基于H.264/SVC的P2P內容分發(fā)系統(tǒng)設計與實現*

胡慶寶,周 旭,白 帆,黃 威,唐朝偉,宗 偉

(1.重慶大學 通信工程學院，重慶400044；2.中國科學院聲學研究所 高性能網絡實驗室，北京 100190)

近年來，隨著移動帶寬、3G網絡的迅猛發(fā)展和移動終端功能的不斷提高，移動互聯(lián)網給用戶帶來了更多、更好的多媒體應用體驗?，F有移動終端流媒體業(yè)務通常對同一視頻按不同碼流標準多次編碼，產生多種固定碼率視頻流，以應對復雜網絡環(huán)境下的終端應用。該方法存在視頻源編碼后占用空間大、異構網絡終端間視頻數據無法共享等缺陷?？缮炜s視頻編碼SVC(Scalable Video Coding)[1]作為近年來新興的一種視頻信源編碼技術，可通過一次編碼生成高碼率視頻流。SVC根據終端需求及網絡傳輸環(huán)境，傳送部分碼流數據，在終端達到不同分辨率、質量和幀率的解碼效果，能夠有效解決傳統(tǒng)視頻編碼標準輸出碼流的不靈活性，較好地解決了復雜網絡環(huán)境中異構終端間的視頻共享問題，極大地節(jié)省了視頻存儲空間，具有十分廣闊的應用前景。

本文基于SVC碼流結構和移動互聯(lián)網特性，結合傳統(tǒng)流媒體分發(fā)技術，提出了一種可用于解決復雜網絡環(huán)境下異構終端間資源共享的流媒體分發(fā)策略，實現了基于SVC視頻編碼格式的P2P內容分發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現了視頻流在P2P網絡上的可靠分發(fā)，并能滿足用戶對視頻分辨率和質量的不同需求。

1 H.264/SVC碼流分析

H.264算法在概念上可分為兩層：視頻編碼層VCL(Video Coding Layer),負責高效的視頻內容表示；網絡抽象層NAL(Network Abstraction Layer),負責對數據進行打包和傳送。NAL單元將視頻數據基于bit流傳輸轉到基于包的傳輸，實現了較高的網絡友好性。H.264/SVC作為H.264編碼標準的可分級擴展，采用基于離散余弦變換的分層編碼方法，支持時域、空域和質量域三個維度的可伸縮編碼[2]。通過對H.264/AVC NAL單元的擴展，將各個層次的視頻訪問單元分別編碼成一個NAL單元，組成SVC編碼視頻序列，如圖1所示。

SVC碼流主要包括參數配置NAL單元和壓縮視頻數據NAL單元。壓縮視頻數據NAL單元通常包括基本層NAL單元和若干擴展層NAL單元?；緦覰AL包含最小分辨率的空間層和最差質量層的編碼數據，碼率最低，是接收端解碼的基本數據；擴展層NAL單元包含不同空間和質量的增強層。所有擴展層在解碼時依賴于基本層NAL單元和其他低層次的擴展NAL單元[3]。在編碼時，通過設置參數，將各層連續(xù)固定數目的圖像幀所對應的視頻數據NAL單元組成SVC編碼圖像組GoP(Group of Pictures)。解碼時，根據需求舍棄部分碼流，讀取基礎層IDR幀之間的各層GoP單元，根據依賴關系獨立解碼得到相對于原始碼流分辨率、幀率及質量域等縮減的視頻圖像。

2 基于SVC視頻流的內容分發(fā)策略

傳統(tǒng)流媒體 P2P分發(fā)技術(如 BASS[4]、BiToS[5]等模型系統(tǒng))對內容源均采用等大小分片的策略。將文件長度、分片數、分片長度等較少的信息輸入torrent文件。P2P過程中，按照播放優(yōu)先和最少優(yōu)先相結合的下載策略，選擇peer下載數據分片，實現內容的快速分發(fā)或用戶視頻P2P下載播放。

移動互聯(lián)網作為異構網絡，存在無線鏈路不穩(wěn)定、帶寬較低等缺陷。在終端方面，也存在處理能力較差，播放屏幕較小等問題。加之H.264/SVC內容源的碼流結構特性，使得復雜網絡環(huán)境下SVC流媒體分發(fā)策略和傳統(tǒng)內容分發(fā)存在較大差異。

2.1 SVC視頻文件分片做種策略

H.264/SVC視頻編碼將各層NAL作為基本訪問單元，并以GoP為單位進行編碼，具有較強的塊連續(xù)性。結合SVC碼流編解碼和P2P分發(fā)特性，在內容源分片過程中，采取將視頻源按同等數目的GoP單元分片的策略，按照所屬層ID分別存儲于各層數據文件中。該策略在保存視頻流塊連續(xù)性的同時提高了數據讀取效率，降低了P2P數據傳輸過程中的數據冗余。由于內容源GoP單元數據長度不同，分片后每片數據長度大小不等，在做種過程及文件信息的基礎上，需加入幀率、幀數、幀數/GoP、GoP/piece、分層數、各層文件名和長度、每個piece長度等必要信息。

2.2 內容分發(fā)節(jié)點選擇策略

視頻文件的分發(fā)是一個從中心到邊緣的推送過程，包括中心服務器向邊緣服務器、邊緣服務器向多用戶終端的快速P2P傳輸。傳統(tǒng)互聯(lián)網內容分發(fā)，由于具有網絡穩(wěn)定、帶寬較大、終端處理能力強的特點，可以隨機選取peer獲取全部內容源到網絡邊緣或用戶終端。針對復雜網絡環(huán)境，H.264/SVC具有靈活的碼流選擇特性，可根據網絡環(huán)境對視頻碼流進行部分下載。因此，在選擇peer時，要考慮peer的處理能力、網絡環(huán)境和 peer所擁有的視頻流層數等因素。另外，節(jié)點選擇策略還引入了P4P技術方案，在內容分發(fā)過程中，引入域的概念，將視頻源分發(fā)到各域的邊緣服務器?？蛻舳嗽谙螺d視頻時定時上報平均下載速率、CPU使用率、視頻流層數及下載百分比等信息。tracker通過統(tǒng)計peer的域地址和其他上報信息，定時更新各域peer列表，向用戶提供帶寬大、處理能力強、視頻流層數滿足需求的peer地址，實現域內用戶的快速下載。該節(jié)點選擇策略針對能力較弱的終端，取消其數據上傳功能，降低了終端的運行負載。針對能力較強的終端，充分利用其網絡資源的上傳功能，從提高其他終端的下載效率，較好地實現了復雜網絡環(huán)境下不同終端的資源共享。

2.3 客戶端碼流選擇策略

在復雜網絡環(huán)境下，客戶端根據網絡環(huán)境和處理能力選擇適合的碼流，達到符合終端分辨率的視頻流暢播放效果。與傳統(tǒng)視頻點播VoD(Video on Demand)中視頻數據流全部下載不同，在終端選擇分片數據時，要考慮網絡帶寬環(huán)境和視頻編碼的分層數等因素。在保證視頻流暢的基礎上，盡可能下載高質量的視頻圖像數據，保證視頻播放的最優(yōu)效果?？蛻舳送ㄟ^設置一定時間的數據緩沖區(qū)，根據緩沖區(qū)中較低層數據的下載完成度，判斷當前網絡帶寬。在保證緩沖區(qū)內較低層數據完整的前提下，結合帶寬條件和鄰居peer的位圖信息，下載更高一級擴展層的分片數據。

3 移動流媒體內容分發(fā)系統(tǒng)實現

3.1 系統(tǒng)整體架構及模塊功能

基于H.264/SVC的P2PCDN系統(tǒng)整體架構如圖2所示。系統(tǒng)包括內容管理系統(tǒng)(CMS)模塊,為管理員提供任務發(fā)布、刪除、發(fā)布域等選擇接口，展示任務發(fā)布進度；數據庫(DB)模塊,存儲系統(tǒng)設備的域信息和下發(fā)任務的屬性信息；資源控制(RC)模塊,實現數據庫中任務的下發(fā)并上報任務的完成狀態(tài)；智能發(fā)布(IP)模塊,下載內容源到本地并進行SVC編碼、分片、做種；邊緣服務器(ESP)模塊,通過P2P技術獲取IP模塊已分片的視頻內容，提供用戶下載；Tracker模塊,收集并管理用戶下載信息，為其他用戶提供優(yōu)選的peer。

3.2 關鍵模塊實現

IP模塊完成H.264/SVC視頻流的編碼、分層、做種功能。其具體實現步驟如下：(1)解析發(fā)布任務的FTP地址，從FTP地址下載視頻源文件。(2)對源文件解碼，生成原始視頻序列。(3)通過設置幀率、編碼幀數、GoP大小、可擴展層數以及基本層碼率控制等參數，使用JSVM軟件對原始視頻進行H.264/SVC視頻編碼，按n×GoP間隔插入IDR幀數據。(4)對H.264/SVC視頻編碼數據分析，分離各層數據，按層ID存儲數據文件，并記錄最小視頻獨立解碼單元（n×GOP+IDR幀）對應各層的位置信息。(5)根據各層分片位置信息，計算各分片大小，并進行數據Hash。對各層數據文件，按層ID進行排序。按照做種策略，將文件信息寫入Torrent文件。(6)對Torrent文件中info數據進行哈希(Hash)，提取文件 infohash值。移動文件至infohash對應路徑,并上報任務完成狀態(tài)信息。

ESP模塊完成SVC編碼文件的P2P分發(fā)和用戶下載功能,具體實現步驟如下：(1)解析發(fā)布任務的infohash值和發(fā)布節(jié)點IP地址，建立TCP連接,請求Torrent文件。(2)解析Torrent文件，提取各層文件名，計算視頻文件分層數；提取文件分片總數，計算各層分片數；提取各層分片偏移量，計算各層分片長度；提取分片對應的Hash值建立位圖。(3)與鄰居節(jié)點交換位圖，根據位圖信息進行選片下載及Hash校驗。定時上報文件發(fā)布進度。(4)發(fā)布完成后，將視頻文件存儲至特定路徑，并上報任務完成狀態(tài)信息。該模塊的下載功能使用UDP協(xié)議，采用網絡環(huán)境驅動模式，客戶端根據各自網絡帶寬環(huán)境、peer位圖和播放進度向ESP或鄰居peer請求分片數據。模塊根據taskID映射infohash，定位文件，讀取對應分層文件的piece數據，實現用戶數據下載。

3.3 系統(tǒng)視頻效果

系統(tǒng)對視頻源進行發(fā)布過程中，通過IP模塊參數設置生成兩個空間層、兩個質量層，共4層視頻碼流數據,各層對應碼流由基礎層到擴展層依次為15.30 KB/s、16.72 KB/s、12.71 KB/s、36.72 KB/s。 在客戶端使用限速軟件，模擬網絡帶寬環(huán)境。當端口不做限速時，下載速率遠大于各層碼流總和,即81.45 KB/s。根據碼流選擇策略，獲取全部碼流數據進行播放，視頻效果如圖3所示。當端口限速在32.02 KB/s～44.73 KB/s之間時，基于視頻流暢播放和播放效果最優(yōu)策略，在當前網絡允許的前提下，舍棄較高擴展層的碼流，下載較低兩層的視頻數據進行播放，視頻效果如圖4所示。

本文在傳統(tǒng)P2PCDN技術的基礎上，融入H.264/SVC視頻編碼技術，結合移動互聯(lián)網的特點，實現了復雜網絡環(huán)境下的流媒體分發(fā)模型系統(tǒng)。系統(tǒng)采用非等大小分片傳輸和網絡環(huán)境驅動選片策略，降低了P2P傳輸過程中的數據冗余，滿足用戶在不同網絡環(huán)境下點播視頻播放質量的同時，實現了固網與移動網絡終端間的視頻資源共享。

[1]Joint Draft ITU-T Rec.H.264-ISO/IEC 14496-10/Amd.3.Scalable Video Coding[S].Standard,2007.

[2]黃曉濤.P2P流媒體內容分發(fā)服務質量保障的編碼與傳輸技術研究[D].武漢:華中科技大學,2010.

[3]Wang Yekui,HANNUKSELA M M,PATEUX S,et al.System and tranport interface of SVC[C].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,IEEE Circuits and Systems Society,Santa Clara Valley:2007,17(9):1149-1163.

[4]DANA C,LI D,HARRISON D,et al.BASS:BitTorrent assisted streaming system for video-on-demand[C].Proc of IEEE International Conference on Multimedia Signal Processing.Shanghai:IEEE MMSP Press,2005:1-4.

[5]VLAVIANOS A,ILIOFOTOU M,FALOUTSOS M.BiToS:enhancing BitTorrent for supporting streaming applications[C].Proc of International Conference on Computer Communications.Barcelona:IEEE Global Internet Symposium Press,2006:1-6.