基于P2P技術(shù)的時(shí)移電視系統方案

　　1、引言

　　隨著(zhù)視頻和寬帶接入技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟，通過(guò)IP寬帶網(wǎng)絡(luò )收看各種直播和點(diǎn)播節目已經(jīng)成為現實(shí)。時(shí)移電視業(yè)務(wù)結合了視頻直播、視頻點(diǎn)播及視頻錄制等技術(shù)特點(diǎn)，使用戶(hù)在看電視直播時(shí)可以進(jìn)行暫停、回跳延時(shí)觀(guān)看以及從延時(shí)觀(guān)看切換回直播狀態(tài)等操作，還可以讓用戶(hù)回看已播的電視節目。時(shí)移電視使用戶(hù)徹底從“你播我看”的傳統被動(dòng)收看電視這一模式中解放出來(lái)，目前已被CCSA IPTV標準列為基本業(yè)務(wù)之一。目前在寬帶網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現時(shí)移電視業(yè)務(wù)主要有兩種思路，即基于C/S模式的IPTV建設方案和基于P2P技術(shù)的P2P疊加網(wǎng)絡(luò )方案。

　　在IPTV中，時(shí)移電視是通過(guò)直播和點(diǎn)播相結合實(shí)現的，其難點(diǎn)類(lèi)似于視頻點(diǎn)播。在傳統的視頻點(diǎn)播模式下。每個(gè)用戶(hù)與視頻服務(wù)器之間需要建立一個(gè)連接，因此即使是有限個(gè)用戶(hù)也會(huì )很快耗盡服務(wù)器的資源。這樣，如何減小服務(wù)器的壓力就成為系統設計的關(guān)鍵。對此業(yè)界已經(jīng)提出了許多流調度算法，如金字塔算法(Pyramid)[1，2]、摩天大樓(Skyscraper)算法[3]、批處理(Batching)技術(shù)[4]、補丁(Patching)技術(shù)[5～7]及層次組播流合并(hierarchICal multicast stream merging，HMSM)[8]技術(shù)等，已提出的大多數算法的基本出發(fā)點(diǎn)是采用組播方式，將同一文件的多個(gè)點(diǎn)播合并為一個(gè)組播信道服務(wù)。但這些策略在實(shí)際商業(yè)運營(yíng)中卻難以得到實(shí)際使用，其原因為，目前整個(gè)網(wǎng)絡(luò )并不支持全網(wǎng)IP組播，且這種節省資源的策略是以延時(shí)用戶(hù)響應為代價(jià)的，在商業(yè)運營(yíng)中得不償失。參考文獻[3]中提出了采用P2P辦法實(shí)現時(shí)移電視的傳輸策略，但也是基于直播流采用IP組播傳輸的前提，并且要求客戶(hù)端能夠同時(shí)接收組播流和補丁流。該傳輸策略能夠適用于小型的局域網(wǎng)系統，但不適合現有的廣域網(wǎng)絡(luò )。其原因是現有廣域網(wǎng)絡(luò )并不支持全網(wǎng)IP組播，且目前使用最廣泛的ADSL線(xiàn)路帶寬不足以支撐同時(shí)傳輸兩個(gè)流。

　　另一方面，在P2P視頻系統中，視頻直播業(yè)務(wù)應用比較廣泛，如Cool Streaming、PPlive等，而規模應用的P2P視頻點(diǎn)播系統卻很少見(jiàn)，具備時(shí)移電視功能的P2P系統則基本上沒(méi)有見(jiàn)到。但從用戶(hù)角度看，真正吸引用戶(hù)使用P2P視頻系統的是比賽類(lèi)節目，如體育比賽、超女比賽等，而且，用戶(hù)對這類(lèi)節目的時(shí)移需求很強烈。比如觀(guān)看中突然有事，需要暫停，希望回來(lái)后能不間斷地繼續觀(guān)看，或者某個(gè)精彩鏡頭沒(méi)看清，希望跳回觀(guān)看，或者由于有事錯過(guò)了已播節目，希望能夠重新點(diǎn)播觀(guān)看等，因此，如果能夠在已有的P2P直播基礎上加入時(shí)移功能，必將受到用戶(hù)的極大歡迎。

　　以前，IPTV與P2P基本是相互獨立發(fā)展的，有關(guān)IPTV與P2P結合的研究文獻不多見(jiàn)。最近，出現了部分有關(guān)IPTV與P2P結合的研究文獻[8～11]，強調兩者的優(yōu)勢互補，并就如何在技術(shù)層面融合進(jìn)行了探討。

　　本文將提出一種采用P2P技術(shù)實(shí)現的時(shí)移電視系統，這個(gè)系統不僅利用了P2P技術(shù)分散錄制和存儲直播節目，而且不需要依賴(lài)IP組播技術(shù)進(jìn)行直播，因此能夠解決IPTV系統中時(shí)移電視業(yè)務(wù)建設成本高、擴展性差的問(wèn)題。此外，每個(gè)客戶(hù)端在播放節目的同時(shí)，只須錄制和存儲部分節目片段，并能為其他客戶(hù)端提供正在播放的視頻服務(wù)和已存儲的節目服務(wù)，因此本文所提出的系統不僅減少了每個(gè)客戶(hù)端的開(kāi)銷(xiāo)，而且可達到參與者越多，可供資源越多，服務(wù)質(zhì)量也就越好的規模擴展效果。

　　2、系統方案

　　2.1　系統架構

　　圖1是基于P2P的時(shí)移電視系統架構，由圖1可見(jiàn)，系統包括一個(gè)分片處理器、一個(gè)媒體定位器以及若干對等節點(diǎn)(Peer)。分片處理器對輸入的直播流進(jìn)行分塊和分段處理，形成媒體分塊和分段。一個(gè)媒體分段包括固定數量順序編號的媒體分塊，段的起始和結束由塊頭中標志位標識。媒體分段是系統定位和存儲媒體的基本單位，媒體分塊是系統傳輸媒體的基本單位。對等節點(diǎn)可從多個(gè)其他節點(diǎn)取得分塊數據進(jìn)行解碼和播放。為了敘述方便，把播放點(diǎn)附近不斷滾動(dòng)的若干媒體分塊定義為一個(gè)邏輯上的特殊分段——直播分段。

　　圖1　基于P2P的時(shí)移電視系統架構

　　媒體定位器管理媒體分段(包括直播分段)在各對等節點(diǎn)中的分布情況及確定其是否處于可服務(wù)的狀態(tài)，并為對等節點(diǎn)提供媒體分段的定位服務(wù)。另外，媒體定位器還從分片處理器接收每個(gè)分段的起始時(shí)間和結束時(shí)間信息，該信息用于從時(shí)間信息到分段信息的翻譯服務(wù)。比如，某個(gè)節點(diǎn)需要收看某個(gè)頻道某個(gè)時(shí)刻的節目，該節點(diǎn)向媒體定位器請求源節點(diǎn)，媒體定位器可從分段時(shí)間信息中得到對應的分段號，并返回具備該分段服務(wù)能力的源節點(diǎn)。

　　對等節點(diǎn)接收到媒體數據后可緩存于內存和磁盤(pán)中。節點(diǎn)把上下線(xiàn)事件、緩存分段數據增減事件以及節點(diǎn)對外服務(wù)能力跳變事件都通過(guò)消息上報給媒體定位器，據此媒體定位器可精確維護每個(gè)節點(diǎn)上的每個(gè)媒體分 段的可服務(wù)狀態(tài)。數據傳輸在對等節點(diǎn)之間直接進(jìn)行。

　　2.2　數據封裝

　　經(jīng)分片處理器處理后的媒體分塊和分段格式如圖2所示。塊由塊頭和載荷區兩部分組成，載荷區中存放按時(shí)間順序排列的音視頻幀，塊頭除了對這些幀進(jìn)行描述外，還包括頻道號、段編號、塊編號以及段標志。段標志用于標識該分塊在分段中的位置，可取段開(kāi)始、段中間和段結束3種值，利用此標志，對等節點(diǎn)可以方便地從分塊流中進(jìn)行段定界。

　　圖2　媒體分段和分塊封裝格式

　　經(jīng)過(guò)分片處理后，對等節點(diǎn)可以從網(wǎng)絡(luò )中多個(gè)節點(diǎn)取得不同分塊，拼接并恢復媒體流，因此，節點(diǎn)可以采用靈活健壯的多源傳輸策略進(jìn)行直播和時(shí)移業(yè)務(wù)傳輸。

　　2.3　數據分布策略

　　本系統中不采用集中的存儲服務(wù)器，所有的媒體分段數據都分散存儲于各對等節點(diǎn)中。對等節點(diǎn)在播放過(guò)程中無(wú)需完整錄制節目，而只需把取得的媒體分段數據以一定的概率隨機緩存于節點(diǎn)的三級緩沖區中。

　　對等節點(diǎn)的存儲模型如圖3所示(其中，陰影部分表示該塊已經(jīng)含有數據，空白塊表示該塊還未有數據)，分為播放緩沖區、內存緩沖區和磁盤(pán)緩沖區3 部分，3個(gè)緩沖區的大小固定。播放緩沖區中的數據是不斷滾動(dòng)變化的，一邊不斷從其他節點(diǎn)取得，一邊又不斷播放和老化。當播放緩沖區取得了一個(gè)完整分段時(shí)，按一定的概率寫(xiě)入內存緩沖區。當內存緩沖區存滿(mǎn)時(shí)，則從存儲內容中選取一個(gè)時(shí)間最早的分段，將其覆蓋，同時(shí)把該被覆蓋的分段以一定的概率置入磁盤(pán)緩沖區。同理，如果磁盤(pán)緩沖區寫(xiě)滿(mǎn)時(shí)，則選擇時(shí)間最早的段進(jìn)行覆蓋。

　　圖3　節點(diǎn)三級緩存機制示意

　　通過(guò)以上機制，可使當前的直播分段緩存在播放緩沖區中，且在全網(wǎng)的拷貝密度最大;已播的最近分段緩存在內存緩沖區中，全網(wǎng)密度次之;較舊的分段則被緩存于磁盤(pán)中，這類(lèi)分段數量大，但密度最低。上述處理辦法可與用戶(hù)一般的業(yè)務(wù)觀(guān)看習慣相一致，即大部分用戶(hù)是觀(guān)看直播，少部分用戶(hù)會(huì )進(jìn)行即時(shí)時(shí)移，只有很少量的用戶(hù)會(huì )去觀(guān)看已播的電視節目。另外，這種分布機制還具有以下效果：

　　●某個(gè)分段看的人多，在網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)中被緩存的幾率就大，該分段的拷貝個(gè)數也就多，從而該分段所提供的服務(wù)能力就越大，因此具備良好的擴展性;

　　●單個(gè)節點(diǎn)只需錄制存儲一小部分節目片段，就可以在全網(wǎng)協(xié)同存儲完整節目的足夠多的拷貝，用戶(hù)數量越大，每個(gè)用戶(hù)所分擔的錄制和存儲開(kāi)銷(xiāo)就越小，因此能夠有效地減輕節點(diǎn)的錄制和存儲負擔。

　　3、處理流程

　　下面給出時(shí)移電視的4個(gè)主要用戶(hù)使用場(chǎng)景的業(yè)務(wù)處理流程的簡(jiǎn)要描述。

　　圖4　業(yè)務(wù)流程示意

　　(1)直播播放流程

　　如圖4(a)所示，節點(diǎn)A首先向媒體定位器查詢(xún)頻道P直播分段的源，定位器返回節點(diǎn)B、C和D，節點(diǎn)A與B、C和D建立連接，傳輸數據并解碼播放。

　　(2)直播轉時(shí)移

　　如圖4(b)所示，節點(diǎn)A正在播放頻道P，現在用戶(hù)要求跳回到時(shí)刻T播放，直播轉時(shí)移的過(guò)程如下：

　　●節點(diǎn)A向定位器請求頻道P時(shí)刻T的媒體分段源節點(diǎn)，定位器返回節點(diǎn)C和D;

　　●節點(diǎn)A停止直播分段數據的傳輸，轉而與C和D建立連接并請求數據，從時(shí)刻T進(jìn)行播放;

　　●一個(gè)分段播放結束后，進(jìn)入下一個(gè)分段的播放，需要重新向定位器查詢(xún)下一分段的源節點(diǎn)。

　　(3)時(shí)移轉直播

　　節點(diǎn)A正在進(jìn)行時(shí)移播放，用戶(hù)要求切回直播，同樣需要向定位器查詢(xún)直播分段所在的源，然后切斷時(shí)移分段傳輸，開(kāi)始直播分段數據傳輸。

　　(4)電視回看

　　用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)菜單直接選擇播放已播的頻道P時(shí)刻T的節目，其原理與(2)中的時(shí)移播放類(lèi)似。

　　4、實(shí)驗結果

　　為了驗證方案的可行性，在局域網(wǎng)中搭建了一個(gè)節點(diǎn)數為20的系統，系統參數如下：

　　●碼流：800 kbit/s、MPEG4、25 Mbyte/分段、64 Kbyte/分塊、1路頻道;

　　●節點(diǎn)：30 Mbyte播放緩沖區、100 Mbyte內存緩沖區、1000 Mbyte磁盤(pán)緩沖區，從播放緩沖區轉存到內存緩存的概率取為10%，從內存緩存轉存到磁盤(pán)的概率取為20%。

　　對上述系統進(jìn)行了測試，實(shí)驗結果如下：

　　●20個(gè)用戶(hù)同時(shí)直播，能夠正常播放，畫(huà)面流暢;

　　●時(shí)移到直播切換延時(shí)為0.5 s，直播切換到時(shí)移的延時(shí)為0.5 s;

　　●直播啟動(dòng)延時(shí)為0.5 s;

　　●即時(shí)時(shí)移可支持0.5 h，在20個(gè)用戶(hù)同時(shí)時(shí)移時(shí)，也能夠達到平滑切換;

　　●20個(gè)用戶(hù)同時(shí)在線(xiàn)運行1 h后，每個(gè)用戶(hù)即可以以菜單方式回看已播電視。

　　5、結束語(yǔ)

　　本文提出了一種基于P2P技術(shù)的時(shí)移電視解決方案，該方案充分利用了客戶(hù)端資源，因此無(wú)需專(zhuān)用視頻服務(wù)器即可實(shí)現時(shí)移電視業(yè)務(wù)，從而解決了IPTV時(shí)移電視系統中建設成本高、擴展性差的問(wèn)題。實(shí)驗驗證表明，本文提出的方案具備優(yōu)越的用戶(hù)體驗質(zhì)量和良好的規模擴展性。