應用于P2P網絡串流的實時監控系統

胡偉俊

(麗水學院工學院，浙江 麗水323000)

近幾年，隨著個人計算機的運算能力與網絡技術的迅速發展，網絡電視、網絡游戲與實時轉播等網絡應用程序得到了越來越多的應用，隨著編碼技術的成熟，目前多基于網絡串流視頻技術來實現。隨著網絡應用程序用戶的增加，傳統客戶端—服務器架構已經無法滿足大量使用者同時實時收看影音串流的需求。另外，傳統的架構必須花費大量代價來進行所需要的帶寬和服務設施建設(如編碼服務器、影音串流服務器及網絡服務器)。這種相對較高的帶寬和媒體服務器部署的巨大成本，對大量服務的用戶的流媒體直播服務供貨商是一個嚴峻的挑戰。

為了解決這個問題，點對點(Peer-to-Peer，P2P)傳輸架構的新技術開始被用于實時影音串流系統中，以克服上述提到的諸多問題［1］。這種點對點的實時影音串流利用用戶的網絡帶寬以及運算能力，來有效地分擔串流服務系統的負擔，以達到使網絡容納更多的用戶，同時降低網絡帶寬以及服務設備成本的目的［2］。在這樣的點對點網絡中，主要的思想與模式是:用戶在網絡中共享彼此的媒體文件，而不是僅僅從服務器上下載文件，即每一位使用者既是一個客戶端，也是一個服務器。這種模式通過共享加載的流媒體服務器，降低了所需的帶寬，為使用者提供服務［3］。目前，有許多網絡上的P2P流媒體如PPLive、PPStream、悠視網等。然而，基于點對點的實時影音串流技術的網絡存在動態的特性，用戶可以隨意加入或離開網絡，使得網絡中的用戶數目實時變化［4］。在該模式下，對于網絡進行實時監控來跟蹤點對點網絡中用戶的網絡狀況、收看質量以及系統狀態來評估系統的效能，是非常重要的一項研究內容，并且成為近年來的一個研究熱點［5-7］。本文分析了點對點串流實時監控系統的需求，指出跟蹤監控的3類主要方法，即網絡級別的監控，被動的應用程序級別的監控和主動應用程序級別的監控。提出了一種用于P2P網絡串流的主動應用程序級的實時監控系統的架構，分析了系統的各個主要組成部分與功能。

1 P2P直播系統監控

圖1給出了3G平臺移動視頻直播網絡模型。在該模型下，目前已有很多對于P2P網絡流媒體直播系統進行監控的研究。在這些監控方法中，主要有3種類型的跟蹤監控方法:網絡級別的監控，被動的應用程序級別的監控和主動應用程序級別的監控。

圖1 3G平臺移動視頻直播網絡模型

網絡級監控的原理是:執行監控任務的監控代碼到網絡設備，如路由器、交換機和網關收集IP層的數據報監控信息。它可以進一步分為路由器和基于非路由器監控工作。監控的功能是內置到路由器并沒有額外安裝硬件或軟件，SNMP(RFC1157)，RMON(RFC1757)和NetFlow(RFC3954)是在路由器監控的典型例子。

被動應用程序級別監控的原理是:通過收集應用程序級信息被動的方式，如嗅探，通過對比度實現網絡級的跟蹤，被動應用程序級的監控不需要網絡基礎設施的訪問。

主動應用程序級別的監控原理是:系統收集關于目標P2P應用程序的活動，跟蹤傳播的代理，如“爬蟲”，對數據流量和同行的伙伴關系作進一步的分析。本文討論的就是主動應用程序級別的監控。

2 主動應用程序級別的P2P實時監控系統

所提出的主動應用程序級別的實時監控系統的體系結構如圖2所示。主要組成部分有:日志服務器，日志緩沖區，日志分析器，監控代理和Web GUI接口。

圖2 主動應用程序級別實時監控系統

流媒體服務器接收數據流源，如媒體編碼器能夠從數字攝像機、數字電視卡或攝像頭獲取視頻/音頻信號，然后進行編碼，作為待處理的視頻流信號。一個流媒體服務器如果具有足夠大的帶寬，來自流媒體服務器的種子用戶上傳的流媒體，就會共享分流到其他對等端。在實時監控系統中，Web GUI接口下提供以下信息的輸出:

1)系統信息，即流媒體服務器使用的CPU/內存;

2)內容質量信息，即最終用戶接收信息的質量;

3)通信信息，即流媒體服務器和最終用戶上傳/下載速度和數量。

數據庫是一個可以訪問的資源集合或存儲庫，是一個組織好的電子存儲的數據檢索信息。來自該系統的數據庫中的數據還包括一些日志文件。這些日志數據存儲到數據倉庫ETL進行3步操作:1)在提取階段，數據被分析、解析和進行格式轉化;2)轉換階段是用一系列的規則對源數據轉換，如數據清洗和數據聚合;3)加載階段的最終目標是將數據加載到最終目標。

使用該系統能夠進行實時監控，可以跟蹤點對點網絡中用戶的網絡狀況等內容，主要包括設備信息與服務器信息。設備信息的主要內容包括:網絡設備的基本信息，包含設備名稱、該設備服務的終端設備數目、當前開放服務的數目、設備的IP地址、當前網絡輸入輸出速率、設備當前服務的用戶數目等;輸入/輸出流量速度，即實時監控系統提供不同的時間間隔的輸入/輸出流量速度;輸入/輸出流量，即輸入/輸出流量是在上一個時間間隔內設備的流量變化，其余還包括系統信息、設備信息、終端用戶信息、P2P基本信息、P2P終端用戶信息和客戶—服務器基本信息與終端用戶信息等。在服務器信息部分，主要信息包括服務器基本信息、流量速度、流量、終端用戶信息、P2P基本信息、P2P終端用戶信息、客戶—服務器基本信息與終端用戶信息等內容。

為了評價所構建系統的性能，特別設計了一個最終用戶流量日志數據包發生器，建立從50到15 000個連接，并發送流量日志數據到實時監控服務器，來為監控服務器產生工作量。此外，選擇在2臺機器上進行實驗，以得到更加全面的觀察結果。這2臺機器的硬件信息如表1所示。

表1 機器配置

首先，發送2 000流量日志(1 000記錄一次)到監控服務器，在第5 s，最初的1 000日志包存放于日志緩存中，其他的1 000日志包在第5 s被接收到。在實驗開始時間后約7 s，啟動日志分析器，日志數量減少。服務器1需要1.45 s，服務器2需要2.1 s來處理日志。日志存儲時間服務器1和服務器2采用的是1.25 s和1.95 s。統計在不同節點屬下的數據聚集時間，得到的結果如表2所示。

表2 數據聚集的時間對比

3 結論

隨著網絡應用程序用戶的增加，P2P傳輸架構的新技術開始被用于實時影音串流系統。然而，這樣的網絡存在動態的特性，每位用戶既是一個客戶端，也是一個服務器，用戶可以隨意加入以及離開點對點的網絡，對于該網絡進行實時監控來跟蹤點對點網絡中用戶的網絡狀況、收看質量以及系統狀態來評估系統的效能，是非常重要的一項研究內容。本文分析了應用于P2P網絡串流的實時監控系統，指出跟蹤監控的3類主要方法，即網絡級別的監控、被動的應用程序級別的監控和主動應用程序級別的監控。最后，提出了主動應用程序級別的監控模式下監控系統的架構與組成，并進行了實驗，分析了其監控性能。

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