基于Ｐ２Ｐ流媒體系統模型的研究進展

摘 要：介紹P2P流媒體技術的發展由來，著重討論目前P2P流媒體系統的2種典型模型：基于樹狀拓撲協議及擴展的模型和基于Gossip協議的模型，以及他們的最新研究進展。分析這兩種模型實現新節點加入、節點離開以及節點之間數據交換的方法，總結他們在網絡帶寬效率、延時和可靠性之間的權衡，指出了各自的優缺點。

關鍵詞：應用層組播；P2P；流媒體；Gossip協議

中圖分類號：TN393 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-159-03

Research Progress Based on P2P Stream Medium System Model

YGAN Weiwen，WANG Jianxin

(School of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha，410083，China)

Abstract：This paper introduces the development of P2P stream medium technology，discusses two kinds of typical P2P stream medium model in current: the model of tree-based protocol and extensions and the model of Gossip- based protocol，and their new research progress，analyses the methods of both models how to add new nodes，nodes leaving，and data exchange between nodes，aggregates the different models how to balance in the efficiency of the network bandwidth，delay，and reliability，describes their advantages and disadvantages of both models.

Keywords：application layer multicast;P2P;streaming medium;Gossip- based protocol

隨著Internet的迅速發展，能滿足“邊下載邊播放”的流媒體技術應運而生并且得到快速發展。然而人們對媒體的質量和延時要求不斷提高，傳統的基于單播的傳輸方式很難滿足人們的要求，主要原因在于傳統的單播容易導致服務器端的性能瓶頸和網絡資源的浪費，且不能有效地支持流媒體的大規模數據分發。

近年興起的CDN[1]（Content Delivery Network）服務通過在Internet上廣泛部署服務節點，把服務內容“推”向網絡的“邊緣”，并把客戶請求路由到距客戶最近的服務節點，從而減輕了服務器的壓力和對骨干網絡的帶寬消耗，然而卻增加了系統總成本，并且帶來了如緩存一致性和負載平衡等管理難題。因此，研究人員又提出了IP組播技術：在網絡層提供把數據包發送到共享相同IP地址的一個主機組的服務，但是IP組播技術由于協議本身的復雜性、網絡異構性、以及缺少支持組播的可靠的擁塞控制機制等自身固有的限制而難以部署。

1 P2P流媒體技術的提出

為了提高Internet上流媒體應用的QoS，研究人員提出了基于P2P網絡的媒體分發技術：把P2P技術應用到流媒體，把組播的功能從網絡層移到應用層[2]。在單播的流媒體系統中用戶之間是沒有任何聯系的，但采用P2P技術后，每個流媒體用戶就是P2P中的一個節點，用戶可以根據他們的網絡狀態和設備能力與一個或幾個用戶建立連接來分享數據，這種連接能減少服務器的負擔和提高每個用戶的視頻質量。

目前P2P流媒體模型主要可以分為2大類：基于樹狀拓撲協議及擴展的模型(Tree-based protocol and extensions)和基于Gossip協議的模型(Gossip- based protocol )。他們都采用層疊( overlay)結構，所謂層疊結構，就是架構在物理網絡基礎上的邏輯結構，該邏輯結構表現為終端節點及其邏輯關聯的邊的集合，他能表現出物理網絡不具備的、適應應用需求的屬性。

2 基于樹狀拓撲協議及擴展的模型

在基于樹狀拓撲協議模型中，子節點從父節點獲取數據，樹的根節點就是源節點S（提供媒體數據源），模型的層疊結構如圖1所示。

2.1 新節點的加入

當一個新節點N試圖加入網絡時，首先要向根節點S請求服務，如果服務器有足夠的帶寬，則根節點向新節點N提供服務，否則根節點把N的請求轉發給其某個直接的子節點。子節點根據自己的資源情況判斷是否給N提供服務，以此類推，直到N找到一個父節點。在這種模型中，每個節點僅維護自己的父節點和直接的子節點的信息。

2.2 節點的正常離開

當節點D離開的時候，如果D是葉子節點，則D只需要向其父節點發一個退出的請求，通知D的父節點釋放所有為D提供服務的資源，組播樹的其他節點維持不變；如果節點不是葉子節點，則節點D的離開會導致D的所有后續子節點失去服務，所以在節點D離開之前，必須為D的所有子節點重新分配父節點。重新分配父節點有2種模式，一種是D的所有后續節點都被重新加入。另一種是維持節點D后面的子樹不動，也就是說節點D只把他的每個直接子節點作為1個子樹重定向給新的服務節點T。這種模式由于不需要重新加入所有子節點，樹的修復會更快。

2.3 節點的異常離開

由于某種原因，節點可能在任意時刻在沒有發送任何消息的情況下突然中斷離開，系統為了檢測到這種狀況。每個節點需要周期性的向他們的父節點和子節點發送消息，說明自己工作正常。某個節點在幾個周期內都沒有收到子節點正常的消息，則認為子節點己經非正常離開，該節點將回收服務該子節點的資源。同樣子節點在幾個周期內都沒有收到父節點正常的消息，則認為父節點己經非正常離開，該節點以及所有后續節點都需要重新加入網絡。

2.4 常見的樹狀模型及其存在的不足

在基于樹狀拓撲協議及擴展的模型中，首先要解決的問題是組播樹的構建，PeerCast[3]是最簡單的基于樹狀拓撲協議模型。在組播樹中，如果節點離根節點越遠，則數據的時延就越大，因此，樹的深度應該盡可能小。但是每個節點的有限輸出帶寬限制了節點的寬度。理想的組播樹是在深度和寬度之間能夠有效地平衡。Zig-Zag[4]模型能夠有效地構造組播樹，他定義了一整套完整的樹的構建規則，保證樹的深度維持在O(log N)，N為系統中的節點數。盡管Zig-Zag模型能構造一棵平衡的組播樹，但系統中也只有部分節點參與數據分發。例如在一棵平衡的樹中，如果每個節點的子節點數為f，樹的深度為h，那么葉子節點數量為fh，而參與數據分發的節點數量為fh－1f－1，系統中的葉子數量隨f的增加而增大。

基于樹狀拓撲協議模型存在以下缺點：

（1）在基于樹的模型中，每個節點都只有一個父節點，子節點的服務質量依賴于父節點，一旦父節點離開系統，則他的子節點就需要被重新插入到組播樹中。系統對樹的恢復速度將嚴重影響對受影響的子節點的服務質量。

（2） 組播樹中的葉子節點只作為純客戶端，沒有參與到媒體的分發，而通常葉子節點在樹中所占的比例非常大，因此，基于樹的系統沒有充分利用所有節點的能力。

2.5 基于樹狀拓撲協議模型的研究進展

為了克服上述缺點，SplitStream[5]模型被提了出來，SplitStream模型的主要思想就是把媒體數據分成k個獨立的碼流，可以通過多重描述編碼（MDC）實現，然后為每個碼流構造一個組播樹，形成一個“森林”，每個節點可以根據帶寬情況選擇接收其中的幾個碼流。樹的構造的主要困難是要求每個節點只在某棵樹中為中間節點，而在其他的樹中都為葉子節點。如圖2所示，數據被分成2個單獨的流，每個流形成一棵組播樹，組播樹1的中間節點2，3，4，在組播樹2中則為葉子節點。

3 基于Gossip協議模型

基于gossip的分發協議是最近出現的非常新穎的一類協議，他們具有非常好的擴展性和可靠性。在這些協議里，節點隨機的給系統中的部分節點發送消息，每個接收到消息的節點繼續向其他節點發送消息，重復這個過程，直到消息被發送給系統中的所有節點。在基于樹狀拓撲協議及擴展的模型中，都顯式的定義了節點與節點之間的關系，子節點從父節點獲取數據，而在基于Gossip協議的系統模型中，節點之間不需要構造復雜的拓撲關系，也沒有確定的父節點。在這種模型中，每個節點通過Gossip協議維護系統中其他部分節點的視圖，通過一定的調度算法在節點之間交換數據，每1個節點即是數據的接收者又是數據的提供者。在這種系統中，通常需要比較大的緩存，系統的啟動延遲相對比較大。但是，因為每個節點的數據來源并不依賴于某個特定的父節點，所以系統有更強的健壯性。DONet (Data-driven Overlay Network)[6]是一個典型的基于Gossip協議的模型。

3.1 節點的管理

DONet中每個節點有1個在整個系統種系統惟一的標識，比如IP地址，并且維護一個系統中其他節點的標識的緩存mCache。當新節點加入時，首先請求源節點，源節點從他的mCache中隨機的選擇一個節點作為新節點的代理。新節點從代理節點獲得初始伙伴節點的列表。在一個動態的系統中，為了創建和維護mCache，每個節點周期性地發送宣告自己存在的消息，消息的接收節點首先判斷是否為新消息，如果是添加該節點信息，如果不是更新該節點的更新時間，如果某節點的更新時間小于零，該節點將被刪除。

3.2 數據的表示與交換

在DONet中，節點的伙伴及伙伴之間數據的傳輸方向并不固定，伙伴之間根據各自的緩存的數據情況進行數據交換，所以節點和伙伴需要相互知道所緩存的數據的內容。在DONet中，視頻數據被分割成相同大小的塊，用1個緩存映射BM (buffer map)來表示節點中是否擁有某個數據塊。節點和伙伴通過不斷交換BM來了解相互間的緩存情況。在DONet實現中，每個數據塊代表1 s的數據，用1個滑動窗口(Sliding window)代表BM，大小為120個片斷，BM中120個比特來記錄每個比特位代表1個數據片斷，比特的值為1表示有這個片斷，0表示沒有。由于不同節點的滑動窗口代表的并不是完全一樣的數據，DONet用2個字節表示滑動窗口中第一個片斷的序列號。

3.3 數據調度算法

調度的目的就是如何從伙伴節點獲取數據塊。在一個靜態的、同構的環境中，由于各節點的帶寬基本相同，可以隨機地從各伙伴節點獲取數據塊；然而在一個動態的、異構的網絡中，需要更智能的調度算法。調度的約束有兩個：

（1） 每個片斷數據需要在播放的Deadline之前獲取，錯過Deadline的片斷要盡可能的少；

（2） 如果某個片斷的提供者越少，就越難滿足Deadline的要求，因此在DONet中，采用最少塊優先的算法。

3.4 基于Gossip協議模型的研究進展

Gossip算法是一種可靠的分布式信息擴散機制，他使得網格內各個結點之間可以交換彼此了解的信息，并及時進行更新。但是傳統的Gossip算法存在一些問題：發送消息的數目較多，使得消息擴散的負載較大；網格規模很大時，消息發送的失敗率會明顯增加。

以傳統Gossip協議為基礎，提出了一種域間和域內兩層消息擴散機制：第一層是在同一個域內進行消息擴散，第二層是在域間進行消息擴散。改進后的分層Gossip機制，消息擴散的負荷減小，擴散范圍增大，而且由于將大規模結點在邏輯上劃分為了多個小區域，降低了消息擴散的失敗率，從而可以及時有效地更新在各分布式信息服務器中存儲的異地資源信息，提高資源查詢的效率和性能。

4 結 語

在基于組播樹的應用層組播系統中，如 PeerCast、Zig-Zag，其雖然取得網絡帶寬的有效性，然而不管樹如何構建的，系統中也只有部分節點參與數據分發，組播樹中低層節點的離開都不可避免地會影響到后續的子節點，其犧牲了可靠性。SplitStream部署了 MDC，部分的解決了可靠性的問題，但卻引入冗余的編碼，事實上是用網絡效率換取可靠性。

基于 gossip協議的 DONet，通過 gossip 協議獲取系統中其他節點建立通訊，并互相交換數據。因為不依賴于某個節點，DONet 在保證系統的可靠性的同時取得了網絡效率，但卻犧牲了延時。DONet中的主要問題是系統的啟動延時和網絡異構帶寬的適應性。可以發現，不同的模型都是試圖在網絡帶寬效率、延時和可靠性之間做出某種權衡。

參 考 文 獻

［1］Mohamed M Hefeeda，Bharat K Bhargava.On-demand Media Streaming Over the Internet.The Ninth IEEE Workshop on Future Trends of Distributed Computing Systems (FTDCS′03)，Puerto Rico，2003.

［2］馬凌霄.基于P2P網絡的流媒體技術研究[D].杭州：浙江大學，2005.

［3］Deshpande H，Bawa M，Garcia-Molina H.Streaming Live Media over a Peer-to-Peer Network[R].Technical Report，Stanford University，2001.

［4］Duc A T，Kien A H.An Efficient Peer-to-peer Scheme for Media Streaming.In Proc.of IEEE INFOCOM′03， San Francisco，2003.

［5］Castro M，Druschel P，Kemarrec A-M，et al.High-bandwidth Content Distribution in Cooperative Environments[M].Berkeley，2003.

［6］Zhang X，Liu J，Li B，et al.A Data-driven Overlay Network for Live Media Streaming[R].Technical Report，2004.

［7］洪臻，李七金，凌晨.基于DHT的對等網絡路由定位模型研究[J].現代電子技術，2007，30(2):118-120.[ZK)]

作者簡介 陽衛文 男，1974年出生，湖南衡陽人，碩士生。主要從事流媒體技術方向的研究。

王建新 男，1969年出生，湖南邵東人，教授。研方向為計算機網絡優化算法、虛擬實驗環境。

科學計算及信息處理李 季等：基于加權模糊解耦策略的注塑機料筒溫度控制

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。