Потоковое видео и открытые системы

Министерство образования Российской Федерации

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

Курсовая работа

по предмету: Администрирование информационных систем

на тему: Потоковое видео и открытые системы

Уфа, 2010

Оглавление

1. Теоретическая часть

1.1 Общие сведения о потоковом мультимедиа

1.2 Потоковое вещание и хранение информации

1.3 Протоколы потокового вещания

1.4 Преимущества потокового вещания

1.5 Обзор мультимедиа серверов

2. Практическая часть

2.1 Установка сервера

2.2 Организация потокового вещания по протоколу UDP Unicast

2.3 Организация потокового вещания по протоколу HTTP

2.4 Создание web-страницы транслирующей медиапоток с сервера

2.5 Удаленное управление сервером VideoLAN

Заключение

1. Теоретическая часть

 

1.1  Общие сведения о потоковом мультимедиа

Потоковое мультимедиа (от. англ. stream media) — это мультимедиа, которое непрерывно получается пользователем от провайдера потокового вещания. Это понятие применимо как к информации, распространяемой через телекоммуникации, так и к информации, которая изначально распространялась посредством потокового вещания (например, радио, телевидение) или непотоковой (например, книги, видеокассеты, аудио CD).

Первые попытки отображения мультимедиа информации на компьютерах начались в середине XX века. Однако, прогресс в этой сфере был очень малым, вследствие высокой стоимости и ограниченных возможностей компьютеров тех времён.

С конца 1980-х и до 1990-х компьютеры, доступные потребителям, уже были способны отображать различные виды информации. Основными техническими проблемами потокового вещания были:

- наличие достаточно производительного CPU и шины для передачи мультимедиа необходимого битрейта

- создание ОС, при работе которых гарантируется высоконадёжная передача данных.

Тем не менее, компьютеры сети оставались ограниченными, а потоковое мультимедиа уступало традиционному (CD-ROM).

В период с 1990 до 2000 пользователи интернета получили:

- высокую пропускную способность сетей, в частности, на последней миле

- возросло количество абонентов сетей, особенно Интернета

- стали использоваться стандартизованные протоколы и форматы, такие как TCP/IP, HTTP и HTML

- появилась коммерция в Интернете

Эти достижения в области сетей в совокупности с высокопроизводительными домашними компьютерами и современными операционными системами сделали потоковую мультимедийную информацию доступной широкому кругу простых пользователей. Автономные приёмники интернет-радио предлагали пользователям возможность прослушивания потокового звука без наличия компьютера.

В основном, мультимедиа информация занимает большие объемы, так что затраты на хранение и передачу подобной информации всегда велики; поэтому, в большинстве случаев, передаваемая в поток информация сжимается при передаче в сеть вещания.

Мультимедиа потоки бывают двух видов: по запросу или живыми. Потоки информации, вызываемой по запросу пользователя хранятся на серверах продолжительный период времени. Живые потоки доступны короткий период времени, например, при передаче видео со спортивных соревнований.

1.2   Потоковое вещание и хранение информации

Размер, необходимый для хранения потоковой мультимедиа информации (в большинстве файловых систем выражается в мегабайтах, гигабайтах, терабайтах и т. д.) вычисляется в зависимости от скорости передаваемой информации и продолжительности информации по следующей формуле (для одного пользователя и файла):

размер хранилища (в мегабайтах) = продолжительность (в секундах) * битрейт (в кбит/с) / (8 * 1024)

Пример:

Один час видео, закодированного со скоростью 300 кбит/с (типичное видео транслируемое в интернете, имеющее размер 320×240 пикселов) будет занимать:

(3,600 с * 300 кбит/с) / (8*1024) порядка 130 Мб места на диске

Если файл, хранимый на сервере с режимом передачи по запросу будет просматриваться 1000 людей одновременно по протоколу Unicast (1 клиент — 1 соединение), то сервер должен иметь следующую пропускную способность:

300 кбит/с * 1,000 = 300,000 кбит/с = 300 Мбит/с сетевого интерфейса

Это эквивалент порядка 125 Гб информации в час. Разумеется, при использовании протокола Multicast нагрузка на сервер намного ниже, так как для передачи информации всем клиентам используется единственный поток. Следовательно, такой поток будет занимать всего 300 кбит/с сетевого интерфейса сервера.

1.3  Протоколы потокового вещания

Разработка сетевых протоколов потокового вещания вызывает следующие проблемы:

- Датаграмные протоколы, такие как User Datagram Protocol (UDP), отправляют поток медиаинформации как поток отдельных маленьких пакетов. Он прост и эффективен; в то же время, в спецификации протокола нет гарантии доставки данных получателю. Это очень сильно затрудняет поиск и исправление получаемых данных принимающим информацию приложением. При потере данных поток может быть отключен.

- Протоколы RTSP, RTP и RTCP специально разрабатывались для передачи мультимедийной информации по сети. Последние два построены на основе UDP.

- Надежные протоколы, такие как TCP, гарантируют корректность получаемых данных клиентов потокового вещания. Однако при большом количестве ошибок при соединении/подтверждении получаемой информации передаваемая информация может стать неактуальной. Это также может вызвать значительные задержки при передаче информации на время, затраченное на пересылку поврежденной информации. Одним из решений данной проблемы является буферизация информации на стороне клиента.

- Протоколы Unicast отправляют отдельную копию данных каждому клиенту. Unicast подходит для большинства пользователей сети Интернет, но сильно затрудняет масштабирование сервера для бомльшего количества клиентов.

- При широковещательной передаче одна копия данных передается всем клиентам сервера.

 Протоколы Multicast разработаны для снижения нагрузки с серверов на подключения/ширину канала при получении потокового мультимедиа большим количеством клиентов. Эти протоколы отсылают одну порцию данных целой группе клиентов. В зависимости от типа сетевой инфраструктуры, групповая передача данных может быть доступна, а может и не быть. Одним из потенциальных недостатков групповой передачи является отсутствие возможности реализовать функцию видео по запросу. Непрерывное вещание потоковой информации также делает невозможным управление воспроизведением пользователем. Однако, эта проблема может быть решена внедрением в сеть передачи данных кэширующих серверов и буферизирующего принимаемый поток программного обеспечения.

- Multicast позволяет передавать один поток информации группе клиентов по сети. Одной из проблем при реализации подобной схемы потокового вещания является корректная настройка маршрутизаторов для передачи широковещательных пакетов из одного сегмента сети в другой. Если организация, предоставляющая потоковое вещание, имеет контроль над сетью между сервером и клиентами (например, в образовательной, правительственной или корпоративной сети), то протоколы маршрутизации, такие как IGMP и PIM, могут быть использованы для доставки мультимедиа нескольким клиентам из различных сегментов LAN.

- Протоколы P2P могут использоваться при распространении предварительно записанной мультимедиа между компьютерами. Это снимает нагрузку с сервера, однако сеть передачи данных между сервером и одним из клиентов становится узким местом данного варианта реализации потокового вещания информации.

1.4  Преимущества потокового вещания

Так как пропускная способность каналов ограничена и все крупные сервера, раздающие медиаконтент обычным способом очень сильно перегружены. Распределенные файлообменные сети существенно снижают нагрузку, однако реальная скорость передачи данных у них чрезвычайно низка.

Компромиссной технологией раздачи медиаконтента является онлайновое вещание по технологии Multicast, обеспечивающей одновременную доставку идентичного контента всем запросившим его пользователям, что существенно разгружает каналы передачи данных. Это также ограничивает свободу пользователей в выборе контента, поскольку если к серверу подключились сто тысяч пользователей и каждый из них выбирает свой файл, то никакого выигрыша владелец сервера не получит. С другой стороны, можно иметь несколько независимых Multicast-каналов, передающих различные файлы, к которым может подключаться кто угодно. Разница между обычным скачиванием файла с сервера в том, что трансляция не позволяет слушателем/зрителям управлять потоком, и они вынуждены слушать/смотреть файл с момента подключения к серверу, который к тому времени мог проиграть половину файла. В некоторых случаях это приемлемо, в некоторых - нет. Как показывает практика, достаточно большой аудитории пользователей совершенно неважно, что именно играет в данный момент - главное, чтобы что-то вообще играло.

К тому же в потоковое аудио/видео намного легче "врезать" рекламу или прочие вставки типа "breaking news", да и квалификация среднестатистического пользователя не позволяет сохранять потоковый контент на диск, что очень нравится держателям авторских прав и прочим медиамагнатам.

1.5  Обзор мультимедиа серверов

С развитием интернет технологий, потоковое вещание мультимедиа вышло на новый уровень. Сегодня с легкостью можно найти тысячи ссылок ведущих на множества потоков музыки или видео. Для организации серверов, с которых ведется потоковое вещание разработано множество программного обеспечения. Большая часть из которого предназначена для вещания аудио данных в форматах mp3 или ogg. Для видео данных набор программного обеспечения ничуть не меньше, но серверов, которые могли бы полностью покрыть потребности медиасервисов довольно немного и основная часть является коммерческими проектами. Наиболее популярными на сегодняшний момент серверами для потокового видео можно назвать TVersity, QuickTime Broadcaster, VideoLAN, Windows Media Services, FFserver (FFmpeg) и т.д. Из них, лишь серверы VideoLAN и FFserver (FFmpeg) являются бесплатными и распространяются с открытым исходным кодом.

FFmpeg — набор свободных библиотек с открытым исходным кодом, которые позволяют записывать, конвертировать и передавать цифровое аудио и видео в различных форматах. Он включает libavcodec — библиотеку кодирования и декодирования аудио и видео и libavformat — библиотеку мультиплексирования и демультиплексирования в медиаконтейнер. Название происходит от названия экспертной группы MPEG и FF, означающего fast forward.

FFmpeg разработан под ОС на основе Linux, однако может быть скомпилирован под многие другие операционные системы. Разработчики не выпускают релизов и рекомендуют использовать последнюю версию из Subversion. Распространяется под лицензиями GNU LGPL или GNU GPL.

Серверы на основе FFmpeg часто организуют на вебхостинге, создавая различные видео порталы. Но зачастую данную библиотеку используют лишь как конвертер для медиафайлов при загрузке их на сервер.

VideoLAN - многофункциональный комплекс, портированный практически под все операционные системы, поддерживающий множество протоколов, форматов и контейнеров, который можно использовать и как локальный аудио/видеоплеер, и как сервер трансляции (рис. 1).

VideoLAN - это некоммерческий проект, бесплатную версию которого (вместе с исходными текстами и готовыми бинарными сборками) всегда можно скачать с официального cервера http://www.videolan.org/.

Клиентская и серверные части исправно работают под Linux, Windows, Mac OS X, BeOS, xBSD, Solaris, Familiar Linux, Yopy/Linupy и QNX, однако их функциональность различна и в зависимости от выбранной платформы варьируется в очень широких пределах (рис. 2).

Рисунок 2. Возможности программы VideoLAN на каждой из поддерживаемых ею платформ.

Поддерживаются следующие входные форматы данных: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4/DivX (считываемые с локального жесткого диска или CD/DVD); "настоящие" DVD и VCD; спутниковые карты, работающие по стандарту (DVB-S); потоковое видео, "упакованное" в MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4 (то есть, VideoLAN может работать не только как сетевой транслятор, но и как ретранслятор чужого контента с возможностью сохранения последнего на жесткий диск).

В настоящий момент реализованы два основных протокола трансляции: Unicast ("узконаправленное" вещание с доставкой контента только одному целевому узлу) и Multicast (групповая трансляция с доставкой одного и того же контента множеству узлов). Также (формально) имеется возможность широковещательной рассылки контента всем узлам локальной сети (для этого достаточно указать в качестве целевого IP-адреса 255.255.255.255), но с высокой степенью вероятности она будет задавлена брандмауэрами и маршрузитаторами, так что без их радикальной перестройки сеанс вещания не состоится даже в рамках локальной сети.

Еще имеется ограниченная поддержка видео-по-требованию (Video-on-Demand или, сокращенно, VoD) с возможностью выбора контента по HTTP или TELNET интерфейсам, однако эта возможность обычно используется исключительно администраторами для удаленного управления сервером трансляции.

Контейнеры, в которые помещается транслируемый поток, зависят от типа трансляции, допустимые комбинации которых перечислены в таблице на рис. 5. Естественно, все это хозяйство работает как с IPv4, так и с IPv6.

Рисунок 5. Допустимые комбинации протоколов трансляции с контейнерами, в которые упаковывается транслируемый медиа-поток.