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1、大规模流媒体应用中关键技术的研究尹浩，林闯，文浩, 陈治佳，吴大鹏*（清华大学 计算机科学与技术系，北京 100084）（*佛罗里达大学（美） 电子工程计算机科学与技术系，佛罗里达32611-6130）摘 要：支持大规模用户在线使用的流媒体应用是Internet中极富潜力的一项“杀手级应用”，但由于Internet缺乏服务质量（QoS）与相应的安全保障，并且网络和终端系统又存在着较大的异构性，这使得在Internet上构建支持大规模用户的在线流媒体应用面临很多的挑战。本文从支持该应用的流媒体编码技术和网络技术两个角度出发，针对其面临的挑战，深入、全面的综述了编码技术与网络技术的发展与现状。最后
2、提出了一个新的流媒体应用体系结构，以同时解决该应用中的性能瓶颈、异构性、安全传输以及服务质量等问题，并指出了大规模流媒体应用中关键技术的研究方向。关键词：流媒体，服务质量，视频编码，对等网络中图法分类号: TP393Research on Key Technologies of Large-Scale Streaming MediaYIN Hao, LIN Chuang, WEN Hao, CHEN Zhijia, Dapeng WU(Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 1000
3、84, China)(Department of Electrical & Computer Engineering, P.O.Box 116130,Gainesville, University of Florida 32611-6130)Abstract: Large-scale online streaming video application has gradually become the most important and potential technology of multimedia applications. Since Internet is heterogeneo
4、us and there is no Quality of Service (QoS) and security guarantee, large scale online streaming video application over the Internet faces many challenges. This paper, following the development of video sourcing coding and network transmission technology, comprehensive and deeply presents the scalab
5、le encoding and error-resilient encoding and the development of multicast and P2P technology. Specially a new streaming architecture is proposed to satisfy the requests of QoS, heterogeneity ,and security guarantee in practical application. Some detailed analysis and comparisons are conducted in thi
6、s paper. At last, future research direction is proposed in this paper too. Key words: streaming video, QoS，video sourcing coding, , Peer to Peer1. 引言最近十年来，随着流媒体与网络技术的飞速发展，人们对视频会议、视频点播、远程教学、在线游戏和娱乐等应用的需求越来越广泛。大规模流媒体技术是使这些应用得以迅速发展的关键，从而也成为学术界和业界关心的研究热点。现有Internet上构建商用的大规模流媒体应用系统始终面临着几大挑战：网络服务质该课题得到国家自
7、然科学基金（No.60673184），国家863高技术研究发展计划(No.2007AA01Z419)和国家973计划前期研究专项（2008CB317101）支持.尹浩（1974-），男，清华大学计算机系副研究员，主要研究方向为流媒体技术、网络安全与性能评价等,Email：h-.林闯（1948-），男，清华大学计算机系教授，博士生导师，主要研究方向为计算机网络和系统性能模型及评价.文浩（1983-），男，清华大学计算机系博士生，主要研究方向为网络性能评价，无线网络. 陈治佳（1981-），男，清华大学计算机系博士生，主要研究方向为对等计算，流媒体等.吴大鹏，男，佛罗里达大学助理教授，主要研究方向
8、为流媒体技术，无线通信等.量（QoS）问题1 ；异构性问题；安全问题；可扩展性问题。由于流媒体应用对网络的带宽、丢包、延迟和抖动等网络服务质量QoS都有严格要求，而目前的Internet难以提供QoS保证，这使得流媒体的大规模商业应用难以满足用户对服务质量的需求。另外网络与客户端通常都具有较大的异构性，如何满足具有不同接入速度的用户享受不同服务质量的流媒体业务，也是成功的流媒体系统需要解决的问题。与此同时，伴随着人们对多媒体业务需求的日益增长，流媒体应用中的安全问题逐渐成为制约该应用进一步发展的关键，其安全问题主要表现在两个方面：一个是数字版权保护问题，另一个是传输安全问题。可扩展性问题主要表
9、现在，很多的流媒体应用系统在用户人数不多的情况下质量不错，但是当人数达到一定的数量时，其系统的服务质量就很难满足用户的需要，如何解决大规模流媒体应用中的可扩展性问题，一直学术界关注的重点。为了有效的解决上述的挑战，大量的新技术、新体系被提出，其中编码技术和网络传输技术则是构建大规模流媒体系统的两个关键技术。一方面，新的视频编码技术的出现（如可扩展编码FGS2、PFGS3和多描述编码MDC4,5等）推动了流媒体技术的发展，使该领域不断出现新的突破。同时，从CDN的内容分发技术、网络IP组播技术到P2P技术，这些网络传输技术的不断发展也给流媒体应用带来了极大的促进。从网络传输技术的特点来分，可以将
10、现有的大规模流媒体应用方案分成图1所示的两类,IP组播技术支持的流媒体方案与P2P技术支持的流媒体方案：图1按照传输技术分类按照网络传输技术的发展历程，大规模流媒体系统经历了如下三个阶段：第一个阶段是利用IP组播协议6来承载流媒体传输，由于IP层组播在拥塞控制、可扩展性、可用性等方面存在一系列的问题，所以基于IP组播的视频通信应用一直未在Internet上得到广泛的使用。随之，出现了基于CDN网络（Content Distribution Network）的解决方案7，通过部署高性能的中心服务器和靠近用户的边缘代理服务器为用户提供高质量的流媒体服务。然而，CDN昂贵的造价限制了其大范围的使用。
11、作为对等网络P2P传输模式的一种特殊实现方式，应用层组播（ALM，Application Layer Multicast）协议的提出，特别是基于Narada应用层组播协议的端系统组播系统(End System Multicast) 8,9在2003年SIGCOMM 会议的使用，标志着流媒体播放方案进入了发展的第二阶段。在多数应用层组播协议构成的数据覆盖拓扑（也就是组播树）中，节点既可以从上级父亲节点接收数据，同时又能够向多个下一级节点发送数据，因此本文中将多数ALM协议归于对等网络P2P方式中的单发送端多接受端一类，但其中一部分基于ALM协议的系统（如CoopNet）在具体实现方式上属于多发送
12、端单接受端的P2P传输方式。在2004年，香港科技大学张欣研、刘江川和李波开发的CoolStreaming系统10，又揭开了利用多点对多点的P2P流媒体技术进行实时视频流传输的第三个阶段。在多发送端多接受端的传输方式中，每个节点既可以从多个节点接收数据也可以向多个节点发送数据，节点之间的数据拓扑构成了网状结构，极大提高了系统的扩展性。但在P2P技术给解决当前大规模流媒体应用中的网络与系统瓶颈问题带来新的机遇的同时，也给大规模流媒体系统带来新的挑战53。全文的剩下部分的结构如下：第二部分简要介绍了近年来对流媒体系统产生过重要影响的编码技术；接下来，按照网络传输技术的分类和发展历程，在第三部分介绍
13、并比较基于IP组播的各种流媒体技术；第四部分围绕P2P技术的分类，分别介绍并分析单发送端多接受端、多发送端单接受端和多发送端多接受端三类典型协议及其应用，同时提出基于P2P流媒体应用面临的挑战；最后提出了一种新的体系结构，以期同时完整地解决上述的问题，并指出了下一步的研究方向。2.视频编码技术支持大规模流媒体应用的视频编码技术大致分为两类：单码率与可伸缩性编码。在单码率编码中，服务器始终以单一速率向所有接收端发送流媒体数据，并根据各个接收端的反馈信息调整数据发送速率。该编码方式的控制粒度较粗，不能同时公平有效的对待多个接收端。在接收端的网络状况差异很大时，接入带宽高于发送速率的接收端的接收能力
14、没有得到充分利用，带宽低于该速率的接收端处会发生拥塞。而在可伸缩性编码方式（Scalable Encoding）中，为了适应网络异构的特性，将视频内容编码分为若干个互不相交的视频层，接收端只需要接受一定数量的视频层，就可以解码还原得到视频画面，质量取决于接受到视频层的数量。由于各个层的内容之间并不重叠，接收到多个层的信息可以大大提高视频的接收质量，从而更有效地节省了带宽，因此分层组播在研究领域和实际应用中得到了广泛的重视。因此本节主要介绍并分析可伸缩编码方式。可伸缩性编码最常见的两种编码方式就是分层编码和容错编码：前者属于累积分层，编码产生的视频层有主次之分；而后者属于非累积分层，编码产生的视
15、频层优先级相同。2.1分层编码(Layered Encoding)作为可伸缩编码的一种，分层编码将视频内容编码分为占用少量带宽的基本层和若干可以提高视频质量的增加层，接收端可以根据自己的网络状况选择要接收的层，解码产生相应质量的视频图像。在分层编码方式中，通常可在时间、空间或信噪比中三个方面实现扩展1,2。基本层（base layer）作为最重要的层，包含流媒体的最重要特征的数据；其它层称为增强层（enhancement layer），包含进一步提高视频质量的数据。在流媒体传播方案中，通过仅向接收端发送它能够处理的那些层，可以很好地适应网络与终端用户的异构性。传统的分层方案中增强层的层次粒度比
16、较粗，精细可伸缩编码FGS（Fine Granularity Scalability）2 采用位平面（bitplane）的编码方式来产生增强视频层，由于增强层数据流可以任意截断来获得不同的比特率，所以能够获得不同输出速率的流媒体。虽然FGS具有细粒度的伸缩性和错误恢复能力，但是由于其分层数量太少，实际应用效果不好。累进的精细编码PFGS（Progressive Fine Granularity Scalability）在继承FGS编码优点同时，利用了多个视频层进行预测，可伸缩性和容错性都增强了。此外，把细粒度的可伸缩性和空间可分级、时间可分级结合起来，又产生了精细空域可伸缩编码方式FGSS（Fine-Granularity Spatially Scalable）和精细时域可伸缩编码FGST（Fine-Granularity Scalable Te
