20网络与多媒体应用.docx

1、20网络与多媒体应用第20章 网络与多媒体应用网络上的多媒体通信和普通的数据通信有比较大的差别，多媒体应用要求在客户端播放声音和视频图像时要流畅，声音和图像要同步，因此对网络的带宽、时延和抖动的要求很高。而普通的数据通信应用则把可靠性放在第一位，对网络的时延和带宽的要求较低。多媒体的应用十分广泛，主要的应用有电子（计算机/网络）游戏、万维网、3G/4G移动通信和家庭影院等，其他应用则包括多媒体数据库、多媒体内容检索、虚拟现实、视频点播、IP电话和电视会议等等。本章先给出流媒体的概念和特点，然后讨论传统因特网的不足与改进，最后介绍若干典型的多媒体应用。20.1 流媒体媒体可以分为静态媒体和流式媒

2、体两大类型。网络流媒体服务，按要求从高到低，有交互、实时、近实时和后播四种方式。流媒体通信具有吞吐量大、对延时和抖动敏感、允许差错、支持多播等特点。20.1.1 媒体及服务分类1媒体分类媒体可以分成如下类： 静态媒体（离散媒体）：文本、图形、图像； 流式媒体（连续媒体、时基媒体）：音频、视频、动画。2网络流式多媒体服务分类 交互(interactive)：边下载边播放，并可进行交互控制（须保证带宽并限制延迟与抖动）； 实时(real-time)：边下载边播放（须保证带宽，若不交互可有较大延迟，但须控制抖动）； 近实时(near-real-time)：部分下载后连续播放（须保证带宽，但可有较大抖

3、动）； 后播(playback)：先全部下载后再播放（对带宽、延迟和抖动都没有严格要求）。20.1.2 流媒体及其通信特点1流媒体概念流媒体（stream media）技术是把连续的影音数据，经过压缩处理后放到网络服务器上，让客户端的浏览者边下载边播放（不需整个媒体文件下载完成后再播放）的一种即时收听与观看的技术。交互式网络流媒体服务是理想的流媒体类型，实时型的也不错，近实时则差强人意，而后播就完全不属于流媒体的范畴了。流媒体涉及到流式媒体的信号采集（离散化）、数据压缩（编码）、存储（数据库）和传输（网络通信）等多种技术。2流式媒体通信特点 吞吐量大：需要大传输带宽与大缓冲区容量； 延迟敏感：

4、交互式流媒体服务要求延迟客户端）； 支持多播（用信宿树来维护分组数据的传输通道）； 资源预定与分组过滤分离（能动态适应成员关系变化）； 路由协议与资源预定协议分离（能动态适应路由变化）； QoS允许特殊用户获得对网络资源的优先访问（用允许控制与策略控制来保证预约与防止滥用）； 安全可靠（可采用密钥鉴定节点、使用者和信息的完整性）。4RTSPRTSP（Real Time Streaming Protocol，实时流协议）是一种位于因特网应用层、用于流媒体系统的协议。它允许客户通过发出“play”和“pause” 等命令来远程控制流媒体服务器，并允许对服务器上的文件进行时基访问。RTSP协议由IE

5、TF于1998年4月制定，标准号为RFC 2326。RTSP协议用于创建并控制若干时间同步的连续媒体流，如音频和视频。但是传送流数据本身并不是RTSP的组成部分，RTSP只是提供选择传送通道（如UDP和TCP）的方法。多数RTSP服务器使用基于标准的RTP作为实际音视频数据的传输协议，其作用有些似一种媒体通道。实网（RealNetworks）公司的RTSP服务器还使用它自己的RDT作为传输协议。RTSP在语法和操作上类似于HTTP，但是它增加了新的请求。另外，HTTP是无状态的，而RTSP则是状态丰富的（如Init、Ready、Plying、Recording等），需要时可用一个ID追踪会话的

6、轨迹。这样，RTSP就不需要使用固定的TCP连接。通常RTSP是从客户向服务器发送消息，但是有时服务器也会发送消息到客户，所以RTSP是一种双向协议，而HTTP则是一种单向协议只有客户向服务器发出请求。许多典型的HTTP请求（如OPTION）都被RTSP使用，下面是RTSP新增加的几个基本请求：（缺省端口为554）DESCRIBE（描述） DESCRIBE请求包含一个RTSP URL (rtsp:/.)和可处理的回复数据类型。RTSP协议对UDP和TCP的缺省端口都是554。此回复包含外观描述，典型的用SDP格式。外观描述还列出由聚集URL控制的媒体流。在典型情况下，会有一个流对音频和一个对视

7、频。SETUP（设置） SETUP请求指定一个单一的流如何必须被传输，这必须在PLAY请求送出去前完成。该请求包含媒体流URL和一个传输指定符。该指定符一般包括一个接收RTP数据（音频或视频）的本地端口，和另一个接收RTCP数据（元信息）的本地端口。服务器的回答通常确认所选择的参数并填充缺失的部分，例如服务器的选择端口。每个媒体流在聚集播放前必须先用SETUP设定。PLAY（播放） PLAY请求将导致一个或全部媒体流被播放。可以通过发送多个PLAY请求将播放请求入栈。URL可以是聚集URL（播放所有媒体流）或单一媒体流URL（只播放该流）。可以指定播放范围，如果没有指定范围，则会从头到尾播放流

8、。或者，如果流是暂停的，则从暂停处恢复播放。PAUSE（暂停） PAUSE请求临时中断一个或全部流，以后可用PLAY请求恢复。该请求包含聚集或媒体流URL。什么时间暂停由范围参数指定，没有此参数则立即暂停。RECORD（录制） RECORD请求用于向服务器发送流去存储。 TEARDOWN（拆卸） TEARDOWN请求用于终止会话。它停止所有媒体流，而且释放服务器上所有与会话有关的数据。RTSP是一种基于文本的协议，采用Unicode字符集，使用UTF-8编码方案。5小结以上这些协议（IPv6、RSVP、RTP/RTCP、RTSP）较新，在传统的因特网上还不能得到普遍的支持，目前主要还只是在一些

9、实验性的高速因特网（如Internet2，M-Bone)或宽带局域网（Intranet)上使用。1）传统IP网 图20-8 传统IP网协议栈着眼于现有网络，采用传统的因特网/Web网协议与标准，可基本满足对下载后再播放的多媒体服务网络的需求，图20-8是相关协议与标准的层次示意图。2）高速IP网 新型的高速IP网络，采用全新的因特网/Web网协议与标准，可满足实时与交互多媒体服务网络的需求，图20-9是相关协议与标准的层次示意图。图20-9 新型IP网协议栈虽然已经有了IPv6、RTP/RTCP、RSVP和RTSP等补充协议，但是要在因特网上进行有效地流媒体通信和应用，还是有着许多困难和问题。

10、一是这几个协议至今还未得到广泛支持和应用；二是这些协议之间还存在不少空白地带和未解决的难题，如安全问题、付费问题、管理问题等等。现有商用流媒体软件和系统，多数都是采用了各企业自己的多种扩展技术和补充协议，才能正常运转。而这些补充和扩展，往往是互不兼容的，并且都是私有的专利技术。20.2.4 多目标广播如果世界上有许多用户想在因特网上接收现场电视节目(例如现场体育比赛、歌星演唱会、重大集会)，如何把它传送到世界各地？最直观的方法就是使用传统的IP寻址方法，每个信息包都使用一个唯一的IP地址，一次只给一个节点(即主机)传送，如图20-10所示，这种方法称为单目标传送(unicast)。如果使用单目

11、标广播服务把相同内容的信息传输给N个目标站点，就须要传输N个拷贝，即要传输N次。 图20-10 单目标广播服务 图20-11 多目标广播服务使用这种方法有下列缺点：浪费链路带宽，因为在链路上要传送多个相同的拷贝，大大地加重了服务机的负担。一个比较好的方法是把消息一次性地同时传输给N个目标站点，如图20-11所示，这就叫做多目标广播(multicasting)，在因特网上广播就称为IP多目标广播(IP multicast)或者叫做网际多目标广播。多目标广播是真正的分布式信息传输服务，使用IP多目标广播可以大大减轻网络上出现的拥挤和服务器的负担，因此可用于声音和影视的实时广播，例如，因特网电话会议

12、，因特网电视会议。研究表明，要满足多目标广播的要求，只须在IP协议中增加支持多目标广播的路径安排(multicast routing)功能就可以。IP多目标广播路由协议(IP Multicast routing protocol)比较好地满足了在IP网络上实现多目标广播的功能。20.3 多媒体应用从上世纪90年代以来，随着万维网的普及、光存储技术的成熟和计算机硬件的发展，多媒体的应用越来越广泛。目前的主要应用有：电子游戏、万维网、3G移动通信、家庭影院、数字电视等，其他应用则包括视频点播、虚拟现实和多媒体内容检索等等。由于篇幅所限，本节只简单介绍一下电子游戏、视频点播和虚拟现实的基本概念和内容

13、。20.3.1 电子游戏娱乐一直是多媒体应用的急先锋，而电子（计算机/网络）游戏更是倍受青少年朋友的欢迎。同时，电子游戏也是推动多媒体硬件和技术发展的最主要动力之一，特别是网络游戏的流行，对3D、GPU和网络技术的进步都起到了很大的推动作用。1电子游戏发展简史电子游戏的发展，最早可以追溯到1961年，MIT学生Martin Graetz等人，在PDP-1小型机上开发的太空战（Spacewar!）。而最早的游戏机则是1971年MIT学生Nolan Bushnell设计的世界上首个业余游戏机Computer Space（电脑空间）。Bushnell于1972年创立了Atari公司，专门从事街机游戏

14、的开发，推出了乒乓球（Pong）等流行游戏，成为电子游戏的鼻祖。在Atari成功的诱惑下，许多公司觉得电子游戏有利可图，也纷纷加入这一领域，呈现出群雄争霸的态势。日本的任天堂（Nintendo）公司则脱颖而出，于1985年推出了游戏机Super Mario Prob（超级马里奥兄弟），取得了巨大成功，成为当时游戏机的霸主。这一时期角色扮演游戏占主流。1990年代，涌现出大量PC机游戏，进入计算机游戏的时代，即使战略游戏开始兴盛，第一人称射手游戏也出现了。1990年代后期到近几年所推出的若干游戏机，也带有明显的计算机特征。例如，大量采用标准PC部件、将游戏存储卡改换成光盘、提供USB接口等等。随

15、着万维网应用的普及，从1990年代后期开始，网络游戏占据了游戏市场的半壁江山，而且大有越演越烈之势。2游戏类型游戏的种类繁多，而且新的游戏类型还在不断的出现。下面列出目前的主要游戏类型： 动作游戏（actionn game）包括战斗（fighting）游戏和射击（shooting）游戏等，后者有包括第一人称射手（First-person shooter, FPS）游戏和第三人称射手（third person shooter）等，如死亡（Doom）被认为是FPS取得突破的一款游戏； 策略游戏（strategy game）包括古典的回合制（turn-based）策略游戏,如文明帝国（Civiliz

16、ation）系列，和现代的即使策略（Real-Time Strategy, RTS）游戏，如沙丘魔堡2（Dune II）和战斗大师（Battlemaster）等； 角色扮演游戏（Role-Playing Game, RPG）包括MMORPG（Massively Multiplayer Online RPG, 大型多人在线RPG）和MMOSG（Massively Multiplayer Online Social Game, 大型多人在线社会游戏）； 运动游戏（sports game）主要是足球等球类游戏，也包括棋牌类； 冒险游戏（adventure game）目前发展较慢，主要靠(2D)美观的场景来吸引玩家； 竞赛游戏（racing game）包括赛车、空战、赛马和赛艇等(非)载具的模拟游戏； 平台建造游戏（platformer game）建设和管理模拟，不使用3D引擎，但是却占据大量的CPU运算时间来模拟所塑造的系统，有虚拟现实的发展倾向； 其他游戏如人工生命和益智游戏等。3游戏设备种类 大型游戏设备1980年代曾流行公共场所娱乐用的大型游戏设备，包括视频廊（家用视频游戏机的前身）、群体（二三十人）乘驾模拟器（真实感电影，少互动）和独立网络模拟器（密闭驾驶舱，如空战技术中心）等，但由于它们的价格昂贵，一