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p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 摘要 p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 摘要 随着i n t e m e t 的飞速发展，用户对流媒体的需求日益增大。目前，对p 2 p 流媒体 直播系统的研究已趋于成熟，对点播系统的研究尚处于起步阶段。本文在介绍了流媒 体的相关技术之后，对典型的p 2 p 流媒体模型进行分析和比较，结果显示，基于g o s s i p 协议的网状d o n e t 模型比树状模型具有更高的可靠性及更强的高效性。 本文在d o n e t 模型基础上予以改进，设计了一个基于束层的p 2 p 视频点播系统 b p p v o d ，并对系统中每个节点的节点管理模块、存储管理模块以及调度管理模块进 行了详细设计： 夺节点管理模块提出了伙伴节点、代节点以及成员节点的概念，并采用节点管 理环组织和存放伙伴节点和代节点。伙伴节点可以提供动态缓存中视频片 段，而代节点可以提供硬盘中存储的视频片段，并能更好地支持v c r 操作； 令存储管理模块采用固定缓存、动态缓存以及硬盘存储相结合的存储机制，固 定缓存可以减小系统的初始启动延时，动态缓存和硬盘存储相结合可以提高 单个节点所能存储的视频数据量，从而使整个p 2 p 点播系统拥有充足的内容 源以减轻视频服务器的负担、提高系统的健壮性； 调度管理模块在基于数据驱动的调度策略的基础上进行了一定的改进，增加 了束层( 包括空间束和时间束) ，保证数据的及时到达。 之后，对系统中g o s s i p 交互消息类型及格式进行了自定义，并详细分析了v c r 操作，提出当v c r 操作发生时，从视频服务器获取起始的数个视频片段的策略，可 以大大减小v c r 操作发生时的等待延时，从而提高了视频的播放连续性。 最后，本文对现有的p 2 p 仿真模拟器进行比较，选择p 2 p s t r m s i m 作为基础的仿 真平台，并在此基础上对系统进行仿真程序设计、实现以及性能测试。 关键词：p 2 p ；视频点播；g o s s i p ；束层；p 2 p s t r m s i m 作者：耿晓菊 指导老师：陆建德 a b s t r a e tr e s e a r c ha n dd e s i g no fp 2 ps t r e a m i n gi n t e r a c t i v et e c h n o l o g y r e s e a r c ha n dd e s i g no fp 2 ps t r e a m i n gi n t e r a c t i v et e c h n o l o g y a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，u s e r s r e q u i r e m e n to fs t r e a m i n gm e d i a i n c r e a s e sf r o md a yt od a y a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho np 2 pl i v es t r e a m i n gi sa l m o s tm a t u r e ， b u tr e s e a r c ho nv o ds y s t e mi sa tt h ei n i t i a ls t a g e a f t e ri n t r o d u c i n gt h er e l a t e dt e c h n i q u e s a b o u ts t r e a m i n gm e d i a , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e ss e v e r a lt y p i c a lp 2 ps t r e a m i n g m o d e l s ，a n dg i v e s ar e s u l tt h a tm e s h b a s e dd o n e tm o d e lb a s e do ng o s s i pp r o t o c o lh a s b e t t e rr e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yt h a nt r e e - b a s e dm o d e l s b a s e do nt h ei m p r o v e m e n to fd o n e tm o d e l ，t h i sp a p e rd e s i g n sap 2 pv o ds y s t e m b a s e do nb u n d l el a y e r , c a l l e db p p v o d ，a n dg i v e sad e t a i l e dd e s i g no fp e e rm a n a g e m e n t m o d u l e ，s t o r a g em a n a g e m e n tm o d u l ea n ds c h e d u l i n gm a n a g e m e n tm o d u l e i ne a c hp e e r p e e rm a n a g e m e n tm o d u l ep u t sc o n c e p to f p a r t n e rp e e r s ，g e n e r a t i o np e e r sa n dm e m b e r p e e r s ， a n du s e sp e e rm a n a g e m e n tr i n gt oo r g a n i z ea n ds t o r ep a r t n e rp e e r sa n d g e n e r a t i o np e e r s p a r m e rp e e r sc a np r o v i d ev i d e os e g m e n t ss t o r e di nb u f f e rw l k i l e g e n e r a t i o np e e r sc a np r o v i d eo n e ss t o r e di nh a r d d i s ks t o r a g e i na d d i t i o n , g e n e r a t i o n p e e r sc a ns u p p o r tv c r b e r e r s t o r a g em a n a g e m e n tm o d u l ec o m b i n e saf i x e db u f f e r , ad y n a m i cb u f f e ra n dh a r d d i s k s t o r a g e f i x e db u f f e rc a nr e d u c et h ei n i t i a ls t a r td e l a y , a n dt h ec o m b i n a t i o no fd y n a m i c b u f f e ra n dh a r d d i s ks t o r a g ec a ne n l a r g ev i d e os e g m e n t ss t o r a g ei ne a c hp e e ra n dm a k e v i d e os e g m e n t ss t o r e di np 2 pv o ds y s t e ms u f f i c i e n ts oa st oe a s et h eb u r d e no ft h e v i d e os e r v e ra n de n h a n c er o b u s t n e s so ft h ew h o l es y s t e m s c h e d u l i n gm a n a g e m e n tm o d u l em a k e s ac e r t a i n i m p r o v m e n t o nd a t a d r i v e n s c h e d u l i n gs t r a t e g y , t h a ti s ，a d d st h eb u n d l el a y e r ( i n c l u d i n g ”s p a c eb o u n d l e ”a n d ”t i m eb o u n d l e ”) t oe n s u r et h et i m e l ya r r i v a lo fd a t a a f t e r w a r d s ，i td e f i n e st h eg o s s i pi n t e r a c t i v em e s s a g e sa n da n a l y z e st h ev c ro p e r a t i o n i nd e t a i l w h e nv c r o p e r a t i o nh a p p e n s ，t h ep e e ra s kv i d e os e r v e rf o rt h ei n i t i a ls e v e r a l s e g m e n t ss oa st or e d u c ew a i t i n gd e l a yg r e a t l ya n di m p r o v ep l a y b a c kc o n t i n u i t y i i r e s e a r c ha n dd e s i g no fp 2 ps t r e a m i n gi n t e r a c t i v et e c h n o l o g y a b s t r a c t f i n a l l y , t h i sp a p e rc o m p a r e ss e v e r a lp 2 ps i m u l a t o r sa n ds e l e c t sp 2 p s t r m s i ma st h e b a s i cs i m u l a t i o np l a t f o r m b a s e do ni t , t h ep a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h es y s t e m s i m u l a t i o np r o g r a m ，a n dg i v e sap e r f o r m a n c et e s t i n g k e y w o r d s ：p 2 p ；v o d ；g o s s i p ；b u n d l e ；p 2 p s t r m s i m i i i w r i t t e n b y ：x i a o j ug e n g s u p e r v i s e db y ：j i a n d el u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创- 胜声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：j k 墟日 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 耿魂萄 瑁匿 鞭、瑚气儿? 气 日期：力彩形 p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 第一章绪论 随着i n t e m e t 的发展，用户对网络的期望和要求也越来越高，感兴趣的不仅仅是 传统的文本图像之类的简单信息，对于多媒体内容的需求日益增加。传统的多媒体应 用需要将内容从服务器完全下载以后才能观看，由于多媒体内容容量比较大，完全下 载下来需要的时间比较长，实时性差，于是流媒体技术应运而生。流媒体技术将连续 的视频和音频流压缩编码，数据打包后按照一定的时序发送给用户，可以使用户边下 载边观看，无需播放前下载整个文件，具有连续性、实时性、时序性等特点。目前典 型的流媒体应用有网络会议系统、远程教育系统、直播系统和视频点播系统( v o d ) 。 传统的流媒体服务都是基于c s 模式的，由于流媒体应用具有持续时间长、占用 带宽大、及时性要求高等特点，提供服务的计算机需具有巨大的存储空间以及带宽资 源。然而，随着如今用户数量及所需媒体文件数量的不断增加，传统的c s 模式难以 支持大量用户的同时在线，易形成系统瓶颈。针对这一问题，现有的解决方案有： ( 1 ) i p 组播技术：由路由器将一个数据包复制到多个通道上采用组播方式发送。 这种方法虽然减少了服务器的压力，但是需要路由器的支持，网络上难以广泛部署； ( 2 ) c d n 分发网络：通过i n t e m e t 将要传送的内容传送到距离用户最近的网络节 点，由该网络节点对用户提供服务。这种方法代价比较昂贵，需事先建立庞大的c d n 网络； ( 3 ) 集群服务方式：通过增加服务器数量来扩充服务容量，显然无法从根本上解 决问题。 p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 技术改变了传统的网络服务模式，节点在接收服务的同时也向 其它节点提供服务，使系统的服务能力随着需求的增长也自然增长，具有与生俱来的 可扩展性，能够充分利用网络上的空闲资源。另一方面，p 2 p 系统采用节点自组织的 方式工作，强调无中心的结构，并且很好地适应了节点随机加入和退出的动态性，因 而在容错性、数据高可用性方面具有不可替代的优势。因此将p 2 p 技术引入到流媒体 服务中，可以使服务分散化从而减轻服务器的负载，提高系统的扩展性。 然而，目前基于p 2 p 的流媒体服务系统研究基本上是以直播系统为主，只能是服 第一章绪论p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 务器播放什么用户看什么，播放到哪里用户看哪里，不能满足用户任何时间任何地点 对任何影片的点播服务需求，因此基于p 2 p 网络的视频点播系统的研究成为当今研究 的热点问题。然而，p 2 p 网络、流媒体以及视频点播三者本身都具有非常独特的性质， 如何结合三者的特性设计一个良好的系统存在一定的技术门槛，所以在p 2 p 下进行点 播系统的研究具有一定的理论价值。第2 2 次中国互联网络发展状况统计报告：截至 2 0 0 8 年6 月底，网络视频的使用率为7 1 ，用户量已经达到1 8 亿人，是中国的第四 大网络应用【l 】。既然网络视频有很大的市场前景，所以p 2 p 点播系统具有相当大的研 究价值。 1 2 国内外研究现状 到目前为止，i n t e m e t 网上使用较多的流媒体系统主要有三种，它们是r e a l n e t w o r k s 公司的r e a lm e d i a ，苹果公司的q u i c kt i m e ，微软公司的w i n d o w sm e d i a ， 国内也有一些公司开发了很不错的流媒体系统，如上海汉唐公司的傲行视频系统等。 近年来，基于p 2 p 网络的流媒体服务体系已经引起了许多大学、研究机构以及商 业机构的重视。在国外，美国斯坦福大学、马萨诸塞大学以及微软研究院对单源的 p 2 p 流媒体传输展开了研究并取得了一定的成果，而伯克利大学和普度大学则致力于 对多源的p 2 p 流媒体传输的研究。此外，也有一些研究机构将传统的流媒体技术运用 于p 2 p 系统，如i b m 中国研究院将层次式的流合并技术集成到p 2 p 视频点播系统中， 而美国奥利根大学提出的p a l s ，则利用了媒体流的分层编码技术，各个节点发送不 同层的编码流，由接收者根据其能力选择接收若干层的编码。在商业应用上，也出现 了一些商用p 2 p 流媒体传输系统，如v t r a i l s 、a l l c a s t 2 1 以及c h a n n e lo n em e d i a 3 】等， 对p 2 p 流媒体传输系统的运行模式进行了尝试。 大部分的研究内容集中在媒体流转发策略的研究上，这些研究大致可以分为两 类：应用层组播树和非树型对等模式媒体服务。应用层组播树的研究比较广泛，其中 以n i c e 、z i g z a g 、p 2 c a s t 、基于p a s t r y 、t a p s t r y 、m e s h 的应用层组播为代表。非树 型对等模式媒体服务以c o l l e c t c a s t 、p r o m i s e 为代表。 另外媒体编码传送技术对转发策略有着重要的影响，同样有大量的研究工作致力 于此。媒体编码传送技术大致可以分成以下三类：信息重复( i n f o r m a t i o nr e p l i c a t i o n ) 的单速率方案( s d c ) 、累积的分层( c u m u l a t i v el a y e r i n g ) 传输方案( f g s ) 和非累积的分 2 p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计第一章绪论 层( n o n - c u m u l a t i v el a y e r i n g ) 传输方案( m d c ) 。 在国内，p 2 p 流媒体的业务正借着p 2 p 直播系统的宣传攻势进入一个快速发展期， 许多新兴的p 2 p 厂家不断涌现。但p 2 p 的点播始终存在着技术门槛：1 ) p 2 p 网络是一 个动态构建的自主网，节点会随时加入或离开网络，并终止对其它节点的服务，节点 间处理能力、存储能力、带宽也存在异构性；2 ) 而点播的用户间播放进度存在差异， 且交互性更强，用户的随意性更大；3 ) n 时流媒体本身又有其独特性质，如数据存储 量大、传输持续时间长、带宽占用率高以及高q o s 要求等。在p 2 p 流媒体点播服务 体系中，如何在充分利用节点资源的同时又能保证系统的健壮性，减少用户离开或中 断时对其他用户的影响；保证用户在执行点播操作时可以快速地在网络中找到资源节 点，减少用户的启动延迟和等待延迟；保证播放的连续性并有利于系统的扩展性等问 题，都面临着严峻的挑战。 目前大多数的p 2 p 流媒体厂家的点播业务刚刚起步，还不够成熟。腾讯旗下的 q q l i v e 4 1 只提供直播服务，而目前市场占有率较高的p 2 p 视频播放软件，来自于华 中科技大学并由上海聚力传媒技术公司开发的p p l i v e 5 1 以及上海众源网络有限公司 的p p s t r e a m 训，目前主要提供视频节目的在线直播，其点播服务处于测试阶段，并存 在以下问题：影片播放时的启动延时大；v c r 操作发生时等待延时大；影片播放不 够流畅，非热门影片尤其如此。 1 3 论文的主要内容和主要贡献 1 3 1 论文研究的主要内容 p 2 p 点播系统中面临着许多技术问题，如流媒体如何进行压缩编码、如何分发； 系统对数据如何进行存储；系统节点如何加入、退出网络；系统节点在网络中如何快 速找到服务节点，保证播放的连续性和稳定性；网络中节点间如何维护彼此间的关系 等等。本论文在束层以及g o s s i p 协议基础上进行p 2 p 点播系统的研究和设计，考虑 对快进、倒退操作的支持，提高系统的可扩展性、健壮性，减少系统的启动延迟和等 待延迟。主要研究内容包括如下几个方面： 夺网络结构的构建和维护：主要研究系统应该采用何种网络结构，这种网络结 构该如何建立起来，又如何进行维护；如何维护节点之间的关系。 3 第一章绪论 p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 夺节点发现机制：主要研究节点在加入网络时，如何快速找到初始的服务节点； 节点在服务节点失效时如何在网络中快速地找到其它服务节点进行代替；节 点执行快进和倒退等操作时，如何快速找到服务节点。 数据存储机制：主要研究数据流如何分段，采用何种存储方式，数据的存储 情况该如何表示。 夺数据调度机制：主要研究节点在播放时，如何根据自己的存储情况及其它节 点的存储情况进行数据请求调度，保证所需数据片段可以在播放之前到达本 地缓存，以确保系统播放的连续性。 令束层的研究，包括空间束和时间束。空间束是指针对一个待请求的视频片段， 节点同时向多个供应节点发起调度请求；时间束是指对紧急数据片段的调度 以及对供应节点少的数据片段的调度的比例。 夺如何更好地支持快进、倒退等v c r 操作。当v c r 操作发生时，如何能保持 播放连续性，如何建立v c r 操作与代节点之间的关系。 令如何对p 2 p 点播系统进行仿真，以测试所提出系统各方面性能的优劣。 1 3 2 论文的主要贡献 本论文的主要贡献表现在以下几个方面： 令将基于g o s s i p 协议的网状结构引入到p 2 p 流媒体点播系统中，设计了一个 基于束层( b u n d l el a y e o 的p 2 p v o d 系统，为行文方便，将本文设计的系统称 为b p p v o d ( b u n d l e b a s e dt 2 pr o d ) 系统。 冷对g o s s i p 交互的消息类型和消息格式进行了自定义以满足点播要求。 节点管理方面，提出了伙伴节点、代( g e n e r a t i o n ) 节点以及成员节点的概念， 并使用节点管理环来组织和存放伙伴节点以及代节点。 存储管理方面，系统采用固定缓存、动态缓存相以及硬盘存储相结合的存储 策略，减少了用户的启动延迟、提高p 2 p 点播系统的健壮性和可扩展性。 数据调度方面，改进了基于数据驱动的调度策略，引入了束层的概念，包括 空间束和时间束，保证了数据尽量在播放前到达。 当v c r 操作发生时，采用从视频服务器获取前几个视频片段的策略，减少 等待延时，以提高播放连续性。 4 p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 第一章绪论 在p 2 p s t r m s i m 基础上对系统进行了仿真，这一仿真方法对后续研究者具有 一定的参考价值。 1 4 论文的组织结构 本文分为四个部分：第一章绪论为第一部分，概要介绍论文的主要内容和结构； 第二部分为理论研究部分，包括第二章；第三部分为b p p v o d 系统的总体设计、仿 真实现以及测试，包括第三章、第四章和第五章；最后第六章为第四部分，对全文进 行总结并对下一步工作进行展望。论文具体安排如下： 第一章，介绍课题研究背景及意义、国内外研究现状、本课题所要研究的主要内 容以及论文的主要贡献。 第二章，分析研究了p 2 p 流媒体技术涉及到的相关技术知识，并介绍了目前几种 典型的p 2 p 流媒体模型。 第三章，阐述了基于束层的p 2 p 点播系统b p p v o d 的总体设计，给出节点管理 模块的详细设计，最后，对束层的概念进行介绍。 第四章，给出b p p v o d 系统中节点的存储管理模块、基于束层的调度管理模块 的设计，最后，给出g o s s i p 交互消息的设计以及v c r 操作时的执行过程分析。 第五章，系统的仿真实现以及测试，包括仿真工具的选择、系统仿真程序的设计 和实现，测试内容和结果，最后对结果进行分析和评价，得出结论。 第六章，对所做工作进行了总结，并对未来的工作进行展望。 5 第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析 本章重点讲解了流式传输和流媒体的基本概念、实时流式传输协议以及几种流媒 体发布技术。接下来介绍了几种典型的p 2 p 流媒体模型，通过比较分析，得出网状模 型能够在保证系统可靠性的同时又取得了网络效率，论文设计的p 2 p 点播系统b p p v o d 正是基于该模型。 2 1 流媒体技术 2 1 1 流式传输和流媒体的概念 互联网的迅速普及和多媒体技术的应用使人们迫切需要解决音、视频信息流在网 络上的传输问题。在网络上传输音、视频等多媒体文件主要有下载和流式传输两种方 案。多媒体文件一般都较大，需要的存储容量也较大，同时由于网络带宽的限制，下 载多媒体文件常常要花数分钟甚至数小时，所以这种处理方案延迟也很大。近年来出 现的流式传输方案解决了这种困境。流式传输定义很广泛，现在主要指通过网络传送 媒体如视频、音频的技术总称。其特定含义为通过i n t e m e t 将影视节目连续、实时地 传送到p c 机。使用流式传输，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过几 秒或数十秒的启动延时即可进行观看。当多媒体文件在用户计算机上播放时，文件的 剩余部分将在后台从服务器继续下载，这样不仅使启动延时成倍地缩短，而且不需要 太大的缓存容量。流式传输避免了用户必须等待整个文件全部下载完才能观看的缺 点。 流媒体是指采用流式传输技术在因特网上播放的媒体格式，如音频、视频。流媒 体在播放前并不需要下载整个文件，而只将开始部分内容存入内存，流媒体的数据流 随时传送随时播放，只是在开始时有一些延迟。 实现流式传输有两种方法：顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 和实时流式传输 ( r e a l t i m es t r e a m i n g ) 【7 1 。 顺序流式传输仅仅是对流媒体格式文件的顺序下载，在下载文件的同时用户可以 观看，但是不支持拖动，通过功能的限制来减少网络的抖动。由于技术简单，仅需厂 6 p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析 商提供服务器即可组建，目前在网络上应用比较广泛。 实时流式传输中，增加了对拖动功能的支持。在观看过程中，用户可快进或后退。 将普通单机播放功能应用于网络播放，对技术的要求相当高，如果只是简单在顺序播 放的基础上增加这一功能，频繁的拖动将使服务器不堪重负，势必要通过相关技术途 径来解决。p 2 p 技术对这一点是一个有益的补充，在一定程度上提高了实时流式传输 的可行性，改善了媒体传输的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。 2 1 2 实时流式传输协议 根据功能，传输协议可以分为三类：1 ) 网络层协议( i p ) ，提供最基本的网络服务； 2 ) 传输层协议，提供端到端的传输服务，包括t c p 或u d p ，以及r t p r t c p ，t c p 、 u d p 更加底层一些。其中r t p r t c p 实现在t c p 与u d p 之上，有时候也被划为应 用层协议；3 ) 应用层协议，定义多媒体会话过程中的消息控制及处理，包括r t s p 、 s d p 等。 下面简要介绍r t p r t c p 传输层协议及r t s p 协议。 1 r t p 协议 r t p 是一种提供端对端传输服务的实时传输协议，用来支持在单目标广播和多目 标广播网络服务中传输实时数据。r t p 协议定义在r f c l 8 8 9 8 1 中，其核心是其数据包 格式。数据包是r t p 对数据传输的封装单位，典型的数据包由包头和负载组成，在 r t p 协议中仅定义了包头的数据结构，而不限制负载大小。负载与应用有关，如v o d 利用r t p 传输m p e g 1 节目，负载则为m p e g 1 音频数据或m p e g 1 视频数据。r t p 报头由对负载的描述信息构成，图2 1 为典型的r t p 包头结构。 版本px 陪与源剥叫有效载荷类型p t 序列号s e q n u m b e r t 时间戳t i m e s t a m p 1 2 字寺 同步源标识符s s r c 上 参与源标识符( c s r c ) 【o 1 5 】 图2 1r t p 包头结构 r t p 数据包头中，前1 2 个字节是必须的，而c s r c 域是可选的，在流媒体传输 7 第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 中有重要作用的数据域为如下所述。 ( 1 ) 有效载荷类型p t ( p a y l o a dt y p e ) ：长度为1 字节，标识r t p 数据包内负载的 数据类型，例如m p e g 1 视频数据、m p e g 1 音频数据或j p e g 等。对于音频数据， 这个域用来指示音频使用的编码类型，例如p c m 、自适应增量调制或线性预测编码 等。如果发送端在会话或者广播的中途决定改变编码方式，发送端可通过这个域来通 知接收端。对于视频数据，数据类型p t 可以用来指示视频编码类型，例如m o t i o n j p e g ，m p e g 1 ，m p e g 2 或者h 2 3 1 等。发送端也可以在会话期间随时改变视频的 编码方法。 ( 2 ) 时间戳t i m e s t a m p ：长度为4 字节，标识r t p 数据包内负载的时间信息。它 反映r t p 数据信息包中第1 个字节的采样时刻。接收端可以利用这个时间戳去除由 网络引起的信息包的抖动，并且在接收端为播放提供同步功能。时间单位和精度由具 体应用决定，例如，对于m p e g 1 而言，时间戳的时钟频率为9 0 k h z 。 ( 3 ) 序列号s e q n u m b e r ：序列号字段为2 字节，每发送一个r t p 包序列号增1 ， 可以被接收方用来检测包丢失和恢复包序列。例如：如果应用的接收方接收到的数据 流短缺7 2 到7 5 之间的包序列号，就知道7 3 和7 4 序列号的包丢失。 ( 4 ) 标志位m ( m a r k e r ) ：长度为l b i t ，标志位的功能依赖于数据类型。例如，可以 用标志位标识m 。j p e g 数据传输中每帧的开始。 ( 5 ) 同步源标识符s s r c ( s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c ei d e n t i f i e r ) ：同步源标识符字段为 3 2 b i t s ，它标识r t p 流的源端。r t p 会话中的每一个数据流有一个不同的s s r c ，s s r c 不是发送端的i p 地址，而是一个新数据流开始时由源端产生的随机数。 2 r t c p 协议 实时传输控制协议( r e a l t i m ec o n t r o lp r o t o c o l ，简称r t c p ) 也定义在1 9 9 6 年提出 的r f c l 8 8 9 中。它的主要功能是为应用程序提供会话质量或者广播性能质量的信息。 r t c p 用于统计、管理和控制r t p 数据的传输。r t c p 通过发送和接收r t c p 报文传 递信息，每个报文有其特定的类型码和长度标识。r t c p 在流媒体传输中的作用为： ( 1 ) q o s 管理与控制。r t c p 报文含有q o s 信息。在组播环境下，会话各方有必 要知道其他会话主机的数据传输状况。音频或视频数据的发送主机应定期播发发方报 告，发方报告包括媒体同步信息、已发信包数目和比特数目，这些信息可用于计算发 送速率。而会话的接收主机定期播发接收报告，接收报告包括接收信包的最大序列号、 8 p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析 丢失包数目、媒体流的抖动情况等，这些数据可用来计算从发方到收方的回路延迟。 ( 2 ) 媒体同步。r t c p 发送方报告内的时间戳可用来同步不同的媒体流。 ( 3 ) 附加信息传递。r t c p 有一类称为s d e s ( s o u r c ed e s c r i p t i o n ) 的报文，内含标识 名、用户名称、电话号码、e m a i l 等信息，其中标识名是会话中每个参与者的惟一标 志。这些附加信息可用于会话管理。 3 r t s p 协议 实时流放协议r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 是一个应用层协议，它的主要 功能是想要支持v c r l i k e 的操作，比如s t o pp a u s e r e s u m e 、快进和快退等。除此之 外，r t s p 想要提供一种选择传送通道的方法，例如u d p ，t c p ，以及基于r t p 的传 送方法。 r t s p 的另一个重要功能是在服务器和客户端之间建立和控制流媒体的传输，主 要提供以下操作： ( 1 ) 媒体获取( m e d i ar e t r i e v a l ) ：客户端发送数据请求，让服务器建立一个会话并 发送相应的数据给客户端。 ( 2 ) 把媒体加入到某个已经存在的会话：客户端和服务器都可以通知对方把额外 的数据加入到存在的会话。 2 2 流媒体发布技术 2 2 1 传统的c s 架构分发系统 对面向i n t e r a c t 的流媒体技术，最简单的解决办法是为每个申请者建立一条发送 视频流的链接，如图2 2 所示，这就是传统的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构。客户端在获取 流媒体数据前，向服务器发送请求，服务器如果有能力支持新的客户端加入，就会接 受请求，否则就拒绝客户端的请求。服务器接受请求后，客户端和服务器建立连接， 服务器从本地缓存中读取流媒体数据，通过i n t e r a c t 把数据传输给客户端。在这种架 构中，服务器必须通过网络给所有客户端发送相同的流媒体数据，流媒体分发的负载 全部集中在服务器上。随着客户端数量的增加，容易造成服务器端的带宽瓶颈，限制 了c s 架构的扩展性。而随着全球互联网用户飞速增长，必然加快在线点播和网络电 视等流媒体业务的发展，而这种传统的c s 架构显然无法适应大规模的流媒体数据发 9 第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 布。 图2 2c s 架构分发系统 代理服务器架构是对c s 架构的简单扩展，它采用缓存技术把客户端频繁访问的 数据存储在代理服务器上。当客户端通过本地代理服务器访问服务器时，如果发现代 理服务器保存着需要访问的数据，就不必访问视频服务器了，直接从本地代理服务器 中获取数据。通过代理服务器架构，虽然能够减少视频服务器的数据分发负载，降低 数据的传输延迟，但是这种方式并不适合实时的流媒体发布，也没有从根本上解决 c s 架构的瓶颈问题。 2 2 2 基于c d n 的内容分发系统 内容发布网络c d n ( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) 是一个建立并覆盖在互联网之上， 由分布在不同区域的节点服务器群组成的虚拟网络，如图2 3 所示。c d n 可以实现把 服务器的内容高效、稳定地发布到离客户端最近的地方，尽可能避开互联网上有可能 影响数据传输速度和稳定性的瓶颈和环节，使内容传输得更快、更稳。c d n 系统能 够实时地根据网络流量和各节点的连接、负载状况以及到用户的距离和响应时间等综 合信息将用户的请求重新导向离用户最近的服务节点上。通过c d n 系统，用户的响 应时间被大大缩短，改善了i n t e m e t 上流媒体的服务质量，有效地提高了网络资源的 利用率。虽然c d n 是一种有效的流媒体发布技术，但是其部署成本非常高，限制了 它的应用和推广。 1 0 p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析 2 2 3i p 组播 图2 3c d n 分发网络 i p 组播是网络多媒体研究领域的热点技术。v o d 系统、视频会议系统、可视电 话系统、远程医疗系统等一系列应用使音频及视频等流媒体逐渐成为网络传输的主流 数据；传统的媒体，例如广播、电视等也在迅速完成其数字化过程。流媒体的传输， 对网络协议提出一些新的要求，组播技术在这种背景下提出，用于解决流媒体的多路 传输问题。i p 组播融合了单播和广播的技术特点，可以将一份数据同时发送给一组 特定的用户，避免了数据的重复发送，又不会造成网络带宽的浪费，非常适合于流媒 体的传输。 然而在实际的应用中，i p 组播技术仍然存在一些很重要的关键问题，导致其未 能得到大规模应用。这些问题主要包括组播的安全性、组播的复杂性以及可行性。 ( 1 ) 组播的安全性：安全组播就是只有注册的发送者才可以向组发送数据；只有 注册的接收者才可以接收组播数据。然而i p 组播很难保证这一点。首先，i p 组播使 用u d p 协议，任何主机都可以向某个组播地址发送u d p 包，并且低层组播机构将传 送这些u d p 包到所有组成员。其次，i n t e m e t 缺少对于网络层的访问控制。第三，组 成员可以随时加入退出组播组。这几点使组播安全性问题难以解决。 ( 2 ) 网络的异构性导致组播的复杂性：i n t e m e t 是一个异构网络，这种异构性表现 在很多方面。首先，i n t e m e t 的低层硬件平台千差万别，可以是以太网、a t m 、f d d i 、 令牌环网、帧中继、移动网络等。这些低层网络具有不同的带宽、硬件存取控制方式、 第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 时延特性。在多链路情况下，各链路的带宽与代价也可能不同。其次，主机的硬件处 理能力和操作系统各不相同。第三，互联设备的差异。路由器、交换机、网络服务器 在包转发率、支持的路由协议的互操作性上存在差异。这些异构性都导致在实现i p 组播网络中的复杂性。 ( 3 ) 组播要求i n t e r n e t 中所有的路由器都支持组播协议，但现实是并非所有路由 器都支持。i p 组播协议要全部大规模更换，近期无可行性。 2 2 4p 2 p 技术 基于单播的c s 架构并不适合流媒体大规模数据的分发，而c d n 和i p 组播技 术也存在很多固有的限制而难以部署，为了提高i n t e r n e t 上流媒体应用的q o s ，提出 了p 2 p 流媒体技术，把组播的功能从网络层移到应用层，把p 2 p 技术应用到流媒体， 每个流媒体用户也是p 2 p 覆盖网中的一个节点。在以前的流媒体系统中，用户之间没 有任何联系，但采用p 2 p 技术后，用户可以根据他们的网络状态和设备能力与一个或 几个用户建立连接来分享数据，这种连接能够减少服务器的负担，提高用户的视频播 放质量。 p 2 p 即对等计算或对等网络，可以简单地定义成通过直接交换，共享计算机资源 和服务的网络技术。在p 2 p 网络环境中，成千上万彼此连接的计算机都处于对等的地 位，整个网络一般来讲不依赖于专用集中服务器。网络中的每一台计算机既能充当网 络服务的请求者，又能对其他计算机的请求作出响应，提供资源与服务。通常这些资 源和服务包括信息的共享与交换、计算资源( 如c p u ) 的共享使用、存储资源( 如缓存 和磁盘空间) 的使用等。 p 2 p 网络结构主要分为三类：集中式p 2 p 网络、完全分布式p 2 p 网络以及混合式 p 2 p 网络。而完全分布式p 2 p 网络又可以细分为完全分布式结构化p 2 p 网络和完全分 布式非结构化p 2 p 网络。具体说明如下： 1 集中式p 2 p 网络 如图2 4 所示所有的节点都和中心目录服务器建立连接，中心目录服务器负责索 引所有节点中的内容。当节点发出请求时，中心目录服务器会根据节点的请求找出符 合该节点要求的节点，然后文件交换就直接在这两个节点之间进行。因为这种模型仍 然需要一个中心目录服务器，所以当节点的数量增多时，服务器端的存储和带宽仍然 1 2 p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析 会有一些限制。n a p s t e r 9 1 的实现就是这种模型的代表。 查询流 下载流 ，图2 4 集中式p 2 p 网络 2 完全分布式结构化p 2 p 网络 在这种网络中每个节点都会被赋予一个随机产生的i d ，并且每个节点知道网络 中的部分其它节点，当一份文件在网络中发布时，会根据该文件的内容和名字，用某 种h a s h 算法生成一个文件i d ，然后文件发布的节点会把该文件路由给它所知道的节 点中节点i d 最接近该文件i d 的节点，直到当前节点就是最接近文件i d 的节点。所 有参与路由的节点都会保存一份该文件的拷贝。同样，当某个节点发出需要某个文件 的请求时，请求会转发给节点i d 最接近所请求的文件i d 的节点，直到找到真正具有 该文件的节点，然后该文件会传给最原始的请求者，所有参与这次路由的节点同样会 保存一份该文件的拷贝。 该网络最大的问题是维护机制较为复杂，尤其是节点频繁加入退出造成的网络波 动会极大增加维护代价。 3 完全分布式非结构化p 2 p 网络 如图2 5 所示，这种模型中完全没有了索引的概念，每个节点的请求都会广播给 所有和它直接相连的节点，如果这些节点中都没有所请求的文件，这些节点会把这个 请求继续广播给所有和它们直接相连的节点，直到找到所请求的文件或者广播的次数 超过了某个值。该网络中广播的方法会消耗很大的带宽，因此不具有扩展性。g n u t e l l a 是这种模型的代表【1 0 1 。 1 3 第二章p 2 p 流媒体相关技术与模型分析p 2 p 覆盖网流媒体交互技术研究与设计 - 一下载溺 图2 5 完全分布式非结构化p 2 p 网络 4 混合式p 2 p 网络 如图2 6 所示，集中式p 2 p 网络有利于网络资源的快速检索，以及只要服务器能 力足够强大就可以无限扩展