流媒体技术介绍

向右看齐 2022-11-06 07:50 325阅读 0赞

本文介绍流媒体技术的相关知识。

# 1 概述 #

**流媒体**（**streaming media**）技术，是指将一连串的多媒体数据压缩后，经过互联网分段发送数据，在互联网上即时传输影音，以供用户观赏的一种技术。

在流媒体技术出现之前，人们必须要先下载多媒体内容到本地计算机，等待完整的多媒体内容下载完成之后，才能够欣赏多媒体的内容。流媒体技术的出现，使人们只需经过几秒或十几秒的启动延时即可欣赏媒体内容，而无需再等待媒体内容完全下载完成了。

流媒体技术使得数据包可以像流水一样发送，如果不使用此技术，用户就必须先下载整个媒体文件，而后才能使用多媒体数据。通过流媒体技术，可将现场或预存于服务器上的影音传送至观看者端，当影音数据传送至观看者的计算机后，即可立即通过特定的播放软件欣赏影音数据。

如果将媒体文件的传输看作是一次接水的过程，那么过去的媒体传输方式就像是对用户做了一个规定：必须等到一桶水接满才能使用它，“接满一桶水”这个过程等待的时间就要受到水流量大小和桶大小的影响了。而流媒体传输则是，打开水头龙后，稍等一小会儿，水就会源源不断地流出来了，此时即可随接随用。因此，不管水流量的大小、也不管桶的大小，用户都可以随时用上水。从这个角度来看，“流媒体”这个词是非常形象的。

# 2 流媒体（技术）的特征 #

流媒体包括声音流、视频流、文本流、图像流、动画流等，在时间上连续的媒体数据。

1. 流媒体具有较强的实时性和交互性；

2. 通过利用流媒体技术，用户侧的媒体启动时间大幅度缩短，用户不必像以往那样“等到所有媒体内容都下载完成后上才能浏览”，而是经过一段启动延时后，立即就能欣赏媒体内容。

3. 与传统的媒体传输方式相比，流媒体技术对客户端（用户计算机）的缓存容量要求大大降低。  
Internet 是以包传输为基础进行的异步传输，因此数据会被分解成许多包进行传输，由于每个数据包可能选择不同的路由（进行传输），所以这些数据包到达客户端（用户计算机）的时间延迟就会不同，因此在客户端就需要缓存系统来消减延迟和抖动的影响，以及保证接收到数据包的传输顺序的准确性。与传统的（完整）媒体传输方式相比，在流媒体文件的播放过程中，由于不再需要把所有的文件都放入缓存系统，因此对缓存容量的要求是很低的。

# 3 流式传输 #

流媒体技术的特征就是流式传输，它使得流媒体数据可以像流水一样传输。

流式传输主要包括两种实现方式：顺序流式传输（progressive streaming）和实时流式传输（real time streaming）。需要根据具体需求决定采用哪种方式进行流式传输，下面就对这两种传输方式进行简单介绍。

## 3.1 顺序流式传输 ##

在顺序流式传输模式下，用户在观看在线媒体的同时，也在下载文件。在这个过程中，用户只能观看已经下载完成的媒体内容，而不能直接观看未下载的部分。**因此，用户会在一段延时后，才能看到服务器传送过来的媒体内容。**由于标准的HTTP服务器就可以发送这种形式的媒体文件，因此流式传输也经常被称为HTTP流式传输。

由于顺序流式传输能够较好地保证节目的播放质量，因此比较适合在网站上发布的、可供用户点播的、高质量的视频。

顺序流式传输的文件存放在标准HTTP或FTP服务器上，易于管理，基本上与防火墙无关。

根据以上信息，能够知道“顺序流式传输”主要提现了流媒体技术的基本功能：无需下载完整的媒体文件，即可欣赏媒体内容。

## 3.2 实时流式传输 ##

使用实时流式传输时，必须要保证与流媒体对应的带宽，以使媒体内容可以被用户实时观看到。用户在观看过程中，可以任意观看当前媒体内容之前或后面的内容。但是在这种传输方式中，如果网络状况不理想，会导致收到的图像质量比较差。

实时流式传输需要特定的服务器（如 Windows Media Server），这些服务器可以对媒体进行更多的控制，所以系统设置、管理比标准HTTP服务器更加复杂。

实时流式传输还需要特殊的网络协议，如 RTSP(realtime streaming protocol) 或 MMS(microsoft media server)。防火墙有时会对这些协议进行屏蔽，导致用户看不到不实时内容。

根据以上信息，能够知道“实时流式传输”更强度的是媒体传输的“实时性”，因此目前流行的视频直播行业，应属于“实时流式传输”功能的应用。

# 4 流媒体传输的网络协议 #

流媒体传输一般采用**HTTP/TCP(RTCP)协议**来传输控制信息，而用**UDP(RTP)协议**来传输实时媒体数据（TCP开销相对较大，所以不太适合传输实时数据）。

## 4.1 RTP（实时传输协议） ##

RTP（实时传输协议）通常用于实时数据的传输工作（一般使用UDP来传送数据）。

当应用程序开始一个RTP会话时，将开启两个端口：一个给RTP，一个给RTCP。RTP本身并不能为“按顺序传输数据包”提供可靠的传输送制，也不提供流量控制和拥塞控制服务，而是依赖RTCP提供这些服务。通常RTP算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分来实现的。

## 4.2 RTCP（实时传输控制协议） ##

RTCP（实时传输控制协议）在RTP传输实时数据时，提供流量控制和拥塞控制服务。在RTP会话期间各参与者会周期性地传送RTCP包，RTCP包中含有已发送的数据包的数量、丢失的数据包数量等统计资料，因此，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，能通过有效的反馈和最小的开销，使传输效率最佳化，因此特别适合在互联网上传输实时数据。

## 4.3 RTSP（实时流协议） ##

RTSP（实时流协议）定义了一对多模式下如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。

**RTSP在体系结构上位于RTP和RTCP之上**，它使用TCP或UDP(RTP)协议完成数据传输，如下图4.3-1（RTSP在网络体系结构中的位置）所示。

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# 5 流媒体系统组成 #

流媒体系统包括以下五个内容：

1. 编码工具：用于创建、捕捉和编辑多媒体数据，形成流媒体格式；  
2. 流媒体数据；  
3. 服务器：存放和控制流媒体的数据；  
4. 网络：适合多媒体传输协议（甚至是实时传输协议）的网络；  
5. 播放器：客户端通过播放器浏览流媒体文件。

以上五个部分有些是服务器需要的，有些是客户端需要的，而且不同的流媒体标准和不同公司的解决方案中，会在有些内容上有所不同。

# 6 流媒体技术涉及到的关键技术 #

流媒体技术不是一个单一的技术，它是网络技术与视音频技术的有机结合。

实现流媒体技术，需要解决流媒体的制作、发布、传输和播放等方面的问题，这些问题的解决需要利用到视音频技术和网络技术。下面具体讨论一下流媒体的这几个问题。

## 6.1 流媒体的制作 ##

只有适合流媒体传输的流媒体格式文件才能在互联网上传输。因为一般的多媒体格式文件体积很大，因此在网络上传输时需要花费较长的时间，如果遇到网络繁忙等情况，还会造成传输中断。另外，一般格式的媒体文件也不能通过流媒体传输协议进行传输。

因此，需要先对待传输的文件进行预处理，将文件压缩成流媒体格式文件。此处主要包括两个要点：一是选用适当的压缩算法进行压缩，确保生成的文件体积较小；二是需要向文件中添加流式信息。

## 6.2 流媒体的传输 ##

流媒体的传输需要合适的传输协议，在Internet上进行的文件传输大部分都建立在TCP协议的基础上，也有一些是通过FTP进行传输，但采用这些传输协议都不能满足流媒体的实时传输要求。

随着流媒体技术的深入研究，比较成熟的流媒体传输一般都是采用建立在UDP协议上的RTP/RTSP等实时传输协议。

为何要在UDP而不在TCP上进行实时数据的传输呢？因为两者在数据传输的速度和可靠性方面有很大的区别。TCP协议中包含了专门的数据传送校验机制，当数据接收方收到数据后，会自动向发送方发出确认信息，发送方在接收到该确认信息后，才会继续传送数据，否则将一直处于等待状态；而UDP协议则不同，UDP协议本身并不做任何数据传输校验。由此可以看出：TCP协议注重传输质量，而UDP协议则注重传输速度。因此，对于那些对传输质量要求不是很高，而对传输速度有很高要求的流媒体文件来说，采用UDP协议传输更为合适。

用户通过Web浏览器播放流媒体时，主要的交互过程如下：

1.  用户选择流媒体服务后，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；
2.  Web浏览器启动A/V Helper程序，使用 HTTP 从Web服务器检索相关参数，然后对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；
3.  A/V Helper程序及A/V服务器运行RTSP协议，以交换A/V传输所需的控制信息。与CD播放机或VCRs所提供的功能类似，RTSP提供了控制播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法；
4.  A/V服务器使用RTP/UDP协议，将A/V数据传输给A/V客户程序（一般可认为客户程序等同于A/V Helper程序）；
5.  当A/V数据抵达客户端时，A/V客户程序即可播放A/V数据了。

需要说明的是，在流媒体传输过程中，使用RTP/UDP和RTSP/TCP两种不同的通信协议与A/V服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向到一个不同于运行A/V Helper程序所在客户端的目的地址。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器。

## 6.3 流媒体数据在客户端的缓存 ##

在流媒体传输和播放过程中，客户端的缓存技术能够确保视音频数据正确、连续地播放。

### 6.3.1 纠正数据包顺序的缓存技术 ###

因为Interent是以包为单位进行异步传输的，因此多媒体数据在传输中要被分解成许多包，由于网络传输的不稳定性，各个包选择的路由可能不同，所以到达客户端的时间次序就可能发生改变，甚至出现丢包的现象。因此，必须采用缓存技术来纠正数据包到达次序混乱的情况，利用缓存技术对到达的数据包进行正确排序，从而使视音频数据能正确地播放。

从技术角度来讲，纠正数据包顺序的缓存技术，属于流媒体传输过程接收侧的功能，主要目的是保证视音频内容可以正确地播放。

### 6.3.2 播放缓冲区 ###

流媒体技术需要在客户端的计算机上创建一个缓冲区，在播放前预先下载一段多媒体数据作为缓冲，在网络实际传输速度小于媒体播放所需的速度时，播放程序就会取用一小段缓冲区内预先存储的数据，这样就可以避免播放内容的中断，保证了视频播放品质。

在流媒体传输模式下，缓存中存储的是某一段时间内的数据，数据在缓存中存放的时间是暂时的，缓存中的数据也是动态的、不断更新的，流媒体在播放时不断读取缓存中的数据，播放完成后该数据就会被立即清除，新的数据又将存入到缓存中。因此，在播放流媒体文件时并不需要占用太大的缓存空间。

从技术角度来讲，播放缓冲区技术，属于客户端播放器的功能，主要目的是（在不太损失实时性的前提下）保证视音频内容可以连续地播放。

## 6.4 流媒体的播放 ##

流媒体只能在支持对应的流媒体格式的播放器（浏览器）中正常播放。

# 7 流媒体服务器 #

流媒体服务器是流媒体应用的核心系统，主要包括流媒体的编码、转码、分发、存储等功能，是向用户提供视频服务的关键平台。

从播放模式方面来看，流媒体服务器的主要包括以下两种模式：

*  以流式协议（RTP/RTSP、MMS、RTMP等）将视频文件传输到客户端，供用户在线观看，即“点播模式”；
 *  从视频采集、压缩软件接收实时视频流，再以流式协议直播给客户端，即“直播模式”。

流媒体应用的主要性能取决于媒体服务器的性能和服务质量。因此，流媒体服务器既是流媒体应用系统的基础，也是最主要的组成部分。

# 8 流媒体与传统媒体 #

流媒体与传统媒体相比，区别如下：

*  欣赏媒体内容的即时性：因为视音频文件（特别是视频文件）容量一般都很大，受到网络带宽的限制，下载一个视音频文件可能需要几分钟甚至几小时，因此导致传输媒体的欣赏时延很大；而通过利用流媒体技术，多媒体文件一边被下载一边被播放，用户可以即时地欣赏到多媒体内容了（即点即看）。此外，目前流行的视频直播相关行业，也是流媒体技术非常重要的应用场景。
 *  对客户端的存储容量要求：传统媒体需要下载完整的媒体文件，而媒体文件的容量一般都很大，所以需要占用客户端较大的存储空间；而通过利用流媒体技术，不需要占用客户端太大的缓存容量，也可以欣赏到媒体内容了。

# 9 流媒体技术的应用前景 #

互联网的迅猛发展和普及，为流媒体业务的发展提供了强大的市场动力，流媒体行业正在蓬勃发展。流媒体技术（及流媒体直播技术）广泛用于多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网信息服务的方方面面。不难看出，在未来，流媒体技术的应用将会为网络信息交流带来革命性的变化，也将对人们的工作和生活产生深远的影响。

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