移動流媒體視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

(北京郵電大學(xué) 軟件學(xué)院， 北京 100876)

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摘要：

設(shè)計(jì)了一套基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的移動流媒體視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)介紹了系統(tǒng)采用的服務(wù)器集群、安全防盜鏈等關(guān)鍵技術(shù)，最后給出了系統(tǒng)主要功能參數(shù)的評測。

關(guān)鍵詞：移動流媒體； 視頻監(jiān)控； 服務(wù)器集群； 防盜鏈

中圖分類號： TP37文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：10013695(2009)03104403

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Research and design of video surveillance system asservice of mobile streaming media

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GAO Song， ZHAO Fang， SONG Maoqiang

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(School of Software Engineering， Beijing University of Posts Telecommunications， Beijing 100876， China)

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Abstract:

This paper designed a mobile streaming video surveillance system based on 3GPP standards， introduced the key technologies used in this system， which were cluster servers and antistealinglink，and finally provided the evaluation of the system’s main function.

Key words：mobile streaming media; video surveillance; LVS cluster; antistealinglink

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隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)向3G的逐步演進(jìn)，融合語音、文字、圖像多種形態(tài)，為用戶提供更為有聲有色的手機(jī)電視、視頻直播等流媒體業(yè)務(wù)，成為移動增值業(yè)務(wù)發(fā)展的必然趨勢。移動流媒體業(yè)務(wù)就是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的一種頗具吸引力的新業(yè)務(wù)，在未來的3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中必將占據(jù)核心地位。

1移動流媒體業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和手機(jī)終端等限制，在目前的2.5G網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)的移動流媒體業(yè)務(wù)種類十分有限，能夠達(dá)到的圖像、語音效果也很難盡如人意。而即將大規(guī)模商用的3G網(wǎng)絡(luò)毫無疑問將為移動流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展提供更有效的支撐。由于3G網(wǎng)絡(luò)擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐能力，3G運(yùn)營商不僅可以向用戶提供高質(zhì)量的語音業(yè)務(wù)，而且還能夠提供高速率的流媒體業(yè)務(wù)[1]。從全球來看，隨著3G網(wǎng)絡(luò)的不斷鋪開，日本和韓國以及歐美地區(qū)的一些移動運(yùn)營商已經(jīng)推出了一定數(shù)量的基于移動流媒體技術(shù)的視頻業(yè)務(wù)，移動流媒體業(yè)務(wù)已成為3G 網(wǎng)絡(luò)的核心業(yè)務(wù)和熱點(diǎn)業(yè)務(wù)。國內(nèi)由于3G網(wǎng)絡(luò)尚處于實(shí)驗(yàn)和試運(yùn)營階段，應(yīng)用在3G網(wǎng)絡(luò)上的移動流媒體業(yè)務(wù)尚處在起步階段[2]。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸方式多是通過ADSL等有線網(wǎng)絡(luò)，播放終端均為PC機(jī)。而基于無線網(wǎng)絡(luò)尤其是未來的3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，利用手機(jī)終端直接收看監(jiān)控內(nèi)容的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)還很不普及。

2系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的移動流媒體視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從傳輸協(xié)議到音/視頻編解碼均符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，播放終端既可以是接入3G無線網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)也可以是連接有線網(wǎng)絡(luò)的普通PC。系統(tǒng)具有自主設(shè)計(jì)的一套完備的管理控制平臺，包括Web業(yè)務(wù)發(fā)布平臺、計(jì)費(fèi)、視頻轉(zhuǎn)錄、鑒權(quán)認(rèn)證等功能，能夠作為未來3G網(wǎng)絡(luò)中一項(xiàng)頗具吸引力的應(yīng)用服務(wù)。

系統(tǒng)由視頻采集壓縮模塊、中心控制管理平臺、流媒體服務(wù)模塊、移動客戶端模塊四部分組成。首先通過視頻采集壓縮模塊的采集服務(wù)器中對采集好的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并將壓縮后的數(shù)據(jù)通過RTSP（實(shí)時(shí)流協(xié)議）/RTP（實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）協(xié)議傳輸?shù)搅髅襟w服務(wù)模塊的流媒體服務(wù)器上[3，4]。而中心控制管理平臺則負(fù)責(zé)用戶管理、采集端管理、媒體調(diào)度管理、緩存/轉(zhuǎn)錄管理、日志等功能。用戶在通過認(rèn)證后，由流媒體服務(wù)器將用戶請求的視頻流通過3G無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到手機(jī)客戶端，同時(shí)在客戶端進(jìn)行解碼和播放，這樣用戶就能分享到自己需要的視頻信息。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2.1視頻采集壓縮模塊

視頻采集壓縮模塊主要由視頻采集設(shè)備和采集服務(wù)器組成。由采集服務(wù)器向中心控制管理平臺注冊后，負(fù)責(zé)將視頻采集設(shè)備捕捉到的視頻信息進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼壓縮，流化后封裝成RTP數(shù)據(jù)包通過RTSP/RTP傳輸?shù)搅髅襟w服務(wù)器。

2.2中心控制管理平臺

中心控制管理平臺是系統(tǒng)的核心模塊，主要由六個子模塊組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2.1業(yè)務(wù)發(fā)布子模塊

提供Web、WAP頁面，供用戶選擇具體監(jiān)控業(yè)務(wù)、閱讀業(yè)務(wù)簡介以及查詢收費(fèi)信息等，并可提供業(yè)務(wù)試用。

2.2.2采集端管理子模塊

采集端管理是視頻采集的接入端口，也是系統(tǒng)在Internet上提供的服務(wù)來源，所以必須要有足夠的安全性，對采集端實(shí)施安全的認(rèn)證措施。只有通過認(rèn)證的視頻源才能發(fā)布到Web上，并由本模塊負(fù)責(zé)其管理控制工作。

2.2.3用戶管理子模塊

用戶管理主要是負(fù)責(zé)用戶注冊、認(rèn)證和計(jì)費(fèi)等功能。每個手機(jī)用戶必須先進(jìn)行注冊，才能使用系統(tǒng)所提供的服務(wù)。認(rèn)證主要是針對用戶請求，只有通過認(rèn)證的手機(jī)客戶端才可以接收流媒體服務(wù)器傳輸?shù)膶?shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)。計(jì)費(fèi)服務(wù)是對每個用戶的視頻觀看情況進(jìn)行流量記錄，提供收費(fèi)憑據(jù)。

2.2.4媒體調(diào)度管理子模塊

媒體調(diào)度管理負(fù)責(zé)具體的流媒體數(shù)據(jù)傳輸控制調(diào)度，當(dāng)收到用戶的監(jiān)控業(yè)務(wù)請求后，根據(jù)各個流媒體服務(wù)器的資源使用情況和一定的策略進(jìn)行選擇，并通知用戶進(jìn)行重定向。

2.2.5緩存/轉(zhuǎn)錄管理子模塊

緩存/轉(zhuǎn)錄管理子模塊主要有緩存管理和轉(zhuǎn)錄管理兩個功能。緩存管理主要負(fù)責(zé)管理視頻采集端實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的緩存。由于視頻的數(shù)據(jù)量較大，緩存管理是提高數(shù)據(jù)訪問速度，提高系統(tǒng)吞吐量的主要手段。轉(zhuǎn)錄管理是指將實(shí)時(shí)監(jiān)控的視頻數(shù)據(jù)用文件的形式臨時(shí)保存起來，方便用戶的事后查看，它需要定期對過期的文件進(jìn)行清除。

2.2.6日志管理子模塊

該模塊分為系統(tǒng)級日志和用戶級日志。系統(tǒng)級日志記錄系統(tǒng)的啟動、關(guān)閉、視頻源注冊、用戶訪問等必備系統(tǒng)信息，供系統(tǒng)管理員監(jiān)控系統(tǒng)情況時(shí)用。用戶級日志記錄用戶使用某一監(jiān)控業(yè)務(wù)的詳細(xì)信息，包括注冊時(shí)間和使用時(shí)間等，可對這些日志信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成業(yè)務(wù)報(bào)表存入數(shù)據(jù)庫中，主要用于供用戶查看和計(jì)費(fèi)。

2.3流媒體服務(wù)器模塊

本模塊部署Apple公司的開源Darwin流媒體服務(wù)器，中繼注冊設(shè)備的視頻源，同時(shí)響應(yīng)授權(quán)用戶的服務(wù)請求，高效地向授權(quán)用戶轉(zhuǎn)發(fā)所請求的視頻流。通過LVS集群、負(fù)載均衡等技術(shù)的采用，實(shí)現(xiàn)多路媒體源接入、大規(guī)模客戶端并發(fā)訪問的中繼分流功能。

Darwin Streaming Server（DSS）是Apple公司QuickTime Streaming Server開放式源代碼的版本，同時(shí)支持FreeBSD、Linux、Solaris、Windows等多個操作系統(tǒng)，是當(dāng)前同類產(chǎn)品中支持平臺最多的一個，具有很強(qiáng)的流媒體綜合服務(wù)能力[5~6]。

2.4移動客戶端模塊

監(jiān)控客戶端包括手機(jī)和普通PC，可以直接用手機(jī)終端上的流媒體播放軟件打開監(jiān)控視頻流，PC則支持多畫面監(jiān)控應(yīng)用。監(jiān)控客戶端接入流媒體服務(wù)器前都需要進(jìn)行用戶認(rèn)證和業(yè)務(wù)鑒權(quán)。系統(tǒng)支持點(diǎn)播和直播模式。直播模式主要用于公眾監(jiān)控應(yīng)用，監(jiān)控前端設(shè)備一旦向流媒體服務(wù)器注冊成功，就一直傳播監(jiān)控業(yè)務(wù)媒體數(shù)據(jù)流；點(diǎn)播主要用于個人監(jiān)控應(yīng)用，通常情況下只建立鏈接，而不傳輸監(jiān)控業(yè)務(wù)媒體數(shù)據(jù)流，當(dāng)用戶點(diǎn)擊監(jiān)控業(yè)務(wù)時(shí)才傳輸業(yè)務(wù)媒體數(shù)據(jù)流，以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。

3系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1服務(wù)器集群技術(shù)

3.1.1單機(jī)流媒體服務(wù)器的瓶頸

當(dāng)前的流媒體領(lǐng)域，研究開發(fā)面向集群的流媒體服務(wù)器的工作做得并不是特別多，大多數(shù)的流媒體生產(chǎn)廠商只是單純地做單機(jī)流媒體服務(wù)器的產(chǎn)品開發(fā)。隨著未來3G網(wǎng)絡(luò)帶寬的增大，傳輸視頻流質(zhì)量必然提高，則流媒體的壓縮碼率也將增大，如果按照350 Kbps的碼率壓縮媒體流，那么一臺輸出帶寬為600 Mbps（一塊千兆網(wǎng)卡在提供流媒體服務(wù)時(shí)，到達(dá)600 Mbps以上時(shí)會出現(xiàn)頻繁的丟包現(xiàn)象，所以這里用600 Mbps來衡量）也只能提供給1 714個客戶流媒體服務(wù)；而一臺配備100 Mbps網(wǎng)卡的單機(jī)流媒體服務(wù)器則最多只能提供150個350 Kbps的流服務(wù)。同時(shí)單機(jī)流媒體服務(wù)器無論是它的媒體分發(fā)能力還是磁盤讀取能力，都十分有限。

綜合上述因素，有必要采用高性能的集群服務(wù)器來代替單機(jī)服務(wù)器。

3.1.2LVS集群技術(shù)的應(yīng)用

Linux虛擬服務(wù)器（LVS）是由Zhang Wensong創(chuàng)立的開源項(xiàng)目，目標(biāo)是將很多實(shí)際服務(wù)器集中在一起，組成一個高性能和高可靠性的虛擬服務(wù)器。文獻(xiàn)[7]中LVS采用基于IP層負(fù)載平衡調(diào)度技術(shù)，在操作系統(tǒng)核心空間中將IP層上的TCP/UDP請求均衡地轉(zhuǎn)移到不同的服務(wù)器上，且調(diào)度器自動屏蔽掉服務(wù)器的故障，從而將一組服務(wù)器構(gòu)成一個高性能的、高可用的虛擬服務(wù)器。通過在服務(wù)器集群中透明地加入和刪除節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的伸縮性，通過檢測節(jié)點(diǎn)或服務(wù)進(jìn)程故障和正確地重置系統(tǒng)達(dá)到高可用性。LVS有兩個主要組成部分：

a)負(fù)載均衡器（load balancer，LB），亦稱負(fù)載調(diào)度器，它是LVS的前端機(jī)，負(fù)責(zé)將客戶的服務(wù)請求發(fā)送到一組服務(wù)器上執(zhí)行，而客戶認(rèn)為服務(wù)是來自一個IP地址上的。在LVS系統(tǒng)中，負(fù)載均衡器可能成為單一失效點(diǎn)，因此，調(diào)度器設(shè)立了備份機(jī)制。兩個心跳進(jìn)程分別在主、從調(diào)度器上運(yùn)行來相互匯報(bào)各自的健康情況，以便在主調(diào)度器失效的情況下從調(diào)度器接管其工作。

b)服務(wù)器池（server pool，SP）。它是一組真正執(zhí)行客戶請求的服務(wù)器，執(zhí)行流媒體中繼服務(wù)。

3.1.3LVS負(fù)載平衡工作方式

LVS系統(tǒng)中的包轉(zhuǎn)發(fā)策略主要有以下三種：

a)NAT網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換。用報(bào)文雙向重寫的方法，由LB將請求包中的IP地址轉(zhuǎn)換成SP中某個真實(shí)服務(wù)器的IP地址，將包轉(zhuǎn)發(fā)給SP；由LB將SP的應(yīng)答包中的IP地址轉(zhuǎn)換成LB的IP地址。

b)IP隧道方式。該方式采用的是報(bào)文單向重寫的策略，LB接收到請求包后，根據(jù)IP通道協(xié)議封裝該包后，傳給選定的SP中的服務(wù)器，該服務(wù)器解析請求信息后，直接將應(yīng)答內(nèi)容傳給用戶。

c）DR直接路由方式。該方式采用的是報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)策略，LB接收到請求包后，將請求包中目標(biāo)MAC地址轉(zhuǎn)換為SP某服務(wù)器的MAC地址后將包轉(zhuǎn)發(fā)出去，服務(wù)器收到請求包后，可直接將應(yīng)答內(nèi)容傳給用戶。

3.1.4LVS調(diào)度算法

LVS中主要采用以下四種調(diào)度算法：

a）輪轉(zhuǎn)調(diào)度。不考慮服務(wù)器的連接數(shù)和響應(yīng)時(shí)間，它將所有的服務(wù)器都看做是相同的，以輪轉(zhuǎn)的形式將連接分發(fā)到不同的服務(wù)器上。

b）加權(quán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度。根據(jù)每個機(jī)器的處理能力的不同給每個機(jī)器分配一個對應(yīng)的權(quán)重，然后根據(jù)權(quán)重的大小以輪轉(zhuǎn)的方式將請求分發(fā)到各臺機(jī)器。

c）最少連接調(diào)度。將用戶請求發(fā)送到連接數(shù)最少的機(jī)器上。

d）加權(quán)最小連接調(diào)度。根據(jù)服務(wù)器的性能不同而給它們分配一個相應(yīng)的權(quán)重，權(quán)重越大，獲得一個連接的機(jī)會就越大。

3.2流媒體服務(wù)器安全保障

實(shí)時(shí)視頻流作為服務(wù)發(fā)布到本系統(tǒng)的Web頁面后，只有付費(fèi)用戶經(jīng)過系統(tǒng)驗(yàn)證后，才能獲取有效的播放路徑。用戶得到播放路徑后，用媒體播放器連接到流媒體服務(wù)器上獲取視頻流。如果用戶通過了驗(yàn)證，那么只要連接到流媒體服務(wù)器的播放路徑正確，流媒體服務(wù)器就將為其提供服務(wù)。因此，如果用戶的相關(guān)驗(yàn)證信息和獲得的有效播放路徑被監(jiān)聽竊取，那么盜竊者可以復(fù)制同樣的請求“欺騙”流媒體服務(wù)器為其提供服務(wù)。因此，安全的防盜鏈措施必不可少。監(jiān)聽盜鏈?zhǔn)疽鈭D如圖3所示。

從盜鏈者盜鏈的過程來看，不難發(fā)現(xiàn)如果Web服務(wù)器發(fā)布的播放鏈接是持久的、通用的、未加密的，那么盜鏈者就可以肆無忌憚地使用和傳播該播放鏈接。因此，如果Web服務(wù)器采用動態(tài)頁面為登錄的合法用戶實(shí)時(shí)地生成一個惟一的、有時(shí)效性的、不可修改的URL播放請求鏈接，那么盜鏈者就算是非法獲得了這樣的請求鏈接，也無法通過驗(yàn)證正常使用。

防盜鏈的實(shí)現(xiàn)方式如下：

a）請求鏈接的惟一性。要實(shí)現(xiàn)URL的惟一性，可以給點(diǎn)播串的來源加上IP限制。Web服務(wù)器的動態(tài)頁面在生成點(diǎn)播鏈接時(shí)，可以在點(diǎn)播鏈接的后面加上用戶的IP地址作為參數(shù)一起返回給用戶，用戶再使用帶參數(shù)的點(diǎn)播鏈接連接流媒體服務(wù)器。當(dāng)流媒體服務(wù)器在進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，可以檢查連接的客戶機(jī)的IP地址與URL中的IP參數(shù)是否吻合，如果不吻合，則認(rèn)為該連接是盜鏈者，拒絕為其提供服務(wù)。

b）請求鏈接的時(shí)效性。對于合法用戶來說，獲得的有效鏈接也并不是可以永遠(yuǎn)無限制地使用。通常情況下，用戶在取得有效鏈接后的規(guī)定時(shí)效內(nèi)，可以使用該鏈接隨意地獲取流媒體服務(wù)。但是，超過有效時(shí)限后，則不應(yīng)該再獲得服務(wù)了。Web服務(wù)器在生成點(diǎn)播鏈接時(shí)，在點(diǎn)播鏈接的后面再加上失效時(shí)間作為參數(shù)傳送給流媒體服務(wù)器。流媒體服務(wù)器對URL進(jìn)行合法性驗(yàn)證時(shí)，將時(shí)間參數(shù)與系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行對比，便可知道該鏈接是否已經(jīng)過期，從而決定是否為其提供服務(wù)。

c)請求鏈接加密。如果對于防盜鏈系統(tǒng)僅僅實(shí)現(xiàn)以上功能，那么還不能真正地做到防止盜鏈。不難發(fā)現(xiàn)，以上的設(shè)計(jì)有一個致命的缺陷，那就是URL路徑和所有的參數(shù)都是明碼，如果被盜鏈者監(jiān)聽盜竊了以后，只需要修改相應(yīng)的參數(shù)，仍然可以輕松地騙過流媒體服務(wù)器獲取服務(wù)。因此，為了增強(qiáng)安全性，還需要對請求鏈接進(jìn)行加密。本系統(tǒng)采用DES加密算法對請求鏈接進(jìn)行了可逆的全加密。

加密前，Web服務(wù)器生成請求鏈接的腳本程序和流媒體服務(wù)器上的驗(yàn)證程序共享一個用于加密和解密的key，由8 Byte共64 bit組成，假設(shè)這個key的值為“12345678”。Web服務(wù)器端生成了播放請求的URL路徑后，再根據(jù)IP限制、時(shí)間限制、用戶限制等規(guī)則為URL添加相應(yīng)的參數(shù)形成一個新的URL，如rtsp://www.otes.com/movie/1.wmv?ip=201.123.32.65st=1234454334uid=123port=1755，然后抽取URL的參數(shù)部分，即ip=201.123.32.65st=1234454334uid=123port=1755，用key進(jìn)行DES加密得到加密后的字符串bcd90d99efd656cb129d45cbc7fefb20e1ceec5371bf53538cba396437 db b19d3548fafb4583f1099c5ef5735b0030e3d7595a98bff809d，然后替換原URL所有的參數(shù)得到加密后的URL為rtsp://

www. otes.com/movie/1.wmv?key=cbcd 90d99efd656cb129d45cbc7fef

b20e1ceec5371bf538cba396437dbb19d3548fafb4583f1099c5efef5735b0030e3d7595a98bff809d。如此，即使盜鏈者得到了這樣的一個鏈接，也無法獲知鏈接中的各個參數(shù)，同時(shí)不了解用于加密的key的值，自然也就不能修改偽造加密鏈接。

加密的請求鏈接到達(dá)了流媒體服務(wù)器后，驗(yàn)證模塊對密文部分用key進(jìn)行解密，還原原始的明文參數(shù)串，如果解密錯誤，則說明該鏈接被非法編輯過，驗(yàn)證失敗。解密成功，再使用驗(yàn)證規(guī)則驗(yàn)證各個參數(shù)，決定是否為用戶提供服務(wù)。

4系統(tǒng)效能

通過LVS集群技術(shù)的應(yīng)用和有效的傳輸QoS保證，本監(jiān)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的流媒體并發(fā)處理能力和綜合服務(wù)能力。系統(tǒng)主要的功能參數(shù)與當(dāng)今兩大主流流媒體服務(wù)器橫向?qū)Ρ热绫?所示。

表1流媒體服務(wù)器橫向評測

服務(wù)器模塊本系統(tǒng)流媒體服務(wù)器Media Server 9Real Server 9

操作系統(tǒng)支持Windows NT， 2003，XP；FreeBSD；Linux；Mac OS；SolarisWindows NT， 2003，XPWindows NT， 2003，XP

并發(fā)流個數(shù)3 0002 0002 000

廣播yesyesyes

在線廣告支持yesyesyes

分配流能力yesyesyes

SMIL標(biāo)準(zhǔn)支持yesnoyes

RTSP協(xié)議支持yesnoyes

多播支持yesyesyes

狀態(tài)報(bào)告yesyesyes

服務(wù)器日志yesyesyes

防火墻穿越y(tǒng)esyesyes

代理支持yesyesyes

系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控yesyesyes

5結(jié)束語

移動流媒體業(yè)務(wù)在我國乃至世界均處于起步階段，隨著技術(shù)進(jìn)步和市場的不斷成熟，從用戶需求角度看，未來流媒體市場規(guī)?？捎^，商業(yè)潛力巨大，必將在某種程度上改變?nèi)藗兊纳罘绞?，進(jìn)一步開拓人們獲取信息和休閑娛樂的途徑。本文提出的移動流媒體實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是一套完備的基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)解決方案，在未來的3G網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛的應(yīng)用前景，必將成為未來移動運(yùn)營商新的市場增長點(diǎn)。