利用JAVA语言实现支持视频点播的WEB服务器

　　一.项目简介：

　　JAVA语言是一种可移植的，简单的，健壮的嵌入式语言。并且对网络，数据库有很好的支持，基于JAVA语言的这种特性可以十分容易地建立一个小型INTERNET服务器。

　　本项目中，作者用JAVA语言编写了一个WEB微型服务器，对简单的HTTP请求进行响应，并通过后端数据库对用户的查询进行处理，从而动态地返回HTML页面。

　　二.项目实现：

　　(一)项目具体功能分析与开发工具选择

　　可以利用一台较高配置的个人台式机就可以实现社区内的小型服务器，包括网页浏览，基于高速局域网的视频下载和播放，定时新闻组发布程序，邮件服务器等服务。

　　本软件实际上是一个HTTP协议的服务器。HTTP(Hyper Text Transfer Protocol),是一个专门为Web服务器和Web浏览器之间交换数据而设计的网络协议。它通过规定通用资源定位符（URLs）使客户端的浏览器与服务器的Web资源建立链接关系，从而奠定了用户对Internet透明访问的基础。

　　在本软件中通过传输HTML文件使客户端可以实现网页浏览。HTML是WWW的通用标记语言，它用来创建Web页面和控制Web信息显示格式。HTML不是编程语言，而是一种描述语言。HTML2.0得到了IETF(Internet Engineering Task Force)的支持而成为Internet国际标准。目前，HTML已经发展到3.0和4.0版，只是新版本的标准尚未完全统一，不同的商家对HTML2.0进行了一定的扩充，引入了更多新的功能。例如，Netscape公司在HTML3.0中增加了页面底图（Background Images）和表（Table）定义等标记，使得Web页面更加引人入胜。

　　CGI是通用网关接口（Common Gateway Interface）的简称，它是Web服务器与外部程序之间的通信接口，服务器并不关心外部应用程序是什么语言（如C、C＋＋、Pascal、Delphi或Perl）编写的，它只是负责接收用户输入的信息，并把CGI程序所产生的结果--HTML文档或其他符合HTTP规定的文件回传给用户。事实上，CGI是动态Web页面制作的第一步，但由于CGI程序实现比较困难，而且效率不高，它已经逐渐被新的技术所取代。

　　网页浏览支持的网页包括HTML,JAVASCRIPT,APPLET,VBSCRIPT等编写的网页，但不支持PHP，ASP等服务器端动态程序的网页。由于服务器的规模较小，所以服务器端动态程序被集成进服务器中。但可以通过编写符合一定规则的JAVA的CGI程序实现服务器端的动态性，不过这种JAVA程序的安全性很难保证。

　　(二)服务器的实现

　　1． 处理连接策略：

　　对于每一个用户的连接我们采取了每次请求满足后，将用户与服务器的连接断开，这时用户如果有其他的请求，则进入请求队列重新进行资源竞争。

　　通常网页中的每一个图形都会被看成是一个单独的连接，也就是说对于一个图形很多的网页基于本服务器的连接策略将会进行多次请求，这样的好处是防止一个容量很大的网页独占网络资源。

　　2． 与数据库连接

　　在与数据库的连接中我们选用的后端数据库是微软的ACCESS数据库，由于本项目是面向小型社区的社区数据中心服务器，所以选用小型的数据库。由于JAVA的可移植性可以将服务器用在LINUX平台上，这时可以用本服务器提供的数据库配置程序连接到MySql等基于LINUX的小型数据库。

　　我们应用JDBC完成与数据库的连接。Java的一项出色能力是构建与平台无关的客户机／服务器数据库应用。在Java 1.1中，通过Java数据库连接（JDBC）实现了与各家公司之间的数据库的互连。数据库最主要的一个问题就是各家公司之间的规格大战。确实存在一种"标准"数据库语言，即"结构查询语言"（SQL-92），但各公司为了表示自己的与众不同对标准都有一些微小的改动。所以通常必须确切知道自己要和哪家数据库公司打交道，否则极易出问题，尽管存在所谓的"标准"。JDBC是面向"与平台无关"设计的，所以在编程的时候不必关心自己要使用的是什么数据库产品。和Java中的许多API一样，JDBC也做到了尽量的简化。我们发出的方法调用对应于从数据库收集数据时想当然的做法：同数据库连接，创建一个语句并执行查询，然后处理结果集，无论与我们打交道的是哪家数据库厂商的产品。

　　JDBC的使用：

　　为实现这一"与平台无关"的特点，JDBC为我们提供了一个"驱动程序管理器"，它能动态维护数据库查询所需的所有驱动程序对象。所以假如要连接由数家公司开发的不同种类的数据库，就需要每个数据库的单独的驱动程序对象。驱动程序对象会在装载时由"驱动程序管理器"自动注册，并可用Class.forName()强行装载。

　　为打开一个数据库，必须创建一个"数据库URL"，它要指定下述三方面的内容：

　　(1) 用"jdbc"指出要使用JDBC。

　　(2) "子协议"：驱动程序的名字或者一种数据库连接机制的名称。由于JDBC的设计从ODBC吸收了许多灵感，所以可以选用的第一种子协议就是"jdbc-odbc桥"，它用"odbc"关键字即可指定。

　　(3) 数据库标识符：随使用的数据库驱动程序的不同而变化，但一般都提供了一个比较符合逻辑的名称，由数据库管理软件映射（对应）到保存了数据表的一个物理目录。为使自己的数据库标识符具有任何含义，必须用自己的数据库管理软件为自己喜欢的名字注册（注册的具体过程又随运行平台的不同而变化）。

　　所有这些信息都统一编译到一个字串里，即"数据库URL"。本例中，我们想通过ODBC子协议同一个标识为"vod"的数据库连接，相应的数据库URL设为：

　　String dbUrl = "jdbc:odbc:vod"

　　同样如果通过一个网络连接，数据库URL也需要包含对远程机器进行标识的信息。

　　JDBC的连接方式：

　　首先，JDBC中在DriverManager中对数据库数据库驱动程序进行登记。

　　Class.forName("sun.jdbc.odbc.JdbcOdbcDriver");

　　装载JDBC- ODBC桥驱动程序，这样做是为了让DriverManager可以找到数据库驱动程序。然后利用DriverManager打开与数据库的连接。

　　Mycon=DriverManager.getConnection(dbUrl);

　　本语句的作用是，确定与由dbUrl指定的数据库的连接。DriverManager将从其中登记的驱动程序中寻找最适当的驱动程序。返回的Mycon代表了与特定的数据库之间的连接。

　　Mysta=Mycon.createStatement();

　　生成可以执行无参数SQL语句的Statement接口。 然后就可以在Mysta中用executeQuery()函数执行SQL语句从返回的ResultSet获取执行结果。

　　3．网络连接：

　　网络本身的概念并不难。我们想获得位于其他地方某台机器上的信息，并把它们移到这儿；或者相反。这与读写文件非常相似，只是文件存在于远程机器上，而且远程机器有权决定如何处理我们请求或者发送的数据。但大多数编程语言对网络编程都较困难，而Java最出色的一个地方就是它的"无痛苦连网"概念。有关连网的基层细节已被尽可能地提取出去，并隐藏在JVM以及Java的本机安装系统里进行控制。我们使用的编程模型是一个文件的模型；事实上，网络连接（一个"套接字"）已被封装到系统对象里，所以可象对其他数据流那样采用同样的方法调用。除此以外，在我们处理另一个连网问题--同时控制多个网络连接--的时候，Java内建的多线程机制也是十分方便的。

　　服务器的主要任务是侦听建立连接的请求，这是由我们创建的特定服务器对象完成的。而客户机的任务是试着与一台服务器建立连接，这是由我们创建的特定客户机对象完成的。一旦连接建好，那么无论在服务器端还是客户机端，连接变成了一个IO数据流对象。从这时开始，我们可以象读写一个普通的文件那样对待连接。所以一旦建好连接，我们只需使用自己熟悉的IO命令即可。

　　首先，server=new ServerSocket(80,acceptamount);

　　生成一个服务器端的套接字。其中第一个参数是表示服务器的监听端口，端口是机器内独一无二的场所。有些时候，一个IP地址并不足以完整标识一个服务器。这是由于在一台物理性的机器中，往往运行着多个服务器（程序）。由IP表达的每台机器也包含了"端口"（Port）。我们设置一个客户机或者服务器的时候，必须选择一个无论客户机还是服务器都认可连接的端口。端口并不是机器上一个物理上存在的场所，而是一种软件抽象（主要是为了表述的方便）。客户程序知道如何通过机器的IP地址同它连接，但怎样才能同自己真正需要的那种服务连接呢（一般每个端口都运行着一种服务，一台机器可能提供了多种服务，比如HTTP和FTP等等）？端口编号在这里扮演了重要的角色，它是必需的一种二级定址措施。

　　在HTTP协议中的默认服务端口是80，当然在小型社区中也可以使用其它的端口。本例中使用了默认服务端口。

　　Socket s=server.accept();

　　这一句的作用是使服务器监听本机上的80端口，等待客户机的连接。在没有新的连接的情况下，服务器阻塞自身。当客户机连接到服务器后函数返回一个套接字。然后，通过套接字的输入，输出流即可用读取本机文件的方法与客户机进行通信。

　　(三)客户端设计

　　在客户端，理想的装置是电视机，因为当前电视机普及率高，有线电视线路遍布各地，可重用资源广泛。但目前的电视机绝大多数是模拟电视机，它们只能接收模拟电视信号，无法接收数字电视信号，因此这种电视机的彩色图像和伴音质量并不是很高。

　　而数字电视无论从价格，电台改造，线路改装等方面都存在很大的困难，短期内难以普及。那么能否有一种折衷方案，即使目前的模拟电视机也能接收数字电视信号呢？回答是肯定的。但它们必须附加一个被称作机顶盒（STB）的装置。

　　1.机顶盒概念介绍：

　　机顶盒（STB，Set Top Box）的概念比较广泛。从广义上说，凡是与电视机连接的网络终端设备都可称为机顶盒，主要有有线电视网络的模拟频道增补器、模拟频道解扰器，上网机顶盒、数字卫星的综合接收解码器（IRD，Integrated Receive Decoder）、数字地面机顶盒，以及有线电视数字机顶盒都可称为机顶盒。从狭义上说，我们可以将模拟设备排除在外，按主要功能将机顶盒分为上网机顶盒、 数字卫星综合接收解码器、数字地面机顶盒，以及有线电视数字机顶盒，这些设备由于具有很好的网络功能，因此也成为信息家电的代表。 机顶盒也是信号传输介质与电视机之间的一种接口，并提供附加服务，可见它是一种中间电子设备。机顶盒可以把卫星直播数字电视信号、地面数字电视信号、有线电视网数字信号甚至因特网的数字信号转换成模拟电视机可以接收的信号，使现有的模拟电视机用户也能分享数字化传媒带来的清晰，高效的科技成果。同时，它也可以实现电视广播从模拟信号向数字信号的平稳过渡，以及由于种种原因暂时不想购买电脑的人们共享因特网的信息资源和现代化的通信手段。机顶盒有模拟和数字之分，但现在人们所说的机顶盒一般指的是数字机顶盒。

　　2.机顶盒设计：

　　本设计中推荐的是上网机顶盒，这种机顶盒实际上是将电视机作为显示器构成了一个多媒体电脑，所以又称为WEB TV。

　　这种机顶盒主要是通过某种传输介质实现internet接入技术，其传输介质可以是电话线（电话调制解调器），有线电视网络（电缆调制解调器）等。在这种机顶盒中较著名的有微软公司的维纳斯计划，另外我国有许多企业陆续推出了该类产品，如康佳的"光元"网络机顶盒、海信的"家庭网络快车"DB-200M互联网机顶盒、海尔的"网神"网络机顶盒等。但以上的机顶盒大都采用电话调制解调器，这样做的后果是占用了用户家中几乎所有的网络资源（电话线和电视机），却只能实现上网功能随着低价位PC机的普及其市场份额必将进一步下降。同时数字有线电视机顶盒技术却表现出了很大的发展空间。由于有线电视网络较好的传输质量以及电缆调制解调器技术的成熟，使得该类机顶盒可以实现各种交互式应用，从而满足各种用户的要求。事实上，该类机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如数字电视广播接收、电子节目指南（EPG）、准视频点播（NVOD）、按次付费观看（PPV）、软件在线升级、数据广播、Internet接入、电子邮件、IP电话和视频点播等。

　　3.机顶盒中的操作系统：

　　应用于数字有线电视机顶盒中的操作系统与大家比较熟悉的PC的操作系统，如DOS、Windows98、Windows NT、Unix、MacOS不同，机顶盒中的操作系统不是非常的庞大，但却要求可以在实时的环境中工作，并能在较小的内存空间中运行。这种操作系统称为实时操作系统。

　　目前流行的实时操作系统有Wind River System公司的VxWorks、Integrated Systems Incorporated公司的pSOS、Microware公司的DAVID OS-9、ST公司的OS20、Windows CE以及专为机顶盒开发的PowerTV等。这些操作系统各有所长，在机顶盒中都有应用。其中VxWorks、pSOS、OS-9、OS20等是通用的实时操作系统，在其他的嵌入式系统中也有广泛的应用。PowerTV是专为机顶盒开发的，并将中间件集成在一起的操作系统，在美国应用较广。随着嵌入式Linux的逐渐成熟，不仅为机顶盒厂商提供了一种选择，而且由于Linux的开放性和先进的结构，会对现有的实时操作系统构成巨大的威胁。

　　另外，作为UNIX系统的一种变种，LINUX系统在应用软件，系统集成，以及用户开发，使用习惯上都有十分大的优势，所以我们建议使用LINUX系统作为系统平台。

　　4.中间件

　　中间件是一种将应用程序与低层的操作系统、硬件细节隔离开来的软件环境，这种分层的思想在现代系统设计中十分常见，如大名鼎鼎的TCP/IP协议。中间件通常由各种虚拟机来构成，如HTML虚拟机、JavaScript虚拟机、Java虚拟机等。

　　一个完整的数字机顶盒由硬件平台和软件系统组成，可以将其分为4层，从底向上分别为硬件、底层软件、中间件、应用软件。硬件提供机顶盒的硬件平台；底层软件提供操作系统内核以及各种硬件驱动程序；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应用；中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用不依赖于具体的硬件平台。这样用户可以在任何厂家的硬件平台上进行应用软件开发，和应用软件下载。不必介意任何低层的有关信息。保证了机顶盒的开发专业化。目前成熟的用于机顶盒的商用中间件产品有Opentv的EN2、Liberate的TV Navigator for DTV、Enreach的EnreachTV for DTV、Canel+ 的Mediahighway和Intellibyte的IB EPG、IB SI Manager、IB Browser等，这些产品在市场上都占有一席之地，但彼此并不兼容。

　　标准组织已经认识到已有中间件产品兼容性差这个事实，并且开始着手建立开放的中间件标准。DVB提出了基于Java虚拟机的中间件标准DVB-MHP（多媒体家庭平台）；ATSC成立了T3/S17技术专家小组委员会，致力于机顶盒软件环境的定义，该软件环境称为DTV应用软件环境（DASE）。ATVEF（先进电视发展论坛）也创建了一种称为Advanced Television Enhancement Forum Specification for Interactive Television 的规范。

　　其实，任何一种分层结构都不是要求完全一丝不差的按照其结构，在中间件中我们认为JAVA虚拟机较有发展前途。因为首先，JAVA的设计初衷就是为信息家电开发提供一种简单，健壮的嵌入式语言。正是基于这样一种设计目标，JAVA具有小型化的能力可以在简单的环境下运行。而价格方面的原因使机顶盒不可能，也不必要拥有同一时代的标准配置的台式机的功能，这种相对简单的硬件环境是可以运行JAVA虚拟机的。应用JAVA虚拟机的另一个原因是，现在出现了专门运行JAVA语言的JAVA芯片如果应用这种芯片作为机顶盒的CPU，则可以使用专门的JAVAOS作为操作系统，利用JAVA语言的可移植性在台式机上进行应用层开发，借鉴台式机的调试开发经验和工具。

　　(四)传输压缩方式

　　在视频点播，网上视频观看中不可避免的要与数据压缩打交道，如何将视频数据，音频数据在一定的失真范围内用最小的数据量传输是数据压缩要研究的一个重要的课题。

　　数字多媒体技术的发展，突破了传统的模拟化图象的应用，图象的采集以及存储、处理、显示等数字化的发展，其使我们设计的可行性大大提高。数据压缩及编码技术是设计中向数字机顶盒传输数据时的关键技术。图象压缩编码从开始系统研究至今已有近50年的历史。1988年，CCITT（现ITU-T）制定了可视电话/会议电视的H.261建议是极具代表性的标准，后来的MPEG-1、MPEG-2、H.263等图象压缩标准都是以它为基础的。声音压缩编码的标准也很多，如ITU-T制定的G.711、G.722、G.728、G.723等。限于笔者的水平我们无法对各种压缩技术进行评价，所以在这里只作简单的介绍。

　　视频压缩技术中数字图象的压缩是多媒体通信的关键技术，"压缩比"是评价图象压缩方法性能的重要参数之一（也可按每象素多少比特反映压缩特性），图象压缩比反应了图象压缩的困难性和可能程度，ITU-T制订的各种标准压缩比都不同。一般来说，压缩比越大，算法越复杂，实时压缩解压缩的困难程度越大，要求的硬件环境也越高。对于可视电话，若原图象格式采用QCIF（176×144），则原始图象有4.5Mb/s的数据量，若最后用28.8kb/S的MODEM在PSTN上传输，则要提供150多倍的压缩，遵循ITU-T和H.263标准可实现此压缩，另外，H.261和MPEG-1也具有较低的码率，适合于在现有网络上传输视频。MPEG-1广泛用于VIDEO-CD的播放，H.261可应用于N-ISDN可视电话、会议电视、远程医疗、远程教学等各个方面。MPEG-2具有可分级性、可扩展性和互操作性，且易于与ATM、计算机网络联结等一系列高性能，但其码率仍高达4～20Mbps，其主要目标是针对广播电视演播室图象质量和HDTV，现也应用于VOD和DVD的制作。此外,具有高级交互功能、更高图象声音质量和更大灵活性的MPEG-4标准，国际上正在研究制订之中。

　　三.进一步工作：

　　新一代数字机顶盒的主要配量CPU将进一步提高主频，其中将具备硬盘和打印控制功能、实时视频解码功能（符合MPEG、Qutik Time标准）和实时音频解码功能（符合MPEG、AC-3和Real Audio标准）；以及与电视机遥控器合成一体的遥控键盘，这种键盘可以与现在的键盘接口统一。它还具有硬盘存储、在线打印、画中画、电视与WWW跨接以及电子电视节目指南，电子邮件等功能，除为了实现实时视频解码的硬件解码器外，机顶盒将越来越接近个人桌面电子计算机。它的互联网接入功能将近一步使传统的媒体供应商向网络靠拢。电视节目制作商将自己选定的节目放入WWW网点地址（URL），用户可以通过点击这个标记连接WWW网点，以获取更多的信息，下载视频节目和应用软件。同时用户可以在观看电视节目时使用网上资源。例如，一个学生在观看一段有关火星探险的电视片时，可以点击屏幕上的NASA（美国宇航局）标记，进入NASA的WWW网点浏览最新的航天科技消息，由于传统媒体供应商在媒体制作和销售等方面的经验，现阶段的网络供应商将面对更大的挑战。这种功能对于电视广告商具有极大的吸引力。画中画功能可以使用户一边看电视，一边在因特网上"冲浪"，或调阅电子邮件，或进行社区内具有针对性的小范围产品推销。由上可见，Web TV与其说是机顶盒，倒不如说它更像一台具有高速率通信能力的多媒体电脑，只不过它利用现有电视机作显示器，并可将电视机作为因特网终端，而且应用了当前的有线电视技术将电视与因特网融为一体。

　　参考书目：

　　1． 数字图象压缩编码在多媒体通信中的应用 北京邮电大学 张家谋 尹昊晖

　　2． 多姿多彩的数字机顶盒

　　3． 广播电视技术发展展望杜百川

　　4． 基于WEB的数据库技术研究 郑成增　陈志锋　陶勇　李思忠

　　5． Thinking in JavaBruce Eckel