基于IP的VOD视频点播关键技术研究

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随着网络和计算机技术的不断发展，真正的数字视频点播宽带通信业务——VOD进入家庭已经为期不远。VOD是一项集电视、电影、电脑软硬件、电信和数据通信网于一体的综合集成技术，涉及影视节目源的制作、视频显示终端、系统调度管理、网络组织结构、宽带管理与优化、QoS控制策略等方面的问题。本文主要论述基于IP的VOD关键技术。
　　1 引言
　　当前关于VOD的研究重点主要集中在两个方面：设备开发和服务管理。前者是指媒体服务器、机顶盒和用户接入网设备等。后者是为了满足用户需求，例如服务质量QoS等，需要开发网络实时处理控制软件。在全球范围内广泛开展的VOD实验项目中，主要存在以下几个问题：
　　（1）与传统的电影或模拟电视用户相比，VOD用户数相对较少，规模较小，没有实现真正的商用化；
　　（2）应用规模相对较大的VOD实验，都只能提供有限的交互性，真正的交互式VOD应用的大规模使用目前还很难实现。
　　2 VOD体系结构
　　VOD实质是一个远程接入的数字化家庭影院，人们可以坐在家中的电视机前，使用遥控器点播存储在远程视频服务器数据库中的视频节目，被点播的节目通过视频传输网络送到本地解码器在显示终端播放出来，实现足不出户观看环球影视的目的。这需要大量的网络带宽、在线存储和资源处理，才能满足用户的需要。为了解决这些问题，必须采用与VOD相关的适用的体系结构来保证服务质量。
　　以ATM为基础的VOD网络体系结构是当前使用最多的方案，它允许使用各种带宽，支持各种服务类型如视频、音频、数据、图像等。
　　（1）在一个大规模的VOD系统中，服务器的类型比较多，主要有视频服务器、管理调度服务器、编辑服务器、数据库服务器等，这些服务器主要完成资源存储、用户入口控制、计费、存储管理等功能。
　　（2）传输网络
　　视频点播系统因采用的基础网络不同可以有不同的实现方案：
　　①利用公共电话网作为上行信道，HFC作为下行信道，其特点是可充分利用现有的网络设施，无需大的线路改造。上行信道负责将用户的请求指令传输到服务器，数据量非常小，实时性要求也不高，只需要窄带通路就可以满足要求；而下行信道负责将用户请求的视频数据传输到用户的终端设备，数据的传输量大、实时性强，必须是宽带通路。
　　② ATM是宽带ISDN中信息表达、传送和交换的基本方式，称为异步传输模式，它采用固定长度（53 Byte）的信元，其中信头为5 Byte，信息域为48 Byte。建立基于ATM的宽带多媒体信息网络，实现“三网合一”已得到高度重视并付诸实施，其中视频点播是多媒体业务的核心内容之一。
　　总体来说，传输网络就是服务器与交换机、交换机与交换机之间的连接网络，按照规模大小可分为骨干网和接入网，骨干网主要指电信网或广电网的骨干网，如HFC等，而接入网主要有xDSL、Cable Modem（线缆调制解调器）接入、FTTH（光纤到家）和局域网接入。
　　（3）客户端设备
　　客户端设备主要包括连接电视机的机顶盒（STB）和通用的PC机等解码设备。机顶盒至少实现如下功能：通信接口、模拟信号的输出、外设控制能力、视频解码以及嵌入式实时操作系统，通过机顶盒用户可以进行业务请求、视频/音频数据接收以及网络服务等。
　　3 IP新技术
　　3.1 下一代网际协议IPv6概述
　　网际协议是Internet中的关键协议，IPv4无论从计算机本身的发展还是从Internet的规模和网络的传输速率来看都已经很不适用了，其中最主要的问题是32比特的IP地址不够用，为此，1995年后陆续公布了一系列有关IPv6的协议、编址方法、路由选择以及安全等问题的RFC文档：RFC1752，1809，1883，1884，1886等。
　　IPv6仍支持无连接的传送，允许发送方选择分组的长度，要求发送方指明分组在到达终点前的最大跳数，IPv6保留了IPv4选项的大多数概念，包括分段和源站选路，其主要变化如下：
　　(1)更大的地址空间。由32位增加到128位，地址空间非常大，在可预见的将来是不会耗尽的。
　　(2)扩展的地址层次结构。IPv6使用更大的地址空间创建额外级别的地址层次。
　　(3)灵活的首部格式。IPv6用一种全新的数据报格式，且允许与IPv4在若干年内共存。在IPv4中使用了固定格式的数据报首部，而IPv6与此不同，它使用了一组可选的首部。
　　(4)允许对网络资源预分配。支持实时视像等要求保证一定的带宽和时延的应用。
　　(5)引入流量标识位,可以处理实时业务。
　　(6)为实现安全性，定义了实现协议认证、数据完整性、报文加密所需要的有关功能。
　　(7)对协议扩展的保障。IPv6协议允许新增特性，摆脱了要全面指定所有细节情况。
　　目前涉及IPv6的主要研究课题有：域名服务器的构成、IPv6路由器以及与IPv4的Internet平滑过度等。IPv6和与之相配套的资源预留协议（RSVP）和实时传输协议（RTP）将使新一代Internet有选址和配置功能，可为某些应用预留带宽，再借助现在正在研究开发中的宽带接入技术，将使Internet能提供多媒体业务。
　　3.2 IP传输新技术
　　IP是一个面向无连接的网络，信息流在网络上是以数据包的形式传输的。早期在网上传输数据包采用路由选择方式，根据源地址和目的地址，数据包经过路由器的若干次转发，最终达到主机。然而，由于CPU的处理能力和传统路由器软件结构的限制，同时路由器的时延和抖动都很大，到了90年代中期，这种传统路由器都已经发展到其生命的顶点。随着Internet技术在全球的广泛应用，人们迫切需要有新的技术去支撑IP的发展，这里简要讨论IP over ATM，IP over SDH，IP over WDM等技术。
　　（1）IP over ATM
　　ATM是一种目前在电信网中广泛应用的快速分组交换技术，它采用固定信元长度和面向连接的机制，具有传输速度快、服务质量保证等特点。
　　此技术是将IP数据包在ATM层全部封装成ATM信元，以ATM信元方式在信道中传输，当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，首先根据其IP地址进行路由地址处理，按路由转发，随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚通路（VC），IP数据包在此虚通路VC上以直通方式传输而不再经过路由器，大大提高了IP数据包的传输速度，从而有效地解决了IP路由器的“瓶颈”问题。
　　从目前的技术发展来看，实现IP与ATM的结合（IP over ATM）有重叠模式和集成模式两种。重叠模式的实现方式主要有：IPOA（Classic IP over ATM）、LANE（LAN Emulation）和MPOA（MultiProtocol over ATM）。集成模式的实现技术主要有：IP交换（IP Switch）、标记交换（Tag Switch）和MPLS（MultiProtocol Label Switching）。
　　IP over ATM的优点：
　　①由于ATM技术本身能提供QoS保证，可以利用此特点提高IP业务的服务质量；
　　②具有良好的流量控制均衡能力以及故障恢复能力，网络可靠性高；
　　③适应于多任务，具有良好的网络可扩展能力；
　　④对其他几种网络协议如IPX等能提供支持。
　　IP over ATM的缺点：
　　①对IP路由的支持一般，IP数据包分割加入大量头信息，造成很大的带宽浪费（20%~30%）；
　　②在复制多路广播方面缺乏高效率；
　　③由于ATM本身技术复杂导致管理复杂。
　　（2）IP over SDH
　　SDH是一种新的传输机制，SDH网络由一些SDH网元组成，是一种在光纤、微波上进行同步信息传输、复用的网络。 IP over SDH技术以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络，它使用链路协议以及PPP协议对IP数据包进行封装，根据RFC1662规范把IP数据包简单地插入到PPP帧中的信息段，然后再由SDH通道层的业务适配层把封装后的IP数据包影射到SDH的同步净荷中，再经过SDH传输层，加上相应的开销，把净荷装入SDH帧中，最后到达光层，在光纤中传输。
　　（3）IP over WDM
　　WDM（波分复用）是在1根光纤中能同时传输多个波长光信号的一种技术。它在发送端将不同波长的光信号组合（复用）送入1根光纤中传输，在接收端将组合的光信号分开（解复用）并送入不同的终端。IP over WDM是利用波分复用技术将IP数据包直接放在光路上传输，它省掉了中间的ATM层和SDH层，减少了网络设备，减轻了网管的复杂性。在这种系统中，高性能路由器通过光分插复用器（OADM）或WDM耦合器直接连接WDM光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。
　　与IP over WDM相关的主要技术有DWDM技术和吉位路由交换技术。DWDM在1根光纤上可以同时支持ATM、SDH和吉位以太网信号的传输，这样和现在已经建成的各种网络（ATM、SDH、吉位以太网）都可以兼容，使原来的网络能被充分利用，既保护了已有投资，又提供了极大的灵活性。
视频业务在网上的传输问题是基于IP的视频传输的关键技术，它有待于进一步完善。
3.3 流媒体技术
　　流媒体是在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体，在播放流式媒体前并不下载整个文件，只是将开始部分内容存入内存，流式媒体的数据流随时播放，只是在开始时有些延迟，当声音等时基媒体在客户端播放时，文件的剩余部分将从后台服务器内继续下载。流式不仅使启动延时大大缩短，而且不需要太大的缓存容量。流式传输弥补了用户等待整个文件全部从Internet上下载才能观看的缺陷。
　　实现流式传输有两种方法：实时流式传输和顺序流式传输。一般来说，基于IP网络的VOD系统中，使用实时流式传输媒体服务器，或应用如RTSP等实时协议，实现实时流式传输。如使用HTTP服务器，文件通过顺序流传输。
　　①顺序流式传输即顺序下载，在下载文件的同时可观看在线媒体，在给定的时刻，用户只能观看自己下载的部分，而不能跳到还未下载的前头部分。顺序流式传输不像实时流式传输在传输期间根据用户连接的速度做调整。顺序流式传输适合高质量的短片段，如片头、片尾和广告，由于该文件在播放前观看的部分是无损下载的，这种方法保证了电影播放的最终质量，这意味着用户在观看前，必须经历延迟，对较慢的连接尤其如此。
　　②实时流式传输必须保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时看到，需要专用的流媒体服务器与传输协议。
　　实时流式传输必须匹配连接带宽，在以调制解调速度连接时图像质量比较差，而且由于出错丢失的信息被忽略掉，网络拥挤或出现问题时，视频质量很差。如欲保证质量，顺序流式传输也许更好些。
　　流式传输的过程一般如下：用户选择某一媒体服务器后，Web浏览器与服务器之间用HTTP/TCP交换控制信息，以便把需要实时传输的数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的Web浏览器自动A/V Helper程序，使用HTTP与Web服务器检索相关参数对Helper程序初始化，这些参数可能包括目录信息、A/V数据的编码类型或与A/V检索相关的服务器地址。
　　A/V Helper程序以及A/V服务器运行实时流控制协议RTCP以交换A/V传输所需的控制信息。A/V服务器使用RTP/UDP协议将数据传输给客户程序，一旦数据抵达客户端，客户程序即可播放输出。
　　4 宽带接入网
　　按照现代通信网络功能组成结构，通信网可以分为传输网、交换网、接入网。接入网是本地端局与用户设备之间的信息传送实施系统，它可以部分或全部替代传统的用户本地线路网，含复用、交叉连接和传输功能。宽带接入网又称为“信息高速公路的最后1 km”，是全网宽带的关键部分，接入网的宽带化和IP化将成为今后接入网发展的主要技术趋势。
　　（1）混合光纤同轴（HFC）
　　它采用光纤作为主干网，同轴电缆作为接入网。整个网络的带宽上限为860～1 000 M。目前有线电视节目传输所占用的带宽一般在50～550 M之间，有很多频带资源还可以利用。有线电视HFC网传输的是模拟RF信号，需要使用调制解调器来传输数字信号。下行采用64QAM调制传输数据，一个PAL制8 M带宽信道传输速率为40 Mbps，上行采用QPSK调制。
　　与ADSL每户独占一条接入线不同，在一个光节点小区内的HFC电缆调制解调用户共享40 Mbps的下行信道。为了保证接入速度，一个光节点小区内覆盖的用户数目不能太多，HFC网今后计划提供的是全业务网（FSN），用户数目可以从500户降低到25户，实现光纤到路边。最终用户可以降低到1户，实现光纤到家，但仍需要解决回传信道的干扰问题。
　　（2）DSL相关技术
　　到目前为止，全世界的双绞线用户线仍然占据了全部用户线的90%以上，数字用户线系统（xDSL）就是一种基于双绞线的有效宽带接入技术，包括ADSL、VDSL、EDSL等几种方式。
　　ADSL（非对称数字用户线）是一种采用离散多音频（DMT）线路码的数字用户线系统。下行单工信道速率可为2.048，4.096，6.144，8.192 Mbps，可选双工信道速率为160，384，544，576 kbps。ADSL所支持的主要业务是因特网和电话，其次是点播业务。其最大特点是无需改动现有铜缆网络设施就可开通宽带业务，主要缺点是大约30%的线对可以开通ADSL，国内只有不到10%的线对可以开通ADSL。
　　VDSL（甚高速数字用户线）系统在双绞线的上下行传输速率可以扩展到25～52 Mbps，从而可以容纳6~12个4 Mbps的MPEG-2信号，同时允许1.5 Mbps的下行速率，传输距离缩短至1 000 m或300 m左右。由于传输距离的下降，码间干扰大大减少，对数字信号处理的要求大大简化，收发成本也比ADSL低。VDLS技术还不成熟，有待进一步发展。
　　EDSL是一种结合以太网和DSL技术两者的优点，将以太网的包传输技术、突发技术与DSL技术结合，在现有电话网基础设施上为家庭用户提供较高的带宽。10 Mbps的传输距离可以达到1 km左右。同时利用以太网半双工模式和突发包交换技术来减少干扰、功耗，并提供低成本接口。
　　（3）快速以太网
　　以太网正在从用户驻地网向接入网、城域网乃至广域网扩展，以太网接入方式与IP网很适应，对于企业用户是一种最流行的方式，技术上已经有很大的突破（LAN交换、大容量MAC地址存储等），容量分为10/100/1 000 Mbps 3级，还可按需升级，100 Gbps的以太网技术也将应用。采用专用的无碰撞全双工光纤连接，可以使以太网的传输距离大为扩展，能够满足接入网和城域网的应用需要，会成为企业网用户的主导方式。
　　（4）无线接入
　　固定无线接入技术因其无需敷设线路，建设速度快、受环境制约少、初期投资省、安装灵活、维护方便等特点成为接入网领域的一种重要技术。特别是450 MHz五线接入系统的衍射能力，可适用于我国广大农村地区和林区。主要的宽带固定无线接入技术有3类：多路多点业务（MMDS）、直播卫星系统（DBS）以及本地多点业务（LMDS）。
　　宽带固定无线接入技术敷设开通快、维护简单、用户较密时成本低，适合新的电信服务提供商，也可作为有线接入的重要补充。
　　（5）光纤接入
　　 最典型的一种接入是SDH接入，SDH在核心网中已经得到大量应用，在接入网领域支持IP接入，在携带话音业务量以外，还可以利用部分SDH净荷来传送IP业务。
　　5 机顶盒技术的发展
　　机顶盒作为视频点播系统中负责进行解码、与用户交互的终端设备， 在整个系统中占有重要的地位。随着芯片技术和通信技术的发展，机顶盒有以下发展趋势。
　　5.1 芯片的集成
　　随着半导体技术和系统设计方法的进步，已经可以在一个硅片上实现一个过去认为是复杂的系统，这种芯片称为“片上系统”(System on Chip)。在机顶盒使用的芯片中，集成度越来越高，很多公司都推出了把解码复用器和CPU还有各种控制器集成在一起的芯片，有的甚至还把视频解码器也集成到一起，大大降低了系统的成本。例如LSI公司的SC2000，IBM公司的Redwood，Philips公司的Trimedia等。
　　5.2 中间件的使用
　　中间件技术在计算机系统中早已经得到广泛的应用，现在也开始应用于机顶盒设计软件。中间件是指位于机顶盒的实时操作系统和应用程序之间，连接两部分的软件。中间件使机顶盒中的应用程序和低层的硬件和网络部件分离，使应用程序的开发与硬件低层和平台无关；提供通用的应用程序接口（API），能使应用程序的开发难度降低，提高效率。
　　5.3 存储设备
　　磁盘磁头技术的进步已经使单碟容量达到40 GB，新一代的Ultra ATA/100接口允许主机和硬盘之间以100 MBps的数据传输速率传输数据。包括DDR SDRAM(Dual Date Rate SDRAM)、Direct Rambus DRAM(DRDRAM)等在内的多种形式的内存，数据传输速率都在1 GB/s以上，单条内存超过256 MB。
　　技术的进步和价格的下降使各种存储设备逐渐应用于机顶盒等信息家电，使用可以存储大容量视频文件的存储介质，用户可以随时下载节目，存储、录像、编辑和回放，这给机顶盒带来更为广泛的应用前景。
　　在以IP为传输体制的视频点播系统中，在机顶盒端利用现在的大容量存储设备对输入码流进行缓存，消除抖动，减小对QoS的影响。还可以采用流媒体的方式，预先下载一部分节目流之后再开始解码，实现准实时的视频点播，但用户的VCR操作（快进、快退）也会受到一些影响。
　　5.4 嵌入式设备的Internet网络化
　　利用机顶盒的数据处理和网络通信能力，作为家庭网关，利用电力线、RS-485、RS-232、CAN等连接其他带有8位或16位微控制器的家电设备，IEEE1394连接家庭网络中的音频、视频电子产品，实现家电设备的网络控制和相互间的通信。
　　6 媒体传输协议
　　（1）实时传输协议RTP和RTCP
　　RTP是用于IP网上针对多媒体数据流的一种传输协议，其目的是提供时间信息和实现流同步。RTP通常使用UDP来传送数据，它提供了两个关键的特性：每个分组中的序号以及时间戳，序号允许接收方检测不按顺序的交付或数据丢失，时间戳允许接收方控制回收。当应用程序开始一个RTP会话时将使用两个端口：一个给RTP，一个给RTCP，RTP不提供可靠的传输机制，也不提供流量控制和拥塞控制，它依靠RTCP提供这些服务，在RTP会话期间，各参与者周期性地传送RTCP包。RTCP中包含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料。RTCP允许发送方和接收方互相传输一系列报告，这些报告包含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中以便进行传输，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。RTP和RTCP配合使用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的实时数据。
　　（2）RSVP协议
　　由于音频和视频数据流比传统数据对网络延时更敏感，要在网络中传输高质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需要其他更多的条件。RSVP（Resource Reserve Protocol）正是IP网上的资源预定协议，使用它预留一部分网络资源（即带宽）能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS。
　　（3）实时流协议RTSP
　　此协议由Realwoeks和Netscape共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。RTSP(Realtime Streaming Protocol)在体系结构上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP和RTP完成数据传输，能为多媒体数据流提供VCR风格的远端控制功能，如播放、停止、快进和快倒等。此协议是流媒体技术中用于流控制的部分，在流媒体技术中具有十分重要的作用。RTSP负责在服务器和客户机之间创建并控制连续媒体流，其目标是象HTTP协议为用户提供文字和图形服务那样为用户提供连续媒体服务，但HTTP是无状态协议，而RTSP是有状态的，因为RTSP服务器必须记录客户的状态以保证请求与媒体流的相关性。其次，HTTP是不对称协议，客户机只能发送请求，而RTSP是对称的，客户机和服务器都可以发送请求和回应请求。
　　7 结束语
　　随着网络传输技术的不断发展，网络传输带宽不断拓展，IP技术成为可以成功解决大规模VOD应用系统的有效途径。本文介绍了VOD的基本体系结构，并对IP传输视频的关键技术做了比较全面的介绍和讨论，阐述了IP新技术的发展，讨论IP over ATM、IP over SDH、IP over DWDM等技术的发展，最后介绍了视频传输中得到应用的RTP、RTCP、RTSP、RSVP等协议。