P2P流媒体技术原理及应用

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<strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp; 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分，例如：</font></strong><strong><font color="#ff0000" size="3">网络电视</font></strong><strong><font color="#ff0000" size="3">、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。</font></strong><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 流媒体是指在数据网络上按时间先后次序</font></strong><strong><font color="#ff0000" size="3">传输</font></strong><strong><font color="#ff0000" size="3">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。</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 传统的流媒体服务大都是客户/</font></strong><strong><font color="#ff0000" size="3">服务器</font></strong><strong><font color="#ff0000" size="3">(C/S)模式，即用户从流媒体服务器点击观看节目，然后流媒体服务器以单播方式把媒体流推送给用户。当流媒体业务发展到一定阶段后，用户总数大幅度增加，这种C/S模式加单播方式来推送媒体流的缺陷便明显地显现出来(如流媒体服务器带宽占用大、流媒体服务器处理能力要求高等)，带宽、服务器等常常成为系统瓶颈，系统的可扩展性差。</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 近年来，人们把P2P技术引入到流媒体传输中而形成了P2P流媒体技术，该方法有两方面的优点。首先，这种技术并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；第二，在这种技术中，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，且更多的需求也带来了更多的资源。</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1&nbsp; P2P流媒体系统</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1.1P2P流媒体系统播送方式</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; P2P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。</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1.1.1直播</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; P2P直播是最能体现P2P价值的表现，用户观看同一个节目，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。</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1.1.2点播</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 1.2P2P流媒体系统网络结构</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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[1]。</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; (1)基于树的方法</font></strong></p><p><strong><font color="#ff0000" size="3">&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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[2-3]。</font></strong></p>