P2P與CDN混合組網的專利技術綜述

李星星

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作四川中心，四川成都，610000）

引言

隨著網絡技術的進步，人們對流媒體的質量和分發(fā)速度提出了更高的要求。而在流媒體分發(fā)領域，CDN和P2P是流媒體分發(fā)中最常用的兩種技術。

（1）CDN概述

CDN最早由麻省理工學院的一個小組于 1996年提出，其提供了一種傳送內容的新型體系結構[1-2]。隨著多媒體技術的不斷發(fā)展，圖像、音頻、視頻服務所占的比重越來越大。傳統(tǒng)的緩存技術只能存儲靜態(tài)HTML文件、圖片等比較小的文件，而對交互性強和比較大的文件并不支持，因此迫切需要一種新的傳輸結構解決這一問題。CDN增強了C/S模式中服務器端的能力，是隨著web體系結構中的緩存技術的發(fā)展而發(fā)展起來的，并在web體系結構中起著越來越重要的作用。和緩存類似，CDN也設立若干分支節(jié)點，盡量將用戶請求的內容存儲到距離用戶只有“最后一公里”的邊緣節(jié)點上，使得用戶請求可以在本地進行，改善用戶的訪問效果，CDN的基本結構，如圖1所示[3]。一個CDN通常包括邊緣節(jié)點傳輸、內容路由、集中式內容分布和管理(負責內容在不同節(jié)點的同步和復制)等功能。具體功能模塊包括：存儲和傳輸節(jié)點：存儲內容，并向終端用戶提供內容；中心控制器：主動預定位內容，管理交易報告和計費；中心管理器：監(jiān)視CDN中節(jié)點的性能以及網絡流量；轉向請求管理器：重定向用戶請求到最近的可用存儲節(jié)點；中心數(shù)據(jù)存儲：對原始內容服務者的內容進行存儲。中心數(shù)據(jù)存儲器接受源站點(內容提供者)的數(shù)據(jù)(Push)，并在中心控制器的指令下向其他CDN節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

CDN技術最初用于Web服務。當用戶向Web服務器發(fā)送請求時，利用DNS的重定向機制，將其重定向到離用戶最近或負載最低的CDN服務器上，以加快響應速度和優(yōu)化熱點內容分布，達到平衡Web服務器負載和降低網絡帶寬消耗的目的。這一技術同樣可以應用于網絡流媒體服務。由于流媒體本身的特點，大量用戶對熱點文件的重復請求，使得網絡中存在大量冗余數(shù)據(jù)，CDN服務器的處理能力和出口帶寬就成為系統(tǒng)瓶頸；另外，CDN服務器部署和維護的高費用，也增加了服務提供商和客戶的成本。當前相關研究主要從副本放置算法、內容路由、負載均衡和重定向機制等方面對CDN技術進行了改進，使得系統(tǒng)的服務性能和健壯性得到了提高。

圖1 CDN基本結構圖

（2）P2P概述

早在1998年就出現(xiàn)了利用P2P實現(xiàn)大規(guī)模流媒體應用的系統(tǒng)。P2P是對客戶端能力的增強，可解決C/S架構下服務器性能及網絡資源的瓶頸問題。與CDN不同，P2P內部所有節(jié)點的地位均等，節(jié)點之間不需要互聯(lián)網路由器和網絡基礎設施的支持，成本低、易于部署。同時，P2P節(jié)點在下載文件時還上傳給其他請求節(jié)點，擴大了用戶組的規(guī)模，提高了系統(tǒng)效率。它打破了傳統(tǒng)的C/S模式，網絡中沒有集中的服務器，每個節(jié)點(peer)既可作為服務器提供者，又可作為客戶接受服務。它充分利用分布在不同位置上的普通用戶終端資源，將計算或存儲任務分布到所有節(jié)點來提供服務。通常P2P拓撲結構可以分為集中式、完全分布式非結構化，完全分布式結構化以及混合式四種結構、圖2為混合式P2P系統(tǒng)結構圖[4][5]。

圖2 P2P基本結構圖

由于P2P網絡中沒有中心控制服務器，節(jié)點隨機進入和退出P2P網絡，用戶間的交互也隨機發(fā)生，甚至會跨越多個骨干網而占用大量帶寬。而且節(jié)點之間資源差別較大，這樣會造成某個持有特定資源的節(jié)點在某個時刻的訪問負載超載；或由于該節(jié)點突然退出，導致該資源的缺失。目前大量研究分別從文件訪問控制機制、容錯機制和節(jié)點激勵機制角度，對P2P進行了改進，但仍不能有效降低主干網絡流量，流媒體分發(fā)的啟動速度仍然與種子節(jié)點的數(shù)量密切相關[6][7][8]。

隨著流媒體業(yè)務量的激增，視頻業(yè)務成為互聯(lián)網應用最普遍的業(yè)務時，CDN將面臨巨大的挑戰(zhàn)。而大規(guī)模擴充帶寬、內容存儲容量和提高服務器能力等措施會增加開銷和成本，也無法從根本上解決問題。另外，用戶如果在邊緣服務器沒有命中所請求的內容，則該請求被調度到中心服務器上，并由中心服務器響應用戶請求，此時內容分發(fā)的路徑又不可避免的繞到骨干網上，將大大增加延時并嚴重影響用戶的業(yè)務體驗。P2P與CDN技術各有優(yōu)缺點，并且某些方面是互補的，因此，將二者融合也成為很多研究團體的主要研究方向。

1 P2P與CDN混合組網的專利申請分析

為了研究P2P和CDN混合組網領域專利技術的發(fā)展情況，使用其相關的關鍵詞：“P2P”、“CDN”、“對等”、“peer to peer”、“內容分發(fā)網絡”，在CNABS數(shù)據(jù)庫、VEN數(shù)據(jù)庫、SIPOABS數(shù)據(jù)庫中進行檢索。在此基礎上，筆者主要對全球和國內專利申請狀況的趨勢以及國內專利重要申請人進行分析，從中得到相關的P2P與CDN混合組網的發(fā)展趨勢。

1.1 全球歷年專利申請量分布

如圖3所示，P2P與CDN混合組網的相關專利在2005年之前，每年的申請量都不超過5件，而在2006-2011年之間專利申請量達到了高峰，說明在此階段是P2P與CDN混合組網的研究高潮。2011年之后數(shù)據(jù)出現(xiàn)回落現(xiàn)象，雖然這與專利申請公開時間滯后有一定的關系，但是也已表明相關申請量呈現(xiàn)降低趨勢。

在此基礎上，筆者通過分別對P2P網絡和CDN網絡相關專利的申請進行分析發(fā)現(xiàn)，雖然P2P網絡在1998年就已經提出，但在2004年之前有關P2P技術的專利申請依然很少，而自2005年起，P2P流媒體技術研究才成為熱潮，之后相關申請量呈現(xiàn)一個快速增長狀態(tài)。這也恰好與本文中P2P與CDN混合組網在2006-2011年之間申請量的快速增長相吻合。

圖3 P2P與CDN混合組網全球歷年專利申請量分布

1.2 全球申請人申請量分布

本文對P2P與CDN混合組網技術領域的申請人分布進行了統(tǒng)計分析，如圖4所示，為全球申請人排名前10的申請人的數(shù)量分布。由圖4也可以看出，相關專利的申請主要集中在國內，且國內申請人以企業(yè)居多，其次是科研院所和高校。申請量排列前 10的申請人中，除了阿卡麥科技公司、微軟和Interdigital patent holding外，其余都是國內申請人，其中，排名前3中的合一網絡技術（北京）有限公司和樂視網信息技術（北京）股份有限公司的主要業(yè)務都是視頻網站，而其申請量分別為：24件和16件。這也說明P2P與CDN混合組網技術的發(fā)展與國內互聯(lián)網市場的繁榮有著直接關系。而國外申請人主要是由阿卡麥科技公司，申請量為22件。另外，中科院聲學研究所雖然專長聲學研究，但其在通信領域的技術也不容忽視。

圖4 全球申請人申請量分布

1.3 專利技術領域分析

P2P與CDN混合組網專利技術領域總體分支主要體現(xiàn)在H04L（數(shù)字信息的傳輸）和G06F（電數(shù)字數(shù)據(jù)處理）和H04N（圖像通信）三個小類中，特別是H04L所占的比列高達58%，如圖5所示。由此可以看出，P2P與CDN混合組網相關的技術創(chuàng)新主要集中在通信領域，這與近年來中國對于基礎網絡通信的大力發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系。

圖5 P2P與CDN混合組網技術領域總體分布

1.4 中國歷年專利申請量分布

圖6 P2P與CDN混合組網中國歷年專利申請量分布

由圖6可知，國內有關P2P與CDN混合組網的專利申請最早出現(xiàn)在2006年，2006-2011年是其快速發(fā)展的一個階段。之后，除了2015年出現(xiàn)申請量較大的情形外，總體呈現(xiàn)數(shù)據(jù)回落的趨勢。筆者通過對2015年的數(shù)據(jù)分析，在2015年申請的專利中，合一網絡技術（北京）有限公司所占的比重最大。在此基礎上，筆者對該公司的專利申請量進行了分析，其在 2011-2016公開的與CDN和P2P相關的申請量共計29件，而2015年的專利申請量就占有10件。這可能是引起在2015年國內和全球有關P2P與CDN混合組網相關申請量有所回升的重要因素之一。

2 P2P與CDN混合組網專利技術分支及其發(fā)展路線

通過對檢索出來的專利申請樣本進行技術分支分析，發(fā)現(xiàn)其申請保護的主題主要涉及數(shù)據(jù)調度，數(shù)據(jù)緩存、架構部署及應用、安全四個方面。下面對各個分支下按照時間演進方向進行重點專利分析。

2.1 數(shù)據(jù)調度

經過分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)調度包括數(shù)據(jù)路由和傳輸，以及流量控制等方面的技術研究。如圖7所示，為了解決上行鏈路過載的問題，2006年的專利申請EP1987648A1提出根據(jù)內容列表對數(shù)據(jù)進行路由和傳輸，由對等方從目錄服務接收包含內容可用性的內容列表，向內容服務請求內容，從與第二對等方相關聯(lián)的第二個人網絡存儲區(qū)將所請求的內容下載到與請求對等方相關聯(lián)的第一個人網絡存儲區(qū)，其中，第一和第二個人網絡存儲區(qū)以接入網內的服務器為主機，從而在對等方相關聯(lián)的個人網絡存儲區(qū)之間執(zhí)行下載服務。為了緩解CDN服務器的壓力，專利CN100405773C提出首先初始用戶端從服務端接收并播放內容分發(fā)網絡系統(tǒng)的音視頻數(shù)據(jù)，將音視頻數(shù)據(jù)打包，并編號緩存；后續(xù)用戶端對從服務端接收音視頻數(shù)據(jù)的速度進行判斷，若速度小于設定的閾值 N，則通過點對點內容分發(fā)系統(tǒng)中的檢索服務器，獲取正在接收并播放同樣內容的多個用戶端，并與其連接后按編號接收并播放音視頻數(shù)據(jù)，并將音視頻數(shù)據(jù)打包，并編號緩存。隨著互聯(lián)網流媒體的發(fā)展，人們對視頻播放速度的要求越來越高，為了減少播放延遲，專利 CN101102312B提出客戶端根據(jù)用戶選定的頻道確定對應的媒體服務器及該客戶端在點對點系統(tǒng)中的父節(jié)點；該客戶端根據(jù)父節(jié)點的相關信息確定本次數(shù)據(jù)處理的起始分片組標識，并向該媒體服務器發(fā)送請求該頻道數(shù)據(jù)的消息，該消息中攜帶該起始分片組標識；該客戶端接收該媒體服務器根據(jù)該起始分片組標識發(fā)送的該頻道的數(shù)據(jù)，且接收各父節(jié)點發(fā)送的該頻道的數(shù)據(jù)，從而可以減少選定頻道的播放延遲，并且可以支持高畫質視頻文件的傳輸。CN101237429B在CDN服務節(jié)點中設置標準直播單元，用于向客戶端提供流媒體數(shù)據(jù)；P2P直播單元，用于維護在線客戶端的信息并響應對該信息的獲取請求。CDN服務節(jié)點可以向客戶端分發(fā)流媒體數(shù)據(jù)，同時還維護在線客戶端信息，使得客戶端不僅可以從CDN服務節(jié)點獲取流媒體數(shù)據(jù)，還可以在獲知在線客戶端信息后從在線客戶端獲取流媒體數(shù)據(jù)，同時，具有流媒體數(shù)據(jù)的客戶端還可以作為種子節(jié)點向除自身之外的

圖7 數(shù)據(jù)調度技術演進路線圖

其他客戶端提供流媒體數(shù)據(jù)。EP2616951B1提出多層內容分發(fā)網絡，CDN由一層邊緣服務器(第一層)和一層父服務器(第二層)組成。一些或者全部的邊緣服務器能夠與一些或者全部的父服務器通信，邊緣服務器被分成 n個邊緣服務器組，父服務器被分成m個父服務器組。對于某些指定的內容，在高速緩存操作的填充側中插入流行度檢查，假定客戶端的請求已被定向到邊緣服務器，客戶端向邊緣服務器請求內容，邊緣服務器檢查以了解對象是否存在(在本地或者在對等體上)，并且是最新的，來確定是否通過從對等體獲得該對象。在邊緣服務器和對等體都不能獲得對象時，則根據(jù)流行度提供對象，如果對象未達到第一/最低水平的流行度，則將請求重定向到原始服務器（CDN原始高速緩存）中。CN102368776B在內容分發(fā)網絡中設置優(yōu)化功能模塊，在內容分發(fā)網絡的Cache網絡層范圍內通過對等緩存節(jié)點自身以及對等緩存節(jié)點之間鏈路的檢測，獲取與對等緩存節(jié)點可提供服務性能有關的信息和指標，根據(jù)這些信息與指標對可提供服務的對等緩存節(jié)點進行評估，選擇優(yōu)化過的節(jié)點為數(shù)據(jù)請求客戶端服務，使得用戶能可以從“最近最好”的服務節(jié)點上，快速訪問到所需的內容，從而大大提高終端用戶的訪問速度，提高整體系統(tǒng)的性能。專利申請CN105392068A將實時直播流變成了若干個子流，然后再通過CDN和虛擬化的傳輸通路進行分別傳輸，最后在播放器端進行重組，客戶端通過P2P方式與其他客戶端建立P2P連接，向其他客戶端請求缺少的子流。

2.2 數(shù)據(jù)緩存

隨著流媒體技術的發(fā)展，網絡的存儲容量成為影響網絡性能的重要因素之一。由圖8可以看出，與數(shù)據(jù)緩存相關的專利申請主要集中在2009年之后，且數(shù)據(jù)緩存主要涉及數(shù)據(jù)的分片存儲，而數(shù)據(jù)緩存的優(yōu)化又服務于數(shù)據(jù)調度，由此，數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)調度兩個技術分支的專利申請會有耦合。

圖8 數(shù)據(jù)緩存技術演進圖

2006年中興公司的專利申請CN101193294A將視頻數(shù)據(jù)分成等長塊交錯均與存儲于CDN節(jié)點的多個媒體單元中，根據(jù)需要在P2P-CDN網絡中按塊進行媒體分發(fā)和存儲。CN101645919B提出為文件設置等級數(shù)，一個文件的等級(level)數(shù)越低，所需的跳數(shù)越少，表示更容易找到其副本，一個內容分發(fā)網絡是一個兩層的結構，包括管理層和副本放置層。管理層主要負責所有文件索引的維護以及內容分發(fā)所需要的計算過程；副本放置層則負責對數(shù)據(jù)副本的備份。管理節(jié)點存儲所有文件的流行度等信息，且主要對媒體文件進行分發(fā)，根據(jù)文件在整個地區(qū)的流行度，計算副本文件等級，根據(jù)DHT路由算法，找到當前文件的主節(jié)點，主節(jié)點得到數(shù)據(jù)后，察看文件所需放置的副本等級，通過主節(jié)點的路由表，找到與主節(jié)點的ID匹配L位的所有節(jié)點，將文件復制到這些節(jié)點上完成副本放置。CN101645921B在根據(jù)流行度計算副本等級的基礎上，還定期收集用戶訪問信息并在盡量少的重新切片和分發(fā)的前提下對數(shù)據(jù)片段 block的流行度進行更新，使其更加接近用戶的真實訪問規(guī)律，并依據(jù)新的流行度計算副本放置方法，調整副本數(shù)目。CN103166991A提出文件跨域存儲，跨域共享，不同物理位置的云存儲資源全網共享、統(tǒng)一管理，通過對原始上傳的流媒體內容文件進行P2P切片，執(zhí)行本地緩存，更新本地目錄，并發(fā)起P2P全網分發(fā)操作，在存儲層面進行物理分片，并將這些物理分片的地址進行存儲索引。云存儲訪問客戶端根據(jù)該索引查詢獲取本地保存的內容。為了提高副本服務器的緩存命中率，CN103237068B提出將副本服務器緩存空間劃分成前綴緩存區(qū)和后綴緩存區(qū)；將中心服務器中的原流媒體內容分成前綴和后綴兩部分，并將前綴和后綴部分分別存入所述副本服務器的前綴緩存區(qū)和后綴緩存區(qū)中；當用戶請求到達時，依據(jù)副本服務器當前的緩存空間狀況、系統(tǒng)中訪問日志記錄的所有流媒體內容的熵值及副本服務器中內容片段的流行度值、用戶請求的流媒體內容的熵值及內容片段的流行度值，進行副本服務器中流媒體內容的緩存替換。

2.3 架構部署及應用

通過對樣本專利的分析和統(tǒng)計，P2P與CDN混合組網的應用主要集中在流媒體直播領域。而架構部署也主要集中在兩類：1）以CDN為中心P2P自治域為邊緣；2）在邊緣服務器間建立 P2P網絡。且其主要涉及直播、IPTV應用領域。阿卡麥科技公司的專利申請US8332484B2提出一種混合型內容分發(fā)網絡和對等網絡架構，其結構如圖9所示。P2P網絡包括多個對等機，并且至少一個對等機器屬于CDN的一部分，或具有訪問并使用給定CDN基礎架構或組件或數(shù)據(jù)的能力，以當希望取得給定內容時確定附近的對等端的位置，增強了CDN映射體系結構，以便在CDN映射中包括P2P網絡節(jié)點。這類模型的核心思想在是在部署內容分發(fā)網絡的地區(qū)，在網絡的邊緣節(jié)點上引入P2P網絡自治域，該P2P自治域由單個或多個邊緣緩存服務器和其覆蓋網絡的接入用戶共同構成了。該類模型將分發(fā)網絡分為兩層“上層為內容分發(fā)網絡”通過在內容分發(fā)步驟合理部署邊緣服務器，將內容推送到靠近用戶端的地區(qū)“下層主要使用P2P技術，以不同的邊緣服務器為中心，組成了P2P自治域”邊緣服務器作為下層P2P網絡的內容源服務器，為下層的P2P網絡提供穩(wěn)定的超級種子，在沒有接入內容分發(fā)網絡的P2P自治域，可以通過本域的原始流媒體服務器或者接入其它P2P自治域以獲得服務。CN101146022A提出的節(jié)點重復內容分發(fā)網絡，包括至少一個核心節(jié)點，核心節(jié)點包括應用及服務中心和管理中心，核心層執(zhí)行 CDN協(xié)議，主干層連接核心層，根據(jù)CDN協(xié)議與核心層的核心節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，并執(zhí)行CDN協(xié)議和P2P協(xié)議的轉換，同時主干層與P2P自治區(qū)域連接，主干節(jié)點作為該P2P自治區(qū)域的超級種子SUPERSEED為該區(qū)域提供服務并對該P2P自治區(qū)域進行管理和控制。其同樣屬于上述第一類模型。CN102118323A提出由多個CDN服務器組成對等通用內容分發(fā)網絡，所述多個CDN服務器中的部分或全部CDN服務器組成所述對等通用內容分發(fā)網絡的對等疊加網，所述對等疊加網采用對等的分布式存儲方式存儲內容的位置信息，具體模型如圖10所示。該類模型主要是以P2P技術對CDN網絡進行優(yōu)化，改造。在傳統(tǒng)CDN中，從中心到邊緣服務器之間的數(shù)據(jù)鏈路需要相當大的投資，同時資源的效率不高!帶寬復用率低;另外在跨ISP等情況下，鏈路的暢通也難以得到保障“針對這一問題，可以采用以P2P的方式組織CDN節(jié)點設備，利用P2P的目錄服務和多點傳輸能力，實現(xiàn) CDN節(jié)點設備之間的內容交換!互相備份，由此可增強從中心到邊緣節(jié)點的 CDN網絡的內容傳送效率!使系統(tǒng)冗余性得以提高，從而提升CDN的內容分發(fā)能力。CN101477669A提出的網絡音箱制品零售電子商務，采用CDN和P2P疊加網絡，將節(jié)點CDN服務器以P2P的方式組織，以P2P為零售服務邊緣的架構，這種P2P架構下，用戶終端可以通過P2P的客戶端來獲取零售網點的CDN服務。

圖9 以CDN為中心P2P自治域為邊緣

圖10 在邊緣服務器間建立P2P網絡

2.4 安全

隨著網絡架構部署及應用的越來越成熟，安全問題必然也成為網絡的重點研究課題。針對P2P與CDN混合網絡的數(shù)據(jù)傳輸安全主要通過數(shù)據(jù)加密、證書以及校驗機制來實現(xiàn)。CN101383700A提出在簇內各節(jié)點中預置與該簇對應的簇密鑰，當所述簇內的節(jié)點變化時，更新所述簇內各節(jié)點中預置的簇密鑰；接收所在第一簇的管理節(jié)點發(fā)送的、并且經過與所述第一簇對應的簇密鑰加密的會話密鑰；利用預置的與所述第一簇對應的簇密鑰對接收的會話密鑰進行解密；利用解密后的會話密鑰對所述管理節(jié)點發(fā)送的、并且經過會話密鑰加密的流媒體數(shù)據(jù)進行解密。CN101534309B提出通過證書對P2P網絡節(jié)點的接入進行身份驗證。CN101714993B提出為節(jié)目產生有時效的令牌，根據(jù)令牌和對應 P2P URL地址產生鏈接URL，接收NP客戶端從鏈接URL解析出的令牌，將令牌發(fā)送給BOSS服務器以進行驗證，接收BOSS服務器返回的驗證結果，將驗證結果發(fā)送到NP客戶端。CN102255695B提出先根據(jù)視頻文件的MDR值向數(shù)據(jù)校驗服務器獲取視頻文件的CRC32值，在傳送視頻數(shù)據(jù)之前，算出該段數(shù)據(jù)的CRC32值，兩者進行比對，相同則發(fā)送，不同則禁止。

3 結束語

本文基于對專利申請的統(tǒng)計分析，對P2P與CDN混合組網方面的專利技術進行了國內外的專利申請趨勢、主要申請人和技術發(fā)展路線進行分析，梳理了各個主要技術分支及相關技術分支下的專利技術。有助于相關領域的審查員了解技術實質和基本發(fā)展態(tài)勢，為相關領域的審查工作提供一定幫助。

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