基于P2P流媒體的廣播電臺直播系統(tǒng)的設計及應用

馬克辛

【摘要】 近年來，隨著寬帶網(wǎng)的飛速發(fā)展，IPTV、移動3G、高清電視等新技術給廣播電視帶來機遇和挑戰(zhàn)，廣播電臺做為傳統(tǒng)媒體一直是以調(diào)頻發(fā)射手段來傳播節(jié)目，由于覆蓋范圍受限等技術缺陷，很多廣播電臺著力發(fā)展網(wǎng)絡視音頻廣播，以此拓展廣播的收聽范疇。流媒體在語音及視頻互動方面的優(yōu)勢越受到廣播人關注，其中基于P2P網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的流媒體技術成為當前一大熱點。流媒體能很好的改善網(wǎng)絡的帶寬利用效率，提高終端連接數(shù)，進一步整合和利用網(wǎng)絡資源。

P2P技術采用完全分布式結(jié)構(gòu)，該技術弱化了服務器的作用，網(wǎng)絡中的節(jié)點既可以獲取其他節(jié)點的資源或服務，同時又是資源或服務的提供者。本文針對提高用戶收聽收看質(zhì)量的需求與降低骨干網(wǎng)帶寬消耗的矛盾，介紹P2P技術的特點、網(wǎng)絡電臺的P2P模型，比較傳統(tǒng)網(wǎng)絡的不足，設計并應用基于P2P流媒體直播系統(tǒng)的實例。

【關鍵詞】 電臺傳統(tǒng)直播系統(tǒng) P2P 流媒體 客戶機/服務器模式（C/S模式）

廣播電臺做為傳統(tǒng)媒體一直是以調(diào)頻發(fā)射手段傳播節(jié)目，具有“迅速、廉價、方便、移動收聽”等傳播優(yōu)點，由于覆蓋范圍受限，欠缺互動性等不足，現(xiàn)在很多電臺著力發(fā)展網(wǎng)站和網(wǎng)絡廣播，以延伸廣播的收聽范疇，增加影響力。

目前，通過互聯(lián)網(wǎng)站搭建網(wǎng)絡直播和點播系統(tǒng)已是常態(tài) ，但是受限于客戶機/服務器（C/S模式）這種傳統(tǒng)網(wǎng)絡模式的限制 ，一臺服務器只能支持有限個在線用戶，網(wǎng)絡接入能力不足制約了網(wǎng)絡電臺的發(fā)展。如果在C/S模式下要解決大規(guī)模用戶，甚至上萬用戶同時在線收聽收看的問題，不僅需要大量服務器 ，還需要極大的帶寬保證?，F(xiàn)階段，客戶機/服務器模式無法支持較大規(guī)模的網(wǎng)絡電臺運行，基于此帶出P2P模式。

一.流媒體與P2P技術概述

流媒體技術簡單來說就是一種邊下載邊播放的實時流技術，與傳統(tǒng)的下載技術比較，它可以為用戶提供實時播放體驗。但由于它的數(shù)據(jù)仍然是從一個固定的服務器上下載。因此，它的流暢程度還是會受到服務器及帶寬的限制。隨著用戶數(shù)量的增加，在一個臨界點上，播放體驗會快速下滑，且影響到所有的在線用戶。通過增加冗余服務器可以在一定程度上緩解這個問題，但不是根本的解決辦法。

P2P是英文Peer-to-Peer（對等）的簡稱，又被稱為“點對點”、“對等”技術，是一種網(wǎng)絡新技術，依賴網(wǎng)絡中參與者的計算能力和帶寬，而不是純粹依賴于少量的幾臺服務器。P2P還是英文Point to Point（點對點）的簡稱。它是下載術語，意思是在你自己下載的同時，自己的電腦還要繼續(xù)做主機上傳，這種下載方式，人越多速度越快。比如A和B都想在C上下載一個文件，此時，A和B都會對C發(fā)出連接，C把文件的一部分發(fā)送給A，另一部分發(fā)送到B，當A和B都接受了不同的兩部分，此時A和B就會互相鏈接，互相交換自己需要的另一部分，這個過程中，A和B就是完全對等的，不存在服務器和用戶的概念，這就是一個P2P網(wǎng)絡，如果這個網(wǎng)絡擴展開，不單單局限于A和B，那么每人都可能是資源發(fā)布者也是資源下載者。

P2P讓原來彼此獨立的參與者聯(lián)系起來，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)實時交互，數(shù)據(jù)共享。并且是直接的，不經(jīng)過資源服務器。而不是像過去那樣連接到服務器去瀏覽與下載。因此，P2P流媒體與傳統(tǒng)的流媒體區(qū)別在于沒有集中的中央流媒體服務器，任一節(jié)點都可作為種子節(jié)點進行廣播，每個節(jié)點在作為客服端（Client）從別的節(jié)點接收媒體數(shù)據(jù)進行播放的同時，也是作為流媒體服務器（Server）向其它節(jié)點提供服務，其服務質(zhì)量隨著整個網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目的增加而提高。

P2P比較傳統(tǒng)的客戶機/服務器（C/S）模式只靠單一服務器提供數(shù)據(jù)下載，其核心概念就是：網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都是對等的。每個節(jié)點既是服務器，同時也是受眾終端。P2P與C/S模式的對比如下圖1所示：

二.P2P直播系統(tǒng)工作模式

P2P直播系統(tǒng)采用類似于Bittorrent（比特流）的工作方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。這是一種基于目錄的服務模型，在一個網(wǎng)絡系統(tǒng)中，少量的目錄就可以為數(shù)量眾多的對等節(jié)點服務。對等點向目錄服務注冊關于自身的信息（名稱，地址，資源和元數(shù)據(jù)），并通過目錄服務器中信息的查詢。目錄服務器負責接收用戶的加入請求、節(jié)點管理、讀取視頻流數(shù)據(jù)并分發(fā)這些數(shù)據(jù)。具體可以劃分成三個功能模塊：節(jié)點管理器、媒體生成器和分發(fā)器。節(jié)點管理器負責管理所有加入的節(jié)點信息，當有節(jié)點加入時，必須向節(jié)點管理器提出申請，只有通過驗證才能加入直播系統(tǒng)。

（1）節(jié)點N給主節(jié)點S（目錄服務器）發(fā)送請求。

（2）S收到節(jié)點N的請求之后，判斷自己的直接子節(jié)點數(shù)是否已經(jīng)達到上限。

（3）如果沒有達到上限，則將節(jié)點N作為自己的直接子節(jié)點。

（4）如果直接子節(jié)點已經(jīng)達到上限，則通過節(jié)點管理器來查詢哪個節(jié)點最少，然后將節(jié)點的地址端口號發(fā)送給它的相應直接子節(jié)點。

（5）該節(jié)點通過自己的伙伴管理器，判斷節(jié)點N是否可以作為自己的直接子節(jié)點。

（6）如果可以，則將節(jié)點N作為直接子節(jié)點并建立連接。

（7）如果不可以，則將節(jié)點N的請求向子節(jié)點數(shù)最少的分支轉(zhuǎn)發(fā)，依次類推，直到節(jié)點與某個子節(jié)點建立連接。

（8）節(jié)點N被某個節(jié)點接收后，向服務器S發(fā)送消息，服務器記錄下節(jié)點N 在網(wǎng)絡中的信息。

媒體生成器則類似于微軟的MEDIA ENCODER軟件，是一個實時的視頻源，包括視音頻采集卡和編碼軟件。它負責按照媒體數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中要求的數(shù)據(jù)量讀取ASF文件數(shù)據(jù)，組裝成流媒體數(shù)據(jù)包傳送給媒體數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。分發(fā)器負責從ASF流中獲取數(shù)據(jù)，并向其直接的子節(jié)點進行傳輸。

三.實例：構(gòu)建廣東電臺城市之聲頻道P2P網(wǎng)絡直播系統(tǒng)

下面以筆者所在單位廣東電臺城市之聲頻道為實例，介紹本臺P2P網(wǎng)絡直播系統(tǒng)的具體設計及應用，系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖3：

1.直播室構(gòu)建

A.利用DJ端電腦進行直播

節(jié)目主持人（DJ）的聲音通過話筒、調(diào)音臺等音頻設備混音后，輸出到PC機（安裝DJ端軟件），編碼調(diào)制成數(shù)據(jù)流，經(jīng)局域網(wǎng)登陸流媒體服務器發(fā)布平臺，光纖接入互聯(lián)網(wǎng)再通過電臺網(wǎng)站服務器集群發(fā)布出去。

B.多套節(jié)目同時轉(zhuǎn)播

采用用多臺電腦安裝多張聲卡，連接多個節(jié)目源。然后采用虛擬機技術，每個虛擬機增加一個聲卡，然后運行發(fā)布端軟件，實現(xiàn)多套廣播電臺同時在線播出效果。

2.網(wǎng)絡及傳輸部分

共分為三個部分：視頻采集編碼（Media encoder）、安裝有P2P節(jié)點管理的服務器（CSLive SERVICE 2.0）、客戶端（peer）。下面分別作出說明：

視頻采集編碼部分可以采用常用的編碼軟件。比如Media encoder 9，由它為P2P服務器提供一個視頻源。采集卡的選擇可選用常見的OPPREY采集卡。在設置時，需要注意將Media encoder 9設置為“自編碼器拉傳遞”，使P2P服務器可以以mms：//ip：port的方式獲取到視頻數(shù)據(jù)。具體設置步驟簡單易懂不再累述，可以自行嘗試。

P2P流媒體服務器發(fā)布平臺選用的是CSLive SERVICE 2.0定制版本，該軟件可以和Media encoder9完全兼容。功能上集媒體生成器、節(jié)點管理器（目錄服務）、分發(fā)器和播放器等所有P2P的組件于一體。具備了功能比較完善、界面簡潔易掌握、安全性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。部分設置如上圖4：

1.在工具菜單中打開其“服務器管理”功能。即啟用本機作為一個P2P網(wǎng)絡中的節(jié)點管理服務器。并在IP地址欄中輸入本機的IP地址。然后在服務器選項卡中將剛才啟用的“目錄服務器”添加進服務器數(shù)據(jù)庫中，這樣就在網(wǎng)絡上生成了一個P2P管理服務器。下面我們還需要為他添加一個直播的節(jié)目源。

2.在其頻道選項卡中單擊添加按鈕，為P2P服務器定義一個節(jié)目的來源。具體參數(shù)可以參考設置Media encoder9時得到的mms：//ip：port地址。這里需要注意的是服務器一欄必須填入在“目錄服務”中定義的IP地址，這樣發(fā)布的視頻才能被節(jié)點管理器和分發(fā)器所獲取并發(fā)布出去。節(jié)目版塊生成后即可添加音頻文件并生成播出節(jié)目單，具體參考圖5。

3.當自定義的頻道開始運行后，既可以單擊頻道的“發(fā)布代碼”選項卡獲取由系統(tǒng)自動生成的該節(jié)目的P2P公告地址了。具體格式可以參考http：//P2PserverIP/tv/？k=。通過這個地址客戶端就可以收看實時的視頻直播了。

對于客戶端CSLive service2.0提供了兩種播放方式。一種是使用客戶端軟件直接播放。另外一種是將發(fā)布代碼嵌入網(wǎng)頁瀏覽器的方式進行播放。對于網(wǎng)頁嵌入代碼方式，須在網(wǎng)頁中內(nèi)嵌以下代碼：

“URL”的值就是節(jié)目的公告地址了，CODEBASE中定義的是CSLive網(wǎng)頁播放插件的下載地址，第一次播放時會自動從這個地址下載插件，以后不需要了。

四.應用及效果

P2P流媒體服務器最大優(yōu)點就是盡最大可能節(jié)省直播帶寬，而又能最大程度保證用戶的收聽收看質(zhì)量。每個受眾從其它用戶那里通過P2P方式取得音頻視頻數(shù)據(jù)流，大大減少來自媒體服務器的負擔，最大可能節(jié)省直播端直播帶寬。經(jīng)實踐并應用后感覺系統(tǒng)比較穩(wěn)定，音頻開始緩沖時間基本控制在10秒內(nèi)，視頻播出清晰流暢，極少出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，而在線收聽受眾數(shù)量明顯增加了很多。

以下表格參考數(shù)據(jù)按256kb/s【以音頻最大傳輸值為參考】直播碼流計算：

五.P2P流媒體直播系統(tǒng)的安全管理

由于P2P技術具有自由性、分布性、匿名性等特點，使P2P網(wǎng)絡的各對等體可自由的接入網(wǎng)絡，那么P2P應用可能長時間地連續(xù)運行，導致網(wǎng)絡管理人員無法對網(wǎng)絡使用的高峰期和空閑期作出準確的預測和網(wǎng)絡性能評估，不能在網(wǎng)絡使用高峰期到來之前提前作好網(wǎng)絡管理和維護的準備工作，讓網(wǎng)絡管理變得復雜與困難。

目前解決主要方法有：

（1）通過端口識別、協(xié)議特征碼識別、深度包檢測技術識別和流傳輸特征識別技術等進行流量識別。

（2）利用流量計時、流量計費、限制最大連接數(shù)和TCP/UDP端口過濾等手段進行流量控制。

（3）通過對P2P應用的服務器的IP進行網(wǎng)址過濾，禁止某些不良IP地址，以達到對惡意P2P應用的限制，利用專家數(shù)據(jù)庫技術等手段垃圾信息的困擾，以便更容易識別病毒、木馬程序，減少惡意程序在網(wǎng)絡中的傳播。

六.小結(jié)

廣東電臺城市之聲網(wǎng)絡直播系統(tǒng)從構(gòu)建運行至今已經(jīng)超過1年了，期間多次參與重大節(jié)目的直播，效果明顯，確保安全播出，得到領導和同行的認可。同時我們還根據(jù)不同聽眾的需求開播了多套定制節(jié)目，受到聽眾的歡迎，擴大收聽層面。實踐驗證了采用P2P流媒體技術的直播系統(tǒng)可以大大地提高播出效率和線路容量，使在線數(shù)量從原來傳統(tǒng)模式的200人（碼率200Kb/s）左右直線上升到千人（碼率400Kb/s）以上，今后還有上升的潛力?？傊?，在競爭如此激烈的媒體業(yè)界，流媒體技術將成為廣播電視實現(xiàn)過渡到全媒體的重要手段之一。