基于P2P的VOD系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TP343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：秦皇島市科技局課題“基于P2P的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用研究” （課題編號(hào)：201101A021）

摘要：隨著視頻點(diǎn)播技術(shù)成為Internet上一種非常流行的服務(wù)，本文在研究大量相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，著重介紹了當(dāng)前主流的P2P、CDN以及網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，并指出了這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及不足，同時(shí)，針對(duì)未來(lái)視頻點(diǎn)播的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：VOD； P2P； CDN ；網(wǎng)絡(luò)編碼

引言

視頻點(diǎn)播技術(shù)（Video On Demand，簡(jiǎn)稱為VOD），是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是一種可以按用戶需要點(diǎn)播節(jié)目的交互式視頻系統(tǒng)。VOD允許用戶進(jìn)行交互式操作，即用戶可以在任意時(shí)刻選擇任意視頻，并進(jìn)行拖放操作，觀看感興趣的視頻內(nèi)容，已成為Internet上一種非常流行的服務(wù)。中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）統(tǒng)計(jì)顯示，截至2012年12月，中國(guó)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到5.64億，網(wǎng)絡(luò)視頻用戶超過(guò)3.7億。

在傳統(tǒng)的流媒體系統(tǒng)中，主要采用客戶端-服務(wù)器模式，服務(wù)器以單播的方式和每個(gè)客戶建立連接，隨著點(diǎn)播用戶數(shù)量的增加，服務(wù)器的處理資源和帶寬資源很快就會(huì)被耗盡，成為關(guān)鍵的系統(tǒng)瓶頸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，隨之出現(xiàn)了CDN技術(shù)和P2P技術(shù)。

一.P2P技術(shù)

P2P是peer-to-peer的縮寫(xiě)，意為“對(duì)等節(jié)點(diǎn)到對(duì)等節(jié)點(diǎn)”。P2P模式網(wǎng)絡(luò)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)有相同的功能，無(wú)主從之分，任一臺(tái)計(jì)算機(jī)都是既可作為服務(wù)器，設(shè)定共享資源供網(wǎng)絡(luò)中其他計(jì)算機(jī)所使用，又可以作為工作站，從其他計(jì)算機(jī)中分享資源，P2P模式網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

P2P技術(shù)的出現(xiàn)，完全打破了客戶端/服務(wù)器模式下服務(wù)器端對(duì)資源的壟斷，大大加速了信息資源在網(wǎng)絡(luò)中的傳播速度；同時(shí)，它克服了客戶端/服務(wù)器模式的顯著缺點(diǎn)，如架設(shè)服務(wù)器成本高、維護(hù)困難、易遭受攻擊以及當(dāng)客戶端的請(qǐng)求數(shù)量超過(guò)服務(wù)器負(fù)載能力時(shí)，服務(wù)端容易出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象等問(wèn)題。P2P技術(shù)通過(guò)整合終端計(jì)算機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)資源，使網(wǎng)絡(luò)模式從集中式向分散式發(fā)展，達(dá)到投入少、見(jiàn)效快、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)的目的。

圖1 P2P模式網(wǎng)絡(luò)

P2P最初被廣泛應(yīng)用在了下載領(lǐng)域，它充分利用閑置的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)帶寬和計(jì)算能力，從而使得下載速率空前提高。隨著P2P技術(shù)的蓬勃發(fā)展，它逐步被應(yīng)用到了流媒體技術(shù)領(lǐng)域，P2P技術(shù)與VoD技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用成為了必然。在眾多P2P軟件中，最有影響力的是BitTorrent。

1.1 BitTorrent技術(shù)。BitTorrent是第二代P2P應(yīng)用軟件，它的主要特點(diǎn)是將文件分割成相同大小的文件段，使得節(jié)點(diǎn)在下載文件段的同時(shí)可以向其他節(jié)點(diǎn)上傳己有的文件段，充分利用了系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的上傳帶寬。

該系統(tǒng)中，有一個(gè)唯一的中央管理機(jī)構(gòu)，稱為目錄服務(wù)器（tracker），它記錄了目前在線節(jié)點(diǎn)的信息，如節(jié)點(diǎn)的IP地址，擁有的文件段等。對(duì)等節(jié)點(diǎn)分為兩種，一種為種子節(jié)點(diǎn)（seed），擁有完整文件且在線的節(jié)點(diǎn)，它不再需要從其他節(jié)點(diǎn)下載數(shù)據(jù)，而只是上傳數(shù)據(jù)給其他節(jié)點(diǎn)；一種為下載者（leecher），只擁有部分文件且在線的節(jié)點(diǎn)，下載者在下載數(shù)據(jù)的同時(shí)也上傳數(shù)據(jù)給其他下載者。一旦下載者擁有了完整文件，那么他就成為了種子節(jié)點(diǎn)。

1.2網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)編碼（Network Coding，簡(jiǎn)稱NC）理論21世紀(jì)初在信息論領(lǐng)域中的一個(gè)重要突破，其劃時(shí)代意義在于：推翻了獨(dú)立的比特不能再被壓縮的經(jīng)典結(jié)論，指出網(wǎng)絡(luò)信息流可以被壓縮，從而可進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，因此該理論也被稱為網(wǎng)絡(luò)信息流理論。網(wǎng)絡(luò)編碼主要分為以下幾種類型：如果網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)對(duì)其輸入信息進(jìn)行線性操作，則稱之為線性網(wǎng)絡(luò)編碼，反之為非線性編碼；同樣，如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)信息進(jìn)行操作的系數(shù)是隨機(jī)選取的，則為隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，否則為確定網(wǎng)絡(luò)編碼。

網(wǎng)絡(luò)編碼也是基于一個(gè)很簡(jiǎn)單的思想，在組播通信網(wǎng)絡(luò)中，在網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)上對(duì)接收到的信息進(jìn)行一定形式的編碼處理，然后再傳輸出去，在接收端，目的節(jié)點(diǎn)再根據(jù)自己的要求譯出所需要的信息，可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，充分利用網(wǎng)絡(luò)中的鏈路資源，從而實(shí)現(xiàn)最大流最小割定理的可傳輸信息的上限，最后再在目的節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)譯碼譯出原始信息?？梢詮膱D2中來(lái)體會(huì)一下網(wǎng)絡(luò)編碼的基本思想。

圖2 網(wǎng)絡(luò)編碼原理圖

假定這是一個(gè)理想的組播網(wǎng)絡(luò)，每條鏈路都無(wú)時(shí)延和傳輸差錯(cuò)，而且每條鏈路的傳輸容量為單位比特每單位時(shí)間，但是數(shù)據(jù)能夠在單位時(shí)間內(nèi)傳送到不同鏈路中去，在上述圖中，設(shè)s是源節(jié)點(diǎn)，d1和d2是目的節(jié)點(diǎn)，可以看出在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中（左圖），在單位時(shí)間內(nèi)僅僅只有1.5個(gè)比特的數(shù)據(jù)能夠同時(shí)傳送到不同的目的節(jié)點(diǎn)。但是引入網(wǎng)絡(luò)編碼后，在單位時(shí)間內(nèi)能夠傳送更多的信息，如右圖所示，此網(wǎng)絡(luò)的組播容量為2，從圖中可以看出，在中繼節(jié)點(diǎn)w處，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼，使輸出邊WV傳輸兩個(gè)輸入邊上攜帶信息的線性組合a+b，那么在目的節(jié)點(diǎn)d1和d2，可分別由a+b和a，a+b和b恢復(fù)出所有信息a和b，這樣就很容易的實(shí)現(xiàn)了每單位時(shí)間可以傳輸2比特?cái)?shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)逐漸被應(yīng)用在P2P環(huán)境中，用來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量；同時(shí)，增強(qiáng)可靠性，例如在P2P網(wǎng)絡(luò)中傳輸錯(cuò)誤情況下避免重傳次數(shù)，以及種子節(jié)點(diǎn)離開(kāi)的狀態(tài)下造成稀缺塊無(wú)法獲取的情況。然而，由于網(wǎng)絡(luò)編碼和解碼需要增加額外的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量，會(huì)影響流媒體播放的連續(xù)性。

二.CDN技術(shù)

CDN（Content Delivery Network）即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，是在現(xiàn)有的Internet中增加一層新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將用戶需要的內(nèi)容發(fā)布到距離用戶最近的CDN服務(wù)器上，用戶所獲得的數(shù)據(jù)實(shí)際上是CDN服務(wù)器中的鏡像內(nèi)容。CDN的核心思想是將內(nèi)容從中心推到邊緣，即靠近用戶的地方，這樣不但提高了用戶訪問(wèn)內(nèi)容的性能，而且減輕了中心設(shè)備和骨干網(wǎng)絡(luò)的壓力。通過(guò)CDN，可以將內(nèi)容服務(wù)從原來(lái)的單一中心結(jié)構(gòu)變?yōu)榉植际浇Y(jié)構(gòu)。

CDN使得CDN服務(wù)提供商能夠代表他們客戶，即內(nèi)容供應(yīng)商，向最終用戶提供盡可能好的體驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用CDN技術(shù)，能夠處理整個(gè)網(wǎng)站頁(yè)面的70%-95%的內(nèi)容訪問(wèn)量，減輕服務(wù)器的壓力，提升網(wǎng)站的性能和可擴(kuò)展性。

但是，CDN系統(tǒng)從本質(zhì)來(lái)說(shuō)，是C/S架構(gòu)，仍然存在服務(wù)器過(guò)載和資源瓶頸問(wèn)題，邊緣服務(wù)器的處理能力、內(nèi)容存儲(chǔ)容量、負(fù)載調(diào)度能力等都會(huì)因用戶的增加而產(chǎn)生擴(kuò)容的需求。同時(shí)，當(dāng)要進(jìn)行大規(guī)模的內(nèi)容分發(fā)時(shí)，需要擴(kuò)建大量的CDN設(shè)備，投資巨大，開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本將顯著增加。

三.結(jié)束語(yǔ)

視頻點(diǎn)播技術(shù)在過(guò)去的發(fā)展中取得了可觀的成就，成為目前網(wǎng)絡(luò)上最主要的應(yīng)用之一。但是隨著下一代蜂窩網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)的來(lái)臨，移動(dòng)用戶的快速增長(zhǎng)，對(duì)傳輸媒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的需求進(jìn)一步提高，以處理對(duì)實(shí)時(shí)流媒體、用戶移動(dòng)性、高動(dòng)態(tài)性、無(wú)線信道誤差特殊性和大量用戶增加的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭湘凱 CDN網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用. 微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（2）

[2]王玨，周莉 BitTorren模型原理分析. 華東交通大學(xué)黨報(bào)，2009，26（1）：（82-86）

[3]張旋 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的BitTorrent內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)研究 電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8（12）：（2737-2739）

[4]黃佳慶，王帥，陳清文 網(wǎng)絡(luò)編碼在P2P網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 中興通訊技術(shù)，2009，15（1）：（37-42）