移動混合型對等網絡P2P流媒體系統

朱聃　何燕鋒　劉志軍

摘? 要：P2P流媒體系統當前已成為互聯網應用領域的一個熱點。針對目前P2P流媒體系統存在的問題，文章提出了一種新的P2P流媒體系統。該系統利用數字版權管理和媒體流加密技術，有效解決了現有P2P系統的盜版問題;將傳統的互聯網客戶端/服務器模式與P2P模式相結合，改善了單純P2P系統的性能;將P2P的應用擴展到移動終端，大大減輕了接入節點的服務壓力和投資成本。

關鍵詞：對等網絡;流媒體;數字版權管理;移動對等實體代理

中圖分類號：TP393.09 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0089-03

P2P Streaming Media System of Mobile Hybrid Peer-to-Peer Network

ZHU Dan，HE Yanfeng，LIU Zhijun

（Fixed Line and Multimedia Product Line，ZTE Corporation，Nanjing? 210012，China）

Abstract：P2P streaming media system has become a hotspot in the field of internet application. In view of the problems existing in the current P2P streaming media system，this paper proposes a new P2P streaming media system. The system uses digital rights management and media stream encryption technology to effectively solve the piracy problem of existing P2P system;combines the traditional internet client/server mode with P2P mode to improve the performance of simple P2P system;extends the application of P2P to mobile terminals，greatly reducing the service pressure and investment cost of access nodes.

Keywords：P2P;streaming media;DRM;mobile peer entity agent

0? 引? 言

隨著大規模存儲、高性能工作站以及5G等技術的進步，各式各樣的多媒體通信服務迅猛發展。基于P2P的流媒體技術解決了傳統客戶端/服務器（C/S）模式的流媒體服務可擴展性差、容錯性不好、魯棒性弱等問題，極大降低了互聯網流媒體服務的投入成本[1]。

但根據對用戶使用P2P流媒體服務的反饋看，現有服務仍然不能滿足用戶體驗方面的需求，主要表現為：P2P流媒體軟件從啟動到播放的時延相比傳統模式要大;在播放過程中由于傳輸速率不穩定常常出現流媒體跳幀的現象;受到帶寬頻率的限制，在移動終端上使用P2P流媒體往往會加大無線接入點的壓力，接入終端的數量也受到限制，所以在移動終端上使用P2P流媒體還比較困難。除了在用戶端存在的問題，現有P2P流媒體系統還受到內容提供商的抱怨，因為他們大部分沒有對內容的版權進行控制，使得播放的內容很容易被盜版[2]。

基于筆者在多媒體通訊領域多年的工作和研究經驗，結合P2P流媒體技術現狀，提出了一種在服務器輔助下的P2P網絡的流媒體系統，通過結合C/S模式和P2P模式的特性，使得流媒體的傳輸達到一種相對穩定的速率，同時改善了流媒體播放的速度，并且為移動終端設計了能夠不通過接入網絡就進行P2P通信的終端間短距離通信模塊。在此基礎上，該系統還引入了內容的版權控制，為P2P流媒體服務的商業化提供保障。

1? 系統網絡結構

本系統采用C/S模式與P2P方式混合的結構，服務器一方面提供可供下載的對等終端的列表，另一方面還可以對剛接入系統的終端提供C/S模式的下載流。這樣當剛接入系統的客戶端還沒有在P2P方式的流媒體網絡中達到相對穩態的速率時，服務器可以快速地提供穩定的下載流;而當P2P方式的媒體流達到穩態時，服務器就停止為該終端提供下載流，轉而服務新近加入的終端。其網絡結構如圖1所示。

在實際部署中，服務器可以以集群方式進行部署;而客戶端在下載過程中將會出現兩種狀態，即P2P穩態和非P2P穩態。這樣系統在運行中就形成兩個客戶端網絡：穩態P2P流媒體網絡和非穩態P2P流媒體網絡。穩態的P2P流媒體網絡和服務器間只進行狀態信息的交互，不進行媒體流的下載;而非穩態的P2P流媒體網絡中的客戶端則與服務器間有媒體流的傳遞。客戶端在接受服務過程中將會在兩種狀態間進行變換，一旦P2P方式的媒體流無法滿足播放的要求時，其將向服務器請求補償;而當該方式能夠滿足時，服務器將主動斷開連接。

2? 系統邏輯架構

系統從邏輯上分為三層：內容層面、網絡層面和用戶層面。內容層面主要是管理流媒體視頻和用戶的數據，同時管理計費;該層面主要是提供給內容提供商使用。系統的主要部分集中在網絡層和用戶層。下面就這兩個層面的主要模塊進行論述。

2.1? P2P流媒體模塊

P2P流媒體模塊處理所有流媒體文件的分布式傳送。將傳送流媒體的負載分布到用戶端，是基于某種特定的策略進行調度的，這種策略很好的均衡了整個流媒體網絡的分發能力。該策略還將調度機頂盒中的流媒體數據的更新時間，而P2P模塊會跟蹤每個流媒體文件塊所在的位置（即存儲在哪個機頂盒上）。

為了使系統能夠用于移動終端設備上，我們還專門設計了針對移動終端的P2P流媒體模塊，特別是開發了能夠適配藍牙和Wi-Fi的接口，使得移動終端之間能夠進行P2P方式的業務通信。由于移動終端的特殊性，因此移動終端上的P2P模塊設計需要有一定網關的功能。為了激勵用戶能夠自覺自愿的提供移動網關能力的支持，系統將給提供該功能的用戶以一定的積分獎勵。

2.2? 移動對等實體代理

作為系統的擴展，移動對等實體代理（MPB）處于網絡層和用戶層之間，其部署在互聯網的邊緣與移動接入網相連。一方面，MPB在互聯網端和機頂盒、中心服務器構成混合的P2P流媒體網絡，它在其中作為一個對等實體。另一方面，它在移動接入網絡端將流媒體轉換成適合無線接入網接入速率的媒體流，然后轉發給相應的移動終端。作為P2P流媒體網絡中的節點，MPB是根據移動接入網的分布進行部署的，其形式非常靈活。

在整個流媒體服務開始的時候，只有很少的幾個用戶在下載流媒體數據，此時大多數流媒體的傳送是通過服務器完成的。但是隨著下載流媒體用戶數量的增多，服務器端的數據傳送就開始減少，而最終流媒體的分發將完全由終端用戶的終端設備來完成。這樣不僅節省了服務器的接入帶寬，而且對網絡層面服務器能力的要求也沒有單純的C/S模式下的那么高;另一方面則保證了用戶對流媒體播放請求響應時間的要求。

2.3? 數字版權管理模塊

本系統的數字版權管理（DRM）功能負責給系統的會員用戶授權訪問系統的媒體資源，管理加密的密鑰，并在媒體內容下載到用戶端后能夠繼續被保護。系統在數字版權管理上分別針對C/S模式的流媒體和P2P方式的流媒體設計了兩種流程，如圖2、圖3所示。

圖2中所有的流媒體數據在發布之前都經過了加密處理，當終端用戶想要觀看其下載的流媒體電影時，必須獲得系統提供的打包信息，該信息包含了加密密鑰和一個內容的唯一標識。當然，用戶只有付費后才能夠接收到系統提供的該打包信息。只有采用特定的標志碼，流媒體電影才能夠被收看;采用這種方式，流媒體內容是安全的。

圖3中流媒體數據通過P2P網絡進行下載播放，但在播放前用戶必須購買體系提供的數字證書才能夠播放流媒體，該證書一方面保證下載到用戶端的流媒體的一致性和完整性，另一方面也防止用戶在轉發過程中非法改變傳播的流媒體。

3? 網絡層面服務器負載和能力的估算

為了能夠從理論上給出混合P2P流媒體系統在性能方面的優勢，我們將對服務器的負載進行分析。為此，我們先計算在能夠滿足所有文件請求的情況下，文件從服務器端被下載的頻度。這意味著一個用戶在發出播放流媒體電影的請求后，就能夠立刻看到流媒體電影的畫面。

如果假設電影數據庫中有1 000部電影文件，則從服務器端下載流的總量為1 000（電影數量）×45 000（下載流/電影）×1.3 GB（每部電影的大小）≈57 128.9 TB。而如果假設電影是幾乎同時被發布的，則考慮同一時間峰值請求為用戶基數的1%，即為10 000，那么服務器所需的最大帶寬為10 000×2 MBit/s=20 GBit/s。

4? 結? 論

本文介紹了一種新型流媒體系統，該系統一方面結合了C/S模式和P2P方式改善了用戶體驗;另一方面能夠提供給移動終端使用，擴展了個性化的應用。同時，系統引入了數字版權管理的機制，解決了合法應用的問題。最后文章對系統的負載性能進行了理論上的分析，從結果可以看出采用該系統能夠大大節約服務器的投資成本。

參考文獻：

[1] 董海韜.基于對等網絡的流媒體傳輸系統技術研究 [D].北京：清華大學，2005.

[2] 梁曉輝，游志勝.流媒體技術及其在寬帶網絡中的應用與發展 [J].信息網絡，2004（2）：38-43.

作者簡介：朱聃（1983.01—），男，漢族，江蘇揚州人，工程師，研究生，工學碩士，研究方向：多媒體通信技術;何燕鋒（1977.01—），男，漢族，廣西玉林人，高級工程師，研究生，工學碩士，研究方向：多媒體通信技術;劉志軍（1972.12—），男，漢族，山東德州人，工程師，研究生，管理學碩士，研究方向：多媒體通信技術。