流媒體技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，對流媒體技術(shù)的研究具有很大的實(shí)際意義,本文通過對RTP RTCP協(xié)議的研究，分析流媒體服務(wù)器的一般功能和結(jié) 構(gòu)，給出構(gòu)建一個基本的流媒體服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)驗(yàn)證明可以同時滿足多個實(shí)時和文件客戶的要求,并已經(jīng)應(yīng)用于一個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。
隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展,流媒體技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛,從網(wǎng)上廣播、電影播放到遠(yuǎn)程教學(xué)以及在線的新聞網(wǎng)站等都用到了流媒體技術(shù)。但現(xiàn)有公開文獻(xiàn)所報(bào)道 的大多是利用現(xiàn)有的流媒體服務(wù)器來搭建一個流媒體服務(wù)系統(tǒng)，或者是針對流媒體數(shù)據(jù)的編碼方式所進(jìn)行的研究。本文對流媒體服務(wù)器技術(shù)的研究重點(diǎn)在于如何建立 一個服務(wù)器，并且在實(shí)現(xiàn)流媒體傳輸?shù)膬蓚€基本協(xié)議RTP/RTCP的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個基本的流媒體服務(wù)器。
流媒體技術(shù)簡介
1.1 流 的定義
現(xiàn)在網(wǎng)上傳輸視頻、音頻主要有下載（Download）和流式傳輸（Streaming）兩種方式。流式傳輸是連續(xù)傳送視/音頻信號，當(dāng)流媒 體在客戶機(jī)播放時其余部分在后臺繼續(xù)下載。流式傳輸有順序流式傳輸(Progressive Streaming)和實(shí)時流式傳輸(Realtime Streaming)兩種方式。實(shí)時流式傳輸是實(shí)時傳送，特別適合現(xiàn)場事件，實(shí)時流式傳輸必須匹配連接帶寬，這意味著圖像質(zhì)量會因網(wǎng)絡(luò)速度降低而變差,以 減少對傳輸帶寬的需求。 實(shí)時 的概念是指在一個應(yīng)用中數(shù)據(jù)的交付必須與數(shù)據(jù)的產(chǎn)生保持精確的時間關(guān)系。
在Internet中使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)時基媒體就稱為流媒體，通常也將其視頻與音頻稱為視頻流和音頻流。實(shí)現(xiàn)流式傳輸一般都需要專用服務(wù)器和播放器。
1.2 流媒體系統(tǒng)組件
流媒體是由各種不同軟件構(gòu)成的，這些軟件在各個不同層面上互相通信，基本的流媒體系統(tǒng)包含以下3個組件：
播放器（Player），用來播放流媒體的軟件。
服務(wù)器（Server），用來向用戶發(fā)送流媒體的軟件。
編碼器（Encode），用來將原始的音頻視頻轉(zhuǎn)化為流媒體格式的軟件。
這些組件之間通過特定的協(xié)議互相通信，按照特定的格式互相交換文件數(shù)據(jù)。有些文件中包含了由特定編解碼器解碼的數(shù)據(jù)，這種編解碼器通過特定算法壓縮文件的數(shù)據(jù)量。
1.3 流媒體服務(wù)器的基本功能和服務(wù)方式
1.3.1 流媒體服務(wù)器的主要功能
（1）響應(yīng)客戶的請求，把媒體數(shù)據(jù)傳送給客戶。流媒體服務(wù)器在流媒體傳送期間必須與客戶的播放器保持雙向通信（這種通信是必需的，因?yàn)榭蛻艨赡茈S時暫?；蚩旆乓粋€文件）。
（2）響應(yīng)廣播的同時能夠及時處理新接收的實(shí)時廣播數(shù)據(jù)，并將其編碼。
（3）可提供其他額外功能，如：數(shù)字權(quán)限管理（DRM），插播廣告，分割或鏡像其他服務(wù)器的流，還有組播。
1.3.2 流媒體服務(wù)器的服務(wù)方式
（1）單播。在客戶端與媒體服務(wù)器之間建立一個單獨(dú)的數(shù)據(jù)通道，從1臺服務(wù)器送出的每個數(shù)據(jù)包只能傳送給1個客戶機(jī)。
（2）組播。在以組播技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)上，允許路由器一次將數(shù)據(jù)包復(fù)制到多個通道上。
（3）點(diǎn)播與廣播。點(diǎn)播連接是客戶端與服務(wù)器之間的主動的連接，在點(diǎn)播連接中，用戶通過選擇內(nèi)容項(xiàng)目來初始化客戶端連接，用戶可以開始、停 止、后退、快進(jìn)或暫停流。廣播指的是用戶被動地接收流，在廣播過程中，數(shù)據(jù)包的單獨(dú)一個拷貝將發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上的所有用戶，客戶端接收流，但不能控制流。
1.4 構(gòu)建流媒體服務(wù)器
1.4.1 RTP/RTCP協(xié)議簡介
實(shí)時傳輸協(xié)議RTP（Realtime Transport Protocol）：是針對Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個傳輸協(xié)議, 由IETF(Internet工程任務(wù)組)作為RFC1889發(fā)布。RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實(shí)現(xiàn)流同 步。RTP的典型應(yīng)用建立在UDP上，但也可以在TCP或ATM等其他協(xié)議之上工作。RTP本身只保證實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸，并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠 的傳送機(jī)制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)。
實(shí)時傳輸控制協(xié)議RTCP（Realtime Transport Control Protocol）：負(fù)責(zé)管理傳輸質(zhì)量在當(dāng)前應(yīng)用進(jìn)程之間交換控制信息。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包，包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù) 量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計(jì)資料，因此，服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋 和最小的開銷使傳輸效率最佳化，故特別適合傳送網(wǎng)上的實(shí)時數(shù)據(jù)。
RTCP主要有4個功能:
（1）用反饋信息的方法來提供分配數(shù)據(jù)的傳送質(zhì)量，這種反饋可以用來進(jìn)行流量的擁塞控制，也可以用來監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)和用來診斷網(wǎng)絡(luò)中的問題；
（2）為RTP源提供一個永久性的CNAME（規(guī)范性名字）的傳送層標(biāo)志，因?yàn)樵诎l(fā)現(xiàn)沖突或者程序更新重啟時SSRC(同步源標(biāo)識)會變，需要一個運(yùn)作痕跡，在一組相關(guān)的會話中接收方也要用CNAME來從一個指定的與會者得到相聯(lián)系的數(shù)據(jù)流（如音頻和視頻）；
（3）根據(jù)與會者的數(shù)量來調(diào)整RTCP包的發(fā)送率；
（4）傳送會話控制信息，如可在用戶接口顯示與會者的標(biāo)識，這是可選功能。
1.4.2 RTP/RTCP工作過程
工作時，RTP協(xié)議從上層接收流媒體信息碼流（如H.263），裝配成RTP數(shù)據(jù)包發(fā)送給下層，下層協(xié)議提供RTP和RTCP的分流。如在 UDP中， RTP使用一個偶數(shù)號端口，則相應(yīng)的RTCP使用其后的奇數(shù)號端口。RTP數(shù)據(jù)包沒有長度限制，它的最大包長只受下層協(xié)議的限制。
1.4.3 服務(wù)器的算法
服務(wù)器軟件模型主要有兩種，即并發(fā)服務(wù)器和循環(huán)服務(wù)器。循環(huán)服務(wù)器(Iterative Server)是指在一個時刻只處理一個請求的服務(wù)器。并發(fā)服務(wù)器(Concurrent Server)是指在一個時刻可以處理多個請求的服務(wù)器。事實(shí)上，多數(shù)服務(wù)器沒有用于同時處理多個請求的冗余設(shè)備，而是提供一種表面上的并發(fā)性，方法是依 靠執(zhí)行多個線程，每個線程處理一個請求，從客戶的角度看，服務(wù)器就像在并發(fā)地與多個客戶通信。
由于流媒體服務(wù)時間的不定性和數(shù)據(jù)交互實(shí)時性的請求，流媒體服務(wù)器一般采用并發(fā)服務(wù)器算法。本文構(gòu)建了一個基本的流媒體服務(wù)器，能夠同時響應(yīng) 多個用戶的請求，把本地硬盤流媒體文件或?qū)崟r數(shù)據(jù)流（H.263格式）發(fā)送給用戶。在應(yīng)用中，把客戶分為請求實(shí)時數(shù)據(jù)的實(shí)時客戶和請求文件數(shù)據(jù)的文件客戶 兩類。主要算法為：
（1）打開設(shè)備，分配資源。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好時，創(chuàng)建一個RTP實(shí)時服務(wù)線程和一個RTCP實(shí)時服務(wù)線程。
（2）創(chuàng)建一個UDP套接字并將其綁定到所提供服務(wù)的地址之上。
（3）反復(fù)調(diào)用接收模塊，接收來自客戶的RTCP報(bào)告，根據(jù)其類型做出響應(yīng)。對新實(shí)時客戶的請求，把客戶地址添加到實(shí)時服務(wù)的客戶列表中，對 新文件客戶的請求，則創(chuàng)建一個新RTP文件服務(wù)線程和一個新RTCP文件服務(wù)線程；對已經(jīng)在服務(wù)中的客戶則根據(jù)RTCP報(bào)告的內(nèi)容調(diào)整服務(wù)。
RTP實(shí)時服務(wù)線程1：初始化客戶列表和RTP首部。
RTP實(shí)時服務(wù)線程2：從設(shè)備讀取媒體數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給實(shí)時服務(wù)列表中的客戶。
RTP實(shí)時服務(wù)線程3：更新RTP首部和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
RTP實(shí)時服務(wù)線程4：計(jì)算延時，重復(fù)第二步。
RTCP實(shí)時服務(wù)線程1：初始化RTCP首部。
RTCP實(shí)時服務(wù)線程2：發(fā)送發(fā)送方報(bào)告給實(shí)時服務(wù)列表中的客戶。
RTCP實(shí)時服務(wù)線程3：計(jì)算延時，重復(fù)第二步。
RTP文件服務(wù)線程1：初始化RTP首部。
RTP文件服務(wù)線程2.：從文件讀取媒體數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶。
RTP文件服務(wù)線程3：更新已發(fā)送數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息，為生成發(fā)送方報(bào)告做準(zhǔn)備。
RTP文件服務(wù)線程4：計(jì)算延時，調(diào)整發(fā)送速度，正常情況下開始重復(fù)第二步。
RTCP文件服務(wù)線程1：初始化RTCP首部，發(fā)送一個源描述(SDES)報(bào)文給客戶。
RTCP文件服務(wù)線程2：根據(jù)已發(fā)送數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息生成發(fā)送方報(bào)告，發(fā)送給客戶。
RTCP文件服務(wù)線程3：計(jì)算延時，正常情況下開始重復(fù)第一步。
1.5 流媒體服務(wù)器實(shí)現(xiàn)中應(yīng)注意的問題
1.5.1 會話和流的兩級分用
一個RTP會話(Session)包括傳給某個指定目的地對(Destination Pair)的所有通信量，發(fā)送方可能包括多個。而從同一個同步源發(fā)出的RTP分組序列稱為流(Stream),一個RTP會話可能包含多個RTP流。一個 RTP分組在服務(wù)器端發(fā)送出去的時候總是要指定屬于哪個會話和流，在接收時也需要進(jìn)行兩級分用，即會話分用和流分用。只有當(dāng)RTP使用同步源標(biāo)識 (SSRC)和分組類型(PTYPE)把同一個流中的分組組合起來，才能夠使用序列號(Sequence Number)和時間戳(Timestamp)對分組進(jìn)行排序和正確回放。
1.5.2 多線程的管理
并發(fā)服務(wù)器模式要求用多線程來提供服務(wù)，所以多線程的管理十分重要。在本文構(gòu)建的服務(wù)器中，不同客戶的請求和反饋都由服務(wù)器的主線程處理，由 于實(shí)時數(shù)據(jù)的獨(dú)有性，不同實(shí)時客戶可以共用一個RTP實(shí)時服務(wù)線程和一個RTCP實(shí)時服務(wù)線程，這樣可以大大減小服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，而每個文件客戶由于請求的 文件不同，相應(yīng)地對速度和開始時間的要求都可能不同，所以需要有自己獨(dú)有的RTP文件服務(wù)線程和RTCP文件服務(wù)線程。
RTP服務(wù)線程負(fù)責(zé)把實(shí)時數(shù)據(jù)流發(fā)送給客戶， RTCP服務(wù)線程根據(jù)RTP線程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生發(fā)送方報(bào)告給客戶。RTP線程和RTCP線程之間通過一段共享內(nèi)存交互統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對共享內(nèi)存必須設(shè)置互斥 體進(jìn)行保護(hù)，防止出現(xiàn)錯誤讀寫。在這種方式下，服務(wù)器可以根據(jù)每個用戶的不同請求和具體情況方便地提供不同的服務(wù)。
1.5.3 時間戳的處理
時間戳字段是RTP首部中說明數(shù)據(jù)包時間的同步信息，是數(shù)據(jù)能以正確的時間順序恢復(fù)的關(guān)鍵。時間戳的值給出了分組中數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的采樣時 間 (Sampling Instant)，要求發(fā)送方時間戳的時鐘是連續(xù)、單調(diào)增長的，即使在沒有數(shù)據(jù)輸入或發(fā)送數(shù)據(jù)時也是如此。在靜默時，發(fā)送方不必發(fā)送數(shù)據(jù)，保持時間戳的增 長，在接收端，由于接收到的數(shù)據(jù)分組的序號沒有丟失，就知道沒有發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，而且只要比較前后分組的時間戳的差異，就可以確定輸出的時間間隔。
RTP規(guī)定一次會話的初始時間戳必須隨機(jī)選擇，但協(xié)議沒有規(guī)定時間戳的單位，也沒有規(guī)定該值的精確解釋，而是由負(fù)載類型來確定時鐘的顆粒，這樣各種應(yīng)用類型可以根據(jù)需要選擇合適的輸出計(jì)時精度。
在RTP傳輸音頻數(shù)據(jù)時，一般選定邏輯時間戳速率與采樣速率相同，但是在傳輸視頻數(shù)據(jù)時，必須使時間戳速率大于每幀的一個滴答。如果數(shù)據(jù)是在同一時刻采樣的，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還允許多個分組具有相同的時間戳值。
1.5.4 媒體數(shù)據(jù)發(fā)送速度的控制
由于RTP協(xié)議沒有規(guī)定RTP分組的長度和發(fā)送數(shù)據(jù)的速度，因而需要根據(jù)具體情況調(diào)整服務(wù)器端發(fā)送媒體數(shù)據(jù)的速度。對來自設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)可以 采取等時間間隔訪問設(shè)備緩沖區(qū)，在有新數(shù)據(jù)輸入時發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，時間戳的設(shè)置相對容易。對已經(jīng)錄制好的本地硬盤上的媒體文件，以H.263格式的文件為 例，由于文件本身不包含幀率信息，所以需要知道錄制時的幀率或者設(shè)置一個初始值，在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候找出發(fā)送數(shù)據(jù)中的幀數(shù)目，根據(jù)幀率和預(yù)置值來計(jì)算時延， 以適當(dāng)?shù)乃俣劝l(fā)送數(shù)據(jù)并設(shè)置時間戳信息。
1.5.5 多種流同步
RTCP的一個關(guān)鍵作用就是能讓接收方同步多個RTP流，例如：當(dāng)音頻與視頻一起傳輸?shù)臅r候，由于編碼的不同，RTP使用兩個流分別進(jìn)行傳 輸，這樣兩個流的時間戳以不同的速率運(yùn)行，接收方必須同步兩個流，以保證聲音與影像的一致。為能進(jìn)行流同步，RTCP要求發(fā)送方給每個傳送一個唯一的標(biāo)識 數(shù)據(jù)源的規(guī)范名(Canonical Name），盡管由一個數(shù)據(jù)源發(fā)出的不同的流具有不同的同步源標(biāo)識(SSRC)，但具有相同的規(guī)范名，這樣接收方就知道哪些流是有關(guān)聯(lián)的。而發(fā)送方報(bào)告報(bào) 文所包含的信息可被接收方用于協(xié)調(diào)兩個流中的時間戳值。發(fā)送方報(bào)告中含有一個以網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)格式表示的絕對時間值，接著RTCP報(bào)告中給出一個RTP時間戳值，產(chǎn)生該值的時鐘就是產(chǎn)生RTP分組中的TimeStamp字段的那 個時鐘。由于發(fā)送方發(fā)出的所有流和發(fā)送方報(bào)告都使用同一個絕對時鐘，接收方就可以比較來自同一數(shù)據(jù)源的兩個流的絕對時間，從而確定如何將一個流中的時間戳 值映射為另一個流中的時間戳值。
