流媒体实时交互的原理概述

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1、本科课程论文 Course Paper论文编号 Paper No: XXXXXX 撰写日期 Date: 2012-5-25流媒体实时交互的原理概述The principle of real-time interaction of streaming mediaXX计算机与信息工程学院 网络工程 09 级 XXXXXX)论文类型 Paper Type: 研究总结 Summary of Focused Research 论及主题 Subject Covered: 引言 流媒体的相关概念 流媒体的实时性与交互性 流媒体实时交互的原理 结论课程名称Course: TCP/IP协议原理与应用课程性质Co

2、urse No :原理与应用学分数Credits: 3主讲教师 Instructor : XXX开设学院College :计算机与信息工程学院开设时间Semester: 2012年2月2012年6月巢湖学院流媒体实时交互的原理概述XX（计算机与信息工程09网学络院工程09级 XXXXXX）XXEmail: XXXXXXXX摘 要 :生活中，流媒体技术应用随处可见，如远程教育、视频会议、互联网直播等等，其实时交互 功能给用户带来了极大的便利。信息在网络的传输过程中，都是使用网络体系各层次的协议 来实现。因此，流媒体的传输以及功能的实现离不开协议的承载。本篇论文首先介绍流媒体 的相关概念，其次介绍

3、实现实时交互性所需要的基本传输协议，最后用图示来阐明客户端与 服务器实时交互的过程。关键词:流媒体；实时交互； RTP；RTCP ；RTSP ；RSVPThe principle of real-time interaction of streaming mediaAbstract:XXXXXX(09012064, College of Computers & Information Engineering, Cha)oHu University, Hefei, China Email:XXXXXXIn life, the application of streaming media tech

4、nology can be seen everywhere, such as distance education, video conference, live broadcast on the Internet etc.In the process of transmission,the information is based on the protocols of various network system levels.Therefore,the transmission of streaming media and the realization of the function

5、are also inseparable from the protocol. Firstly,this paper introduces the concept of streaming media. Secondly,it introduces the basic transmission protocol that the realization of real-time interaction used. Finally, the graph elucidate the process of real-time interactive between the client and th

6、e server.Key words: Streaming Media ; Real-time interactive ; RTP ; RTCP ; RTSP ; RSVP1 引言当我们使用 TCP/IP 协议下载电影文件时，服务器将文件按照一定的次序分成若干 独立的数据报文，依次发出去，客户端的程序将这些数据报文重新组装起来，最终形成 和源文件一样的完整文件。这样，我们就可以对这个文件进行任何操作了。而流媒体技 术并非如此，它能够将文件按照特定的顺序发送出去，客户端的播放程序可以边接收数 据边播放。为了使播放更加稳定连贯，通常客户端会通过为接收数据开辟缓存区的方式来解决 网路拥挤的问题。这样

7、，只需要在缓冲区充满前等待几秒钟，就可以开始欣赏电影了。 文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。流式传输不仅使启动延时成十倍、百倍 地缩短，而且不需要太大的缓存容量。生活中，流媒体技术应用随处可见，如远程教育、视频会议、互联网直播等等。由 此可见，目前基于流媒体的应用非常多，而且发展非常迅猛。丰富的流媒体应用对 用户有很强的吸引力， 因此在解决了制约流媒体的关键技术问题后， 我们可以预料 到，流媒体应用必然会成为未来网络的主流应用。本篇论文首先介绍流媒体的相关概念以及流媒体的实时交互的体现， 然后详细 介绍实现流媒体实时交互所需要的传输协议，最后阐述流媒体实现实时交互的过 程。2 流媒体的

8、相关概念参考文献 1参考文献 12.1 流媒体与流媒体技术流媒体( Streaming Media )是指在 Internet/Intranet 上使用流式传输技术的连 续时基媒体(如音频、视频或多媒体文件) 。它在播放前并不下载整个文件，而是 将文件的开始部分内容先存入内存， 虽然在开始时会出现一些延时， 但保证了数据 流可以随时传送随时播放。流媒体技术不是单一的技术，它建立在众多的基础技术之上，包括网络通信技术、 多媒体数据采集技术、多媒体数据压缩技术、多媒体数据存储技术和多媒体数据传输技 术。流媒体实时交互的特性就是由多媒体数据传输技术来体现的。2.2 流式传输实现流媒体的关键技术就是流

9、式传输。流式传输的定义很广泛，主要指通过网络传 送媒体(如音频、视频)技术的总称。实现流式传输有两种方法：顺序流式传输和实时 流式传输。顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时，我们可以观看已经下载的部分，而 不能跳到还未下载的后续部分。顺序流式传输比较适合高质量的短片段，如片头、片尾 和广告，但它不适合长片段或者有随机访问要求的视频，如讲座、演说与演示，也不支 持现场广播。实时流式传输保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时观看到。实时流 式传输需要专用的流媒体服务器，如 QuickTime 、 Streaming Server 与 WindowsMediaServer ，它 还需要特

10、殊 网络 传输协议 ，如 RTSP(Realtime Streaming Protocol )或 MMS(Microsoft Media Server) 。实时流式传输总是实时传送，特别适合现场 事件，也支持随机访问，如我们对视频播放的快进或后退操作。2.3 流式传输的基本原理2.3.1 流式传输图示参考文献 2流式传输的实现需要缓存，使用缓存系统来弥补传输延时和抖动的影响，并保证数 据包的顺序正确，从而使媒体能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。 通常高速缓存所需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据，通过丢弃 已经播放的内容，流可以重新利用腾出的高速缓存空间来缓存后

11、续尚未播放的内容。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器，其传输过程如下图所示：2.3.2 流式传输过程解析流式传输的过程如下：用户选择某一流媒体服务器后，Web浏览器与Web服务器之 间使用 HTTP/TCP 交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来； 然后客户机上的Web浏览器启动相应的媒体播放器程序，从 Web服务器检索相关参数 对媒体播放器程序进行初始化。媒体播放器程序及 A/V 服务器同时运行实时流控制协议(RTSP),以交换A/V传输所需的控制信息，A/V服务器使用RTP/UDP协议将A/V数 据传输给 A/V 客户端程序(一般可认为客户端程序等同于媒体播放器程

12、序) ，一旦 A/V 数据抵达客户端，A/V客户程序即可播放输出。在播放过程中，客户机的媒体播放器需要通过 RSTP/UDP 与媒体服务器实时交换控 制信息，媒体服务器根据客户机反馈的流媒体接收情况，自动调整向客户机传送的媒体 数据流，从而在客户端达到最优的接收效果。3 流媒体的实时性与交互性所谓流媒体的交互性，通俗地来讲，就是在媒体播放时，用户通过选择和控制操作 来自主选择播放内容。而实时性则是指系统必须对外来时间再限定时间内做出反应，简 单地说，就是达到所需要的“快”。有了实时性，才能实现交互性。流媒体的实时与交互的特性使我们能够更好更自主化地选择自己所需的媒体服务， 这种相对于传统媒体而

13、言不曾具有的新型特性，使流媒体技术广受欢迎，满足人们的需 求。具有流媒体的实时交互性的产品充斥着我们生活工作的各个方面。如大家电脑里必 备的看电视工具， PPS、PPTV、Youku 网等等，亦或是，远程教育系统，视频会议系统 等等。这些产品给我们的生活工作带来极大的便利，技术的发展总是为人类而服务。4 流媒体实时交互的原理Internet原本不是用于实时多媒体流的通信的，使用TCP/IP协议不能保证实时通信 所要的带宽，传输延迟所造成的时间抖动将使实时通信的质量严重下降。另外，TCP协 议负责数据的流量控制，保证传输的正确性，具有数据重发的功能，这一点不符合实时 通信的要求。所以在Inter

14、net上传送多媒体信息时，采用的都是UDP/IP协议。由于UDP 和IP都不具有连接保证，因而数据传输的可靠性没有保障。因此，IETF(Internet工程 项目组)提出了多种实时通信协议，其中针对流媒体传输的各种常用实时协议主要有： 实时传输协议RTP、实时传输控制协议RTCP、实时流协议RTSP、资源预定协议RSVP。 4.1四种协议简述参考文献34.1.1 RTP 协议在 IP 网络上传输数字音频或视频信号所使用的协议是实时传输协议 RTP(Real-time Transport Protocol )。RTP提供两个关键的特性：每个数据报中的序号及时间戳。序号允 许接收端检测不按顺序的交

15、付或数据丢失，时间戳允许接收端控制回放。因为设计 RTP 是为了让它传送包括音频和视频等实时数据，所以RTP不强制统一语法解释，而是每个 分组以固定的首部开头、首部中的字段指定如何解释其余的首部字段以及如何解释有效 负荷。RTP固定的首部格式如下图所示：VERPXCCMPTYPE序号时间戳同步源标识符参与源IDRTP 采用基于速率的流量控制机制，使得发送方和接收方可以协同工作。 RTP 协议 通常工作在 UDP 协议之上，但也可以在其他协议上工作。 RTP 不提供资源预定，本身 并不能为按顺序传送数据报文提供可靠的传输机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它 依靠实时传输控制协议 RTCP 提供这

16、些服务。4.1.2 RTCP 协议实时传输控制协议(Real-time Transport Control Protocol )是RTP的伴随协议，它是 RTP 协议的一个完整部分，提供需要的控制功能。 RTCP 允许发送端和接收端互相传输 一系列报告，这些报告包括有关正在传输的数据以及网络性能的额外信息。 RTCP 报文 封装在UDP数据报中，以便进行传输，发送时使用比它们所属的RTP流的端口大1的 协议号。RTCP 使用 5 个基本报文类型允许发送端和接收端交换有关会话信息。 5 种 RTCP 报文类型如下表所示：类型含义200发送端报告201接收端报告202源描述报文203结束报文204

17、应用程序特定报文发送端周期性地传输发送端报告报文，提供绝对时间戳；接收端周期性地传输接收 端报告报文，向发送端通知接收的条件。发送端还传输源描述报文，提供有关拥有源站 控制权的用户的常规信息。在停止数据流时发送端传输一条结束报文。应用程序特定报 文类型提供了基本功能的扩展，以允许用户程序定义报文类型。4.1.3 RSTP 协议实时流协议RSTP (Real-time Streaming Protocol)是为了满足流媒体实现多点传送 和以点播方式单一传送的要求而提出的网络应用层协议。它在体系结构上位于 RTP 和 RTCP之上，使用TCP或RTP完成数据传输。RTSP利用流技术把数据分成许多数

18、据包， 数据包的大小由客户端和服务器端的实际带宽决定，当客户端接收到足够的数据包时， 用户不需要下载整个媒体文件就可以开始播放流媒体。因为播放器在播放一个数据包的 同时，解压另一个数据包并下载第三个数据包。流媒体数据可以是输入的实况信息，也 可以是存储的视频、音频片段。通过 RTSP 协议，服务器端可以跟踪流媒体传输的时间地址和方式，实现暂停、快 放、后退等交互功能。4.1.4 RSVP 协议由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更加敏感，为了在网络中传输高质 量的音频、视频信息，除带宽满足要求之外，还应提供一种有效的资源预约机制，可以 有效地描述应用程序对资源的需求。RSVP (Reso

19、urce Reserve Protocol )是 Internet 上的资源预定协议，使用 RSVP 预留 一部分网络资源，能在一定程度上为流媒体的传输提供Qos。在某些试验性的系统如网 络视频会议工具中就集成了 RSVP。RSVP 是一个单工协议，只在一个方向上预定资源。 特别地， RSTP 是一个面向用户 端协议，由信宿负责资源预定，可以满足点到多点的群通信中客户端衣钩的需求，每个 客户可以预定不同数量的资源，接收不同的数据流。4.2 流媒体实时交互的过程4.2.1 实时交互的关键协议 RTSPRTSP 是应用层协议，用于控制实时数据的传送。 RSTP 提供了一个可扩展的框架， 使实时数据

20、的受控，点播成为可能，也就是实现与用户的交互功能。RTSP建立并控制一个或几个时间同步的连续流媒体，换言之，RSTP充当多媒体服 务器的网络远程控制。在 RSTP 连接期间， RTSP 用户可以打开或关闭多个对服务器的 可靠传输连接以发出RTSP请求。4.2.2 实时交互过程图示有关实时交互过程的RTSP方法如下： SETUP:让服务器给流分配资源，启动RTSP连接； PLAY与RECORD:启动SETUP分配流的数据传输； PAUSE：临时停止流，而不释放服务器资源； TEARDOWN :释放流的资源，RTSP连接停止。客户端使用RTSP协议与服务器端通信获取流媒体数据的过程如下图所示：HT

21、TP连接连接描述SETUPPLAYRTP AudioRTP VidioRTCPPAUSETEARDOWNWebserverMedia Server图示交互过程描述：客户端使用HTTP向Web服务器发送连接请求，Web服务器根 据收到的请求将所请求的连接描述发送给客户端，客户端使用连接描述中的信息创建 RTSP 连接，与媒体服务器进行通信，获取流媒体数据。首先客户端向媒体服务器发送 SETUP命令，收到服务器端的响应后，建立RTSP连接；然后客户端发送PLAY命令， 收到服务器端的响应后，开始传输音频、视频数据，及适当的控制信息；如果媒体播放 过程中，需要暂停，客户端将发送 PAUSE 命令，暂

22、停数据传输；当客户端需要结束媒 体播放时，将向媒体服务器发送TEARDOWN命令，结束媒体数据的传输。5 结论基于流媒体实时交互性的应用在生活中处处可见，而且逐渐发展成为快节奏城市工 作生活中的主流产品，如可视电话系统，视频会议系统，远程教育系统，远程医疗系统 等等。相对于传统媒体，这些产品有效地解决了人们的某些需求在时间与空间上的冲突。网络上的通信离不开协议，而 TCP/IP 协议是 Internet 国际互联网络的基础。在写这 篇论文的过程中，我认识到之前我对 TCP/IP 协议单一而片面的错误理解，以为它只是 TCP 协议与 IP 协议的合称。实际上， TCP/IP 是一组协议的代名词，

23、包括许多其它的协议，组成了 TCP/IP 协议 簇，其中比较重要的有SLIP协议、PPP协议、IP协议、ICMP协议、ARP协议、TCP 协议、 UDP 协议、 FTP 协议、 DNS 协议、 SMTP 协议等。除此之外， TCP/IP 协议簇中 的某些协议又是其它协议的载体。比如，在本文中所提及到的RTP协议与RTSP协议就 是承载于 UDP/IP 协议之上。在书写这篇关于流媒体实时交互的原理的论文后，不仅使我增长了知识，还使我领 会到各种协议在网络通讯中的重要性。协议的存在致使各种网络产品在日程生活中体现 的作用越来越大，带来的便利也越来越多，因此，对于学习网络的我们来说，学习并且 充分熟悉各个协议在网络互联中的作用是必不可少的知识储备。参考文献 ( References)1 多媒体通信技术，何忠龙、陈萱华、曹迎槐编著，北京希望电子出版社2 IP 网络多媒体通信技术及应用，朱志祥、王瑞刚编著，西安电子科技大学出版社3 小波编码与网络视频传输，沈兰荪、卓力编著，科学出版社