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1、P 2 P 模式酣流媒体服务技术P 2 P 模式的流媒体服务技术0中科院计算技术研究所工程中心流媒体分中心谢勇均提要：传统C S 模式的流媒体服务系统由于服务器性能和服务器端的带宽资源的有限，严重的阻碍了流媒体业务质量的提高和容量的扩大。本文介绍P 2 P 模式的流媒体服务技术，它合理的利用服务器性能和服务器端的网络资源，以及用户计算机的空闲能力和用户端的空闲带宽。它突破了C S 模式下流媒体系统面临的障碍，同时使得流媒体系统以更低的成本提供更高质量和更大容量的流媒体业务。关键词：P 2 P 流媒体C I S 数据传输树控制网络1 引言根据中国互联网信息中心第十三次中国互联网网络发展状况调查统
2、计报告，我国网民人数已经达到7 9 5 0 万，其中宽带上网和专线上网用户数占了5 5 3 ，分别为1 7 4 0 万和2 6 6 0 万。宽带接入步伐的加快伴随而来的是市场竞争的日益激烈，广电网络公司如何在竞争中取胜的关键问题是消费市场能不能接受运营商为其提供的各种服务。目前文字、音频和视频三维一体化的信息和娱乐服务成为主流。根据国外相关应用市场调查表明，有5 1 的网民经常使用流媒体。因此宽带内容的主体变成了“流媒体”而非网页。宽带 应用将以V O D 和视频会议、远程教学、远程医疗等“流媒体”应用为主，为网民提供文字、视频和音频的三维一体化信息和娱乐服务。广电公司如何利用自身的资源，在新
3、的一轮竞争中占据流媒体服务的市场，将成为致胜的关键。但是，视频和音频资源数据量大，对服务器端网络的带宽、服务器的性能要求很高严重阻碍了“流媒体”业务的发展。例如，一个比特率为30 0 k b p s 的视频节目，如果同时i 0 0 0 访问，那么服务器端网络带 宽必须达到3 0 0 M b p s 以上，而且服务器要每秒至少发送3 0 0 M b 的数据。能满足这些条件的网络和服务器少之又少，如果要支持更多的用户数据更是难上加难。针对这些问题，现有的解决办法有如下几种。使用服务器集群，提高整个流媒体服务系统的性能；网络方面，通过增加光纤提高出1 2 1 带宽。使用分布式系 统，通过C D N
4、技术将流媒体数据分布到各地，用户就近访问。这两种方法都从一定的程度上增大了流媒体服务系统的容量，但是仍然不能满足目前庞大的用户群。而且，这两种方式都以昂贵的硬件成本和系统的复杂度为基础，使得流媒体的成本太高。如何利用现有的计算机资源和宽带网络资源普及流媒体这种消耗资源严重的业务? P 2 P 技术就是我们 的答案。所谓P 2 P 技术，即P e e rt oP e e r ，通过系统间的直接交换所达成的计算机资源与信息的共享。将P 2 P 技术应用于流媒体业务，必然能够解决服务器端网络带宽和服务器能力限制的障碍。2P 2 P 模式的流媒体服务技术2 0 0 4 4 第四届全国因特网与音视频广播
5、发展研讨会( N W C 2 0 0 4 )4 5P 2 P 模式利流媒体服务技术2 1P 2 P 模式与传统C S 模式的区别传统C S 模式的流媒体服务系统，服务器A 要同时为B 、C 、D 提供数据，因此占用链路 的带宽带到单个媒体流的三倍，A 的负载也增长为单个媒体流服务的三倍。然后P 2 P 模式完全改变了这种现状，通过合理使用了客户端计算机所空闲的资源和客户端网络带宽资源，提高整个系统的性能和容量。例如， B 、c 、D 三个用户同时观看一个流媒体节目，A 只需为B 、D 提供，而C 可以从B 获取流媒体节目。因此，对服务器A 的性能和出口网络带宽的要求降低了。P 2 P 技术不仅
6、利用服务器能力和服务器端的网络资源，同时合理的利用客户端计算机能力和客户端的带宽资源。整个系统的计算和网络资源随着用户数的增多而 增多，因此基于P 2 P 模式的流媒体服务系统用户数可以达到无限大而且对服务器的能力和服务器端网络带宽没有太高的要求，同时在建立整个系统时不要增加服务器和网络基础设施等设备，成本反而降低了。2 2 概述图1c 俗模式的流媒体服务图2P 2 P 模；式的流媒体服务P 2 P 模式的流媒体服务技术是相对与目前C l S 模式的流媒体服务技术而言的。C l S 模式只使用服务器的资源为用户提供服务，因此其质量和容量受到服务器性能和服务器端网络资源的限制。然后P 2 P 模
7、式，彻底更新了这种模式。它不仅能用服务器的资源，同时合理的使用用户计算机的空闲资源。用户在享受流媒体节目的同时，也在利用自身计算机所空闲的资源为其它的用户提供着服务。因而整个流媒体服务系统的资源不仅仅是服务器资源，还同时包括用户的空闲计算机资源。用户数增多，消耗的资源多了，但是新增的用户又提供了新的资源。因此，使用P 2 P 技术提供高质量和大容量的流媒体服务系统成为了可能。图3P 2 P 模式中的数据传输树4 6 第四届全国因特网与音视频广播发展研讨会( N W C 2 0 0 4 ) 2 0 0 4 4P 2 P 模式的流媒体服务技术P 2 P 模式的流媒体服务系统并不改变现有的流媒体传输
8、协议和流媒体服务器系统的架构，甚至可以不必改变现有的系统，而只需增加新的模块和功能。P 2P 模式的流媒体服务系统只需要在现有流媒体服务系统的基础之上，改变C S 模式下的服务方式和数据传输路径。P 2 P 模式的流媒体服务系统将同时请求同一节目的用户归为一组，然后以这组用户作为结点形成一棵树。树结构能保证用户计算机不相互传送同样的数据而形成数据风暴。服务器是树的根，树中第一层的用户直接从服务器获取数据，树中第二层的用户从第一层用户那里获取数据，以此类推。如图3 ，用户P 4 、P 7 、p 3 直接从服务器S 获取数据，丽用户p 1 、 P 2 从P 4 获取数据，用户P 6 、P 9 从P
9、 7 获取数据，用户P 1 4 从p 3 获取数据。因此，如果在树中的每个用户都能为a 用户提供服务，到K 层时，整个系统的用户数就达到了a u 一1 ，那么整个系统的容量将迅速扩大而对服务器性能和服务器端带宽资源的要求并没有增大。但是，用户计算机与服务器相比还是有很多的差异。用户计算机由用户控制，可能随意退出某个节目的观看而导致不能再为其它的用户提供服务。同时用户计算机的性能和用户端的网络带宽都不是很高，因此能支持的用户数一般都在两、三个左右。用户计算机在整个P 2 P 模式的流媒体服务系统中具有短暂性。 如何保证它的退出而不影响其它的用户收看节目? 我们采用冗余的数据路径，在条数据路径失败
10、后用户迅速从另一条路径获得数据，然后再在观看当前节目的用户组中为自己找到一条新的数据路径备份。通过这些冗余的路径，用户计算机之间进行信息交换，使得整个系统更加稳定，我们称由数据传输树和冗余路 径构成的图为控制网络。如图4 中，所有的虚线都是备份路径，我们可以看到如果节点P 9 退出，P I I 将从P 6 获取数据，而P 1 2 将从P 1 4 获取数据。因而P 9 的退出，并没有影响用户P I I 和P 1 2 ，它们和用户一样 能正常播放节目。当然，P 4 的退出，P 1 和P 2 只有从S 重新请求节目。图4P 2 P 模式中控制网络2 2P 2 P 模式中数据传输树的建立我们考虑服务器
11、进行网上直播的情况，所有其它流媒体应用( V O D ，在线教育等) 都可以通过如上所说的方式简化为同样的问题。所谓网上直播就是观看节目的用户从服务器那里消费同样的媒体数据。数据传输树，就是用户之间数据传输路径构成的树结构。数据传输树的建立是在用户的不断加入过程中建立起来的。为了支持这个树的建立，服务器需要维护一些信息，如当前树中那些结点还有能力接纳新的结点，这些结点的I P 地址和端口以及其它一些该用户计算机性能和出口带宽的相关数据等。下面我们描述结点 加入时建立这棵数据传输树的算法。我们以图3 为例，如果一个新用户P 1 6 要加入。( 1 )用户P 1 6 向服务器S 请求，如图5 中的
12、步骤 。2 0 0 4 4 第四届全国因特网与音视频广播发展研讨会( N W C 2 0 0 4 ) 4 7P 2 P 模式甜流媒体服务技术( 2 )服务器S 根据自己所保存的信息，选择与P 1 6 物理拓扑上很近的而且有能力再接人新用户的结点信息I 集合。图5 中步骤 ，I = P l l 、P 1 2 、P 1 3 、P 1 5 、P 3 ) 。( 3 ) P 1 6 从I 的集合中选择一个与自己之间网络状况好的结点，如图5 中步骤 ，P 1 6 选择了P 3 。( 4 ) P 1 6 向P 3 请求连接，p 3 同意连接，然后P 3 开始向P 1 6 发送数据，如图5 中步骤 。( 5
13、) P 3 向服务器S 要求更新信息，P 3 已连接的用户树增加到2 ，如图5 中步骤 。( 6 ) P 1 6 向服务器S 要求更新信息，P 1 6 能够为其它的结点提供服务了，如图5 中步骤 。图5 新结点的加入通过如上的算法，用户的不断加入，数据传输树变形成了。2 3P 2 P 模式中控制网络由于用户计算机的短暂性，为了确保所有的用户都能获得稳定的节目，因此需要增加冗余的数据传输路径。使得用户计算机能与更多的其它用户计算机换信息，一旦为自己提供服务的用户失败，那么可以更快的从其它用户那里获得数据。P 2 P 模式中控制网络的建立算法如下。( 1 )户计算机在已经建立的数据传播树路径交换信
14、息。( 2 )通过如上交换获得的信息，用户计算机发现其它的用户计算机并尝试选择几个与之联系。当一个或多个用户计算机失败时，其它的用户计算机能迅速通过冗余结点恢复数据传输路径，同时使用控制网络的建立算法为自身找到一条新的备份路径。依赖于备份路径的用户计算机也使用该算法从新建 立新的备份路径。如图6 所示，当P 9 失败时，P I I 和P 1 2 通过 和 的链路，迅速恢复 自身的数据传输。然后结点P 7 和P 6 、P 1 4 向服务器报告其能力的变化。部分结点开始从新选择其备份的链路，如P 3 选择到p 7 作为其备份的新链路。4 8 第四届全国因特网与音视频广播发展研讨会( 嘲c 2 0
15、0 4 ) 2 0 0 4 4P 2 P 模式利流媒体脏务技术3 评价及应用图6 结点失败流媒体服务系统中重要的两种资源就是服务器能力和网络资源。首先，P 2 P 模式的流媒体服务技术解决了服务器自身资源的限制，通过合理的使用用户计算机空闲的资源提供部分服务，使得整个系统的能力得到极大的提高。C S 模式提供服务时使用的只是服务器资源，现在转变为服务器和所有用户共同提供资源。因此，用户数增多整个系统的能力也增强，使得系统的容量扩大成为可能。其次，C S 模式下服务器端要支持多路用户，必须要有巨大的网络带宽。而流媒体数据带宽占用量大，服务器端的带宽严重限制了系统能提供的节目质量和系统的容量。P
16、2 P 模式在合理利用用户计算机资源的同时，也自然合理的使用客 户端的带宽资源。带宽资源也随着用户数的增多而不断增大。因此，理论上P 2 P 模式的流媒体服务容量可 以提高到无限大。当然要考虑实际的网络状况和P 2 P 技术的缺点，要达到无限还是很难的。但是基于P 2 P模式，一个简单的P c 服务器就能够提供多达上百万、千万的用户数容量是可以实现的。P 2 P 模式的流媒体服务在降低其成本的同时，又解决了现有C S 模式流媒体服务中容量限制的问题。现有的解决方案如集群和C D N 技术不仅在解决问题上望尘莫及，在成本上更是无法和P 2 P 模式下的流媒体服务系统相提并论。4 现状及展望将P 2 P 应用于流媒体技术的产品已经在试验室中诞生，如卡耐基梅隆大学的E M S 系统，P e e r C a s t 组织 的P e e r C a s t 系统，微软的C o o p N e t 系统等等都已经日趋成熟。E M s 系统在科学究和教育领域已经很多人在使用；P e e r C a s t 更是许多音乐爱好者的选择。P 2 P 模式
