CN105306959B - 一种低延时网络自适应直播系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低延时网络自适应直播系统，包括摄像头、服务器、用户端；所述的摄像头和服务器的个数至少为一个，每个服务器连接一个以上的摄像头，摄像头采集数据流，并将采集到的数据流推送到服务器，服务器利用通道记录数据流与摄像头之间的关系；当用户端通过通道向某一服务器获取数据流时，如果该服务器中有这个通道，服务器直接将该通道所对应的摄像头采集的数据流推送到用户端进行显示，如果该服务器中没有这个通道，该服务器向其他服务器获取，并将对应的数据流转发回用户端进行显示。本系统将接收数据流和推送数据流的操作分离，异步实现转发过程，并动态调节缓存队列大小，传输效率高，延迟小；可支持多路通道及大量用户并发访问。

Description

一种低延时网络自适应直播系统
技术领域
本发明涉及直播技术领域，具体是一种低延时网络自适应直播系统。
背景技术
直播系统可以应用户的要求把活动现场的音频或视频信号经压缩后，传送到服务器上，在网络上供广大观众或授权特定人群收听或收看。现有的直播系统存在以下几个问题：1)通常只对数据流进行分发或转发，不进行流的筛选，做透明传输，无法获取流中的数据；2)大多采用集中式管理，当几个流媒体服务器同时运行时，每个服务器通常只服务某区域或某部分特定用户，数据源对用户是隔离的。服务器间少有数据流通，当数据源在其它服务器上时，用户无法观看数据；3)通常采用同步方式将数据传到用户，效率低，延迟大；4)通常手动部署和升级，需要专业人员进行控制；5)没有网络拥塞控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精准、实时、高效的低延时网络自适应直播系统，用于远程医疗及医学会议时中转摄像头的视频和音频数据到用户端。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
低延时网络自适应直播系统，包括摄像头、服务器、用户端；所述的摄像头和服务器的个数至少为一个，每个服务器连接一个以上的摄像头，摄像头采集数据流，并将采集到的数据流推送到服务器，服务器利用通道记录数据流与摄像头之间的关系；当用户端通过通道向某一服务器获取数据流时，如果该服务器中有这个通道，服务器直接将该通道所对应的摄像头采集的数据流推送到用户端进行显示，如果该服务器中没有这个通道，服务器向其他服务器获取，并将该通道对应的数据流转发回用户端进行显示。
所述的摄像头采集的数据流的类型包括音频和视频，其中视频类型的数据流采用的是FLV格式。
所述的数据流与通道一一对应，可支持直播和录像两种功能。
所述的服务器在接收数据流时，对摄像头传输的FLV格式的数据流进行解析，将不同类型的数据流分别缓存到不同的队列，并区分关键帧和普通帧，当网络状况较差时，根据帧的类型丢弃部分普通帧，以减小网络负担，保证数据流的安全可靠传输。
所述的服务器通过对观看者队列的大小进行限制而实现网络拥塞预知功能，如果观看者队列上溢的话，则丢弃队列中的部分普通帧，并记录丢帧情况。
所述的系统采用分布式集群，能支持大量用户端的并发访问。
所述的系统采用的是脚本控制方式。
所述的系统的实现方法为：
(1)开始：服务器创建一线程池，启动事件循环；
(2)服务器监听网络请求，当有摄像头发出推送请求时，进入步骤(3)；当有观看者通过用户端从某一通道发出直播请求时，进入步骤(4)；
(3)服务器解析摄像头的地址，维护频道列表，建立频道与线程ID的映射关系；服务器接收FLV格式的数据流，解析数据流中的tags，进行缓存；
(4)服务器调取所述的通道对应的数据流至用户端，进行实时直播；服务器解析观看者的地址后，判断直播频道是否匹配，如果不匹配，服务器模拟用户的地址请求，向其他服务器发送请求；如果匹配，服务器根据直播频道编号而调度工作线程，读取缓存的数据流，将数据流保存至观看者队列，并实时推送给观看者，观看者通过用户端实时观看。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本系统在接收数据流时，对FLV格式的数据流流进行解析，对音频、视频及其它类型的数据流进行分类处理，将关键帧与普通帧区分处理，使用户接收到的流信息更加精准。
本系统采用回源机制，用通道记录数据流与摄像头之间的关系。连接到系统的用户通过通道发出获取数据流的请求，系统会依据用户运营商，访问直播地址及直播源所在网络，当前各个服务器负载动态分配一个与用户最近的服务器。由服务器从源端直接获取或向其他服务器请求直播源数据，再传送到用户端。因此可以支持多路通道及大量用户并发访问。
本系统将数据流与通道对应，可以支持直播和录像两种功能。
本系统将接收数据流和推送数据流的操作分离，异步实现转发过程，同时对收到的数据流进行缓存，并根据推送数据流的速度判断网络状况，动态调节缓存队列大小，传输效率高，延迟小。
本系统使用脚本实现交互式自动化升级，无需专业人员参与。
附图说明
图1是本系统的实现流程图；
图2是FLV文件的结构图；
图3是FLV音频Tag的结构图；
图4是FLV视频Tag的结构图；
图5是FLV Script Tag的结构图；
图6是本系统的数据流的接收与推送流程图；
图7是本系统的服务器的工作线程机制图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，一种低延时网络自适应直播系统，包括摄像头、服务器、用户端；所述的摄像头和服务器的个数至少为一个，每个服务器连接一个以上的摄像头，摄像头采集数据流，并将采集到的数据流推送到服务器，服务器利用通道记录数据流与摄像头之间的关系；当用户端通过通道向某一服务器获取数据流时，如果该服务器中有这个通道，服务器直接将该通道所对应的摄像头采集的数据流推送到用户端进行显示，如果该服务器中没有这个通道，服务器向其他服务器获取，并将该通道对应的数据流转发回用户端进行显示。
摄像头采集的数据流的类型包括音频和视频，其中视频类型的采用FLV格式。
FLV全称是Flash Video，是互联网上使用极为广泛的视频封装格式。总体上看，FLV包括文件头(File Header)和文件体(File Body)两部分，其中文件体由一系列的Tag组成，结构如图2所示。其中，每个Tag前面还包含了Previous Tag Size字段，表示前面一个Tag的大小。Tag的类型可以是视频、音频和Script，每个Tag只能包含以上三种类型的数据中的一种。下表展示了FLV文件的详细结构。
1.FLV Audio Tag
音频Tag开始的第1个字节包含了音频数据的参数信息，从第2个字节开始为音频数据流。结构如图3所示。
第1个字节的前4位的数值表示了音频编码类型
值 含义
0 Linear PCM，platform endian
1 ADPCM
2 MP3
3 Linear PCM，little endian
4 Nellymoser 16-kHz mono
5 Nellymoser 8-kHz mono
6 Nellymoser
7 G.711 A-law logarithmic PCM
8 G.711 mu-law logarithmic PCM
9 reserved
10 AAC
14 MP3 8-Khz
15 Device-specific sound
第1个字节的第5-6位的数值表示音频采样率
值 含义
0 5.5kHz
1 11KHz
2 22kHz
3 44kHz
第1个字节的第7位表示音频采样精度
值 含义
0 8bits
1 16bits
第1个字节的第8位表示音频类型
值 含义
0 sndMono
1 sndStereo
2.FLV Video Tag
视频Tag也用开始的第1个字节包含视频数据的参数信息，从第2个字节为视频数据流，其结构如图4所示。
第1个字节的前4位的数值表示帧类型
第1个字节的后4位的数值表示视频编码类型
值 含义
1 JPEG(currently unused)
2 Sorenson H.263
3 Screen video
4 On2 VP6
5 On2 VP6 with alpha channel
6 Screen video version 2
7 AVC
3.FLV Script Tag
该类型Tag又通常被称为Metadata Tag，会放一些关于FLV视频和音频的元数据信息如：duration、width、height等。通常该类型Tag会跟在File Header后面作为第一个Tag出现，而且只有一个。结构如图5所示：
第一个AMF包：第1个字节表示AMF包类型，一般总是0x02，表示字符串。第2-3个字节为UI16类型值，标识字符串的长度，一般总是0x000A(“onMetaData”长度)。后面字节为具体的字符串，一般总为“onMetaData”(6F,6E,4D,65,74,61,44,61,74,61)。
第二个AMF包：第1个字节表示AMF包类型，一般总是0x08，表示数组。第2-5个字节为UI32类型值，表示数组元素的个数。后面即为各数组元素的封装，数组元素为元素名称和值组成的对。常见的数组元素：
值 含义
duration 时长
width 视频宽度
height 视频高度
videodatarate 视频码率
framerate 视频帧率
videocodecid 视频编码方式
audiosamplerate 音频采样率
audiosamplesize 音频采样精度
stereo 是否为立体声
audiocodecid 音频编码方式
filesize 文件大小
低延时网络自适应直播系统对摄像头传输的FLV格式数据流进行解析，将音频视频和其它类型的流分别缓存到不同的队列，并区分关键帧和普通帧，根据需要传输或丢弃部分数据流，保证音视频数据安全可靠传输；具体的程序如下：
本系统解析数据流中的关键帧和非关键帧，当网络状况较差时，根据帧的类型丢弃部分非关键帧，减小网络负担，保证直播时视频的实时性；具体的程序如下：
本系统采用分布式集群，可支持大量用户并发访问。
该系统采用分布式集中回源的方式以支持系统规模，增强系统并发能力与用户访问量。对跨服务器的多个用户收看相同的直播时，根据当前服务器负载分配多个服务器服务用户，并指定其中一个源服务器与摄像头设备相连，用于接收设备的数据流，源服务器再将收到的数据流分发至其它服务器，最后传到用户端。回源的过程完全由系统实现，用户端不需要指定服务器；具体的程序如下：
请参阅图6，本系统的数据流的接收与推送流程为：
(1)观看者向GSLB请求直播服务器，用于接收数据流，同时摄像头设备向GSLB请求直播服务器，用于推送数据流；
(2)GSLB返回直播服务器地址组的观看者及摄像头；
(3)观看者向直播服务器注册，通知新的观看者加入；如果直播服务器直接与摄像头设备相连，则它收到数据流后直接将数据流返回给观看者；如果直播服务器不与摄像头设备相连，它根据频道号检索该频道的源服务器地址，得到源服务器地址后，它发请求到源服务器，源服务器将数据传到用户的直播服务器，然后该服务器将数据流传回用户。
本系统并不将摄像头与用户端对应，而使用通道进行摄像头标记。对一路通道，建立一个数据流的传输通路，一个摄像头使用一路或多路通道进行采集数据。用户根据通道向服务器请求数据，服务器根据通道直播或使用回源的方式将数据传到用户。使用通道有效地将摄像头与用户实现管理层上的分享，方便服务器管理与摄像头和用户之间的连接，也易于系统规模(包括服务器，摄像头及用户端)的扩展；具体的程序如下：
服务器将接收数据流与推送数据流过程分离，并异步方式分别处理接收数据流与推送数据流的过程。对接收的数据流进行缓存，并以缓存数据队列判断网络拥塞程度。在推送数据流时根据网络拥塞程序，减少非关键帧的传输，依次将数据传至用户端。降低因网络拥塞导致的用户观看体验；具体的程序如下：
请参阅图7，本系统使用脚本智能控制安装，启动，停止及更新，无需专业人员参与，易于部署及扩充；具体的程序如下：
本系统具有以下特点：
本系统在接收数据流时，对FLV格式的数据流流进行解析，对音频、视频及其它类型的数据流进行分类处理，将关键帧与普通帧区分处理，使用户接收到的流信息更加精准。
本系统采用回源机制，用通道记录数据流与摄像头之间的关系。连接到系统的用户通过通道发出获取数据流的请求，系统会依据用户运营商，访问直播地址及直播源所在网络，当前各个服务器负载动态分配一个与用户最近的服务器。由服务器从源端直接获取或向其他服务器请求直播源数据，再传送到用户端。因此可以支持多路通道及大量用户并发访问。
本系统将数据流与通道对应，可以支持直播和录像两种功能。
本系统将接收数据流和推送数据流的操作分离，异步实现转发过程，同时对收到的数据流进行缓存，并根据推送数据流的速度判断网络状况，动态调节缓存队列大小，传输效率高，延迟小。
本系统使用脚本实现交互式自动化升级，无需专业人员参与。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种低延时网络自适应直播系统，其特征在于，包括摄像头、服务器、用户端 ；所述的摄像头和服务器的个数至少为一个，每个服务器连接一个以上的摄像头，摄像头采集数据流，并将采集到的数据流推送到服务器，服务器利用通道记录数据流与摄像头之间的关系 ；当用户端通过通道向某一服务器获取数据流时，如果该服务器中有这个通道，服务器直接将该通道所对应的摄像头采集的数据流推送到用户端进行显示，如果该服务器中没有这个通道，该服务器向其他服务器获取，并将该通道对应的数据流转发回用户端进行显示；
所述的服务器在接收数据流时，对摄像头传输的 FLV 格式的数据流进行解析，将不同类型的数据流分别缓存到不同的队列，并区分关键帧和普通帧，当网络状况较差时，根据帧的类型丢弃部分普通帧，以减小网络负担，保证数据流的安全可靠传输；所述的服务器通过对用户端的观看者队列的大小进行限制而实现网络拥塞预知功能的，如果观看者队列上溢的话，则丢弃队列中的部分普通帧，并记录丢帧情况；
所述的系统的实现方法为 ：
（1）开始 ：服务器创建一线程池，启动事件循环 ；
（2）服务器监听网络请求，当有摄像头发出推送请求时，进入步骤（3）；当有观看者通过用户端从某一通道发出直播请求时，进入步骤（4）；
（3）服务器解析摄像头的地址，维护频道列表，建立频道与线程 ID 的映射关系 ；服务器接收数据流，解析并进行缓存 ；
（4）服务器调取所述的通道对应的数据流至用户端，进行实时直播 ；服务器解析观看者的地址后，判断直播频道是否匹配，如果不匹配，服务器模拟用户的地址请求，向其他服务器发送请求 ；如果匹配，服务器根据直播频道编号而调度工作线程，读取缓存的数据流，将数据流保存至观看者队列，并实时推送给观看者，观看者通过用户端实时观看。
2.根据权利要求 1 所述的低延时网络自适应直播系统，其特征在于，所述的摄像头采集的数据流的类型包括音频和视频，其中视频类型的数据流采用的是 FLV 格式。
3.根据权利要求 1 所述的低延时网络自适应直播系统，其特征在于，所述的数据流与通道一一对应，能支持直播和录像两种功能。
4.根据权利要求 1 所述的低延时网络自适应直播系统，其特征在于，所述的系统采用分布式集群，能支持大量用户端的并发访问。
5.根据权利要求 1 所述的低延时网络自适应直播系统，其特征在于，所述的系统采用的是脚本控制方式。
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