移動混合型對等網(wǎng)絡P2P流媒體系統(tǒng)

朱聃　何燕鋒　劉志軍

摘? 要：P2P流媒體系統(tǒng)當前已成為互聯(lián)網(wǎng)應用領域的一個熱點。針對目前P2P流媒體系統(tǒng)存在的問題，文章提出了一種新的P2P流媒體系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用數(shù)字版權管理和媒體流加密技術，有效解決了現(xiàn)有P2P系統(tǒng)的盜版問題;將傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)客戶端/服務器模式與P2P模式相結合，改善了單純P2P系統(tǒng)的性能;將P2P的應用擴展到移動終端，大大減輕了接入節(jié)點的服務壓力和投資成本。

關鍵詞：對等網(wǎng)絡;流媒體;數(shù)字版權管理;移動對等實體代理

中圖分類號：TP393.09 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0089-03

P2P Streaming Media System of Mobile Hybrid Peer-to-Peer Network

ZHU Dan，HE Yanfeng，LIU Zhijun

（Fixed Line and Multimedia Product Line，ZTE Corporation，Nanjing? 210012，China）

Abstract：P2P streaming media system has become a hotspot in the field of internet application. In view of the problems existing in the current P2P streaming media system，this paper proposes a new P2P streaming media system. The system uses digital rights management and media stream encryption technology to effectively solve the piracy problem of existing P2P system;combines the traditional internet client/server mode with P2P mode to improve the performance of simple P2P system;extends the application of P2P to mobile terminals，greatly reducing the service pressure and investment cost of access nodes.

Keywords：P2P;streaming media;DRM;mobile peer entity agent

0? 引? 言

隨著大規(guī)模存儲、高性能工作站以及5G等技術的進步，各式各樣的多媒體通信服務迅猛發(fā)展。基于P2P的流媒體技術解決了傳統(tǒng)客戶端/服務器（C/S）模式的流媒體服務可擴展性差、容錯性不好、魯棒性弱等問題，極大降低了互聯(lián)網(wǎng)流媒體服務的投入成本[1]。

但根據(jù)對用戶使用P2P流媒體服務的反饋看，現(xiàn)有服務仍然不能滿足用戶體驗方面的需求，主要表現(xiàn)為：P2P流媒體軟件從啟動到播放的時延相比傳統(tǒng)模式要大;在播放過程中由于傳輸速率不穩(wěn)定常常出現(xiàn)流媒體跳幀的現(xiàn)象;受到帶寬頻率的限制，在移動終端上使用P2P流媒體往往會加大無線接入點的壓力，接入終端的數(shù)量也受到限制，所以在移動終端上使用P2P流媒體還比較困難。除了在用戶端存在的問題，現(xiàn)有P2P流媒體系統(tǒng)還受到內容提供商的抱怨，因為他們大部分沒有對內容的版權進行控制，使得播放的內容很容易被盜版[2]。

基于筆者在多媒體通訊領域多年的工作和研究經(jīng)驗，結合P2P流媒體技術現(xiàn)狀，提出了一種在服務器輔助下的P2P網(wǎng)絡的流媒體系統(tǒng)，通過結合C/S模式和P2P模式的特性，使得流媒體的傳輸達到一種相對穩(wěn)定的速率，同時改善了流媒體播放的速度，并且為移動終端設計了能夠不通過接入網(wǎng)絡就進行P2P通信的終端間短距離通信模塊。在此基礎上，該系統(tǒng)還引入了內容的版權控制，為P2P流媒體服務的商業(yè)化提供保障。

1? 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

本系統(tǒng)采用C/S模式與P2P方式混合的結構，服務器一方面提供可供下載的對等終端的列表，另一方面還可以對剛接入系統(tǒng)的終端提供C/S模式的下載流。這樣當剛接入系統(tǒng)的客戶端還沒有在P2P方式的流媒體網(wǎng)絡中達到相對穩(wěn)態(tài)的速率時，服務器可以快速地提供穩(wěn)定的下載流;而當P2P方式的媒體流達到穩(wěn)態(tài)時，服務器就停止為該終端提供下載流，轉而服務新近加入的終端。其網(wǎng)絡結構如圖1所示。

在實際部署中，服務器可以以集群方式進行部署;而客戶端在下載過程中將會出現(xiàn)兩種狀態(tài)，即P2P穩(wěn)態(tài)和非P2P穩(wěn)態(tài)。這樣系統(tǒng)在運行中就形成兩個客戶端網(wǎng)絡：穩(wěn)態(tài)P2P流媒體網(wǎng)絡和非穩(wěn)態(tài)P2P流媒體網(wǎng)絡。穩(wěn)態(tài)的P2P流媒體網(wǎng)絡和服務器間只進行狀態(tài)信息的交互，不進行媒體流的下載;而非穩(wěn)態(tài)的P2P流媒體網(wǎng)絡中的客戶端則與服務器間有媒體流的傳遞?？蛻舳嗽诮邮芊者^程中將會在兩種狀態(tài)間進行變換，一旦P2P方式的媒體流無法滿足播放的要求時，其將向服務器請求補償;而當該方式能夠滿足時，服務器將主動斷開連接。

2? 系統(tǒng)邏輯架構

系統(tǒng)從邏輯上分為三層：內容層面、網(wǎng)絡層面和用戶層面。內容層面主要是管理流媒體視頻和用戶的數(shù)據(jù)，同時管理計費;該層面主要是提供給內容提供商使用。系統(tǒng)的主要部分集中在網(wǎng)絡層和用戶層。下面就這兩個層面的主要模塊進行論述。

2.1? P2P流媒體模塊

P2P流媒體模塊處理所有流媒體文件的分布式傳送。將傳送流媒體的負載分布到用戶端，是基于某種特定的策略進行調度的，這種策略很好的均衡了整個流媒體網(wǎng)絡的分發(fā)能力。該策略還將調度機頂盒中的流媒體數(shù)據(jù)的更新時間，而P2P模塊會跟蹤每個流媒體文件塊所在的位置（即存儲在哪個機頂盒上）。

為了使系統(tǒng)能夠用于移動終端設備上，我們還專門設計了針對移動終端的P2P流媒體模塊，特別是開發(fā)了能夠適配藍牙和Wi-Fi的接口，使得移動終端之間能夠進行P2P方式的業(yè)務通信。由于移動終端的特殊性，因此移動終端上的P2P模塊設計需要有一定網(wǎng)關的功能。為了激勵用戶能夠自覺自愿的提供移動網(wǎng)關能力的支持，系統(tǒng)將給提供該功能的用戶以一定的積分獎勵。

2.2? 移動對等實體代理

作為系統(tǒng)的擴展，移動對等實體代理（MPB）處于網(wǎng)絡層和用戶層之間，其部署在互聯(lián)網(wǎng)的邊緣與移動接入網(wǎng)相連。一方面，MPB在互聯(lián)網(wǎng)端和機頂盒、中心服務器構成混合的P2P流媒體網(wǎng)絡，它在其中作為一個對等實體。另一方面，它在移動接入網(wǎng)絡端將流媒體轉換成適合無線接入網(wǎng)接入速率的媒體流，然后轉發(fā)給相應的移動終端。作為P2P流媒體網(wǎng)絡中的節(jié)點，MPB是根據(jù)移動接入網(wǎng)的分布進行部署的，其形式非常靈活。

在整個流媒體服務開始的時候，只有很少的幾個用戶在下載流媒體數(shù)據(jù)，此時大多數(shù)流媒體的傳送是通過服務器完成的。但是隨著下載流媒體用戶數(shù)量的增多，服務器端的數(shù)據(jù)傳送就開始減少，而最終流媒體的分發(fā)將完全由終端用戶的終端設備來完成。這樣不僅節(jié)省了服務器的接入帶寬，而且對網(wǎng)絡層面服務器能力的要求也沒有單純的C/S模式下的那么高;另一方面則保證了用戶對流媒體播放請求響應時間的要求。

2.3? 數(shù)字版權管理模塊

本系統(tǒng)的數(shù)字版權管理（DRM）功能負責給系統(tǒng)的會員用戶授權訪問系統(tǒng)的媒體資源，管理加密的密鑰，并在媒體內容下載到用戶端后能夠繼續(xù)被保護。系統(tǒng)在數(shù)字版權管理上分別針對C/S模式的流媒體和P2P方式的流媒體設計了兩種流程，如圖2、圖3所示。

圖2中所有的流媒體數(shù)據(jù)在發(fā)布之前都經(jīng)過了加密處理，當終端用戶想要觀看其下載的流媒體電影時，必須獲得系統(tǒng)提供的打包信息，該信息包含了加密密鑰和一個內容的唯一標識。當然，用戶只有付費后才能夠接收到系統(tǒng)提供的該打包信息。只有采用特定的標志碼，流媒體電影才能夠被收看;采用這種方式，流媒體內容是安全的。

圖3中流媒體數(shù)據(jù)通過P2P網(wǎng)絡進行下載播放，但在播放前用戶必須購買體系提供的數(shù)字證書才能夠播放流媒體，該證書一方面保證下載到用戶端的流媒體的一致性和完整性，另一方面也防止用戶在轉發(fā)過程中非法改變傳播的流媒體。

3? 網(wǎng)絡層面服務器負載和能力的估算

為了能夠從理論上給出混合P2P流媒體系統(tǒng)在性能方面的優(yōu)勢，我們將對服務器的負載進行分析。為此，我們先計算在能夠滿足所有文件請求的情況下，文件從服務器端被下載的頻度。這意味著一個用戶在發(fā)出播放流媒體電影的請求后，就能夠立刻看到流媒體電影的畫面。

如果假設電影數(shù)據(jù)庫中有1 000部電影文件，則從服務器端下載流的總量為1 000（電影數(shù)量）×45 000（下載流/電影）×1.3 GB（每部電影的大小）≈57 128.9 TB。而如果假設電影是幾乎同時被發(fā)布的，則考慮同一時間峰值請求為用戶基數(shù)的1%，即為10 000，那么服務器所需的最大帶寬為10 000×2 MBit/s=20 GBit/s。

4? 結? 論

本文介紹了一種新型流媒體系統(tǒng)，該系統(tǒng)一方面結合了C/S模式和P2P方式改善了用戶體驗;另一方面能夠提供給移動終端使用，擴展了個性化的應用。同時，系統(tǒng)引入了數(shù)字版權管理的機制，解決了合法應用的問題。最后文章對系統(tǒng)的負載性能進行了理論上的分析，從結果可以看出采用該系統(tǒng)能夠大大節(jié)約服務器的投資成本。

參考文獻：

[1] 董海韜.基于對等網(wǎng)絡的流媒體傳輸系統(tǒng)技術研究 [D].北京：清華大學，2005.

[2] 梁曉輝，游志勝.流媒體技術及其在寬帶網(wǎng)絡中的應用與發(fā)展 [J].信息網(wǎng)絡，2004（2）：38-43.

作者簡介：朱聃（1983.01—），男，漢族，江蘇揚州人，工程師，研究生，工學碩士，研究方向：多媒體通信技術;何燕鋒（1977.01—），男，漢族，廣西玉林人，高級工程師，研究生，工學碩士，研究方向：多媒體通信技術;劉志軍（1972.12—），男，漢族，山東德州人，工程師，研究生，管理學碩士，研究方向：多媒體通信技術。