p2p流媒體技術(shù)與原理

1、1 P2P 流媒體系統(tǒng)1.1P2P 流媒體系統(tǒng)播送方式P2P 流媒體系統(tǒng)按照其播送方式可分為直播系統(tǒng)和點播系統(tǒng)，此外近期還出現(xiàn)了一些既可以提供直播服務也可以提供點播服務的 P2P 流媒體系統(tǒng)。1.1.1 直播在流媒體直播服務中，用戶只能按照節(jié)目列表收看當前正在播放的節(jié)目。在直播領(lǐng)域，交互性較少，技術(shù)實現(xiàn)相對簡單，因此P2P技術(shù)在直播服務中發(fā)展迅速。2004年，香港科技大學開發(fā)的CoolStreaming原型系統(tǒng)將高可擴展和高可靠性的網(wǎng)狀多播協(xié)議應用在P2P直播系統(tǒng)當中，被譽為流媒體直播方面的里程碑，后期出現(xiàn)的PPLive和PPStream等系統(tǒng)都沿用了其網(wǎng)狀多播模式。P2P直播是最能體現(xiàn) P2

2、P價值的表現(xiàn)，用戶觀看同一個節(jié)目，內(nèi)容趨同，因此可以充分利用P2P的傳遞能力,理論上，在上 / 下行帶寬對等的基礎上，在線用戶數(shù)可以無限擴展。1.1.2 點播與直播領(lǐng)域相對應，在 P2P流媒體點播服務中，用戶可以選擇節(jié)目列表中的任意節(jié)目觀看。在點播領(lǐng)域,P2P技術(shù)的發(fā)展速度相對緩慢，一方面是因為點播當中的高度交互性實現(xiàn)的復雜程度較高；另一方面是節(jié)目源版權(quán)因素對P2P點播技術(shù)的阻礙。目前，P2P的點播技術(shù)主要朝著適用于點播的應用層傳輸協(xié)議技術(shù)、底層編碼技術(shù)、以及數(shù)字版權(quán)技術(shù)等方面發(fā)展。與P2P流媒體直播不同，P2P流媒體點播終端必須擁有硬盤，其成本高于直播終端。目前P2P點播系統(tǒng)還需在技術(shù)上進一

3、步探索，期望大規(guī)模分布式數(shù)字版權(quán)保護(DRM)系統(tǒng)的研究，以及底層編碼技術(shù)的發(fā)展能為P2P點播系統(tǒng)的實施鋪平道路。1.2P2P 流媒體系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)目前存在很多P2P流媒體的研究成果及實際系統(tǒng)，它們在其覆蓋網(wǎng)絡的組織結(jié)構(gòu)上可以被大體分成兩大類，即基于樹 (Tree-based) 的覆蓋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)驅(qū)動隨機化的覆蓋網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)1 。(1) 基于樹的方法(通常是樹，如圖1大部分系統(tǒng)都可以歸類為基于樹的方法。在這種方法中，節(jié)點被組織成某種傳輸數(shù)據(jù)的拓撲所示)，每個數(shù)據(jù)分組都在同一拓撲上被傳輸。拓撲結(jié)構(gòu)上的節(jié)點有明確定義的關(guān)系，例如，樹結(jié)構(gòu)中的“父節(jié)點 節(jié)點”關(guān)系。這一方法是典型的推送方法，即：當節(jié)點收到

4、數(shù)據(jù)包，它就把該數(shù)據(jù)包的拷貝轉(zhuǎn)發(fā)到它的每一個子節(jié)點。既然所有的數(shù)據(jù)包都遵循這一結(jié)構(gòu)，那么保證這一結(jié)構(gòu)在給所有接受節(jié)點提供高性能時是最優(yōu)的。更進一步，當節(jié)點 隨意加入和離開時，該結(jié)構(gòu)必須得以維持。特別地，如果某節(jié)點突然崩潰或者其性能顯著下降，它在該樹結(jié)構(gòu)上所有 的后代節(jié)點都停止接收數(shù)據(jù)，且該樹結(jié)構(gòu)必須被修復。最后，當組建基于樹的結(jié)構(gòu)時，避免出現(xiàn)環(huán)是一個必須要解決 的重要問題。基于樹的方法可能是最自然的方法，不需要復雜的視頻編碼算法。然而，其中需要重點考慮的一個問題 是節(jié)點失效，特別地，靠近樹根的節(jié)點失效將中斷大量用戶的數(shù)據(jù)傳輸，潛在地帶來瞬時低性能的結(jié)果。此外，在該結(jié)構(gòu)中大多數(shù)節(jié)點都是葉子節(jié)點，

5、他們的上行帶寬沒有被使用到。為了解決這些問題，已有研究提出了一些帶有彈性的結(jié)構(gòu)，如基于多重樹的方法2-3。作者：王洪波馬軼慧均圖1基于楙的奇堿舞 tt傳輪(2) 數(shù)據(jù)驅(qū)動方法近年來，人們又提出用于P2P的數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法。數(shù)據(jù)驅(qū)動的覆蓋網(wǎng)絡與基于樹結(jié)構(gòu)的最大不同在于它不組建P2P環(huán)境下不斷地修和維護一個傳輸數(shù)據(jù)的明顯拓撲結(jié)構(gòu)，它用數(shù)據(jù)的可用性去引導數(shù)據(jù)流，而并不是在高度動態(tài)的 復拓撲結(jié)構(gòu)。一個不用明確維護拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分發(fā)方法是使用Gossip協(xié)議。在典型的 Gossip協(xié)議中，節(jié)點給一組隨機選 擇的節(jié)點發(fā)送最近生成的消息；這些節(jié)點在下一次做同樣的動作，其他節(jié)點也做同樣的動作，直到該消息傳送到所

6、有 節(jié)點。對Gossip目標節(jié)點進行隨機選擇可以在存在隨機失效的情況下使系統(tǒng)獲得較好的健壯性，另外還可以避免中心 化操作。然而，Gossip不能直接用作視頻廣播，因為其隨機推送可能導致高帶寬視頻的大量冗余。此外，在沒有明確的拓撲結(jié)構(gòu)支持下，最小化啟動和傳輸時延成為主要問題。為了解決這些問題，一些解決方案 ，例如 Chainsaw4 、Cool-Streaming5 采用拉取技術(shù)，即：節(jié)點維持一組伙伴并周期性地同伙伴交換 數(shù)據(jù)可用性信息，接著節(jié)點可以從一個或多個伙伴找回沒有獲得的數(shù)據(jù)，或著提供可用數(shù)據(jù)給伙伴。由于節(jié)點只在沒有數(shù)據(jù)時去主動獲取，所以避免了冗余。此外，由于任一數(shù)據(jù)塊可能在多個伙伴上可

7、用，所以覆蓋網(wǎng)絡對時效是健壯的。最后，隨機化的伙伴關(guān)系意味著節(jié)點間的潛在的可用帶寬可以被完全利用。2 P2P 流媒體中的關(guān)鍵技術(shù)由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點存在不穩(wěn)定性，P2P流媒體系統(tǒng)需要解決如下幾個關(guān)鍵技術(shù)6:文件定位、節(jié)點選擇、容錯以及安全機制等。2.1 文件定位技術(shù)流媒體服務實時性強，快速準確的文件定位是流媒體系統(tǒng)要解決的基本問題之一。在P2P流媒體系統(tǒng)中，新加入的客戶在覆蓋網(wǎng)絡中以P2P的文件查找方式，找到可提供所需媒體內(nèi)容的節(jié)點并建立連接，接受這些節(jié)點提供的媒體內(nèi)容。P2P方式的文件查找研究是近年來P2P計算的一個研究熱點。在P2P網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中常用的文件定位方式是通過分布式哈希表（DH

8、T）算法7來實現(xiàn)，每個文件經(jīng)哈希運算后得到一個唯一的標識符，每個節(jié)點也對應一個標識符，文件存儲到與其標識符相近的節(jié)點中。查找文件時，首先哈希運算文件名得到該文件的標識符，通過不同的路由算法找到存放該文件的節(jié)點。雖然 DHT方式查找文件快速有效，但是也存在一些固有的問題，如DHT是將文件均勻分布在各個節(jié)點上，不能反映媒體文件的熱門度，導致負載的不均衡；其次DHT不能提供關(guān)鍵字的搜索，如同時包含媒體文件名、媒體類型等豐富信息的文件的查詢。文獻8在泛洪機制基礎上做了改進，在無結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡中采用了或然性的泛洪技術(shù)，通過或然性的分析選取優(yōu)化的分支進行泛洪操作，從而使其伸縮性比正常泛洪機制提高99%

9、DirectStream9 是一個基于目錄的 P2P流媒體點播系統(tǒng)，其媒體文件的查找方式是通過目錄服務器來維護所有媒體服務器信息和客戶信息（ 包括 IP 地址、緩沖大小等）。當新客戶的請求到達時，在目錄中查找請求的媒體文件，快速返回侯選節(jié)點，侯選節(jié)點可以是媒體服務器，也可以是可提供該影片片段的客戶，從而具有P2P的特性。但是由于其目錄服務器的集中式管理,DirectStream 系統(tǒng)的規(guī)模受到了限制。2.2 節(jié)點的選擇在一個典型的P2P覆蓋網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡中的節(jié)點來自各個不同自治域，節(jié)點可以在任一時間自由地加入或離開覆蓋網(wǎng)絡，導致覆蓋網(wǎng)絡具有很大的動態(tài)性和不可控性。因此，如何在服務會話初始時，確定

10、一個相對穩(wěn)定的可提供一定服務質(zhì)量（QoS保證的服務節(jié)點或節(jié)點集合是P2P流媒體系統(tǒng)迫切需要解決的問題。節(jié)點的選擇可以根據(jù)不同的QoS需求采取不同的選擇策略。若希望服務延遲小，可以選擇鄰近的節(jié)點快速建立會話，如在 局域網(wǎng) 內(nèi)有提供服務的節(jié)點，就不選擇互聯(lián)網(wǎng)上的節(jié)點，這也可以避免互聯(lián)網(wǎng)上的帶寬波動和擁塞；若希望高質(zhì)量服務，則可選擇能夠提供高帶寬、CPU能力強的節(jié)點，如在寬帶 接入的PC機和不對稱數(shù)字用戶線（ADSL接入 的終端之間選擇前者；若希望得到較穩(wěn)定的服務，應選擇相對穩(wěn)定的節(jié)點，如在系統(tǒng)中停留時間較長，不會頻繁加入 或退出系統(tǒng)的或正在接受服務的節(jié)點。 通常選擇的策略是上述幾種需求的折衷。 具

11、有代表性的節(jié)點選擇機制有： PROMISE體系中的端到端的選擇機制和感知拓撲的選擇機制、P2Cast系統(tǒng)的“最合適” （Best Fit ，簡稱 BF）節(jié)點選擇算法等。2.3 容錯機制 由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點的動態(tài)性，正在提供服務的節(jié)點可能會離開系統(tǒng)，傳輸鏈路也可能因擁塞而失效。為了保證接受服務的連續(xù)性，必須采取一些容錯機制使系統(tǒng)的服務能力不受影響或盡快恢復。對于節(jié)點失效的問題，可以采取主備用節(jié)點的方式容錯。在選擇發(fā)送節(jié)點時，應選擇多個服務節(jié)點，其中某個節(jié)點 （集）作為活動節(jié)點 （集），其余節(jié)點則作為備用節(jié)點。當活動節(jié)點失效時則由備用節(jié)點繼續(xù)提供服務。值得研究的 問題是如何快速有效地檢測節(jié)

12、點的失效，以及如何保證在主備用節(jié)點切換的過程中流媒體服務的連續(xù)性。流媒體服務 的實時性較強，因此節(jié)點的故障檢測時間應盡可能短，才能保證服務不中斷。目前有大量關(guān)于如何縮短故障檢測時間的研究，大都是采用軟狀態(tài)協(xié)議詢問節(jié)點的存在，需要考慮詢問頻度與詢問消息開銷之間的折衷。數(shù)據(jù)的編碼技術(shù)也可以提供系統(tǒng)的容錯性，如前向錯誤編碼（FEC）和多描述編碼（MDC）。FEC通過給壓縮后的媒體碼流加上一定的冗余信息來有效地提高系統(tǒng)的容錯性，而MDC勺基本思想是對同一媒體流的內(nèi)容米用多種方式進行描述，每一種描述都可以單獨解碼并獲得可以接受的解碼質(zhì)量，多個描述方式結(jié)合起來可以使解碼質(zhì)量得到增強。這FEC和 MDC吉兩

13、種編碼都能適應客戶異構(gòu)性的特點，客戶可以根據(jù)自己的能力選擇收取多少數(shù)據(jù)進行解碼。此外，將 合，能取得更好的容錯效果。2.4 安全機制網(wǎng)絡安全是P2P流媒體系統(tǒng)的基本要求，必須通過安全領(lǐng)域的身份識別認證、授權(quán)、數(shù)據(jù)完整性、保密性和不DRM技術(shù)控制；對于基于企業(yè)級的P2P流可否認性等技術(shù)，對 P2P信息進行安全控制。對產(chǎn)權(quán)的控制，現(xiàn)階段可采用媒體播出系統(tǒng)可以安裝防火墻阻止非法用戶訪問；因特網(wǎng)上的P2P流媒體系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)包加密方式保證安全。在P2P流媒體系統(tǒng)內(nèi)，可采用用戶分級授權(quán)的辦法，阻止非法訪問。3 P2P 流媒體的應用網(wǎng)絡的迅猛發(fā)展和普及為P2P流媒體業(yè)務發(fā)展提供了強大市場動力，P2P流媒

14、體技術(shù)的應用將為網(wǎng)絡信息交流帶來革命性變化。目前常見的P2P流媒體的應用主要有:(1) 視頻點播(VOD):這是最常見、最流行的流媒體應用類型。(2) 視頻廣播：視頻廣播可以看作是視頻點播的擴展，它把節(jié)目源組織成頻道，以廣播的方式提供。(3) 交互式網(wǎng)絡電視 (IPTV) : IPTV 利用流媒體技術(shù)通過寬帶網(wǎng)絡傳輸數(shù)字電視信號給用戶，這種應用有效地將電視、 電信和計算機 3 個領(lǐng)域結(jié)合在一起，具有很好的發(fā)展前景。(4) 遠程教學:遠程教學目前應用也比較廣泛，而且具有很好的市場應用前景。遠程教學可以看作是前面多種應用類型的綜合，在遠程教學中，可以采用多種模式，甚至混合的方式實現(xiàn)。遠程教學以應用

15、對象明確、內(nèi)容豐富實用、 運營模式成熟，成為目前商業(yè)上較為成功的流媒體應用(5) 交互游戲:需要通過流媒體的方式傳遞游戲場景的交互游戲近年來得到了迅速的發(fā)展。其他流媒體系統(tǒng)的一些新的應用和服務，例如虛擬現(xiàn)實漫游、無線流媒體、個人數(shù)字助理 (PDA)等也在迅速地變革和發(fā)展。4 結(jié)束語P2P 流媒體發(fā)展如此迅速，目前，諸如CoolStreaming、PPLive等P2P流媒體軟件吸引了大量的用戶，顯示出了巨大的生命力，但是另一方面構(gòu)建一個有效的P2P流媒體系統(tǒng)還面臨著許多挑戰(zhàn):(1) 管理節(jié)點并建立發(fā)布樹為了給大量的接收者提供媒體內(nèi)容，構(gòu)建應用級多播樹的方法應用較廣，但建立有效的多播樹，并在節(jié)點不斷加入和退出時維護多播樹存在一定難度。(2