基于P2P的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用

劉琰

（濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南濮陽457000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的VOD視頻點(diǎn)播系統(tǒng)由于受網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)器系統(tǒng)瓶頸等問題的制約，限制了學(xué)生對遠(yuǎn)程資源的學(xué)習(xí)需求，已經(jīng)不能滿足遠(yuǎn)程教育教學(xué)的需要。隨著對等網(wǎng)P2P技術(shù)的逐漸成熟，基于P2P技術(shù)的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)已經(jīng)逐步成為一種新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用傳媒方式。在P2P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)既是客戶端，同時(shí)又具備服務(wù)器的功能，可以充分挖掘互聯(lián)網(wǎng)中被忽視的客戶機(jī)資源，有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，為用戶提供一個(gè)持續(xù)性的訪問服務(wù)。因此P2P技術(shù)和傳統(tǒng)的C／S模式相比無論在網(wǎng)絡(luò)利用率、擴(kuò)展性和容錯(cuò)方面都具有較大的優(yōu)勢，P2P已經(jīng)成為遠(yuǎn)程教育中構(gòu)建視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的主流技術(shù)。

1 傳統(tǒng)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)存在的問題分析

傳統(tǒng)的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)大多都是基于C／S（客戶端／服務(wù)器）模式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在構(gòu)建傳統(tǒng)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)時(shí)，客戶端需要接受解碼的視頻和音頻數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)量非常巨大，而單個(gè)的媒體數(shù)據(jù)流就需要消耗較大的存儲系統(tǒng)帶寬和網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，而在多用戶訪問時(shí)，對視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬要求會(huì)更高。另外，在視頻點(diǎn)播過程中，用戶對視頻源的訪問需求是實(shí)時(shí)的，視頻點(diǎn)播系統(tǒng)必須提供及時(shí)的響應(yīng)。因此，若要保證遠(yuǎn)程教育學(xué)生能夠流暢的觀看視頻課程，視頻點(diǎn)播系統(tǒng)就要對所有活動(dòng)的數(shù)據(jù)流提供嚴(yán)格的傳輸帶寬以及傳輸延遲保障策略，而傳統(tǒng)的基于C／S模式的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)已不能滿足需求。

2 P2P視頻點(diǎn)播的相關(guān)理論

目前計(jì)算機(jī)界對P2P（Peer－to－Peer）沒有統(tǒng)一的定義，P2P是對等計(jì)算的簡稱。P2P是一種分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的一個(gè)重要特點(diǎn)就是在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)協(xié)作和共享機(jī)制。所謂協(xié)作，就是P2P中的每個(gè)客戶端在邏輯上是平等的，沒有嚴(yán)格的主次關(guān)系。所謂共享，就是在P2P模式中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)資源發(fā)送端，起到服務(wù)端的作用，又可以充當(dāng)客戶端，獲取網(wǎng)絡(luò)資源，打破了傳統(tǒng)的C／S模式的制約。P2P是運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)上動(dòng)態(tài)變化的邏輯網(wǎng)絡(luò)，和傳統(tǒng)的C／S模式相比，網(wǎng)絡(luò)具有相對寬松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)又具有高效的路由算法，可以很好的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載勻衡，并且具有很好的擴(kuò)展性，因此，P2P技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

P2P視頻點(diǎn)播系統(tǒng)就是基于對等網(wǎng)絡(luò)的流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)，或者叫點(diǎn)對點(diǎn)的點(diǎn)播系統(tǒng)。它是以網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和流媒體服務(wù)器為底層構(gòu)架，以流媒體方式存在的視頻、音頻等數(shù)據(jù)為傳輸內(nèi)容，在對等節(jié)點(diǎn)和客戶端之間進(jìn)行媒體傳遞溝通的技術(shù)。從技術(shù)角度來看，P2P視頻點(diǎn)播系統(tǒng)是流媒體技術(shù)和P2P技術(shù)的結(jié)合。

3 流媒體技術(shù)

3.1 流媒體知識介紹

流媒體是多媒體的一個(gè)組成部分，是指采用流式傳輸?shù)姆绞皆诰W(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸?shù)囊环N媒體格式。流媒體技術(shù)（Streaming Media Technology）是美國的Real Networks公司首先推出的，概括地說，就是將視頻源經(jīng)過壓縮處理后放入流媒體服務(wù)器中，利用數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)編解碼技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持下，由流媒體服務(wù)器提供視頻源給客戶端播放的一種技術(shù)?？蛻舳丝梢赃呄螺d，邊觀看，不需要將整個(gè)文件下載到本地。其訪問流程為：首先系統(tǒng)會(huì)在客戶端本地創(chuàng)建視頻緩沖區(qū)，在進(jìn)行點(diǎn)播前預(yù)先下載部分?jǐn)?shù)據(jù)作為緩沖數(shù)據(jù)，如果網(wǎng)絡(luò)帶寬滿足點(diǎn)播需要，則緩沖區(qū)將持續(xù)下載數(shù)據(jù)資料預(yù)先保存，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬小于播放所耗用數(shù)據(jù)資料帶寬時(shí)，為保證播放的連續(xù)性，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取播放，從而使得播放連續(xù)且品質(zhì)得到保證。

3.2 流媒體技術(shù)的傳輸原理

對于流媒體服務(wù)器中的音視頻源，用戶在進(jìn)行訪問時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)源進(jìn)行分包，這些數(shù)據(jù)包在動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中按照不同的路由模式進(jìn)行傳輸，到達(dá)客戶端時(shí)，在客戶端預(yù)先設(shè)置的緩存中進(jìn)行存放。由于這些數(shù)據(jù)包到達(dá)客戶端的時(shí)間不同，為了保證數(shù)據(jù)包的順序正確，需要使用緩存系統(tǒng)進(jìn)行排序，然后按照順序進(jìn)行播放，播放完畢的數(shù)據(jù)包隨即被系統(tǒng)刪除。

流式傳輸在選擇使用傳輸協(xié)議時(shí)，由于流式傳輸需要較大的網(wǎng)絡(luò)開銷，而TCP是面向連接的，基于字節(jié)流的傳輸層協(xié)議，因此TCP不適合傳輸實(shí)時(shí)的、持續(xù)的、大流量的流式數(shù)據(jù)。在流式傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案中，RTP（Real－time Transport Protocol，實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，更適合用于視頻點(diǎn)播系統(tǒng)流式數(shù)據(jù)的傳輸，一般采用TCP／IP協(xié)議來傳輸流式媒體數(shù)據(jù)的控制信息，而用RTP／UDP來傳輸實(shí)時(shí)音頻和視頻數(shù)據(jù)。

流式數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕具^程為：用戶首先向流媒體服務(wù)器發(fā)出訪問請求，通過HTTP協(xié)議在客戶端和服務(wù)器之間交換控制信息，同時(shí)將需要訪問的視頻源檢索出來，然后客戶端瀏覽器啟動(dòng)輔助（Helper）程序?qū)α髅襟w檢索出來的視頻源參數(shù)進(jìn)行初始化，并使用RTP／UDP協(xié)議傳輸?shù)娇蛻舳诉M(jìn)行播放。流式傳輸?shù)幕具^程如圖3所示。

4 基于P2P的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思想

在用戶實(shí)際使用視頻點(diǎn)播過程中，動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)丟包是影響視頻流質(zhì)量的重要因素，是影響用戶使用點(diǎn)播系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，為了保證視頻質(zhì)量和流暢度，提高視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，可以采用前向糾錯(cuò)編碼來進(jìn)行視頻傳輸；同時(shí)，為了應(yīng)對動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，在視頻服務(wù)器端，必須建立可以調(diào)節(jié)視頻數(shù)據(jù)發(fā)送速率的調(diào)節(jié)機(jī)制，在服務(wù)器視頻源數(shù)據(jù)和向前糾錯(cuò)編碼數(shù)據(jù)之間合理分配網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。

另外在數(shù)據(jù)流傳輸過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，為了減少視頻流數(shù)據(jù)丟失，提高視頻解碼質(zhì)量，必須要使用數(shù)據(jù)錯(cuò)誤控制技術(shù)來進(jìn)行糾錯(cuò)，確保視頻流傳輸?shù)恼_性。常用的糾錯(cuò)技術(shù)有兩種，一種方式是使用自動(dòng)重傳協(xié)議，自動(dòng)重傳協(xié)議采用應(yīng)答反饋的方式來進(jìn)行通信，即當(dāng)客戶端接收到視頻數(shù)據(jù)流后，必須向服務(wù)器端發(fā)送確認(rèn)信息，當(dāng)服務(wù)器收到反饋信息后，將持續(xù)不斷地發(fā)送視頻數(shù)據(jù)流，相反，如果沒有收到反饋信息，服務(wù)器將中斷與客戶端的聯(lián)系，釋放資源，這種方法可以提高訪問的正確性，但也浪費(fèi)了系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬。第二種方式是采用向前糾錯(cuò)的方式，向前糾錯(cuò)方式是首先對傳輸產(chǎn)生的的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，根據(jù)錯(cuò)誤情況進(jìn)行糾錯(cuò)，使用向前糾錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)是不需要服務(wù)器和客戶端產(chǎn)生雙向通道，不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)停頓，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)延遲短，更適合于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)上的視頻傳輸。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能模塊

基于P2P的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4。

在上述結(jié)構(gòu)圖中，我們將系統(tǒng)分為三個(gè)功能層次：視頻源數(shù)據(jù)處理層、P2P功能層、媒體控制和應(yīng)用層。其中視頻源數(shù)據(jù)處理層處于整個(gè)系統(tǒng)的底層，P2P功能層處于中間層，而媒體控制和應(yīng)用層屬于最上層，如圖5所示。

4.2.1 視頻源數(shù)據(jù)處理層

該層是整個(gè)系統(tǒng)的最底層，也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。其主要功能是將各類音視頻數(shù)據(jù)源進(jìn)行加工和處理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并進(jìn)行壓縮和編碼處理，使其轉(zhuǎn)化成流媒體傳輸格式，向P2P功能層提供服務(wù)。

大規(guī)模流媒體應(yīng)用的視頻編碼技術(shù)大致可分為兩類：單碼率編碼技術(shù)和可擴(kuò)展性編碼技術(shù)。在單碼率編碼方式中，服務(wù)器始終以單一速率向所有的數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送流媒體數(shù)據(jù)，并根據(jù)各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的反饋信息來調(diào)整數(shù)據(jù)的發(fā)送速率。該編碼方式的控制粒度較粗，不能同時(shí)公平有效地對待多個(gè)客戶端接收節(jié)點(diǎn)。在客戶端接收節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀況差異很大時(shí)，接入帶寬高于發(fā)送速率的接收節(jié)點(diǎn)的接收能力沒能得到充分利用，而帶寬低于該速率的接收節(jié)點(diǎn)則會(huì)發(fā)生擁塞。分層可擴(kuò)展性編碼方式將視頻內(nèi)容編碼分為占用少量帶寬的基本層和若干可以提高視頻質(zhì)量的增強(qiáng)層，其中基本層作為最重要的層，包含流媒體最重要的特征數(shù)據(jù)；而其它層則為增強(qiáng)層，包含進(jìn)一步提高視頻質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

4.2.2 P2P功能層

P2P功能層在視頻源數(shù)據(jù)處理層的基礎(chǔ)上，為媒體處理和應(yīng)用層提供接口，它可以忽略網(wǎng)絡(luò)底層的異構(gòu)性，簡化網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，并為上層提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)接口，在其它兩層中架起一座橋梁。

4.2.3 媒體控制和應(yīng)用層

該層分為兩部分，一部分是媒體播放應(yīng)用層，第二部分是媒體控制層，媒體控制層是系統(tǒng)的核心層。其主要功能是合理分配媒體傳輸?shù)膸?，對媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并根據(jù)客戶端的請求合理分配數(shù)據(jù)流；該層還可以對客戶端的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測，及時(shí)清除無用的鏈接請求；媒體控制層還可以對媒體的數(shù)據(jù)流質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整，通過數(shù)據(jù)糾錯(cuò)技術(shù)對各類丟包、延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對壓縮的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解壓縮并進(jìn)行解碼工作，為媒體應(yīng)用層提供結(jié)構(gòu)完整的數(shù)據(jù)流。媒體應(yīng)用層是系統(tǒng)組成的最上層，其主要工作是向數(shù)據(jù)源提出請求，通過媒體播放器將解碼后的數(shù)據(jù)流通過web或客戶端的方式為用戶展示出來，另外由于客戶端的網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)性和可變性，因此媒體應(yīng)用層會(huì)在客戶端系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)緩存區(qū)，數(shù)據(jù)緩存區(qū)可以不間斷接收流媒體數(shù)據(jù)包，并根據(jù)順序通過播放器進(jìn)行播放，如果客戶端節(jié)點(diǎn)連接失敗，在重新連接期間，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)會(huì)連續(xù)不斷的向播放器提供流媒體數(shù)據(jù)，這樣可以為訪問者提供持續(xù)的媒體播放。

5 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻點(diǎn)播系統(tǒng)在遠(yuǎn)程教育中的作用越來越凸顯，將P2P技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程教育視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中，可以破解傳統(tǒng)的點(diǎn)播系統(tǒng)的各種瓶頸，提高通過遠(yuǎn)程教育進(jìn)行學(xué)習(xí)的學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量，為學(xué)生接受知識提供了一種新的媒體方式，在遠(yuǎn)程教育教學(xué)應(yīng)用中具有一定的實(shí)用價(jià)值和意義。

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