基于RTMP協(xié)議的流媒體技術(shù)的原理與應(yīng)用

雷霄驊，姜秀華，王彩虹

(中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

1 引言

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，以及多媒體壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展，流媒體技術(shù)得到了非常廣泛的應(yīng)用。全球的流媒體市場(chǎng)正在以極高的速度向前發(fā)展，并逐步取代了以文本和圖片為主的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)Cisco的 Visual Networking Index(VNI)統(tǒng)計(jì)，2005年流媒體流量?jī)H占全球互聯(lián)網(wǎng)總流量的5%，而到了2011年這一比例已經(jīng)提升到40%，預(yù)計(jì)到2015年這一比例將會(huì)進(jìn)一步提升到62%。與此同時(shí)，流媒體技術(shù)也已經(jīng)突破了電腦的限制，進(jìn)入了平板電腦和智能手機(jī)等領(lǐng)域，一個(gè)Video Everywhere的時(shí)代即將到來(lái)［1］。

在這種流媒體快速發(fā)展的大環(huán)境下，各個(gè)地方的電視臺(tái)，視頻服務(wù)提供商紛紛開(kāi)始了自己的流媒體業(yè)務(wù)。在搭建業(yè)務(wù)平臺(tái)的時(shí)候，如何選取合適自己的流媒體平臺(tái)成為一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。中國(guó)網(wǎng)絡(luò)電視臺(tái)，中國(guó)教育電視臺(tái)，河南電視臺(tái)，深圳電視臺(tái)等多家電視臺(tái)，以及六間房，奇異網(wǎng)，威視網(wǎng)等流媒體服務(wù)商都選擇了Adobe公司的基于Flash平臺(tái)的流媒體系統(tǒng)。該系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)使用的RTMP協(xié)議［2］因此得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文將會(huì)對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，并搭建一個(gè)基于RTMP協(xié)議的流媒體直播系統(tǒng)。

2 流媒體

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中的流媒體服務(wù)從傳輸方式上大體上可以分為兩種方式:順序流式傳輸和實(shí)時(shí)流式傳輸。

2.1 順序流式傳輸

順序流式傳輸采用普通的HTTP服務(wù)器作為存儲(chǔ)多媒體文件的服務(wù)器。當(dāng)客戶端發(fā)起連接想要觀看多媒體資源的時(shí)候，直接通過(guò)HTTP協(xié)議把文件下載到客戶端本地系統(tǒng)的臨時(shí)文件夾中，再使用播放器播放已經(jīng)下載好的文件。它的與服務(wù)器交互的流程如圖1所示。順序流式傳輸?shù)膶?shí)質(zhì)就是播放本地文件。順序流式傳輸目前得到了十分廣泛的應(yīng)用:YouTube，優(yōu)酷網(wǎng)，土豆網(wǎng)等視頻服務(wù)商都采用了該種方式提供多媒體服務(wù)。順序流式傳輸?shù)暮锰幹饕菧p輕了服務(wù)器的壓力，即當(dāng)多媒體文件下載完成后就可以斷開(kāi)連接，從而節(jié)省出服務(wù)器資源再為其他客戶端服務(wù)。此外，順序流式傳輸使用的是普通的HTTP服務(wù)器，視頻服務(wù)商不必花費(fèi)額外的資金購(gòu)買流媒體服務(wù)器，從而節(jié)省了一筆經(jīng)費(fèi)。

圖1 順序流式傳輸

2.2 實(shí)時(shí)流式傳輸

實(shí)時(shí)流式傳輸采用專門的流媒體服務(wù)器存儲(chǔ)多媒體文件。當(dāng)客戶端發(fā)起連接想要觀看多媒體資源的時(shí)候，一般通過(guò)專有的實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議把位于流媒體服務(wù)器上的多媒體數(shù)據(jù)直接傳輸給客戶端的播放器，再實(shí)時(shí)播放。他與服務(wù)器交互的流程如圖2所示。實(shí)時(shí)流式傳輸?shù)膽?yīng)用目前還處于發(fā)展階段，主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)直播和正版影視的點(diǎn)播。使用實(shí)時(shí)流式傳輸方式觀看多媒體資源的時(shí)候，由于不會(huì)把文件下載到本地，可以防止視音頻提供商的內(nèi)容被非法拷貝，從而保護(hù)了視音頻內(nèi)容的版權(quán)。此外，使用實(shí)時(shí)流式傳輸方式觀看多媒體資源的時(shí)候，可以隨意跳轉(zhuǎn)到該視音頻的任何位置，而不必像順序流式傳輸那樣只能觀看已經(jīng)下載過(guò)的部分，因此大大增加了觀看時(shí)的自由度。

圖2 實(shí)時(shí)流式傳輸

3 實(shí)時(shí)流式傳輸

流媒體系統(tǒng)中媒體數(shù)據(jù)傳輸需要相應(yīng)的實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議支持。實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議屬于互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP五層體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)用層的協(xié)議。在當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)中，很多實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)是公司私有的，因此這些協(xié)議規(guī)范并不公開(kāi)。目前公開(kāi)規(guī)范的實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議有以下幾種:

3.1 RTSP+RTP

RTSP是由 IETF(Internet工程任務(wù)組)提出的［3］。RTSP 協(xié)議全稱是 Real Time Streaming Protocol，即實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議，是 IETF的 RFC標(biāo)準(zhǔn)。RTSP用于控制流媒體的傳輸，比如建立連接，播放，暫停等等，但本身并不傳輸多媒體數(shù)據(jù)。多媒體數(shù)據(jù)通常都是使用RTP/RTCP協(xié)議進(jìn)行傳輸。RTP/RTCP協(xié)議全稱是Real-time Transport Protocol/Real-time Transport Control Protocol，即實(shí)時(shí)傳送協(xié)議/實(shí)時(shí)傳送控制協(xié)議，也是IETF的RFC標(biāo)準(zhǔn)，專門用于傳輸多媒體數(shù)據(jù)。雖然RTSP+RTP是一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的組合，但是在互聯(lián)網(wǎng)世界中卻沒(méi)能做到“一統(tǒng)天下”。這與互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境有很大關(guān)系。RTP/RTCP作為傳輸多媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一般情況下使用 UDP協(xié)議作為其傳輸層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［3］。UDP是無(wú)連接的，不提供可靠交付，因此在互聯(lián)網(wǎng)上(尤其是廣域網(wǎng))傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候極易產(chǎn)生丟包，時(shí)延，抖動(dòng)等問(wèn)題。多媒體數(shù)據(jù)對(duì)丟包，時(shí)延，抖動(dòng)有很高的要求，一點(diǎn)點(diǎn)小問(wèn)題就會(huì)極大的影響用戶的體驗(yàn)質(zhì)量(QoE)［4］。因此互聯(lián)網(wǎng)上采用RTSP+RTP方式傳輸?shù)牧髅襟w并不是很多。與在因特網(wǎng)上傳輸?shù)牧髅襟w不同，IPTV通常都采用RTSP+RTP的方式傳輸多媒體數(shù)據(jù)［5］。因?yàn)镮PTV通常采用專網(wǎng)傳輸，網(wǎng)絡(luò)狀況較好，極少出現(xiàn)丟包，時(shí)延，抖動(dòng)等問(wèn)題，而UDP簡(jiǎn)單的協(xié)議規(guī)則可以大幅提高傳輸效率，所以可以“放心大膽”的使用RTSP+RTP的方式傳輸。

3.2 MMS

MMS是由微軟公司提出的。MMS協(xié)議全稱是Microsoft Media Server protocol，即微軟媒體服務(wù)協(xié)議，用于訪問(wèn)Windows Media發(fā)布點(diǎn)上的內(nèi)容。

3.3 HLS

HLS是由蘋果公司提出的。HLS全稱是HTTP Live Streaming，即基于HTTP的實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)流媒體的直播和點(diǎn)播，主要應(yīng)用在iOS系統(tǒng)，為iOS設(shè)備(如iPhone、iPad)提供音視頻直播和點(diǎn)播方案。

3.4 RTMP

RTMP是由Adobe公司提出的。RTMP協(xié)議全稱是Real Time Messaging Protocol，即實(shí)時(shí)消息傳送協(xié)議，用于在Flash平臺(tái)之間傳遞視音頻以及數(shù)據(jù)。與RTSP+RTP組合提供流媒體服務(wù)的方式不同，RTMP協(xié)議本身既可以傳輸多媒體數(shù)據(jù)也可以控制多媒體播放。RTMP協(xié)議使用TCP協(xié)議作為其傳輸層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。TCP是面向連接的［3］，提供可靠交付的協(xié)議，因此在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸時(shí)不會(huì)出現(xiàn)丟包情況，從而保證了用戶體驗(yàn)(QoE)。但是TCP協(xié)議提供可靠交付的代價(jià)就是增加了一些額外的開(kāi)銷，占用了一些帶寬和處理機(jī)資源。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，這些開(kāi)銷會(huì)顯得越來(lái)越微不足道。因此RTMP協(xié)議在未來(lái)有很好的發(fā)展前景。

4 基于RTMP的系統(tǒng)的特點(diǎn)

很多網(wǎng)絡(luò)電視臺(tái)，流媒體服務(wù)提供商之所以會(huì)選擇RTMP協(xié)議作為其提供流媒體服務(wù)的應(yīng)用層協(xié)議，在于它有以下幾個(gè)特點(diǎn):無(wú)須安裝客戶端程序，保證了媒體傳輸質(zhì)量。

4.1 無(wú)須安裝客戶端程序

收看采用RTMP協(xié)議提供的流媒體無(wú)需安裝客戶端程序，大大簡(jiǎn)化了客戶操作的復(fù)雜度。一般收看流媒體都需要相應(yīng)的客戶端軟件的支持，用戶需要收看流媒體就必須下載相應(yīng)的軟件(或插件)。而支持RTMP協(xié)議的流媒體客戶端可以制作成一個(gè)普通的Flash文件，只要安裝過(guò)Flash Player的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器就可以自動(dòng)下載該文件并運(yùn)行它。而Flash Player是一個(gè)上網(wǎng)必備的插件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界98% 的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器都安裝了Flash Player。因此，普通用戶不需要任何操作，只要使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器打開(kāi)播放頁(yè)面，就可以收看流媒體［6］。

4.2 保證了媒體傳輸質(zhì)量

RTMP協(xié)議有效的保證了媒體傳輸質(zhì)量，使用戶可以觀看到高質(zhì)量的多媒體。RTMP采用TCP協(xié)議作為其在傳輸層的協(xié)議，避免了多媒體數(shù)據(jù)在廣域網(wǎng)傳輸過(guò)程中的丟包對(duì)質(zhì)量造成的損失。此外RTMP協(xié)議傳輸?shù)腇LV封裝格式支持的H.264視頻編碼方式可以在很低的碼率下顯示質(zhì)量還不錯(cuò)的畫面，非常適合網(wǎng)絡(luò)帶寬不足的情況下收看流媒體。

5 RTMP的規(guī)范

5.1 協(xié)議格式［2］［7］

RTMP協(xié)議是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP五層體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)用層的協(xié)議。RTMP協(xié)議中基本的數(shù)據(jù)單元稱為消息(Message)。當(dāng)RTMP協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，消息會(huì)被拆分成更小的單元，稱為消息塊(Chunk)。

5.1.1 消息

消息是RTMP協(xié)議中基本的數(shù)據(jù)單元。不同種類的消息包含不同的Message Type ID，代表不同的功能。RTMP協(xié)議中一共規(guī)定了十多種消息類型，分別發(fā)揮著不同的作用。例如，Message Type ID在1-7的消息用于協(xié)議控制，這些消息一般是RTMP協(xié)議自身管理要使用的消息，用戶一般情況下無(wú)需操作其中的數(shù)據(jù)。Message Type ID為8，9的消息分別用于傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。Message Type ID為15-20的消息用于發(fā)送AMF編碼［8］的命令，負(fù)責(zé)用戶與服務(wù)器之間的交互，比如播放，暫停等等。消息首部(Message Header)有四部分組成:標(biāo)志消息類型的Message Type ID，標(biāo)志消息長(zhǎng)度的Payload Length，標(biāo)識(shí)時(shí)間戳的Timestamp，標(biāo)識(shí)消息所屬媒體流的Stream ID。消息的報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 消息

5.1.2 消息塊

圖4 消息塊

5.1.3 消息分塊

在消息被分割成幾個(gè)消息塊的過(guò)程中，消息負(fù)載部分(Message Body)被分割成大小固定的數(shù)據(jù)塊(默認(rèn)是128字節(jié)，最后一個(gè)數(shù)據(jù)塊可以小于該固定長(zhǎng)度)，并在其首部加上消息塊首部(Chunk Header)，就組成了相應(yīng)的消息塊。消息分塊過(guò)程如圖5所示，一個(gè)大小為307字節(jié)的消息被分割成128字節(jié)的消息塊(除了最后一個(gè))。

圖5 RTMP分塊

RTMP傳輸媒體數(shù)據(jù)的過(guò)程中，發(fā)送端首先把媒體數(shù)據(jù)封裝成消息，然后把消息分割成消息塊，最后將分割后的消息塊通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送出去。接收端在通過(guò)TCP協(xié)議收到數(shù)據(jù)后，首先把消息塊重新組合成消息，然后通過(guò)對(duì)消息進(jìn)行解封裝處理就可以恢復(fù)出媒體數(shù)據(jù)。

5.2 連接方式［9］

RTMP協(xié)議規(guī)定，發(fā)布一個(gè)媒體流之前需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)邏輯結(jié)構(gòu):第一步，建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接(Net-Connection);第二步，基于該網(wǎng)絡(luò)連接建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)流(NetStream)。其中，網(wǎng)絡(luò)連接代表服務(wù)器端和客戶端之間基礎(chǔ)的聯(lián)系;網(wǎng)絡(luò)流代表了發(fā)送多媒體數(shù)據(jù)的通道。服務(wù)器和客戶端之間只能建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，但是基于該連接可以創(chuàng)建很多網(wǎng)絡(luò)流。他們的關(guān)系如圖6所示:

圖6 RTMP的網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)流

6 基于RTMP的直播系統(tǒng)的搭建［9］

6.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文將會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于RTMP協(xié)議的流媒體直播系統(tǒng)。一個(gè)完整的流媒體直播系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分:視頻源，流媒體服務(wù)器和客戶端，系統(tǒng)的構(gòu)成如圖7所示。視頻源將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RTMP協(xié)議發(fā)布到流媒體服務(wù)器上;視頻成功發(fā)布以后，客戶端通過(guò)RTMP連接到流媒體服務(wù)器，就可以播放相應(yīng)的視頻。其中，視頻源和客戶端都是使用ActionScript語(yǔ)言編寫的Flash程序［10］，流媒體服務(wù)器使用Adobe公司的Flash Media Server軟件。

圖7 系統(tǒng)構(gòu)成圖

6.2 視頻源

視頻源是一個(gè)提供視頻流的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)中使用一個(gè)ActionScript代碼編寫的Flash程序作為視頻源。該程序采集本機(jī)攝像頭數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)壓縮編碼后使用RTMP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)布到流媒體服務(wù)器相應(yīng)的應(yīng)用程序(Application)上面。

下面簡(jiǎn)要介紹一下視頻源部分重要代碼含義:

//建立一個(gè)RTMP網(wǎng)絡(luò)連接

柯青，2017年畢業(yè)于南京師范大學(xué)，長(zhǎng)期研究文學(xué)以及中國(guó)哲學(xué)倫理方向。著有散文書籍《濃墨重彩》?，F(xiàn)為上海潘言教育科技有限公司創(chuàng)始人。

var nc:NetConnection=new NetConnection();

//連接到IP為222.31.64.249的流媒體服務(wù)器上名字為publishlive的應(yīng)用程序

nc.connect("rtmp://222.31.64.249/publishlive");

//建立一個(gè)基于該連接的網(wǎng)絡(luò)流

ns=new NetStream(nc);

//調(diào)用本機(jī)的攝像頭

cam=Camera.getCamera();

//把攝像頭添加到新建的流上

ns.attachCamera(cam);

//把一個(gè)多媒體流發(fā)布到服務(wù)器的應(yīng)用程序上，取名為“myCamera”

ns.publish("myCamera"，"live");

6.3 流媒體服務(wù)器

流媒體服務(wù)器是存儲(chǔ)(或接收)媒體流并且等待客戶端連接的軟件。本系統(tǒng)采用Adobe公司的Flash Media Server作為流媒體服務(wù)器。媒體流必需發(fā)布到已經(jīng)在流媒體服務(wù)器上注冊(cè)過(guò)的應(yīng)用程序上。在Flash Media Server的安裝目錄的“Application”文件夾下新建一個(gè)“publishlive”文件夾，即可注冊(cè)一個(gè)名為“publishlive”的應(yīng)用程序，不需要編寫任何代碼。

6.4 客戶端

客戶端是播放視頻流的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)采用一個(gè)ActionScript語(yǔ)言編寫的Flash程序作為播放實(shí)時(shí)流的客戶端。使用RTMP協(xié)議從流媒體服務(wù)器獲得視頻數(shù)據(jù)并顯示播放。

下面簡(jiǎn)要介紹一下客戶端的部分關(guān)鍵代碼的含義:

//建立一個(gè)RTMP網(wǎng)絡(luò)連接

var nc:NetConnection=new NetConnection();

//連接到IP為222.31.64.249的流媒體服務(wù)器上名字為publishlive的應(yīng)用程序

nc.connect("rtmp://222.31.64.249/publishlive");

//建立一個(gè)基于該連接的多媒體流

nsPlayer=new NetStream(nc);

//播放名為“myCamera”的多媒體流

nsPlayer.play("myCamera");

//新建一個(gè)Video對(duì)象用于顯示視頻

vidPlayer = new Video(cam.width，cam.height);

//將多媒體流添加到Video類上

vidPlayer.attachNetStream(nsPlayer);

//在Flash舞臺(tái)上顯示Video對(duì)象

addChild(vidPlayer);

7 小結(jié)和展望

本文分析了流媒體的兩種基本傳輸方式:順序流式傳輸和實(shí)時(shí)流式傳輸?shù)膮^(qū)別。并重點(diǎn)分析了幾種主要的實(shí)時(shí)流式傳輸協(xié)議的特點(diǎn)。以RTMP協(xié)議為基礎(chǔ)，分析了它的特點(diǎn)和格式，最后實(shí)現(xiàn)了一個(gè)的基于RTMP協(xié)議的流媒體直播系統(tǒng)。對(duì)于全面了解RTMP協(xié)議的原理有很大的幫助，同時(shí)可以為設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的基于RTMP協(xié)議的流媒體系統(tǒng)提供一個(gè)參考。

今年以來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)電視(Over-The-Top TV)逐漸興起，流媒體技術(shù)將會(huì)隨之迎來(lái)一個(gè)大發(fā)展階段?？梢灶A(yù)見(jiàn)，以流媒體技術(shù)為支撐的流媒體在未來(lái)將會(huì)占據(jù)傳統(tǒng)電視的部分市場(chǎng)并獲得相當(dāng)數(shù)量的客戶群。而不需要用戶安裝客戶端，視音頻質(zhì)量良好的基于RTMP協(xié)議的流媒體系統(tǒng)，也將會(huì)在眾多流媒體系統(tǒng)中凸現(xiàn)出來(lái)，獲得很大的市場(chǎng)份額。

［1］中廣研究，視訊天下.在線視頻平臺(tái)白皮書［C］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［2］Adobe Systems Incorporated.RTMP Specification［EB/OL］.http://wwwimages.adobe.com/www.adobe.com/content/dam/Adobe/en/devnet/rtmp/pdf/rtmp_specification_1.0.pdf，2009.

［3］謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第五版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［4］蘇佳，姜秀華.IPTV 視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)介紹［J］.電視技術(shù)，2011，35(6):78-81.

［5］萬(wàn)曉榆，張洪，歐陽(yáng)春，張溢華.IPTV技術(shù)與運(yùn)營(yíng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［6］林曉偉 .Flash Player內(nèi)部機(jī)制［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/d4243af3f90f76c66 1371af4.html，2010.

［7］姜浩然，徐林.基于RTMP的流媒體服務(wù)器的研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39(10):104-108.

［8］Adobe Systems Incorporated.AMF 3 Specification［EB/OL］.http://wwwimages.adobe.com/www.adobe.com/content/dam/Adobe/en/devnet/amf/pdf/amf-file-format-spec.pdf，2006.

［9］Adobe Systems Incorporated.Adobe Flash Media Server 4.5 Developer＇s Guide ［EB/OL］.http://help.adobe. com/en _ US/flashmediaserver/devguide/flashmediaserver_4.5_dev_guide.pdf，2012.

［10］Zerlot Ma.Flash Media Server 3.0技術(shù)指南Part1［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/ab293b48c850ad02de80418f.html，2006.