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1、 基于多媒体时移网络电视系统的技术分析 薛继忠摘要: 本文研究的混合型时移网络电视系统( HT SNT V) 方案吸收了本地时移方案和IP 点播方案的优点, 并且采用了优化的P2P 网络电视直播技术, 与传统B/ S 或C/ S 架构相比, 采用P2P技术的流媒体直播系统极大降低服务运营商的成本, 提高系统的并发用户数, 为用户提供高质量、低成本的视频直播服务. 针对时移功能的用户需求特点, 本研究率先在P2P 视频直播平台Banacast上实现了本地时移功能, 在较低成本的条件下让所有用户体验到新型的网络电视系统强大时移功能.关键词: 时移电视; 流媒体; 网络电视; P2P; IP 电视：
2、TN949.198 ： A时移作为一项最重要的IPT V 新功能, 越来越受到广泛的重视.目前主要有4 种时移电视的实现方案: 多频道切换时移、本地存储时移、IP 点播时移、有线时移. 多频道切换时移方式本质上不是真正的时移系统, 只是通过时间偏移在不同时间延时播出同一个频道的内容, 方案所占用的资源大, 效率低, 用户体验差; 本地存储时移方式是当前IPTV 系统普遍采用的时移方案,其时移区间的大小取决于本地硬盘存储空间的大小, 成本代价较大, 且不能进行长时间的时移范围选择; IP 点播时移方式一定程度上缓解了本地时移范围小的问题, 因为视频服务器可以存储较长时间的视频内容, 但是采用这种
3、方式的最大问题是即使在不进行时间移动的情况下, 随着并发用户数量的增长, 服务器端主机和网络带宽将线性上升以至造成阻塞, 大规模实际运行的可能性较小.有线时移是一种将模拟信号数字化后进行处理的方式, 可以扩展一些数字化频道, 是多频道切换方式的一个进步, 但是这种扩展频道数量的方式是相对有限的, 对于用户的并发支持度虽然有所提高, 但是从本质上讲亦十分有限, 最多只适应中等规模用户的使用.在实现大范围时移的过程中, 通过增加一个服务器程序来存储时移数据、建立时移数据索引和时移内容分发, 改进的分片存储技术、多级索引、缓冲机制极大地提高时移数据资源的搜索速度和系统运行效率.1 关键技术介绍1.
4、1 流媒体技术本系统使用ASF 流媒体格式, ASF 是一种数据格式, 音频、视频、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过这种格式, 以网络数据包的形式传输, 实现流式多媒体内容发布. 其中在网络上传输的内容称为ASF Stream. ASF支持任意的压缩/ 解压缩编码方式, 并可以使用任何一种底层网络传输协议, 具有很大的灵活性.P2P 网络结构采用混合式P2P 网络结构,资源搜索策略采用基于多策略的自适应资源搜索算法.1. 2 时移数据存储与搜索技术由于多媒体数据量相当大, 即使使用高压缩比的WMV 压缩格式进行编码, 仍然需要非常大的存储空间, 采用548 Kbyte/ s 速率的编码格式
5、,30 d 的音视频内容大概需要170 Gbyte 左右的存储空间, 为了能快速搜索到指定时间点的资源, 必须处理好存储和索引之间的关系.在T SNTV 系统中, 建立了“天”索引“块”索引和“包”索引三级索引.天索引记录每1 d 的首个索引块存储入口, 块索引记录1 d 中各块的首个数据包索引入口, 包索引记录每一数据包的存储入口. 每一级索引都使用顺序存储, 可进行折半查找, 查找速度快. 另外, 天索引长期驻留内存, 块索引和包索引根据用户访问情况和系统内存使用状况存储在内存中.2 系统分析2. 1 系统总体结构图1 描述一个结合了P2P 视频直播的时移网络电视系统, 包括节目发布管理、
6、内容分发与传输、时移数据存储、索引与检索、播放等. 其中有多个模块属于网络电视直播系统, 是关系到时移数据的采集、传输、播放等内容的基础平台, 文中有相关介绍. 本文重点介绍时移存储与索引模块和客户端模块的分析与设计过程.图1 时移网络电视系统体系结构时移系统实现两种时移功能: 本地时移和服务器时移. 本地时移主要通过P2P 方式获取数据并存储在内存中, 用户直接读取内存数据进行时移操作, 其优点是操作速度快, 而且不会增加中央服务器的负担; 缺点是可时移区间小, 而且在大部分情况下必须是用户观看过的内容才可以进行时移. 服务器时移允许用户回看较大区间的内容, 但必须在服务器存储时移数据, 并
7、增加相应的服务器出口带宽.由以上分析可把整个时移系统分为数据来源、数据存储与传输、数据播放3 个部分, 按照此划分方案, 系统可设计成3 个模块: 时移数据源服务器、时移存储与索引服务器、客户端.2. 2 时移系统运行过程分析时移系统主要运行步骤是: 存储索引搜索. 为实现长时移功能, 必须使用一台或多台计算机来存储数据, 这些计算机从时移数据源服务器接收数据后进行存储和索引, 客户端发送请求信息到这些计算机, 通过多级索引搜索到数据后发送到客户端.3 系统设计与实现根据以上对时移系统的分析, 设计的时移系统分为3 大构件: 时移数据源服务器( TSMS) 、时移存储与索引服务器( T SSI
8、 ) 、时移客户端( TSC) . TSMS 主要功能: 控制功能、数据获取和数据发送功能. TSSI 主要功能: 设置功能、数据传输功能、数据存储与索引功能. TSC 主要功能: 本地时移功能和服务器时移功能.3. 1 通信协议由于T SSI 和TSMS 之间的通信时间较长,数据量也较大, 因此, 为了提高系统的性能, 两者之间使用基于二进制格式的通信协议, 网络连接协议使用T CP So cket , 保证数据传输的可靠性.协议的基本格式为OP( DWORD) | LEN ( INT ) | CHANNEL ID( DWORD) |其中: OP 是一个长度为4 byte 的无类型整数; L
9、EN 记录整条信息的长度; CHANNEL ID为频道ID, 暂时保留.为了方便穿透防火墙, TSC 和TSSI 的通信过程使用HT TP 协议.3. 2 数据结构3. 2. 1 时移数据存储结构为了把时移数据存储为分块小文件, 且每个小文件可直接使用播放器进行播放, 以便日后编辑处理, 本研究采用d 为单位将分块文件存储到不同的目录下, 每个目录下的时移数据文件按编号1, 2,存储, 当程序启动时设定分块大小. 目录名称统一规范为YYYYMMDD 的格式, 分块文件名统一格式为N. ASF. 分块文件的内部存储结构为:HEA DER | PACKET | PAKCET | | PACKET|
10、3. 2. 2 时移索引文件存储结构时移索引文件的存储目录结构和时移数据存储相同. 系统中一共有3 种索引文件: 天索引( 指向每1 d 的块索引) , 块索引( 指向1 d 内的各个包索引, 包索引( 指向同1 d 同一序号下的时移数据分块文件的数据包) .3. 2. 3 内存中的索引数据结构索引数据结构如图2 所示. 第一层数字表示日期, 即某年某月某日的时移索引数据; 第二层数字表示索引文件序列号, 即某1 d 内的索引号.图2 时移数据在内存中的缓冲结构3. 3 算法描述在时移系统中, 主要算法包括索引创建与资源搜索2 部分: 索引创建指当T SSI 接收到流媒体数据包时, 将数据包存
11、储到本地的磁盘空间中,同时为数据包创建索引项, 资源搜索时将使用这些索引数据; 资源搜索指用户向T SSI 发送时移请求时, 通过索引数据搜索到时移点所在数据在流媒体分块文件中的位置. 图3 显示了时移数据的搜索过程.图3 时移数据搜索过程图中: dsx 为块索引文件; t sx 为包索引文件;数字101, 102 等表示每1 s 第一个包含关键帧的数据包位置; AT 表示起始时间, 例如AT 00: 00:10 表示是索引项的数据开始时间.当系统启动时, 首先将已存在磁盘上的索引数据加读入, 存储当天索引数据到内存中, 若磁盘上不存在索引数据, 则在指定目录下创建新的索引目录结构. 完成初始
12、化加载工作后, 开始接收数据, 当接收到数据包时对其进行分析, 分析结果正常的数据包将被保存到磁盘中, 同时为其创建索引信息, 更新包索引、块索引和天索引信息, 在达到规定条件下存储包索引数据, 更新其他二级索引数据文件.由于所有索引都采用顺序存储方式, 因此可以很方便地在每一级索引中进行折半查找. 搜索算法时间复杂度为O( log( n) ) .3. 4 数据容量估计采用548 Kbyte/ s 的速率, 结果是1 个月的时移数据量大概为170 Gbyte, 索引数据大概为600 Mbyte, 有效数据占总数据量的99. 659% . 在服务器性能允许条件下, 完全可以把1 个月数据的索引存
13、储到内存缓冲中, 加快搜索速度.3. 5 运行效果图4 和图5 给出的Banacast 播放客户端的时移控制界面, 图4 中箭头所指为“短时移控制按钮”; 图5 是长时移控制界面. 目前系统可以提供1 20 min 短时移和724 h 长时移. 短时移的长度取决于本地缓存大小的设定, 长时移的范围取决于时移存储服務器容量的大小.图4 短时移控制界面图5 长时移控制界面4 结论与讨论本文的研究成果在我国首套具备时移功能的网络电视系统Banacast 上获得成功的应用, 研发的混合型时移网络电视系统具有以下几个方面的突出特色:a. 实现了P2P 电视直播功能与时移功能的结合, 在本地短时移的数据获
14、取方面, 巧妙地采用P2P 网络电视直播系统的Buffer 中的临时数据,实现时移功能, 节省了海量的网络带宽和服务器系统资源;b. 拥有服务器时移和本地时移功能, 既提供完善的时移选择, 又提供廉价的时移运营成本;c. 实现了时移视频数据分片存储和多级索引, 搜索速度快;d. 服务器时移采用HT TP 协议, 可穿透防火墙;e. 本地短时移长度可根据用户的机器配置进行调节, 在性能和用户资源分配方面可以按需配置.在服务器长时移方面, 还需要进一步优化P2P 网络与长时移数据进行用户访问行为和并发时移控制等方面的策略和机制, 将基于极值优化算法的局部连续自寻优模糊控制技术与P2P 思想更好地融合到长时移系统中, 为用户提供更高效率和更长时段的时移电视解决方案. -全文完-
