利用HTTP协议进行移动视频分发的应用研究.doc

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1、利用协议进行移动视频分发的应用研究HTTP平1 ，陆颖颖2宗( 1 南京邮电大学 海外教育学院，江苏 南京 210003;2 南京邮电大学 计算机学院，江苏 南京 210003)摘 要:在过去的十年中，基于互联网的视频分发服务已经成为现代日常生活的一部分。3G 蜂窝网覆盖范围的扩展以及大量高性能的移动设备的出现，加剧了对于大数据量可扩展移动视频分发业务的需求。采用第三屏幕作为视频主屏幕的 方式，解决移动数据分发生态系统中的效率低下问题以及移动数据分发基础设施的可扩展问题已成为研究热点之一。文 中在研究当前移动内容分发系统基本策略的基础上，提出了一种基于 HTTP 协议的改进的移动视频分发方法，

2、有效地提高 了移动视频分发系统的服务质量和可扩展性。关键词:移动视频分发; HTTP; 内容分发网络中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1673 629X(2012)07 0158 05Study of Mobile Videos Delivery Based on HTTP ProtocolZONG Ping1 ，LU Yingying2(1 College of Overseas Education，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China;2 College of Compute

3、r，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)Abstract:During the past decade video delivery service based on the internet has become an integrated part of daily life With the expansionof 3G cellular coverage and the emergence of more powerful mobile devices，the demand fo

4、r large amount of scalable mobile video delivery service has increased During the process of adopting the third screen as main screen for video，solving the problems of low efficiency in the mobile delivery ecosystem and scalability in the mobile delivery infrastructure is one of the study hotspots B

5、ased on the analysis of the cur- rent mobile content delivery strategy，propose an improved method of mobile video delivery based on HTTP This method has good qualities and scalability for mobile videos deliveryKey words:mobile video delivery;HTTP;content delivery network引言战。除了蜂窝网覆盖限制以外，带宽较低且延迟大、手持设备

6、屏幕分辨率低且动力不足以及存在很多不同厂 商的多媒体播放器技术等因素也抑制可扩展的高质量 视频分发。内容提供商及观赏者都需要并期盼高质量的视 频，满足这些需求是大规模应用所必须的，且大规模应 用也需要满足内容分发的成本效益。3G 蜂窝网接入 的激增以及 4G 的出现使得新一类的智能手机能够为 用户提供高质量的视频，但这样一个新兴市场在一定0在过去的十年中，基于互联网的视频分发已经成为现代生活的一部分。消费者们已经接受了方便、灵 活、多样的互联网视频，同时内容提供商也已经认识到 这一新兴市场的盈利潜力。富媒体向移动媒体的渗入 已经在移动网络中掀起了一股新的创新浪潮。内容提 供商和消费者们都认为第

7、三屏幕是桌面视频和电视观 赏体验的自然延伸。宽带接入到家、到办公室的广泛 可用性，强大的台式机和便携式电脑对于基于浏览器 的 Adobe Flash 播放器的普遍支持，使得互联网规模的 视频分发至桌面。但是，从传统多媒体比如电视、电 影，甚至是桌面互联网，迁移至移动环境，仍然存在挑程度上受阻于设备性能的差异以及开发环境的不同。如表 1 所示，多数的移动设备平台对于协议的支持有很大的不同。桌面和移动平台之间的巨大差异，导致它很难将 常见的桌面解决方案转化到移动领域。运营商之间的 设备差异进一步阻碍了移动平台的趋同。这样一种不 趋同使得移动内容的大规模发布很难达到最优化，因 为每一个平台都需要各自

8、的定制方法。定制的需求引 发了一些适合的解决方案提供商来处理各个平台不同收稿日期:2011 12 06;修回日期:2012 03 10基金项目:江苏省科技支撑项目( BE2009157)作者简介:宗 平( 1956 ) ，男，博士，教授，研究方向为计算机网络; 陆颖颖( 1987 ) ，女，江苏海门人，硕士研究生，研究方向为计算机网 络。表 1 智能手机平台的比较的状况。由于每一个供应商都希望自己与众不同，从而导致了用户体验的不一致性。每一个平台分别使用 不同的提供商使得效率低下。移动视频分发方式的趋 同对于移动内容分发系统的统一和发展至关重要。假 设在设备、操作系统或者协议上得到统一，那么这

9、使得 从桌面到移动的转变得以缓解，同时简化了大规模发 布，提高了移动内容的盈利潜力，并推动产业发展。频、横幅、插播、弹出页面等) 通过广告内容管理系统( CMS) 发布，之后由内容发布商将其与内容结合起 来。与此同时，聘用承包商来开发桌面网页、移动网页 以及智能手机应用。这三个发布途径需要各自专门的 技术。其中两条移动途径也受零散的技术影响。不同的操作系统开发环境( 如苹果的 iPhone、黑莓、Google的安卓、诺基亚的塞班以及 Windows Mobile 等) 、不同的运营商以及设备能力( 如屏幕分辨率、音 / 视频编解 码等) 的不同需要更多专业化的资源。图 1 描述了网站及应用同广

10、告零售商以及分析跟 踪服务之间的相互作用。广告零售商能够确定要显示 的广告、跟踪哪些用户能够在规定时间看到指定的广 告。虽然赞助商广告可能通过第三方广告零售商发 布，但是它们一般直接被集成到站点或者应用程序中 分析跟踪服务用于跟踪非广告页面的浏览以及应用程 序的使用。两者都是向内容提供商提供有价值的用户 统计信息。广告提供直接收益，而这些分析信息为广告商提供判据以及 为 以 后 的项目提供有价值 的 市 场 调研。移动视频分发系统内容分发系统是一个由合作伙伴和服务提供商组 成的复杂网络。图 1 描述了相关的主要实体，这些实 体间的联系使基于互联网的视频分发成为可能。为大 规模发布准备内容有很多

11、后勤障碍。除了产生内容， 内容提供商必须管理发布、盈利以及内容的分发。位 于图 1 顶端处的是内容提供商，基于互联网的发布合 作伙伴位于左侧，广告合作合伙位于右侧，中间展示的 是视频准备以及分发路径。11 1移动视频转码移动 手 机 不 像 桌 面 系统那样能够支持多种音 / 视频编解码以及容器，它通常只支持编解码及容 器 的 非常有限的子集，并且不同的设备 支 持 不 同 的 子 集。 比如在一个给定的网络，不同设备的最佳参数( 视频帧速率、视频比特率、音 频 采 样 率、音频比特率以及分辨率苹果 iPhone黑莓Google 安卓诺基亚Windows MobileHTTP 顺序下载是版本

12、4 3 +是否是RTSP 流否版本 4 3 +是是非原生HTTP 直播流版本 3 0 +否未发布否否Windows Media HTTP 流否否否否是Microsoft Silverlight 平滑流否否否未发布Windows Phone 7RTMP 流否未发布未发布Flash LiteFlash Lite( RTSP ) 2进行流的播放。最开始的 HTTP 只能用来被下载，并且整个文件都下载完了才能播放。后来出 现的顺序下载允许一边下载一边播放。由于带宽限 制，先下载再播放造成很大的延迟。因此，下载的视频 变得越来越短且质量较低，这样便可以减小文件的大 小并且缩短下载时间。这样一来较多的移动

13、设备采用 RTSP 协议，因为 RTSP 能播放之前仅需要缓冲少量数 据，降低播放时延。下载和流媒体是视频分发的两个 极端。图 2 ( a) 和 2 ( b) 给出了这两种方式的流量模 型。图 2( c) 和 2( d) 的混合模式提供了一种处于两者 之间的方法。图 2( a) 是 HTTP 直接下载; 图 2( b) 是简 化的 RTSP / RTP 流媒体; 图 2 ( c) 是 HTTP 步进范围 / 片段下载; 图 2( d) 是 HTTP 步进下载。很大的操作，它一般只需执行一次，但是需要较快的执行速度从而使得分发的延迟最小。计算云按需提供大 量的计算资源以及带宽。比起维护低频率操作

14、( 如转 码) 使用的专用服务器和网络连接，使用计算云的资 源节约了成本。这点将鼓励内容提供商为 HTTP 分发 使用一次性转码服务来产生静态文件。虽然动态( 按 需) 转码解决方案较为灵活1，但是从目前来讲它不 是一个具有成本效益的解决方案。1 2 移动视频分发服务为了应对互联网规模分发的挑战，内容提供商通 常使用内容分发网络。管理一个全球化的数据中心网 络需要大量的资源。内容分发网络利用规模经济的优 势能够更为有效地分发内容。一旦转码完成，转码后 的文件上传至内容分发网络，并且在大量的边缘服务 器上备份，最终分发给终端 用户。内容分发网络可能 会为上传内容提供一个源 服务器，或者直接从内容

15、提 供商的源服务器上获得，然 后将内容分发至它们的边 缘服务器。相对静态的内 容可以通过简单并且常见 的 HTTP 协议来分发，这为 内容分发网络提供了一个 最具成本效益的解决方案。 稳定的内容需要较少的同步以及带宽，同时优化 HTTP 服务器能够使其承受极 高的负荷。 专 用 的流媒体服务 器由于需要大量的 CPU 来处理视频，所以它通常支持较少的并发用户。 同时，它需要经过专业化培训的操作人员，以及可能支 付牌照费给技术提供商。基于 HTTP 的解决方案很大 程度上降低了运营成本，并且同时为内容分发网络以 及它们的客户( 内容提供商) 节省了成本。图 1 展示了使现代视频分发网成为可能的相

16、关合 作伙伴。图中合作伙伴的每一个分类可能由许多实际 的提供商。虽然内容提供商承担义务继续为第三屏提 供内容，但是雇佣及管理的成本限制了移动视频分发 的财政能力。简化向移动设备跨平台的分发，可以帮 助内容提供商减少它们所依赖的合作伙伴，并且降低 了运营成本。这一整合的关键组成部分是分发协议。 单一的分发协议将简化内容分发网络整合。图 2 视频分发方法2 1 下载与播放虽然在桌面平台上有很多种协议作为选择，用来 下载视频文件，而实际上最常用的是 HTTP 协议，尤其 是对于移动平台。HTTP 是建立在 TCP 之上从而确保 数据完整性。对于视频，数据完整性即保证在数据及 时分发的前提下，能够达到

17、预期的图像质量。在现代 桌面环境中，基本都是宽带连接，包丢失相对较少同时带宽也足够。但是，在丢失率高、容易拥塞、延时较大、带宽相对较低的蜂窝网络中，需要较多的延时重传来实现数据完整性，但是这样就影响播放的连续性。这 种贪婪的分发流量模型可能会由于过早的数据分发导 致网络拥塞。在用户只需要部分预览的情况下，不是所有下载的数据会播放，这样就造成了带宽浪费3。但是 HTTP 的普遍性具有较强的应用优势。2 2 流媒体流媒体依赖于即时分发即时播放。虽然有很多私 有 的流媒体协议存 在，但常用的标准化协 议 是 RTSP4。RTSP 是一个控制协议，它通过实时传输协移动视频分发的传统方法最早的移动视频播

18、放器有两种基本方法获得视 频: 利用 HTTP 协 议 下 载 或 者 通 过实时流媒体协议 2议( RTP ) 传输视频帧，它基于不可靠的 UDP 协议5。即时分发比起尽最大努力分发使用较少的即时带宽，同时要求保留较小的客户端缓存空间。假设分发速率 处于可用带宽之内，将带宽较为均匀的分布于时间轴 上，那么这将有助于防止拥塞的发生。当用户只是随 机地访问或者部分观赏，那么这种步进式的分发能够 防止不必要的带宽使用。流媒体的实时性使其也适用 于分发直播视频。UDP 协议通过适当降低图片质量 使得播放停止的可能性最小化。基于帧的分发允许智 能地丢弃帧( 比如非关键帧、低动态场景的帧) 6，但 是这

19、需要一个智能网络来决定如何丢弃帧，在如今的 互联网中尚不具备这样的智能。于 HTTP 来传输数据的混合方式同内容分发网络结合起来是十分理想的，因为内容分发网络的基础设施已经为使用 HTTP 分发大量数据进行了优化。虽然内容分发网络支持 RTSP 及其它流媒体协 议，但是维护独立的专用服务器的日常开支使其支持 这些协议付出很大代价并且较不理想。除了大量的运 营开支以外，尤其是 RTSP ，需要四个 UDP 通道( 两个 RTP 连接，其中一个用于视频，另一个用于音频，再加 上与之相对应的 RTCP 连接) ，这样进一步限制了服务 器的可扩展性且使得网络设计复杂化。对于多数网络，大范围的 UDP

20、端口的动态配置是不可取的，因为它通常需要不断地“修补”防火墙，这给防火墙带来较基于 HTTP 的混合分发方式随着手持设备能力的增强以及移动网络基础设施 的稳步发展，新的混合分发方式成为可能。混合方式 是试图在如图 2( a) 和 2( b) 所示的两种极端方式之间 寻求一种平衡。前者尽最大努力发送整个视频，而后 者是尽可能慢地发送尽可能小的增量7。图 2( c) 和 2( d) 展示了以突发片段形式来获取视频的两种选择策 略。图 2( c) 描述的是客户端步进方式的流量模型，而 图 2( d) 描述的是服务器端步进方式的流量模型。多 数基于 HTTP 的方式也一开始提前下载充满客户端缓 冲区从

21、而减少播放延迟8。这两种方式通常使用高于 视频比特率的分发速率以此防止播放停止3。虽然比 起纯的流播放，它们的网络效率较低，但是通过 TCP 的可靠分发能够保证视频的质量，这是在传统流媒体 方式中不具备的。表 2 给出了相关四种方式的不同特 性。表 2 视频分发协议的比较大的负担并且在多数情况下破坏了安全策略。使用 RTSP / RTP 协议存在另一个问题，即由于随 机的包丢失导致的适当降低质量的问题。对于内容提3供商，这是不理想的。许多有趣的方式已经证明能够改善质量以及增加可预测性: 限制关键帧的丢失9，恢10，或者主动丢弃非关键帧6，但是复丢失的关键帧丢失的非确定性仍然无法改变。利用基于

22、TCP 传输的混合方式可以保证帧的分发，虽然有时候不能及时 分发。逾期分发可能会导致播放停止，但是停止可以 根据渲染而确定( 不像由于帧丢失导致的像素) 。4确定的比特率自适应比特率自适应有很多种形式。动态转码可能用于提供不断变化的比特率编码，但是动态编码需要大量的计算以及花费。在多数情况下，由于人的洞察力以 及压缩技术的限制，变化较小的比特率不易被察觉 因此，动态转码的优势跟开支比起来不值得。确定的 比特率自适应依赖于使用一个预定比特率的离散数 据。内容提供商可能会选择并赞同基于预览的比特率。结合保证分发，他们相信他们所分发的产品质量能同预览的内容媲美。选择使用哪个比特率通常基于带宽的估算，

23、要么由服务器端隐含11，要么由客户端 直接反馈12。确定的比特率自适应可以将拥塞最小 化，并且减少逾期分发的几率。HTTP 直接下载的方式最初用于在播放开始前必 须获取整个视频的情况。这种方式的简便性在于它不 需要进行文件预处理，而是转码成正确的格式然后为 目标设备编解码。对于 RTSP 及一些混合方式，需要采用基于 HTTP 的客户端 / 服务器端步进方式的HTTP 直接下载RTSP/ RTP客户端 / 服务器端步进 HTTP 方式传输协议TCPTCP / UDPTCP所需端口数11 /41质量保证( TCP 重传)是否是适当质量降低( UDP 丢弃)否是否带宽管理否是是动态比特率自适应否是

24、是参考文献:5改进的 HTTP 分发方式结合上面所述的基于 HTTP 的混合分发方式以及1Shen B，Tan W，Huve F Dynamic Video Transcoding in Mo-bile EnvironmentsJ IEEE Multimedia Mag ，2008，15( 1 ) :45 51黄一鸣，董永强 RTSP 流媒体代理 IPv4 / IPv6 组播互通的 研究J 计算机技术与发展，2007，17( 6) : 183 190Guo L，Chen S Q，Xiao Z，et al Analysis of Multimedia Work- loads with Impli

25、cations for Internet StreamingC/ / Proceed- ings of the 14th International Conference on World Wide Web( WWW 2005) s l : s n ，2005张 林，王芙蓉 RTSP 协议研究及其在一种 VOD 中的实 现J 中国有线电视，2004( 22) : 9 12李必云，石俊萍 移动流媒体技术在视频传输中的应用J 计算机时代，2010( 5) : 28 29Li Y，Markopoulou A，Apostolopoulos J，et al Content awarePlayout an

26、d Packet Scheduling for Video Streaming over确定的比特率自适应，可进一步改进其分发方式: 内容提供商根据一般需求将视频源文件切割成较小的片 段，并且分别为每个片段进行不同码率的编码。这样， 每个视频源文件拥有几个不同码率的编码文件。在服 务器端向客户端分发视频内容时，服务器端根据当时 的网络带宽，选择不同码率的文件向客户端进行分发。 当然，这样一个分发过程是建立在内容分发网络之上 的。采用这种改进方式进行分发可以获得以下优势: 摆脱了专用流媒体服务器的束缚，同时降低了运营成 本; HTTP 的普遍性弱化了设备的差异性; HTTP 采用 的是可靠传输，

27、可以在一定程度上保证视频质量; 结合 内容分发网络，可以有效地减少网络拥塞、提高网络利 用率。23456Wireless LinksJ IEEE Transactions on Multimedia，2008，10( 5) : 885 895李 继 玲，于凡 RTP / RTSP、HTTP 流化技术比较分析 J 科技创新导报，2010( 28) : 23 23Guo Lei，Tan Enhua，Chen Songqing，et al Delving into Inter- net Streaming Media Delivery: A Quality and Resource Utiliza-

28、 tion Perspectiv C/ / Proceedings of the 2006 ACM SIG- COMM Internet Measurement Conference ( IMC 2006 ) s l : s n ，2006: 217 230Liang Y J，Apostolopoulos J，Girod B Analysis of Packet Loss for Compressed Video: Effect of Burst Losses and Correlation between Error FramesJ IEEE Transactions on Circuits

29、 andSystems for Video Technology，2008，18( 7) : 861 8747结束语目前移动富媒体正准备不断扩张，但是缺乏平台 的统一和协议的趋同，而这两项却是支持一致的用户 体验所必须的。终端用户、开发商以及运营商都将从生态系统的 统一以及对于融合了的视频分发解决方案的共同理解 中受益。内容提供商希望分发高质量的视频以保证它 们的品牌完整性。基于不可靠协议的流媒体协议，如 基于 UDP 的 RTP 协议，不能提供确定的质量保证。 另外，多数运营商不愿意开放它们网络的动态端口，而 这些端口正是 RTP 协议所需要的。所以，针对这些问 题提出了利用 HTTP 协议

30、作为内容分发协议。基于 TCP 的可靠分发，结合确定的比特率自适应，能够提供 确定的质量保证。同时 HTTP 的普遍性使其容易穿过 防火墙并且能够利用优化了的内容分发网络缓存基础 设施。虽然 HTTP 不是为实时应用而设计的并且对于 视频分发可能不是最佳选择，但是它利用广泛支持的 协议提供了理想的功能。68910 Liang Y J，Gerod B Networkadaptive Lowlatency over Besteffort NetworksJ IEEE Transactions on Circuits and Sys- tems for Video Technology，2006，1

31、6( 1) : 72 8111 Wang Bing， Wei Wei，Guo Zheng，et al Multipath Live Streaming via TCP: Scheme，Performance and BenefitsJ ACM Transactions on Multimedia Computing Communications and Applications，2009，5( 3) : 1 2312 Chakareski J，Frossard P Distributed Collaboration for En- hanced Sender driven Video Stre

32、amingJ IEEE Transac- tions on Multimedia，2008，10( 5) : 858 870檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪( 上接第 157 页)5陈得民 CC2430 与 DS18B20 的粮库温度传感器网络设计J 单片机与嵌入式系统应用，2009( 12) : 60 62Wang Wei，Fan Zebin Design of Wireless Temperature DetectBased on CC2430J Electronic Engineer，2007，33( 8) : 78 80郭渊博

33、，杨奎武，赵 俭，等 ZigBee 技术与应用: CC2430 设计、开发与实践M 北京: 国防工业出版社，2010 俞金寿，孙自强 过程自动化及仪表M 北京: 化学工业 出版社，2007: 103 1049顾德英，张 健，马淑华，等 计算机控制技术M 北京:北京邮电大学出版社，2005610 侯宪伦，孙兆荣，丁 陵，等 啤酒发酵罐微机控制系统及其控制算法J 工业控制计算机，1991( 5) : 28 2911 庞 娜，程德福 基于 ZigBee 无线传感器网络的温室监测 系统设计J 吉林大学学报( 信息科学版) ，2010，28 ( 1 ) :55 6012 周岭松，余春暄 基于 ZigBee 技术的温湿度控制系统J电子测量技术，2011，34( 6) : 47 5078