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(diǎn)播系統(tǒng)，此外近期還出現(xiàn)了一些既可以提供直播服務(wù)也可以提供點(diǎn)播服務(wù)的 P2P 流媒體系統(tǒng)。1.1.1 直播在流媒體直播服務(wù)中，用戶只能按照節(jié)目列表收看當(dāng)前正在播放的節(jié)目。在直播領(lǐng)域，交互性較少，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此P2P技術(shù)在直播服務(wù)中發(fā)展迅速。2004年，香港科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的CoolStreaming原型系統(tǒng)將高可擴(kuò)展和高可靠性的網(wǎng)狀多播協(xié)議應(yīng)用在P2P直播系統(tǒng)當(dāng)中，被譽(yù)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(jià)值的表現(xiàn)，用戶觀看同一個(gè)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(duì)等的基礎(chǔ)上，在線用戶數(shù)可以無(wú)限擴(kuò)展。1.1.2 點(diǎn)播與直播領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)，在 P2P流媒體點(diǎn)播服務(wù)中，用戶可以選擇節(jié)目列表中的任意節(jié)目觀看。在點(diǎn)播領(lǐng)域,P2P技術(shù)的發(fā)展速度相對(duì)緩慢，一方面是因?yàn)辄c(diǎn)播當(dāng)中的高度交互性實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度較高；另一方面是節(jié)目源版權(quán)因素對(duì)P2P點(diǎn)播技術(shù)的阻礙。目前，P2P的點(diǎn)播技術(shù)主要朝著適用于點(diǎn)播的應(yīng)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(diǎn)播終端必須擁有硬盤(pán)，其成本高于直播終端。目前P2P點(diǎn)播系統(tǒng)還需在技術(shù)上進(jìn)一

3、步探索，期望大規(guī)模分布式數(shù)字版權(quán)保護(hù)(DRM)系統(tǒng)的研究，以及底層編碼技術(shù)的發(fā)展能為P2P點(diǎn)播系統(tǒng)的實(shí)施鋪平道路。1.2P2P 流媒體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)目前存在很多P2P流媒體的研究成果及實(shí)際系統(tǒng)，它們?cè)谄涓采w網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)上可以被大體分成兩大類(lèi)，即基于樹(shù) (Tree-based) 的覆蓋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)隨機(jī)化的覆蓋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1 。(1) 基于樹(shù)的方法(通常是樹(shù)，如圖1大部分系統(tǒng)都可以歸類(lèi)為基于樹(shù)的方法。在這種方法中，節(jié)點(diǎn)被組織成某種傳輸數(shù)據(jù)的拓?fù)渌?，每個(gè)數(shù)據(jù)分組都在同一拓?fù)渖媳粋鬏?。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的節(jié)點(diǎn)有明確定義的關(guān)系，例如，樹(shù)結(jié)構(gòu)中的“父節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)”關(guān)系。這一方法是典型的推送方法，即：當(dāng)節(jié)點(diǎn)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(gè)子節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)提供高性能時(shí)是最優(yōu)的。更進(jìn)一步，當(dāng)節(jié)點(diǎn) 隨意加入和離開(kāi)時(shí)，該結(jié)構(gòu)必須得以維持。特別地，如果某節(jié)點(diǎn)突然崩潰或者其性能顯著下降，它在該樹(shù)結(jié)構(gòu)上所有 的后代節(jié)點(diǎn)都停止接收數(shù)據(jù)，且該樹(shù)結(jié)構(gòu)必須被修復(fù)。最后，當(dāng)組建基于樹(shù)的結(jié)構(gòu)時(shí)，避免出現(xiàn)環(huán)是一個(gè)必須要解決 的重要問(wèn)題。基于樹(shù)的方法可能是最自然的方法，不需要復(fù)雜的視頻編碼算法。然而，其中需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題 是節(jié)點(diǎn)失效，特別地，靠近樹(shù)根的節(jié)點(diǎn)失效將中斷大量用戶的數(shù)據(jù)傳輸，潛在地帶來(lái)瞬時(shí)低性能的結(jié)果。此外，在該結(jié)構(gòu)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都是葉子節(jié)點(diǎn)，

5、他們的上行帶寬沒(méi)有被使用到。為了解決這些問(wèn)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(shù)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(dòng)方法近年來(lái)，人們又提出用于P2P的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的覆蓋網(wǎng)絡(luò)與基于樹(shù)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(hù)一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的明顯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它用數(shù)據(jù)的可用性去引導(dǎo)數(shù)據(jù)流，而并不是在高度動(dòng)態(tài)的 復(fù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個(gè)不用明確維護(hù)拓?fù)浣Y(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(diǎn)給一組隨機(jī)選 擇的節(jié)點(diǎn)發(fā)送最近生成的消息；這些節(jié)點(diǎn)在下一次做同樣的動(dòng)作，其他節(jié)點(diǎn)也做同樣的動(dòng)作，直到該消息傳送到所

6、有 節(jié)點(diǎn)。對(duì)Gossip目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)選擇可以在存在隨機(jī)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?yàn)槠潆S機(jī)推送可能導(dǎo)致高帶寬視頻的大量冗余。此外，在沒(méi)有明確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持下，最小化啟動(dòng)和傳輸時(shí)延成為主要問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，一些解決方案 ，例如 Chainsaw4 、Cool-Streaming5 采用拉取技術(shù)，即：節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可以從一個(gè)或多個(gè)伙伴找回沒(méi)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(diǎn)只在沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)去主動(dòng)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(gè)伙伴上可

7、用，所以覆蓋網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)效是健壯的。最后，隨機(jī)化的伙伴關(guān)系意味著節(jié)點(diǎn)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(diǎn)存在不穩(wěn)定性，P2P流媒體系統(tǒng)需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)6:文件定位、節(jié)點(diǎn)選擇、容錯(cuò)以及安全機(jī)制等。2.1 文件定位技術(shù)流媒體服務(wù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，快速準(zhǔn)確的文件定位是流媒體系統(tǒng)要解決的基本問(wèn)題之一。在P2P流媒體系統(tǒng)中，新加入的客戶在覆蓋網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)并建立連接，接受這些節(jié)點(diǎn)提供的媒體內(nèi)容。P2P方式的文件查找研究是近年來(lái)P2P計(jì)算的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中常用的文件定位方式是通過(guò)分布式哈希表（DH

8、T）算法7來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)文件經(jīng)哈希運(yùn)算后得到一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，每個(gè)節(jié)點(diǎn)也對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)識(shí)符，文件存儲(chǔ)到與其標(biāo)識(shí)符相近的節(jié)點(diǎn)中。查找文件時(shí)，首先哈希運(yùn)算文件名得到該文件的標(biāo)識(shí)符，通過(guò)不同的路由算法找到存放該文件的節(jié)點(diǎn)。雖然 DHT方式查找文件快速有效，但是也存在一些固有的問(wèn)題，如DHT是將文件均勻分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，不能反映媒體文件的熱門(mén)度，導(dǎo)致負(fù)載的不均衡；其次DHT不能提供關(guān)鍵字的搜索，如同時(shí)包含媒體文件名、媒體類(lèi)型等豐富信息的文件的查詢。文獻(xiàn)8在泛洪機(jī)制基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，在無(wú)結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)中采用了或然性的泛洪技術(shù)，通過(guò)或然性的分析選取優(yōu)化的分支進(jìn)行泛洪操作，從而使其伸縮性比正常泛洪機(jī)制提高99%

9、DirectStream9 是一個(gè)基于目錄的 P2P流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)，其媒體文件的查找方式是通過(guò)目錄服務(wù)器來(lái)維護(hù)所有媒體服務(wù)器信息和客戶信息（ 包括 IP 地址、緩沖大小等）。當(dāng)新客戶的請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，在目錄中查找請(qǐng)求的媒體文件，快速返回侯選節(jié)點(diǎn)，侯選節(jié)點(diǎn)可以是媒體服務(wù)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(wù)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(diǎn)的選擇在一個(gè)典型的P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來(lái)自各個(gè)不同自治域，節(jié)點(diǎn)可以在任一時(shí)間自由地加入或離開(kāi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致覆蓋網(wǎng)絡(luò)具有很大的動(dòng)態(tài)性和不可控性。因此，如何在服務(wù)會(huì)話初始時(shí)，確定

10、一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的可提供一定服務(wù)質(zhì)量（QoS保證的服務(wù)節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)集合是P2P流媒體系統(tǒng)迫切需要解決的問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)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(wù)延遲小，可以選擇鄰近的節(jié)點(diǎn)快速建立會(huì)話，如在 局域網(wǎng) 內(nèi)有提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)，就不選擇互聯(lián)網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)，這也可以避免互聯(lián)網(wǎng)上的帶寬波動(dòng)和擁塞；若希望高質(zhì)量服務(wù)，則可選擇能夠提供高帶寬、CPU能力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，如在寬帶 接入的PC機(jī)和不對(duì)稱(chēng)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(wù)，應(yīng)選擇相對(duì)穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)，如在系統(tǒng)中停留時(shí)間較長(zhǎng)，不會(huì)頻繁加入 或退出系統(tǒng)的或正在接受服務(wù)的節(jié)點(diǎn)。 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(diǎn)選擇機(jī)制有： PROMISE體系中的端到端的選擇機(jī)制和感知拓?fù)涞倪x擇機(jī)制、P2Cast系統(tǒng)的“最合適” （Best Fit ，簡(jiǎn)稱(chēng) BF）節(jié)點(diǎn)選擇算法等。2.3 容錯(cuò)機(jī)制 由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性，正在提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)離開(kāi)系統(tǒng)，傳輸鏈路也可能因擁塞而失效。為了保證接受服務(wù)的連續(xù)性，必須采取一些容錯(cuò)機(jī)制使系統(tǒng)的服務(wù)能力不受影響或盡快恢復(fù)。對(duì)于節(jié)點(diǎn)失效的問(wèn)題，可以采取主備用節(jié)點(diǎn)的方式容錯(cuò)。在選擇發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇多個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，其中某個(gè)節(jié)點(diǎn) （集）作為活動(dòng)節(jié)點(diǎn) （集），其余節(jié)點(diǎn)則作為備用節(jié)點(diǎn)。當(dāng)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)則由備用節(jié)點(diǎn)繼續(xù)提供服務(wù)。值得研究的 問(wèn)題是如何快速有效地檢測(cè)節(jié)

12、點(diǎn)的失效，以及如何保證在主備用節(jié)點(diǎn)切換的過(guò)程中流媒體服務(wù)的連續(xù)性。流媒體服務(wù) 的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，因此節(jié)點(diǎn)的故障檢測(cè)時(shí)間應(yīng)盡可能短，才能保證服務(wù)不中斷。目前有大量關(guān)于如何縮短故障檢測(cè)時(shí)間的研究，大都是采用軟狀態(tài)協(xié)議詢問(wèn)節(jié)點(diǎn)的存在，需要考慮詢問(wèn)頻度與詢問(wèn)消息開(kāi)銷(xiāo)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(cuò)性，如前向錯(cuò)誤編碼（FEC）和多描述編碼（MDC）。FEC通過(guò)給壓縮后的媒體碼流加上一定的冗余信息來(lái)有效地提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性，而MDC勺基本思想是對(duì)同一媒體流的內(nèi)容米用多種方式進(jìn)行描述，每一種描述都可以單獨(dú)解碼并獲得可以接受的解碼質(zhì)量，多個(gè)描述方式結(jié)合起來(lái)可以使解碼質(zhì)量得到增強(qiáng)。這FEC和 MDC吉兩

13、種編碼都能適應(yīng)客戶異構(gòu)性的特點(diǎn)，客戶可以根據(jù)自己的能力選擇收取多少數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。此外，將 合，能取得更好的容錯(cuò)效果。2.4 安全機(jī)制網(wǎng)絡(luò)安全是P2P流媒體系統(tǒng)的基本要求，必須通過(guò)安全領(lǐng)域的身份識(shí)別認(rèn)證、授權(quán)、數(shù)據(jù)完整性、保密性和不DRM技術(shù)控制；對(duì)于基于企業(yè)級(jí)的P2P流可否認(rèn)性等技術(shù)，對(duì) P2P信息進(jìn)行安全控制。對(duì)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(wèn)；因特網(wǎng)上的P2P流媒體系統(tǒng)可以通過(guò)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(jí)授權(quán)的辦法，阻止非法訪問(wèn)。3 P2P 流媒體的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展和普及為P2P流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展提供了強(qiáng)大市場(chǎng)動(dòng)力，P2P流媒

14、體技術(shù)的應(yīng)用將為網(wǎng)絡(luò)信息交流帶來(lái)革命性變化。目前常見(jiàn)的P2P流媒體的應(yīng)用主要有:(1) 視頻點(diǎn)播(VOD):這是最常見(jiàn)、最流行的流媒體應(yīng)用類(lèi)型。(2) 視頻廣播：視頻廣播可以看作是視頻點(diǎn)播的擴(kuò)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(luò)電視 (IPTV) : IPTV 利用流媒體技術(shù)通過(guò)寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字電視信號(hào)給用戶，這種應(yīng)用有效地將電視、 電信和計(jì)算機(jī) 3 個(gè)領(lǐng)域結(jié)合在一起，具有很好的發(fā)展前景。(4) 遠(yuǎn)程教學(xué):遠(yuǎn)程教學(xué)目前應(yīng)用也比較廣泛，而且具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。遠(yuǎn)程教學(xué)可以看作是前面多種應(yīng)用類(lèi)型的綜合，在遠(yuǎn)程教學(xué)中，可以采用多種模式，甚至混合的方式實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程教學(xué)以應(yīng)用

15、對(duì)象明確、內(nèi)容豐富實(shí)用、 運(yùn)營(yíng)模式成熟，成為目前商業(yè)上較為成功的流媒體應(yīng)用(5) 交互游戲:需要通過(guò)流媒體的方式傳遞游戲場(chǎng)景的交互游戲近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。其他流媒體系統(tǒng)的一些新的應(yīng)用和服務(wù)，例如虛擬現(xiàn)實(shí)漫游、無(wú)線流媒體、個(gè)人數(shù)字助理 (PDA)等也在迅速地變革和發(fā)展。4 結(jié)束語(yǔ)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(gè)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(diǎn)并建立發(fā)布樹(shù)為了給大量的接收者提供媒體內(nèi)容，構(gòu)建應(yīng)用級(jí)多播樹(shù)的方法應(yīng)用較廣，但建立有效的多播樹(shù)，并在節(jié)點(diǎn)不斷加入和退出時(shí)維護(hù)多播樹(shù)存在一定難度。(2