P2P校園視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與自動(dòng)化學(xué)院 潘 麗

視頻點(diǎn)播VOD(Video On Demand)技術(shù)即視頻點(diǎn)播技術(shù)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，流媒體技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，互動(dòng)式感官體驗(yàn)等多種技術(shù)，也稱為交互式電視點(diǎn)播系統(tǒng)。視頻點(diǎn)播是計(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，它擺脫了傳統(tǒng)電視受時(shí)空限制的束縛。而校園視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的搭建，可以極大的豐富校園師生的業(yè)余文化生活，同時(shí)可以進(jìn)行校園視頻資源的共享，針對(duì)疫情期間線上教學(xué)的特殊情況，可以提供一個(gè)很好的平臺(tái)。同時(shí)有效的節(jié)省了學(xué)校教學(xué)事務(wù)的宣傳人力，另外也加強(qiáng)了學(xué)生與學(xué)生之間以及學(xué)生與老師之間的相互交流。同時(shí)，一個(gè)好的校園視頻點(diǎn)播系統(tǒng)對(duì)提升學(xué)校的軟實(shí)力有重要作用。

本項(xiàng)目主要工作是基于BT的P2P校園點(diǎn)播系統(tǒng)的搭建。采用P2P的軟件架構(gòu)，搭建即時(shí)通訊服務(wù)器，采用C++編程語言，在Windows操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)校園視頻點(diǎn)播系統(tǒng)。以方便校內(nèi)員工與學(xué)生的視頻點(diǎn)播服務(wù)為主，方便教師可以及時(shí)上傳自己的講課視頻，同時(shí)可以下載其他教師發(fā)布的視頻，方便學(xué)生及時(shí)對(duì)上課所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行回顧，同時(shí)也方面學(xué)生展示自己拍的一些視頻作品。具有管理身份人員也可以收集優(yōu)秀的多媒體課件，教學(xué)錄像，實(shí)驗(yàn)錄像放到資源庫中，方便實(shí)現(xiàn)精品的共享與交流。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，視頻管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)視頻源文件的管理，包括源文件的編解碼與相應(yīng)視頻處理，以及視頻文件的存儲(chǔ)，用戶認(rèn)證模塊包括用戶的身份管理、用戶的視頻權(quán)限管理、用戶的添加與刪除，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要存放視頻文件的信息、視頻的播放信息等內(nèi)容，媒體點(diǎn)播系統(tǒng)主要提供用戶的視頻列表以及啟動(dòng)相應(yīng)的種子文件下載。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 BT協(xié)議改進(jìn)

本系統(tǒng)是基于BitTorrent協(xié)議的，BT協(xié)議是典型的文件共享類P2P應(yīng)用，如果直接將原始的BitTorrent下載機(jī)制應(yīng)用到流媒體數(shù)據(jù)傳輸過程中，則它的數(shù)據(jù)塊選擇策略會(huì)導(dǎo)致播放器即將播放的數(shù)據(jù)塊不能及時(shí)得到，播放器會(huì)因此不能正常的播。顯然這種原始的BT下載機(jī)制不能滿足流媒體播放的要求，其關(guān)鍵原因是BT協(xié)議是專用于文件系統(tǒng)的，對(duì)實(shí)時(shí)性沒有要求，為了實(shí)現(xiàn)高效的文件傳輸，BT系統(tǒng)采用最少分片優(yōu)先下載的策略，以亂序方式下載；這樣的下載策略不能保證即將播放的媒體文件分片比其文件分片優(yōu)先得到，這樣的策略會(huì)影響用戶的觀看體驗(yàn)。要實(shí)現(xiàn)用戶的流暢播放，需要保證一定范圍內(nèi)（播放器即將播放的范圍）的媒體數(shù)據(jù)能及時(shí)地被下載。這樣下載緩沖區(qū)內(nèi)的一部分?jǐn)?shù)據(jù)（播放器即將播放的數(shù)據(jù)）能夠保證是連續(xù)的，可以實(shí)現(xiàn)流播放的連續(xù)性?？梢钥闯鰧?duì)BitTorrent改進(jìn)的最核心問題就是如何實(shí)現(xiàn)多媒體文件分片按特定順序請(qǐng)求和下載。

本文中用滑動(dòng)窗口來實(shí)現(xiàn)BT協(xié)議從文件系統(tǒng)到流媒體系統(tǒng)的過渡，把文件分片劃在兩個(gè)窗口，緊急窗口和普通窗口，分別針對(duì)要緊急播放的數(shù)據(jù)和不太緊急的數(shù)據(jù)?；瑒?dòng)窗口機(jī)制如圖2所示。播放器即將播放的數(shù)據(jù)落在緊急窗口，其它的則落在普通窗口。保留了BitTorrent中的最少優(yōu)先策略，以盡量保證系統(tǒng)的下載效率，只是最少優(yōu)先策略的作用范圍縮小到普通窗口，是一種按局部最少優(yōu)先策略。

圖2 滑動(dòng)窗口機(jī)制

2.2 P2P下載模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的P2P下載模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，我們把P2P多點(diǎn)下載模塊分為2個(gè)部分，一是與Tracker交互模塊，另一個(gè)是與其它peer的交互模塊。在與Tracker的交互模塊中，通過torrent文件中得到的Tracker信息，與Tracker建立連接，Tracker服務(wù)器返回下載同一視頻的其它鄰居節(jié)點(diǎn)列表。

圖3 下載界面

另一個(gè)模塊是與peer交互模塊，分為數(shù)據(jù)接收模塊和節(jié)點(diǎn)服務(wù)模塊。數(shù)據(jù)接收模塊主要是接收請(qǐng)求的數(shù)據(jù)塊、鄰居節(jié)點(diǎn)的管理和位圖文件更新。其中應(yīng)用分片請(qǐng)求策略是接下來我們所要改進(jìn)的重點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)服務(wù)模塊負(fù)責(zé)響應(yīng)其它節(jié)點(diǎn)分片請(qǐng)求和分片數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3 系統(tǒng)部署

將服務(wù)器分為Web服務(wù)器，Tracker服務(wù)器，媒體文件服務(wù)器。

Tracker維護(hù)一個(gè)節(jié)點(diǎn)列表，該列表保存域內(nèi)頻道節(jié)點(diǎn)記錄（頻道ID和節(jié)點(diǎn)IP），為新節(jié)點(diǎn)加入提供服務(wù)。用來記錄管理域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息，為新加入的節(jié)點(diǎn)提供鄰居節(jié)點(diǎn)信息。

本系統(tǒng)采用Apache作為Web服務(wù)器。Apache結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定，并可做代理服務(wù)器來使用。在系統(tǒng)的發(fā)布頁面展現(xiàn)給用戶詳細(xì)的視頻內(nèi)容介紹，讓用戶可以隨意點(diǎn)播。后臺(tái)的管理系統(tǒng)提供自動(dòng)的內(nèi)容更新方法，只需要在后臺(tái)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分類管理，所有的內(nèi)容添加、刪除、更都會(huì)直接在用戶端頁面上反映出來。因此，對(duì)于客戶端的Web頁面，不需要專門的維護(hù)。

系統(tǒng)的客戶端“P2P多點(diǎn)下載”部分采用了Shareaza軟件作為原型開發(fā)平臺(tái)，Shareaza是使用C++編寫的優(yōu)秀的BitTorrent庫，是專門為實(shí)現(xiàn)BitTorrent的客戶端而開發(fā)，它集合了eDonkey、Gnutella（1和2）、和BT四種流行的P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，并可以用于Http、FTP下載。在已有的Shareaza基礎(chǔ)上，修改基于BT部分的代碼，在數(shù)據(jù)塊選擇上進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)用戶點(diǎn)擊視頻時(shí)，P2P后臺(tái)啟動(dòng)下載，區(qū)別于之前的無序下載，可以看到我們的下載機(jī)制是從起點(diǎn)開始按序下載。只要用戶沒有對(duì)播放器進(jìn)行任何操作，下載機(jī)制都是順序下載的。從圖3中可以看出P2P后臺(tái)中顯示的當(dāng)前下載的文件名和文件大小，連接的peer列表；有下載進(jìn)度條和下載速度，直接反映給用戶當(dāng)前下載的進(jìn)度和速度；同時(shí)顯示的還有當(dāng)前下載的狀態(tài)包括Downloading、Searching等，通知用戶當(dāng)前下載的狀態(tài)；在狀態(tài)后面是當(dāng)前連接的peer節(jié)點(diǎn)的信息，最后是下載完成的百分比。

結(jié)論：本系統(tǒng)分析了BT的總體結(jié)構(gòu)，通信協(xié)議和核心算法。并對(duì)流媒體技術(shù)做出了介紹，主要解決了將BT協(xié)議應(yīng)用到VOD系統(tǒng)中的兩個(gè)主要問題：一是BT的最少優(yōu)先片選策略導(dǎo)致的“亂序”下載改成VOD流媒體播放的“順序”下載；二是根據(jù)VOD系統(tǒng)中用戶VCR操作導(dǎo)致的隨機(jī)片段要求對(duì)BT協(xié)議的改進(jìn)。根據(jù)改進(jìn)后的BT協(xié)議設(shè)計(jì)了一套視頻點(diǎn)播系統(tǒng)，集視頻的發(fā)布、管理、觀看于一體，在此基礎(chǔ)上搭建了一個(gè)簡易的系統(tǒng)平臺(tái)，并進(jìn)行了測試。經(jīng)測試，本系統(tǒng)能完成預(yù)定視頻點(diǎn)播功能，且性能穩(wěn)定，擴(kuò)展性好，可以滿足校園的視頻點(diǎn)播需求。