基于ｐ２ｐ平臺的流媒體技術

摘要：網絡改變著我們得生活，越來越多的人都通過網絡來觀看電視節目，讓人們有了更多的頻道選擇。在此基礎上，各種基于P2P 流媒體播放軟件層出不窮，本文將著重介紹P2P 流媒體技術，包括流媒體傳輸協議以及如何實時傳送。最后簡要介紹流媒體播放的實現架構。

關鍵詞：P2P；流媒體；流式傳輸

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)15-2pppp-0c

Abstract:Network has been changing our life.More and more people watch TV programes through network，so that people could have more choices，now.Basic on p2p stream media player software are emerge in an endless.This passage will introduce p2p stream media technology，include p2p's protocol and how to transport in real time..At last this passage will introduce in the architecture of streammedia， briefly.

Key word:P2P;Stream media;Stream transmission

1 流媒體技術

目前，在網絡上傳輸音、視頻等多媒體信息有兩種解決方案：Http (或Ftp) 以及流式傳輸(流媒體傳輸)。Http傳輸使用標準的Http協議。一般多媒體信息文件都很大，下載一個多媒體文件時間，可能比整個視頻的時間更長。這樣造成的情況很可能是：網絡帶寬不斷提高，人們下載的等待時間越來越少，但最終還是不能觀看網上現場直播。

流式傳輸時，聲音、影像或動畫等多媒體信息，由流媒體服務器向用戶計算機提供連續、實時傳送。它首先在客戶端的電腦上創建一個緩沖區，在播放前預先下載一段作為緩沖，用戶不必等到整個文件全部下載完畢，而只需經過幾秒或數十秒的啟動延時即可進行觀看。當多媒體信息在客戶端播放時，文件的剩余部分將在后臺從服務器上繼續下載。如果網絡連接速度小于播放的多媒體信息需要的速度時，播放程序就會取用先前建立的一小段緩沖區內的資料，避免播放的中斷，使得播放品質得以維持。

流式傳輸除了能夠發送已經制作完成的文件外，還可以通過采集服務器實時采集現場音、視頻，送到流媒體服務器端，實時提供給用戶。因此流媒體除了能夠更好的承擔如下載一樣的多媒體點播服務外，更能夠應用在現場直播、電視轉播、突發事件報道等多種對實時性傳輸要求較高的領域。

2 P2P技術

互聯網的本質就是要實現信息交流與資源共享，因此，它應該是自由、互動和無中心的，就是說互聯網最初的設計是無中心化。然而，當前各大網站確立了在互聯網中的中心位置，用戶端只是被動地由一個地方鏈接到另一個地方去瀏覽信息，互聯網的發展偏離了最初設想的軌道。隨著計算機等數字終端不斷普及和用戶需求的不斷增強，通過更直接的共享方式來提高溝通效率、減少資源浪費并保障信息服務安全將為信息社會帶來新一輪的發展高潮。P2P技術的出現就打破了這種網站占據中心控制信息流動的局面。

P2P意為“點對點”、“端對端”，強調人與人之間的直接交流與溝通，是一種用于不同PC用戶之間直接交換數據或服務的技術，它打破了傳統的網站在互聯網中占據中心位置的C/S (客戶/服務器)模式，即在P2P網絡中每個節點的地位都相同，具有客戶端和服務器雙重特性，可以同時作為服務使用者和提供者，重返互聯網最初的無中心化，體現了互聯網的本質。

主要的P2P模式變化經歷了集中式、分布式和混合式3個階段。

第1代集中式P2P模式中有一個中心服務器來負責記錄共享信息以及回答對這些信息的查詢，主要缺點是：中央服務器的癱瘓容易導致整個網絡的崩潰；可靠性和安全性較低；缺乏有效的強制共享機制，資源可用性差。

第2代P2P是分布式對等網絡。其中，對等機通過與相鄰對等機之間的連接遍歷整個網絡體系，每個對等機在功能上都是相似的，沒有專門的服務器。對等機必須依靠它們所在的分布網絡來查找文件和定位其他對等機。這種無中心、純分布式系統的特點是：不再是簡單的點到點通信。而是更高效、更復雜的網絡通信，在一定程度上避免了第1代P2P服務器管理帶來的隨意性和低效率。主要缺點是：占用很多帶寬，花費時間長，容易導致網絡擁塞，網絡的可擴展性不好，安全性不高，易遭受惡意攻擊。

第3代混合P2P 模式結合了集中式P2P 模式和分布式P2P模式的優點。在設計思想和處理能力上都得到優化。克服了集中式模式容易遭到直接攻擊和分布式P2P缺乏快速搜索和可擴展性的缺點。在分布式模式基礎上，將用戶節點按能力進行分類，使某些節點擔任特殊的任務。其速度要比純P2P模式快得多。

3 基于p2p平臺的流媒體技術

P2P 流媒體播放系統原理是：多個媒體服務器按同一規則：將本機上的、對應播放系統中同一個節目的媒體文件分塊成很多個數據包播發；媒體播放器多點下載這些數據包重組成實時節目流。 通俗地說，多個服務器同時為一個客戶服務：平攤到每個服務器上的負擔減輕了，客戶得到的服務質量也提高了。

3.1 流媒體的傳輸協議

大家在觀看網上視頻時， 一般都會注意到這些文件的連接都不是用Http (或Ftp )開頭，而是一些rtsp 或者mm s開頭的東西。為什么呢？實際上，這些和http、ftp一樣， 都是數據在網絡上傳輸的協議，只是它們是專門用來傳輸流式媒體的協議而已。下面，讓我們來看一下現在使用的主要的流媒體協議：

實時流協議RTSP（real-time streaming protocol）該協議定義了一對多應用程序如何有效地通過ip網絡傳送多媒體數據。(下圖是播放軟件“影音風波”中對播放流媒體的設置)

MMS (Microsoft Media Server protocol) ， 這是微軟的流媒體服務器協議，MMS 是連接Windows Media單播服務的默認方法。

實時傳輸協議RTP（real-time transport protocol）是用于internet上針對多媒體數據流的一種傳輸協議。rtp被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實現流同步。rtp通常使用udp來傳送數據，但也可以在tcp協議之上工作。

實時傳輸控制協議RTCP（real-time transport control protocol）和rtp一起提供流量控制和擁塞控制服務。在rtp會話期間，各參與者周期性地傳送rtcp包。rtcp包中含有已發送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料，因此，服務器可以利用這些信息動態地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。rtp和rtcp配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網上的實時數據。

3.2 P2P 流媒體實時傳送的原理

比如說我們在收看一個p2p 流媒體軟件上正在播放的電視節目，這個節目信號是由服務器發出的， 服務器的信號來自于電視卡，電視卡的信號來自電視臺， 那么這里就有個問題了，如何進行數據的實時接受與實時發送呢？怎么我們就可以在網絡上看到基本同步了的電視信號呢？

首先，剛剛開始我們說過，客戶端把數據不斷接受的數據放到到緩沖區，當緩沖區滿了，下一塊數據又進來了，使得緩沖區內第一塊數據被頂出了緩沖區。最后開始被視頻程序解碼，開始播放。就這樣我們在客戶端上看到了和現場基本同步了的視頻了。

當有熱門節目時，觀看的用戶必然很多，那么，P2P 流媒體是如何實現觀看人數眾多而不卡、觀看人數越多速度越快的呢？

在傳統C/S 模式的流媒體服務系統中， 服務器S 若要同時為A、B、C 三個客戶提供相同的媒體流，則服務器S 要發送3份相同的數據，最極端的情況就是A、B、C 處于同一個子網內，3份數據的路由路徑相同，這造成服務器和網絡帶寬的極大浪費。P2P網絡可以不通過服務器而在兩節點間直接傳遞數據的特點就促使我們設想，如果讓A緩存收到的數據，然后提供給B 和C 使用，則服務器S 只需向A發送一份數據就可以使A、B、C 都能得到服務。顯然， C/S 模式只使用服務器的資源為客戶提供服務，因此服務質量和容量受到服務器性能和服務器端網絡帶寬的限制。而引入P2P后，不僅可以使用服務器的資源，而且可以充分利用客戶計算機的資源，客戶在享受流媒體節目的同時，也在利用自身計算機的資源為其他客戶提供服務。整個系統的計算和網絡資源隨客戶數的增多而增多。

理論上，基于P2P的流媒體服務系統的客戶數可以達到無限大，而且在建立系統時不用增加服務器和網絡設施。通過上面的分析可知，基于P2P 的流媒體服務系統并不改變現有的流媒體服務架構， 只是在現有系統的基礎上，改變傳統模式下的服務方式和數據傳輸路徑，使請求同一媒體流的客戶端組成一個P2P網絡，使服務器只須向這個P2P 網絡中的少數節點發送數據，而這些節點可以把得到的數據共享給其余的節點。

3.3 P2P 流媒體網絡模型

流媒體服務系統中的P2P在其組織上有別于一般的P2P下載。我們把它組織成樹型結構，稱為多播樹，服務器是樹的根，樹的第一層節點直接從服務器獲取數據，樹的第二層節點從第一層節點那里獲取數據，依次類推。多播樹可以在節點的不斷加入過程中建立起來。由于多播樹中一般的節點的服務能力有限，其所帶的子節點不能太多，一般為幾個，另外因流媒體對時延的要求較高，所以節點與服務器之間的路徑不能太長，否則流的時延太大，即樹的高度受限。因此，服務器需要維護一些信息， 如當前樹中哪些是非飽和(指有剩余帶寬資源，可以接納新節點) 節點，這些節點的IP 地址等信息。下面描述節點加入時建立多播樹的算法。如圖當新節點P 加入時，步驟如下：

(1)P向服務器S提出請求，如圖步驟①。

(2)服務器S接受請求后，根據自己保存的信息，選擇與P 物理拓撲接近的非飽和節點的集合I發送給P，如圖步驟②。

(3)P從中選擇一個與自己連接狀況好的節點，如圖步驟③，P選擇P3。

(4)P向P3直接請求連接，P3同意后開始向P發送數據。P 加入多播樹。如圖步驟④。

(5)P3向服務器S 要求更新信息，P3連接數加1，如圖步驟⑤。

(6)P向服務器S 要求更新信息，P可以向其它節點提供服務了，如圖步驟⑥。

由于P2P 網絡中的節點的行為具有Ad2hoc 性質，一個節點可以隨時退出某節目的觀看而導致不能再為其它節點提供服務。如何保證一個節點的退出不影響其它節點用戶的收呢? 一種方法是采用重定向機制。假設退出的節點向其父節點注銷，并向所有節點轉發重定向(Redirect) 消息， 重定向的目的為父節點或服務器S。若節點失效(掉電等原因)， 則子節點需重新向服務器發起加入請求。這種方式的最大問題是一旦父節點失效，其子節點將成為孤兒節點，需向服務器重新發起加入請求過程，從而可能導致服務服務中斷的時間太長。

另一種方法是可以采用冗余數據鏈路，就是某節點加入多播樹后，通過在樹中傳播查詢消息，找到一個備用的父節點，一旦當前的父節點退出或失效，可以迅速通過備用父節點傳輸數據。但這種方法要求多播樹中每個節點要經常性的在樹中傳播查詢消息，以維持一個有效的父節點。

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收稿日期：2008-02-18

作者簡介：韓迪，湖北武漢人，中山大學碩士，現在任廣州大學華軟軟件學院軟件工程系教師，廣州大學華軟軟件學院高等教育研究所研究員，研究方向：計算機網絡，高校教育管理等。