P2P流媒體服務(wù)質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)的研究*

樂光學(xué)，宋佳佳，熊小峰，劉建生

（1.江西理工大學(xué)理學(xué)院 贛州 341000；2.嘉興學(xué)院信息工程學(xué)院 浙江 314000）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)音頻、視頻點播、網(wǎng)絡(luò)游戲和電子商務(wù)等的應(yīng)用越來越廣泛，大規(guī)模流媒體技術(shù)是這些應(yīng)用得以迅速發(fā)展的關(guān)鍵?；赑2P技術(shù)的流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛，根據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心發(fā)布的 《第28次中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》[1]和艾瑞咨詢2011年第二季度在線視頻核心數(shù)據(jù)發(fā)布顯示，截至2011年6月底，中國網(wǎng)民規(guī)模達到4.85億，其中網(wǎng)絡(luò)視頻用戶達3.01億，網(wǎng)絡(luò)音樂用戶3.82億，在網(wǎng)民網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用行為中，網(wǎng)絡(luò)音樂和網(wǎng)絡(luò)視頻的用戶使用規(guī)模分別是78.7%和62.1%。面對大規(guī)模流媒體的應(yīng)用需求，QoS已成為一個開放性課題。

2 P2P流媒體技術(shù)研究現(xiàn)狀

P2P網(wǎng)絡(luò)作為一種對等網(wǎng)絡(luò)，打破了C/S模式的局限，具有很高的資源利用率。P2P技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域可分為內(nèi)容共享和數(shù)據(jù)分發(fā)、分布式的存儲系統(tǒng)、基于P2P方式的協(xié)同處理與服務(wù)共享平臺、即時通信交流。

2.1 典型的流服務(wù)策略

流媒體是在internet中使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)多媒體數(shù)據(jù)，由于流媒體業(yè)務(wù)需要為用戶提供長時間且穩(wěn)定的視頻流，所以對承載網(wǎng)絡(luò)的延遲、播放質(zhì)量、VCR操作等要求很高。參考文獻[2]研究表明單播模式系統(tǒng)的可擴展性和可靠性很差，基于代理的分發(fā)模式會使系統(tǒng)的管理開銷增加。基于內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò) （content delivery network，CDN）是一種有效的解決方案，其核心思想為通過部署代理服務(wù)器實現(xiàn)就近服務(wù)原則，分散系統(tǒng)的負載，但組網(wǎng)部署和維護費用昂貴，不適合大規(guī)模使用。P2P流媒體系統(tǒng)優(yōu)勢在于其對等性、自組織性、匿名自治性、資源共享的特性，P2P技術(shù)克服了以往服務(wù)策略的不足，大幅度提高了系統(tǒng)的擴展性。參考文獻[3]提出了P2P與CDN相結(jié)合的思想，將源服務(wù)器與各代理通過骨干網(wǎng)組成CDN，代理與客戶機組成相對獨立于其他自治域的P2P流媒體網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)點是代理服務(wù)器數(shù)量減少，成本降低；客戶訪問媒體資源的質(zhì)量提高，服務(wù)延遲減少。

2.2 P2P流媒體系統(tǒng)的研究

根據(jù)節(jié)點邏輯拓撲組織和應(yīng)用特點的不同，將P2P流媒體系統(tǒng)分為單棵樹分發(fā)系統(tǒng)、多棵樹分發(fā)系統(tǒng)、基于網(wǎng)狀的系統(tǒng)。參考文獻[4]把Chaining（鏈式結(jié)構(gòu)）思想引入視頻點播服務(wù)模型，產(chǎn)生了最早的單棵樹分發(fā)模型，如DirectStream、P2Cast等。在鏈式結(jié)構(gòu)中，節(jié)點中途離開對整個鏈造成的影響很大，所以只能在局域網(wǎng)內(nèi)小規(guī)模應(yīng)用。參考文獻[5]基于Scribe協(xié)議，實現(xiàn)了SplitStream構(gòu)建多棵樹的分發(fā)架構(gòu)。主要思想是將流媒體分成N塊，在N棵不同的分發(fā)樹中傳播，缺點是分發(fā)路徑固定，易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。參考文獻[6]提出的GnuStream是一種完全對等的多對一的網(wǎng)狀分發(fā)，利用Gnutella協(xié)議查找用戶請求文件的節(jié)點列表，通過選擇優(yōu)良節(jié)點建立多個連接，并按照帶寬比例分配各自所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊。其特點是：網(wǎng)絡(luò)抗抖動力較強，充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，并在異構(gòu)網(wǎng)中得到了很好的應(yīng)用。

3 P2P流媒體的QoS分析

QoS是一個用于衡量服務(wù)滿意程度的量化指標。在P2P流媒體系統(tǒng)中，用來衡量QoS的關(guān)鍵指標主要包括延遲、抖動、丟包率、吞吐量等[7]。

目前P2P流媒體QoS控制機制可以分為兩類：一是基于網(wǎng)絡(luò)層的QoS控制，主要是通過路由器或交換機的資源預(yù)留、區(qū)分服務(wù)等保障服務(wù)質(zhì)量，如IntServ、DiffServ和MPLS等，它們都能支持數(shù)據(jù)流的可預(yù)測傳輸，但設(shè)計思想和實現(xiàn)機制各不相同，QoS控制需要路由器支持，但當前網(wǎng)絡(luò)不能支持所有的路由器；二是基于應(yīng)用層的QoS控制，主要是通過客戶端對流媒體數(shù)據(jù)的監(jiān)測以及反饋機制保證服務(wù)質(zhì)量，常見的基于應(yīng)用層的QoS保障機制包括節(jié)點選擇、數(shù)據(jù)調(diào)度、緩存機制、容錯機制和激勵機制等。

3.1 節(jié)點選擇機制

P2P網(wǎng)絡(luò)拓撲很大程度上決定了流媒體系統(tǒng)的性能，而拓撲構(gòu)建的核心問題就是節(jié)點的選擇。一個優(yōu)良的節(jié)點應(yīng)具有穩(wěn)定性、高帶寬、低延遲的特性。參考文獻[8]定義了一個優(yōu)良節(jié)點集合，構(gòu)造了一個最大化節(jié)點貢獻度的函數(shù)，定義如下：

其中，eij=1表示節(jié)點i和節(jié)點j相連，否則eij=0。C表示所有數(shù)據(jù)段的集合，{ci∈C:=1,…,N}表示每個節(jié)點上的數(shù)據(jù)塊的集合。假設(shè)每個節(jié)點i可能和最多di個鄰居相連，di

為了解決應(yīng)用層和底層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不匹配的問題，廣泛采用就近服務(wù)原則。參考文獻[8]提出了兩種多對一節(jié)點選擇方案，即端到端的選擇機制和拓撲感知選擇機制，兩種機制都要確認收發(fā)雙方路徑的“良好度”。參考文獻[9]提出了超級節(jié)點和請求節(jié)點雙端協(xié)作的節(jié)點選擇機制，以解決現(xiàn)有節(jié)點選擇只在請求節(jié)點上執(zhí)行且功能單一的問題，提高了QoS和系統(tǒng)的魯棒性。參考文獻[10]針對P2P文件下載系統(tǒng)中的快速下載問題，提出了兩種算法：BT中的節(jié)點選擇，如根據(jù)節(jié)點提供服務(wù)的程度進行懲罰、獎勵；子午線算法是一個由多重環(huán)構(gòu)成的overlay，該算法直接測量查詢路由并通過gossip協(xié)議傳播信息，不僅實現(xiàn)最近節(jié)點和中心節(jié)點的查找，還通過滿足目標延遲約束實現(xiàn)中轉(zhuǎn)節(jié)點的查找，優(yōu)化中轉(zhuǎn)路徑。

3.2 數(shù)據(jù)調(diào)度機制

P2P架構(gòu)下，如何通過合理的數(shù)據(jù)調(diào)度機制對節(jié)點數(shù)據(jù)進行傳送，面臨很多問題和挑戰(zhàn)。

·單多播樹的數(shù)據(jù)調(diào)度。假設(shè)中間節(jié)點能同時向多個子節(jié)點提供數(shù)據(jù)，但實際是不能滿足這種假設(shè)的，因此這種理論只應(yīng)用于理論層面。

·多個多播樹的數(shù)據(jù)調(diào)度。這種方式有效利用了節(jié)點帶寬，降低了節(jié)點離開造成的影響，適應(yīng)異構(gòu)環(huán)境。但管理較為復(fù)雜，節(jié)點的播放延遲較大。

·隨機拓撲的數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)分發(fā)利用BT下載原理，即系統(tǒng)將媒體流分成多塊，節(jié)點加入系統(tǒng)后，定時與鄰居節(jié)點交換緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，并從鄰居節(jié)點處獲取所需要的數(shù)據(jù)塊。

3.3 緩存機制

流媒體業(yè)務(wù)目前普遍采用緩存機制保障QoS。直播系統(tǒng)采用緩存-中繼方案，接收節(jié)點以滑動窗口的形式緩存最近播放過的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)提供給在一定延遲內(nèi)的請求節(jié)點。點播系統(tǒng)采用前攝-中繼方案，節(jié)點前攝和緩存一些數(shù)據(jù)塊能在一定程度上保證節(jié)點在多變網(wǎng)絡(luò)下的媒體服務(wù)質(zhì)量。

[11]提出滑動窗口策略：當沒有用戶請求時，代理服務(wù)器不緩存任何數(shù)據(jù)。當?shù)谝粋€用戶請求到達時，代理服務(wù)器向中心服務(wù)器請求并緩存T min的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的生命期就是窗口的大小。從第一個請求開始,T min內(nèi)到達的請求都可以用這個窗口的數(shù)據(jù)服務(wù),這個窗口之外的請求將要再次啟動網(wǎng)絡(luò)傳輸。這種策略在節(jié)目點播人數(shù)較多時可以節(jié)約一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬,缺點是數(shù)據(jù)生命期固定,不能充分利用緩存有效節(jié)約帶寬資源，很難實現(xiàn)VCR等功能。

參考文獻[8]根據(jù)每個Peer節(jié)點緩存的目標節(jié)目數(shù)據(jù)范圍，將現(xiàn)有研究劃分為初始數(shù)據(jù)緩存、最近數(shù)據(jù)緩存以及全局指定緩存。初始數(shù)據(jù)緩存是指在節(jié)點上只緩存目標節(jié)目開始部分的數(shù)據(jù)，最近數(shù)據(jù)緩存指節(jié)點均緩存其最近接收到的一段數(shù)據(jù)，全局指定緩存是指節(jié)點所緩存的數(shù)據(jù)范圍由某些中心節(jié)點根據(jù)全局策略指定。BT下載和CoolStreaming典型緩存模式的緩存快照如圖1所示。

3.4 容錯機制

目前的研究集中在如何減少故障節(jié)點的檢測時間、主備用節(jié)點之間的切換時間，保持流媒體服務(wù)的連續(xù)性，從而實現(xiàn)無縫連接。參考文獻[9]通過客戶緩存機制，保證在短時間內(nèi)客戶端流媒體的連續(xù)性。參考文獻[12]研究不同節(jié)點的切換，并提出了媒體流切換基本模型，同時對節(jié)點切換的斷點位置進行深入的考慮。

數(shù)據(jù)編碼技術(shù)也可以提供系統(tǒng)的容錯機制，如多描述編碼（multiple description coding，MDC）和前向糾錯編碼（forward error coding，F(xiàn)EC）。MDC是通過在編碼中加入適當冗余信息，當發(fā)生數(shù)據(jù)丟失后能夠最大限度地減少對視頻質(zhì)量的影響。FEC通過給壓縮后的媒體碼流加上一定的冗余信息提高系統(tǒng)的容錯性。這兩種方式都針對節(jié)點的異構(gòu)性，請求節(jié)點可依據(jù)自身能力選擇接收多少數(shù)據(jù)進行解碼。

3.5 激勵機制

P2P網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的貢獻度是不同的。參考文獻[13]指出了Gnutella系統(tǒng)中70%的用戶不共享任何文件，近50%的請求是由1%的用戶處理的，這種行為被稱為“搭便車”現(xiàn)象，會對整個網(wǎng)絡(luò)的性能和服務(wù)質(zhì)量造成很大影響。

參考文獻[14]中Bit Torrent采用了“多勞多得”的激勵機制抑制搭便車行為，服務(wù)能力差的節(jié)點將無法生存，因此不適合視頻點播的規(guī)模使用。還提出服務(wù)能力差的節(jié)點即使不提供任何服務(wù)也擁有“社會基本福利保障”，這種追求平均化的方式對服務(wù)能力強的節(jié)點是不公平的，容易造成用戶反感。參考文獻[15]提出了虛擬貨幣機制，它可以用現(xiàn)實貨幣進行交換，服務(wù)能力差的節(jié)點只要擁有足夠的虛擬貨幣，一樣可以獲得好的服務(wù)。這種方式需要較高的安全性，并且打擊了高性能節(jié)點的積極性。

4 QoS研究展望

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IPv6、3G技術(shù)和無線技術(shù)的日益發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已成為多種異構(gòu)終端混合的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，流媒體應(yīng)用在混合網(wǎng)絡(luò)中的QoS保障還面臨很多挑戰(zhàn)。

4.1 激勵機制

搭便車行為不可避免，如何使搭便車節(jié)點趨于為系統(tǒng)做貢獻、使網(wǎng)絡(luò)抖動趨于穩(wěn)定，需要建立一種兼顧各類節(jié)點的合理的激勵機制。另外，對受歡迎程度低的節(jié)目提供服務(wù)的節(jié)點進行激勵，也能提高冷門節(jié)目的服務(wù)質(zhì)量。

4.2 異構(gòu)網(wǎng)下的信譽機制

當前對移動 P2P（mobile peer to peer，MP2P）的研究還處于初期階段。異構(gòu)網(wǎng)中各節(jié)點定期將鄰居節(jié)點的本地信譽值發(fā)送到信譽管理服務(wù)器，由信譽管理服務(wù)器集中計算并更新節(jié)點的全局信譽值，考慮到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和服務(wù)開銷，界定節(jié)點局部信譽值在小世界中的影響范圍問題有待進一步的研究。

5 結(jié)束語

P2P可信流媒體服務(wù)質(zhì)量是提高流媒體業(yè)務(wù)水平的研究重點，本文重點研究了影響QoS的幾種機制，通過對已有研究成果的分析比較，總結(jié)了各種機制對QoS的影響程度和所做的改善工作。最后，預(yù)測P2P可信流媒體服務(wù)質(zhì)量進一步的研究方向。

參考文獻

1 中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心.第28次中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展狀況統(tǒng)計報告,2011

2 尹浩,林闖,文浩等.大規(guī)模流媒體應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)的研究.計算機學(xué)報,2008,35(5)

3 臧運港,陳光喜.基于P2P和CDN的混合流媒體分發(fā)模型及分析.計算機應(yīng)用研究,2010,27(6)

4 龔海剛,劉明,毛鶯池.P2P流媒體關(guān)鍵技術(shù)的研究進展.計算機研究與發(fā)展,2005,42(12)

5 Castro M,DruschelP,Kermarrec A,etal.SplitStream:high-bandwidth content distribution in cooperative environments.In:Proc of ACM SOSP,2003

6 Jiang X,Dong Y,Xu D,et al.GnuStream:a P2P media streaming system prototype.In:Proc of the IEEE Int’l Conf on Multimedia and Expo,2003

7 張春紅.P2P技術(shù)全面解析.北京：人民郵電出版社,2010

8 馮健.P2P點播流媒體服務(wù)質(zhì)量研究.西北大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008

9 孫名松,張瀟依,姚亮.雙端協(xié)作的P2P流媒體節(jié)點選擇機制.計算機工程,2009,35(18)

10 Kai Han,Qingyu Guo,Jing Luo.Optimal peer selection,task assignment and rate allocation for P2P downloading.Education Technology and Computer Science,2009(8)

11 Zhang XY,Liu JC,Li B,et al.CoolStreaming/DONET:a sata-driven overlay network for live media streaming.In:Proc of the IEEE INFOCOM,IEEE Press,2005

12 張宇翔,楊冬,張宏科.P2P網(wǎng)絡(luò)中Churn問題研究.軟件學(xué)報,2009,20(5)

13 余一嬌,金海.對等網(wǎng)絡(luò)中的搭便車行為分析與抑制機制綜述.計算機學(xué)報,2008,31(1)

14 沈時軍,李三立.基于 P2P的視頻點播系統(tǒng)綜述.計算機學(xué)報,2010,33(4)

15 Huang Y,Fu T ZJ,Chiu D M,et al.Challenges,design and analysis of a large-scale P2P-vod system.ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2008,38(4)