关键词 流媒体；OGG文件格式；流服务器效率
1 引言
流媒体是指在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体，如音频、视频等多媒体文件。文件格式和传输协议是流媒体应用的主要技术。从不同的角度看，流媒体数据有三种格式：压缩格式、文件格式、发布格式。其中压缩格式描述了流媒体文件中媒体数据的编码、解码方式；流媒体文件格式是指服务器端待传输的流媒体组织形式，文件格式为数据交换提供了标准化的方式；流媒体发布格式是一种呈现给客户端的媒体安排方式。本文所讨论的格式是指第二种：流媒体文件格式。特别地分析了一种开源流媒体文件格式：Ogg。它是美国xiph.org基金会开发的开源流媒体工程的一个子项目，它是应其开源音/视频媒体压缩编码格式Vorbis/Theora等的存储与传输需要而设计的。
本文在研究和分析已有流媒体系统的基础上，结合在研发新的流媒体系统中的经验和教训，对流媒体文件格式做系统和深入的剖析，旨在深入理解流媒体系统和找到提高流媒体系统工作效率的方法。
2 流媒体文件格式分析
2.1 文件格式在流媒体系统中的重要性
一个简化的流媒体系统由流媒体服务器、客户端和传输网络组成，流媒体系统的核心是流媒体服务器。随着流媒体技术研究的深入和流媒体应用的扩展，如何提高流媒体系统的工作效率，主要指标体现为如何提高服务器并发媒体流的数量，这是一个被广泛关注的课题。它取决于服务器处理每个流的效率，决定了一个服务器能够同时为多少客户服务，其成果不但具有理论价值，更具有极大的经济价值。
图1的圆圈内标出了影响流媒体系统性能的一些主要因素。如果对其中每个因素仔细分析判断，可以发现对于一个现有的流媒体服务器而言，能有效提高其效率的手段并不多。例如：提升客户端、服务器端的硬件配置，只能获得性能提高，工作效率没有得到提高；实时传输、控制协议是人们经过多年的大量应用实践总结，由IETF因特网工程任务组确认的媒体流传输共同标准，是必须遵守的标准，是无法轻易改变的；节目源的质量、压缩方式等因素对于服务器而言是不可预知或者是不可控制的。那么在这些客观因素无法改变的情况下，优化流媒体文件格式为提高流媒体服务器的工作效率提供了可能。
流媒体文件格式能够对服务器的工作效率产生影响是由流服务器工作方式的特点决定的。流服务器的主要工作任务是通过直播或点播的方式向用户提供流媒体内容，它输入磁盘上存储的流媒体文件，然后进行实时传输协议封装后再通过 IP网络输出给客户端。简言之，其工作流程为3 步：读取、封装、发送。由于每发送一个媒体流都需要启动一个流程，并且所有流程都需要实时进行，可见当一个流服务器并发几千个流时，每个流程工作效率的细小区别都会对服务器工作效率造成很大的影响。
图1 简化的流媒体系统结构及其影响因素
每个工作流程的输入是流媒体文件，输出是媒体数据包。输入、输出数据的内容是没有改变的，都是多媒体压缩码流，两者之间只有格式的不同，所以从数据流角度来看，服务器的主要工作其实是一个格式转换的过程。由于媒体数据包的格式是由传输协议事先确定的，那么流媒体文件格式是否能够方便服务器读取、封装就决定了服务器的工作量。
2.2 流媒体文件格式的分析与比较
流媒体文件在流媒体系统中具有重要地位，文献[2]分析了具有代表性的QuickTime电影文件(mov)和 Microsoft Media Server的电影文件（asf），对其文件格式和相关环节做了深入剖析。发现这些文件格式对服务器工作效率存在如下负面影响：
(1)磁盘控制器访问吞吐量低。每次封装一个媒体数据包需要读取一帧数据,一般每帧大小为1K左右,每秒需要25帧,这造成对磁盘频繁访问,吞吐量低。
(2)对于QuickTime Mov文件格式,媒体数据没有经过预处理,服务器每发一个包都需要从hint轨中获得打包时需要的相关参数,实时读取媒体数据、封装、发送,对CPU占用率很大。
(3)对于Microsoft Asf文件格式,媒体数据在Packet中时已经是mms包的半成品,服务器节省了截取媒体流的时间,但仍然需要服务器选择媒体流来组织mms包。并且,Packet中的数据不全是需要发送的数据,浪费了内存空间和磁盘IO时间。
文献[3]提出了一种新的流媒体文件格式NMF,该格式具有如下基本结构(如图2所示)和特点:
图2 NMF文件结构
NMF流媒体文件由头文件和体文件构成。头文件主要包含文件描述、媒体描述、流描述等必要的信息；体文件包含全部的媒体数据。一个NMF由一个头文件和若干个体文件构成,同一媒体源不同的流(不同的传输协议或不同的码速率)存放在不同的体文件中,此结构用来实现多码速率切换/智能流技术和兼容现有的流媒体播放器。头文件和体文件的功能划分原则是：当服务器和客户建立连接时(在发送媒体数据之前),只需要从头文件中读数据；当服务器和客户建立连接后,只需要从文件体中读取媒体数据。这样,服务器中各个模块间耦合减少,效率提高。由于头文件和体文件的相对独立,使文件具有很强的可扩展性,并且使得利用硬件进行封装、发送也成为可能。
NMF的核心思想就是充分利用预处理过程,将原始媒体文件组织成方便服务器处理的格式,减少实时封装和发送时的工作量,同时增加文件结构的兼容性和可扩展性,以提高流服务器的工作效率,增加并发流数量。
3 Ogg 文件格式结构
3.1 文件格式在流媒体系统中的重要性
逻辑流以页（page）为单位组织链接成物理流,如图3所示：
图3 Ogg 文件的组织形式
图3中的文件链接了两个物理流，A、B和C三个逻辑流组成一个物理流，逻辑流D单独是一个物理流。一个物理流中的所有逻辑流的bos_page都必须在物理位置上相邻，如图3所示*A*、*B*、*C*三个bos_page的位置。
bos：beginning of stream; eos：end of stream
映射到Ogg格式的媒体(如vorbis音频,Theora视频)有相关详细定义，这些定义使得这些媒体之间有更具体的约束关系。Ogg 本身并没详细说明多个并发媒体流之间的时间关系，这需要并发媒体流在映射到Ogg格式的时刻来指定，通常他们之间的交错关系是按他们产生的时间先后顺序来排列。
3.2 Ogg page 页结构
每个页之间相互独立，都包含了各自应有的信息，页的大小是可变的，通常为4K－8KB，最大值不能超过65307bytes（27＋255＋255*255=65307）。页头部格式如图4。
页头部各字段域详细说明参见文献[4]：（小端字节序列格式LSB）。
⑴ capture_pattern: 模式捕获域，4个字节,表示页的开始，其作用是分离Ogg封装格式还原媒体编码时识别新页的作用，它包含了四个幻数（ASCII字符集）：
0x4f 'O' 0x67 'g' 0x67 'g' 0x53 'S'