面向運營商的P2P流媒體系統(tǒng)架構

1、現有流媒體系統(tǒng)架構

流媒體服務是在IP網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絡的普及而呈爆炸式增長。

目前，IP網上的流媒體服務主要基于C/S（客戶端/服務器）架構實現。在用戶少、業(yè)務量不大的情況下，基于C/S架構實現的流媒體服務系統(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，這種實現模式也日益顯現出以下缺點：

●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量必須隨著用戶數的增加而增加，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、網絡出口和骨干網絡均帶來極大的壓力，可能產生性能瓶頸，導致服務質量下降；
●采用內容推送技術雖然可以把內容推送到網絡邊緣，減輕了中心機房和網絡的壓力，但C/S結構的本質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系統(tǒng)資源和信息的共享。P2P系統(tǒng)強調節(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，內容傳輸直接在節(jié)點間進行，避免了C/S架構中容易出現的網絡和服務器瓶頸問題。因此，相比C/S架構而言，P2P系統(tǒng)能夠充分利用網絡終端的空閑資源，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的出現使人們認識到P2P和互聯網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；
●不能實現區(qū)域調度，大量P2P流量穿越骨干，給網絡帶來巨大壓力；
●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。該系統(tǒng)架構按邏輯功能劃分為以下3個層次。

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

●內容服務層，包括原始內容服務器、內容緩存服務器和客戶端，負責內容的存儲和服務提供，最終實現流媒體服務提供。其中原始內容服務器，保存有完整的原始內容文件，用于提供初始的內容分發(fā)和用戶服務，并在其他內容節(jié)點失效或無法提供所需內容服務時，向用戶提供最終的服務；內容緩存服務器，通常設置在網絡邊緣，運營商可設置一定的策略，把相關的組播節(jié)目或熱點內容從原始內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，為對方提供內容服務。

●網絡傳輸層，主要是指寬帶IP網絡，負責實現各種控制信息和內容服務信息的傳送。

其中，除內容發(fā)布服務器和原始內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容信息，從根本上解決了現有P2P應用中存在的盜版泛濫問題。

為實現流媒體接收和播放，P2P流媒體客戶端需設置兩個內存緩存區(qū)，一個用于從對等連接中接收數據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)中已排序好的數據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度下實現內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容的完整性，該物理緩存需進行加密。內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（數字版權管理）技術防止用戶盜版。

4、P2P點播業(yè)務實現流程

基于上述架構實現的流媒體系統(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。