基于H.264/SVC的P2P內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

胡慶寶,周 旭,白 帆,黃 威,唐朝偉,宗 偉

(1.重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶400044；2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 高性能網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

近年來，隨著移動(dòng)帶寬、3G網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展和移動(dòng)終端功能的不斷提高，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)給用戶帶來了更多、更好的多媒體應(yīng)用體驗(yàn)。現(xiàn)有移動(dòng)終端流媒體業(yè)務(wù)通常對(duì)同一視頻按不同碼流標(biāo)準(zhǔn)多次編碼，產(chǎn)生多種固定碼率視頻流，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的終端應(yīng)用。該方法存在視頻源編碼后占用空間大、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)終端間視頻數(shù)據(jù)無法共享等缺陷?？缮炜s視頻編碼SVC(Scalable Video Coding)[1]作為近年來新興的一種視頻信源編碼技術(shù)，可通過一次編碼生成高碼率視頻流。SVC根據(jù)終端需求及網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，傳送部分碼流數(shù)據(jù)，在終端達(dá)到不同分辨率、質(zhì)量和幀率的解碼效果，能夠有效解決傳統(tǒng)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)輸出碼流的不靈活性，較好地解決了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中異構(gòu)終端間的視頻共享問題，極大地節(jié)省了視頻存儲(chǔ)空間，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

本文基于SVC碼流結(jié)構(gòu)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)特性，結(jié)合傳統(tǒng)流媒體分發(fā)技術(shù)，提出了一種可用于解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下異構(gòu)終端間資源共享的流媒體分發(fā)策略，實(shí)現(xiàn)了基于SVC視頻編碼格式的P2P內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視頻流在P2P網(wǎng)絡(luò)上的可靠分發(fā)，并能滿足用戶對(duì)視頻分辨率和質(zhì)量的不同需求。

1 H.264/SVC碼流分析

H.264算法在概念上可分為兩層：視頻編碼層VCL(Video Coding Layer),負(fù)責(zé)高效的視頻內(nèi)容表示；網(wǎng)絡(luò)抽象層NAL(Network Abstraction Layer),負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和傳送。NAL單元將視頻數(shù)據(jù)基于bit流傳輸轉(zhuǎn)到基于包的傳輸，實(shí)現(xiàn)了較高的網(wǎng)絡(luò)友好性。H.264/SVC作為H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的可分級(jí)擴(kuò)展，采用基于離散余弦變換的分層編碼方法，支持時(shí)域、空域和質(zhì)量域三個(gè)維度的可伸縮編碼[2]。通過對(duì)H.264/AVC NAL單元的擴(kuò)展，將各個(gè)層次的視頻訪問單元分別編碼成一個(gè)NAL單元，組成SVC編碼視頻序列，如圖1所示。

SVC碼流主要包括參數(shù)配置NAL單元和壓縮視頻數(shù)據(jù)NAL單元。壓縮視頻數(shù)據(jù)NAL單元通常包括基本層NAL單元和若干擴(kuò)展層NAL單元?；緦覰AL包含最小分辨率的空間層和最差質(zhì)量層的編碼數(shù)據(jù)，碼率最低，是接收端解碼的基本數(shù)據(jù)；擴(kuò)展層NAL單元包含不同空間和質(zhì)量的增強(qiáng)層。所有擴(kuò)展層在解碼時(shí)依賴于基本層NAL單元和其他低層次的擴(kuò)展NAL單元[3]。在編碼時(shí)，通過設(shè)置參數(shù)，將各層連續(xù)固定數(shù)目的圖像幀所對(duì)應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)NAL單元組成SVC編碼圖像組GoP(Group of Pictures)。解碼時(shí)，根據(jù)需求舍棄部分碼流，讀取基礎(chǔ)層IDR幀之間的各層GoP單元，根據(jù)依賴關(guān)系獨(dú)立解碼得到相對(duì)于原始碼流分辨率、幀率及質(zhì)量域等縮減的視頻圖像。

2 基于SVC視頻流的內(nèi)容分發(fā)策略

傳統(tǒng)流媒體 P2P分發(fā)技術(shù)(如 BASS[4]、BiToS[5]等模型系統(tǒng))對(duì)內(nèi)容源均采用等大小分片的策略。將文件長(zhǎng)度、分片數(shù)、分片長(zhǎng)度等較少的信息輸入torrent文件。P2P過程中，按照播放優(yōu)先和最少優(yōu)先相結(jié)合的下載策略，選擇peer下載數(shù)據(jù)分片，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的快速分發(fā)或用戶視頻P2P下載播放。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，存在無線鏈路不穩(wěn)定、帶寬較低等缺陷。在終端方面，也存在處理能力較差，播放屏幕較小等問題。加之H.264/SVC內(nèi)容源的碼流結(jié)構(gòu)特性，使得復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下SVC流媒體分發(fā)策略和傳統(tǒng)內(nèi)容分發(fā)存在較大差異。

2.1 SVC視頻文件分片做種策略

H.264/SVC視頻編碼將各層NAL作為基本訪問單元，并以GoP為單位進(jìn)行編碼，具有較強(qiáng)的塊連續(xù)性。結(jié)合SVC碼流編解碼和P2P分發(fā)特性，在內(nèi)容源分片過程中，采取將視頻源按同等數(shù)目的GoP單元分片的策略，按照所屬層ID分別存儲(chǔ)于各層數(shù)據(jù)文件中。該策略在保存視頻流塊連續(xù)性的同時(shí)提高了數(shù)據(jù)讀取效率，降低了P2P數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)冗余。由于內(nèi)容源GoP單元數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同，分片后每片數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大小不等，在做種過程及文件信息的基礎(chǔ)上，需加入幀率、幀數(shù)、幀數(shù)/GoP、GoP/piece、分層數(shù)、各層文件名和長(zhǎng)度、每個(gè)piece長(zhǎng)度等必要信息。

2.2 內(nèi)容分發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇策略

視頻文件的分發(fā)是一個(gè)從中心到邊緣的推送過程，包括中心服務(wù)器向邊緣服務(wù)器、邊緣服務(wù)器向多用戶終端的快速P2P傳輸。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容分發(fā)，由于具有網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、帶寬較大、終端處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以隨機(jī)選取peer獲取全部?jī)?nèi)容源到網(wǎng)絡(luò)邊緣或用戶終端。針對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，H.264/SVC具有靈活的碼流選擇特性，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)視頻碼流進(jìn)行部分下載。因此，在選擇peer時(shí)，要考慮peer的處理能力、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和 peer所擁有的視頻流層數(shù)等因素。另外，節(jié)點(diǎn)選擇策略還引入了P4P技術(shù)方案，在內(nèi)容分發(fā)過程中，引入域的概念，將視頻源分發(fā)到各域的邊緣服務(wù)器?？蛻舳嗽谙螺d視頻時(shí)定時(shí)上報(bào)平均下載速率、CPU使用率、視頻流層數(shù)及下載百分比等信息。tracker通過統(tǒng)計(jì)peer的域地址和其他上報(bào)信息，定時(shí)更新各域peer列表，向用戶提供帶寬大、處理能力強(qiáng)、視頻流層數(shù)滿足需求的peer地址，實(shí)現(xiàn)域內(nèi)用戶的快速下載。該節(jié)點(diǎn)選擇策略針對(duì)能力較弱的終端，取消其數(shù)據(jù)上傳功能，降低了終端的運(yùn)行負(fù)載。針對(duì)能力較強(qiáng)的終端，充分利用其網(wǎng)絡(luò)資源的上傳功能，從提高其他終端的下載效率，較好地實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同終端的資源共享。

2.3 客戶端碼流選擇策略

在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，客戶端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和處理能力選擇適合的碼流，達(dá)到符合終端分辨率的視頻流暢播放效果。與傳統(tǒng)視頻點(diǎn)播VoD(Video on Demand)中視頻數(shù)據(jù)流全部下載不同，在終端選擇分片數(shù)據(jù)時(shí)，要考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬環(huán)境和視頻編碼的分層數(shù)等因素。在保證視頻流暢的基礎(chǔ)上，盡可能下載高質(zhì)量的視頻圖像數(shù)據(jù)，保證視頻播放的最優(yōu)效果。客戶端通過設(shè)置一定時(shí)間的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，根據(jù)緩沖區(qū)中較低層數(shù)據(jù)的下載完成度，判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬。在保證緩沖區(qū)內(nèi)較低層數(shù)據(jù)完整的前提下，結(jié)合帶寬條件和鄰居peer的位圖信息，下載更高一級(jí)擴(kuò)展層的分片數(shù)據(jù)。

3 移動(dòng)流媒體內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)及模塊功能

基于H.264/SVC的P2PCDN系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)包括內(nèi)容管理系統(tǒng)(CMS)模塊,為管理員提供任務(wù)發(fā)布、刪除、發(fā)布域等選擇接口，展示任務(wù)發(fā)布進(jìn)度；數(shù)據(jù)庫(DB)模塊,存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)備的域信息和下發(fā)任務(wù)的屬性信息；資源控制(RC)模塊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中任務(wù)的下發(fā)并上報(bào)任務(wù)的完成狀態(tài)；智能發(fā)布(IP)模塊,下載內(nèi)容源到本地并進(jìn)行SVC編碼、分片、做種；邊緣服務(wù)器(ESP)模塊,通過P2P技術(shù)獲取IP模塊已分片的視頻內(nèi)容，提供用戶下載；Tracker模塊,收集并管理用戶下載信息，為其他用戶提供優(yōu)選的peer。

3.2 關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)

IP模塊完成H.264/SVC視頻流的編碼、分層、做種功能。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：(1)解析發(fā)布任務(wù)的FTP地址，從FTP地址下載視頻源文件。(2)對(duì)源文件解碼，生成原始視頻序列。(3)通過設(shè)置幀率、編碼幀數(shù)、GoP大小、可擴(kuò)展層數(shù)以及基本層碼率控制等參數(shù)，使用JSVM軟件對(duì)原始視頻進(jìn)行H.264/SVC視頻編碼，按n×GoP間隔插入IDR幀數(shù)據(jù)。(4)對(duì)H.264/SVC視頻編碼數(shù)據(jù)分析，分離各層數(shù)據(jù)，按層ID存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件，并記錄最小視頻獨(dú)立解碼單元（n×GOP+IDR幀）對(duì)應(yīng)各層的位置信息。(5)根據(jù)各層分片位置信息，計(jì)算各分片大小，并進(jìn)行數(shù)據(jù)Hash。對(duì)各層數(shù)據(jù)文件，按層ID進(jìn)行排序。按照做種策略，將文件信息寫入Torrent文件。(6)對(duì)Torrent文件中info數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希(Hash)，提取文件 infohash值。移動(dòng)文件至infohash對(duì)應(yīng)路徑,并上報(bào)任務(wù)完成狀態(tài)信息。

ESP模塊完成SVC編碼文件的P2P分發(fā)和用戶下載功能,具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：(1)解析發(fā)布任務(wù)的infohash值和發(fā)布節(jié)點(diǎn)IP地址，建立TCP連接,請(qǐng)求Torrent文件。(2)解析Torrent文件，提取各層文件名，計(jì)算視頻文件分層數(shù)；提取文件分片總數(shù)，計(jì)算各層分片數(shù)；提取各層分片偏移量，計(jì)算各層分片長(zhǎng)度；提取分片對(duì)應(yīng)的Hash值建立位圖。(3)與鄰居節(jié)點(diǎn)交換位圖，根據(jù)位圖信息進(jìn)行選片下載及Hash校驗(yàn)。定時(shí)上報(bào)文件發(fā)布進(jìn)度。(4)發(fā)布完成后，將視頻文件存儲(chǔ)至特定路徑，并上報(bào)任務(wù)完成狀態(tài)信息。該模塊的下載功能使用UDP協(xié)議，采用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境驅(qū)動(dòng)模式，客戶端根據(jù)各自網(wǎng)絡(luò)帶寬環(huán)境、peer位圖和播放進(jìn)度向ESP或鄰居peer請(qǐng)求分片數(shù)據(jù)。模塊根據(jù)taskID映射infohash，定位文件，讀取對(duì)應(yīng)分層文件的piece數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)下載。

3.3 系統(tǒng)視頻效果

系統(tǒng)對(duì)視頻源進(jìn)行發(fā)布過程中，通過IP模塊參數(shù)設(shè)置生成兩個(gè)空間層、兩個(gè)質(zhì)量層，共4層視頻碼流數(shù)據(jù),各層對(duì)應(yīng)碼流由基礎(chǔ)層到擴(kuò)展層依次為15.30 KB/s、16.72 KB/s、12.71 KB/s、36.72 KB/s。 在客戶端使用限速軟件，模擬網(wǎng)絡(luò)帶寬環(huán)境。當(dāng)端口不做限速時(shí)，下載速率遠(yuǎn)大于各層碼流總和,即81.45 KB/s。根據(jù)碼流選擇策略，獲取全部碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行播放，視頻效果如圖3所示。當(dāng)端口限速在32.02 KB/s～44.73 KB/s之間時(shí)，基于視頻流暢播放和播放效果最優(yōu)策略，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)允許的前提下，舍棄較高擴(kuò)展層的碼流，下載較低兩層的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行播放，視頻效果如圖4所示。

本文在傳統(tǒng)P2PCDN技術(shù)的基礎(chǔ)上，融入H.264/SVC視頻編碼技術(shù)，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的流媒體分發(fā)模型系統(tǒng)。系統(tǒng)采用非等大小分片傳輸和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境驅(qū)動(dòng)選片策略，降低了P2P傳輸過程中的數(shù)據(jù)冗余，滿足用戶在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下點(diǎn)播視頻播放質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了固網(wǎng)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端間的視頻資源共享。

[1]Joint Draft ITU-T Rec.H.264-ISO/IEC 14496-10/Amd.3.Scalable Video Coding[S].Standard,2007.

[2]黃曉濤.P2P流媒體內(nèi)容分發(fā)服務(wù)質(zhì)量保障的編碼與傳輸技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2010.

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