面向運(yùn)營(yíng)商的P2P流媒體系統(tǒng)架構(gòu)

1、現(xiàn)有流媒體系統(tǒng)架構(gòu)

流媒體服務(wù)是在IP網(wǎng)上基于流式傳輸技術(shù)，向用戶提供實(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(xiàn)在線觀看，因此流媒體應(yīng)用自推出以來(lái)就受到用戶的普遍歡迎，近年來(lái)更是隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及而呈爆炸式增長(zhǎng)。

目前，IP網(wǎng)上的流媒體服務(wù)主要基于C/S（客戶端/服務(wù)器）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在用戶少、業(yè)務(wù)量不大的情況下，基于C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的流媒體服務(wù)系統(tǒng)還是比較簡(jiǎn)單、方便和行之有效的。但隨著流媒體用戶的快速增長(zhǎng)，這種實(shí)現(xiàn)模式也日益顯現(xiàn)出以下缺點(diǎn)：

●由于流媒體服務(wù)信息傳遞量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，提供流媒體服務(wù)的服務(wù)器數(shù)量必須隨著用戶數(shù)的增加而增加，這對(duì)運(yùn)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(jī)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(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量下降；
●采用內(nèi)容推送技術(shù)雖然可以把內(nèi)容推送到網(wǎng)絡(luò)邊緣，減輕了中心機(jī)房和網(wǎng)絡(luò)的壓力，但C/S結(jié)構(gòu)的本質(zhì)決定了其無(wú)法減少對(duì)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(tǒng)服務(wù)能力始終有限，仍難以滿足一些特殊情況下（如球賽、運(yùn)動(dòng)會(huì)等）用戶密集突發(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(gòu)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)提供商開始考慮在流媒體服務(wù)中引入P2P技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本的業(yè)務(wù)提供。

P2P的核心思想是通過(guò)參與系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)（peer）之間的直接交互來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源和信息的共享。P2P系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)等性，信息資源分散存儲(chǔ)在各個(gè)參與節(jié)點(diǎn)，每個(gè)參與節(jié)點(diǎn)兼有服務(wù)器和客戶端兩種身份，都可以請(qǐng)求服務(wù)和提供服務(wù)，內(nèi)容傳輸直接在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行，避免了C/S架構(gòu)中容易出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器瓶頸問(wèn)題。因此，相比C/S架構(gòu)而言，P2P系統(tǒng)能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)終端的空閑資源，大大降低了系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)越多服務(wù)資源也越多，系統(tǒng)因此具有良好的可擴(kuò)展性和高度的自適應(yīng)性，能夠滿足各種突發(fā)環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。

1999年Napster的出現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到P2P和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合所蘊(yùn)含的巨大潛力，eDonkey、BitTorrent、Skype等P2P應(yīng)用的廣泛流行，使人們更加看好P2P流媒體的發(fā)展。一些廠商開始研發(fā)并推出P2P流媒體點(diǎn)播和直播系統(tǒng)，其中包括了2004年世界杯期間一炮而紅的CoolStreaming系統(tǒng)以及目前廣受用戶歡迎的PPLive、PPStream等。這些系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)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(quán)保護(hù)機(jī)制，難以引入大量的合法內(nèi)容，導(dǎo)致嚴(yán)重的盜版問(wèn)題；
●沒有考慮運(yùn)營(yíng)需求，不支持個(gè)性化計(jì)費(fèi)，難以形成可盈利的運(yùn)營(yíng)模式；
●不能實(shí)現(xiàn)區(qū)域調(diào)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(yùn)營(yíng)商的P2P流媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，本文提出了一種面向電信運(yùn)營(yíng)商的可運(yùn)營(yíng)、可管理、可擴(kuò)展的P2P流媒體系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)架構(gòu)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(nèi)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(tái)支撐系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)用戶和內(nèi)容的管理調(diào)度。其中內(nèi)容發(fā)布服務(wù)器，負(fù)責(zé)在運(yùn)營(yíng)商的統(tǒng)一控制或授權(quán)（針對(duì)ICP）下實(shí)現(xiàn)內(nèi)容和信息的發(fā)布；資源管理服務(wù)器，動(dòng)態(tài)維護(hù)內(nèi)容節(jié)點(diǎn)（包括原始內(nèi)容服務(wù)器、邊緣內(nèi)容服務(wù)器、客戶端等）資源列表，并根據(jù)所定義的策略，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容分發(fā)控制和用戶服務(wù)調(diào)度；后臺(tái)支撐系統(tǒng)服務(wù)器，用于實(shí)現(xiàn)用戶管理和版權(quán)管理等相關(guān)功能。

●內(nèi)容服務(wù)層，包括原始內(nèi)容服務(wù)器、內(nèi)容緩存服務(wù)器和客戶端，負(fù)責(zé)內(nèi)容的存儲(chǔ)和服務(wù)提供，最終實(shí)現(xiàn)流媒體服務(wù)提供。其中原始內(nèi)容服務(wù)器，保存有完整的原始內(nèi)容文件，用于提供初始的內(nèi)容分發(fā)和用戶服務(wù)，并在其他內(nèi)容節(jié)點(diǎn)失效或無(wú)法提供所需內(nèi)容服務(wù)時(shí)，向用戶提供最終的服務(wù)；內(nèi)容緩存服務(wù)器，通常設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)邊緣，運(yùn)營(yíng)商可設(shè)置一定的策略，把相關(guān)的組播節(jié)目或熱點(diǎn)內(nèi)容從原始內(nèi)容服務(wù)器主動(dòng)推送到邊緣緩存，向用戶提供就近的快速服務(wù)；客戶端，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(duì)內(nèi)容進(jìn)行本地存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，與其他客戶端建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，為對(duì)方提供內(nèi)容服務(wù)。

●網(wǎng)絡(luò)傳輸層，主要是指寬帶IP網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各種控制信息和內(nèi)容服務(wù)信息的傳送。

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

為實(shí)現(xiàn)流媒體接收和播放，P2P流媒體客戶端需設(shè)置兩個(gè)內(nèi)存緩存區(qū)，一個(gè)用于從對(duì)等連接中接收數(shù)據(jù)包并進(jìn)行排序的接收緩存區(qū)；另一個(gè)用于在播放前將接收緩存區(qū)中已排序好的數(shù)據(jù)包復(fù)制過(guò)來(lái)并進(jìn)行解包合成的播放緩存區(qū)。同時(shí)，P2P流媒體客戶端應(yīng)在機(jī)器中設(shè)置物理緩存，用于在資源管理器調(diào)度下實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的本地存儲(chǔ)以及向其他客戶端提供P2P流媒體服務(wù)。為避免用戶有意或無(wú)意破壞存儲(chǔ)內(nèi)容的完整性，該物理緩存需進(jìn)行加密。內(nèi)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(biāo)識(shí)，且采用DRM（數(shù)字版權(quán)管理）技術(shù)防止用戶盜版。

4、P2P點(diǎn)播業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程

基于上述架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的流媒體系統(tǒng)可向用戶提供P2P廣播和點(diǎn)播業(yè)務(wù)，其中，用戶點(diǎn)播流媒體節(jié)目的流程設(shè)計(jì)如圖1所示。