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摘要：介绍了Darwin streaming server(DSS)源码的架构和核心流程；详细分析了Darwin streaming server的关键技术：媒体封包和流量控制；最后给出了Darwin streaming server的应用实例。
关键词：RTP；流媒体；Darwin Streaming Server(DSS)
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)35-2118-02
Research and Application of the Darwin Streaming Server
WANG Zhi-gang,ZHOU Nan,GAO Qing
(School of Computer Science & Technology, Soochow University,Suzhou 215006,China)
Abstract:This paper introduces the architecture and the core flow of the Darwin streaming server(DSS) source code, then discusses the key technology in detail :Media Data Packetization and Flow Control, at last it shows an example Applications of DSS.
Key words: RTP; streaming media; darwin streaming Server (DSS)
1 引言
作为新一代互联网应用的标志, 流媒体技术在近几年得到了飞速的发展, 并且广泛应用于远程教育、网络监控、视频点播等系统之中。目前在流式媒体领域，有三种占有主导地位的产品，它们分别是Apple公司的Quick Time、Microsoft公司的Media Server以及Real公司的Real System。Darwin Streaming Server（简称DSS）是QuickTime Streaming Server开放式源代码的版本，同时支持FreeBSD、Linux、Solaris、Windows NT和Windows 2000等多个操作系统，是当前所有同类产品中支持平台最多的一个。
2 Darwin流化服务器介绍
Darwin Streaming Server（简称DSS）是QuickTime Streaming Server开放式源代码的版本，目前最新的版本是6.0.3。DSS源代码完全采用标准C++语言写成，编程风格非常优秀，每一个C++类都对应着一对和类同名的.h/.cpp文件。整个服务器包括多个子系统，分别存放在独立的工程内，其中，最为重要的是基础功能类库（Common Utilities Lib）和流化服务器（Streaming Server）两个工程。表1给出了这个两个模块的具体功能。
表1 DSS 程序模块架构分类及功能
3 Server程序详细分析
整个DSS的运行是以模块（Module）为基础，以角色（Role）来分类各项任务的（Task），每一个角色都是为完成某一特定的任务而设定的。当客户端提出请求时，DSS会根据该请求属于哪一个角色来启动适当的模块。如前所述，Server Core 主要分三大模組：Server Core，RTSP subsystem 及RTP subsystem。Server从开始到结束整个流程也大概分为这三个部分。
3.1 Server Core（Startup & Shutdown）
图2 为程序启动与结束时的流程图。服务器在启动的时候，会首先装载没有被编译到服务器里面的模块（即动态模块），然后再装载编译为服务器一部分的模块（即静态模块）。在模块装载完成之后，服务器会调用每个QTSS模块的Register（注册）角色，每个模块都必须支持这个角色。在Register角色中，模块会调用QTSS_AddRole函数来指定自己支持的其它角色。接下来服务器就以Initialize（初始化）角色调用每一个注册支持该角色的模块。Initialize角色执行模块所需要的任何初始化任务，比如分配内存和初始化全局的数据结构。然后进入聆听(Listen)的状态接收客户端的RTSP 请求。
3.2 RTSP 子系统
在服务器调用所有注册了Initialize角色的模块之后，就已经为接收来自客户端的请求做好准备了，这些请求就是RTSP请求。当服务器收到一个RTSP请求时，就会创建一个RTSP请求对象，接着服务器会根据预先定义好的顺序，调用各个模块的相关角色，如图3所示。在处理RTSP请求的时候，服务器调用的第一个角色是RTSP Filter（过滤器）角色。之后，服务器就会对请求进行解析。RTSP请求解析完成之后，服务器会以RTSP Route（路由）角色调用所有注册了该角色的模块，并传入一个RTSP对象。在调用了所有RTSP Route角色之后，服务器就会以RTSP Preprocessor角色调用每个注册了该角色的模块。如果请求的类型互相匹配，则RTSP Preprocessor角色就调用QTSS_Write或者QTSS_WriteV函数来向客户发送数据，对客户端进行响应。如果没有RTSP Preprocessor角色对RTSP的请求进行响应，则服务器就以RTSP Request（请求）角色调用成功注册了该角色的模块（第一个注册RTSP Request角色的模块，是唯一一个可以注册RTSP Request角色的模块）。RTSP Request角色负责响应所有没有被RTSP Preprocessor角色（的模块）处理过的RTSP请求。RTSP Request角色对请求进行处理之后，服务器就调用注册了RTSP Postprocessor角色的模块。处理RTSP Preprocessor或者RTSP Request角色的模块可能需要为特定的客户会话生成一些媒体数据。如果这样的话，模块可以通过调用QTSS_Play函数来实现，这个函数会使模块的RTP Send Packets（RTP发送数据包）角色被调用，即进入RTP子系统。
3.3 RTP子系统
RTP subsystem 主要包括RTP 封包传送及RTCP串流控制两部份。在封包传送方面，RTP Send Packets角色调用QTSS_Write或者QTSS_WriteV函数，在RTP会话的基础上向客户发送数据。当RTP Send Packets角色发送完成一些数据包之后，就会把控制权返回给服务器，并指定服务器下次调用模块的RTP Send Packets角色的间隔时间。这个周期会一直重复，直到所有的媒体数据包被发送完成，或者由于客户请求的原因需要暂停或中止客户会话为止。在串流控制方面，当Server 接收到RTCP 封包时会先判定此RTCP 封包属于哪一种，根据封包的种类，Server 会呼叫相应的模块进行处理。
4 服务器关键技术研究
在了解了DSS整个运行流程的基础上，本文主要研究了下面两个重点：DSS对媒体资料的封包的算法和服务器端如何控制流量。这两者的目的都是在使得客户端的播放能够清晰流畅。
4.1 媒体封包切割（Media Data Packetization）
在封包切割前，我们必须得到以下的几个信息：
1) 在单一RTP 封包中能容纳的最大QuickTime 媒体数据尺寸(Maxima QT Media Data Size, MQD)
2) 此种媒体数据其所有取样(Sample)尺寸是否固定？(Constant QT Sample Size, CQS)
3) 此种媒体数据其所有取样的持续期间(Duration)是否固定？(Constant QT Duration , CQD)
4) 当所有取样尺寸固定时其取样尺寸为多少？(Constant Sample Size, CSS)
5) 当取样尺寸不固定时其某一个取样的大小(Sample Size, SS)
根据以上的信息，DSS 采用三种封包切割方式：
1) (CQS=true)and(CQD=true)and(CSS<=0.5 * MQD)把多个取样封装成一个RTP 封包，同时每个RTP标头中M 字段设为1，QT 标头中的PCK 字段也设为1。(RTP 标头中M 字段设为1，表示此为某一取样的最后一个封包；QT 标头的PCK字段表示该封包切割所采用的方式。)
2) ((CQS=false)or(CQD=false))and(SS<=05 * MQD)数个取样封装成一个RTP 封包，同时此一RTP封包标头的M 字段设为1，QT 标头中PCK 栏位设为2。
3) 不符合(1)和(2)的情况时，采用之。单一的取样被封装成一个或数个RTP 封包中，同时最后一个属于该取样的RTP 封包之M字段设为1，其它设为0；QT 标头PCK 字段设为3。由于客户端必须以一个取样为单位进行封包重组，因此根据RTP 的M 字段及QT 的PCK 字段，可以知道此一封包所采用的分割方式，同时采取相应的封包重组方法。另外在处理某一封包遗失时，也可以快速决定是否该丢弃与其相关的封包，增进客户端的效率。
4.2 流量控制(Flow Control)
DSS 利用客户端传送回来的RTCP 封包信息以及变量“Quality level”来达成流量控制的机制。这些信息包括“Loss Rate”，“Getting better”以及“Getting worse”消息。
1) 封包遗失率(Loss Rate)：
如果客户端的RTCP 回报中封包遗失率连续数次大于某一数值(此值为一百分比定值，由程序给定，称SLossThinTolerance)，则将ratchetless 设为True，表示需要调降传输速度。如果RTCP 回报中封包遗失率连续数次小于某一数值(此为一百分比定值，称为SLossThickTolerance)，则将ratchetmore 设为True。
2)“Getting Worse”及“Getting Better”：如果客户端的RTCP 发出“Getting Worse”的消息，则直接将ratchetless 设为True。如果客户端的RTCP 发出“Getting Better”的消息，则直接将ratchetmore 设为True。由ratchetless 或ratchetmore 的设定，可以调整QualityLevel 的数值。DSS 根据QualityLevel 的数值大小来决定传输速度的快或慢，进而达到一部份的流量控制的目的。
5 DSS应用实例
作为一个运行于多个操作系统平台的开发源代码的服务器，其不但功能强大、易于操作，而且DSS还提供了一种称为Module的二次开发接口。使用这个开发接口，我们可以充分利用服务器的可扩展性及其实现的多种协议，并且能够保证和将来版本兼容。这样就可以分为两种用途：直接使用和二次开发使用。
5.1 直接使用DSS
作为一个具有工业强度的产品，DSS完全可以直接用在我们项目中，例如，利用Vara software公司的Wirecast可以采集USB Camer实时的影音图像，然后通过简单的设置后发送给DSS，通过DSS传送出去，这样就可以建立我们的实时影音服务器。同时，如果存在大量客户端，我们可以利用DSS的中继功能通过简单的增加PC机的数量来满足我们的需求，简单快捷，成本也并非一定高于找开发人员开发程序。
5.2 二次开发使用
我们可以利用DSS作为平台进行二次开发，如增加对媒体格式的支持，增加客户身份认证，增加对媒体内容的管理等模块，使DSS成为一个符合实际需求的实用系统。抱此目的的读者在掌握DSS整体流程的基础上，应着重于其二次开发平台（如Module）以及底层文件和媒体格式支持库的研究。
6 结束语
作为三大主要流式媒体应用中唯一一个开放源代码的产品，DSS让开发人员能够从最底层研究流式媒体技术，事实上，当前国内外许多公司正是在DSS的基础上开发了自己的流式媒体相关产品，而且通过研究DSS, 我们学习到了高级网络编程（Socket）、多线程之间的通信、任务调度、系统资源（CPU、磁盘等）的合理利用以及用于流式媒体的多个标准协议（RTP/RTCP、RTSP、SDP）的具体实现等等。这也是我们研究源码的意义所在。
参考文献：
[1] Apple Computer Inc. QTSS Modules Programming Guide, 2006.
[2] Sven Hessler, Michael Welzl. An Empirical Study of the Congestion Response of RealPlayer, Windows Media Player and QuickTime. IEEE. 2005.
[3] 黄拔峰,钟明,杨传均,张家钰.Darwin Streaming Server的研究与应用[J].计算机工程,2004(10):134-135.
关键词：RTP；流媒体；Darwin Streaming Server(DSS)
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)35-2118-02
Research and Application of the Darwin Streaming Server
WANG Zhi-gang,ZHOU Nan,GAO Qing
(School of Computer Science & Technology, Soochow University,Suzhou 215006,China)
Abstract:This paper introduces the architecture and the core flow of the Darwin streaming server(DSS) source code, then discusses the key technology in detail :Media Data Packetization and Flow Control, at last it shows an example Applications of DSS.
Key words: RTP; streaming media; darwin streaming Server (DSS)
1 引言
作为新一代互联网应用的标志, 流媒体技术在近几年得到了飞速的发展, 并且广泛应用于远程教育、网络监控、视频点播等系统之中。目前在流式媒体领域，有三种占有主导地位的产品，它们分别是Apple公司的Quick Time、Microsoft公司的Media Server以及Real公司的Real System。Darwin Streaming Server（简称DSS）是QuickTime Streaming Server开放式源代码的版本，同时支持FreeBSD、Linux、Solaris、Windows NT和Windows 2000等多个操作系统，是当前所有同类产品中支持平台最多的一个。
2 Darwin流化服务器介绍
Darwin Streaming Server（简称DSS）是QuickTime Streaming Server开放式源代码的版本，目前最新的版本是6.0.3。DSS源代码完全采用标准C++语言写成，编程风格非常优秀，每一个C++类都对应着一对和类同名的.h/.cpp文件。整个服务器包括多个子系统，分别存放在独立的工程内，其中，最为重要的是基础功能类库（Common Utilities Lib）和流化服务器（Streaming Server）两个工程。表1给出了这个两个模块的具体功能。
表1 DSS 程序模块架构分类及功能
3 Server程序详细分析
整个DSS的运行是以模块（Module）为基础，以角色（Role）来分类各项任务的（Task），每一个角色都是为完成某一特定的任务而设定的。当客户端提出请求时，DSS会根据该请求属于哪一个角色来启动适当的模块。如前所述，Server Core 主要分三大模組：Server Core，RTSP subsystem 及RTP subsystem。Server从开始到结束整个流程也大概分为这三个部分。
3.1 Server Core（Startup & Shutdown）
图2 为程序启动与结束时的流程图。服务器在启动的时候，会首先装载没有被编译到服务器里面的模块（即动态模块），然后再装载编译为服务器一部分的模块（即静态模块）。在模块装载完成之后，服务器会调用每个QTSS模块的Register（注册）角色，每个模块都必须支持这个角色。在Register角色中，模块会调用QTSS_AddRole函数来指定自己支持的其它角色。接下来服务器就以Initialize（初始化）角色调用每一个注册支持该角色的模块。Initialize角色执行模块所需要的任何初始化任务，比如分配内存和初始化全局的数据结构。然后进入聆听(Listen)的状态接收客户端的RTSP 请求。
3.2 RTSP 子系统
在服务器调用所有注册了Initialize角色的模块之后，就已经为接收来自客户端的请求做好准备了，这些请求就是RTSP请求。当服务器收到一个RTSP请求时，就会创建一个RTSP请求对象，接着服务器会根据预先定义好的顺序，调用各个模块的相关角色，如图3所示。在处理RTSP请求的时候，服务器调用的第一个角色是RTSP Filter（过滤器）角色。之后，服务器就会对请求进行解析。RTSP请求解析完成之后，服务器会以RTSP Route（路由）角色调用所有注册了该角色的模块，并传入一个RTSP对象。在调用了所有RTSP Route角色之后，服务器就会以RTSP Preprocessor角色调用每个注册了该角色的模块。如果请求的类型互相匹配，则RTSP Preprocessor角色就调用QTSS_Write或者QTSS_WriteV函数来向客户发送数据，对客户端进行响应。如果没有RTSP Preprocessor角色对RTSP的请求进行响应，则服务器就以RTSP Request（请求）角色调用成功注册了该角色的模块（第一个注册RTSP Request角色的模块，是唯一一个可以注册RTSP Request角色的模块）。RTSP Request角色负责响应所有没有被RTSP Preprocessor角色（的模块）处理过的RTSP请求。RTSP Request角色对请求进行处理之后，服务器就调用注册了RTSP Postprocessor角色的模块。处理RTSP Preprocessor或者RTSP Request角色的模块可能需要为特定的客户会话生成一些媒体数据。如果这样的话，模块可以通过调用QTSS_Play函数来实现，这个函数会使模块的RTP Send Packets（RTP发送数据包）角色被调用，即进入RTP子系统。
3.3 RTP子系统
RTP subsystem 主要包括RTP 封包传送及RTCP串流控制两部份。在封包传送方面，RTP Send Packets角色调用QTSS_Write或者QTSS_WriteV函数，在RTP会话的基础上向客户发送数据。当RTP Send Packets角色发送完成一些数据包之后，就会把控制权返回给服务器，并指定服务器下次调用模块的RTP Send Packets角色的间隔时间。这个周期会一直重复，直到所有的媒体数据包被发送完成，或者由于客户请求的原因需要暂停或中止客户会话为止。在串流控制方面，当Server 接收到RTCP 封包时会先判定此RTCP 封包属于哪一种，根据封包的种类，Server 会呼叫相应的模块进行处理。
4 服务器关键技术研究
在了解了DSS整个运行流程的基础上，本文主要研究了下面两个重点：DSS对媒体资料的封包的算法和服务器端如何控制流量。这两者的目的都是在使得客户端的播放能够清晰流畅。
4.1 媒体封包切割（Media Data Packetization）
在封包切割前，我们必须得到以下的几个信息：
1) 在单一RTP 封包中能容纳的最大QuickTime 媒体数据尺寸(Maxima QT Media Data Size, MQD)
2) 此种媒体数据其所有取样(Sample)尺寸是否固定？(Constant QT Sample Size, CQS)
3) 此种媒体数据其所有取样的持续期间(Duration)是否固定？(Constant QT Duration , CQD)
4) 当所有取样尺寸固定时其取样尺寸为多少？(Constant Sample Size, CSS)
5) 当取样尺寸不固定时其某一个取样的大小(Sample Size, SS)
根据以上的信息，DSS 采用三种封包切割方式：
1) (CQS=true)and(CQD=true)and(CSS<=0.5 * MQD)把多个取样封装成一个RTP 封包，同时每个RTP标头中M 字段设为1，QT 标头中的PCK 字段也设为1。(RTP 标头中M 字段设为1，表示此为某一取样的最后一个封包；QT 标头的PCK字段表示该封包切割所采用的方式。)
2) ((CQS=false)or(CQD=false))and(SS<=05 * MQD)数个取样封装成一个RTP 封包，同时此一RTP封包标头的M 字段设为1，QT 标头中PCK 栏位设为2。
3) 不符合(1)和(2)的情况时，采用之。单一的取样被封装成一个或数个RTP 封包中，同时最后一个属于该取样的RTP 封包之M字段设为1，其它设为0；QT 标头PCK 字段设为3。由于客户端必须以一个取样为单位进行封包重组，因此根据RTP 的M 字段及QT 的PCK 字段，可以知道此一封包所采用的分割方式，同时采取相应的封包重组方法。另外在处理某一封包遗失时，也可以快速决定是否该丢弃与其相关的封包，增进客户端的效率。
4.2 流量控制(Flow Control)
DSS 利用客户端传送回来的RTCP 封包信息以及变量“Quality level”来达成流量控制的机制。这些信息包括“Loss Rate”，“Getting better”以及“Getting worse”消息。
1) 封包遗失率(Loss Rate)：
如果客户端的RTCP 回报中封包遗失率连续数次大于某一数值(此值为一百分比定值，由程序给定，称SLossThinTolerance)，则将ratchetless 设为True，表示需要调降传输速度。如果RTCP 回报中封包遗失率连续数次小于某一数值(此为一百分比定值，称为SLossThickTolerance)，则将ratchetmore 设为True。
2)“Getting Worse”及“Getting Better”：如果客户端的RTCP 发出“Getting Worse”的消息，则直接将ratchetless 设为True。如果客户端的RTCP 发出“Getting Better”的消息，则直接将ratchetmore 设为True。由ratchetless 或ratchetmore 的设定，可以调整QualityLevel 的数值。DSS 根据QualityLevel 的数值大小来决定传输速度的快或慢，进而达到一部份的流量控制的目的。
5 DSS应用实例
作为一个运行于多个操作系统平台的开发源代码的服务器，其不但功能强大、易于操作，而且DSS还提供了一种称为Module的二次开发接口。使用这个开发接口，我们可以充分利用服务器的可扩展性及其实现的多种协议，并且能够保证和将来版本兼容。这样就可以分为两种用途：直接使用和二次开发使用。
5.1 直接使用DSS
作为一个具有工业强度的产品，DSS完全可以直接用在我们项目中，例如，利用Vara software公司的Wirecast可以采集USB Camer实时的影音图像，然后通过简单的设置后发送给DSS，通过DSS传送出去，这样就可以建立我们的实时影音服务器。同时，如果存在大量客户端，我们可以利用DSS的中继功能通过简单的增加PC机的数量来满足我们的需求，简单快捷，成本也并非一定高于找开发人员开发程序。
5.2 二次开发使用
我们可以利用DSS作为平台进行二次开发，如增加对媒体格式的支持，增加客户身份认证，增加对媒体内容的管理等模块，使DSS成为一个符合实际需求的实用系统。抱此目的的读者在掌握DSS整体流程的基础上，应着重于其二次开发平台（如Module）以及底层文件和媒体格式支持库的研究。
6 结束语
作为三大主要流式媒体应用中唯一一个开放源代码的产品，DSS让开发人员能够从最底层研究流式媒体技术，事实上，当前国内外许多公司正是在DSS的基础上开发了自己的流式媒体相关产品，而且通过研究DSS, 我们学习到了高级网络编程（Socket）、多线程之间的通信、任务调度、系统资源（CPU、磁盘等）的合理利用以及用于流式媒体的多个标准协议（RTP/RTCP、RTSP、SDP）的具体实现等等。这也是我们研究源码的意义所在。
参考文献：
[1] Apple Computer Inc. QTSS Modules Programming Guide, 2006.
[2] Sven Hessler, Michael Welzl. An Empirical Study of the Congestion Response of RealPlayer, Windows Media Player and QuickTime. IEEE. 2005.
[3] 黄拔峰,钟明,杨传均,张家钰.Darwin Streaming Server的研究与应用[J].计算机工程,2004(10):134-135.