基于P2P技術的時移電視系統方案

　　1、引言

　　隨著視頻和寬帶接入技術的迅速發(fā)展和成熟，通過IP寬帶網絡收看各種直播和點播節(jié)目已經成為現實。時移電視業(yè)務結合了視頻直播、視頻點播及視頻錄制等技術特點，使用戶在看電視直播時可以進行暫停、回跳延時觀看以及從延時觀看切換回直播狀態(tài)等操作，還可以讓用戶回看已播的電視節(jié)目。時移電視使用戶徹底從“你播我看”的傳統被動收看電視這一模式中解放出來，目前已被CCSA IPTV標準列為基本業(yè)務之一。目前在寬帶網絡上實現時移電視業(yè)務主要有兩種思路，即基于C/S模式的IPTV建設方案和基于P2P技術的P2P疊加網絡方案。

　　在IPTV中，時移電視是通過直播和點播相結合實現的，其難點類似于視頻點播。在傳統的視頻點播模式下。每個用戶與視頻服務器之間需要建立一個連接，因此即使是有限個用戶也會很快耗盡服務器的資源。這樣，如何減小服務器的壓力就成為系統設計的關鍵。對此業(yè)界已經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[4]、補丁(Patching)技術[5～7]及層次組播流合并(hierarchICal multicast stream merging，HMSM)[8]技術等，已提出的大多數算法的基本出發(fā)點是采用組播方式，將同一文件的多個點播合并為一個組播信道服務。但這些策略在實際商業(yè)運營中卻難以得到實際使用，其原因為，目前整個網絡并不支持全網IP組播，且這種節(jié)省資源的策略是以延時用戶響應為代價的，在商業(yè)運營中得不償失。參考文獻[3]中提出了采用P2P辦法實現時移電視的傳輸策略，但也是基于直播流采用IP組播傳輸的前提，并且要求客戶端能夠同時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系統，但不適合現有的廣域網絡。其原因是現有廣域網絡并不支持全網IP組播，且目前使用最廣泛的ADSL線路帶寬不足以支撐同時傳輸兩個流。

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

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

　　本文將提出一種采用P2P技術實現的時移電視系統，這個系統不僅利用了P2P技術分散錄制和存儲直播節(jié)目，而且不需要依賴IP組播技術進行直播，因此能夠解決IPTV系統中時移電視業(yè)務建設成本高、擴展性差的問題。此外，每個客戶端在播放節(jié)目的同時，只須錄制和存儲部分節(jié)目片段，并能為其他客戶端提供正在播放的視頻服務和已存儲的節(jié)目服務，因此本文所提出的系統不僅減少了每個客戶端的開銷，而且可達到參與者越多，可供資源越多，服務質量也就越好的規(guī)模擴展效果。

　　2、系統方案

　　2.1　系統架構

　　圖1是基于P2P的時移電視系統架構，由圖1可見，系統包括一個分片處理器、一個媒體定位器以及若干對等節(jié)點(Peer)。分片處理器對輸入的直播流進行分塊和分段處理，形成媒體分塊和分段。一個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(jié)點可從多個其他節(jié)點取得分塊數據進行解碼和播放。為了敘述方便，把播放點附近不斷滾動的若干媒體分塊定義為一個邏輯上的特殊分段——直播分段。

　　圖1　基于P2P的時移電視系統架構

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

　　對等節(jié)點接收到媒體數據后可緩存于內存和磁盤中。節(jié)點把上下線事件、緩存分段數據增減事件以及節(jié)點對外服務能力跳變事件都通過消息上報給媒體定位器，據此媒體定位器可精確維護每個節(jié)點上的每個媒體分 段的可服務狀態(tài)。數據傳輸在對等節(jié)點之間直接進行。

　　2.2　數據封裝

　　經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(qū)兩部分組成，載荷區(qū)中存放按時間順序排列的音視頻幀，塊頭除了對這些幀進行描述外，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，可取段開始、段中間和段結束3種值，利用此標志，對等節(jié)點可以方便地從分塊流中進行段定界。

　　圖2　媒體分段和分塊封裝格式

　　經過分片處理后，對等節(jié)點可以從網絡中多個節(jié)點取得不同分塊，拼接并恢復媒體流，因此，節(jié)點可以采用靈活健壯的多源傳輸策略進行直播和時移業(yè)務傳輸。

　　2.3　數據分布策略

　　本系統中不采用集中的存儲服務器，所有的媒體分段數據都分散存儲于各對等節(jié)點中。對等節(jié)點在播放過程中無需完整錄制節(jié)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(jié)點的三級緩沖區(qū)中。

　　對等節(jié)點的存儲模型如圖3所示(其中，陰影部分表示該塊已經含有數據，空白塊表示該塊還未有數據)，分為播放緩沖區(qū)、內存緩沖區(qū)和磁盤緩沖區(qū)3 部分，3個緩沖區(qū)的大小固定。播放緩沖區(qū)中的數據是不斷滾動變化的，一邊不斷從其他節(jié)點取得，一邊又不斷播放和老化。當播放緩沖區(qū)取得了一個完整分段時，按一定的概率寫入內存緩沖區(qū)。當內存緩沖區(qū)存滿時，則從存儲內容中選取一個時間最早的分段，將其覆蓋，同時把該被覆蓋的分段以一定的概率置入磁盤緩沖區(qū)。同理，如果磁盤緩沖區(qū)寫滿時，則選擇時間最早的段進行覆蓋。

　　圖3　節(jié)點三級緩存機制示意

　　通過以上機制，可使當前的直播分段緩存在播放緩沖區(qū)中，且在全網的拷貝密度最大;已播的最近分段緩存在內存緩沖區(qū)中，全網密度次之;較舊的分段則被緩存于磁盤中，這類分段數量大，但密度最低。上述處理辦法可與用戶一般的業(yè)務觀看習慣相一致，即大部分用戶是觀看直播，少部分用戶會進行即時時移，只有很少量的用戶會去觀看已播的電視節(jié)目。另外，這種分布機制還具有以下效果：

　　●某個分段看的人多，在網絡各節(jié)點中被緩存的幾率就大，該分段的拷貝個數也就多，從而該分段所提供的服務能力就越大，因此具備良好的擴展性;

　　●單個節(jié)點只需錄制存儲一小部分節(jié)目片段，就可以在全網協同存儲完整節(jié)目的足夠多的拷貝，用戶數量越大，每個用戶所分擔的錄制和存儲開銷就越小，因此能夠有效地減輕節(jié)點的錄制和存儲負擔。

　　3、處理流程

　　下面給出時移電視的4個主要用戶使用場景的業(yè)務處理流程的簡要描述。

　　圖4　業(yè)務流程示意

　　(1)直播播放流程

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

　　(2)直播轉時移

　　如圖4(b)所示，節(jié)點A正在播放頻道P，現在用戶要求跳回到時刻T播放，直播轉時移的過程如下：

　　●節(jié)點A向定位器請求頻道P時刻T的媒體分段源節(jié)點，定位器返回節(jié)點C和D;

　　●節(jié)點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，從時刻T進行播放;

　　●一個分段播放結束后，進入下一個分段的播放，需要重新向定位器查詢下一分段的源節(jié)點。

　　(3)時移轉直播

　　節(jié)點A正在進行時移播放，用戶要求切回直播，同樣需要向定位器查詢直播分段所在的源，然后切斷時移分段傳輸，開始直播分段數據傳輸。

　　(4)電視回看

　　用戶通過網頁菜單直接選擇播放已播的頻道P時刻T的節(jié)目，其原理與(2)中的時移播放類似。

　　4、實驗結果

　　為了驗證方案的可行性，在局域網中搭建了一個節(jié)點數為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(jié)點：30 Mbyte播放緩沖區(qū)、100 Mbyte內存緩沖區(qū)、1000 Mbyte磁盤緩沖區(qū)，從播放緩沖區(qū)轉存到內存緩存的概率取為10%，從內存緩存轉存到磁盤的概率取為20%。

　　對上述系統進行了測試，實驗結果如下：

　　●20個用戶同時直播，能夠正常播放，畫面流暢;

　　●時移到直播切換延時為0.5 s，直播切換到時移的延時為0.5 s;

　　●直播啟動延時為0.5 s;

　　●即時時移可支持0.5 h，在20個用戶同時時移時，也能夠達到平滑切換;

　　●20個用戶同時在線運行1 h后，每個用戶即可以以菜單方式回看已播電視。

　　5、結束語

　　本文提出了一種基于P2P技術的時移電視解決方案，該方案充分利用了客戶端資源，因此無需專用視頻服務器即可實現時移電視業(yè)務，從而解決了IPTV時移電視系統中建設成本高、擴展性差的問題。實驗驗證表明，本文提出的方案具備優(yōu)越的用戶體驗質量和良好的規(guī)模擴展性。