数字传输技术：流媒体、P2P和数字电视信道传输

随着计算机互联网和多媒体技术的发展，对数字媒体的内容如何进行有效传输是数字媒体走入人们生活的重要前提。流媒体是一种新兴的数字媒体网络传输技术，它可以在互联网上实时、顺序地传输和播放视/音频等多媒体内容；使用P2P技术可以使网络上的任何设备（包括大型机、PC机、手机等）平等地直接进行连接并进行协作；IPTV是一种以家用电视机或PC为显示终端，通过互联网提供包括电视节目在内的内容丰富的多媒体服务业务。本部分对流媒体传输技术、P2P技术和数字电视信道传输技术、内容集成分发技术、异构网络互通技术的相关内容进行介绍。

（一）流媒体传输技术

以前，多媒体文件需要从服务器上下载后才能播放，一个1 min（分钟）的较小视频文件在56 K的窄带网络上至少需要30 min时间进行下载，这限制了人们在互联网上大量使用音频和视频信息进行交流。“流媒体”不同于传统的多媒体，它的主要特点就是运用可变带宽技术，以“流”的形式进行数字媒体的传送，使人们在28～1200 Kb/s的带宽环境下可以在线欣赏到连续不断的高品质的音频和视频节目。在互联网大发展的时代，流媒体技术的产生和发展必然会给人们的日常生活和工作带来深远的影响。

1.流媒体传输的特点

流媒体传输方式在传输多媒体文件时的核心特征就是边下载边播放。一是能够缩短等待时间，流媒体文件的传输是采用流式传输的方式，边传输边播放，避免了用户必须等待整个文件全部从互联网上下载才能观看的缺点，极大地减少了用户等待的时间。二是节省存储空间，虽然流媒体的传输仍需要缓存，但由于不需要把所有内容全部下载下来，因此对缓存的要求大大降低。另外，由于采用了特殊的数据压缩技术，在对文件播放质量影响不大的前提下，流媒体的文件体积相对较小，节约了存储空间。三是可以实现实时传输和实时播放。流媒体可以实现对现场音频和视频的实时传输和播放，适用于网络直播、视频会议等。

2.流媒体的传输方式

目前，在网络上传输音频、视频等多媒体信息主要有下载和流式传输两种方式。一般音频和视频文件都比较大，所需要的存储空间也比较大，加上网络带宽的限制，常常需要数分钟甚至数小时来下载一个文件，采用这种处理方法延迟也很大，而流媒体技术的出现使在窄带互联网中传播多媒体信息成为可能。当采用流式传输时，音频、视频或动画等多媒体文件不必像采用下载方式那样等到整个文件全部下载完毕再开始播放，而是只需经过几秒或几十秒的启动延时即可进行播放。当音频、视频或动画等多媒体文件在用户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器上继续下载。

所谓流媒体，是指采用流式传输方式的一种媒体格式。流媒体的数据流随时传送随时播放，只是在开始时有些延迟。流媒体技术是网络音频、视频技术发展到一定阶段的产物，是一种解决多媒体播放时带宽问题的“软技术”。实现流式传输有两种方法：顺序流式传输和实时流式传输。

（1）顺序流式传输。顺序流式传输（progressive streaming transport，PST）是顺序下载，用户在下载文件的同时可观看在线媒体，在给定时刻，用户只能观看已下载的那部分文件内容，而不能跳到还未下载的文件部分。顺序流式传输在传输期间不能根据用户连接的速度进行调整。由于利用超文本传输协议（hypertext transfer protocol，HTTP）可以发送这种形式的文件，而不需要其他特殊协议的支持，所以顺序流式传输经常被称为HTTP流式传输。顺序流式传输比较适合播放高质量的短片段，如片头、片尾和广告。用户在观看前必须经历一定的延迟。

顺序流式文件通常被放在标准的HTTP或FTP服务器上，便于管理。但其不适合播放长片段和有随机访问要求的视频，如讲座、演说与演示，也不支持现场广播。严格来说，它是一种点播技术。

（2）实时流式传输。实时流式传输（real-time streaming transport，RST）与HTTP流式传输不同，总是实时传送，特别适合现场广播，也支持随机访问（用户可快进或后退以观看后面或前面的内容）。实时流式传输需要媒体信号带宽与网络连接匹配，以便使传输的内容可被实时观看。为保证传输的质量，实时流式传输需要特定的流媒体服务器，如RealServer、Windows Media Server、Quick Time Streaming Server等。这些流媒体服务器允许用户对媒体发送进行更多级别的控制，但是系统设置和管理较HTTP服务器更为复杂。实时流式传输也需要特殊的传输协议，如实时流传输协议（realtime streaming protocol，RTSP）或微软流媒体传输协议（microsoft media server，MMS）。一般来说，如果为实时广播或使用流式传输媒体服务器，即为实时流式传输。如果使用HTTP服务器，文件通过顺序流发送，即为顺序流式传输。

3.流媒体的传输过程

流式传输的实现需要合适的传输协议。由于TCP需要较多的开销，故不太适合传输实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用HTTP/TCP来传输控制信息，而用RTP/UDP来传输实时音/视频数据。下面以一种简单和常用的顺序流式传输为例来说明流媒体传输的过程。

（1）用户通过Web浏览器与Web服务器建立TCP连接，然后提交HTTP请求信息，要求传送某个多媒体文件。

（2）Web服务器收到请求后，在媒体服务器中进行检索。

（3）检索成功，向Web浏览器发送响应信息，把关于该多媒体文件的详细信息返回。

（4）Web浏览器接收到HTTP响应消息之后，检查其中的类型和内容，如果请求被Web服务器批准，则把响应的详细信息传送给相应的媒体播放器。

（5）媒体播放器直接与媒体服务器建立TCP连接，然后向媒体服务器发送HTTP请求消息，即文件的发送。

（6）在某种传输协议（如RTP、RTSP等）的控制下，媒体服务器把目标多媒体文件以媒体流的形式传送到媒体播放器的缓冲区内，双方协调工作，完成流式传输。

需要说明的是，在流式传输中，使用RTP/UDP和RTSP/TCP两种不同的通信协议与音/视频服务器建立联系，目的是把服务器的输出重新定向到一个非运行音/视频客户程序的客户机的目的地址。另外，实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器。

4.流媒体的播放方式

流媒体的播放方式主要分为单播、组播、点播和广播几种。

（1）单播。在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的数据通道，从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机，这种传送方式称为单播。每个用户必须分别对媒体服务器发送单独的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的数据包拷贝。这种巨大冗余会造成服务器沉重的负担，造成响应需要很长时间，甚至停止播放等结果，管理人员也被迫购买硬件和带宽来保证一定的服务质量。

（2）组播。IP组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制到多个通道上。采用组播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续数据流而无延时。媒体服务器只需要发送一个信息包，而不是多个，所有发出请求的客户端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机，减少网络上传输的信息包的总量。网络利用效率大大提高，成本大大下降。

（3）点播和广播。点播连接是客户端与服务器之间的主动连接。在点播连接中，用户通过选择内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、停止、后退、快进或暂停流。点播连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自连接服务器，会迅速用完网络带宽。

广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制流。例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户。

使用单播发送时，需要将数据包复制多个拷贝，以多个点对点的方式分别发送给需要它的那些用户；使用广播方式发送，数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，而不管用户是否需要。上述两种传输方式会非常浪费网络带宽。组播吸收了上述两种发送方式的长处，克服了上述两种发送方式的弱点，将数据包的单独一个拷贝发送给需要的那些客户。组播不会复制数据包的多个拷贝传输到网络上，也不会将数据包发送给不需要它的那些客户，保证了网络上多媒体应用占用网络的最小带宽。(www.chuimin.cn)

（二）P2P传输技术

随着互联网的发展，近年来互联网上P2P技术大行其道，已经产生了很多主流应用，被视为21世纪的技术热点之一。其实，P2P并不是一个新概念。早在30年前，就有公司推出了一些具有典型P2P特征的产品。事实上，互联网最初的设计目标就是让网络上的计算机互相之间可以直接通信而不需要中介，只是随后由于网络规模的扩大，“客户/服务器”模型才逐渐成为互联网上占统治地位的计算模型。从这个意义上看，最近几年才开始成为热点的P2P计算实际上是一种“向传统的回归”。

P2P是一种新兴的网络模型，与传统的C/S模型比较，它在网络资源利用率、消除服务器瓶颈等多方面有明显的优势。P2P技术的特点体现在以下几个方面。

一是非中心化。网络中的资源和服务分散在所有节点上，信息的传输和服务的实现都直接在节点之间进行，无须中间环节和服务器的介入，避免了可能的瓶颈。P2P的非中心化基本特点带来了其在可扩展性、健壮性等方面的优势。

二是可扩展性。在P2P网络中，随着用户的加入，不仅服务的需求增加了，系统整体的资源和服务能力也在同步地扩充，始终能较容易地满足用户的需要。整个体系是全分布的，不存在瓶颈。其可扩展性在理论上几乎可以认为是无限的。

三是健壮性。P2P架构天生具有耐攻击、高容错的优点。由于服务是分散在各个节点之间进行的，部分节点或网络遭到破坏对其他部分的影响很小。P2P网络一般在部分节点失效时能够自动调整整体拓扑，保持其他节点的连通性。P2P网络通常都是以自组织的方式建立起来的，并允许节点自由地加入和离开。P2P网络还能够根据网络带宽、节点数、负载等变化不断地做自适应式的调整。

四是高性价比。性能优势是P2P被广泛关注的一个重要原因。随着硬件技术的发展，个人计算机的计算和存储能力及网络带宽等性能依照摩尔定律高速增长。采用P2P架构可以有效地利用互联网中散布的大量普通节点，将计算任务或存储资料分布到所有节点上；利用其中闲置的计算能力或存储空间，达到高性能计算和海量存储的目的；通过利用网络中的大量空闲资源，可以用更低的成本提供更高的计算和存储能力。

五是隐私保护。在P2P网络中，由于信息的传输分散在各节点之间进行而无须经过某个集中环节，用户的隐私信息被窃听和泄漏的可能性大大降低。此外，目前解决互联网隐私问题主要采用中继转发的技术方法，从而将通信的参与者隐藏在众多的网络实体之中。在传统的一些匿名通信系统中，实现这一机制依赖某些中继服务器节点，而在P2P中，所有参与者都可以提供中继转发的功能，因而大大提高了匿名通信的灵活性，能够为用户提供更好的隐私保护。

六是负载均衡。P2P网络环境下由于每个节点既是服务器又是客户机，减少了对传统C/S结构服务器计算能力、存储能力的要求，同时因为资源分布在多个节点，更好地实现了整个网络的负载均衡。

（三）数字电视信道传输技术

目前，美国、欧洲和日本各自形成三种不同的数字电视标准，分别为ATSC、DVB、ISDB。其中，DVB标准组发展最快，普及范围最大。当前主流的数字电视标准在信源编码方面都采用MPEG-2的标准，在信道方面则各具特色。

（1）ATSC数字电视信道编码标准。地面数字电视广播标准采用Zenith公司开发的8VSB，此系统可以通过6 MHz的地面广播频道实现19.3 MB/s的传输速度。有线数字电视广播采用高数据率的16VSB，可在6 MHz的有线信道中实现38.6 MB/s的传输速度。

（2）主要的DVB数字电视信道编码标准。卫星广播标准DVB-S，调制采用QPSK方式，一个54 MHz转发器传送速度可达68 MB/s。在DVB-S标准公布之后，几乎所有的卫星直播数字电视均采用该标准，包括美国的Echostar等，我国也选用了DVB-S标准。

数字有线广播标准DVB-C以有线电视网作为传输介质，调制选用16QAM、32QAM、64QAM三种方式。采用64QAM正交调幅调制时，8 MHz带宽可传送速度为41.34 MB/s。2001年，国家新闻出版广电总局（现为国家广播电视总局）已颁布的行业标准《有线数字电视广播信道编码与调制规范》等同于DVB-C标准。

（四）内容集成分发技术

数字媒体内容集成分发技术是随着数字媒体内容的发展而提出的。从技术上看，数字媒体内容的发展趋势是适应多种网络、融合更多服务、满足各类要求。

CDN通常称为内容分发网络（content distribution network），有时也称为内容传递网络（content delivery network）。内容分发和传递一方面可以看作CDN的两个阶段，分发是内容从源分布到CDN边界节点的过程，传递是用户通过CDN获取内容的过程；另一方面，分发和传递可以看作CDN的两种不同实现方式，分发强调CDN作为透明的内容承载平台，传递强调CDN作为内容的提供和服务平台。

CDN网络通常由三个部分构成：内容管理系统、内容路由系统、Cache节点网络。其中，内容管理系统主要负责整个CDN系统的管理，特别是内容管理，如内容的注入和发布、内容的分发、内容的审核、内容的服务等；内容路由系统负责将用户的请求调度到适当的设备上，通常通过负载均衡系统来实现；Cache节点网络是CDN的业务提供点，是面向最终用户的内容提供设备。从功能平面的角度看，这三个部分分别构成了CDN的管理平面、控制平面和数据平面。此外，从完整的CDN内容提供的角度看，CDN网络还包括内容源（媒体资源库）和用户终端（媒体播放器）。

在宽带流媒体业务的驱动下，CDN目前正处于高速发展的时期。但长期以来，CDN缺乏统一的技术标准，这给CDN的大规模应用造成很大的障碍。近年来，CDN的标准化工作得到了较多的重视。各个标准化组织都展开了相关的研究。例如，IETF对内容互联的架构方面展开了相关研究；在ITU，有一些关于移动CDN的提案在讨论中。尽管如此，CDN的标准化工作还是落后于产品的研发。

传统的内容分发平台建立在客户/服务器模式的基础上，系统伸缩性差，服务器常常成为系统的瓶颈，而最近兴起的P2P技术在充分利用计算资源、提高系统伸缩性等方面具有巨大的潜力，利用P2P数据共享机制，有助于改进CDN分发效率。P2P流媒体传输系统根据其源节点提供数据的形式分为两种：单源（singlesource）的P2P流媒体传输和多源（multi-source）的P2P流媒体传输。P2P流媒体的关键技术涉及媒体文件定位机制、QoS控制机制和激励机制等。此外，CDN目前存在的一个亟待解决的问题是安全问题，采用SsL协议在CDN节点之间传输数据是大势所趋。对于CDN而言，其所面临的最大挑战是提供安全的和具有高QoS保障的内容分发。

目前，CDN技术已经比较成熟，市场上有许多厂商提供CDN设备和集成的解决方案。从运营的角度看，CDN的运营商主要分为两类：一类是传统的网络运营商，建设CDN并运营，如AT&T、德国电信、中国电信和中国联通；另一类是纯粹的CDN运营商，如国外的Akamai、国内的ChinaCache。

（五）异构网络互通技术

就我国现状而言，在未来的一段时间内，数字电视、IPTV、移动多媒体三种网络将是并存的态势，如何充分利用好各部分的资源，实现有效的互通共用、资源共享，通过转码技术做到这一点是当前研究中的一个热点和难点。

数字电视的一种技术方案是采用MPEG-2，虽然技术相对较老，但其技术成熟，设备解决方案非常完整，节目素材也很多。另外，以应用到数字电视和高清电视为初衷的AVS也是数字电视的一个选择。数字电视以广播的方式传播。利用转码技术把质量较高的MPEG-2/AVS节目转码为H.264/AVS/VC-1形式，可以为IPTV和移动视频网络提供较高质量的节目源。

在未来的一段时间内，双向电视网改造基本完成之后，在数字电视网中开展点播业务成为可能，因此IPTV与DTV之间实现双向互通也成为一种可能。在移动网络中传播视频可能采用的压缩技术标准有H.264、AVS。这些标准支持移动传输中包的封装，可以更加友好地面向网络传输。在移动多媒体应用中，网络的带宽和终端设备的计算能力、显示分辨率是限制移动应用的关键因素。如何保证用户在有限的带宽、较低的移动设备能力的条件下获得最好的多媒体服务是移动多媒体内容提供商最为关注的问题，也是转码研究的一个重要方面。在解决了这方面的问题之后才有可能实现数字电视、IPTV到移动多媒体的互联互通。那时，需要根据终端用户的视频内容和网络资源占用情况，综合进行降帧率、降码率、降分辨率转码，使用户得到最好的视频欣赏效果。