基于MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的流媒體服務(wù)器搭配圖文教程

mpeg-1標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼部分的基本得法與H.261/ H.263相似，也采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸�間預(yù)測(cè)、二維DCT、VLC游程編碼等措施。此外還引入了幀內(nèi)幀（I）、預(yù)測(cè)幀（P）、雙向預(yù)測(cè)幀（B）和直流幀（D）等概念，進(jìn)一步提高了編碼效率。

流媒體服務(wù)器是流媒體系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其性能的好壞直接決定著流媒體應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)劣,當(dāng)前流行的直播服務(wù)器系統(tǒng)和我們國(guó)家自己研制成功的直播服務(wù)器系統(tǒng)引人注目，其采用的直播技術(shù)將是未來發(fā)展的主流方向。

MPEG-4于1998年公布，和MPEG-2所針對(duì)的不同，MPEG-4追求的不是高品質(zhì)而是高壓縮率以及適用于網(wǎng)絡(luò)的交互能力。MPEG-4提供壓縮率非常驚人，以VCD畫質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-4可以把120分鐘的多媒體流壓縮至300M。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于視像電話(Video Phone)，視像電子郵件(Video Email)和電子新聞(Electronic News)等，其傳輸速率要求較低，在4800-64000bits/sec之間，分辨率為176X144。MPEG-4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖象質(zhì)量。

流媒體服務(wù)器是流媒體系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其性能的好壞直接決定著流媒體應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)劣，它在功能上分為以下幾個(gè)模塊： 

● 點(diǎn)播服務(wù)器模塊 主要接收用戶的視頻點(diǎn)播，為用戶提供視頻播放功能，處于流媒體服務(wù)器系統(tǒng)的核心地位。它直接與用戶管理、節(jié)目管理、計(jì)費(fèi)模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊、直播服務(wù)器模塊進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)這些模塊的運(yùn)行。 

● 用戶管理、節(jié)目管理和計(jì)費(fèi)模塊 隨著用戶和節(jié)目源的增多，必然要引入用戶管理、節(jié)目管理和計(jì)費(fèi)模塊，并對(duì)可靠性和穩(wěn)定性提出更高的要求。 

● 網(wǎng)絡(luò)管理模塊 為了提高流媒體服務(wù)器的穩(wěn)定性，統(tǒng)一管理與配置系統(tǒng)資源，網(wǎng)絡(luò)管理模塊是必不可少的。 

● 直播服務(wù)器模塊 直播服務(wù)器模塊是實(shí)時(shí)采集音視頻信號(hào)，為用戶提供現(xiàn)場(chǎng)直播的功能。 

Real System：分流技術(shù)占主導(dǎo) 

　　Real Networks公司最新的網(wǎng)上流式音視頻解決方案名為Real System IQ。Real System IQ容易安裝，在高、低帶寬上均可提供良好的視音頻質(zhì)量，但價(jià)格較貴。作為流媒體領(lǐng)域的主導(dǎo)廠商，Real Networks公司憑借其優(yōu)秀的技術(shù)，占領(lǐng)了一多半的網(wǎng)上流媒體點(diǎn)播市場(chǎng)。Real System IQ由服務(wù)器端流播放引擎(real server)、內(nèi)容制作（Real Producer）、客戶端播放（Real Player）三個(gè)方面的軟件組成。 

　　Real Server使用分流技術(shù)（splitting）在服務(wù)器之間傳輸直播數(shù)據(jù)。Splitting方法可以解決RealServer超負(fù)荷的問題，使得客戶端可以就近訪問Realserver服務(wù)器，獲得更好的訪問質(zhì)量，并且減少帶寬使用，服務(wù)更多用戶。Splitting技術(shù)可以采用UDP單播、UDP組播和TCP三種方式進(jìn)行通信。通過分流，一個(gè)或者多個(gè)Real Server服務(wù)器加入到transmitter中，來分散transmitter的流數(shù)量，而不是所有的請(qǐng)求都到達(dá)一個(gè)RealServer服務(wù)器。  

如圖1所示，實(shí)況內(nèi)容源處的RealServer是發(fā)送服務(wù)器（transmitter），它將實(shí)況播放給其他RealServer服務(wù)器接收，接收的RealServer服務(wù)器(receiver)一般更靠近訪問者。網(wǎng)頁上的鏈接指向接收的RealServer服務(wù)器而不是發(fā)送服務(wù)器。當(dāng)用戶點(diǎn)擊鏈接時(shí)，接收服務(wù)器識(shí)別出特定的URL，然后把從發(fā)送服務(wù)器來的視頻流轉(zhuǎn)播給用戶。 

　　當(dāng)transmitter開始播放實(shí)況流時(shí)，它將節(jié)目廣播給所有的receiver；當(dāng)用戶從receiver上請(qǐng)求一個(gè)播出節(jié)目時(shí)，transmitter和receiver之間已經(jīng)建立了一個(gè)連結(jié)，播出節(jié)目也就立即發(fā)送到用戶。 

QuickTime：三種直播方式樣樣行  

　　在Streaming Server直播過程中主要有Multicast、Unicast及Relay三種方式。 

　　Multicast適用于局域網(wǎng)（Intranet）內(nèi)或支持IP v6標(biāo)準(zhǔn)的Internet（mBone），它的方式是每個(gè)客戶端都共享一個(gè)連接流。  

　　Unicast方式是每一個(gè)客戶端都與QuickTime Streaming Server建立一個(gè)流連接。 

　　Relay是通過Relay Server，將由Broadcaster發(fā)出的一個(gè)流以Multicast方式分發(fā)給在同一網(wǎng)段上所有客戶端。 

　　寬帶局域網(wǎng)（Intranet）應(yīng)用如圖2所示;Intranet和Internet同時(shí)直播應(yīng)用如圖3所示；寬帶Internet直播框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。  

　　中國(guó)自己的系統(tǒng)：第一個(gè)支持Linux 

清華大學(xué)多媒體技術(shù)研究中心自主開發(fā)的直播服務(wù)器系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。 

　　該服務(wù)器系統(tǒng)在功能上實(shí)現(xiàn)了采集、壓縮編碼與播放的分離，分別由編碼服務(wù)器和播放服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，播放服務(wù)器在實(shí)現(xiàn)上和視頻點(diǎn)播服務(wù)器集成在一起。編碼服務(wù)器和視頻點(diǎn)播服務(wù)器利用簡(jiǎn)單控制協(xié)議進(jìn)行通信。  

1. 編碼服務(wù)器 

　　由于客戶端配置的多樣性和帶寬的不同，單一碼率無法同時(shí)滿足所有用戶的需求。因此，該編碼服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了單節(jié)目源多編碼器多碼率的功能。 

　　針對(duì)一路節(jié)目的輸入，編碼服務(wù)器同時(shí)啟動(dòng)多個(gè)不同碼率的編碼器，這些編碼器并行運(yùn)行輸出覆蓋高、中、低三檔的碼率，編碼器的個(gè)數(shù)和碼率的大小由系統(tǒng)資源和客戶需求折中考慮。同時(shí)所有的編碼器都可以動(dòng)態(tài)地改變碼率，即在不中斷播放器播放的情況下修改編碼速率。 

編碼服務(wù)器對(duì)外提供三種服務(wù)： 

● 固定碼率的多碼率的組播功能 播放服務(wù)器通過組播的方式接入編碼服務(wù)器不同碼率的編碼器，這種方式可以接入數(shù)量無限的播放服務(wù)器。 

● 固定碼率的多碼率的點(diǎn)播功能 播放服務(wù)器通過點(diǎn)播的方式接入編碼服務(wù)器不同碼率的編碼器。 

● 動(dòng)態(tài)可變碼率的點(diǎn)播功能 接入該編碼器的播放服務(wù)器對(duì)外只能提供組播功能，該編碼器根據(jù)播放服務(wù)器收集到的組播用戶的反饋信息，動(dòng)態(tài)地調(diào)整編碼器的編碼速率。 

2.播放服務(wù)器 

　　播放服務(wù)器是客戶端和編碼服務(wù)器的中繼站，它接收用戶請(qǐng)求，為用戶提供服務(wù)。相對(duì)于編碼服務(wù)器提供的三種服務(wù)，播放服務(wù)器以如下三種方式接入編碼服務(wù)器: 

● 多碼率的組播接入 播放服務(wù)器對(duì)外提供組播和點(diǎn)播功能。用戶可以根據(jù)終端帶寬的多少接入不同碼率的組播。當(dāng)一個(gè)用戶以點(diǎn)播的方式接入播放服務(wù)器時(shí)，在播放過程中，播放服務(wù)器就可以根據(jù)播放器的反饋信息，對(duì)用戶提供的碼率在當(dāng)前的幾種碼率間遷移，從而給用戶提供最佳的觀看效果。 

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可支持無限個(gè)播放服務(wù)器，但編碼服務(wù)器和播放服務(wù)器間的路由器必須支持組播協(xié)議，因此該功能可用于本地集群播放服務(wù)器。 

● 多碼率的點(diǎn)播接入 這種接入方式與多碼率的組播接入的惟一不同是以點(diǎn)播的方式接入編碼服務(wù)器，雖然點(diǎn)播方式支持的播放服務(wù)器數(shù)量有限，但它沒有組播路由器的限制，可以在因特網(wǎng)的任何地點(diǎn)接入編碼服務(wù)器。 

● 可變碼率的點(diǎn)播接入 這種接入方式對(duì)外只提供組播方式。播放服務(wù)器從組播地址接收到組播用戶的反饋信息，向編碼服務(wù)器提出動(dòng)態(tài)改變編碼速率的請(qǐng)求，從而滿足大多數(shù)組播用戶的需求。

流媒體資料從硬盤到送到網(wǎng)卡的典型處理情況如下：

a、媒體資料從硬盤盤體中讀取出來，經(jīng)過硬盤接口電路（SCSI，IDE或者FC類型），到達(dá)硬盤控制卡；

b、經(jīng)過硬盤控制卡轉(zhuǎn)換接口后，多媒體資料通過PCI總線，到達(dá)PCI控制器；

c、又經(jīng)過PCI控制器轉(zhuǎn)換接口以后，多媒體資料通過系統(tǒng)內(nèi)部總線，存儲(chǔ)到內(nèi)存中；

d、在資料被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上之前，CPU需要對(duì)內(nèi)存中的多媒體資料進(jìn)行一些處理，例如復(fù)制、切分、按協(xié)議打包；

e、然后打包之后的資料在內(nèi)存中通過系統(tǒng)內(nèi)部總線、PCI控制器、PCI總線，到達(dá)網(wǎng)卡；

f、網(wǎng)卡將資料再一次包裝后發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)中。

在不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，以上多媒體資料發(fā)送的過程可能有所不同，但是一般都需要經(jīng)過硬盤、CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡、內(nèi)部總線、外部總線這些功能部件。隨著客戶數(shù)量的增加以及應(yīng)用需求的增加，媒體服務(wù)器需要不斷提高多媒體資料的處理能力。硬盤、CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡、內(nèi)部總線、外部總線這些有沒有可能成為瓶頸，以下分別進(jìn)行分析。



1、硬盤

現(xiàn)在普通的PC機(jī)上用的最多的是IDE的硬盤，如果能用這種價(jià)格低廉的硬盤作為流媒體服務(wù)器的存儲(chǔ)設(shè)備，將很大程度上降低了成本。

讓我們做這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：對(duì)兩臺(tái)除存儲(chǔ)設(shè)備外配置完全相同的系統(tǒng)進(jìn)行讀寫速度測(cè)試，一臺(tái)系統(tǒng)使用7200RPM的IDE硬盤和UltraDMA 66 IDE控制卡，另一臺(tái)使用統(tǒng)一品牌并且具有相同盤體的7200RPM的SCSI硬盤和U2W控制卡，經(jīng)過速度評(píng)測(cè)我們發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)硬盤的速度幾乎是一模一 樣，都是14.5 M/s。為什么IDE和SCSI速度會(huì)一樣呢？其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，目前硬盤數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i不在硬盤接口，而在于硬盤盤體本身。硬盤廠商在生產(chǎn)IDE或 SCSI硬盤時(shí)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(zhì)和機(jī)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(xiàn)有技術(shù)下部可能達(dá)到SCSI甚至IDE的接口速度，所以我們才看到SCSI硬盤同IDE硬盤實(shí)際性能是差不多的，而這一指針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(guān)系。

如何提高存儲(chǔ)設(shè)備的性能呢？可以采用RAID技術(shù)。RAID的目的就是盡可能的讓多個(gè)硬盤同時(shí)服務(wù)于同一個(gè)請(qǐng)求，從而在總體上提高數(shù)據(jù)傳輸速度。當(dāng)然 RAID同時(shí)還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)保護(hù)功能。使用RAID可以使連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到50M/s或更高，對(duì)于大多數(shù)用戶已經(jīng)足夠，這時(shí)候硬盤已經(jīng)不是瓶頸了。 同時(shí)我們采用優(yōu)化的讀取算法使硬盤的尋道時(shí)間和尋道次數(shù)都大幅度降低，增加了硬盤的壽命。動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡技術(shù)是單臺(tái)服務(wù)器的各塊網(wǎng)卡的負(fù)載基本相同，使系 統(tǒng)的整體性能得到了很大的提高。

結(jié)論：所有我們可以支持客戶使用IDE硬盤，通過RAID技術(shù)突破硬盤的瓶頸。

2、CPU

現(xiàn)在即使最普通的PC，主頻也在500MHz以上了，流媒體服務(wù)器的CPU只是進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的復(fù)制、切分等處理，而不是進(jìn)行復(fù)雜的DCT變換，編碼譯碼等運(yùn)算，所以CPU的能力已是綽綽有余了。設(shè)計(jì)好的流媒體系統(tǒng)的CPU利用率一般在很低。

結(jié)論：CPU不是進(jìn)行流媒體服務(wù)的瓶頸。

3、網(wǎng)卡

以太網(wǎng)卡的速度主要有10 Mb/s和 100 Mb/s 兩種，1000 Mb/s的以太網(wǎng)也得到了應(yīng)用；ATM 網(wǎng)卡的速度主要有 25 Mb/s和155 Mb/s兩種，622 Mb/s的ATM網(wǎng)卡也有少量應(yīng)用。如果采用10 M以太網(wǎng)卡，則系統(tǒng)只能夠同時(shí)傳輸6個(gè)MPEG-I數(shù)據(jù)流；如果采用100 M以太網(wǎng)卡，則系統(tǒng)能夠同時(shí)傳輸60個(gè)左右的MPEG-I數(shù)據(jù)流。100 M以太網(wǎng)的性能價(jià)格比最高，如果需要支持更多的用戶，而且只能采用100 M以太網(wǎng)，那么可以在一個(gè)系統(tǒng)中插入多塊100 M以太網(wǎng)卡。


結(jié)論：在局域網(wǎng)內(nèi)，網(wǎng)卡也不是進(jìn)行流媒體服務(wù)的瓶頸了，通過動(dòng)態(tài)的負(fù)載平衡技術(shù)，可以使系統(tǒng)中各個(gè)網(wǎng)卡得到很好的配合利用。


4、內(nèi)部總線、內(nèi)存、外部總線。

Cache、內(nèi)存、PCI控制器、USB控制器、ISA控制器等多種設(shè)備與內(nèi)部總線直接連接，這些設(shè)備共享內(nèi)部總線傳輸資料，因此內(nèi)部總線也有可能成為系統(tǒng)的瓶頸。

內(nèi)部總線的速度主要有66 MHz和100 MHz兩種，133MHz的總線剛剛開始應(yīng)用。內(nèi)部總線的資料寬度為32位，所以內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到256 MB/s以上。作為媒體服務(wù)器時(shí)，系統(tǒng)的內(nèi)部總線不會(huì)成為瓶頸。

內(nèi)存的工作頻率與系統(tǒng)內(nèi)部總線一致，一般也不會(huì)成為媒體服務(wù)器的瓶頸。

PCI總線是計(jì)算機(jī)主要的外部總線。網(wǎng)卡、硬盤控制卡等都通過PCI總線與系統(tǒng)連接。PCI總線的頻率為33 MHz，資料寬度為32位，所以PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸速度為133 MB/s。擴(kuò)展的PCI總線資料寬度可以達(dá)到64位，數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到266 MB/s，但是64位的PCI總線還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到廣泛應(yīng)用。

ISA總線是一種比較老的但是得到廣泛應(yīng)用的外部總線，許多舊的聲卡、顯示卡、網(wǎng)卡等的接口就是ISA接口。ISA總線的資料寬度為16位，工作頻率小于 10MHz，所以速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PCI總線。如果媒體服務(wù)器的某些設(shè)備通過ISA總線連接，那么這個(gè)接口就會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。