基于云服務(wù)的P2P流媒體技術(shù)在遠程教學(xué)視頻傳輸中的應(yīng)用

周個妹　劉澤斌

摘 要：通過闡述流媒體技術(shù)對于當(dāng)今遠程教育的重要意義，文章提出了基于云服務(wù)的P2P的遠程教學(xué)系統(tǒng)資源共享網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和解決方案，研究表明基于云服務(wù)的P2P架構(gòu)的流媒體技術(shù)能夠突破固有網(wǎng)絡(luò)帶寬的瓶頸，高效的傳輸流媒體文件，提高音視頻文件的播放質(zhì)量，保證視頻資源的穩(wěn)定性，更適用當(dāng)今遠程教學(xué)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：云服務(wù)；流媒體；P2P；教學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2016）06-0091-04

當(dāng)今，電子信息技術(shù)在以前所未有的速度發(fā)展，許多傳統(tǒng)領(lǐng)域都受到?jīng)_擊從而產(chǎn)生各種變革，基于先進的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，遠程教學(xué)模式應(yīng)運而生，遠程教學(xué)的開拓與發(fā)展，使得現(xiàn)在的教學(xué)模式呈多元化趨勢發(fā)展，無論是教學(xué)模式還是教授內(nèi)容均發(fā)生了巨大的變革。而相應(yīng)的，學(xué)生的學(xué)習(xí)模式也在變化，現(xiàn)在的課堂，學(xué)生不再是以單純的聽講作為主要學(xué)習(xí)方式，他們開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎n堂的主體，帶著疑問有目的性的尋求教學(xué)資源，因此擁有龐大教學(xué)資料儲備、方便溝通渠道、良好互動機制的遠程教學(xué)模式必定成為教育領(lǐng)域的主流教學(xué)模式。

一、基于云服務(wù)的P2P流媒體技術(shù)

1.流媒體

流媒體技術(shù)在一定程度上突破了網(wǎng)絡(luò)寬帶對多媒體信息傳輸?shù)南拗疲粡V泛用于網(wǎng)絡(luò)視頻直播、廣告、電子商務(wù)等各種領(lǐng)域，它采用流式傳輸?shù)姆绞剑鋽?shù)據(jù)流能夠做到隨時傳送，對系統(tǒng)緩存要求較低，縮短了啟動延時，隨時播放，減少了用戶等待時間且能夠做到斷點續(xù)播，不必從頭下載文件再播放，而且流媒體壓縮的音視頻文件容量小，易于網(wǎng)絡(luò)傳輸。

雖然現(xiàn)代遠程教育已經(jīng)取得了很大的進步，但目前國內(nèi)的遠程教學(xué)還存在不足之處，其中最顯著的一點是教學(xué)模式單一。許多院校只是將原版教材制成電子版上傳至網(wǎng)絡(luò)供學(xué)生下載，僅僅是利用了網(wǎng)絡(luò)的便利條件改變了教學(xué)環(huán)境，教學(xué)形式上反而變得更加消極，在無人監(jiān)督和學(xué)習(xí)內(nèi)容單調(diào)乏味的情況下，會極大的打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而且諸如化學(xué)、物理、音樂等需要現(xiàn)場實驗和演示的學(xué)科，在只能傳輸PDF或PPT文本的形式單一的遠程教學(xué)平臺上根本無法做到有效授課。

流媒體技術(shù)的應(yīng)用可以有效解決這些不足，從效果上看，流媒體技術(shù)能夠?qū)鹘y(tǒng)教學(xué)中教師授課風(fēng)采以及現(xiàn)場試驗場景呈現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生對課程的理解，同時輔以PPT講稿和索引，學(xué)員可根據(jù)需要自由切換學(xué)習(xí)的課程章節(jié)，相比較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，不僅不會降低教學(xué)質(zhì)量，而且極大地提高了教學(xué)的便利程度。從成本上看，由于支持流式技術(shù)的多媒體文件不需要全部下載完成就能觀看，點播延時大大縮短，不需要很大的緩沖區(qū)，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求下降。流式技術(shù)采用較高效的壓縮編碼如MPEG-4等，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻的質(zhì)量，即使學(xué)員不在現(xiàn)場聽課也有身臨其境的感覺。

2.P2P概述

大學(xué)的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)多以C/S模式存在，該模式中，服務(wù)器以單播的形式傳輸媒體流，該傳輸模式一般用于小范圍的局域網(wǎng)內(nèi)，易于維護管理，但其缺點也十分明顯，當(dāng)用戶數(shù)量增加到一定程度時，受服務(wù)器本身性能及網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，無法承載較大流量的音視頻文件傳輸，這對遠程教學(xué)流媒體技術(shù)的使用開發(fā)是一大瓶頸[1]。

P2P是對等計算（Peer to Peer）的簡稱，可以簡單的定義成通過直接交換來共享計算機資源和服務(wù)，而對等計算模型應(yīng)用層形成的網(wǎng)絡(luò)通常稱為對等網(wǎng)絡(luò)。在P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，整個網(wǎng)絡(luò)不依賴專用的集中服務(wù)器，成千上萬臺彼此連接的計算機都處于對等的地位，網(wǎng)絡(luò)中的每一臺計算機既能充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的請求者，又對其它計算機的請求作出響應(yīng)，提供資源和服務(wù)。此類組網(wǎng)的傳輸模式優(yōu)點在于能夠充分利用客戶端（即學(xué)生終端）的閑置帶寬以及計算資源，減輕中央服務(wù)器及骨干網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān)，解決C/S模式資源受限問題，保證視頻流快速流暢播放，而且不需要互聯(lián)網(wǎng)路由器和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，因此性價比高且易于部署。但P2P技術(shù)流媒體業(yè)務(wù)的應(yīng)用中仍存在一些技術(shù)性的問題，如合適源節(jié)點查找和數(shù)據(jù)傳輸路徑維護等，也會對網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性造成負擔(dān)。基于此背景下，通過構(gòu)造新的虛擬多源P2P資源共享、傳輸模式等手段能有效解決遠程教學(xué)中流媒體應(yīng)用的問題，解決的方法是在客戶端節(jié)點中選擇優(yōu)秀節(jié)點構(gòu)建源組，充分利用對等網(wǎng)絡(luò)中每個終端用戶的空閑資源來減輕服務(wù)器的負擔(dān)，在不影響接收教學(xué)視頻質(zhì)量的情況下，能夠保證客戶端穩(wěn)定、流暢地獲取視頻，同時，使用該方法建立的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架具有良好的擴展性，能自動根據(jù)某一時期的用戶總量縮減或擴張規(guī)模[2]。

3.云服務(wù)概述

云服務(wù)是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展且經(jīng)常是虛擬化的資源。相對于傳統(tǒng)的基于本地設(shè)備的服務(wù)，它具有大規(guī)模、高可靠性、通用性、高可擴展性和按需服務(wù)、費用廉價等特點，如此，小規(guī)模使用者既能省去高昂的數(shù)據(jù)中心的管理成本，云平臺服務(wù)商也可運用閑散資源收取租用費來對云平臺進行維護，雙方互利互贏。從普通用戶的角度來看，通過云平臺獲取服務(wù)價格低廉且方便快捷，只要有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方即能使用，因此運用云服務(wù)，能有效優(yōu)化基礎(chǔ)的P2P流媒體傳輸系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)模型

1.傳輸系統(tǒng)框架

使用P2P技術(shù)在遠程教育平臺上傳輸流媒體，是為了充分利用終端設(shè)備的邊緣性網(wǎng)絡(luò)資源，減輕中央服務(wù)器負擔(dān)，提高流媒體傳輸效率，所以在系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)上使用混合式傳統(tǒng)模型[3]，如圖1所示。

教師端或管理流媒體資源的中央服務(wù)器作為傳輸系統(tǒng)的源節(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的視頻流均源于此。如果采用C/S（客戶端/服務(wù)器）的方式，那么整個傳輸系統(tǒng)將受到源節(jié)點設(shè)備配置的制約，并且當(dāng)學(xué)生用戶數(shù)量增加到一定程度后，源節(jié)點的終端設(shè)備會由于負載過重造成當(dāng)機現(xiàn)象，從而使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。而純P2P的非中心化結(jié)構(gòu)，則無法實現(xiàn)節(jié)點的快速定位，且容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴[4]。因此，傳輸系統(tǒng)采用建立虛擬源分組廣播的方式，在普通用戶中選擇網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)秀的節(jié)點作為組長建立廣播組，由組長專門負責(zé)該組內(nèi)部的流媒體傳輸管理，即源節(jié)點僅負責(zé)組長節(jié)點的傳輸補償，而不對普通節(jié)點做流媒體文件傳輸，普通節(jié)點則由其所屬廣播組組長節(jié)點負責(zé)流媒體傳輸[5]。由此，源節(jié)點與組長節(jié)點、組長節(jié)點與組內(nèi)普通節(jié)點均形成集中性結(jié)構(gòu)，而各廣播組組長之間、組內(nèi)普通節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸均采用P2P式的分散性結(jié)構(gòu)，這樣即可快速補充節(jié)點數(shù)據(jù)流。

2.數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作原理

（1）傳輸系統(tǒng)的初始化及資源獲取過程

當(dāng)學(xué)生用戶需要獲取流媒體資源時，必須先與源節(jié)點會話，建立通信鏈接，在首次通信過程中，源節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信響應(yīng)（如網(wǎng)絡(luò)帶寬及響應(yīng)時長等屬性）選擇網(wǎng)絡(luò)資源寬裕、終端性能優(yōu)秀的學(xué)生用戶的節(jié)點作為廣播組組長， 并分配編號GROUP_ID，構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)中的廣播組，并更新廣播組信息表，形成一級傳輸構(gòu)架。源節(jié)點優(yōu)先向組長節(jié)點傳輸初始流媒體數(shù)據(jù)，而各廣播組組長節(jié)點間以純P2P的方式進行數(shù)據(jù)互聯(lián)，互補信息差異。當(dāng)組長節(jié)點從源節(jié)點獲取數(shù)據(jù)后，馬上根據(jù)自身管理的組內(nèi)節(jié)點信息表所含路由信息進行資源分發(fā)。

隨著學(xué)生用戶接入數(shù)量的增加，源節(jié)點根據(jù)新接入節(jié)點的信息，利用均衡負載技術(shù)，為用戶選擇最佳廣播組，標(biāo)識唯一節(jié)點編號，并分配到相應(yīng)廣播組中，并向廣播組組長節(jié)點反饋新節(jié)點信息。廣播組組長節(jié)點接受到反饋信息后，更新組內(nèi)節(jié)點信息表。

節(jié)點在加入廣播組后，先與組長節(jié)點進行對話，并從組長節(jié)點獲取相應(yīng)流媒體初始片段流，然后組長節(jié)點根據(jù)新節(jié)點當(dāng)前連接的片段號檢索組內(nèi)其余用戶，如果組內(nèi)其余用戶有相應(yīng)片段號的流媒體文件資源，則創(chuàng)建新節(jié)點與用戶P2P連接，由相應(yīng)用戶提供服務(wù)；如其余用戶無新節(jié)點所需資源，則仍由組長節(jié)點提供資源服務(wù)。

由此可見，廣播組內(nèi)部組成傳輸網(wǎng)絡(luò)的二級構(gòu)架，普通用戶與組長節(jié)點的層級關(guān)系與組長節(jié)點與源節(jié)點的層級關(guān)系一致，普通用戶僅向組長節(jié)點及組內(nèi)用戶索取流媒體資源，極大地緩解了對源節(jié)點的壓力。雖然普通節(jié)點也需連接到源節(jié)點進行認證，但認證信息所需網(wǎng)絡(luò)流量很小，不會對源節(jié)點造成太大影響。

（2）節(jié)點信息認證管理及維護

源節(jié)點：統(tǒng)一管理傳輸系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點信息及廣播組信息，當(dāng)有新節(jié)點加入時，由源節(jié)點為其選擇廣播組，并向所選廣播組反饋新節(jié)點認證信息，同時更新自身節(jié)點信息管理表。

組長節(jié)點：系統(tǒng)初始化時，從源節(jié)點獲取流媒體數(shù)據(jù)，并分發(fā)到組內(nèi)。廣播組穩(wěn)定后，負責(zé)組內(nèi)節(jié)點信息管理。在接到源節(jié)點反饋的新節(jié)點加入認證后，更新組內(nèi)節(jié)點信息表，并開始向新節(jié)點提供資源傳輸服務(wù)。同時廣播組組長節(jié)點之間保持通信及P2P式資源傳輸補償。

由于組長節(jié)點源于學(xué)生用戶，為避免該用戶退出后出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄嗔鳜F(xiàn)象，源節(jié)點應(yīng)為每個廣播組配備后備組長，當(dāng)現(xiàn)有組長節(jié)點退出后，后備組長行駛組長節(jié)點職能。后備組長應(yīng)由組內(nèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬最優(yōu)、響應(yīng)時長最短的節(jié)點擔(dān)任。

（3）節(jié)點退出

正常退出：源節(jié)點信息表中，對新加入節(jié)點認證并分配廣播組，同時更新節(jié)點信息。當(dāng)節(jié)點正常退出時，向源節(jié)點發(fā)出請求，源節(jié)點刪除節(jié)點信息表相應(yīng)信息并向?qū)?yīng)的廣播組組長節(jié)點反饋，組長停止對請求退出的組內(nèi)節(jié)點服務(wù)，刪除相應(yīng)的組內(nèi)節(jié)點信息。

異常退出：由于網(wǎng)絡(luò)故障或斷電等原因?qū)е掠脩粢馔怆x開時，組長節(jié)點不會收到用戶節(jié)點的退出請求。因此，傳輸系統(tǒng)內(nèi)需要通過心跳機制判斷節(jié)點存活。普通節(jié)點每個特定時間t向源節(jié)點發(fā)送一個狀態(tài)信息標(biāo)示節(jié)點存活。若源節(jié)點在n個特定時間t內(nèi)未收到某節(jié)點狀態(tài)信息，則視該節(jié)點已退出，向?qū)?yīng)組長節(jié)點發(fā)出反饋信息，停止向未響應(yīng)節(jié)點提供服務(wù)，更新節(jié)點拓撲。若組長節(jié)點未響應(yīng)，則刪除組長節(jié)點，同時更換后備組長為新節(jié)點組長，并向新組長配置相應(yīng)的組內(nèi)節(jié)點信息。

3.基于云服務(wù)的視頻資源傳輸優(yōu)化

混合結(jié)構(gòu)的P2P視頻傳輸模型能夠極大地提高遠程教學(xué)系統(tǒng)中視頻分發(fā)傳播的效率，但是有三點問題需要解決：①視頻資源數(shù)據(jù)的完整性、安全性：為保證視頻資源的存儲安全，確保不在硬件損壞的情況下丟失文件，需要考慮到資源的備份工作，要保證在讀取備份的過程中不間斷視頻的傳輸、分發(fā)工作，則至少需要“雙機熱備份”作為基本配置，即需要兩套相同配置的服務(wù)器群及存儲陣列；②校內(nèi)服務(wù)器負載過量：所有的初始資源均從存儲視頻資源的源節(jié)點獲取，會導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)構(gòu)建的初始階段，負責(zé)視頻資源管理的服務(wù)器負載過大，出現(xiàn)高延遲甚至當(dāng)機的現(xiàn)象；③關(guān)鍵點存活效率：組長節(jié)點是傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵，它是第一批接收視頻資源并進行分發(fā)管理的重要節(jié)點，但是由于組長節(jié)點是利用了性能較好的普通用戶節(jié)點，所以當(dāng)系統(tǒng)中用戶到達一定程度時，組長節(jié)點的登錄退出會變得相當(dāng)頻繁，繼而導(dǎo)致普通用戶頻繁的更換廣播組，期間的認證通信過程會消耗不必要的網(wǎng)絡(luò)資源，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬的負載，降低傳輸效率，加之也有可能會出現(xiàn)組長節(jié)點性能不足導(dǎo)致超級節(jié)點成為系統(tǒng)的瓶頸，其組內(nèi)的普通用戶節(jié)點成為孤立節(jié)點，從而一直等不到視頻數(shù)據(jù)。

由此，為保證傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運轉(zhuǎn)，必須解決上述三個問題。對于視頻文件數(shù)據(jù)的完整性、安全性和校內(nèi)服務(wù)器負載過量的問題，最直接的方法就是加強自身硬件配置，然而這需要配置多臺高性能服務(wù)器以及存儲陣列，無論在采購還是日常維護的工作上，均要花費大量的人力物力，對于學(xué)校而言，僅為了遠程教學(xué)系統(tǒng)的視頻資源就花費大量成本去構(gòu)建企業(yè)級的硬件設(shè)施是十分劃不來的。而如果使用云服務(wù)，則可以完美解決這一問題。首先，在硬件配置上，云平臺的設(shè)施都由大型企業(yè)作為運營商維護，其硬件配置遠比自己構(gòu)建的機房更高效，更合理，用戶從云平臺獲取流媒體教學(xué)資源，無需占用校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬，能極大緩解校內(nèi)網(wǎng)壓力；其次，從經(jīng)濟上，云平臺的設(shè)施不需要由學(xué)校派專人維護，學(xué)校僅需要支付云平臺服務(wù)租用費用即可，期間硬件的損壞更換、升級服務(wù)以及機房維護，學(xué)校都不再需要支付任何費用，學(xué)校也不用另外購買數(shù)據(jù)存儲備份所需的硬件設(shè)備，極大地節(jié)約了人力和物力成本；再次，從拓展性來說，使用云服務(wù)可以根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)的負載量直接調(diào)整傳輸模型的承載能力，如需擴大規(guī)模時不需要更換硬件設(shè)備，僅需要向云平臺的服務(wù)商購買更高等級的環(huán)境配置即可。由此可見，使用云平臺來解決本文提出的P2P視頻傳輸系統(tǒng)是有效可行并且極富性價比的。

在引入云平臺的同時，引入兩個定義：①主動源：云平臺上一種由多個核心、可變內(nèi)存和永久的存儲空間組成的自動化虛擬機服務(wù)，它的任務(wù)是主動接受從源節(jié)點（校內(nèi)管理流媒體資源的中央服務(wù)器）推送的流媒體文件數(shù)據(jù)，并立即利用自身上傳能力分發(fā)到各用戶節(jié)點，保證用戶節(jié)點盡可能早的獲得緩存視頻數(shù)據(jù)，它的存在能夠有效解決視頻資源數(shù)據(jù)的完整性、安全性和校內(nèi)服務(wù)器負載過量的問題。②被動源：僅租用簡單的云存儲服務(wù)，源節(jié)點和主動源均可推送任意數(shù)據(jù)給被動源，而普通的用戶節(jié)點如果無法在限定時間以前獲得流媒體數(shù)據(jù)，則向被動源請求，由被動源直接推送數(shù)據(jù)給用戶節(jié)點，它用于解決關(guān)鍵點關(guān)存活問題。

被動源工作機制：在基于P2P的視頻流傳輸系統(tǒng)運行基礎(chǔ)上，云節(jié)點除了向組長服務(wù)器發(fā)送流媒體數(shù)據(jù)外，還負責(zé)把數(shù)據(jù)存儲在被動源上。為了保證達到預(yù)定義的服務(wù)質(zhì)量，每個節(jié)點都先緩存播放時間往后的一定時間段的數(shù)據(jù)塊，把這段數(shù)據(jù)塊定義為緩沖預(yù)判，對應(yīng)的這段時間叫預(yù)判時間TL，如果一個數(shù)據(jù)塊不能在它應(yīng)該的播放時間減去TL這個時刻之前獲取到的話，那么這個節(jié)點便向被動源求助，從被動源那直接獲取這個預(yù)判緩沖的數(shù)據(jù)塊。這樣，在組長節(jié)點失效的情況下，普通用戶節(jié)點也能及時獲取流媒體視頻數(shù)據(jù)，并且被動源基于云服務(wù)，不會頻繁登錄退出浪費網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。

主動源工作機制：主動源的目的是為了減少網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，分擔(dān)校內(nèi)服務(wù)器負載，提升服務(wù)質(zhì)量。主動源獲得數(shù)據(jù)的途徑可以是媒體源，可以是其它主動源，然后將數(shù)據(jù)推送給其他主動源或者組長節(jié)點、普通節(jié)點。由于主動源具有自動化虛擬機服務(wù)，它和用戶節(jié)點一樣運行節(jié)點取樣協(xié)議去獲取整個傳輸系統(tǒng)的拓撲信息和運行情況，發(fā)現(xiàn)其鄰居節(jié)點。顯然，由于主動源能夠自動獲取拓撲信息和其他節(jié)點的運行信息，它可以對源節(jié)點做動態(tài)備份，并且能自動尋找壓力過大的群組，按負載壓力大小主動分擔(dān)組長節(jié)點和被動源的壓力，使得更多的節(jié)點在更早的時間接收到視頻流數(shù)據(jù)，整個網(wǎng)絡(luò)的效率會得到提高。然而，由于主動源的服務(wù)租用費遠比被動源高，所以，主動源和被動源的租用數(shù)量應(yīng)根據(jù)實際情況取舍，在用戶數(shù)量相對較小、拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不高的情況，甚至可以考慮僅使用被動源功能。這樣才能做到效率和成本的兩方面優(yōu)化。

本文設(shè)計和描述了基于云服務(wù)的P2P流媒體傳輸模式在遠程教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用，并分析了系統(tǒng)的性能及優(yōu)勢。基于云服務(wù)的P2P流媒體技術(shù)遠優(yōu)于傳統(tǒng)的C/S教學(xué)模式，將給遠程教育模式帶來全新的體驗，解決網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量難以控制的問題。隨著網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)環(huán)境的改善和廣泛應(yīng)用，基于云服務(wù)P2P模式的流媒體技術(shù)將為遠程教學(xué)提供更好的平臺。

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（編輯：魯利瑞）