P2P网络实时流媒体分发技术的研究探讨

摘　要： 面对有限的带宽和拥挤的拨号网络,要实时实现窄带网络的视频、音频传输,最好的解决方案就是采用流式媒体的传输方式。本文主要介绍了P2P实时流媒体分发系统实现过程。在分析了流媒体相关技术的基础上对影响P2P 流媒体系统性能的关键技术和实现P2P实时流媒体分发系统面临的挑战做了分析。

关键词：P2P；流媒体；内容分发；实时流媒体
　　1 引言
　　随着互联网在全世界的普及，以及网络带宽不断提高和个人计算机性能迅速提升，人们不再满足于传统的网页浏览、文件下载等因特网呆板的表现形式.流媒体以其特有的娱乐性和交互性正在成为推动未来宽带应用的主动力。由于流媒体对带宽的高占有特型，传统的基于单播的传输方式很容易导致服务器的性能瓶颈，同时会使得服务器成本居高不下，并且很容易导致局部网络发生拥塞。把P2P思想引入到流媒体服务中，充分发挥以往被忽略的众多个人计算机(节点)的作用，通过让它们缓存一部分信息，行使一部分服务器的功能，使服务分散化，从而减轻服务器的负载以及对局部网络带宽的高要求以及高消耗，具有潜在广阔的应用前景。因此,在有限的资源条件下，如何满足快速增长的用户需求，并在满足一定服务质量水平的同时降低流媒体服务成本，是P2P实时流媒体分发技术研究中一个具有挑战性的课题!
　　2 流媒体系统技术概述
　　流媒体(media streaming)是指采用流式传输的方式在Internet/Intranet播放的媒体格式，如音频、视频或多媒体文件。流媒体不同于传统的媒体，它在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入内存，在计算机中对数据包进行缓存并使媒体数据正确地输出。流媒体的数据流随时传送随时播放，只是在开始时有些延迟。流式传输主要指将整个音频和视频及三维媒体等多媒体文件经过特定的编码方式解析成一个个压缩包后进行顺序或实时传送。
　　
　　图1 流式传输
　　流媒体系统技术主要包括流媒体编解码技术、流媒体服务器技术和端到端流媒体技术。流媒体编解码技术建立在传统多媒体编解码技术的基础上并得到蓬勃发展。目前最具代表性的流媒体编解码技术为可扩展性编解码技术FGS和渐进的精细可扩展性编解码技术PFGS。流媒体服务器技术是对传统文件服务器进行扩展和改造，使之能够有效地支持流媒体应用。典型的流媒体服务器技术包括数据放置策略、磁盘调度算法、内存缓冲区管理算法等。端到端流媒体技术用以解决媒体流在两个端系统间传输的相关问题，包括媒体流拥塞控制策略、差错控制策略和速率整形策略等，端到端技术的研究目标是为了提高流媒体应用的Qos。流媒体系统技术不仅包括此三类技术，还要优化系统的综合性能，提高流媒体的系统效率。
　　3 基于P2P网络的实时流媒体技术
　　P2P实时流媒体技术是P2P与流媒体结合的研究方向，其核心思想就是把P2P技术应用于实时流媒体数据的分发，把网络层的组播转移到应用层实现，充分有效地利用各个节点的资源，节点为了共享内容而合作，数据通信量不会固定在某个特定的地方，不会造成某个特定地方成为性能瓶颈，这也是本文所要设计并实现的。传统的实时流媒体系统是基于Client/Server方式实现的，对服务器性能和网络带宽要求比较高，而且单一服务器的负载有限，对于大规模的流媒体数据分发往往采用CDN的方式实现，然而这样的投入对于服务提供商难以承受，并且负载依然是有限的，虽然IP组播技术能够有效的节省网络带宽，但IP组播技术因许多固有的限制而难以大规模部署。因此许多对于P2P 流媒体技术的研究正在进行，而且发展空间依然很大，是对流媒体内容分发模式一种有益的探索。
　　
　　图2  P2P流媒体应用的层次结构
　　4 基于P2P网络的实时流媒体数据分发研究面临的挑战
　　由于P2P 技术固有的动态性和流媒体系统具有质量的特性，基于P2P网络的实时流媒体数据分发研究将面临以下几个方面的挑战:P2P网络的动态性和多样性;流媒体的QoS;流媒体分发系统性能。
　　4.1 P2P网络的动态性和多样性
　　动态网络是P2P系统存在的基石，P2P网络的动态性和多样性反映在:1)一个节点在任何时间都可能加入或退出P2P网络;2)一个节点的可用资源如带宽可能发生变化;3)两个节点之间的链路状态也可能发生变化;4)节点之间可能处于不同的网络环境，如在防火墙或NAT之后;5)节点之间的性能并不相同甚至相差很大;6)节点的系统环境不同，如为Windows 或Linux。因
　　此，如何更好的适应网络的动态性和多样性是设计系统时必须考虑的问题。
　　4.2流媒体的QoS
　　从用户的角度来看，流媒体QoS由以下因素构成:)1媒体质量，媒体质量是衡量流媒体服务的重要指标，对于视频或音频数据，可用峰值信噪比等进行衡量:2)启动延迟，指用户发出请求到接受服务的延迟。3)抖动，抖动是流媒体服务中特有的QoS问题。流媒体的时间相关性很强，帧间的时间限制必须严格遵循，否则用户将明显感觉到视频的不连贯。影响流媒体QoS的因素有很多，典型的有带宽、Internet分组丢失率、网络异构性以及网络传输延迟等。
　　4.3系统性能
　　流媒体系统不仅要考虑端到端的QoS，还要考虑系统的整体性能。系统效率是最重要的系统性能指标。常可用同时支持的最大用户数来衡量系统效率。因此如何提高系统的性能也是设计系统时必须考虑的问题。
　　4.4网络和终端系统的异构性
　　虽然组播能够有效地提高系统效率，很多网络应用能够从组播服务中受益，然而Internet是一个异构网络，在异构环境中，组播仍然存在一些问题和挑战。异构性表现在很多方面，包括网络和终端。Internet的底层硬件平台千差万别，可以是以太网、ATM,FDDI、令牌环网、帧中继、串行链路(PSTN,xDSL)、无线网络、卫星网络、移动网络等，这些底层网络具有不同的带宽、硬件存取控制方式和时延特性，在多链路情况下，各链路的带宽与代价也可能不同。
　　5 总结
　　P2P实时流媒体分发技术具有潜在广阔的应用前景。本文是对基于P2P 网络分发实时流媒体资源的研究探索.文章首先分析了流媒体技术的原理以及特点。其次介绍了基于P2P网络的实时流媒体技术，最后探讨了基于P2P网络的实时流媒体数据分发研究面临的挑战。　　
　　参考文献
　　[1]钟玉琢，向哲，沈洪.流媒体和视频服务器.清华大学出版社.203年6月第1版
　　[2]刘亚杰.P2P 流媒体内容分发关键技术研究.长沙:国防科学技术大学 2005 .