國內(nèi)外流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)服務(wù)模式的性能分析

裴 祥

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽 473009)

國內(nèi)外流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)服務(wù)模式的性能分析

裴 祥

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽 473009)

在IPTV系統(tǒng)中，流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)始終是這個(gè)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)能否高效工作的重要因素。本文在查閱現(xiàn)有與IPTV系統(tǒng)以及流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了歸納和整理，并對其現(xiàn)有經(jīng)典解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

交互式電視;流媒體點(diǎn)播系統(tǒng);視頻點(diǎn)播

在交互式網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)系統(tǒng)中，流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)始終是IPTV系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，也是IPTV系統(tǒng)能否高效工作的重要因素。由于連接網(wǎng)絡(luò)的終端數(shù)量急劇增加，加之網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多樣化和復(fù)雜性，傳統(tǒng)的集中式的文件分發(fā)模式面臨著伸縮性、連接突發(fā)性和可靠性問題，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)高質(zhì)量、高擴(kuò)展性的并能處理各種網(wǎng)絡(luò)情況的流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)顯得非常必要。

目前對于流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的研究仍然在不斷地深入，按照其服務(wù)模式主要分為以下三種。

1.單播模式

單播通信是一種點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，即 C/S(Client/Server)服務(wù)模式。其優(yōu)勢在于通信模型簡單，部署方便，利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn);用戶獨(dú)占模式，支持交互操作。然而采用單播模式，在一對多的通信需求之下，每一個(gè)報(bào)文都要被重復(fù)傳遞多次，當(dāng)服務(wù)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，由于服務(wù)器處理能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，無法支持大規(guī)模的用戶需求。例如，以單播模式向用戶提供流媒體服務(wù)，如果服務(wù)器是1000Mbps的網(wǎng)卡，媒體數(shù)據(jù)格式為MPEG4格式，即單個(gè)視頻流是1.5Mbps，按照以太網(wǎng)70%的吞吐量計(jì)算，該服務(wù)器最多支持460個(gè)用戶;同時(shí)考慮服務(wù)器磁盤FO讀取的限制，實(shí)際可服務(wù)的用戶數(shù)目更少。因此，采用單播方式進(jìn)行一對多通信，其可擴(kuò)展性較差，QoS保障低且有較高的部署成本。

目前的解決方法之一為采用代理緩存或內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN，Content Delivery Network)技術(shù)將服務(wù)器盡量部署到離客戶近的地方，以減輕主干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署代理緩存或CDN，媒體服務(wù)器將媒體內(nèi)容以“推”或“被動緩存”的方式存放在代理緩存服務(wù)器或CDN上，客戶請求媒體服務(wù)時(shí)，可從代理緩存或CDN服務(wù)器獲得服務(wù)，而不必消耗源服務(wù)器的資源。利用代理的特殊地域性，組成流媒體內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)流媒體對象的“邊緣分發(fā)”，不僅可以加快用戶訪問請求的響應(yīng)速度，靈活擴(kuò)大用戶群的規(guī)模、范圍，更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)及用戶的異構(gòu)性，而且還能有效地節(jié)省從源服務(wù)器到代理服務(wù)器之間的骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬。但其位于邊緣的單個(gè)服務(wù)器，對用戶來說也是一個(gè)視頻服務(wù)系統(tǒng)，同樣要面對磁盤帶寬和網(wǎng)絡(luò)帶寬的制約，邊緣媒體服務(wù)器采用C/S模式提供服務(wù)，服務(wù)的可擴(kuò)展性問題依然沒有從根本上得到解決。

2.組播模式

解決流媒體服務(wù)擴(kuò)展性的另一個(gè)方法是采用網(wǎng)絡(luò)層組播來提供服務(wù)。八十年代末，S.Deering提出第一個(gè)域間網(wǎng)絡(luò)(inter－domain networks)上的組播模型，這標(biāo)志著IP組播的出現(xiàn)。IP組播是對IP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的擴(kuò)展，目的是支持面向組的高效通訊或網(wǎng)絡(luò)層的高效多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。1994年H.Erikson將組播推廣到互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建了一個(gè)具有組播能力的網(wǎng)絡(luò)——組播骨干網(wǎng)MBone(Multicast Backbone)。

以IP組播的方式對流媒體內(nèi)容進(jìn)行分發(fā)，接收相同內(nèi)容的用戶構(gòu)成一個(gè)組播組，由路由器負(fù)責(zé)維護(hù)組播組的狀態(tài)和組成員的變化，并在組成員之間構(gòu)造一棵數(shù)據(jù)分發(fā)樹。流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)只需要向組內(nèi)發(fā)送一份組播數(shù)據(jù)，由路由器在恰當(dāng)?shù)姆种c(diǎn)復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，就可讓所有組成員收到數(shù)據(jù)，而任何一份數(shù)據(jù)包的拷貝只會在組播樹的每條鏈路上出現(xiàn)一次。多個(gè)請求節(jié)點(diǎn)通過IP組播樹共享得到視頻數(shù)據(jù)，從而減輕了服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。在基于IP組播的方式向用戶提供視頻點(diǎn)播服務(wù)方面，涌現(xiàn)出了Batch協(xié)議簇、Patch協(xié)議簇以及分段廣播協(xié)議簇等方案以滿足VoD中異步的服務(wù)請求，其基本思想是當(dāng)多個(gè)用戶并發(fā)請求某個(gè)熱門節(jié)目時(shí)，將多個(gè)點(diǎn)播同一個(gè)節(jié)目的用戶請求合并調(diào)度，將該節(jié)目的全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)以組播方式進(jìn)行傳送，用一個(gè)視頻組播流同時(shí)滿足多個(gè)用戶的需要，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的共享，減輕服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的資源需求。相比于單播方式，網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器資源需求大大減少，因此它曾被認(rèn)為是解決“單點(diǎn)到多點(diǎn)(One－to－Many)”數(shù)據(jù)傳輸最理想的方式。

然而經(jīng)過多年的研究，IP組播雖然在實(shí)驗(yàn)和示范系統(tǒng)上得到廣泛應(yīng)用，但一直沒有能夠大規(guī)模地進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域，主要由于IP組播存在訪問控制較難、缺乏組播地址分配機(jī)制、缺乏接入控制、缺乏域間組播路由協(xié)議、管理難度大、缺乏計(jì)費(fèi)模式、路由器負(fù)載過重等問題，導(dǎo)致其在互聯(lián)網(wǎng)難以實(shí)際部署。

在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件的前提下，為解決IP組播所遇到的問題，以H.Chu為代表的研究者提出以應(yīng)用層組播ALM(Application Layer Multicast)來解決IP組播在推廣中遇到的問題。

3.P2P模式

所謂應(yīng)用層組播就是把與組播相關(guān)的數(shù)據(jù)路由、復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)等功能放到成員主機(jī)的應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，在成員主機(jī)之間構(gòu)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)組播功能的邏輯網(wǎng)絡(luò)(Overlay Network)。應(yīng)用層組播與IP組播的最大區(qū)別就是組播的復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)功能是由主機(jī)實(shí)現(xiàn)，而不是由路由器實(shí)現(xiàn)。與在單播傳輸模型中一樣，路由器只需要支持“盡力傳輸”功能，而無需支持與組播相關(guān)的其他額外功能，并且可以針對特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)具有良好的擴(kuò)展性，易于實(shí)現(xiàn)和推廣。在應(yīng)用層組播和對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的性質(zhì)和流媒體應(yīng)用的特點(diǎn)，發(fā)展出一種新型的流媒體傳輸模式—P2P模式。

P2P模式目前存在的主要缺點(diǎn)是:比網(wǎng)絡(luò)層組播消耗更多的網(wǎng)絡(luò)資源;端系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致組播的可靠性受影響;端系統(tǒng)性能無法保證，可能導(dǎo)致延遲、轉(zhuǎn)發(fā)速率等性能的下降。雖然其組播效率相對IP組播方法較低，但是其良好的可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性使其在近年來得到廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者認(rèn)為基于應(yīng)用層組播技術(shù)的P2P流媒體技術(shù)，已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)新的應(yīng)用支撐技術(shù)之一。

在1998年第一套利用P2P技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模流媒體點(diǎn)播和直播的系統(tǒng)Webcast出現(xiàn)后，各種原型系統(tǒng)、高度可擴(kuò)展的應(yīng)用層組播協(xié)議大量涌現(xiàn)。其中典型的系統(tǒng)有提供音頻廣播的Standford大學(xué)的Peercast系統(tǒng)和德國的P2PRadio系統(tǒng)，它們均采用開放源代碼。而應(yīng)用層組播協(xié)議有微軟的Coopnet/SPlitstream協(xié)議、思科的Overcast協(xié)議、馬里蘭大學(xué)的NICE協(xié)議、伯克利大學(xué)的Gossip協(xié)議等。

相比于直播，在點(diǎn)播領(lǐng)域，P2P模式的發(fā)展速度相對較為緩慢。主要是因?yàn)辄c(diǎn)播中的高度交互性需求，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度較高。2000年，美國普度大學(xué)實(shí)現(xiàn)的Gnustream系統(tǒng)是在Gnutella網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的第一個(gè)P2P準(zhǔn)點(diǎn)播系統(tǒng)。由于版權(quán)因素的限制，這套系統(tǒng)沒有能得到大規(guī)模的使用。2000年之后，P2P的點(diǎn)播技術(shù)在適用于點(diǎn)播的應(yīng)用層傳輸協(xié)議技術(shù)、底層編碼技術(shù)以及數(shù)字版權(quán)技術(shù)等方面都有重要進(jìn)展。在應(yīng)用層傳輸協(xié)議方面，比較重要的有2002年提出的P2Cast協(xié)議以及2003年提出的CollectCast協(xié)議。

目前在大規(guī)模P2P流媒體應(yīng)用方面，存在著一些問題:(1)由于節(jié)點(diǎn)失效造成的轉(zhuǎn)發(fā)樹斷裂，如何進(jìn)行快速恢復(fù)，以減少流媒體數(shù)據(jù)的丟失;(2)缺乏對節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性問題考慮;(3)網(wǎng)絡(luò)缺乏QoS機(jī)制，擁塞和抖動都會影響流媒體質(zhì)量;

綜上所述，在現(xiàn)有的通信模型中，單播由于可擴(kuò)展性較差，不適合大規(guī)模并發(fā)服務(wù)下的一對多數(shù)據(jù)傳輸;廣播被限制在局域網(wǎng)內(nèi)，無法在更大范圍內(nèi)使用;網(wǎng)絡(luò)層組播雖然通信效率較高，但是在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)下的部署問題目前還難以解決。應(yīng)用層組播部署相對容易，但是轉(zhuǎn)發(fā)效率不如網(wǎng)絡(luò)層組播。針對在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的大規(guī)模流媒體應(yīng)用，仍有許多問題需要進(jìn)一步研究和解決，這正是今后研究的重點(diǎn)。

從流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)來看，近年來出現(xiàn)了從PC級的小型服務(wù)器到基于并行處理結(jié)構(gòu)的大型服務(wù)器發(fā)展的趨勢。很多專業(yè)級的流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)都采用了專門的體系結(jié)構(gòu)，這類廠商提供全面的流媒體服務(wù)解決方案，其產(chǎn)品為流媒體服務(wù)量身定做，nCUBE公司就是典型的代表，其nCUBE4產(chǎn)品專門面向商業(yè)化流媒體應(yīng)用，這種流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的存儲、網(wǎng)絡(luò)I/O等完全針對視頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)，針對不同的接入網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)需求，提供以太網(wǎng)服務(wù)模塊，ATM接口服務(wù)模塊，DVB－ASI接口服務(wù)模塊，QAM接口服務(wù)模塊等，并提供操作系統(tǒng)和流媒體應(yīng)用軟件。

一般情況下，復(fù)雜的流媒體應(yīng)用需要流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)具有強(qiáng)大的性能。比較成熟的產(chǎn)品如Apple公司的Darwin Streaming Server，RealNetworks公司的RealServer［9］等流媒體應(yīng)用軟件都需要流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)具有強(qiáng)大的并發(fā)處理能力，這類專業(yè)產(chǎn)品由于硬件成本較大，一般不利于普及應(yīng)用。

相信隨著三網(wǎng)融合進(jìn)一步深入到人們的社會生活中，人們對IPTV系統(tǒng)的需求會變得日益緊迫和多樣化。這就促使工程人員必須開發(fā)出功能更加豐富、性能更加健壯的IPTV系統(tǒng)，從而促進(jìn)IPTV技術(shù)的不斷向前發(fā)展。

［1］邢金閣.流媒體服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院博士論文，2005:50－80

［2］張宗勇.基于P2P技術(shù)的IPTV服務(wù)系統(tǒng)研究.西安:西北工業(yè)大學(xué)博士論文，2006:113－140

［3］方群，王敏，吉逸.基于RTSP/RTP的媒體點(diǎn)播服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27(1):4－6

［4］章民融，徐亞鋒《基于RTSP的流媒體視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2006，23(7):93－95

［5］Parameswaran M，Susarla A，Whinston AB.P2P networking:An information－sharing alternative.Computing Practices，2001，34(7):31 38

［6］黃拔鋒，鐘明，楊傳鈞，張家飪.Dwarin streaming server的研究和應(yīng)用.計(jì)算機(jī)工程，2004，30(19):134－135

The Performance of Streaming Media VOD System at Home and Abroad

PEI Xiang
(Henan Polytechnic Institute，Nanyang Henan，473009)

In the IPTV system，Streaming Media VOD system is always the key to realize the operation of the system，but also the important factor to make the system work efficiently.Based on the literature materials related to IPTV system and Streaming Media VOD system at home and abroad，this paper has carried out the induction and consolidation，and compared the advantages and disadvantages among the existing classic solutions.

IPTV;Streaming Media Server;Video on Demand

TD393

A

1671－3974(2012)03－0054－03

2012－04－07

裴祥(1984－)，男，工程碩士，河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室教師，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)及網(wǎng)絡(luò)管理等工作。