(jí) XXXXXXXX）Email: XXXXXXXX163.com摘 要:生活中，流媒體技術(shù)應(yīng)用隨處可見(jiàn)，如遠(yuǎn)程教育、視頻會(huì)議、互聯(lián)網(wǎng)直播等等，其實(shí)時(shí)交互功能給用戶帶來(lái)了極大的便利。信息在網(wǎng)絡(luò)的傳輸過(guò)程中，都是使用網(wǎng)絡(luò)體系各層次的協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，流媒體的傳輸以及功能的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)協(xié)議的承載。本篇論文首先介紹流媒體的相關(guān)概念，其次介紹實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互性所需要的基本傳輸協(xié)議，最后用圖示來(lái)闡明客戶端與服務(wù)器實(shí)時(shí)交互的過(guò)程。關(guān)鍵詞:流媒體；實(shí)時(shí)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(dāng)我們使用TCP/IP協(xié)議下載電影文件時(shí)，服務(wù)器將文件按照一定的次序分成若干獨(dú)立的數(shù)據(jù)報(bào)文，依次發(fā)出去，客戶端的程序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)報(bào)文重新組裝起來(lái)，最終形成和源文件一樣的完整文件。這樣，我們就可以對(duì)這個(gè)文件進(jìn)行任何操作了。而流媒體技術(shù)并非如此，它能夠?qū)⑽募凑仗囟ǖ捻樞虬l(fā)送出去，客戶端的播放程序可以邊接收數(shù)據(jù)邊播放。為了使播放更加穩(wěn)定連貫，通?？蛻舳藭?huì)通過(guò)為接收數(shù)據(jù)開(kāi)辟緩存區(qū)的方式來(lái)解決網(wǎng)路擁擠的問(wèn)題。這樣，只需要在緩沖區(qū)充滿前等待幾秒鐘，就可以開(kāi)始欣賞電影了。文件的剩余部分將在后臺(tái)從服務(wù)器內(nèi)繼續(xù)下載。流式傳輸不僅使啟動(dòng)延時(shí)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(shù)應(yīng)用隨處可見(jiàn)，如遠(yuǎn)程教育、視頻會(huì)議、互聯(lián)網(wǎng)直播等等。由此可見(jiàn)，目前基于流媒體的應(yīng)用非常多，而且發(fā)展非常迅猛。豐富的流媒體應(yīng)用對(duì)用戶有很強(qiáng)的吸引力，因此在解決了制約流媒體的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題后，我們可以預(yù)料到，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。本篇論文首先介紹流媒體的相關(guān)概念以及流媒體的實(shí)時(shí)交互的體現(xiàn)，然后詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)流媒體實(shí)時(shí)交互所需要的傳輸協(xié)議，最后闡述流媒體實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互的過(guò)程。2 流媒體的相關(guān)概念參考文獻(xiàn)12.1 流媒體與流媒體技術(shù)流媒體（Streaming Media）是指在Internet/Intranet上使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)時(shí)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(gè)文件，而是將文件的開(kāi)始部分內(nèi)容先存入內(nèi)存，雖然在開(kāi)始時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些延時(shí)，但保證了數(shù)據(jù)流可以隨時(shí)傳送隨時(shí)播放。流媒體技術(shù)不是單一的技術(shù)，它建立在眾多的基礎(chǔ)技術(shù)之上，包括網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體數(shù)據(jù)采集技術(shù)、多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、多媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)和多媒體數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。流媒體實(shí)時(shí)交互的特性就是由多媒體數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來(lái)體現(xiàn)的。2.2 流式傳輸實(shí)現(xiàn)流媒體的關(guān)鍵技術(shù)就是流式傳輸。流式傳輸?shù)亩x很廣泛，主要指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送媒體（如音頻、視頻）技術(shù)的總稱。實(shí)現(xiàn)流式傳輸有兩種方法：順序流式傳輸和實(shí)時(shí)流式傳輸。順序流式傳輸是順序下載，在下載文件的同時(shí)，我們可以觀看已經(jīng)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(zhì)量的短片段，如片頭、片尾和廣告，但它不適合長(zhǎng)片段或者有隨機(jī)訪問(wèn)要求的視頻，如講座、演說(shuō)與演示，也不支持現(xiàn)場(chǎng)廣播。實(shí)時(shí)流式傳輸保證媒體信號(hào)帶寬與網(wǎng)絡(luò)連接匹配，使媒體可被實(shí)時(shí)觀看到。實(shí)時(shí)流式傳輸需要專用的流媒體服務(wù)器，如QuickTime、Streaming Server與WindowsMediaServer，它還需要特殊網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，如RTSP（Realtime Streaming Protocol）或MMS(Microsoft Media Server)。實(shí)時(shí)流式傳輸總是實(shí)時(shí)傳送，特別適合現(xiàn)場(chǎng)事件，也支持隨機(jī)訪問(wèn)，如我們對(duì)視頻播放的快進(jìn)或后退操作。2.3 流式傳輸?shù)幕驹?.3.1 流式傳輸圖示參考文獻(xiàn)2流式傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)需要緩存，使用緩存系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)傳輸延時(shí)和抖動(dòng)的影響，并保證數(shù)據(jù)包的順序正確，從而使媒體能連續(xù)輸出，而不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)暫時(shí)擁塞使播放出現(xiàn)停頓。通常高速緩存所需容量并不大，因?yàn)楦咚倬彺媸褂铆h(huán)形鏈表結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)丟棄已經(jīng)播放的內(nèi)容，流可以重新利用騰出的高速緩存空間來(lái)緩存后續(xù)尚未播放的內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)流式傳輸一般都需要專用服務(wù)器和播放器，其傳輸過(guò)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(wù)器A/V播放器A/V服務(wù)器RTP/UDP 2.3.2 流式傳輸過(guò)程解析流式傳輸?shù)倪^(guò)程如下：用戶選擇某一流媒體服務(wù)器后，Web瀏覽器與Web服務(wù)器之間使用HTTP/TCP交換控制信息，以便把需要傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)從原始信息中檢索出來(lái)；然后客戶機(jī)上的Web瀏覽器啟動(dòng)相應(yīng)的媒體播放器程序，從Web服務(wù)器檢索相關(guān)參數(shù)對(duì)媒體播放器程序進(jìn)行初始化。媒體播放器程序及A/V服務(wù)器同時(shí)運(yùn)行實(shí)時(shí)流控制協(xié)議（RTSP），以交換A/V傳輸所需的控制信息，A/V服務(wù)器使用RTP/UDP協(xié)議將A/V數(shù)據(jù)傳輸給A/V客戶端程序（一般可認(rèn)為客戶端程序等同于媒體播放器程序），一旦A/V數(shù)據(jù)抵達(dá)客戶端，A/V客戶程序即可播放輸出。在播放過(guò)程中，客戶機(jī)的媒體播放器需要通過(guò)RSTP/UDP與媒體服務(wù)器實(shí)時(shí)交換控制信息，媒體服務(wù)器根據(jù)客戶機(jī)反饋的流媒體接收情況，自動(dòng)調(diào)整向客戶機(jī)傳送的媒體數(shù)據(jù)流，從而在客戶端達(dá)到最優(yōu)的接收效果。3 流媒體的實(shí)時(shí)性與交互性所謂流媒體的交互性，通俗地來(lái)講，就是在媒體播放時(shí)，用戶通過(guò)選擇和控制操作來(lái)自主選擇播放內(nèi)容。而實(shí)時(shí)性則是指系統(tǒng)必須對(duì)外來(lái)時(shí)間再限定時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是達(dá)到所需要的“快”。有了實(shí)時(shí)性，才能實(shí)現(xiàn)交互性。流媒體的實(shí)時(shí)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(wù)，這種相對(duì)于傳統(tǒng)媒體而言不曾具有的新型特性，使流媒體技術(shù)廣受歡迎，滿足人們的需求。具有流媒體的實(shí)時(shí)交互性的產(chǎn)品充斥著我們生活工作的各個(gè)方面。如大家電腦里必備的看電視工具，PPS、PPTV、Youku網(wǎng)等等，亦或是，遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)，視頻會(huì)議系統(tǒng)等等。這些產(chǎn)品給我們的生活工作帶來(lái)極大的便利，技術(shù)的發(fā)展總是為人類而服務(wù)。4 流媒體實(shí)時(shí)交互的原理Internet原本不是用于實(shí)時(shí)多媒體流的通信的，使用TCP/IP協(xié)議不能保證實(shí)時(shí)通信所要的帶寬，傳輸延遲所造成的時(shí)間抖動(dòng)將使實(shí)時(shí)通信的質(zhì)量嚴(yán)重下降。另外，TCP協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的流量控制，保證傳輸?shù)恼_性，具有數(shù)據(jù)重發(fā)的功能，這一點(diǎn)不符合實(shí)時(shí)通信的要求。所以在Internet上傳送多媒體信息時(shí)，采用的都是UDP/IP協(xié)議。由于UDP和IP都不具有連接保證，因而數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詻](méi)有保障。因此，IETF（Internet工程項(xiàng)目組）提出了多種實(shí)時(shí)通信協(xié)議，其中針對(duì)流媒體傳輸?shù)母鞣N常用實(shí)時(shí)協(xié)議主要有：實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP、實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP、實(shí)時(shí)流協(xié)議RTSP、資源預(yù)定協(xié)議RSVP。4.1 四種協(xié)議簡(jiǎn)述參考文獻(xiàn)34.1.1 RTP協(xié)議在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)字音頻或視頻信號(hào)所使用的協(xié)議是實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP（Real-time Transport Protocol）。RTP提供兩個(gè)關(guān)鍵的特性：每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)中的序號(hào)及時(shí)間戳。序號(hào)允許接收端檢測(cè)不按順序的交付或數(shù)據(jù)丟失，時(shí)間戳允許接收端控制回放。因?yàn)樵O(shè)計(jì)RTP是為了讓它傳送包括音頻和視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，所以RTP不強(qiáng)制統(tǒng)一語(yǔ)法解釋，而是每個(gè)分組以固定的首部開(kāi)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(fù)荷。RTP固定的首部格式如下圖所示：VERPXCCMPTYPE序號(hào)時(shí)間戳同步源標(biāo)識(shí)符參與源IDRTP采用基于速率的流量控制機(jī)制，使得發(fā)送方和接收方可以協(xié)同工作。RTP協(xié)議通常工作在UDP協(xié)議之上，但也可以在其他協(xié)議上工作。RTP不提供資源預(yù)定，本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)報(bào)文提供可靠的傳輸機(jī)制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP提供這些服務(wù)。4.1.2 RTCP協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（Real-time Transport Control Protocol）是RTP的伴隨協(xié)議，它是RTP協(xié)議的一個(gè)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(bào)告，這些報(bào)告包括有關(guān)正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)性能的額外信息。RTCP報(bào)文封裝在UDP數(shù)據(jù)報(bào)中，以便進(jìn)行傳輸，發(fā)送時(shí)使用比它們所屬的RTP流的端口大1的協(xié)議號(hào)。RTCP使用5個(gè)基本報(bào)文類型允許發(fā)送端和接收端交換有關(guān)會(huì)話信息。5種RTCP報(bào)文類型如下表所示：類型含義200發(fā)送端報(bào)告201接收端報(bào)告202源描述報(bào)文203結(jié)束報(bào)文204應(yīng)用程序特定報(bào)文發(fā)送端周期性地傳輸發(fā)送端報(bào)告報(bào)文，提供絕對(duì)時(shí)間戳；接收端周期性地傳輸接收端報(bào)告報(bào)文，向發(fā)送端通知接收的條件。發(fā)送端還傳輸源描述報(bào)文，提供有關(guān)擁有源站控制權(quán)的用戶的常規(guī)信息。在停止數(shù)據(jù)流時(shí)發(fā)送端傳輸一條結(jié)束報(bào)文。應(yīng)用程序特定報(bào)文類型提供了基本功能的擴(kuò)展，以允許用戶程序定義報(bào)文類型。4.1.3 RSTP協(xié)議實(shí)時(shí)流協(xié)議RSTP（Real-time Streaming Protocol）是為了滿足流媒體實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳送和以點(diǎn)播方式單一傳送的要求而提出的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議。它在體系結(jié)構(gòu)上位于RTP和RTCP之上，使用TCP或RTP完成數(shù)據(jù)傳輸。RTSP利用流技術(shù)把數(shù)據(jù)分成許多數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的大小由客戶端和服務(wù)器端的實(shí)際帶寬決定，當(dāng)客戶端接收到足夠的數(shù)據(jù)包時(shí)，用戶不需要下載整個(gè)媒體文件就可以開(kāi)始播放流媒體。因?yàn)椴シ牌髟诓シ乓粋€(gè)數(shù)據(jù)包的同時(shí)，解壓另一個(gè)數(shù)據(jù)包并下載第三個(gè)數(shù)據(jù)包。流媒體數(shù)據(jù)可以是輸入的實(shí)況信息，也可以是存儲(chǔ)的視頻、音頻片段。通過(guò)RTSP協(xié)議，服務(wù)器端可以跟蹤流媒體傳輸?shù)臅r(shí)間地址和方式，實(shí)現(xiàn)暫停、快放、后退等交互功能。4.1.4 RSVP協(xié)議由于音頻和視頻數(shù)據(jù)流比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)更加敏感，為了在網(wǎng)絡(luò)中傳輸高質(zhì)量的音頻、視頻信息，除帶寬滿足要求之外，還應(yīng)提供一種有效的資源預(yù)約機(jī)制，可以有效地描述應(yīng)用程序?qū)Y源的需求。RSVP（Resource Reserve Protocol）是Internet上的資源預(yù)定協(xié)議，使用RSVP預(yù)留一部分網(wǎng)絡(luò)資源，能在一定程度上為流媒體的傳輸提供Qos。在某些試驗(yàn)性的系統(tǒng)如網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議工具中就集成了RSVP。RSVP是一個(gè)單工協(xié)議，只在一個(gè)方向上預(yù)定資源。特別地，RSTP是一個(gè)面向用戶端協(xié)議，由信宿負(fù)責(zé)資源預(yù)定，可以滿足點(diǎn)到多點(diǎn)的群通信中客戶端衣鉤的需求，每個(gè)客戶可以預(yù)定不同數(shù)量的資源，接收不同的數(shù)據(jù)流。4.2 流媒體實(shí)時(shí)交互的過(guò)程4.2.1 實(shí)時(shí)交互的關(guān)鍵協(xié)議RTSPRTSP是應(yīng)用層協(xié)議，用于控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送。RSTP提供了一個(gè)可擴(kuò)展的框架，使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的受控，點(diǎn)播成為可能，也就是實(shí)現(xiàn)與用戶的交互功能。RTSP建立并控制一個(gè)或幾個(gè)時(shí)間同步的連續(xù)流媒體，換言之，RSTP充當(dāng)多媒體服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。在RSTP連接期間，RTSP用戶可以打開(kāi)或關(guān)閉多個(gè)對(duì)服務(wù)器的可靠傳輸連接以發(fā)出RTSP請(qǐng)求。4.2.2 實(shí)時(shí)交互過(guò)程圖示有關(guān)實(shí)時(shí)交互過(guò)程的RTSP方法如下：u SETUP：讓服務(wù)器給流分配資源，啟動(dòng)RTSP連接；u PLAY與RECORD：?jiǎn)?dòng)SETUP分配流的數(shù)據(jù)傳輸；u PAUSE：臨時(shí)停止流，而不釋放服務(wù)器資源；u TEARDOWN：釋放流的資源，RTSP連接停止。客戶端使用RTSP協(xié)議與服務(wù)器端通信獲取流媒體數(shù)據(jù)的過(guò)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(guò)程描述：客戶端使用HTTP向Web服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求，Web服務(wù)器根據(jù)收到的請(qǐng)求將所請(qǐng)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(wù)器進(jìn)行通信，獲取流媒體數(shù)據(jù)。首先客戶端向媒體服務(wù)器發(fā)送SETUP命令，收到服務(wù)器端的響應(yīng)后，建立RTSP連接；然后客戶端發(fā)送PLAY命令，收到服務(wù)器端的響應(yīng)后，開(kāi)始傳輸音頻、視頻數(shù)據(jù)，及適當(dāng)?shù)目刂菩畔?；如果媒體播放過(guò)程中，需要暫停，客戶端將發(fā)送PAUSE命令，暫停數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)客戶端需要結(jié)束媒體播放時(shí)，將向媒體服務(wù)器發(fā)送TEARDOWN命令，結(jié)束媒體數(shù)據(jù)的傳輸。5 結(jié)