流媒体技术的研究与发展

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棊础上，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jiitp2p流媒 体的未来研究方向。【关键诃】p2p；流媒体；伸缩性1. 引言随着互联网的h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

2、重要的组成部分，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。木质上，流媒体 技术是一种在数据网络上传递多媒体信息的技术。冃前数据网络具冇无连接、无确定路径、 无质虽:保证的特点，给多媒体实吋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

3、式多媒休系统主耍使用客户端服务器模式，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 多研究都捉出了相应的解决办法。如ip组播技术，实现了internet上高效的一对多通信， 提高了系统的可扩展性。然而山于tp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 j" (patching)技术、周期性广播以及流合并、流搭载(piggbacking)等技

4、术虽然在降低服务 器的带宽盂求和客户等待时间方面取得了不错的效果，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。但这种方案成木较高，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

5、了 广泛地关注，p2p技术得以快速地发展，如由笫1代的p2p网络gnutella, freenet发展到笫2 代的chord, pastry等以至笫3代的viceroy,在p2p方式b ,每个对等实体(peer)既是服务的 提供者，乂是服务的享用者。peer为系统捉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poor中，从而冇效地减轻了服务器的负载和网络带宽 占用，极人地提高了系统的可扩展性，具有潜在的应用前景。山于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

6、断出现。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-项非常有前途的技术，该技术有两方血的优点：不需要互联 网路市器和网络基础设施的支持，因此性价比高且易于部署;流媒体川户不只是下载媒体流, 而且述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 带來更多的资源。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

7、适应网络状态变化方而也而临着一些挑战。2. 1 p2p流媒体系统播送方式p2p流媒体系统按照其播送方式可分为肓播系统和点播系统，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，用八只能按照节目列表收看当丽正在播放的节目。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 技人学开发的cool stream! ng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血的里程碑，后期出现的pplive和ppstream等系统都 沿用了其网状多播模式

8、。p2p h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。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屮的高度交互性实 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冇硬盘，其成木高于直播终端。冃

9、 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。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 以被大休分成两大类，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) 基于树的方法大部分系统都可以归类为基于树的方法。在这种方法屮，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

10、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了节点。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冇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吋，该结构必须得以维持。特別地，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，口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耍解决的重要问题。基于树的方法町能是最 自然的方法,不需要复杂的视频编码算法。然而，其屮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屮断人量用八的数据传输，潜在地带來瞬时低性能的结果

11、。 此外，在该结构屮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，已冇研究提出了一些带冇弹性的结构，如基于多重树的方法。d：冇臣v图1基于树的p2p流媒 休传输(2) 数据驱动方法近年来，人们乂提出用于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 最人不同在于它不纽建和维护一个传输数据的明显拓扑结构，它川数据的可川性去引导数据 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

12、也做同样的动作，直到该消息传送到所有节点。xj- gossip目标节点进行随机选择可 以在存在随机失效的情况下使系统获得较好的健壮性，另外述町以避免中心化操作。然而， gossip不能肓接用作视频广播，因为其随机推送可能导致高带宽视频的人量兀余。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。市于节点只在没有数据时去主动获取，所以避免了兀余。此外

13、， 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。最示，随机化的伙 伴关系意味着节点间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rtl于p2p流媒体系统屮节点存在不稳定性，p2p流媒体系统需要解决如下儿个关键技术 ：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流媒体系统屮，新加入的客户在覆盖网络屮以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

14、中常用的 文件定位方式是通过分布式哈希表(dht)算法来实现，何个文件经哈希运算后得到一个唯 啲标识符，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方式杳找文件快速有效，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，如同吋包含媒体文件名、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

15、行泛洪操作，从而使具伸缩性比正常泛洪机制提高99%0directstream是一个基于冃录的p2p流媒体点播系统，其媒体文件的查找方式是通过f1录 服务器來维护所冇媒体服务器信息和客户信息(包括tp地址、缓冲大小等)。当新客户的请 求到达时，在目录屮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八，从而具有p2p的特性。但是由于其目录服务辭的集中式 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覆盖网络屮，网络屮的节点來自各个不同自治域，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人的

16、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供一定服务质fi(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，如在局域网內有提供服务的节点，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；若希望高质虽服务，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z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止

17、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体系屮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容错机制由于p2p流媒体系统中节点的动态性，正在提供服务的节点可能会离开系统，传输链 路也可能因拥塞而失效。为了保证接受服务的连续性，必须采取一些容错机制使系统的服务 能力不受影响或尽快恢复。对于节点火效的问题，可以采取主备用节点的方式容错。在选择发送节点时，应选择 多个服务节点，其屮某个节点(集)作为活动节点(集)，其余节点则作为备用节点。当活动节

18、 点失效时则山备用节点继续提供服务。值得研究的问题是如何快速有效地检测节点的失效, 以及如何保证在主备用节点切换的过程中流媒体服务的连续性。流媒体服务的实时性较强, 因此节点的故障检测时间应尽可能短，才能保证服务不屮断。目前有人量关于如何缩短故障 检测时间的研究，大都是采用软状态协议询问节点的存在，盂要考虑询问频度与询问消息开 销z间的折衷。数据的编码技术也可以提供系统的容错性，如前向错误编码(fec)和多描述编码(mdc)。 fec通过给压缩后的媒体码流加上一定的冗余信息来有效地提鬲系统的容错性，血mdc的基 木思想是对同一媒体流的内容采用多种方式进行描述，每一种描述都可以单独解码并获得可

19、以接受的解码质量，多个描述方式结合起來可以使解码质最得到增强。这两种编码都能适应 客户界构性的特点，客户可以根据口己的能力选择收取多少数据进行解码。此外，将fec 和mdc结合，能取得更好的容错效果。3. 4安全机制网络安全是p2p流媒体系统的基木要求，必须通过安全领域的身份识别认证、授权、数据完整性、保密性和不可否认性等技术，对p2p信息进行安全控制。对产权的控制，现阶段可釆用drm技术控制；对丁基于企业级的p2p流媒体播出系统可以安装防火墙阻止非法用八访问；因特网上的p2p流媒体系统可以通过数据包加密方式保证安全。在p2p流媒体系统内，可釆用用户分级授权的办法，阻止非法访问。4 p2p流媒体的应用网络的迅猛发展和普及为p2p流媒体业务发展捉供了强人帀场动力，p2p流媒体技术的应 用将为网络信息交流带来革命性变化。ii前常