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中国电信集团北京研究院 杨明川
摘 要：随着宽带网络的发展，流媒体应用得到了广泛的应用。本文从可运营的宽带流媒体应用系统的角度，分析了宽带流媒体应用系统的层次架构，并对每个层次的一些相关问题进行全面的介绍和分析。
一、概述
流媒体（Streaming media）是指在数据网络上按时间先后次序传输和播放的连续音/视数据流。与普通的音视频文件先下载再播放的方式不同，流媒体在播放前并不下载整个文件，只将部分内容缓存，流媒体数据流就可以做到边传送边播放，这样节省了下载等待时间和存储空间。流媒体数据流具有三个特点：连续性（continuous）、实时性（real-time）和时序性，即其数据流具有严格的前后时序关系。由于流媒体的这些特点，它已经成为在Internet上实时传输音视频的主要方式。
近年来，随着宽带网络的发展，特别是宽带接入技术的发展，网络传输的瓶颈正在被打破，实时的高质量流媒体传输已成为可能。这为流媒体的发展提供了基础。另外，音频和视频编解码技术的进步和网络流媒体协议的标准化也为流媒体的广泛应用起到重要的促进作用。基于流媒体传输的应用得到了越来越多的重视,可以预计，流媒体应用必将成为未来高速网络的主要应用之一。
二、宽带流媒体应用系统的架构
与普通的在互联网上提供免费的流媒体内容不同，宽带流媒体应用系统作为一个可运营、可管理的业务系统，需要在运营支撑、媒体传输、内容管理等方面进行全面的考虑。图1是一个宽带流媒体应用系统的层次架构示意图。
图1 宽带流媒体应用系统层次架构图
在图1中，将宽带流媒体应用系统划分为五个层次。其中，最上层为内容、应用和增值业务提供层，这个层面主要是组织和提供流媒体的内容资源，并根据用户的需求将资源整合成为流媒体增值业务产品提供给用户；下面一层是流媒体服务提供层，这个层次主要由各种形式的流媒体设备构成，包括流媒体服务器、流媒体内容分发系统、流媒体的内容缓存系统等等；再下面一层是网络承载层，该层提供IP网络，是流媒体传输的基础。最下面一层是终端接入层，流媒体应用系统可以为多种形式的流媒体终端设备提供服务，包括PC终端、TV、智能电话、移动终端（如3G手机等），为了支持多种终端，通常还需要相应的网关设备，如家庭智能网关、移动网关等。
为了实现可运营，整个流媒体应用系统还需要运营支撑层负责运营和维护，运营包括用户管理、AAA、计费结算、设备管理、流媒体性能测量等。运营支撑层需要和其他的各个层面进行交互，是流媒体应用系统的管理核心。
1.内容、应用和增值业务提供层
内容、应用和增值业务提供层主要负责提供内容，并将内容资源组织成为可以面向最终用户收费的流媒体产品和服务。对于宽带流媒体应用而言，内容是确定流媒体产品和服务是否具有吸引力的根本因素，然而，缺乏对内容的良好组织、包装和在此基础上的增值服务，将会对用户的使用带来极大的不便，并最终影响用户使用该流媒体产品。
目前，基于宽带流媒体的应用较多。我们就几种流行的应用进行简单的分析。
(1)视频点播（VOD）：这是最常见、最流行的流媒体应用类型。视频点播的服务提供商应该将点播的内容进行良好的组织并向用户提供简单界面。目前，视频点播的服务提供商通常都提供基于Web的节目列表、以及对节目的分类浏览、查询等功能。额外的功能还包括对节目的介绍、评论、相关节目链接、BBS等。
(2)Internet TV：Internet TV包含两层概念，一个是将传统的电视节目通过流媒体技术在IP网络上进行传播的方式；另一层含义是以遵循传统的电视节目的组织方式，以“电视频道”的形式进行节目的组织的方式。
(3)远程教学：远程教学以应用对象明确、内容丰富实用、运营模式成熟，成为目前商业上较为成功的流媒体应用。比较前两种应用服务而言，远程教学更强调内容资源的组织，以及流媒体资源和其他文字、图片资源的整合。
除了对内容的组织和整合，对内容的保护业务应用和业务提供商需要重视的问题。常见的手段是加密。对媒体内容的实时加密和解密需要流媒体系统（包括终端）具有较高的处理能力，同时密钥的分发、管理需要复杂的支撑系统协调实现。另外一种较为流行的方式是数字版权管理（DRM）。但是DRM不适用于流式播放的情况。
2.流媒体服务提供层
流媒体服务提供层主要实现流媒体服务。通常所说的流媒体技术一般都在这个层面上。流媒体服务提供层主要由流媒体服务器构成。
为了实现在IP网络上实现流式传输，流媒体服务器需要涉及流数据的编码/解码、流媒体协议、流媒体的速率控制、流媒体的集群、流媒体的应用层组播、流媒体的内容分发。
(1)编码/解码：Internet上的流媒体编码通常采用MPEG系列标准。如最新的Windows Media和Real System都采用了MPEG-4编码标准。从流媒体传输的角度而言，编码需要满足几个方面的要求：首先是压缩效率，压缩效率要求在保证一定音视频质量的前提下，媒体流的码流速率尽量低；其次是编码的冗余性和可靠性。与普通的多媒体文件压缩编码不同的是，流媒体文件需要在网络上实时传输，因此必须考虑传输中数据丢失对解码质量的影响；最后，还需要考虑流媒体的速率调节的能力，因为网络的拥塞状况是不断变化的，流媒体的编码必须能够适应网络速率的变化，例如采用可扩展的层次编码。
(2)流媒体协议：与普通的数据传输不同，流媒体因为具有持续媒体流的特点，因此需要专门的传输协议。目前，最常用的流媒体传输协议是RTP/RTCP协议，这两个协议分别处理流媒体的传输和控制。
(3)流媒体的速率控制：由于Internet上网络的拥塞变化非常大，往往不能保证在较长时间内的持续带宽，因此，需要流媒体传输能够适应这种网络的变化。除了缓冲（Buffer）机制外，最常用的是速率控制机制，即当网络拥塞时能够自动的将流媒体的速率降低，尽管这样会导致流媒体的质量变差，但不会导致服务的中断，这对于保持流媒体服务的连续性非常重要。
(4)流媒体服务器集群技术：流媒体服务需要耗费较多的处理器资源，当流媒体传输的需求增加时，简单的基于工业服务器的单个流媒体服务器就不再能够满足用户的并发请求。流媒体服务器集群技术的核心是利用多个流媒体服务器构成集群系统来实现流媒体服务的性能扩展。
(5)应用层组播：对于点对多点流媒体广播而言，最好的方式是采用组播（Multicast）技术。但是组播技术因为各种原因在IP网络上并没有得到有效的支持，因此，利用主机系统代替网络节点进行组播仿真就成为一个具有吸引力的想法，但目前应用组播尚没有得到广泛的应用，在实现上可以看作是内容分发技术的一种形式。
(6)内容分发技术：内容分发技术主要也是解决流媒体传输的网络质量问题，其核心的思想是将流媒体服务单元尽量推倒网络的边缘。这些分布在网络边缘的媒体服务单元在逻辑上可以构成一个内容分发网络（CDN）向用户提供媒体服务。目前，CDN已经成为流媒体传输的主流技术得到了广泛的应用。
3.网络承载层
网络承载层即基础的IP传输网络。网络承载层需要为流媒体提供支撑的主要包括两个方面：组播和服务质量。
(1)组播：流媒体的广播最佳的方式就是采用组播。组播技术经过多年的研究，已经较为成熟，并制定了多项关于组播的标准协议。但是组播在实际的运营网络中很少实现。主要的因素包括扩展性、可靠性和稳定性等问题。目前，在骨干网上采用组播来实现流媒体传输不太现实，但是可以利用组播技术在局域网或者小区网中实现流媒体传输。
(2)服务质量：IP网络的服务质量一直是受到广泛关注的热点问题。但是至今为止，商用的IP网络上还不能提供充分的、可靠的服务质量保证，这和IP采用的Best Effort设计思路有关。但是，服务质量对于可靠的流媒体传输至关重要，良好的网络传输服务质量的高质量流媒体服务的基础。为流媒体传输提供服务质量保证是IP网络的巨大挑战。
4.终端接入层
通常，流媒体需要通过计算机上的媒体播放器呈现为视频图像。因此，最常见的流媒体终端为PC终端。但是随着技术的进步和用户的需求的增加，提供多种化的终端支持是流媒体发展的必然趋势。这些终端包括：智能电话终端、电视、3G手机等。
智能电话终端作为传统电话的扩展，可以通过附加IP协议和视频处理芯片的方式支持流媒体。传统的电视机可以通过增加机顶盒的方式收看IP方式的流媒体节目。3G手机作为支持多媒体的移动终端将是未来流媒体发展的一个重要方面。
为了保证不同形式的终端支持流媒体，需要相应的网关设备。目前，家庭综合智能网关是一个关注的热点，它可以为多种设备提供智能网关服务，并实现一个家庭网络。
5.运营支撑层
为了实现可运营的流媒体应用系统，需要一个完善的运营支撑层对业务进行管理、计费的工作。从功能上，运营支撑层至少需要完成如下的工作：用户管理、认证/授权、计费、网络管理。一个完整的运营支撑系统还需要包括营业受理系统、帐务系统（收费渠道）、预付费卡系统、客服系统等等。
根据运营支撑层和流媒体其他各层次的关系，可以构成多种不同的运营模式。考虑到电信运营商在业务运营、营业受理、收费渠道，以及网络接入和客户资源等方面的优势，由电信运营商构建一个综合的流媒体应用支撑平台向各个流媒体应用和内容提供商提供综合的业务支撑服务是目前较为可行，并且能够实现多方互利多赢的运营模式，例如中国电信的互连星空等。
三、总结
作为互联网上一个正在蓬勃发展的应用，流媒体应用作为未来高速网络的主流应用的趋势已经越来越明确。目前，人们已经越来越习惯在网络上收听在线的音乐，收看在线的电视和视频节目，甚至通过网络进行视频聊天等等。
可以预计，宽带流媒体技术和应用必然会在未来的网络中发挥更重要的作用，并从一定程度上改变人们使用网络的方式。
----《中国多媒体视讯》
