基于多媒體時移網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)的技術(shù)分析

1、    基于多媒體時移網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)的技術(shù)分析    薛繼忠摘要: 本文研究的混合型時移網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)( ht snt v) 方案吸收了本地時移方案和ip 點播方案的優(yōu)點, 并且采用了優(yōu)化的p2p 網(wǎng)絡(luò)電視直播技術(shù), 與傳統(tǒng)b/ s 或c/ s 架構(gòu)相比, 采用p2p技術(shù)的流媒體直播系統(tǒng)極大降低服務(wù)運營商的成本, 提高系統(tǒng)的并發(fā)用戶數(shù), 為用戶提供高質(zhì)量、低成本的視頻直播服務(wù). 針對時移功能的用戶需求特點, 本研究率先在p2p 視頻直播平臺banacast上實現(xiàn)了本地時移功能, 在較低成本的條件下讓所有用戶體驗到新型的網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)強大時移功能.關(guān)鍵詞: 時移

2、電視; 流媒體; 網(wǎng)絡(luò)電視; p2p; ip 電視：tn949.198 ： a時移作為一項最重要的ipt v 新功能, 越來越受到廣泛的重視.目前主要有4 種時移電視的實現(xiàn)方案: 多頻道切換時移、本地存儲時移、ip 點播時移、有線時移. 多頻道切換時移方式本質(zhì)上不是真正的時移系統(tǒng), 只是通過時間偏移在不同時間延時播出同一個頻道的內(nèi)容, 方案所占用的資源大, 效率低, 用戶體驗差; 本地存儲時移方式是當(dāng)前iptv 系統(tǒng)普遍采用的時移方案,其時移區(qū)間的大小取決于本地硬盤存儲空間的大小, 成本代價較大, 且不能進行長時間的時移范圍選擇; ip 點播時移方式一定程度上緩解了本地時移范圍小的問題, 因為

3、視頻服務(wù)器可以存儲較長時間的視頻內(nèi)容, 但是采用這種方式的最大問題是即使在不進行時間移動的情況下, 隨著并發(fā)用戶數(shù)量的增長, 服務(wù)器端主機和網(wǎng)絡(luò)帶寬將線性上升以至造成阻塞, 大規(guī)模實際運行的可能性較小.有線時移是一種將模擬信號數(shù)字化后進行處理的方式, 可以擴展一些數(shù)字化頻道, 是多頻道切換方式的一個進步, 但是這種擴展頻道數(shù)量的方式是相對有限的, 對于用戶的并發(fā)支持度雖然有所提高, 但是從本質(zhì)上講亦十分有限, 最多只適應(yīng)中等規(guī)模用戶的使用.在實現(xiàn)大范圍時移的過程中, 通過增加一個服務(wù)器程序來存儲時移數(shù)據(jù)、建立時移數(shù)據(jù)索引和時移內(nèi)容分發(fā), 改進的分片存儲技術(shù)、多級索引、緩沖機制極大地提高時移數(shù)據(jù)

4、資源的搜索速度和系統(tǒng)運行效率.1 關(guān)鍵技術(shù)介紹1. 1 流媒體技術(shù)本系統(tǒng)使用asf 流媒體格式, asf 是一種數(shù)據(jù)格式, 音頻、視頻、圖像以及控制命令腳本等多媒體信息通過這種格式, 以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的形式傳輸, 實現(xiàn)流式多媒體內(nèi)容發(fā)布. 其中在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膬?nèi)容稱為asf stream. asf支持任意的壓縮/ 解壓縮編碼方式, 并可以使用任何一種底層網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議, 具有很大的靈活性.p2p 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用混合式p2p 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),資源搜索策略采用基于多策略的自適應(yīng)資源搜索算法.1. 2 時移數(shù)據(jù)存儲與搜索技術(shù)由于多媒體數(shù)據(jù)量相當(dāng)大, 即使使用高壓縮比的wmv 壓縮格式進行編碼, 仍然需要非常大的存儲

5、空間, 采用548 kbyte/ s 速率的編碼格式,30 d 的音視頻內(nèi)容大概需要170 gbyte 左右的存儲空間, 為了能快速搜索到指定時間點的資源, 必須處理好存儲和索引之間的關(guān)系.在t sntv 系統(tǒng)中, 建立了“天”索引“塊”索引和“包”索引三級索引.天索引記錄每1 d 的首個索引塊存儲入口, 塊索引記錄1 d 中各塊的首個數(shù)據(jù)包索引入口, 包索引記錄每一數(shù)據(jù)包的存儲入口. 每一級索引都使用順序存儲, 可進行折半查找, 查找速度快. 另外, 天索引長期駐留內(nèi)存, 塊索引和包索引根據(jù)用戶訪問情況和系統(tǒng)內(nèi)存使用狀況存儲在內(nèi)存中.2 系統(tǒng)分析2. 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1 描述一個結(jié)合了p2

6、p 視頻直播的時移網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng), 包括節(jié)目發(fā)布管理、內(nèi)容分發(fā)與傳輸、時移數(shù)據(jù)存儲、索引與檢索、播放等. 其中有多個模塊屬于網(wǎng)絡(luò)電視直播系統(tǒng), 是關(guān)系到時移數(shù)據(jù)的采集、傳輸、播放等內(nèi)容的基礎(chǔ)平臺, 文中有相關(guān)介紹. 本文重點介紹時移存儲與索引模塊和客戶端模塊的分析與設(shè)計過程.圖1 時移網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)時移系統(tǒng)實現(xiàn)兩種時移功能: 本地時移和服務(wù)器時移. 本地時移主要通過p2p 方式獲取數(shù)據(jù)并存儲在內(nèi)存中, 用戶直接讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)進行時移操作, 其優(yōu)點是操作速度快, 而且不會增加中央服務(wù)器的負(fù)擔(dān); 缺點是可時移區(qū)間小, 而且在大部分情況下必須是用戶觀看過的內(nèi)容才可以進行時移. 服務(wù)器時移允許用戶回

7、看較大區(qū)間的內(nèi)容, 但必須在服務(wù)器存儲時移數(shù)據(jù), 并增加相應(yīng)的服務(wù)器出口帶寬.由以上分析可把整個時移系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)存儲與傳輸、數(shù)據(jù)播放3 個部分, 按照此劃分方案, 系統(tǒng)可設(shè)計成3 個模塊: 時移數(shù)據(jù)源服務(wù)器、時移存儲與索引服務(wù)器、客戶端.2. 2 時移系統(tǒng)運行過程分析時移系統(tǒng)主要運行步驟是: 存儲索引搜索. 為實現(xiàn)長時移功能, 必須使用一臺或多臺計算機來存儲數(shù)據(jù), 這些計算機從時移數(shù)據(jù)源服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后進行存儲和索引, 客戶端發(fā)送請求信息到這些計算機, 通過多級索引搜索到數(shù)據(jù)后發(fā)送到客戶端.3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)根據(jù)以上對時移系統(tǒng)的分析, 設(shè)計的時移系統(tǒng)分為3 大構(gòu)件: 時移數(shù)據(jù)源服務(wù)器

8、( tsms) 、時移存儲與索引服務(wù)器( t ssi ) 、時移客戶端( tsc) . tsms 主要功能: 控制功能、數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)發(fā)送功能. tssi 主要功能: 設(shè)置功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、數(shù)據(jù)存儲與索引功能. tsc 主要功能: 本地時移功能和服務(wù)器時移功能.3. 1 通信協(xié)議由于t ssi 和tsms 之間的通信時間較長,數(shù)據(jù)量也較大, 因此, 為了提高系統(tǒng)的性能, 兩者之間使用基于二進制格式的通信協(xié)議, 網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議使用t cp so cket , 保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?協(xié)議的基本格式為op( dword) | len ( int ) | channel id( dword) |其中:

9、 op 是一個長度為4 byte 的無類型整數(shù); len 記錄整條信息的長度; channel id為頻道id, 暫時保留.為了方便穿透防火墻, tsc 和tssi 的通信過程使用ht tp 協(xié)議.3. 2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3. 2. 1 時移數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)為了把時移數(shù)據(jù)存儲為分塊小文件, 且每個小文件可直接使用播放器進行播放, 以便日后編輯處理, 本研究采用d 為單位將分塊文件存儲到不同的目錄下, 每個目錄下的時移數(shù)據(jù)文件按編號1, 2,存儲, 當(dāng)程序啟動時設(shè)定分塊大小. 目錄名稱統(tǒng)一規(guī)范為yyyymmdd 的格式, 分塊文件名統(tǒng)一格式為n. asf. 分塊文件的內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)為:hea der | p

10、acket | pakcet | | packet|3. 2. 2 時移索引文件存儲結(jié)構(gòu)時移索引文件的存儲目錄結(jié)構(gòu)和時移數(shù)據(jù)存儲相同. 系統(tǒng)中一共有3 種索引文件: 天索引( 指向每1 d 的塊索引) , 塊索引( 指向1 d 內(nèi)的各個包索引, 包索引( 指向同1 d 同一序號下的時移數(shù)據(jù)分塊文件的數(shù)據(jù)包) .3. 2. 3 內(nèi)存中的索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示. 第一層數(shù)字表示日期, 即某年某月某日的時移索引數(shù)據(jù); 第二層數(shù)字表示索引文件序列號, 即某1 d 內(nèi)的索引號.圖2 時移數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的緩沖結(jié)構(gòu)3. 3 算法描述在時移系統(tǒng)中, 主要算法包括索引創(chuàng)建與資源搜索2 部分: 索引創(chuàng)

11、建指當(dāng)t ssi 接收到流媒體數(shù)據(jù)包時, 將數(shù)據(jù)包存儲到本地的磁盤空間中,同時為數(shù)據(jù)包創(chuàng)建索引項, 資源搜索時將使用這些索引數(shù)據(jù); 資源搜索指用戶向t ssi 發(fā)送時移請求時, 通過索引數(shù)據(jù)搜索到時移點所在數(shù)據(jù)在流媒體分塊文件中的位置. 圖3 顯示了時移數(shù)據(jù)的搜索過程.圖3 時移數(shù)據(jù)搜索過程圖中: dsx 為塊索引文件; t sx 為包索引文件;數(shù)字101, 102 等表示每1 s 第一個包含關(guān)鍵幀的數(shù)據(jù)包位置; at 表示起始時間, 例如at 00: 00:10 表示是索引項的數(shù)據(jù)開始時間.當(dāng)系統(tǒng)啟動時, 首先將已存在磁盤上的索引數(shù)據(jù)加讀入, 存儲當(dāng)天索引數(shù)據(jù)到內(nèi)存中, 若磁盤上不存在索引數(shù)

12、據(jù), 則在指定目錄下創(chuàng)建新的索引目錄結(jié)構(gòu). 完成初始化加載工作后, 開始接收數(shù)據(jù), 當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包時對其進行分析, 分析結(jié)果正常的數(shù)據(jù)包將被保存到磁盤中, 同時為其創(chuàng)建索引信息, 更新包索引、塊索引和天索引信息, 在達到規(guī)定條件下存儲包索引數(shù)據(jù), 更新其他二級索引數(shù)據(jù)文件.由于所有索引都采用順序存儲方式, 因此可以很方便地在每一級索引中進行折半查找. 搜索算法時間復(fù)雜度為o( log( n) ) .3. 4 數(shù)據(jù)容量估計采用548 kbyte/ s 的速率, 結(jié)果是1 個月的時移數(shù)據(jù)量大概為170 gbyte, 索引數(shù)據(jù)大概為600 mbyte, 有效數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)量的99. 659% . 在服

13、務(wù)器性能允許條件下, 完全可以把1 個月數(shù)據(jù)的索引存儲到內(nèi)存緩沖中, 加快搜索速度.3. 5 運行效果圖4 和圖5 給出的banacast 播放客戶端的時移控制界面, 圖4 中箭頭所指為“短時移控制按鈕”; 圖5 是長時移控制界面. 目前系統(tǒng)可以提供1 20 min 短時移和7×24 h 長時移. 短時移的長度取決于本地緩存大小的設(shè)定, 長時移的范圍取決于時移存儲服務(wù)器容量的大小.圖4 短時移控制界面圖5 長時移控制界面4 結(jié)論與討論本文的研究成果在我國首套具備時移功能的網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)banacast 上獲得成功的應(yīng)用, 研發(fā)的混合型時移網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)具有以下幾個方面的突出特色:a. 實現(xiàn)了p2p 電視直播功能與時移功能的結(jié)合, 在本地短時移的數(shù)據(jù)獲取方面, 巧妙地采用p2p 網(wǎng)絡(luò)電視直播系統(tǒng)的buffer 中的臨時數(shù)據(jù),實現(xiàn)時移功能, 節(jié)省了海量的網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器系統(tǒng)資源;b. 擁有服務(wù)器時移和本地時移功能, 既提供完善的時移選擇, 又提供廉價的時移運營成本;c. 實現(xiàn)了時移視頻數(shù)據(jù)分片存儲和多級索引, 搜索