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中國電信集團北京研究院 楊明川
摘 要：隨著寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展，流媒體應用得到了廣泛的應用。本文從可運營的寬帶流媒體應用系統(tǒng)的角度，分析了寬帶流媒體應用系統(tǒng)的層次架構(gòu)，并對每個層次的一些相關(guān)問題進行全面的介紹和分析。
一、概述
流媒體（Streaming media）是指在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上按時間先后次序傳輸和播放的連續(xù)音/視數(shù)據(jù)流。與普通的音視頻文件先下載再播放的方式不同，流媒體在播放前并不下載整個文件，只將部分內(nèi)容緩存，流媒體數(shù)據(jù)流就可以做到邊傳送邊播放，這樣節(jié)省了下載等待時間和存儲空間。流媒體數(shù)據(jù)流具有三個特點：連續(xù)性（continuous）、實時性（real-time）和時序性，即其數(shù)據(jù)流具有嚴格的前后時序關(guān)系。由于流媒體的這些特點，它已經(jīng)成為在Internet上實時傳輸音視頻的主要方式。
近年來，隨著寬帶網(wǎng)絡的發(fā)展，特別是寬帶接入技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡傳輸?shù)钠款i正在被打破，實時的高質(zhì)量流媒體傳輸已成為可能。這為流媒體的發(fā)展提供了基礎。另外，音頻和視頻編解碼技術(shù)的進步和網(wǎng)絡流媒體協(xié)議的標準化也為流媒體的廣泛應用起到重要的促進作用。基于流媒體傳輸?shù)膽玫玫搅嗽絹碓蕉嗟闹匾?可以預計，流媒體應用必將成為未來高速網(wǎng)絡的主要應用之一。
二、寬帶流媒體應用系統(tǒng)的架構(gòu)
與普通的在互聯(lián)網(wǎng)上提供免費的流媒體內(nèi)容不同，寬帶流媒體應用系統(tǒng)作為一個可運營、可管理的業(yè)務系統(tǒng)，需要在運營支撐、媒體傳輸、內(nèi)容管理等方面進行全面的考慮。圖1是一個寬帶流媒體應用系統(tǒng)的層次架構(gòu)示意圖。
圖1 寬帶流媒體應用系統(tǒng)層次架構(gòu)圖
在圖1中，將寬帶流媒體應用系統(tǒng)劃分為五個層次。其中，最上層為內(nèi)容、應用和增值業(yè)務提供層，這個層面主要是組織和提供流媒體的內(nèi)容資源，并根據(jù)用戶的需求將資源整合成為流媒體增值業(yè)務產(chǎn)品提供給用戶；下面一層是流媒體服務提供層，這個層次主要由各種形式的流媒體設備構(gòu)成，包括流媒體服務器、流媒體內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)、流媒體的內(nèi)容緩存系統(tǒng)等等；再下面一層是網(wǎng)絡承載層，該層提供IP網(wǎng)絡，是流媒體傳輸?shù)幕A。最下面一層是終端接入層，流媒體應用系統(tǒng)可以為多種形式的流媒體終端設備提供服務，包括PC終端、TV、智能電話、移動終端（如3G手機等），為了支持多種終端，通常還需要相應的網(wǎng)關(guān)設備，如家庭智能網(wǎng)關(guān)、移動網(wǎng)關(guān)等。
為了實現(xiàn)可運營，整個流媒體應用系統(tǒng)還需要運營支撐層負責運營和維護，運營包括用戶管理、AAA、計費結(jié)算、設備管理、流媒體性能測量等。運營支撐層需要和其他的各個層面進行交互，是流媒體應用系統(tǒng)的管理核心。
1.內(nèi)容、應用和增值業(yè)務提供層
內(nèi)容、應用和增值業(yè)務提供層主要負責提供內(nèi)容，并將內(nèi)容資源組織成為可以面向最終用戶收費的流媒體產(chǎn)品和服務。對于寬帶流媒體應用而言，內(nèi)容是確定流媒體產(chǎn)品和服務是否具有吸引力的根本因素，然而，缺乏對內(nèi)容的良好組織、包裝和在此基礎上的增值服務，將會對用戶的使用帶來極大的不便，并最終影響用戶使用該流媒體產(chǎn)品。
目前，基于寬帶流媒體的應用較多。我們就幾種流行的應用進行簡單的分析。
(1)視頻點播（VOD）：這是最常見、最流行的流媒體應用類型。視頻點播的服務提供商應該將點播的內(nèi)容進行良好的組織并向用戶提供簡單界面。目前，視頻點播的服務提供商通常都提供基于Web的節(jié)目列表、以及對節(jié)目的分類瀏覽、查詢等功能。額外的功能還包括對節(jié)目的介紹、評論、相關(guān)節(jié)目鏈接、BBS等。
(2)Internet TV：Internet TV包含兩層概念，一個是將傳統(tǒng)的電視節(jié)目通過流媒體技術(shù)在IP網(wǎng)絡上進行傳播的方式；另一層含義是以遵循傳統(tǒng)的電視節(jié)目的組織方式，以“電視頻道”的形式進行節(jié)目的組織的方式。
(3)遠程教學：遠程教學以應用對象明確、內(nèi)容豐富實用、運營模式成熟，成為目前商業(yè)上較為成功的流媒體應用。比較前兩種應用服務而言，遠程教學更強調(diào)內(nèi)容資源的組織，以及流媒體資源和其他文字、圖片資源的整合。
除了對內(nèi)容的組織和整合，對內(nèi)容的保護業(yè)務應用和業(yè)務提供商需要重視的問題。常見的手段是加密。對媒體內(nèi)容的實時加密和解密需要流媒體系統(tǒng)（包括終端）具有較高的處理能力，同時密鑰的分發(fā)、管理需要復雜的支撐系統(tǒng)協(xié)調(diào)實現(xiàn)。另外一種較為流行的方式是數(shù)字版權(quán)管理（DRM）。但是DRM不適用于流式播放的情況。
2.流媒體服務提供層
流媒體服務提供層主要實現(xiàn)流媒體服務。通常所說的流媒體技術(shù)一般都在這個層面上。流媒體服務提供層主要由流媒體服務器構(gòu)成。
為了實現(xiàn)在IP網(wǎng)絡上實現(xiàn)流式傳輸，流媒體服務器需要涉及流數(shù)據(jù)的編碼/解碼、流媒體協(xié)議、流媒體的速率控制、流媒體的集群、流媒體的應用層組播、流媒體的內(nèi)容分發(fā)。
(1)編碼/解碼：Internet上的流媒體編碼通常采用MPEG系列標準。如最新的Windows Media和Real System都采用了MPEG-4編碼標準。從流媒體傳輸?shù)慕嵌榷�，編碼需要滿足幾個方面的要求：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)絡上實時傳輸，因此必須考慮傳輸中數(shù)據(jù)丟失對解碼質(zhì)量的影響；最后，還需要考慮流媒體的速率調(diào)節(jié)的能力，因為網(wǎng)絡的擁塞狀況是不斷變化的，流媒體的編碼必須能夠適應網(wǎng)絡速率的變化，例如采用可擴展的層次編碼。
(2)流媒體協(xié)議：與普通的數(shù)據(jù)傳輸不同，流媒體因為具有持續(xù)媒體流的特點，因此需要專門的傳輸協(xié)議。目前，最常用的流媒體傳輸協(xié)議是RTP/RTCP協(xié)議，這兩個協(xié)議分別處理流媒體的傳輸和控制。
(3)流媒體的速率控制：由于Internet上網(wǎng)絡的擁塞變化非常大，往往不能保證在較長時間內(nèi)的持續(xù)帶寬，因此，需要流媒體傳輸能夠適應這種網(wǎng)絡的變化。除了緩沖（Buffer）機制外，最常用的是速率控制機制，即當網(wǎng)絡擁塞時能夠自動的將流媒體的速率降低，盡管這樣會導致流媒體的質(zhì)量變差，但不會導致服務的中斷，這對于保持流媒體服務的連續(xù)性非常重要。
(4)流媒體服務器集群技術(shù)：流媒體服務需要耗費較多的處理器資源，當流媒體傳輸?shù)男枨笤黾訒r，簡單的基于工業(yè)服務器的單個流媒體服務器就不再能夠滿足用戶的并發(fā)請求。流媒體服務器集群技術(shù)的核心是利用多個流媒體服務器構(gòu)成集群系統(tǒng)來實現(xiàn)流媒體服務的性能擴展。
(5)應用層組播：對于點對多點流媒體廣播而言，最好的方式是采用組播（Multicast）技術(shù)。但是組播技術(shù)因為各種原因在IP網(wǎng)絡上并沒有得到有效的支持，因此，利用主機系統(tǒng)代替網(wǎng)絡節(jié)點進行組播仿真就成為一個具有吸引力的想法，但目前應用組播尚沒有得到廣泛的應用，在實現(xiàn)上可以看作是內(nèi)容分發(fā)技術(shù)的一種形式。
(6)內(nèi)容分發(fā)技術(shù)：內(nèi)容分發(fā)技術(shù)主要也是解決流媒體傳輸?shù)木W(wǎng)絡質(zhì)量問題，其核心的思想是將流媒體服務單元盡量推倒網(wǎng)絡的邊緣。這些分布在網(wǎng)絡邊緣的媒體服務單元在邏輯上可以構(gòu)成一個內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（CDN）向用戶提供媒體服務。目前，CDN已經(jīng)成為流媒體傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)得到了廣泛的應用。
3.網(wǎng)絡承載層
網(wǎng)絡承載層即基礎的IP傳輸網(wǎng)絡。網(wǎng)絡承載層需要為流媒體提供支撐的主要包括兩個方面：組播和服務質(zhì)量。
(1)組播：流媒體的廣播最佳的方式就是采用組播。組播技術(shù)經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)較為成熟，并制定了多項關(guān)于組播的標準協(xié)議。但是組播在實際的運營網(wǎng)絡中很少實現(xiàn)。主要的因素包括擴展性、可靠性和穩(wěn)定性等問題。目前，在骨干網(wǎng)上采用組播來實現(xiàn)流媒體傳輸不太現(xiàn)實，但是可以利用組播技術(shù)在局域網(wǎng)或者小區(qū)網(wǎng)中實現(xiàn)流媒體傳輸。
(2)服務質(zhì)量：IP網(wǎng)絡的服務質(zhì)量一直是受到廣泛關(guān)注的熱點問題。但是至今為止，商用的IP網(wǎng)絡上還不能提供充分的、可靠的服務質(zhì)量保證，這和IP采用的Best Effort設計思路有關(guān)。但是，服務質(zhì)量對于可靠的流媒體傳輸至關(guān)重要，良好的網(wǎng)絡傳輸服務質(zhì)量的高質(zhì)量流媒體服務的基礎。為流媒體傳輸提供服務質(zhì)量保證是IP網(wǎng)絡的巨大挑戰(zhàn)。
4.終端接入層
通常，流媒體需要通過計算機上的媒體播放器呈現(xiàn)為視頻圖像。因此，最常見的流媒體終端為PC終端。但是隨著技術(shù)的進步和用戶的需求的增加，提供多種化的終端支持是流媒體發(fā)展的必然趨勢。這些終端包括：智能電話終端、電視、3G手機等。
智能電話終端作為傳統(tǒng)電話的擴展，可以通過附加IP協(xié)議和視頻處理芯片的方式支持流媒體。傳統(tǒng)的電視機可以通過增加機頂盒的方式收看IP方式的流媒體節(jié)目。3G手機作為支持多媒體的移動終端將是未來流媒體發(fā)展的一個重要方面。
為了保證不同形式的終端支持流媒體，需要相應的網(wǎng)關(guān)設備。目前，家庭綜合智能網(wǎng)關(guān)是一個關(guān)注的熱點，它可以為多種設備提供智能網(wǎng)關(guān)服務，并實現(xiàn)一個家庭網(wǎng)絡。
5.運營支撐層
為了實現(xiàn)可運營的流媒體應用系統(tǒng)，需要一個完善的運營支撐層對業(yè)務進行管理、計費的工作。從功能上，運營支撐層至少需要完成如下的工作：用戶管理、認證/授權(quán)、計費、網(wǎng)絡管理。一個完整的運營支撐系統(tǒng)還需要包括營業(yè)受理系統(tǒng)、帳務系統(tǒng)（收費渠道）、預付費卡系統(tǒng)、客服系統(tǒng)等等。
根據(jù)運營支撐層和流媒體其他各層次的關(guān)系，可以構(gòu)成多種不同的運營模式�？紤]到電信運營商在業(yè)務運營、營業(yè)受理、收費渠道，以及網(wǎng)絡接入和客戶資源等方面的優(yōu)勢，由電信運營商構(gòu)建一個綜合的流媒體應用支撐平臺向各個流媒體應用和內(nèi)容提供商提供綜合的業(yè)務支撐服務是目前較為可行，并且能夠?qū)崿F(xiàn)多方互利多贏的運營模式，例如中國電信的互連星空等。
三、總結(jié)
作為互聯(lián)網(wǎng)上一個正在蓬勃發(fā)展的應用，流媒體應用作為未來高速網(wǎng)絡的主流應用的趨勢已經(jīng)越來越明確。目前，人們已經(jīng)越來越習慣在網(wǎng)絡上收聽在線的音樂，收看在線的電視和視頻節(jié)目，甚至通過網(wǎng)絡進行視頻聊天等等。
可以預計，寬帶流媒體技術(shù)和應用必然會在未來的網(wǎng)絡中發(fā)揮更重要的作用，并從一定程度上改變?nèi)藗兪褂镁W(wǎng)絡的方式。
----《中國多媒體視訊》
