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1、通信前沿讲座论文题目：P2P流媒体关键技术的研究与发展姓名： 学号： 班级： 指导老师： 【摘要】传统的流媒体系统建立在客户一服务器模式的基础上，系统伸缩性差，服务器常常成为系统的瓶颈。而最近兴起的P2P(peer-to-peer)技术在充分利用客户资源、提高系统伸缩性等方面具有巨大的潜力，基于P2P方式的流媒体的研究也逐步引起了人们的注意。讨论了当前P2P流媒体关键技术的研究进展。介绍了P2P流媒体的研究现状，最后指出了P2P流媒体的未来研究方向。【关键词】P2P；流媒体；伸缩性1引言随着互联网的日趋普及和新技术的迅速发展，一大批新兴的网络多媒体应用开始涌现并成为人们工作、生活中重要的组成部
2、分，例如：网络电视、体育赛事广播、在线游戏、远程教育等。而这些多媒体应用需要流媒体技术的支持。流媒体是指在数据网络上按时间先后次序传输和播放的连续音、视频数据流。流媒体数据流具有3个特点：连续性、实时性、时序性，即其数据流具有严格的前后时序关系。由于流媒体的这些特点，它已经成为在互联网上实时传输音、视频的主要方式。本质上，流媒体技术是一种在数据网络上传递多媒体信息的技术。目前数据网络具有无连接、无确定路径、无质量保证的特点，给多媒体实时数据在数据网络上的传输带来了极大的困难，流媒体技术的主要目标就是：通过一定的技术手段实现在数据网络上有效地传递多媒体信息流。传统的分布式多媒体系统主要使用客户端
3、服务器模式，服务器以单播的方式和每个客户建立连接。由于流媒体服务具有高带宽、持续时间长等特点，随着客户数目的快速增加，服务器的资源如带宽很快就被消耗完，成为系统瓶颈所在。为了解决系统的可扩展性问题，许多研究都提出了相应的解决办法。如IP组播技术 1,实现了Internet上高效的一对多通信，提高了系统的可扩展性。然而由于IP组播存在的种种限制，如很难实现可靠性组播和拥塞控制等，IP组播技术并没有得到广泛的应用。而针对服务器提出的批处理(batching)技术、补丁(patching)技术、周期性广播以及流合并、流搭载(piggbacking)等技术虽然在降低服务器的带宽需求和客户等待时间方面取
4、得了不错的效果，但仅仅在一定程度上缓解了服务器的压力。另一种方案是在网络边缘部署代理缓存(proxy caching)或内容分发网络(content delivery networks)，媒体服务器将媒体内容以推(push)的方式存放在代理缓存或CDN服务器上，客户请求媒体服务器时，可从代理缓存或CDN服务器获得服务，而不必消耗服务器的资源。但这种方案成本较高，只是部分地解决了可扩展性问题，因为此时代理缓存或CDN服务器很有可能成为系统瓶颈。近年来，对等网络(peer-to-peer network)的研究在文件共享、应用层组播方面得到了广泛地关注，P2P技术得以快速地发展，如由第1代的P2P
5、网络Gnutella，Freenet发展到第2代的chord，Pastry等以至第3代的viceroy，在P2P方式下，每个对等实体(peer)既是服务的提供者，又是服务的享用者。peer为系统提供有限的计算或存储资源，peer之间协作为其他peer提供服务，将服务器的负载分散到peer中，从而有效地减轻了服务器的负载和网络带宽占用，极大地提高了系统的可扩展性，具有潜在的应用前景。由于P2P模式可以在大规模的网络应用中有效地提高系统的可扩展性，基于P2P方式的流媒体传输的研究也逐步引起了人们的重视，相关技术或原型系统不断出现 2。本文首先介绍了P2P流媒体传输系统及其特点，随后讨论了P2P流媒
6、体传输的关键技术及其未来发展方向。2.P2P流媒体传输系统及其特点基于 P2P 的流媒体技术是一项非常有前途的技术，该技术有两方面的优点：不需要互联网路由器和网络基础设施的支持，因此性价比高且易于部署；流媒体用户不只是下载媒体流，而且还把媒体流上载给其他用户，因此，这种方法可以扩大用户组的规模，且由更多的需求带来更多的资源。由于 P2P 流媒体系统中节点存在不稳定性，因此 P2P 流媒体系统需要在文件定位技术、节点选择技术、容错以及安全机制方面有所突破。此外在如何管理节点并建立发布树、如何应付不可预知的节点失效、如何适应网络状态变化方面也面临着一些挑战。2.1 P2P 流媒体系统播送方式P2P
7、 流媒体系统按照其播送方式可分为直播系统和点播系统，此外近期还出现了一些既可以提供直播服务也可以提供点播服务的 P2P 流媒体系统。2.1.1 直播在流媒体直播服务中，用户只能按照节目列表收看当前正在播放的节目。在直播领域，交互性较少，技术实现相对简单，因此 P2P 技术在直播服务中发展迅速。 2004 年，香港科技大学开发的 CoolStreaming 原型系统将高可扩展和高可靠性的网状多播协议应用在 P2P 直播系统当中，被誉为流媒体直播方面的里程碑，后期出现的 PPLive 和 PPStream等系统都沿用了其网状多播模式。P2P 直播是最能体现 P2P 价值的表现，用户观看同一个节目，
8、内容趋同，因此可以充分利用 P2P 的传递能力，理论上，在上/下行带宽对等的基础上，在线用户数可以无限扩展。2.1.2 点播与直播领域相对应，在 P2P 流媒体点播服务中，用户可以选择节目列表中的任意节目观看。在点播领域，P2P 技术的发展速度相对缓慢，一方面是因为点播当中的高度交互性实现的复杂程度较高；另一方面是节目源版权因素对 P2P 点播技术的阻碍。目前，P2P的点播技术主要朝着适用于点播的应用层传输协议技术、底层编码技术、以及数字版权技术等方面发展。与 P2P 流媒体直播不同，P2P 流媒体点播终端必须拥有硬盘，其成本高于直播终端。目前 P2P 点播系统还需在技术上进一步探索，期望大规
9、模分布式数字版权保护(DRM)系统的研究，以及底层编码技术的发展能为 P2P 点播系统的实施铺平道路。2.2 P2P 流媒体系统网络结构目前存在很多 P2P 流媒体的研究成果及实际系统，它们在其覆盖网络的组织结构上可以被大体分成两大类，即基于树(Tree-based)的覆盖网络结构和数据驱动随机化的覆盖网络结构 3。(1)基于树的方法大部分系统都可以归类为基于树的方法。在这种方法中，节点被组织成某种传输数据的拓扑(通常是树，如图 1 所示)，每个数据分组都在同一拓扑上被传输。拓扑结构上的节点有明确定义的关系，例如，树结构中的“父节点-子节点 ”关系。这一方法是典型的推送方法，即：当节点收到数据
10、包，它就把该数据包的拷贝转发到它的每一个子节点。既然所有的数据包都遵循这一结构，那么保证这一结构在给所有接受节点提供高性能时是最优的。更进一步，当节点随意加入和离开时，该结构必须得以维持。特别地，如果某节点突然崩溃或者其性能显著下降，它在该树结构上所有的后代节点都停止接收数据，且该树结构必须被修复。最后，当组建基于树的结构时，避免出现环是一个必须要解决的重要问题。基于树的方法可能是最自然的方法，不需要复杂的视频编码算法。然而，其中需要重点考虑的一个问题是节点失效，特别地，靠近树根的节点失效将中断大量用户的数据传输，潜在地带来瞬时低性能的结果。此外，在该结构中大多数节点都是叶子节点，他们的上行带
11、宽没有被使用到。为了解决这些问题，已有研究提出了一些带有弹性的结构，如基于多重树的方法。(2)数据驱动方法近年来，人们又提出用于 P2P 的数据驱动的方法。数据驱动的覆盖网络与基于树结构的最大不同在于它不组建和维护一个传输数据的明显拓扑结构，它用数据的可用性去引导数据流，而并不是在高度动态的 P2P 环境下不断地修复拓扑结构。一个不用明确维护拓扑结构的数据分发方法是使用 Gossip 协议。在典型的 Gossip 协议中，节点给一组随机选择的节点发送最近生成的消息；这些节点在下一次做同样的动作，其他节点也做同样的动作，直到该消息传送到所有节点。对 Gossip 目标节点进行随机选择可以在存在随
12、机失效的情况下使系统获得较好的健壮性，另外还可以避免中心化操作。然而，Gossip 不能直接用作视频广播，因为其随机推送可能导致高带宽视频的大量冗余。此外，在没有明确的拓扑结构支持下，最小化启动和传输时延成为主要问题。为了解决这些问题，一些解决方案，例如 Chainsaw、Cool-Streaming 采用拉取技术，即：节点维持一组伙伴并周期性地同伙伴交换数据可用性信息，接着节点可以从一个或多个伙伴找回没有获得的数据，或着提供可用数据给伙伴。由于节点只在没有数据时去主动获取，所以避免了冗余。此外，由于任一数据块可能在多个伙伴上可用，所以覆盖网络对时效是健壮的。最后，随机化的伙伴关系意味着节点间
13、的潜在的可用带宽可以被完全利用。3 P2P 流媒体中的关键技术由于 P2P 流媒体系统中节点存在不稳定性，P2P 流媒体系统需要解决如下几个关键技术 4：文件定位、节点选择、容错以及安全机制等。3.1 文件定位技术流媒体服务实时性强，快速准确的文件定位是流媒体系统要解决的基本问题之一。在 P2P 流媒体系统中，新加入的客户在覆盖网络中以 P2P 的文件查找方式，找到可提供所需媒体内容的节点并建立连接，接受这些节点提供的媒体内容。P2P 方式的文件查找研究是近年来 P2P 计算的一个研究热点。在 P2P 网络结构中常用的文件定位方式是通过分布式哈希表(DHT)算法 5来实现，每个文件经哈希运算后
14、得到一个唯一的标识符，每个节点也对应一个标识符，文件存储到与其标识符相近的节点中。查找文件时，首先哈希运算文件名得到该文件的标识符，通过不同的路由算法找到存放该文件的节点。虽然 DHT 方式查找文件快速有效，但是也存在一些固有的问题，如 DHT 是将文件均匀分布在各个节点上，不能反映媒体文件的热门度，导致负载的不均衡；其次 DHT不能提供关键字的搜索，如同时包含媒体文件名、媒体类型等丰富信息的文件的查询。文献5在泛洪机制基础上做了改进，在无结构的 P2P 网络中采用了或然性的泛洪技术，通过或然性的分析选取优化的分支进行泛洪操作，从而使其伸缩性比正常泛洪机制提高 99%。DirectStream
15、 是一个基于目录的 P2P 流媒体点播系统，其媒体文件的查找方式是通过目录服务器来维护所有媒体服务器信息和客户信息(包括 IP 地址、缓冲大小等)。当新客户的请求到达时，在目录中查找请求的媒体文件，快速返回侯选节点，侯选节点可以是媒体服务器，也可以是可提供该影片片段的客户，从而具有 P2P 的特性。但是由于其目录服务器的集中式管理，DirectStream 系统的规模受到了限制。3.2 节点的选择在一个典型的 P2P 覆盖网络中，网络中的节点来自各个不同自治域，节点可以在任一时间自由地加入或离开覆盖网络，导致覆盖网络具有很大的动态性和不可控性。因此，如何在服务会话初始时，确定一个相对稳定的可提
16、供一定服务质量(QoS)保证的服务节点或节点集合是 P2P 流媒体系统迫切需要解决的问题。节点的选择可以根据不同的 QoS 需求采取不同的选择策略。若希望服务延迟小，可以选择邻近的节点快速建立会话，如在局域网内有提供服务的节点，就不选择互联网上的节点，这也可以避免互联网上的带宽波动和拥塞；若希望高质量服务，则可选择能够提供高带宽、CPU 能力强的节点，如在宽带接入的 PC 机和不对称数字用户线(ADSL) 接入的终端之间选择前者；若希望得到较稳定的服务，应选择相对稳定的节点，如在系统中停留时间较长，不会频繁加入或退出系统的或正在接受服务的节点。通常选择的策略是上述几种需求的折衷。具有代表性的节点选择机制有：PROMISE 体系中的端到端的选择机制和感知拓扑的选择机制、P2Cast 系统的“最合适”(Best Fit，简称 BF)节点选择算法等。3.3
