基于模式感知的視頻播放和發布系統設計與實現

王勤，呂仁俊，趙新冬，戴威

摘要：為了解決視頻播放中因帶寬不足而帶來的播放質量下降問題，本文設計并實現了一種具有模式感知功能的視頻播放和發布系統。服務器通過對網絡性能的實時監控能夠自動提供B/S和P2P兩種視頻流的傳輸模式，播放端通過自動感知，實時切換不同的播放模式。系統采用P2P技術進行分布式視頻發布，降低對服務器的并發能力和網絡帶寬要求，從而提高視頻播放質量和傳輸的整體效率。所實現的系統在江蘇電力網絡大學中得到實際驗證，系統具有良好的適應性，有效提高了用戶的播放體驗，解決了傳統視頻播放中單一模式下的網絡負載問題。

關鍵詞：p2p；模式感知；視頻播放

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）02-0161-05

一、引言

流媒體播放技術是當前互聯網視頻播放的主流技術，為了改變原有B/S模式下對媒體服務器并發能力和網絡負載的巨大需求，[1]P2P技術采用分布式共享原理，將播放內容在用戶播放端之間進行分發和傳播，形成了一種新的傳輸模式，克服了原有視頻數據均通過客戶端和服務器之間直接傳輸模式的不足，現有市場上的PPLive，Torrent軟件等均依據此原理進行設計和實現。另一個方面，由于P2P技術的應用，在客戶端網絡也會產生較大的網絡流量，對終端網絡的流量管理也帶了一定的困難。因此，如何根據網絡當前負載情況和服務器性能，設計一種兼顧兩種傳播模式的流媒體播放系統，將具有較高的實用價值。網絡教育是流媒體播放技術的典型應用領域，如現有MOOC學習模式為源自斯坦福大學、哈佛和MIT大力推動的基于網絡的一種學習模式，成為2012至2013年最受關注的創新型教學模式，其開放系統在全世界擁有幾十萬至百萬級的用戶，視頻文檔是其主要資源之一，主要通過流媒體方式進行學習。江蘇電力網絡大學為滿足江蘇省所有電力職工的在線學習而設計，同時對全國電力系統開放，是電力系統在線學習和考試的重要平臺，具有數十萬個終端用戶。本文的設計目標為針對現有網大在線學習系統在并發訪問支持方面的不足，在不改變原有系統總體架構和用戶使用方式的前提下，利用P2P技術為現有系統提供一種新型的學習點播服務模式，并且保證能夠與現有流媒體點播方式相兼容。針對以上需求，本文對MediaPlayer播放器的工作原理進行了詳細分析，提出了一套具有播放模式感知的視頻播放系統設計方法，將設計完成的播放系統在江蘇電力網絡大學環境中進行實施部署和實際測試，各項功能和指標滿足設計需求，解決了兩種播放模式的兼容和播放質量保證的問題。

二、系統架構設計

江蘇電力網絡大學網絡拓撲設計采用“集中—分布式”模式，呈現為“中心—區域—播放終端”三層結構。中心位于南京，部署所有的課件資源。區域為江蘇各個二級城市，每個區域向該區域內所有職工提供視頻學習服務。由于區域節點數目有限、而終端播放用戶并發數量較大，[2]因此中心節點和區域節點之間采用FTP協議進行通信，并將用戶需求視頻暫存。區域節點和終端用戶之間采用流媒體視頻點播和P2P傳輸兩種模式。具體系統架構見圖1所示。

區域中心流媒體服務器不僅能夠提供視頻流媒體點播，而且能夠根據區域點播用戶負載情況實時啟動P2P機制，因此除了部署點播服務器之外還需要設計目錄服務器以提供P2P服務，如圖2所示。P2P目錄服務器的功能如下：負責管理各個在線客戶端以及所有課件視頻分段的分布信息，并接收處理P2P客戶端的各種請求。

用戶播放端軟件能夠自動感知目錄服務器是否在線，從而進行兩種工作模式的自動轉換。如圖2所示，P2P客戶端的功能如下：負責處理本客戶端所需視頻的P2P傳輸業務、其他客戶端向本客戶端發出的傳輸視頻請求業務、本客戶端與P2P目錄服務器的信息交互業務。

三、關鍵技術及相應策略

根據系統的功能需求，系統設計中需要解決以下關鍵技術：

1.如何保證系統兩種工作模式的兼容性。現有在線學習系統為流媒體點播服務模式，若在原有基礎上，基于P2P技術設計一種新的分布式資源發布模式，需要保證整個系統在兩種服務模式方面的相互切換、相互補充。[3]在并發用戶正常情況下，區域服務器保持原有流媒體點播工作模式，在并發用戶數量較大時，區域服務器則轉換到P2P模式下工作，而在P2P異常情況下，系統也能夠自動切換到原有流媒體點播服務模式下工作。采用的策略：在區域中心服務器上設置一監視功能模塊，維持兩個變量，流媒體點播用戶數量StreamUser和P2P用戶直接從區域服務器下載分片的用戶數量P2PServerUser，若StreamUser大于給定值，則系統轉換到P2P模式下工作；若P2PServerUser大于給定值，說明P2P用戶數變少或者發生了系統異常，則系統工作模式轉換到流媒體點播模式下工作。

2.Media Player播放器如何支持P2P工作模式。在現有系統工作模式下，Media Player作為客戶端與媒體服務器通過實時流媒體傳輸協議RTP、RTCP和UDP協議進行內容傳輸，系統采用“邊播放邊傳輸”方式工作；在P2P模式下，Media Player需要從本地獲取播放內容，而內容的獲取通過P2P機制從其他用戶端進行下載，采用“邊播放邊下載”方式進行工作。采用策略：用戶播放端軟件首先判定區域服務器上的P2P目錄服務是否為工作狀態，若是則用戶播放端軟件自動啟動P2P模式，從目錄服務器獲取種子節點信息，啟動多線程進行本地網絡的視頻分段下載。

3.P2P系統內容發布負載均衡問題。P2P系統中的負載均衡問題指如何保證在多個用戶終端并發播放時，防止出現種子節點選擇熱點問題。[4]P2P機制本身的優勢在于同一個內容播放的用戶越多，后來的用戶下載的速度就越快，但如果沒有好的機制避免其熱點問題，其優勢就難以發揮出來。采用策略：用戶終端在播放某一視頻時，首先從區域目錄服務器上獲取該視頻的分片信息及每個分片的種子信息，目錄服務器在選取每個分片的種子節點時采取“同一網段內的種子節點、P2P服務當前線程數少的種子節點和心跳網絡性能最好的種子節點”三個優先級進行選取，一方面防止某個種子節點成為P2P熱點，同時保證能夠選取性能較好的節點。endprint

4.P2P系統異常處理。在P2P機制中，視頻播放器數據來自于本地多線程從區域內其他播放終端下載的P2P分片，[5]在下載過程中，由于網絡狀況的不穩定，或者由于視頻資源提供端的突發情況，可能會導致P2P分片無法成功下載，為了保證系統的健壯性，異常處理機制必不可少。異常處理策略：主要異常分為種子節點分片不存在、網絡異常中斷、種子節點異常關閉、種子節點線程過多拒絕服務異常，[6]處理策略為在種子節點列表中聯系其他節點，若仍然不能成功獲取分片數據，則從區域目錄服務器直接獲取分片資源。

四、系統設計與實現

系統軟件主要由區域服務器和播放終端兩個主要部分構成。

1.播放客戶端軟件設計與實現。播放客戶端在播放之前首先需要向區域P2P目錄服務器獲得播放文件的種子信息，然后啟動多線程進行播放終端之間的P2P分片資源共享。播放客戶端與區域P2P目錄服務器之間的交互如圖3所示。[1]

播放終端之間通過P2P方式進行視頻分片的分布式共享與傳輸，從而保證播放器本地數據的快速獲取，取代流媒體點播獲取播放數據的模式，兩個播放終端之間的分片傳輸如圖4所示。

播放終端之間進行P2P視頻分片傳輸時可能產生不同的異常，這里對分片提供者產生的異常和網絡通信異常分別進行了不同的處理。具體如圖5所示。

2.區域P2P目錄服務器端軟件設計與實現。P2P目錄服務器的軟件主要為種子文件生成及選源策略、P2P播放客戶端的心跳監控與處理、P2P播放客戶端分片種子信息更新等模塊。

種子生成與選源策略模塊主要負責處理P2P播放客戶端發送來的視頻資源請求。客戶端制定文件名與文件地址，服務器根據客戶端需求的視頻文件，在數據庫的ClientFragmentTable表中選出種子客戶端，生成一個xml類型文件的種子列表，發送給請求方客戶端。

按照選源策略，種子節點選擇算法（SourceSelect算法）的具體描述如下：

在選源算法中，一般需要選出的種子數量為6個，所以實現中的n等于6。選出一個種子，需要遍歷整個含有分段的種子集合一次，選出6個種子，生成種子列表的情況下，算法的復雜度就為O（6N）。在達到均衡機制的要求下，該算法是合理有效的。

P2P目錄服務器需要對播放終端的上線及學習過程進行記錄存檔，同時通過心跳功能獲取當前節點的通信性能，為種子節點選擇做好準備。

心跳功能的記錄結構如表2所示，IP地址用于判定所在的網段，UploadNum記錄當前播放終端啟動的線程數，本系統規定線程數為4個，線程數作為種子節點選源的一個因素之一。

P2P目錄服務器提供每個視頻文件的種子文檔信息，以便用戶播放端能夠進行終端網絡的P2P終端分片共享，由于視頻分片的分布是動態的，因此每個播放終端將自己所擁有的視頻分片向目錄服務器進行匯報，為種子文檔的產生做好準備。分片更新工作流程如圖6所示。

分片更新算法UpdateLocalFragments如下：

該算法根據本文設計的更新本地分片的策略進行實現，將本地的分片更新到服務器從而實現數據的共享。

五、系統測試

系統測試主要通過測試用例對系統的各項功能進行測試，[8]主要包括流媒體播放與P2P播放兩種模式的切換測試、P2P目錄服務器的P2P下載功能測試、用戶播放端分片信息更新的測試、用戶播放端之間的多線程P2P下載與上傳功能測試、P2P目錄服務器種子節點選源均衡策略測試、P2P傳輸異常測試。這里僅給出三個主要功能測試用例及測試結果。

測試環境如圖7所示：

（1）服務器1臺，該服務器上部署一個流媒體課件服務器、一個課件點播web服務器（網絡大學學習平臺）、一個P2P目錄服務器。

（2）用戶播放終端計算機5臺，具有瀏覽器軟件和P2P客戶端軟件。

主要功能的測試樣例及測試結果：

1.流媒體播放與P2P播放兩種模式的切換測試

2.P2P客戶端之間單線程和多線程傳輸功能測試

3.P2P目錄服務器種子節點選源均衡策略測試

以上結果是在實際環境下測試的實際結果，實際測試表明所完成的設計符合實際設計需求，功能正確。

六、分析與討論

本文根據實際需求，在原有流媒體視頻點播架構的基礎上，增加P2P視頻播放功能，所實現的系統設計和功能滿足了兩種播放模式的兼容和自動感知切換，充分利用了兩種播放模式各自的優點，系統設計考慮了各種異常處理方案，使得系統本身具有較好的健壯性，系統的機制和策略具有實際價值，能夠應用于不同領域中的數據分發和共享。

參考文獻：

[1]沈時軍，李三立.基于P2P的視頻點播系統綜述[J].計算機學報，2010，（04）：613-624.

[2]王書芹，姜秀柱，田芳，等.基于P2P的流媒體點播系統中客戶端緩存的研究[J].計算機應用與軟件，2009，26（9）：219-221.

[3]方煒，吳明暉，應晶，等.基于P2P的流媒體應用及其關鍵算法研究[J].計算機應用與軟件，2005，22（5）：35-37.

[4]黃良飛.基于DirectShow技術的網絡視頻播放器設計[D].浙江大學碩士學位論文，2007.

[5]呂偉梅，鄭慶華，黃華，等.移動流媒體播放器的設計與實現[J].計算機科學，2008，35（9）：126-128.

[6]趙進，葉梧，馮穗力.基于RTP/RTCP的流媒體服務器技術研究[J].中國有線電視，2004，（01）.

[7]Mengkun Yang，Zongming Fei.A segmentation-based fine-grained peer sharing technique for delivering large media files in content distribution networks[J].IEEE transactions on multimedia，2006，8，（4）：821-829.

[8]Aditya Ganjam，Sanjay G Rao，Kunwadee Sripanidkulchai.On-demand waypoints for live P2P video broadcasting[J].Peer-to-Peer Networking and Applications，2010，3（4）：277—293.endprint

4.P2P系統異常處理。在P2P機制中，視頻播放器數據來自于本地多線程從區域內其他播放終端下載的P2P分片，[5]在下載過程中，由于網絡狀況的不穩定，或者由于視頻資源提供端的突發情況，可能會導致P2P分片無法成功下載，為了保證系統的健壯性，異常處理機制必不可少。異常處理策略：主要異常分為種子節點分片不存在、網絡異常中斷、種子節點異常關閉、種子節點線程過多拒絕服務異常，[6]處理策略為在種子節點列表中聯系其他節點，若仍然不能成功獲取分片數據，則從區域目錄服務器直接獲取分片資源。

四、系統設計與實現

系統軟件主要由區域服務器和播放終端兩個主要部分構成。

1.播放客戶端軟件設計與實現。播放客戶端在播放之前首先需要向區域P2P目錄服務器獲得播放文件的種子信息，然后啟動多線程進行播放終端之間的P2P分片資源共享。播放客戶端與區域P2P目錄服務器之間的交互如圖3所示。[1]

播放終端之間通過P2P方式進行視頻分片的分布式共享與傳輸，從而保證播放器本地數據的快速獲取，取代流媒體點播獲取播放數據的模式，兩個播放終端之間的分片傳輸如圖4所示。

播放終端之間進行P2P視頻分片傳輸時可能產生不同的異常，這里對分片提供者產生的異常和網絡通信異常分別進行了不同的處理。具體如圖5所示。

2.區域P2P目錄服務器端軟件設計與實現。P2P目錄服務器的軟件主要為種子文件生成及選源策略、P2P播放客戶端的心跳監控與處理、P2P播放客戶端分片種子信息更新等模塊。

種子生成與選源策略模塊主要負責處理P2P播放客戶端發送來的視頻資源請求。客戶端制定文件名與文件地址，服務器根據客戶端需求的視頻文件，在數據庫的ClientFragmentTable表中選出種子客戶端，生成一個xml類型文件的種子列表，發送給請求方客戶端。

按照選源策略，種子節點選擇算法（SourceSelect算法）的具體描述如下：

在選源算法中，一般需要選出的種子數量為6個，所以實現中的n等于6。選出一個種子，需要遍歷整個含有分段的種子集合一次，選出6個種子，生成種子列表的情況下，算法的復雜度就為O（6N）。在達到均衡機制的要求下，該算法是合理有效的。

P2P目錄服務器需要對播放終端的上線及學習過程進行記錄存檔，同時通過心跳功能獲取當前節點的通信性能，為種子節點選擇做好準備。

心跳功能的記錄結構如表2所示，IP地址用于判定所在的網段，UploadNum記錄當前播放終端啟動的線程數，本系統規定線程數為4個，線程數作為種子節點選源的一個因素之一。

P2P目錄服務器提供每個視頻文件的種子文檔信息，以便用戶播放端能夠進行終端網絡的P2P終端分片共享，由于視頻分片的分布是動態的，因此每個播放終端將自己所擁有的視頻分片向目錄服務器進行匯報，為種子文檔的產生做好準備。分片更新工作流程如圖6所示。

分片更新算法UpdateLocalFragments如下：

該算法根據本文設計的更新本地分片的策略進行實現，將本地的分片更新到服務器從而實現數據的共享。

五、系統測試

系統測試主要通過測試用例對系統的各項功能進行測試，[8]主要包括流媒體播放與P2P播放兩種模式的切換測試、P2P目錄服務器的P2P下載功能測試、用戶播放端分片信息更新的測試、用戶播放端之間的多線程P2P下載與上傳功能測試、P2P目錄服務器種子節點選源均衡策略測試、P2P傳輸異常測試。這里僅給出三個主要功能測試用例及測試結果。

測試環境如圖7所示：

（1）服務器1臺，該服務器上部署一個流媒體課件服務器、一個課件點播web服務器（網絡大學學習平臺）、一個P2P目錄服務器。

（2）用戶播放終端計算機5臺，具有瀏覽器軟件和P2P客戶端軟件。

主要功能的測試樣例及測試結果：

1.流媒體播放與P2P播放兩種模式的切換測試

2.P2P客戶端之間單線程和多線程傳輸功能測試

3.P2P目錄服務器種子節點選源均衡策略測試

以上結果是在實際環境下測試的實際結果，實際測試表明所完成的設計符合實際設計需求，功能正確。

六、分析與討論

本文根據實際需求，在原有流媒體視頻點播架構的基礎上，增加P2P視頻播放功能，所實現的系統設計和功能滿足了兩種播放模式的兼容和自動感知切換，充分利用了兩種播放模式各自的優點，系統設計考慮了各種異常處理方案，使得系統本身具有較好的健壯性，系統的機制和策略具有實際價值，能夠應用于不同領域中的數據分發和共享。

參考文獻：

[1]沈時軍，李三立.基于P2P的視頻點播系統綜述[J].計算機學報，2010，（04）：613-624.

[2]王書芹，姜秀柱，田芳，等.基于P2P的流媒體點播系統中客戶端緩存的研究[J].計算機應用與軟件，2009，26（9）：219-221.

[3]方煒，吳明暉，應晶，等.基于P2P的流媒體應用及其關鍵算法研究[J].計算機應用與軟件，2005，22（5）：35-37.

[4]黃良飛.基于DirectShow技術的網絡視頻播放器設計[D].浙江大學碩士學位論文，2007.

[5]呂偉梅，鄭慶華，黃華，等.移動流媒體播放器的設計與實現[J].計算機科學，2008，35（9）：126-128.

[6]趙進，葉梧，馮穗力.基于RTP/RTCP的流媒體服務器技術研究[J].中國有線電視，2004，（01）.

[7]Mengkun Yang，Zongming Fei.A segmentation-based fine-grained peer sharing technique for delivering large media files in content distribution networks[J].IEEE transactions on multimedia，2006，8，（4）：821-829.

[8]Aditya Ganjam，Sanjay G Rao，Kunwadee Sripanidkulchai.On-demand waypoints for live P2P video broadcasting[J].Peer-to-Peer Networking and Applications，2010，3（4）：277—293.endprint

4.P2P系統異常處理。在P2P機制中，視頻播放器數據來自于本地多線程從區域內其他播放終端下載的P2P分片，[5]在下載過程中，由于網絡狀況的不穩定，或者由于視頻資源提供端的突發情況，可能會導致P2P分片無法成功下載，為了保證系統的健壯性，異常處理機制必不可少。異常處理策略：主要異常分為種子節點分片不存在、網絡異常中斷、種子節點異常關閉、種子節點線程過多拒絕服務異常，[6]處理策略為在種子節點列表中聯系其他節點，若仍然不能成功獲取分片數據，則從區域目錄服務器直接獲取分片資源。

四、系統設計與實現

系統軟件主要由區域服務器和播放終端兩個主要部分構成。

1.播放客戶端軟件設計與實現。播放客戶端在播放之前首先需要向區域P2P目錄服務器獲得播放文件的種子信息，然后啟動多線程進行播放終端之間的P2P分片資源共享。播放客戶端與區域P2P目錄服務器之間的交互如圖3所示。[1]

播放終端之間通過P2P方式進行視頻分片的分布式共享與傳輸，從而保證播放器本地數據的快速獲取，取代流媒體點播獲取播放數據的模式，兩個播放終端之間的分片傳輸如圖4所示。

播放終端之間進行P2P視頻分片傳輸時可能產生不同的異常，這里對分片提供者產生的異常和網絡通信異常分別進行了不同的處理。具體如圖5所示。

2.區域P2P目錄服務器端軟件設計與實現。P2P目錄服務器的軟件主要為種子文件生成及選源策略、P2P播放客戶端的心跳監控與處理、P2P播放客戶端分片種子信息更新等模塊。

種子生成與選源策略模塊主要負責處理P2P播放客戶端發送來的視頻資源請求。客戶端制定文件名與文件地址，服務器根據客戶端需求的視頻文件，在數據庫的ClientFragmentTable表中選出種子客戶端，生成一個xml類型文件的種子列表，發送給請求方客戶端。

按照選源策略，種子節點選擇算法（SourceSelect算法）的具體描述如下：

在選源算法中，一般需要選出的種子數量為6個，所以實現中的n等于6。選出一個種子，需要遍歷整個含有分段的種子集合一次，選出6個種子，生成種子列表的情況下，算法的復雜度就為O（6N）。在達到均衡機制的要求下，該算法是合理有效的。

P2P目錄服務器需要對播放終端的上線及學習過程進行記錄存檔，同時通過心跳功能獲取當前節點的通信性能，為種子節點選擇做好準備。

心跳功能的記錄結構如表2所示，IP地址用于判定所在的網段，UploadNum記錄當前播放終端啟動的線程數，本系統規定線程數為4個，線程數作為種子節點選源的一個因素之一。

P2P目錄服務器提供每個視頻文件的種子文檔信息，以便用戶播放端能夠進行終端網絡的P2P終端分片共享，由于視頻分片的分布是動態的，因此每個播放終端將自己所擁有的視頻分片向目錄服務器進行匯報，為種子文檔的產生做好準備。分片更新工作流程如圖6所示。

分片更新算法UpdateLocalFragments如下：

該算法根據本文設計的更新本地分片的策略進行實現，將本地的分片更新到服務器從而實現數據的共享。

五、系統測試

系統測試主要通過測試用例對系統的各項功能進行測試，[8]主要包括流媒體播放與P2P播放兩種模式的切換測試、P2P目錄服務器的P2P下載功能測試、用戶播放端分片信息更新的測試、用戶播放端之間的多線程P2P下載與上傳功能測試、P2P目錄服務器種子節點選源均衡策略測試、P2P傳輸異常測試。這里僅給出三個主要功能測試用例及測試結果。

測試環境如圖7所示：

（1）服務器1臺，該服務器上部署一個流媒體課件服務器、一個課件點播web服務器（網絡大學學習平臺）、一個P2P目錄服務器。

（2）用戶播放終端計算機5臺，具有瀏覽器軟件和P2P客戶端軟件。

主要功能的測試樣例及測試結果：

1.流媒體播放與P2P播放兩種模式的切換測試

2.P2P客戶端之間單線程和多線程傳輸功能測試

3.P2P目錄服務器種子節點選源均衡策略測試

以上結果是在實際環境下測試的實際結果，實際測試表明所完成的設計符合實際設計需求，功能正確。

六、分析與討論

本文根據實際需求，在原有流媒體視頻點播架構的基礎上，增加P2P視頻播放功能，所實現的系統設計和功能滿足了兩種播放模式的兼容和自動感知切換，充分利用了兩種播放模式各自的優點，系統設計考慮了各種異常處理方案，使得系統本身具有較好的健壯性，系統的機制和策略具有實際價值，能夠應用于不同領域中的數據分發和共享。

參考文獻：

[1]沈時軍，李三立.基于P2P的視頻點播系統綜述[J].計算機學報，2010，（04）：613-624.

[2]王書芹，姜秀柱，田芳，等.基于P2P的流媒體點播系統中客戶端緩存的研究[J].計算機應用與軟件，2009，26（9）：219-221.

[3]方煒，吳明暉，應晶，等.基于P2P的流媒體應用及其關鍵算法研究[J].計算機應用與軟件，2005，22（5）：35-37.

[4]黃良飛.基于DirectShow技術的網絡視頻播放器設計[D].浙江大學碩士學位論文，2007.

[5]呂偉梅，鄭慶華，黃華，等.移動流媒體播放器的設計與實現[J].計算機科學，2008，35（9）：126-128.

[6]趙進，葉梧，馮穗力.基于RTP/RTCP的流媒體服務器技術研究[J].中國有線電視，2004，（01）.

[7]Mengkun Yang，Zongming Fei.A segmentation-based fine-grained peer sharing technique for delivering large media files in content distribution networks[J].IEEE transactions on multimedia，2006，8，（4）：821-829.

[8]Aditya Ganjam，Sanjay G Rao，Kunwadee Sripanidkulchai.On-demand waypoints for live P2P video broadcasting[J].Peer-to-Peer Networking and Applications，2010，3（4）：277—293.endprint