面向運營商的P2P流媒體系統(tǒng)架構(gòu)

1、現(xiàn)有流媒體系統(tǒng)架構(gòu)

流媒體服務是在IP網(wǎng)上基于流式傳輸技術，向用戶提供實時音視頻媒體播放的業(yè)務。由于無需等待文件下載完成就可實現(xiàn)在線觀看，因此流媒體應用自推出以來就受到用戶的普遍歡迎，近年來更是隨著寬帶網(wǎng)絡的普及而呈爆炸式增長。

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

●由于流媒體服務信息傳遞量大，持續(xù)時間長，提供流媒體服務的服務器數(shù)量必須隨著用戶數(shù)的增加而增加，這對運營商而言是一筆巨大的投資；
●集中的流媒體服務器群給中心機房、網(wǎng)絡出口和骨干網(wǎng)絡均帶來極大的壓力，可能產(chǎn)生性能瓶頸，導致服務質(zhì)量下降；
●采用內(nèi)容推送技術雖然可以把內(nèi)容推送到網(wǎng)絡邊緣，減輕了中心機房和網(wǎng)絡的壓力，但C/S結(jié)構(gòu)的本質(zhì)決定了其無法減少對流媒體服務器的需求，投資只會進一步增加；
●雖然硬件投資巨大，但系統(tǒng)服務能力始終有限，仍難以滿足一些特殊情況下（如球賽、運動會等）用戶密集突發(fā)的流媒體業(yè)務需求。

2、P2P技術的引入

基于C/S架構(gòu)提供的流媒體業(yè)務由于成本居高不下，在很大程度上影響了業(yè)務的進一步發(fā)展和繁榮，因此，部分服務提供商開始考慮在流媒體服務中引入P2P技術來實現(xiàn)低成本的業(yè)務提供。

P2P的核心思想是通過參與系統(tǒng)節(jié)點（peer）之間的直接交互來實現(xiàn)系統(tǒng)資源和信息的共享。P2P系統(tǒng)強調(diào)節(jié)點之間的對等性，信息資源分散存儲在各個參與節(jié)點，每個參與節(jié)點兼有服務器和客戶端兩種身份，都可以請求服務和提供服務，內(nèi)容傳輸直接在節(jié)點間進行，避免了C/S架構(gòu)中容易出現(xiàn)的網(wǎng)絡和服務器瓶頸問題。因此，相比C/S架構(gòu)而言，P2P系統(tǒng)能夠充分利用網(wǎng)絡終端的空閑資源，大大降低了系統(tǒng)的建設和運營成本，同時，節(jié)點越多服務資源也越多，系統(tǒng)因此具有良好的可擴展性和高度的自適應性，能夠滿足各種突發(fā)環(huán)境下的業(yè)務需求。

1999年Napster的出現(xiàn)使人們認識到P2P和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)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。一些廠商開始研發(fā)并推出P2P流媒體點播和直播系統(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)雖然實現(xiàn)了低成本的業(yè)務提供，但也普遍存在以下問題：

●缺乏版權保護機制，難以引入大量的合法內(nèi)容，導致嚴重的盜版問題；
●沒有考慮運營需求，不支持個性化計費，難以形成可盈利的運營模式；
●不能實現(xiàn)區(qū)域調(diào)度，大量P2P流量穿越骨干，給網(wǎng)絡帶來巨大壓力；
●提供的業(yè)務仍以直播為主，P2P點播技術仍處在發(fā)展中，尚不成熟。

3、面向運營商的P2P流媒體系統(tǒng)設計

針對現(xiàn)有系統(tǒng)所存在的問題，本文提出了一種面向電信運營商的可運營、可管理、可擴展的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個層次。

●業(yè)務控制層，包括內(nèi)容發(fā)布服務器和資源管理服務器以及其他相關后臺支撐系統(tǒng)，主要實現(xiàn)用戶和內(nèi)容的管理調(diào)度。其中內(nèi)容發(fā)布服務器，負責在運營商的統(tǒng)一控制或授權（針對ICP）下實現(xiàn)內(nèi)容和信息的發(fā)布；資源管理服務器，動態(tài)維護內(nèi)容節(jié)點（包括原始內(nèi)容服務器、邊緣內(nèi)容服務器、客戶端等）資源列表，并根據(jù)所定義的策略，實現(xiàn)內(nèi)容分發(fā)控制和用戶服務調(diào)度；后臺支撐系統(tǒng)服務器，用于實現(xiàn)用戶管理和版權管理等相關功能。

●內(nèi)容服務層，包括原始內(nèi)容服務器、內(nèi)容緩存服務器和客戶端，負責內(nèi)容的存儲和服務提供，最終實現(xiàn)流媒體服務提供。其中原始內(nèi)容服務器，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，并在其他內(nèi)容節(jié)點失效或無法提供所需內(nèi)容服務時，向用戶提供最終的服務；內(nèi)容緩存服務器，通常設置在網(wǎng)絡邊緣，運營商可設置一定的策略，把相關的組播節(jié)目或熱點內(nèi)容從原始內(nèi)容服務器主動推送到邊緣緩存，向用戶提供就近的快速服務；客戶端，既是P2P流媒體服務的使用者，同時也是服務提供者。能夠在對內(nèi)容進行本地存儲的基礎上，與其他客戶端建立點對點連接，為對方提供內(nèi)容服務。

●網(wǎng)絡傳輸層，主要是指寬帶IP網(wǎng)絡，負責實現(xiàn)各種控制信息和內(nèi)容服務信息的傳送。

其中，除內(nèi)容發(fā)布服務器和原始內(nèi)容服務器可由運營商授權的ICP提供并進行管理外，其他服務器均由運營商進行管理和運營。因此，整個系統(tǒng)從內(nèi)容發(fā)布、分發(fā)到提供的過程均在運營商控制下進行，用戶無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應用中存在的盜版泛濫問題。

為實現(xiàn)流媒體接收和播放，P2P流媒體客戶端需設置兩個內(nèi)存緩存區(qū)，一個用于從對等連接中接收數(shù)據(jù)包并進行排序的接收緩存區(qū)；另一個用于在播放前將接收緩存區(qū)中已排序好的數(shù)據(jù)包復制過來并進行解包合成的播放緩存區(qū)。同時，P2P流媒體客戶端應在機器中設置物理緩存，用于在資源管理器調(diào)度下實現(xiàn)內(nèi)容的本地存儲以及向其他客戶端提供P2P流媒體服務。為避免用戶有意或無意破壞存儲內(nèi)容的完整性，該物理緩存需進行加密。內(nèi)容文件的存放和傳送均基于分片的方式，每個文件片斷均有惟一ID進行標識，且采用DRM（數(shù)字版權管理）技術防止用戶盜版。

4、P2P點播業(yè)務實現(xiàn)流程

基于上述架構(gòu)實現(xiàn)的流媒體系統(tǒng)可向用戶提供P2P廣播和點播業(yè)務，其中，用戶點播流媒體節(jié)目的流程設計如圖1所示。