具体描述
基本信息
书名：VBR流视频存储、I/O及传输优化
定价：29.80元
作者：谢建国
出版社：科学出版社
出版日期：2008-07-01
ISBN：9787030232403
字数：210000
页码：210
版次：1
装帧：平装
开本：大32开
商品重量：0.4kg
编辑推荐
如今，VCD、DVD作为存储光盘的视频应用，在人们的生活中已经产生了巨大影响。网络视频或网络流媒体概念提出多年，发展至今虽已陆续被应用，但仍受制于一些关键技术，这些技术包括网络技术和视频压缩技术。本书主要将注意力放在变比特率编码的存储视频在网络服务方面的一些技术和方法，从视频的磁盘存储、并发流输入/输出到网络优化传输等均有的研究。
内容提要
全书围绕VBR流视频在磁盘存储、存取服务、网络传输过程中所涉及的问题而展开研究与讨论，主要内容包括：VBR流式视频的网络I/O调度与缓冲、VBR流式视频传输中的率平滑规划、VBR视频的磁盘存储及VBR流视频磁盘I/O与平滑检索、可伸缩编码视频特性分析、可伸缩视频网络适应性传输综述、伸缩视频适应性传输算法以及视频错误传输保护比较研究等。
目录
章 变比特率编码视频
1.1 引言
1.2 视频的VBR特性
第2章 流视频并行I/O优化
2.1 多网络I/O系统模型
2.2 单网络I/O调度
2.3 多网络I/O调度
2.4 优化调度与流接纳
2.5 仿真结果及性能评价
第3章 VBR流视频的率平滑传输
3.1 概述
3.2 变比特率平滑模型
3.3 短路径问题
3.4 短路径率平滑传输算法
3.5 快速传输率平滑算法
3.6 实验结果
3.7 其他存储视频率平滑算法
第4章 基于网络特性的率平滑算法
4.1 异步传输的率平滑算法
4.2 残余带宽下的视频传输算法
第5章 流视频实时率平滑
5.1 优化的实时率平滑模型
5.2 优化的实时率平滑算法
5.3 相关研究的比较
5.4 实验结果与比较
第6章 流视频的存储优化
6.1 视频存储技术的发展
6.2 单磁盘接纳计算模型
6.3 MZ单磁盘存储策略
6.4 MZ磁盘组存储策略
第7章 磁盘I/O率平滑
7.1 二次率平滑算法
7.2 磁盘I/O率平滑模型
7.3 基于分块的率平滑调度算法
7.4 磁盘I/O的On-Off调度
7.5 率平滑检索算法
第8章 流视频适应性传输概论
8.1 流视频的应用研究
8.2 视频编码与传输
8.3 流技术面临的挑战
第9章 可伸缩流视频VBR特性
9.1 分层扩展性编码
9.2 先进的可扩展性编码
9.3 FGS编码的比特率特性
9.4 FGS编码的质量特性
0章 流视频带宽适应性传输算法
10.1 引言
10.2 前期基础
10.3 问题描述
10.4 带宽适应性传输算法
10.5 算法性能分析
10.6 实验结果与讨论
1章 流视频传输错误保护
11.1 丢包信道错误保护算法
11.2 无记忆误码信道错误保护算法
参考文献
作者介绍
文摘
序言
《高效视讯处理：流媒体存储、数据流优化与传输技术解析》 内容概要 本书深入探讨了现代视讯处理领域中至关重要的三个环节：流媒体的存储、I/O（输入/输出）操作以及传输优化。随着高清、超高清乃至更高分辨率视频内容的爆炸式增长，以及实时互动应用（如在线直播、远程协作、VR/AR体验）的普及，如何高效、稳定、低延迟地处理和传输海量视讯数据，已成为一个核心的技术挑战。本书旨在为读者提供一套系统性的理论框架和实用的技术解决方案，帮助开发者、系统架构师、网络工程师以及对视讯技术感兴趣的研究人员，在面对日益复杂的视讯应用场景时，能够设计出更具竞争力、更优化的系统。 本书内容覆盖了从底层的存储介质选择、文件系统优化，到中层的I/O调度策略、数据缓冲机制，再到顶层的网络传输协议、拥塞控制算法，以及面向具体应用场景的整体架构设计。全书以科学严谨的态度，结合前沿的研究成果和工程实践经验，对每一个技术点都进行了细致的剖析和深入的阐述。 第一部分：流媒体存储机制与性能优化 本部分着重于视讯数据在存储介质上的高效管理和存取。我们将从以下几个方面展开： 1. 存储介质的选择与特性分析： HDD vs. SSD vs. NVMe： 详细分析传统机械硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）以及基于PCIe接口的新一代NVMe SSD在读写速度、随机访问性能、延迟、耐用性、功耗以及成本等方面的差异。结合视讯数据的读写模式（顺序读写为主，但伴随一定的随机访问），探讨不同介质在不同视讯应用场景下的适用性。 云存储与分布式存储： 介绍对象存储（如Amazon S3、Azure Blob Storage）、块存储（如EBS、Azure Disk Storage）以及分布式文件系统（如HDFS、Ceph）的架构、特点和优劣。分析它们如何支持大规模视讯数据的存储，以及在可用性、持久性、可扩展性方面提供的保障。 新兴存储技术： 简要提及内存存储（In-Memory Storage）、持久性内存（Persistent Memory）等技术在加速视讯处理流程中的潜力。 2. 文件系统与数据组织： 文件系统的选择： 讨论ext4、XFS、NTFS等主流文件系统在视讯存储中的性能表现。重点分析文件系统的日志记录、块分配策略、缓存机制等如何影响视讯数据的读写效率。 视讯数据组织策略： 提出针对视讯流特性的数据组织方式，例如分块存储（Chunking）、按时间段分片（Time-based Sharding）、索引与元数据管理。探讨如何通过合理的数据布局，最大化顺序读写的优势，减少碎片化。 压缩与编码对存储的影响： 分析不同的视讯编码格式（如H.264, H.265, VP9, AV1）及其编码参数（如 GOP结构、帧率、比特率）对存储容量和读写负载的影响。探讨在存储端进行适度预压缩或使用特定的存储格式（如Parquet、ORC在结构化数据中的应用，虽然视讯是非结构化，但其思想可借鉴）的可能性。 3. 存储性能基准测试与调优： 关键性能指标： 定义并讲解吞吐量（Throughput）、IOPS（Input/Output Operations Per Second）、延迟（Latency）、响应时间（Response Time）等衡量存储性能的核心指标。 测试工具与方法： 介绍fio、iozone等业界常用的存储性能测试工具，并指导读者如何根据视讯应用的特点（如读多写少、写多读少、混合读写、大数据块、小数据块）设计合理的测试场景。 操作系统与硬件调优： 讲解Linux等操作系统中与存储相关的参数调优，如文件系统挂载选项、页面缓存大小、I/O调度器（如noop, deadline, cfq）的选择，以及RAID配置、磁盘阵列的条带化（striping）和镜像（mirroring）策略。 第二部分：高效I/O处理与数据流优化 本部分将聚焦于数据在内存与存储、内存与CPU之间的高效传输与处理。 1. I/O模型与异步编程： 阻塞式I/O vs. 非阻塞式I/O： 详细解释两种I/O模式的区别，以及它们在视讯处理中的性能影响。 多路复用I/O（Multiplexing I/O）： 介绍select, poll, epoll等机制，以及它们如何实现高效的并发I/O处理，特别是在处理大量并发连接（如直播服务器）的场景下。 异步I/O（Asynchronous I/O, AIO）： 深入探讨Linux AIO、io_uring等更高级的异步I/O模型，以及它们如何通过内核级别的支持，进一步降低CPU开销，提高I/O吞吐量，减少延迟。 基于事件驱动的架构： 阐述如何设计以事件为中心，利用回调函数或协程（Coroutines）来处理I/O事件，从而构建响应迅速、资源利用率高的视讯处理服务。 2. 数据缓冲与内存管理： 缓存策略： 分析操作系统级别的页面缓存（Page Cache）、用户空间应用级别的缓冲区（Buffer）设计。讨论固定大小缓冲区、可变大小缓冲区、环形缓冲区（Ring Buffer）等数据结构的优劣。 零拷贝（Zero-Copy）技术： 深入讲解sendfile()、splice()等零拷贝系统调用。解释它们如何避免数据在用户空间和内核空间之间不必要的复制，从而显著提升I/O性能，降低CPU负载，特别适用于文件传输和网络I/O。 内存映射（Memory Mapping, mmap）： 介绍mmap()的使用场景，以及它如何将文件内容直接映射到进程的地址空间，实现文件数据的直接访问，避免read/write的开销，对视讯流的快速访问非常有益。 高效内存分配： 讨论内存池（Memory Pool）、对象池（Object Pool）等技术，用于减少频繁的内存分配和释放带来的开销，以及内存碎片问题。 3. 数据预取与流式处理： 预取（Prefetching）机制： 分析视讯数据的局部性（Locality）特点，设计智能的预取策略，如基于时间序列的预取、基于用户行为的预取，以确保所需数据在到达使用点之前已经加载到内存或缓存中。 流式处理（Stream Processing）架构： 阐述如何将视讯处理分解为一系列连续的数据流操作，利用管道（Pipeline）或数据流图（Dataflow Graph）来组织处理流程。讨论如何在管道中加入缓冲，以平衡各处理阶段的速率差异。 生产者-消费者模型（Producer-Consumer Model）： 讲解使用多线程或多进程实现生产者-消费者模型，生产者负责数据的读取或生成，消费者负责数据的处理或发送。通过共享缓冲区和同步机制，实现高效的并发处理。 第三部分：视讯传输优化与网络协议 本部分将重点关注视讯数据在网络中的高效、可靠、低延迟传输。 1. 视讯传输协议分析： TCP vs. UDP： 深入比较TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）的特点。分析TCP的可靠性、有序性、拥塞控制机制，以及它在视讯传输中的优势（如文件传输）和劣势（如高延迟）。讲解UDP的无连接、不可靠、低开销特点，以及它在实时视讯（如直播、视频会议）中的广泛应用，并介绍如何基于UDP实现可靠性。 RTP/RTCP： 详细介绍实时传输协议（RTP）的帧封装、序列号、时间戳等机制，用于保证视讯数据的实时性。讲解RTCP（RTP控制协议）如何提供服务质量（QoS）反馈、同步控制和参与者管理。 HTTP流媒体协议： 分析HTTP Live Streaming (HLS) 和 MPEG-DASH（动态自适应流）等协议。讲解它们如何将连续的视讯流分割成小块，并通过HTTP进行传输，具备良好的跨平台兼容性和易部署性。讨论它们在自适应比特率（ABR）技术中的作用。 QUIC协议： 介绍QUIC（Quick UDP Internet Connections）协议，它基于UDP，结合了TCP的许多优势，如多路复用、连接迁移、快速握手，以及内置的拥塞控制和安全性（TLS 1.3）。分析QUIC在改善视讯传输延迟和性能方面的潜力。 2. 拥塞控制与速率调整： 拥塞控制算法： 讲解TCP的经典拥塞控制算法，如Tahoe, Reno, NewReno, CUBIC。分析它们如何通过慢启动、拥塞避免、快重传、快恢复等阶段来感知网络拥塞并调整发送速率。 视讯流的拥塞控制： 讨论针对视讯流特点（如带宽敏感性、对延迟的容忍度）设计的拥塞控制策略，例如Rate-Distortion Optimization（RDO）与拥塞控制的结合，以及基于码率的反馈（Rate-based Feedback）机制。 自适应比特率（ABR）： 详细阐述ABR技术，包括分块编码、多比特率流生成、客户端/服务器端ABR算法。分析客户端如何根据网络状况动态选择最合适的视讯流，以获得流畅的观看体验。 3. 网络优化技术： CDN（Content Delivery Network）： 讲解CDN的工作原理，如何通过分布式缓存节点，将视讯内容就近分发给用户，显著降低延迟，提高访问速度，并减轻源服务器的压力。 QoS（Quality of Service）与QoE（Quality of Experience）： 讨论如何通过网络层面的QoS策略（如流量整形、包优先排序）来保障视讯数据的传输质量。同时，强调最终用户感受到的QoE才是衡量视讯服务成功的关键。 低延迟传输技术： 介绍针对低延迟场景的优化，如使用UDP+RTP，优化网络路径，减少中间节点的处理延迟，甚至探索WebRTC等实时通信技术。 负载均衡与容错： 探讨如何利用负载均衡技术，将视讯请求分发到多个服务器，提高系统的吞吐量和可用性。讲解容错机制，如主备切换、数据冗余，以应对单点故障。 第四部分：架构设计与应用实践 本部分将整合前述的理论知识，讨论如何构建一个完整的、高性能的视讯处理系统。 1. 整体系统架构设计： 微服务架构在视讯处理中的应用： 讨论如何将庞大的视讯处理流程拆分成独立的、可伸缩的微服务，如摄流服务、转码服务、存储服务、分发服务、用户管理服务等。 云原生视讯处理： 探讨如何利用容器化（Docker）、编排（Kubernetes）以及Serverless计算等云原生技术，实现视讯应用的弹性伸缩、高可用性和自动化运维。 实时与离线处理的权衡： 分析不同应用场景对实时性和离线处理的需求，以及如何设计能够同时支持两种模式的系统。 2. 面向特定场景的优化： 直播平台架构： 针对低延迟、高并发的直播场景，设计从采集、编码、传输、分发到播放的全链路优化方案。 点播系统优化： 讨论如何通过CDN、智能缓存、多分辨率编码，以及高效的播放器端缓冲管理，来提升点播的用户体验。 视频会议与实时通信： 阐述WebRTC等技术栈，以及如何针对低延迟、双向实时传输进行网络优化和算法改进。 VR/AR视讯处理： 探讨如何处理高分辨率、高帧率、多视角甚至360度视讯，以及如何利用边缘计算降低延迟，提升沉浸感。 3. 性能监控与故障排查： 关键性能指标（KPIs）： 识别视讯系统中需要重点监控的KPIs，如端到端延迟、卡顿率、播放成功率、吞吐量、CPU/内存/网络利用率等。 监控工具与实践： 介绍Prometheus, Grafana, ELK Stack等监控和日志分析工具，以及如何构建全面的视讯系统监控体系。 故障排除流程： 建立系统性的故障排查流程，从网络、服务器、应用层逐级定位问题，并提供相应的解决方案。 目标读者 本书适合于： 软件开发工程师： 尤其是从事音视频处理、流媒体服务、网络通信、后端服务开发等领域的工程师。 系统架构师： 希望设计和优化大规模、高性能视讯处理系统的架构师。 网络工程师： 负责部署和维护视讯传输网络的工程师。 数据科学家与研究人员： 对视讯处理技术、高性能计算、网络优化感兴趣的研究者。 对视讯技术有深入了解需求的从业者和爱好者。 本书特点 理论与实践相结合： 既有深入的理论分析，也提供了大量实际的工程案例和调优技巧。 系统性全面： 覆盖了视讯流从存储到传输的全生命周期优化。 前沿技术跟踪： 关注最新的存储技术、网络协议和视讯处理范式。 清晰的逻辑结构： 章节之间层层递进，方便读者循序渐进地学习。 实用性强： 旨在解决实际工作中遇到的性能瓶颈和技术难题。 通过阅读本书，读者将能够深刻理解视讯流处理中的关键技术挑战，并掌握一套系统性的方法论，从而构建出更强大、更高效、更可靠的视讯处理系统，在快速发展的视讯技术领域保持领先地位。
