作者：河南电视台都市频道 胡琳娜

    【摘要】 本文开篇先提出了发展IPTV所带来的主要挑战，目前C\S模型所固有的瓶颈，从而引出P2P技术，介绍了P2P技术的概念，及三种工作方式。重点分析了其在流媒体中的应用，通过举例分析，比较说明P2P流媒体系统的优势所在。并说明了P2P技术应用在IPTV所面对的主要问题及应对策略；P2P流媒体软件实现大规模用户视频直播的具体方式。最后，阐明P2P流媒体技术对IPTV及整个媒体所带来的变革。

    【关键字】 P2P对等联网 IPTV 流媒体 视频服务器 可扩展 动态异构 对等节点

引言
    IPTV，指的是利用流媒体技术通过宽带网络传输数字电视信号给用户的业务。它不同于一般的宽带业务。首先，IPTV面对的是庞大的消费群体，IPTV体系结构应能够承受突增的用户数量。其次，传送多媒体内容要求更高的计算资源和带宽资源及海量内容存储能力。再者，视频质量应满足实时播出要求，系统稳定性强，并具有严格的资源和控制功能。这些要求给我们的流媒体技术提出了更高的挑战。

    目前IPTV系统大多基于客户机/服务器C/S模式，所有视频资源都放在中心服务器上，用户通过直接访问中心服务器，来获得视频资源。这类网络应用模型中，客户端和服务器端处在完全不同的角色中。客户端被动，通常是发送一个请求，而服务器端处在一个支配的地位，获取这个请求，然后返回一个结果来对应这个请求。这就存在着服务器I/O瓶颈。

    在这种模式下，系统在可扩展性（Scalability）和容错性（Fault-tolerance）、鲁棒性（Robustness）等方面远远不能满足IPTV的应用需求，具体来看：
    1.可扩展性（Scalability）。目前，绝大多数多媒体服务器为终端用户提供媒体服务的带宽上限都不超过50Mb/s，离支持大规模用户的应用目标差距甚远。
    2.容错性（Fault-tolerance）是指整个系统在遇到错误的时候仍能以可接受的服务质量继续工作的能力。显而易见，在服务器/客户机模型中，中心的多媒体服务器是整个多媒体服务系统中的单点故障（Single Point of Failure）部件，这就决定了系统的容错能力不高，易于遭到攻击。
    3.鲁棒性（Robustness）是指当一个系统中的参数发生摄动时系统能否保持正常工作的一种特性或属性。短时的突发访问量高峰是Internet访问的基本特征。某些突发的事件会造成使用服务的人数在短时指数级上升，这时系统是否依然能够正常工作。在服务器/客户机模型中，需求数量越多，系统提供视频质量越低，甚至崩溃。

    通过以上分析，我们可以看到，传统流媒体服务所广泛采用的服务器/客户机模型很难满足IPTV使用需要，用户常会感到画面质量低或伴有明显的延迟等待或中断。而在神州六号升空的直播报道中，新浪网使用的“网络视频直播”使人们感受到了高质量的IPTV，其背后使用的是不同于传统C/S模式的P2P流媒体技术。P2P（对等联网），是一种分布式网络结构，其核心思想是通过系统中节点之间的直接交互来实现信息资源和服务的共享，这就从根本上解决了上面提出的问题。
　　
P2P对等联网技术
    P2P是peer-to-peer的缩写，peer意为同等地位的人。从字面上，我们也能看出，相对于传统的集中式客户机/服务器（C/S）模型，P2P弱化了服务器的概念，是一种分布式的对等联网。简单的说，P2P让人们通过互联网直接交互，而不是像过去那样连接到服务器去浏览下载。它改变了互联网现在以大网站为中心的状态、重返“非中心化”，把权力交还给用户。

    在P2P系统中，每一参与结点兼有服务器和客户端两种身份，在利用其他结点资源的同时也为其他结点提供服务。这就从根本上解决传统客户端/服务器结构中服务器过载和资源瓶颈的问题。且P2P系统的服务能力随需求的增长而自然增长，具有“与生俱来”的可扩展性。并且P2P系统强调非中心的结构，不会因为某个结点的故障或是人为原因而造成通信中断的现象，具有很强的容错性。这些优势都使得基于P2P网络所构建的流媒体系统，能够从根本上解决基于客户机/服务器模型的流媒体系统所固有的不可扩展性、低容错性和低鲁棒性，满足IPTV实时播放的使用要求。

    如今，P2P技术对我们并不陌生。Napster，Skype，BitTorrent这些以P2P为基础的软件，得到了广泛的应用，并改变了我们的生活。对等网络技术已显示出巨大的生命力。
　　
P2P对等网络的工作模式
    P2P系统的核心技术是分布式对象即各节点的定位机制。在节点、网络环境不断变化的情况下，如何确定节点位置，寻找合适路径，并建立连接。目前实际应用的P2P网络结构有三种，不同的结构有不同的工作模式，我们分别来看其是如何进行点定位工作的：
    第一，集中目录式P2P模式。
    这是最早出现的P2P应用模式。在这种结构中，存在一台或多台有特殊用途的服务器为对等点提供目录服务。对等节点向目录服务器注册自身的信息（其名称、地址、资源和元数据）。在查找路径时，通过对目录服务器的访问，进行节点信息的查询，从而定位其它对等点。可以看出该结构仍然具有中心化的特点，因此也被称为非纯粹的P2P结构。用于共享MP3音乐文件的Napster是其中最典型的代表。




　　
    第二，分布式P2P模式。
    这种模式中，取消了集中的中央服务器，网络中只存在对等的节点，所以也称作纯P2P模式。每个用户节点随机接入网络，与自己相邻的一组邻居节点相连。通过端到端的连接构成了一个逻辑覆盖的网络。对等节点之间的内容查询和内容共享都是直接通过相邻节点间广播接力传递的。同时每个节点还会记录搜索轨迹，以防止搜索环路的产生。

    这种结构扩展性和容错性较好，但由于网络中的搜索算法以泛洪的方式进行，控制信息的泛滥消耗了大量带宽并很快造成网络拥塞甚至网络的不稳定。并且这类系统更容易受到垃圾信息，甚至是病毒的恶意攻击。Gnutella模型是现在应用最广泛的纯P2P网络拓扑模型。



    第三，混合型P2P模式。
    在这种网络结构中，节点按能力不同（计算能力、内存大小、连接带宽、网络滞留时间等）区分为普通节点和搜索节点两类。其中搜索节点与其临近的若干普通节点之间构成一个自治的簇，簇内采用基于集中目录式的P2P模式，而不同的簇与簇之间再通过纯P2P的模式将搜索节点相连起来。这种结构综合了集中式P2P快速查找和纯P2P无中心化的优势。

    由于普通节点的文件搜索先在本地所属的簇内进行，只有当查询结果不充分的时候，再通过搜索节点之间进行有限的泛洪查询。这样就极为有效地消除了纯P2P结构中使用泛洪算法所带来的网络拥塞、搜索迟缓等不利影响。同时，由于每个簇中的搜索节点监控着所有普通节点的行为，这也能确保一些恶意的攻击行为能在网络局部得到控制。Kazaa模型是P2P混合模型的典型代表。




    目前我国流行的BitTorrent、电驴emule就基于这种模型。

    此外除这三种模型外，还有结构化网络模型，目前尚处在研究试验阶段。
　　
P2P技术在流媒体中的应用
    在P2P流媒体技术中，每台用户计算机，即是客户端收看流媒体内容，又作为流媒体服务器上传内容供其他节点使用。节点根据其网络状态和设备能力与一个或几个用户建立连接，互换流媒体内容，得到合并在一起的媒体数据。在这种方式下，收看节目的用户越多，共享的范围就扩大，用户所获取节目内容的途径也越多；从地域分布上讲，也减少了接受方和节目源的平均距离，所获得的视频质量也就越好。

    我们用一简化的例子比较说明基于C/S结构的流媒体系统与P2P流媒体系统。

    郑州，焦作，洛阳，开封四地的用户，在线收看CCTV播出的某节目，在C/S模式下：




    如图，所有播放内容都放在服务器中，每个用户分别与服务器建立连接，来读取数据。在该例中CCTV通过网络播放比特率为300kb/s的视频文件，郑州用户通过下行传输带宽为512kb/s的ADSL线路收看。道理上讲应能够流畅接受，但事实上，由于：（1）CCTV视频服务器端对多用户（用户数可能是上万）的响应，使得提供的服务质量远远低于面对少量或一个用户的情况；（2）传输距离带来的误码率增加，使得实际速率低于300kb/s，且处于不稳定状态。并且这种情况随着用户的增多和距离的增加更加严重。

    在对等网络（P2P）结构中：

    如图5，用户除了和CCTV服务器端进行连接外，还从目录服务器上获取连接列表。如郑州用户通过查询目录服务器知道开封、洛阳、南阳的用户也在同时收看该节目，便自动建立连接，从这些用户中获取可用信息。也就是说，郑州用户除了从CCTV服务器上获得视频信息外，还从其他用户上寻求可用的信息。这样：（1）相当于从多个途径获取节目内容；（2）从地域分布上讲也减少了和节目源的平均距离。所以说，在这种对等网结构的网络中，收看节目的用户越多，视频质量越好！
　　
P2P技术在流媒体应用中所面对的主要挑战
    我们在分析P2P技术在流媒体的应用时，除了看到P2P技术对流媒体变革性的影响外，还要分析其应用要求有哪些提高，面对的主要挑战是什么,如何满足IPTV的播出要求。

    P2P网络环境具有高度动态异构性，例如：对等网系统中的自主节点可能随时加入或退出系统；流媒体数据发送节点的上载带宽可能随时改变；数据发送节点间的连接具有不同的端到端带宽、丢包率和失效率等。在这样不稳定的的网络环境中保证IPTV的播放质量，除了数据存放（Data Placement）、路由策略（Routing Protocol）和搜索算法（Search Algorithm）等核心算法技术外，在流媒体应用中还应注意：
    （1）由于对等网络本身的高度动态异构性，使得监控邻居节点及与邻居节点间网络连接的状态，并根据状态的变化动态调整邻居节点的选择，显得尤为重要。利用非结构化P2P底层协议CAPU协议的相关功能能够动态的根据节点状况和网络状况，为每个流媒体会话选择合适的一组数据发送节点，并实时监控数据传输情况，动态的进行优化调整和出错处理，以得到满足应用要求的流媒体服务质量。
    （2）由于在P2P流媒体服务中，采用多个数据发送方提供流媒体数据，无法保证媒体数据按照播放顺序依次到达，播放延迟成为影响P2P流媒体可用性的重要因素。因此，在流媒体应用中应保证在多个数据发送节点间合理调度数据的发送，尽量减少媒体数据的传输延迟。

    由此可看出，P2P应用在流媒体系统中，提高了其高效查找媒体内容的能力、处理异构、处理动态的能力，从而满足IPTV的播出要求。
　　
P2P流媒体软件如何实现大规模用户视频直播
    P2P在流媒体的应用通过软件来实现。Mysee、CoolStreaming，PPStream，PPLive这些都是利用P2P做网络流媒体点播与直播的典范。这些软件除了支持在线收看流媒体外，还能够支持流媒体的发布及超大规模用户的直播，能够提供电视信号的实时网络转播，如ESPN，HBO电影，CCTV系列等多个电视台的实时转播。

    这些软件大都采用了和BitTorrent相类似的网络技术，基于混合式网络架构，将中心目录服务器的稳定性同优化的分布式文件管理结合起来，效率大大提高。
我们来具体分析其是如何实现大规模用户视频直播的：



    如图6，网络由目录服务器端和客户端两部分组成。服务器端只起个桥梁的作用，引导用户完成搜寻，本身不存放媒体数据。它与客户端相连接，记录所有登陆到它的客户端信息，形成服务器列表。客户端通过浏览列表获取他需要的文件所有者的客户端信息。之后，直接建立对话，而没有数据流通过服务器。

    再者软件规定了强制共享机制，在下载的同时上传，不断扩大共享范围。我们来看具体过程：
    上传端把一个文件分成了若干个部分，并动态刷新服务器端。客户端在搜索时，先搜索本服务器上，查询服务器列表，看主服务器的所有登陆用户是否拥有该文件。若没有，再连接其他服务器，查寻服务器上拥有该文件的客户端列表。一旦它找到拥有该文件的其他客户端，就把查找结果反馈给搜索的客户端列表。它再请求每个客户端发送这个文件的不同片，从而利用多渠道获取流媒体内容，直至最后这些不同的片组装成一个完整的文件。这样收看的用户越多，播放就越稳定，收看视频质量也越好。
通过软件实现的介绍，我们更能直观地看出，使用P2P技术进行流媒体播放具有以下一些优点：
    （1）硬件设施门槛降低。不需要服务器来存放共享文件，节省了服务器架设、海量硬盘、网络带宽；
    （2）支持大规模范围内的直播。其工作模式使得收看的用户越多，播放质量就越好；
    （3）共享方便。每个客户端都上传内容，共享其他用户使用。

总结
    通过对P2P流媒体技术的分析，可以看到用P2P技术发展IPTV具有明显优势，它一方面解决传统客户端/服务器结构中服务器过载和资源瓶颈的问题，具有“与生俱来”的可扩展性，满足多用户的使用需要。另一方面，由于资源服务分散于各个客户机上，降低了IPTV的播出和转播的门槛。再者，P2P对等网络分布式的结构，使得网络重返“非中心化”，权力交还给用户，人们以更主动深刻的方式参与到网络中去，不仅能够主动选择节目，而且作为内容提供方发布自制视频。

    P2P流媒体技术为IPTV的发展开辟更广阔的天空，它带来的不仅仅是技术层面的革新，更是一种社会模式的革新，必将推动整个媒体发生新的变革，让我们拭目以待。 (DVOL本文转自：中国DV传媒 http://www.dvol.cn)