流媒体传输技术综述

王艳华

摘要：流媒体技术是一种“边下载，边播放”的网络传输技术，网络传输是流媒体技术实现的关键。该文对比分析了流媒体的主要传输技术，对自适应流媒体传输技术的研究现状进行了综述和讨论，展望了自适应流媒体传输技术的研究重点和发展趋势。

关键词：流媒体；传输技术；动态自适应；DASH

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）28-0232-02

1 背景

流媒体技术是[1]指流媒体服务器按照一定的实时传输协议，把连续影像和声音信息封装成一个个独立的媒体数据包，向客户端连续、实时地发送；客户端创建并且维护一个缓冲区，一边将收到的媒体数据包放入缓冲区，一边读取缓冲区内的媒体数据进行播放，简单来说，流媒体技术就是一种“边下载，边播放”的网络传输技术。流媒体技术克服了传统媒体传输与播放的诸多弊端，满足了用户对网上高质量多媒体信息的需要，被广泛应用于广电直播、网络远程教育、互联网直播、视频会议和航空探测等领域。

2 流媒体传输技术的发展

流媒体技术包括数据采集、压缩、编码、网络传输、服务器和缓存等方面的技术，涵盖计算机和网络领域。流媒体的传输技术直接影响着用户的体验效果，因此，一直是流媒体技术研究的重点。

2.1 面向连接的实时流媒体技术

面向连接的实时流媒体技术（Realtime Streaming）采用特定的流媒体视频服务器存储多媒体视频文件，收到客户端的通信请求后，服务器便通过特定协议将媒体文件实时传输，用户可以通过客户端的专用播放器进行播放。RTP/RTCP、RTSP和RTMP均属于实时流式传输协议。该技术的优点是信号传输速度与网络连接匹配，实时性较好，支持随机访问，适用于点播和直播。缺点是该技术需要专用的流媒体服务器和传输协议，这些协议会遭到大多数防火墙的拦截，系统的安装配置较复杂，容易因网络拥塞而导致视频质量不稳定。

2.2 无连接的顺序流媒体技术

顺序流式传输又被称作渐进式传输（Progessive Steaming），媒体文件按照先后次序传输到客户端，完成下载的部分能马上被播放，无需要等媒体文件完成全部下载完成。该技术采用更为通用的 HTTP 或 FTP 服务器，所以能穿透常规设置的防火墙，传输仅需要一个普通的web服务器，客户端只需安装播放器便可以播放流媒体视频，省去了高額的部署安装和维护费用。缺点是只能用于点播，不支持直播功能，并且当网络带宽较小时，媒体播放会出现时延或停顿；另外，该技术中用户能随意拷贝下载缓存在客户端的视频文件到其他地方播放，使文件内容的缺乏保护机制。

2.3 动态自适应流媒体技术

动态自适应流媒体技术DASH（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP）采用HTTP协议，媒体文件被转换成不同的码率等级储存起来，并对这些码率不同的媒体文件进行切片处理，分割成一定时间间隔的片段，网络点播时，服务器能响应客户端的网络带宽和设备情况，自动转换合适码率的视频，保障了用户观看视频的流畅性，提高了用户观看效果。DASH拥有诸多优点，既有顺序流式传输的实用性，能实现点播、直播功能，支持数据加密，保护了发布者的版权，同时又具有实时流式传输的灵活性，支持HTTP视频传输协议所支持的功能，支持 NAT穿越和防火墙，简化了安装和部署，使客户端的开发效率更高。并且，DASH支持服务器故障保护，并能据带宽资源的情况切换视屏码率，保障了视屏的稳定性，提高了用户的视频观看体验。目前，DASH由于其显著的优势已经作为标准被广泛使用，得到了各大公司和国际组织所认可。

3 自适应流媒体传输技术的研究现状及发展趋势

3.1 研究现状

DASH三大主流阵营分别是Microsoft 、Apple和Adobe公司，分别提出了Microsoft IIS Smooth Streaming、Apple HTTP Live Streamin和Adobe HTTP Dynamic Streaming系统。这些系统的实现原理基本相似，但媒体文件格式及索引文件格式各不相同，播放器互不兼容。2010年，DASH标准开始制定，2011年发布Draft版本，2012年发布MPEG-DASH 标准的第一版，2014年发布了第二版。2015年MPEG LA开始征集对HTTP上的MPEG-DASH标准至关重要的专利。DASH的标准化进程解决了不同供应商所提供的终端设备与后台服务器之间的互通相容性问题，大力推动了流媒体技术的发展。

码率切换算法一直是DASH技术研究的热点问题，因为算法的好坏决定了视频传输的质量和用户的体验效果。国外对DASH的研究起步较早，积累了一定的技术和经验。Chenghao Liu等提出了一种基于网络带宽的码率切换算法[2]，该算法根据切片获取时间和切片时间长度的比值结合一些阈值来进行码率自适应切换，随后他们又结合CDN网络的特点，对码率切换算法又进行了优化[3]。Luca De Cicco等提出了基于缓存的码率自适应切换算法[4]，为之后的基于缓存的码率切换算法做出了指引。国内研究起步较晚，但近几年越来越多机构和研究者开始关注DASH算法研究。陈立伟等提出一种基于HTTP流化的自适应码率混合控制算法[5]， 显著提升视频码率切换的稳定性和缓存利用率。张新有等提出一种基于人眼对比敏感度特征的码率选择算法[6]，在确保视频效果前提下能够有效节约带宽。熊丽荣等提出一种综合考虑网络带宽和缓存状态的混合码率自适应算法[7]，使缓存区数据量处于均衡范围和提高网络带宽利用率方面具有显著优势。上述研究表明，随着流媒体技术的广泛应用，国内对DASH的关注越来越多，也逐渐积累了一定的经验和技术，集中表现在两个方面：一是如何节约带宽资源，提高网络利用率；二是结合其他信息技术手段相结合，提高传输稳定性，增强用户体验效果。endprint

3.2 发展趋势

随着网络宽带和信息技术的发展，人们对媒体信息的需求日益增加，这些因素都促进了网络视频用户规模的快速增长。中国互联网络信息中心 （CNNIC） 2017年發布的《第40次中国互联网络发展状况统计报告》[8]，截至2017年6月，中国网络视频用户规模达5.65亿，网络视频用户使用率为75.2%，我国网民规模达到7.51亿，网民中使用手机上网的比例占96.3%。目前的移动设备已经具备了播放高清视频的技术条件，所以手机上网比例持续提升，但由于移动设备的网络带宽不稳定、无线网络资源有限、多客户端竞争网络带宽、码率切换较不稳定等因素严重影响用户体验。因此，满足人们期望获得更快速、更高清、更流畅的媒体服务体验已成为流媒体技术的研究重点，设计一种适合移动设备的码率自适应机制以及用户体验质量的传输技术具有重要的意义。针对DASH的研究将主要将集中在以下几方面：HTTP 实时流、DASH算法、DASH标准视频格式、DASH视频质量研究及视频编码标准无缝对接等方面。

4 结束语

目前，互联网技术、移动设备和无线网络技术都处于迅猛发展的阶段，流媒体技术的应用已经渗透到我们生活的各个方面。由于移动设备具有方便、实时、快捷等优点，越来越多人将移动设备作为获取媒体信息的主要方式。移动和无线网络环境较传统有线网络环境来说，具有更多的复杂性和不稳定性，对传输技术有更高要求。因此，加深对DASH的研究，不断改进和提高传输技术，对促进流媒技术的发展和应用具有重要的现实价值与意义。

参考文献：

[1] 马杰， 田金文， 柳键. 流媒体技术及其文件格式[J]. 计算机工程与应用， 2014， 23： 49-52.

[2] Liu C， Bouazizi I， Gabbouj M. Rate adaptation for adaptive HTTP streaming [A]. In： Proceedings of the second annual ACM conference on Multimedia systems[C]. ACM， 2011： 265-270.

[3] Liu C，Bouazizi I，Hannuksela M M，et al.Rate adaptation for dynamic adaptive treaming over HTTP in content distribution network[J]. Signal Processing： Image Communication， 2012， 27（4）：288-311.

[4] De Cicco L， Mascolo S，Abdallah C T.An experimental evaluation of akamai adaptive video streaming over hsdpa networks[C]// In：2011 IEEE International Symposium on Computer-Aided Control System Design， 2011： 13-18.

[5] 陈立伟， 李国平， 滕国伟， 等. 基于HTTP流化的自适应码率混合控制算法[J]. 上海大学学报报， 2014， 20（3）：313-320.

[6] 张新有， 王元勋， 邢焕来， 等. 基于对比敏感度的 DASH 客户端码率选择算法研究[J].电子与信息学报， 2016， 11（38）：2827-2831.

[7] 熊丽荣， 雷静之， 金鑫. 一种基于HTTP自适应流的混合码率自适应算法[J]. 计算机科学， 2017， 2（44）：129-134.

[8] 中国互联网络信息中心（CNNIC）. 第40次中国互联网络发展状况统计报告[R]. 北京： CNNIC， 2017.endprint