基于P2P網絡的流媒體直播技術研究

李如平

（安徽工商職業學院，安徽 合肥 231100）

基于P2P網絡的流媒體直播技術研究

李如平

（安徽工商職業學院，安徽 合肥 231100）

隨著計算機網絡技術的快速發展和個人計算機性能的增強，流媒體直播系統在互聯網上廣泛應用，但傳統的基于C／S模式的流媒體直播系統存在服務能力瓶頸，很難適應大規模的應用。為此通過將P2P網絡技術與流媒體技術相結合，充分利用各個節點的資源，減輕了流媒體服務器的壓力，使得基于P2P網絡的流媒體服務具有了更好的擴展性和實用性。

P2P；網絡；流媒體

近年來，隨著互聯網業務飛速發展，網絡影視在互聯網應用中已相當普遍，根據2007年6月中國互聯網信息中心第二十次中國互聯網絡發展狀況調查統計報告，在互聯網的各種功能中，網絡影視的應用使用率達到了61.1%。由此可見，網絡流媒體視頻直播有著良好的發展前景和商業價值。最初，多媒體文件需從服務器上下載后才能播放，但這樣無法實現數據同步，限制了人們在互聯網上使用多媒體數據進行交流。為了解決這些問題，人們把P2P技術引入到流媒體傳輸中從而形成了P2P流媒體技術,開創了在網絡上傳播音頻和視頻的新時代。

一、P2P網絡技術

（一）P2P概念

P2P是Peer to Peer的簡寫，中文翻譯為對等互聯或者點對點技術，P2P網絡一般也稱為對等網絡。在P2P網絡中，節點之間沒有服務器與客戶機之分，各節點之間是平等的關系，可以直接相互通信，共享計算和存貯能力。P2P是一種分布式網絡，網絡的參與者共享他們所擁有的一部分硬件資源，包括處理能力，存儲能力，網絡連接，打印機等，這些共享資源需要由網絡提供服務，能被其它對等節點直接訪問而無需經過中間實體.在此網絡中的參與者既是資源提供者，又是資源獲取者。P2P打破了客戶機／服務器(C／S)模式，在網絡中每個節點的地位平等，每個節點既充當客戶，共享其他節點提供的服務，又充當服務器，為其他節點提供服務和內容。

（二）P2P技術特點

P2P技術的特點體現在以下幾個方面：

1.非中心化：網絡中的資源和服務分散在所有結點上，信息的傳輸和服務的實現都直接在節點之間進行，可以不需要中間環節和服務器的介入，避免了可能的瓶頸。P2P的非中心化基本特點，帶來了其在可擴展性、健壯性等方面的優勢。

2.可擴展性：在P2P網絡中，隨著用戶的加入，不僅服務的需求增加了，系統整體的資源和服務能力也在同步地擴充，始終能較容易地滿足用戶的需要。整個體系是全分布的，不存在瓶頸，理論上其可擴展性幾乎是無限的。

3.高性價比：性能優勢是P2P被廣泛關注的一個重要原因。隨著硬件技術的發展，個人計算機的計算和存儲能力以及網絡帶寬等性能高速增長。采用P2P架構可以有效地利用互聯網中散布的大量結點，將計算任務或存儲資料分布到所有結點上。利用其中閑置的計算能力或存儲空間，達到高性能計算和海量存儲的目的，從而實現用更低的成本提供更高的計算和存儲能力。

4.健壯性：P2P架構天生具有耐攻擊、高容錯的優點。由于服務是分散在各個結點之間進行的，部分結點或網絡遭到破壞對其它部分的影響很小。P2P網絡一般在部分結點失效時能夠自動調整整體拓撲，保持其它結點的連通性。

5.網絡負載均衡：P2P網絡環境下由于每個節點既是服務器又是客戶機，減少了對傳統C／S結構服務器計算能力、存儲能力的要求，同時因為資源分布在多個節點，更好的實現了整個網絡的負載均衡。

6.隱私保護：在P2P網絡中，由于信息的傳輸分散在各節點之間進行而無需經過某個集中環節，用戶的隱私信息被竊聽和泄漏的可能性大大縮小。目前解決互聯網隱私問題主要采用中繼轉發的技術方法，從而將通信的參與者隱藏在眾多的網絡實體之中。在傳統的匿名通信系統中，實現這一機制通常依賴于某些中繼服務器節點，而在P2P中，所有參與者都可以提供中繼轉發的功能，因而大大提高了匿名通訊的靈活性和可靠性，能夠為用戶提供更好的隱私保護。

二、流媒體技術

所謂流媒體技術，就是將完整的影像和聲音數據經過壓縮處理后保存在網站服務器上，用戶可以邊下載邊獲取信息，從而無需將整個壓縮文件下載之后再觀看的網絡傳輸技術。在網絡上傳輸視頻信息，最簡單直接的方式，就是把視頻內容按某一格式采集、編碼，存放在文件中，然后把文件通過一般的網絡傳輸協議傳輸到接收端，再在接收端的機器上解碼并播放。但是這種方式有它的缺點：1.必須等整個視頻文件全部傳輸完畢，才能開始播放文件。由于視頻文件一般都較大，在網絡帶寬還很有限的情況下，下載整個文件往往需要很長的時間；2.不適合現場直播的形式；3.占用很大的存儲空間。流媒體技術出現正好解決了上述的缺點，因此，流媒體技術得到快速發展，流媒體業務也被認為是未來高速寬帶網的主流業務。

（一）傳統流媒體分發技術

傳統的流媒體系統采用由中心服務器群直接為每個終端寬帶用戶提供流媒體服務，是基于C／S模式的流媒體系統。隨著互聯網的普及，流媒體視頻用戶迅速增加，由于流媒體服務所要求的高帶寬、低時延等特性，服務器的資源，如帶寬、內存大小很快就會被消耗完，成為系統瓶頸所在，導致系統的可擴展性極差。針對這些問題，業界提出過兩個解決方案：應用CDN（Content Delivery Network，即內容分發網絡）技術和IP組播技術。

CDN工作原理是廣泛采用各種CDN服務器，將這些服務器分布到用戶訪問相對集中的地區或網絡中，在用戶訪問內容時，全局負載均衡技術將用戶的訪問指向到離用戶距離最近的工作正常的CDN服務器上，由CDN服務器直接響應用戶的請求。CDN技術雖然提高了用戶訪問內容的性能，而且有效減輕了中心設備和骨干網絡的壓力，然而，它也帶來了許多諸如緩存一致性和負載均衡等管理難題。

IP組播是在互聯網上對一組站點進行數據傳送，這一組站點是動態形成的，每一個站點都可以動態地加入或者退出這個組。IP組播技術實現了IP網絡中點到多點的高效數據傳送，能夠有效地節約網絡帶寬、降低網絡負載。然而在實際應用中，IP組播的服務模型和協議存在著一些問題，不能很好的適應商業應用的需求。

（二）P2P與流媒體技術的結合

P2P技術引入到流媒體傳輸中從而形成了P2P流媒體技術，該方法有兩方面的優點。第一，這種技術并不需要復雜的互聯網路由器和網絡基礎設施的支持，因此性價比高且易于部署；第二，在這種技術中，利用了P2P網絡的優點，用戶相互共享各自擁有的視頻數據，既是播放者，又是視頻數據提供者，共同參與系統的服務，整個系統的服務能力隨著用戶數量的增加而增加，具有可擴展性。

基于P2P技術的流媒體系統能夠更加有效地利用每個節點的能力，同時每個節點可以從多個節點獲取數據，因而采用該技術的視頻直播系統能有更強的擴展性和更可靠的質量保證。在流媒體直播服務中，用戶只能按照節目列表收看當前正在播放的節目。在直播領域，交互性較少，技術實現相對簡單，因此P2P技術在直播服務中發展迅速。

三、流媒體直播實現原理及協議

（一）流媒體直播實現原理

基于互聯網的流媒體直播系統包含三個核心部分，直播源、流數據網絡、傳輸和回放。直播源負責流傳輸前的預處理工作，即進行音視頻數據的采集和編碼工作，對原始的音視頻信號進行壓縮編碼并轉化為適合網絡傳輸的音視頻流格式。流數據的網絡傳輸是視頻直播系統的重中之重，它決定著系統的用戶規模和用戶所接收到的流媒體數據的質量。網絡傳輸的主要作用就是將直播源產生的壓縮后的音視頻流實時地傳送到每個用戶節點。回放是指用戶節點在接收到流數據之后，將壓縮的音視頻數據進行解碼播放。簡單地說，流媒體直播實現原理就是直播源通過采用高效的壓縮算法，在降低文件大小的同時伴隨質量的損失，讓原有的龐大的多媒體數據適合流式傳輸，然后通過架設流媒體服務器，修改MIME(Multipurpose Internet Mail Extensions)標識,MIME中文意思是多功能互聯網郵件擴充服務，它是一種多用途網際郵件擴充協議，在1992年最早應用于電子郵件系統，但后來也應用到瀏覽器。服務器會將它們發送的多媒體數據的類型告訴瀏覽器，而通知手段就是說明該多媒體數據的MIME類型，從而讓瀏覽器知道接收到的信息是哪種類型的文件等等。服務器將MIME標志符放入傳送的數據中來告訴瀏覽器使用哪種插件讀取相關文件。然后利用各種實時協議傳輸流數據，客戶端接收到流數據后進行解碼回放。

（二）流媒體直播傳輸協議

1.RTP／RTCP協議

實時傳輸協議(Real-time Transport Protocol，RTP)和實時傳輸控制協議(Real-time Control Protocol，RTCP)都是基于IP的應用層協議。RTP為實時音／視頻數據提供端到端的傳送服務，包括有效載荷類型標識、序列標號、時間標簽和源標識，可以提供時間信息和實現流同步。

2.RTSP協議

實時流協議 (Real-time Streaming Protocol，RTSP)是由RealNetWorks和Netscape共同提出的一個應用層協議。它可以在媒體服務器和客戶端之間建立和控制連續的音／視頻媒體流，協同RTP等更低層協議一起來提供基于互聯網的整套流式服務。RTSP的目的是為流媒體實現多點傳送和以點播方式單一傳送提供健壯的協議。RTSP利用流技術把數據分成許多包，包的大小由客戶端和服務端的實際帶寬決定，當客戶端接收到足夠的數據包時，用戶不需下載整個媒體文件就可以開始播放流媒體。因為播放器在播放一個包的同時，解壓另一個包并下載第三個包。流媒體數據可以是輸入的實況信息，也可以是存儲的視、音頻片段。通過RTSP協議，服務器端可以跟蹤流媒體傳輸的時間、地址和方式。RTSP增加了對流媒體的控制請求，能恢復來自媒體服務器的流媒體。

RTSP在媒體服務器和客戶端之間建立和控制連續的音頻／視頻媒體流。當客戶端向媒體服務器請求連續的媒體數據時，媒體服務器負責播放和錄制服務。RTSP像是服務器和客戶端之間的“網絡遠程控制”。

四、P2P流媒體直播模型

目前P2P流媒體直播系統主要有下列兩類模型：

（一）基于樹狀拓撲協議及擴展的模型

在基于樹狀模型的P2P流媒體直播系統中，節點被組織成一個樹狀邏輯覆蓋網絡，稱為多播樹。基于樹狀拓撲協議及擴展的模型把參與多播的節點組織成一棵應用層多播樹，樹的父節點負責為子節點傳送數據。這類模型首先構建一個數據的分發樹，接著節點會發現那些樹狀拓撲中與其不相鄰的節點，進而與它們建立控制信息通道，形成控制拓撲結構。

在基于樹狀拓撲協議及擴展的模型的P2P流媒體直播系統中，關鍵的問題是多播樹的構造。主要有兩個問題：

1.樹的高度問題。如果樹的高度太高，某些節點離根節點太遠，數據的延勢必會增加，從而影響播放效果。但樹的高度也不能太低，太低延時雖然小了，但根節點的負擔加重了，很明顯，當樹的高度為1時，系統實際上退化為一個C／S系統，所有的負荷都加到了根節點上。

2.樹的快速修復問題。由于P2P系統具有高度動態性，節點的行為是不可預知的，可能隨時加入系統，也可能隨時退出，特別是當一個非葉子節點退出時，其所有的子節點都將受到影響。所以構建的多播樹還需具有快速修復能力。

目前，基于樹狀模型的P2P流媒體直播系統主要有PeerCast、Zig-Zag、Splitstream、CoopNet等。

PeerCast是美國Stanford大學Peer-to-Peer研究小組的研究成果。它采用一個簡單的單根樹結構，是樹狀組播模型中最簡單的模型。PeerCast采用簡單的單樹根結構將節點組織起來，其中樹的父節點給子節點提供服務。為了優化節點間的傳輸延時，在PeerCast中通過限定父節點所能服務的節點個數來實現。在PeerCast中，節點的加入和離開采用簡單的重定向技術，易于實現，但是這樣也易造成樹的不平衡，使得距離根節點越遠的節點，數據的時延就越大，所以，就要求構建的組播樹的深度應該盡可能的短。另一方面，每個節點的有限輸出帶寬限定了節點的寬度，因此，構建的組播樹應該使樹的深度與寬度達到有效的平衡。

Zig-Zagt模型也是樹狀組播模型的一種。它構建了一棵以服務器為根的應用層組播樹。通過設定這棵樹的節點的個數和層次，達到減小端對端時延的目的。大部分組成員位于分層結構的底層，只和少量固定數目的節點存在聯系，這樣就大大降低了大部分組播成員的處理開銷。在Zig-Zag模型中，將節點之間的邏輯關系和連接關系分開進行管理，每個節點與相鄰層的交叉節點交換數據，從而提高了整棵樹的健壯性。但是，在Zig-Zag模型中，邏輯關系和連接關系之間的映射和網絡的動態變化所帶來的維護開銷過高。

（二）基于Gossip協議的模型

基于Gossip協議模型的基本思想是：一個節點隨機地選擇一組節點發送新產生的消息，收到消息的那些節點使用同樣的方式把消息發送出去，直到所有的節點收到消息為止。基于樹狀拓撲協議及擴展的模型定義了節點與節點之間的關系，子節點從父節點獲取數據。在基于Gossip協議的系統模型中，節點之間不需要構造復雜的拓撲關系，也沒有確定的父節點。在這種模型中，每個節點通過Gossip協議來維護系統中其它部分節點的視圖，通過一定的調度算法在節點之間實現數據交換。數據的傳輸采用拉模式，即節點首先向另一個節點發出請求，另一節點再根據請求發送數據，在這種系統中，通常需要比較大的緩存，系統的啟動延遲相對比較大。但是，因為每個節點的數據來源并不依賴于某個特定的父節點，所以系統有更強的健壯性。

DONet(Data-driven Overlay Network)是一個典型的基于Gossip協議的模型。DONet的核心思想非常簡單：每個節點周期性的會跟其伙伴節點交換數據信息，它可以從一個或更多的伙伴節點處獲得需要的數據，也可以向其他伙伴節點提供已有的數據信息。這種模型有三個顯著特點：

1.易于實現：DONet模型不需要構建和維護更為復雜的網絡結構；

2.高效性：數據轉發是動態過程，數據的傳輸方向并不固定，所以每個節點動態地和其他節點交換緩存信息，并根據緩存信息交換節點之聞的媒體數據；

3.魯棒性和容錯性：DONet構造的伙伴關系可以在多個提供者之間適時調整和快速轉化。

DONet的系統主要包含三個模塊：(1)節點的管理：負責維護系統中部分其它節點的視圖；(2)伙伴管理：和其它節點建立協作關系；(3)數據調度：負責動態的和其它節點交換數據。在DONet中，每個節點既是數據的接收者，也是數據的提供者。服務器是一個特殊的節點只作為數據的提供者，稱為源節點。

通過對PeerCast、Zig-Zag和DONet三個典型系統的分析，可以發現它們都各有優缺點。PeerCast、Zig-Zag都采用樹作為數據傳輸的路徑，但它們在擴展性和應對節點的高動態性方面都很差。因而，采用樹結構這種單路徑傳輸機制，使得系統中很多節點的資源不能充分發揮作用，且節點之間的帶寬不高，僅僅從一個節點獲取數據很難滿足視頻直播這種帶寬要求較高的應用。采用樹結構進行傳輸，也經常因節點的變動而導致其子樹節點播放質量的降低。但同時也應注意到樹狀結構系統低延遲，節點之間同步性好的優點，對于實時性和同步性很高的系統也是一種很好的解決方案。因此，上述兩個樹狀系統適合于用戶數不太多，網絡環境好且媒體帶寬需求低的應用。DONet系統采用網狀的覆蓋網結構，能很好地利用每個節點的能力，其系統的擴展性和質量等各方面都取得了較好的效果。但是其采用Gossip協議來構造覆蓋網，造成控制消息的開銷比較大，而且其數據分片較大不利于更加充分地利用各個節點的能力，其調度算法效率也不是很高，這些都是需要今后不斷改進的地方。

五、結束語

由于P2P直播系統在大規模視頻播放上強大的功能，滿足了互聯網視頻播放廣泛的需求，近年來也得到了很大的發展并具有廣闊的應用前景。當前對于P2P流媒體直播技術的研究已經取得了一定的成果，商業應用上也出現了許多基于P2P的流媒體視頻直播系統，如目前在互聯網上廣泛應用的PPLive、PPstream以及騰訊公司的QQLive等。隨著P2P流媒體技術的日漸成熟，P2P流媒體技術將廣泛用于互聯網多媒體新聞發布、在線直播、網絡視頻廣告、電子商務、視頻點播、遠程教育、網絡電臺、實時視頻會議等互聯網的信息服務領域。

［1］彭凱，武娟，楊宗凱，唐宏.基于P2P的流媒體直播技術研究與展望[J].計算機科學,2009,36(1):10-15.

［2］廖宏越，趙藍蘭，周武章.流媒體協議的研究與實現[J].計算機與數字工程，2007，35(4):106-108.

［3］羅建光，張萌，趙黎，楊士強.基于P2P網絡的大規模視頻直播系統[J].軟件學報，2007，18(2)：391-399.

［4］劉宇翔，魯士文.基于流式傳輸模式的可靠多播協議[J].計算機工程，2006，(6)：139-142.

［5］龔海剛，劉明，謝立.P2P流媒體傳輸的研究進展綜述[J].計算機科學，2004,31(9):20-22.

［6］刑小良.P2P技術及其應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

［7］成培.P2P對等網絡資源定位技術的研究[D].長沙:湖南大學，2008.

［8］楊海濱.基于P2P流媒體直播技術的研究和實現[D].南京:南京理工大學，2008.

［9］呂燕樂.P2P與組播技術在流媒體中的研究與應用[D].成都:西南交通大學，2008.

TP393

A

1672-0547（2010）01-0080-03

2010-01-02

李如平（1973-），男，安徽肥東人，安徽工商職業學院電子信息系講師，碩士，研究方向：計算機應用技術、信息管理。