1、P2P在流媒體中的應用摘要：隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，流媒體服務得到了廣泛的應用，目前主要有兩種方式可以實現(xiàn)提供流媒體音視頻的服務，即客戶端/服務器模式和對等網(wǎng)絡模式。其中對等網(wǎng)絡作為一種傳輸技術，使得大范圍的音視頻在線直播和點播成為可能，成為當前大規(guī)模并發(fā)流媒體服務的主要技術。雖然對等網(wǎng)絡技術推進了流媒體服務的應用，但是仍然存在著許多問題和挑戰(zhàn)，限制了流媒體服務性能的提高。本文介紹了P2P模式的流媒體服務技術，它采用智能節(jié)點彈性重疊網(wǎng)絡流媒體分發(fā)模型來合理利用服務器性能和服務端的網(wǎng)絡資源，以及用戶計算機的空閑能力和用戶端的空閑帶寬，突破了現(xiàn)有流媒體系統(tǒng)面臨的障礙，同時使得流媒體系統(tǒng)以更低的

2、成本提供更高質(zhì)量和更大容量的流媒體服務。最后對引入P2P技術的升級版P4P，保證了流媒體的高速通信，讓現(xiàn)有的網(wǎng)絡變得越來越暢通。 關鍵詞：對等網(wǎng)絡；流媒體；P4P；用戶端；服務器The Application of P2P in Streaming MediaAbstract: With the development of network technologies, streaming services have been widely applied. Nowadays there are two basic and effective methods to implement this

3、application: Client/Server (C/S) and Peer-Peer (P2P). As one kind of transmission technology, P2P makes streaming services on a large scale possible and becomes the popular streaming technology. However, there exist some problems and challenges for P2P streaming framework to impact the development o

4、f streaming.In this paper, we introduce the P2P mode of streaming media services technology, it adopts the intelligent node flexibility overlap network to rationally use the server-side performance and service network resources, as well as the user's computer and the spare capacity of idle clien

5、t bandwidth, breakthroughs the obstacles in the existing streaming media systems，at the same time allows streaming media systems to lower the cost of providing higher quality and greater capacity of the streaming media service. Finally, we introduce an upgraded version P4P of P2P technology, to ensu

6、re a high-speed communications in streaming media and make sure the existing network is becoming clear better and better.Keywords: peer-to-peer, streaming system, P4P, client, server1 概述基于單播C/S 結(jié)構(gòu)的媒體服務器容易成為系統(tǒng)瓶頸，其擴展性不高，不適合流媒體大規(guī)模數(shù)據(jù)的分發(fā)。相應的IP 組播1技術存在固有限制難以部署、CDN2分發(fā)網(wǎng)絡成本過高、只是將瓶頸轉(zhuǎn)移而非消除等問題。因此，P2P 流媒體技術成為研究熱

7、點。P2P 網(wǎng)絡是一個動態(tài)構(gòu)建的自主網(wǎng)，節(jié)點會隨時加入或離開網(wǎng)絡，節(jié)點間的處理能力、存儲能力和帶寬存在異構(gòu)性。且流媒體本身具有其獨特性質(zhì)，如數(shù)據(jù)存儲量大、傳輸持續(xù)時間長、帶寬占用高以及高QoS 要求等。可見，在P2P 流媒體技術中，需要解決如何充分利用節(jié)點資源并減少節(jié)點啟動延時，保證播放的連續(xù)性并有利于系統(tǒng)的擴展性、穩(wěn)定性等問題。文獻3提出單樹結(jié)構(gòu)的P2P 流媒體服務體系，采用單發(fā)送者方式進行媒體分發(fā)。文獻4與文獻5都提出了構(gòu)造多棵組播樹 (multicast tree)來傳輸流媒體文件，但系統(tǒng)只適用于小規(guī)模網(wǎng)絡。文獻6提出建立多個分發(fā)樹來傳輸流媒體文件，類似于Napster，搜索效率比較高，

8、但存在單點失效問題。引起以上問題的原因是多方面的：首先，P2P技術自身發(fā)展就有很多問題(如安全、版權(quán)、隱私保護、網(wǎng)絡帶寬吞噬)需要解決，隨著P2P技術的其他方面應用日趨廣泛，在提高系統(tǒng)效率的同時，勢必將這些問題引入其他系統(tǒng)；更重要的是，P2P技術在給Internet 用戶帶來方便的同時，也給網(wǎng)絡運營商和內(nèi)容提供商帶來了棘手的問題。各類P2P應用的日漸增多，加劇了網(wǎng)絡性能的惡化，降低了其他合法用戶的服務質(zhì)量。另外，P2P網(wǎng)絡流通的內(nèi)容缺乏有效的管理，大量的影音、文件被非法傳播，給內(nèi)容提供商帶來了巨大的經(jīng)濟損失。因此，如何提出一個安全、可控、可管理、可運營的P2P應用模型，為Internet 用戶

9、、網(wǎng)絡運營商和內(nèi)容提供商三方提供共贏的解決方案，是P2P技術長期發(fā)展要解決的頭等大事。2 P2P智能節(jié)點彈性重疊網(wǎng)絡模型本文采用基于移動CDN與P2P網(wǎng)絡融合方案的智能節(jié)點彈性重疊網(wǎng)絡流媒體傳輸模型如 圖1所示。系統(tǒng)總體上分為3層：用戶層，管理層，控制層。為實現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)模可擴展的目的，系統(tǒng)采取按域劃分的思想，根據(jù)地域、機構(gòu)、用戶規(guī)模等準則在不同地域設置管理域主節(jié)點，通過各管理域主節(jié)點管理本域內(nèi)的各終端(Peer)，各域主節(jié)點之間交換管理信息，使系統(tǒng)內(nèi)各Peer節(jié)點按一致策略在系統(tǒng)內(nèi)最優(yōu)的路線上進行通信，提高系統(tǒng)的通信效率，監(jiān)測并對網(wǎng)絡中出現(xiàn)的各類異常作出反應；控制層根據(jù)用戶終端的節(jié)點屬性、用戶屬

10、性等信息配置用戶到相應的管理域，并監(jiān)控管理域內(nèi)各節(jié)點，用戶Peer端所實現(xiàn)的各項業(yè)務則在管理域的控制下完成。圖1 基于移動CDN與P2P的智能彈性重疊網(wǎng)絡 3 P2P流媒體的數(shù)據(jù)傳輸策略一個好的數(shù)據(jù)調(diào)度算法可以有效節(jié)約網(wǎng)絡資源。目前，典型數(shù)據(jù)調(diào)度算法有2 種模式：推模式和拉模式。在推模式中，節(jié)點收到數(shù)據(jù)后不考慮其他節(jié)點的動態(tài)行為而直接轉(zhuǎn)發(fā)。在拉模式中，數(shù)據(jù)的調(diào)度先由鄰居節(jié)點請求驅(qū)動，然后節(jié)點根據(jù)一定算法響應用戶請求。P2P 是一種動態(tài)異構(gòu)網(wǎng)絡，它需要更智能的調(diào)度算法。在已有P2P 流媒體服務體系中，較常用的媒體傳輸策略為補丁流算法和DONet 中基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的拉模式調(diào)度。3.1 補丁流調(diào)度算法

11、補丁流調(diào)度算法系統(tǒng)中的節(jié)目流一般分為2 類：(1)包含完整節(jié)目信息的數(shù)據(jù)流，稱為Regular 流；(2)只包含節(jié)目開始部分很短的一個片斷，稱為Patching 流。圖2 顯示了補丁算法的基本調(diào)度策略，具體如下：在t0 時刻，系統(tǒng)為用戶請求r0 生成Regular 流，其長度為V。設用戶可緩存長度為B的數(shù)據(jù)，新用戶請求r 在t 時刻到達。如果(tt0)B，則系統(tǒng)生成一個包含媒體開始部分0, tt0的Patching 流，長度為tt0。用戶同時接收Regular 流和Patching 流數(shù)據(jù)，并立即播放Patching 流數(shù)據(jù)，而將Regular 流的數(shù)據(jù)暫存到緩沖區(qū)。當用戶播放完Patchin

12、g 流后，播放緩存的Regular 流數(shù)據(jù)，并將接收到的Regular 流數(shù)據(jù)不斷加入緩沖區(qū)。只要生成一個長度很小的Patching 流，就可以讓2 個用戶共享一個Regular流。圖2 補丁流調(diào)度文獻7提出的P2Cast 采用上述算法。在P2Cast 中，節(jié)點加入后，從父節(jié)點處獲得基本流，采用推模式。補丁流從服務器或之前加入的任何節(jié)點處獲取，采用拉模式。P2Cast補丁流應用實例如圖3所示，其中，陰影部分表示Client1已經(jīng)緩存的內(nèi)容。Client2 在t2 到達時，可以從Client1 處獲取補丁流。該類用戶利用本地緩存同時接收2條或多條媒體流的補丁流策略，實現(xiàn)了無延遲的服務。系統(tǒng)盡可能

13、用組播流合并用戶，以維持較高效率。但上述方法較適用于樹狀結(jié)構(gòu)的P2P 媒體服務模型，難以應用于DONet 無結(jié)構(gòu)覆蓋網(wǎng)絡。圖3 P2Cast 補丁流應用實例3.2 DONet 中的數(shù)據(jù)傳輸策略DONet 采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的拉模式調(diào)度策略，節(jié)點用一個緩存映射(Buffer Map, BM)表示自己的緩存狀況，并周期性與鄰居節(jié)點交換BM 了解彼此緩存情況，節(jié)點根據(jù)自己想要的數(shù)據(jù)和BM 來選擇鄰居節(jié)點，并向這些節(jié)點請求缺失的數(shù)據(jù)，屬于數(shù)據(jù)驅(qū)動模式。調(diào)度受以下2個條件約束：(1)每個數(shù)據(jù)片段應該在播放的Deadline 之前到達，使錯過Deadline的片斷盡可能地少；(2)每個節(jié)點的帶寬情況不同。某

14、個片段的提供者越少，就越難滿足Deadline 請求。因此，DONet 統(tǒng)計每個片段的提供者數(shù)量，并采用稀少數(shù)據(jù)優(yōu)先算法，先獲取只有一個提供者的數(shù)據(jù)片段，然后獲取有2個提供者的數(shù)據(jù)片段，依此類推。獲取有多個提供者的片斷時，在保證Deadline 的前提下，選擇帶寬最大的提供者。DONet 同時采用了拉模式，因此，數(shù)據(jù)傳輸過程需要經(jīng)過3個步驟：(1)節(jié)點A 向節(jié)點B 發(fā)送BM 消息；(2)節(jié)點B 根據(jù)節(jié)點A 的BM消息發(fā)送數(shù)據(jù)請求；(3)節(jié)點A 根據(jù)收到的請求給節(jié)點B 發(fā)送相應數(shù)據(jù)。假設A, B 間的傳輸延遲為TAB，發(fā)送BM 和請求的周期為T，交換BM 和請求等待的平均時間為0.5T，數(shù)據(jù)發(fā)送

15、的平均時間也為0.5T，則完成整個傳輸?shù)臅r間如下公式所示：DONet是第1個成功運行的大規(guī)模直播系統(tǒng)，但這種基于拉策略的調(diào)度算法相對推傳輸策略(Twhole=TAB)增大了視頻傳輸延遲和系統(tǒng)控制開銷。文獻8在指出上述策略使網(wǎng)絡流量中的控制信息比重較高，導致系統(tǒng)控制開銷增大時，提出了一種推拉結(jié)合的策略，節(jié)點將時間分成連續(xù)的時間片，在不同時間片內(nèi)分別采用拉模式或推模式進行調(diào)度。在有新鄰居節(jié)點加入或有鄰居節(jié)點退出后的下一個時間片內(nèi)，節(jié)點通常工作在拉模式下，在其他時間片內(nèi)，節(jié)點一般工作在推模式下，因此，有效減少了傳輸延遲和控制開銷。4 P2P 多媒體內(nèi)容分發(fā)策略 在P2P的網(wǎng)絡中，所有節(jié)點都是對等的，

16、除非某些網(wǎng)絡中設置一些超級節(jié)點負責管理局部網(wǎng)絡的事務。另外，每個節(jié)點都對網(wǎng)絡中的某些內(nèi)容具有興趣，或者其所擁有的某些內(nèi)容其它節(jié)點會感興趣。內(nèi)容分發(fā)算法的目標是建立起從源到目標接收節(jié)點的最小延遲和滿足音視頻等播放質(zhì)量的分發(fā)網(wǎng)絡。由于網(wǎng)絡中資源的存放方式不同，分發(fā)策略可以分為單源和多源的策略。另外，根據(jù)分發(fā)過程中數(shù)據(jù)的傳輸途徑不同，又可以分為單路徑和多路徑策略。還有的策略對不同的節(jié)點進行了分代或分組，根據(jù)內(nèi)容，分發(fā)策略可以分為以下四類：單源單路徑、單源多路徑、單源分代和多源多路徑。單源與多源策略如圖4，圖5所示圖4 單源的P2P流媒體傳輸圖5 多源的P2P流媒體傳輸本文主要從多源多路徑策略分析P2

17、P在流媒體中的應用。在網(wǎng)絡高速發(fā)展的信息時代，網(wǎng)絡資源的來源之廣，這就代表資源擁有的節(jié)點是非常多的，因此我們可以充分利用這種資源，建立多源多路徑結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，沒有相對的中心節(jié)點，內(nèi)容可能已經(jīng)實現(xiàn)分布在不同的節(jié)點上，所有節(jié)點都可以成為發(fā)布者和接收者。如圖6所示，假設節(jié)點A，B，C分別擁有一部視頻的第，段，為了正常播放，A需要到B和C獲取第,部分； 同理,B要到A,C獲得第，部分，C要到A，B獲得第，部分， D要到A，B，C獲得第，部分。采用多源多路徑結(jié)構(gòu)的主要策略有GnuStream9和PROMISE10等.5 P2P流媒體中的節(jié)點選擇優(yōu)化算法圖6 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)當一個節(jié)點有多個節(jié)點可以為它提供

18、資源時，選擇哪些節(jié)點為這個節(jié)點服務是P2P 流媒體服務體系需要解決的問題之一。一般的解決方案采用隨機選取原則，該做法不能保證服務質(zhì)量且選擇的節(jié)點可能使構(gòu)造的邏輯網(wǎng)絡與實際物理網(wǎng)絡不匹配，這種不匹配會導致同一個消息在同一個物理鏈路上傳遞數(shù)次，嚴重占用網(wǎng)絡資源。流媒體的數(shù)據(jù)量和占用帶寬較大，因此，上述問題尤為突出。文獻11采用LTM(Location-aware Topology Matching)優(yōu)化覆蓋網(wǎng)，找到最近的節(jié)點提供服務以減少延遲。上述過程主要步驟如下：(1)節(jié)點周期性地對其鄰居節(jié)點發(fā)送洪泛消息，定義為dm(id, S, TTL)，其中，id 表示消息的ID 號；S表示發(fā)送消息的節(jié)點；

19、TTL 為消息傳遞的最大跳數(shù)。假設要找S 的最近鄰居節(jié)點，令TTL=2，則發(fā)送的探測消息內(nèi)容包含6個部分：消息ID 號，TTL 值，源節(jié)點IP 地址，源節(jié)點發(fā)送消息時的時間戳，直接鄰居節(jié)點的IP 地址，直接鄰居節(jié)點收到消息時的時間戳。圖7 描述了消息的傳遞路標。(2)更新邏輯鏈路。根據(jù)時間戳，節(jié)點P1 比較SP1 和SN1P1 這2 條路徑的距離。若SN1P1 延遲更長，則將N1P1 這條路徑裁剪掉，在S, P1 之間直接建立路徑。經(jīng)過幾次操作后，節(jié)點將找到最近的鄰居節(jié)點。文獻12提出一種基于拓撲選擇的思想。先利用搜索算法找到一定候選節(jié)點組成一個Candidate 集(P) ， 然后在Cand

20、idate 集中根據(jù)節(jié)點選擇算法選出最佳發(fā)送節(jié)點集，稱為Active 集(Pactv)。節(jié)點選擇算法描圖7 LTM 算法的消息傳遞述如下：每個候選發(fā)送節(jié)點pP，它有2個基本屬性Rp(可提供的最大發(fā)送率)和Ap(節(jié)點p 的可靠性)。ij 表示連接節(jié)點i 到節(jié)點j 的邊(也稱為段)，質(zhì)量用gij 表示，gij 由邊上的數(shù)據(jù)丟包率和可用帶寬決定，如果用lij 表示ij 上的丟包率，wij 表示一個權(quán)值并由ij的可用帶寬和已被選入Active集且共享該段的節(jié)點的集中發(fā)送速率決定，則 (1)用表示為節(jié)點p分配的權(quán)值，則(2)其中，bij 是ij 的可用帶寬；S 是已被選為發(fā)送節(jié)點的集合；sr 是從發(fā)送節(jié)

21、點s 到接收節(jié)點r的路徑。用Gp 表示節(jié)點p提供服務的質(zhì)量，則(3)在節(jié)點選擇時，選擇在接收端具有最大速率期望值的節(jié)點集合作為Active 集。即根據(jù)式(4)選擇滿足式(5)約束條件的節(jié)點集合。 (4) (5)其中，Rl 和Ru 分別為目標速率的上下限。算法描述如下：Enumerate all sets that satisfy constraints in Eq.(4): P1, P2, , PMPactv = null；ER = 0for each Pm, i m M doSet difij = bij, " ER = 0for each pPm do endfor endfor

22、if ER< ER then ER = ER Pactv= Pmendfor return Pactv6 P2P前景展望P2P在國內(nèi)的研究已經(jīng)從實驗室走向市場，如現(xiàn)今我們比較常用的P2P軟件有PPStream，PPLive，UUsee,原貴州網(wǎng)通開發(fā)的網(wǎng)視通，移動的互聯(lián)星空等等，這種視頻點播一三軟件以及基于P2P的高速在線游戲14極大的娛樂了廣大寬帶用戶。隨著國外研究機構(gòu)對P2P技術的深入研究，P2P的升級版本P4P一五已經(jīng)闖入人們的視野，P4P全稱 “Proactive network Provider Participation for P2P”， 是P2P技術的升級版，意在加強服務

23、供應商(ISP)與客戶端程序的通信，降低骨干網(wǎng)絡傳輸壓力和運營成本，并提高改良的P2P文件傳輸?shù)男阅堋ＥcP2P隨機挑選 Peer(對等機)不同，P4P協(xié)議可以協(xié)調(diào)網(wǎng)絡拓撲數(shù)據(jù)，能夠有效選擇Peer，從而提高網(wǎng)絡路由效率。傳統(tǒng)的P2P方式下數(shù)據(jù)節(jié)點的傳輸是隨機的，也就是說這種傳輸方式可能占據(jù)任意一個網(wǎng)絡節(jié)點或者出口的帶寬。而P4P則是智能選取數(shù)據(jù)交換對象，更多的通過智能運算選擇同一路由器或者地域性網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)交換，最大程度上解決大型節(jié)點和網(wǎng)絡出口負載，同樣通過智能選擇數(shù)據(jù)交換對象也能大大提高數(shù)據(jù)傳輸能力,P4P技術的出現(xiàn)將對今后3G網(wǎng)絡的高速通信提供技術保障。7 結(jié)束語流媒體應用將越來越廣泛，

24、P2P 網(wǎng)絡與流媒體具有其獨特的特征和要求。現(xiàn)有的P2P 流媒體服務體系尚未成熟，處于研究階段，需要研究并解決如下問題：(1)應用層組播的安全性問題。組播是一種開放的環(huán)境，為防止惡意用戶侵入，對等實體間必須進行安全認證。如何構(gòu)造P2P 環(huán)境下的安全信任模型具有重要研究意義。(2)激勵機制。要提高Internet 的資源利用率，對等實體就要愿意貢獻自己的資源。但實際上大部分接收服務的節(jié)點不愿意貢獻自己的空閑資源為他人服務，導致網(wǎng)絡資源利用率不高。研究一個好的激勵機制是保證P2P 流媒體系統(tǒng)正常運行的關鍵。(3)QoS保障機制。在P2P 系統(tǒng)中節(jié)點具有Ad-hoc 特性，要在該動態(tài)環(huán)境下保證流媒體

25、的服務質(zhì)量，就要設計更好的數(shù)據(jù)調(diào)度和節(jié)點選擇算法，研究代價低、易實現(xiàn)的容錯機制。(4)VCR 的支持。目前大部分P2P 媒體系統(tǒng)都屬于直播系統(tǒng)，較少涉及交互性更強、更能滿足用戶需求的點播系統(tǒng)。加入VCR 控制以增強用戶交互性，是P2P 流媒體系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。易購網(wǎng): 什么減肥藥效果最好：淘寶皇冠店鋪導航：參考文獻 1 Quinn B, Almeroth K. IP multicast applications: Challenges and solutions. IETF RFC 3170, 2001. 2 Day M, Gilletti D. Content distribution net

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