面向運營(yíng)商的P2P流媒體系統架構

1、現有流媒體系統架構

流媒體服務(wù)是在IP網(wǎng)上基于流式傳輸技術(shù)，向用戶(hù)提供實(shí)時(shí)音視頻媒體播放的業(yè)務(wù)。由于無(wú)需等待文件下載完成就可實(shí)現在線(xiàn)觀(guān)看，因此流媒體應用自推出以來(lái)就受到用戶(hù)的普遍歡迎，近年來(lái)更是隨著(zhù)寬帶網(wǎng)絡(luò )的普及而呈爆炸式增長(cháng)。

目前，IP網(wǎng)上的流媒體服務(wù)主要基于C/S（客戶(hù)端/服務(wù)器）架構實(shí)現。在用戶(hù)少、業(yè)務(wù)量不大的情況下，基于C/S架構實(shí)現的流媒體服務(wù)系統還是比較簡(jiǎn)單、方便和行之有效的。但隨著(zhù)流媒體用戶(hù)的快速增長(cháng)，這種實(shí)現模式也日益顯現出以下缺點(diǎn)：

●由于流媒體服務(wù)信息傳遞量大，持續時(shí)間長(cháng)，提供流媒體服務(wù)的服務(wù)器數量必須隨著(zhù)用戶(hù)數的增加而增加，這對運營(yíng)商而言是一筆巨大的投資；
●集中的流媒體服務(wù)器群給中心機房、網(wǎng)絡(luò )出口和骨干網(wǎng)絡(luò )均帶來(lái)極大的壓力，可能產(chǎn)生性能瓶頸，導致服務(wù)質(zhì)量下降；
●采用內容推送技術(shù)雖然可以把內容推送到網(wǎng)絡(luò )邊緣，減輕了中心機房和網(wǎng)絡(luò )的壓力，但C/S結構的本質(zhì)決定了其無(wú)法減少對流媒體服務(wù)器的需求，投資只會(huì )進(jìn)一步增加；
●雖然硬件投資巨大，但系統服務(wù)能力始終有限，仍難以滿(mǎn)足一些特殊情況下（如球賽、運動(dòng)會(huì )等）用戶(hù)密集突發(fā)的流媒體業(yè)務(wù)需求。

2、P2P技術(shù)的引入

基于C/S架構提供的流媒體業(yè)務(wù)由于成本居高不下，在很大程度上影響了業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展和繁榮，因此，部分服務(wù)提供商開(kāi)始考慮在流媒體服務(wù)中引入P2P技術(shù)來(lái)實(shí)現低成本的業(yè)務(wù)提供。

P2P的核心思想是通過(guò)參與系統節點(diǎn)（peer）之間的直接交互來(lái)實(shí)現系統資源和信息的共享。P2P系統強調節點(diǎn)之間的對等性，信息資源分散存儲在各個(gè)參與節點(diǎn)，每個(gè)參與節點(diǎn)兼有服務(wù)器和客戶(hù)端兩種身份，都可以請求服務(wù)和提供服務(wù)，內容傳輸直接在節點(diǎn)間進(jìn)行，避免了C/S架構中容易出現的網(wǎng)絡(luò )和服務(wù)器瓶頸問(wèn)題。因此，相比C/S架構而言，P2P系統能夠充分利用網(wǎng)絡(luò )終端的空閑資源，大大降低了系統的建設和運營(yíng)成本，同時(shí)，節點(diǎn)越多服務(wù)資源也越多，系統因此具有良好的可擴展性和高度的自適應性，能夠滿(mǎn)足各種突發(fā)環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。

1999年Napster的出現使人們認識到P2P和互聯(lián)網(wǎng)結合所蘊含的巨大潛力，eDonkey、BitTorrent、Skype等P2P應用的廣泛流行，使人們更加看好P2P流媒體的發(fā)展。一些廠(chǎng)商開(kāi)始研發(fā)并推出P2P流媒體點(diǎn)播和直播系統，其中包括了2004年世界杯期間一炮而紅的CoolStreaming系統以及目前廣受用戶(hù)歡迎的PPLive、PPStream等。這些系統雖然實(shí)現了低成本的業(yè)務(wù)提供，但也普遍存在以下問(wèn)題：

●缺乏版權保護機制，難以引入大量的合法內容，導致嚴重的盜版問(wèn)題；
●沒(méi)有考慮運營(yíng)需求，不支持個(gè)性化計費，難以形成可盈利的運營(yíng)模式；
●不能實(shí)現區域調度，大量P2P流量穿越骨干，給網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)巨大壓力；
●提供的業(yè)務(wù)仍以直播為主，P2P點(diǎn)播技術(shù)仍處在發(fā)展中，尚不成熟。

3、面向運營(yíng)商的P2P流媒體系統設計

針對現有系統所存在的問(wèn)題，本文提出了一種面向電信運營(yíng)商的可運營(yíng)、可管理、可擴展的P2P流媒體系統架構。該系統架構按邏輯功能劃分為以下3個(gè)層次。

●業(yè)務(wù)控制層，包括內容發(fā)布服務(wù)器和資源管理服務(wù)器以及其他相關(guān)后臺支撐系統，主要實(shí)現用戶(hù)和內容的管理調度。其中內容發(fā)布服務(wù)器，負責在運營(yíng)商的統一控制或授權（針對ICP）下實(shí)現內容和信息的發(fā)布；資源管理服務(wù)器，動(dòng)態(tài)維護內容節點(diǎn)（包括原始內容服務(wù)器、邊緣內容服務(wù)器、客戶(hù)端等）資源列表，并根據所定義的策略，實(shí)現內容分發(fā)控制和用戶(hù)服務(wù)調度；后臺支撐系統服務(wù)器，用于實(shí)現用戶(hù)管理和版權管理等相關(guān)功能。

●內容服務(wù)層，包括原始內容服務(wù)器、內容緩存服務(wù)器和客戶(hù)端，負責內容的存儲和服務(wù)提供，最終實(shí)現流媒體服務(wù)提供。其中原始內容服務(wù)器，保存有完整的原始內容文件，用于提供初始的內容分發(fā)和用戶(hù)服務(wù)，并在其他內容節點(diǎn)失效或無(wú)法提供所需內容服務(wù)時(shí)，向用戶(hù)提供最終的服務(wù)；內容緩存服務(wù)器，通常設置在網(wǎng)絡(luò )邊緣，運營(yíng)商可設置一定的策略，把相關(guān)的組播節目或熱點(diǎn)內容從原始內容服務(wù)器主動(dòng)推送到邊緣緩存，向用戶(hù)提供就近的快速服務(wù)；客戶(hù)端，既是P2P流媒體服務(wù)的使用者，同時(shí)也是服務(wù)提供者。能夠在對內容進(jìn)行本地存儲的基礎上，與其他客戶(hù)端建立點(diǎn)對點(diǎn)連接，為對方提供內容服務(wù)。

●網(wǎng)絡(luò )傳輸層，主要是指寬帶IP網(wǎng)絡(luò )，負責實(shí)現各種控制信息和內容服務(wù)信息的傳送。

其中，除內容發(fā)布服務(wù)器和原始內容服務(wù)器可由運營(yíng)商授權的ICP提供并進(jìn)行管理外，其他服務(wù)器均由運營(yíng)商進(jìn)行管理和運營(yíng)。因此，整個(gè)系統從內容發(fā)布、分發(fā)到提供的過(guò)程均在運營(yíng)商控制下進(jìn)行，用戶(hù)無(wú)法自行共享和傳播其他內容信息，從根本上解決了現有P2P應用中存在的盜版泛濫問(wèn)題。

為實(shí)現流媒體接收和播放，P2P流媒體客戶(hù)端需設置兩個(gè)內存緩存區，一個(gè)用于從對等連接中接收數據包并進(jìn)行排序的接收緩存區；另一個(gè)用于在播放前將接收緩存區中已排序好的數據包復制過(guò)來(lái)并進(jìn)行解包合成的播放緩存區。同時(shí)，P2P流媒體客戶(hù)端應在機器中設置物理緩存，用于在資源管理器調度下實(shí)現內容的本地存儲以及向其他客戶(hù)端提供P2P流媒體服務(wù)。為避免用戶(hù)有意或無(wú)意破壞存儲內容的完整性，該物理緩存需進(jìn)行加密。內容文件的存放和傳送均基于分片的方式，每個(gè)文件片斷均有惟一ID進(jìn)行標識，且采用DRM（數字版權管理）技術(shù)防止用戶(hù)盜版。

4、P2P點(diǎn)播業(yè)務(wù)實(shí)現流程

基于上述架構實(shí)現的流媒體系統可向用戶(hù)提供P2P廣播和點(diǎn)播業(yè)務(wù)，其中，用戶(hù)點(diǎn)播流媒體節目的流程設計如圖1所示。