基于3G網(wǎng)絡(luò)的移動P2P視頻直播技術(shù)研究報告

-.z基于3G網(wǎng)絡(luò)的移動P2P視頻直播技術(shù)研究引言隨著3G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的逐漸成熟和移動終端的普及，移動流媒體業(yè)務(wù)成為移動增值業(yè)務(wù)開展的必然趨勢。它滿足了人們追求能夠更隨時、隨地、隨意的獲得多媒體信息的需求，權(quán)威機構(gòu)預(yù)測流媒體業(yè)務(wù)將是3G網(wǎng)絡(luò)上的主導(dǎo)業(yè)務(wù)。3G網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)為移動流媒體業(yè)務(wù)的開展提供了物理根底，但是有限的移動網(wǎng)絡(luò)帶寬和快速增長的移動流媒體業(yè)務(wù)，使得傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的C/S模式無法適應(yīng)移動網(wǎng)絡(luò)的需求。而隨著移動通信與計算機網(wǎng)絡(luò)的不斷融合，在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域飛速開展的P2P技術(shù)進入了人們的視野，如果把P2P應(yīng)用在移動通信領(lǐng)域，就能解決移動流媒體在信息源上的瓶頸。本文在充分分析了P2P視頻直播技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)的特點后，提出了一種面向3G環(huán)境下移動終端〔如手機、PDA等〕的混合型移動P2P視頻直播效勞模型。該模型適用于3G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，它將視頻資源的發(fā)現(xiàn)和處理分開，從根本上減少移動終端設(shè)備的計算負擔和中心效勞器的負載，同時利用P2P技術(shù)進展數(shù)據(jù)分發(fā)，提高資源利用率，減小網(wǎng)絡(luò)延遲，從而提高了移動視頻直播業(yè)務(wù)的效勞質(zhì)量。經(jīng)實際測試，證明了模型的實時性、有效性和穩(wěn)定性，同時，40也為未來移動通信網(wǎng)絡(luò)下的其它移動P2P應(yīng)用、移動增值業(yè)務(wù)的開發(fā)提供了參考和借鑒。1.13G3G是英文3rdGeneration的縮寫，意為第三代移動通信技術(shù)，是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動通信系統(tǒng)，相對第一代模擬制式手機(1G)和第二代GSM、CDMA等數(shù)字手機(2G)，第三代手機(3G)能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、會議、電子商務(wù)等多種信息效勞。隨著中國3G技術(shù)及市場的進一步開展，亞洲必將成為全球3G業(yè)務(wù)的中心，由3G業(yè)務(wù)所帶來的前所未有的通信革命以及由此帶來的拉丁美洲、非洲等地電信市場的飛速開展，必將給各大運營商和移動設(shè)備提供商帶來豐厚的利潤，而用戶也將享受更加便捷的各種3G增值業(yè)務(wù)，3G將更加貼近用戶的生活需求。1.2P2P視頻直播技術(shù)P2P視頻直播是目前互聯(lián)網(wǎng)最流行的一種網(wǎng)絡(luò)流媒體播送方式，它利用P2P的原理來建立播放網(wǎng)絡(luò)，從而到達節(jié)省效勞端帶寬消耗、減輕效勞端處理壓力的目的。目前國內(nèi)外比較成功的P2P視頻直播軟件主要有PPLive、PPStream、QQLive和沸點等。PPLive是目前國內(nèi)知名度最高、用戶數(shù)最多、覆蓋面最廣的網(wǎng)絡(luò)視頻直播軟件。它采用的是比較前沿的P2P技術(shù)，有別于其他同類軟件，它的內(nèi)核采用了獨特的ALM多播和內(nèi)聚算法技術(shù)，有效地降低了視頻傳輸對運營商主干網(wǎng)的沖擊，減少了出口帶寬流量，并能夠?qū)崿F(xiàn)用戶越多播放越流暢的特性，有效解決了當前網(wǎng)絡(luò)視頻點播效勞的帶寬和負載有限問題，使得整體效勞質(zhì)量大大提高。同時，在同類的網(wǎng)絡(luò)電視軟件中，PPLive有效的解決了內(nèi)網(wǎng)穿透問題，開發(fā)出了目前最領(lǐng)先的“穿透內(nèi)網(wǎng)自動翻開UPnP功能〞技術(shù)，并解除Win*P對TCP的連接數(shù)的限制，還有效的使得PPLive能夠方便的穿透防火墻。以上種種都為局域及各種內(nèi)網(wǎng)用戶提供了最大程度上的便利。1.33G平臺移動P2P視頻直播效勞面臨的限制和挑戰(zhàn)與傳統(tǒng)Internet下的P2P視頻直播相比，在移動終端上實現(xiàn)移動P2P視頻直播效勞具有一些新的限制和挑戰(zhàn)：(1)移動終端：移動設(shè)備CPU的處理能力、可用的存儲空間、電池使用時間的限制等等和固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備相比是有很大的差距，這使得它不能像固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的P2P視頻直播系統(tǒng)那樣長期提供快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸效勞；(2)業(yè)務(wù)流量：P2P視頻直播應(yīng)用會消耗相當大的網(wǎng)絡(luò)流量，而無線資源又是非常有限的，因此必須在P2P業(yè)務(wù)和無線資源消耗之間取得一種新的平衡點，這就決定了在互聯(lián)網(wǎng)中普遍使用的全分布式P2P系統(tǒng)架構(gòu)無法平移到移動無線通信網(wǎng)絡(luò)中來；(3)相對惡劣的信道環(huán)境和移動性：在3G平臺無線網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)?？赡芤驗闊o線信號的多徑衰落和信道擁塞等問題造成P2P節(jié)點之間的連通性不能得到保障，而移動環(huán)境下節(jié)點的頻繁移動性對現(xiàn)有的P2P業(yè)務(wù)而言也是個很大的挑戰(zhàn)，P2P應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)造不能同步地適應(yīng)物理網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，因而必須進展實時監(jiān)聽以便及時感知移動終端設(shè)備的狀態(tài)；(4)計費模式：在移動通信網(wǎng)絡(luò)中部署P2P業(yè)務(wù)，首先要解決的是計費問題。有兩種策略可以考慮：一種是把P2P網(wǎng)絡(luò)修改成一種可管理的網(wǎng)絡(luò)，納入現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)的計費架構(gòu)中去計費；另一種策略是保持P2P業(yè)務(wù)的純潔性，采用簡單而粗略的計費方式，比方“按流量計費〞?？傊?，在移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當中，全面的計費模式是其面臨的主要問題之一；(5)平安問題：對移動P2P網(wǎng)絡(luò)而言，通信平安、內(nèi)容平安、網(wǎng)絡(luò)平安、數(shù)字等同樣是其必須面臨解決的問題。固定網(wǎng)絡(luò)P2P業(yè)務(wù)所帶來的法律問題是絕對不能出現(xiàn)在移動通信網(wǎng)絡(luò)中的，所以數(shù)字管理問題、P2P網(wǎng)絡(luò)垃圾信息過濾、P2P網(wǎng)絡(luò)病毒隔離、P2P網(wǎng)絡(luò)本身構(gòu)造的平安問題都是必須解決的，這對移動運營商而言是一個最大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)過以上分析和研究，本文設(shè)計了如下的模型架構(gòu)。在P2P直播系統(tǒng)中，P2P網(wǎng)絡(luò)模型的選取對系統(tǒng)的建立及效率有極大影響。P2P通常有三種不同的網(wǎng)絡(luò)模式，即全分布式、集中式和混合式。通過對移動P2P視頻直播效勞所面臨的限制和挑戰(zhàn)的分析，全分布式P2P并不適合開發(fā)移動P2P視頻直播應(yīng)用。集中式P2P雖然能夠最大限度控制網(wǎng)絡(luò)傳輸，但是中心效勞器必須保存網(wǎng)絡(luò)中所有移動終端的全部信息，從而大大地增加了中心效勞器的負荷，同時由于容易遭到直接的攻擊而存在嚴重的平安性問題，因而不適用于大型的移動P2P網(wǎng)絡(luò)。混合型P2P集中了分布式和集中式二者的優(yōu)點，能夠有效地控制和利用網(wǎng)絡(luò)資源，同時又具有抗攻擊性能強的優(yōu)勢，是移動P2P網(wǎng)絡(luò)模型的最正確選擇。因而本文采用了一種混合型的P2P視頻直播效勞模型，將視頻資源的發(fā)現(xiàn)和處理分開，從根本上減少移動終端的計算負擔和中心效勞器的負荷，最大程度上實現(xiàn)資源的廣泛共享和系統(tǒng)的有效控制。3G平臺移動P2P視頻直播效勞網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示：1.移動P2P視頻直播系統(tǒng)模型效勞端由索引效勞器〔IS〕、狀態(tài)效勞器〔ES〕、數(shù)據(jù)效勞器〔DS〕和代理網(wǎng)關(guān)構(gòu)成；2.索引效勞器為中心效勞器，它實時監(jiān)聽數(shù)據(jù)效勞器的視頻數(shù)據(jù)上傳效勞，對所有視頻數(shù)據(jù)建立索引同時生成*ml格式的節(jié)目列表文件，以備移動終端選擇下載；3.狀態(tài)效勞器在接收到移動終端發(fā)出的頻道請求信息后會建立并維護兩*表：移動節(jié)點狀態(tài)信息表和對應(yīng)的視頻資源片斷狀態(tài)表，同時將視頻資源以片段的形式進展組織并指導(dǎo)其他移動終端用戶進展下載；4.數(shù)據(jù)效勞器為直播數(shù)據(jù)源，向移動終端用戶提供視頻下載效勞，并且定時向狀態(tài)效勞器發(fā)送其狀態(tài)信息；5.代理網(wǎng)關(guān)效勞器接入無線通信網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)移動終端的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議Internet協(xié)議的轉(zhuǎn)換、通信數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)以及計費管理等功能[13]。6.索引效勞器只向移動網(wǎng)絡(luò)中的上線用戶發(fā)送視頻資源列表信息，即負責(zé)視頻資源的發(fā)布工作，不指導(dǎo)終端用戶的下載工作，因而網(wǎng)絡(luò)負載相對較小，可位于無線通信網(wǎng)絡(luò)中；狀態(tài)效勞器和數(shù)據(jù)效勞器的處理工作需要大量的網(wǎng)絡(luò)流量，而無線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，因此只能位于有線網(wǎng)絡(luò)中，這是由混合型P2P網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造所決定的。業(yè)務(wù)流程P2P視頻直播效勞通常采用數(shù)據(jù)分塊策略實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的分發(fā)。當視頻的*一個數(shù)據(jù)塊下載完成后，如何去選擇下一個數(shù)據(jù)塊〔數(shù)據(jù)選擇〕和擁有此數(shù)據(jù)塊的節(jié)點〔節(jié)點選擇〕，是對下載算法、終端性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬的一個嚴峻考驗。由于是直播效勞，我們采用順序下載算法下載數(shù)據(jù)塊，但為了使視頻直播延遲時間到達最小，我們又對單個數(shù)據(jù)塊進展了分片，然后啟動多個線程并行下載這些片段。因此我們采用數(shù)據(jù)分塊+分片策略進展資源控制以實現(xiàn)視頻直播效勞。3G平臺移動P2P視頻直播效勞流程如圖2所示：資源發(fā)布如上圖所示，數(shù)據(jù)效勞器為直播數(shù)據(jù)源，負責(zé)資源發(fā)布工作。當數(shù)據(jù)效勞器發(fā)布*一資源R時，索引效勞器實時監(jiān)聽到數(shù)據(jù)效勞器的R資源發(fā)布信息后將其寫入種子文件，然后賦予該種子文件一個全局唯一標識的資源ID號；同時報告狀態(tài)效勞器該資源R的發(fā)布信息以進展種子信息的同步，并在種子文件中記錄該狀態(tài)效勞器的IP地址和端口號；最后，索引效勞器將資源R的ID號和對應(yīng)狀態(tài)效勞器的IP地址和端口號返回給數(shù)據(jù)效勞器。狀態(tài)效勞器在接收到索引效勞器發(fā)出的資源R的發(fā)布信息后會建立并維護兩*表：移動節(jié)點信息表〔表名為ID_Node_Info，表1〕和對應(yīng)的資源片斷狀態(tài)表〔表名為ID_Res_Pieces，表2〕，表名中的ID即為該資源的全局唯一標識的資源ID號。其中，兩表中的Client_ID為移動節(jié)點的唯一標識，ID_Node_Info表存儲P2P網(wǎng)絡(luò)中實時共享視頻資源R的所有移動節(jié)點的信息；ID_Res_Pieces表存儲這些處于共享資源R狀態(tài)的節(jié)點的片段狀態(tài)信息，片段列數(shù)據(jù)采用位圖法表示，即數(shù)字“0〞表示節(jié)點無該片段，數(shù)字“1〞表示節(jié)點已有該片段。數(shù)據(jù)效勞器根據(jù)索引效勞器返回的狀態(tài)效勞器的IP地址和端口號與狀態(tài)效勞器建立連接，并發(fā)送數(shù)據(jù)效勞器所在位置〔IP地址〕、端口號、資源唯一標識ID、承載能力和當前資源片段狀態(tài)等信息。狀態(tài)效勞器根據(jù)此信息在視頻資源R的兩個表〔ID_Node_Info和ID_Res_Pieces〕中各添加一條記錄，由于數(shù)據(jù)效勞器是視頻資源R的數(shù)據(jù)源，對應(yīng)的ID_Res_Pieces表中片段列數(shù)據(jù)都標示為“1〞。資源共享如前所述，本文中的3G平臺移動P2P視頻直播效勞模型采用數(shù)據(jù)分塊+分片策略來實現(xiàn)視頻直播效勞。移動節(jié)點A進入該P2P網(wǎng)絡(luò)后，向索引效勞器發(fā)送上線消息。索引效勞器接收到節(jié)點A的上線消息后，返回給它一個頻道資源列表，包含資源ID、資源名稱、對應(yīng)狀態(tài)效勞器的IP地址和端口號等信息。假設(shè)移動節(jié)點A選擇觀看頻道R，則它向資源R對應(yīng)的狀態(tài)效勞器發(fā)送初始連接請求，建立連接，同時發(fā)送節(jié)點A所在位置〔IP地址〕、端口號、要下載的資源的ID、承載能力和當前資源片段狀態(tài)等信息。狀態(tài)效勞器接收到節(jié)點A的消息后，判斷節(jié)點A是否為初始連接資源R從而做出相應(yīng)的處理。1.初始連接：根據(jù)資源標識ID在對應(yīng)的兩*表〔ID_Node_Info和ID_Res_Pieces〕中添加新的記錄，其中在ID_Res_Pieces表中，把表示節(jié)點A當前資源片段狀態(tài)的字段Bitmap的值標識為全“0〞，查詢出數(shù)據(jù)效勞器發(fā)送的資源R最新數(shù)據(jù)塊的塊號，搜索出擁有該數(shù)據(jù)塊的所有移動節(jié)點，然后把資源R的最新塊號和根據(jù)影響移動終端下載的多種因素進展權(quán)值計算得到的一批最優(yōu)下載節(jié)點返回給移動節(jié)點A。2.非初始連接：移動節(jié)點A根據(jù)上一次連接后狀態(tài)效勞器返回的最新塊號和節(jié)點地址啟動多個線程進展資源的下載，完成之后將下載成功的片段信息報告給狀態(tài)效勞器以請求下一個數(shù)據(jù)塊的下載。狀態(tài)效勞器收到節(jié)點A的請求后更新ID_Res_Pieces表中節(jié)點A的片段狀態(tài)信息，搜索出擁有該數(shù)據(jù)塊的所有移動節(jié)點，然后把根據(jù)影響移動終端下載的多種因素進展權(quán)值計算得到的一批最優(yōu)下載節(jié)點返回給移動節(jié)點A，如此反復(fù)，直到移動節(jié)點A停頓視頻直播效勞。不同于傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)，無線通信網(wǎng)絡(luò)一般需采用移動IP技術(shù)，因此在本模型中采用移動終端定時報告機制，即移動終端定時向狀態(tài)效勞器發(fā)送心跳包報告其IP地址，狀態(tài)效勞器通過對移動節(jié)點的實時狀態(tài)管理，對數(shù)據(jù)庫中ID_Node_Info和ID_Res_Pieces表做出相應(yīng)的處理，最終保證了視頻直播效勞的可靠性和實時性。視頻播放流媒體文件在傳輸?shù)臅r候要先分解成許多數(shù)據(jù)包，為了使媒體數(shù)據(jù)能連續(xù)輸出，不會因為網(wǎng)絡(luò)暫時擁塞導(dǎo)致視頻播放出現(xiàn)停頓，需要在每個節(jié)點設(shè)置一定的流媒體數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，即采用緩存機制來彌補延遲和抖動的影響，并保證數(shù)據(jù)包的順序正確。本文采用了一種環(huán)式緩存區(qū)，把節(jié)點獲得的流媒體數(shù)據(jù)緩存到本地，保證了視頻播放的流暢性和穩(wěn)定性。實驗結(jié)果與分析針對上述3G平臺移動P2P視頻直播效勞模型，本文通過開發(fā)基于WindowsMobile6.0的客戶端軟件進展測試，客戶端軟件包括資源下載、資源上傳、網(wǎng)絡(luò)通信、系統(tǒng)配置等功能性模塊。測試網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：(1)中國移動TD-SCDMA(2)中國聯(lián)通WCDMA測試設(shè)備：DopodHTCP4550(2臺)、浪潮英信效勞器NT110D(3臺)測試效勞器所在網(wǎng)絡(luò)：中國教育和科研計算機網(wǎng)測試時間段：8：00-11：00、20：00-23：00文件分片策略：TD-SCDMA〔4KB、8KB〕、WCDMA〔4KB、16KB〕文件分片策略、初始緩沖時間及狀態(tài)效勞器每次返回給節(jié)點的片段數(shù)目直接影響著移動P2P視頻直播效勞模型的性能，在實際的測試過程中將每次返回給節(jié)點的片段數(shù)目設(shè)定為32，則P2P視頻直播效勞的性能相對穩(wěn)定。由于受到網(wǎng)絡(luò)通信能力及移動設(shè)備自身的限制，針對兩種不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實驗采取了不同的文件分片策略和初始緩沖時間。實際的測試結(jié)果見表3和表4。從