基于MPEG-4標準的流媒體服務器搭配圖文教程

2013/1/15 11:22:30  出處：本站原創   人氣：367次    字號：小  中  大

mpeg-1標準視頻編碼部分的基本得法與H.261/ H.263相似，也采用運動補償的幀間預測、二維DCT、VLC游程編碼等措施。此外還引入了幀內幀（I）、預測幀（P）、雙向預測幀（B）和直流幀（D）等概念，進一步提高了編碼效率。

流媒體服務器是流媒體系統中的關鍵部分，其性能的好壞直接決定著流媒體應用系統的優劣,當前流行的直播服務器系統和我們國家自己研制成功的直播服務器系統引人注目，其采用的直播技術將是未來發展的主流方向。

MPEG-4于1998年公布，和MPEG-2所針對的不同，MPEG-4追求的不是高品質而是高壓縮率以及適用于網絡的交互能力。MPEG-4提供壓縮率非常驚人，以VCD畫質為標準，MPEG-4可以把120分鐘的多媒體流壓縮至300M。MPEG-4標準，主要應用于視像電話(Video Phone)，視像電子郵件(Video Email)和電子新聞(Electronic News)等，其傳輸速率要求較低，在4800-64000bits/sec之間，分辨率為176X144。MPEG-4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術，壓縮和傳輸數據，以求以最少的數據獲得最佳的圖象質量。

流媒體服務器是流媒體系統中的關鍵部分，其性能的好壞直接決定著流媒體應用系統的優劣，它在功能上分為以下幾個模塊： 

● 點播服務器模塊 主要接收用戶的視頻點播，為用戶提供視頻播放功能，處于流媒體服務器系統的核心地位。它直接與用戶管理、節目管理、計費模塊、網絡管理模塊、直播服務器模塊進行通信，協調這些模塊的運行。 

● 用戶管理、節目管理和計費模塊 隨著用戶和節目源的增多，必然要引入用戶管理、節目管理和計費模塊，并對可靠性和穩定性提出更高的要求。 

● 網絡管理模塊 為了提高流媒體服務器的穩定性，統一管理與配置系統資源，網絡管理模塊是必不可少的。 

● 直播服務器模塊 直播服務器模塊是實時采集音視頻信號，為用戶提供現場直播的功能。 

Real System：分流技術占主導 

　　Real Networks公司最新的網上流式音視頻解決方案名為Real System IQ。Real System IQ容易安裝，在高、低帶寬上均可提供良好的視音頻質量，但價格較貴。作為流媒體領域的主導廠商，Real Networks公司憑借其優秀的技術，占領了一多半的網上流媒體點播市場。Real System IQ由服務器端流播放引擎(real server)、內容制作（Real Producer）、客戶端播放（Real Player）三個方面的軟件組成。 

　　Real Server使用分流技術（splitting）在服務器之間傳輸直播數據。Splitting方法可以解決RealServer超負荷的問題，使得客戶端可以就近訪問Realserver服務器，獲得更好的訪問質量，并且減少帶寬使用，服務更多用戶。Splitting技術可以采用UDP單播、UDP組播和TCP三種方式進行通信。通過分流，一個或者多個Real Server服務器加入到transmitter中，來分散transmitter的流數量，而不是所有的請求都到達一個RealServer服務器。  

如圖1所示，實況內容源處的RealServer是發送服務器（transmitter），它將實況播放給其他RealServer服務器接收，接收的RealServer服務器(receiver)一般更靠近訪問者。網頁上的鏈接指向接收的RealServer服務器而不是發送服務器。當用戶點擊鏈接時，接收服務器識別出特定的URL，然后把從發送服務器來的視頻流轉播給用戶。 

　　當transmitter開始播放實況流時，它將節目廣播給所有的receiver；當用戶從receiver上請求一個播出節目時，transmitter和receiver之間已經建立了一個連結，播出節目也就立即發送到用戶。 

QuickTime：三種直播方式樣樣行  

　　在Streaming Server直播過程中主要有Multicast、Unicast及Relay三種方式。 

　　Multicast適用于局域網（Intranet）內或支持IP v6標準的Internet（mBone），它的方式是每個客戶端都共享一個連接流。  

　　Unicast方式是每一個客戶端都與QuickTime Streaming Server建立一個流連接。 

　　Relay是通過Relay Server，將由Broadcaster發出的一個流以Multicast方式分發給在同一網段上所有客戶端。 

　　寬帶局域網（Intranet）應用如圖2所示;Intranet和Internet同時直播應用如圖3所示；寬帶Internet直播框架結構如圖4所示。  

　　中國自己的系統：第一個支持Linux 

清華大學多媒體技術研究中心自主開發的直播服務器系統的功能結構如圖5所示。 

　　該服務器系統在功能上實現了采集、壓縮編碼與播放的分離，分別由編碼服務器和播放服務器實現，播放服務器在實現上和視頻點播服務器集成在一起。編碼服務器和視頻點播服務器利用簡單控制協議進行通信。  

1. 編碼服務器 

　　由于客戶端配置的多樣性和帶寬的不同，單一碼率無法同時滿足所有用戶的需求。因此，該編碼服務器實現了單節目源多編碼器多碼率的功能。 

　　針對一路節目的輸入，編碼服務器同時啟動多個不同碼率的編碼器，這些編碼器并行運行輸出覆蓋高、中、低三檔的碼率，編碼器的個數和碼率的大小由系統資源和客戶需求折中考慮。同時所有的編碼器都可以動態地改變碼率，即在不中斷播放器播放的情況下修改編碼速率。 

編碼服務器對外提供三種服務： 

● 固定碼率的多碼率的組播功能 播放服務器通過組播的方式接入編碼服務器不同碼率的編碼器，這種方式可以接入數量無限的播放服務器。 

● 固定碼率的多碼率的點播功能 播放服務器通過點播的方式接入編碼服務器不同碼率的編碼器。 

● 動態可變碼率的點播功能 接入該編碼器的播放服務器對外只能提供組播功能，該編碼器根據播放服務器收集到的組播用戶的反饋信息，動態地調整編碼器的編碼速率。 

2.播放服務器 

　　播放服務器是客戶端和編碼服務器的中繼站，它接收用戶請求，為用戶提供服務。相對于編碼服務器提供的三種服務，播放服務器以如下三種方式接入編碼服務器: 

● 多碼率的組播接入 播放服務器對外提供組播和點播功能。用戶可以根據終端帶寬的多少接入不同碼率的組播。當一個用戶以點播的方式接入播放服務器時，在播放過程中，播放服務器就可以根據播放器的反饋信息，對用戶提供的碼率在當前的幾種碼率間遷移，從而給用戶提供最佳的觀看效果。 

這種方式的優點是可支持無限個播放服務器，但編碼服務器和播放服務器間的路由器必須支持組播協議，因此該功能可用于本地集群播放服務器。 

● 多碼率的點播接入 這種接入方式與多碼率的組播接入的惟一不同是以點播的方式接入編碼服務器，雖然點播方式支持的播放服務器數量有限，但它沒有組播路由器的限制，可以在因特網的任何地點接入編碼服務器。 

● 可變碼率的點播接入 這種接入方式對外只提供組播方式。播放服務器從組播地址接收到組播用戶的反饋信息，向編碼服務器提出動態改變編碼速率的請求，從而滿足大多數組播用戶的需求。

流媒體資料從硬盤到送到網卡的典型處理情況如下：

a、媒體資料從硬盤盤體中讀取出來，經過硬盤接口電路（SCSI，IDE或者FC類型），到達硬盤控制卡；

b、經過硬盤控制卡轉換接口后，多媒體資料通過PCI總線，到達PCI控制器；

c、又經過PCI控制器轉換接口以后，多媒體資料通過系統內部總線，存儲到內存中；

d、在資料被發送到網絡上之前，CPU需要對內存中的多媒體資料進行一些處理，例如復制、切分、按協議打包；

e、然后打包之后的資料在內存中通過系統內部總線、PCI控制器、PCI總線，到達網卡；

f、網卡將資料再一次包裝后發送到外部網絡中。

在不同的計算機系統結構下，以上多媒體資料發送的過程可能有所不同，但是一般都需要經過硬盤、CPU、內存、網卡、內部總線、外部總線這些功能部件。隨著客戶數量的增加以及應用需求的增加，媒體服務器需要不斷提高多媒體資料的處理能力。硬盤、CPU、內存、網卡、內部總線、外部總線這些有沒有可能成為瓶頸，以下分別進行分析。



1、硬盤

現在普通的PC機上用的最多的是IDE的硬盤，如果能用這種價格低廉的硬盤作為流媒體服務器的存儲設備，將很大程度上降低了成本。

讓我們做這樣一個實驗：對兩臺除存儲設備外配置完全相同的系統進行讀寫速度測試，一臺系統使用7200RPM的IDE硬盤和UltraDMA 66 IDE控制卡，另一臺使用統一品牌并且具有相同盤體的7200RPM的SCSI硬盤和U2W控制卡，經過速度評測我們發現，這兩個硬盤的速度幾乎是一模一 樣，都是14.5 M/s。為什么IDE和SCSI速度會一樣呢？其實原因很簡單，目前硬盤數據傳輸的瓶頸不在硬盤接口，而在于硬盤盤體本身。硬盤廠商在生產IDE或 SCSI硬盤時使用的盤體是相同的，只是所用的接口電路不同而已，而目前硬盤由于受到磁介質和機械因素的影響，速度很難有大幅度的提高。也就是說，硬盤的 傳輸速度在現有技術下部可能達到SCSI甚至IDE的接口速度，所以我們才看到SCSI硬盤同IDE硬盤實際性能是差不多的，而這一指針不盡如人意完全是由于盤體本身造成的，與使用IDE還是SCSI接口沒有多大關系。

如何提高存儲設備的性能呢？可以采用RAID技術。RAID的目的就是盡可能的讓多個硬盤同時服務于同一個請求，從而在總體上提高數據傳輸速度。當然 RAID同時還具有強大的數據保護功能。使用RAID可以使連續數據傳輸速度達到50M/s或更高，對于大多數用戶已經足夠，這時候硬盤已經不是瓶頸了。 同時我們采用優化的讀取算法使硬盤的尋道時間和尋道次數都大幅度降低，增加了硬盤的壽命。動態的負載均衡技術是單臺服務器的各塊網卡的負載基本相同，使系 統的整體性能得到了很大的提高。

結論：所有我們可以支持客戶使用IDE硬盤，通過RAID技術突破硬盤的瓶頸。

2、CPU

現在即使最普通的PC，主頻也在500MHz以上了，流媒體服務器的CPU只是進行了一些簡單的復制、切分等處理，而不是進行復雜的DCT變換，編碼譯碼等運算，所以CPU的能力已是綽綽有余了。設計好的流媒體系統的CPU利用率一般在很低。

結論：CPU不是進行流媒體服務的瓶頸。

3、網卡

以太網卡的速度主要有10 Mb/s和 100 Mb/s 兩種，1000 Mb/s的以太網也得到了應用；ATM 網卡的速度主要有 25 Mb/s和155 Mb/s兩種，622 Mb/s的ATM網卡也有少量應用。如果采用10 M以太網卡，則系統只能夠同時傳輸6個MPEG-I數據流；如果采用100 M以太網卡，則系統能夠同時傳輸60個左右的MPEG-I數據流。100 M以太網的性能價格比最高，如果需要支持更多的用戶，而且只能采用100 M以太網，那么可以在一個系統中插入多塊100 M以太網卡。


結論：在局域網內，網卡也不是進行流媒體服務的瓶頸了，通過動態的負載平衡技術，可以使系統中各個網卡得到很好的配合利用。


4、內部總線、內存、外部總線。

Cache、內存、PCI控制器、USB控制器、ISA控制器等多種設備與內部總線直接連接，這些設備共享內部總線傳輸資料，因此內部總線也有可能成為系統的瓶頸。

內部總線的速度主要有66 MHz和100 MHz兩種，133MHz的總線剛剛開始應用。內部總線的資料寬度為32位，所以內部總線的數據傳輸速度可以達到256 MB/s以上。作為媒體服務器時，系統的內部總線不會成為瓶頸。

內存的工作頻率與系統內部總線一致，一般也不會成為媒體服務器的瓶頸。

PCI總線是計算機主要的外部總線。網卡、硬盤控制卡等都通過PCI總線與系統連接。PCI總線的頻率為33 MHz，資料寬度為32位，所以PCI總線的數據傳輸速度為133 MB/s。擴展的PCI總線資料寬度可以達到64位，數據傳輸速度達到266 MB/s，但是64位的PCI總線還遠遠沒有得到廣泛應用。

ISA總線是一種比較老的但是得到廣泛應用的外部總線，許多舊的聲卡、顯示卡、網卡等的接口就是ISA接口。ISA總線的資料寬度為16位，工作頻率小于 10MHz，所以速度遠遠小于PCI總線。如果媒體服務器的某些設備通過ISA總線連接，那么這個接口就會成為整個系統的瓶頸。