基于P2P的视频直播系统的设计和实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 1.69MB 68 页 15积分

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摘要

随着 P2P 网络的应用领域越来越广泛，基于 P2P 技术的流媒体传输系统作为

P2P 技术的重要应用之一也成为当前分布式系统领域的一个研究热点。

本课题尝试将 P2P 网络和流媒体技术进行结合，在研究现行模型和技术的基础

上，构架了一个基于 P2P 的视频直播系统，并对相关问题进行了深入研究，其中

包括 P2P 覆盖网络设计、根据底层网络状况进行均衡负载的优化算法、数据源预

处理、Buffer 管理机制和差错控制和恢复等。

本文的研究工作取得了以下成果：

1．结合流媒体应用的特点和需求，提出了一个分布式环境下的单源应用层多

播协议 SSAMP(Single Source Application Layer Multicast protocol) ，并讨论了

SSAMP 协议在支持节点加入，节点状态维护、节点离开和失效、回路检测与消除

等方面的核心算法。

2．为实现均衡负载的目标，引入了相应的优化策略。这一优化策略均衡了系

统负载，有效地减小了多播树高度和平均源到端延时。同时，经过几轮优化，系

统中性能较好的节点因为其对系统的贡献较大而被定位到距离根节点较近的位

置；相反，系统中性能较差的节点因为其对系统的贡献较小而不断下沉，被定位

到叶节点的位置，提高了节点的带宽利用率，使多播树的结构趋于合理。

3．实现了该直播系统视频数据的预处理。这一过程主要包括编码和拆分两个

步骤，负责将原始媒体文件定制成时间长度相等的片断(Segment)在覆盖网络上进

行传输和缓存。

4．提出了高效的 Buffer 管理机制。由于节点的不稳定性和网络的动态性，网

络连接是一个不稳定的状态，视频流数据的传输可能会出现短时间内的中断。因

此，网络中的任何一个节点都需要具有一定的缓存能力来缓存最近固定时间长度

内的视频流数据，并以时间间隔为单位进行管理，以便在多播树恢复的过程中，

保证视频流播放的连续性。

5．差错控制与恢复：对于实时性要求较高的视频直播系统而言，重传所有出

错的数据是不现实的，通过采用有条件地选择重传的办法对重传机制加以限制，

以满足视频直播系统对实时性的需要。

关键词：对等网络非结构化 P2P 分布式应用层组播视频直播

ABSTRACT

Along with the application of P2P technology becomes more and more popular，

P2P streaming system based on P2P technology has become one of the hotspot

researches in distributed system.

This subject attempts to make a combination of P2P Internet and streaming

technology. On basis of present model and technology researching, we established a

video live system based on P2P, and made an in-depth research on the relative issues,

including design of P2P overlay network, optimized arithmetic of balanced load based

on bottom network status, pretreatment of data resource, Buffer management

mechanism, error control and recovery.

The contribution of this paper is as following:

1. According to the specialty and requirement of streaming application, Single

Source Application Layer Multicast protocol (SSAMP) is made in distributed

environment, and discuss the SSAMP core arithmetic of node adding, node status

maintenance, node leaving and invalidation, loop inspecting and canceling when

supporting the streaming application.

2. To reach the goal of load balance, corresponding optimized tragedy is imported.

This tragedy balances the system load, effectively makes the diameter and the average

delay of source to end on the multicast tree shorter. At the same time, after optimized

several times, the better nodes are located at the site nearer to root node because of their

greater contribution. On the contrary, the worse nodes go down and are located as leaf

nodes for their little contribution, utilization rate of bandwidth is higher in this way.

3. Pretreatment of live system video data. The process, mainly including coding and

splitting, splits the media file into several segments with the same time-length for

sending and saving temporarily on overlay topology.

4. Effective buffer management mechanism. Because of node instability and

dynamic specialty of network, network connection among peers is in unstable status, the

transmission of video streaming data may be interrupted in a short time. Therefore, any

node in the network must have some ability of caching to save video streaming data

temporarily in a fixed time-length, and manages the buffer according to the time interval

so as to keep the continuity of video streaming playing in the process of multicast tree

recovery.

5. Error control and recovery. As for the video live system of, re-send all the data

which was error is unpractical, so we should make a limit to the re-sending mechanism

and adopt the re-send methods with criteria to fulfill the requirement of real time

application.

Key word: Peer-to-Peer network, Unstructured P2P System,

Distributed, Application Layer Multicast, video living broadcast

中文摘要

ABSTRACT

第一章引言 .................................................................................................................1

§1.1 对等网络 ...........................................................................................................1

§1.1.1 P2P 与C/S 模式对比 ............................................................................. 2

§1.1.2 对等网络的现状 .....................................................................................3

§1.2 流媒体应用简介 ...............................................................................................4

§1.3 研究的目标及面临的挑战 ...............................................................................5

§1.4 研究的主要内容 ...............................................................................................6

§1.5 论文结构 ...........................................................................................................7

第二章研究背景和相关工作 .......................................................................................8

§2.1 对等网络 ...........................................................................................................8

§2.1.1 非结构化对等网络 .................................................................................8

§2.1.2 结构化对等网络 ...................................................................................10

§2.1.3 二者对比 ...............................................................................................12

§2.2 P2P 流媒体技术 ............................................................................................. 12

§2.2.1 应用层组播研究的概况 .......................................................................13

§2.2.2 应用层组播中的主要算法 ...................................................................13

§2.2.3 应用层组播中涉及的关键技术 ...........................................................16

第三章 P2P 覆盖多播网络设计 ................................................................................. 18

§3.1 网络模型及问题描述 .....................................................................................19

§3.2 系统整体架构简介 .........................................................................................19

§3.3 关键技术和算法 .............................................................................................21

§3.3.1 节点加入 ...............................................................................................22

§3.3.2 节点状态维护 .......................................................................................25

§3.3.3 节点离开和失效 ...................................................................................25

§3.3.4 回路检测与消除 ...................................................................................27

§3.3.5 均衡负载优化算法 ...............................................................................27

§3.3.6 数据传输 ...............................................................................................29

§3.4 节点状态分析 ..................................................................................................30

第四章视频直播若干关键技术的设计和实现 .........................................................32

§4.1 JMF 简介 ........................................................................................................ 32

§4.2 视频直播架构 .................................................................................................33

§4.3 视频直播软件结构 .........................................................................................35

§4.3.1 媒体服务器（Media Server）软件结构 .............................................36

§4.3.2 节点（Peer）软件结构 ....................................................................... 37

§4.4 关键技术和算法 .............................................................................................38

§4.4.1 数据源预处理 .......................................................................................38

§4.4.2 Buffer 管理 ........................................................................................... 41

§4.4.3 差错控制与恢复 ...................................................................................43

§4.5 成果展示 ..........................................................................................................45

第五章性能评价 .........................................................................................................49

§5.1 试验模型设计 .................................................................................................49

§5.2 试验环境设置和性能评价指标 .....................................................................49

§5.3 性能测试 .........................................................................................................51

§5.3.1 节点接纳率测试 ...................................................................................51

§5.3.2 多播树平均高度测试 ...........................................................................52

§5.3.3 视频数据传输质量测试 .......................................................................54

第六章总结及进一步工作 .........................................................................................57

§6.1 总结 .................................................................................................................57

§6.2 进一步工作 .....................................................................................................58

参考文献 .........................................................................................................................60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................64

致谢 .............................................................................................................................65

第一章引言

近年来，随着网络容量与规模以指数级增长并席卷全球，人们的生活和工作方

式都随之发生了很大的变化。人们使用网络进行交流的方式也越来越多，已经不

再局限于传统的文本和图像，各种各样的多媒体通信(Multimedia Communication)

服务从技术上和经济上成为可能。多媒体通信可以集成视频、音频、文本及图像

为一体，为用户提供更为丰富的使用体验，因此得到了越来越为广泛的应用。特

别是流媒体技术的出现和普及，使得声音、影像或动画等时基媒体可以由音视频

服务器向用户计算机连续、实时的传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕就

可以观看到媒体节目，从而满足了实时交互的需要。

研究发现，在系统架构方面，传统的视频会议、视频点播、远程医疗等应用系

统大都采用了 C/S(Client/Server)模式，其本质都是通过服务器发送音频、视频等多

媒体数据。这样的模式导致服务器的负担过重，并且一旦服务器失效，容易造成

服务的不可用。同时，由于每次通信中，音频、视频都需要通过服务器中转，因

而造成延时较大。

为了克服传统 C/S 模式的弊端，本课题给出了基于对等网络(P2P，Peer- to- Peer)

技术的流媒体应用模式，对目前热门的基于应用层组播的流媒体通信模式进行了

深入的研究。设计并实现了一个基于 P2P 的视频直播系统，旨在为流媒体应用提

供切实可行的实施方案，并且在介绍 P2P 模式的基础之上，就其相关的应用层组

播策略、性能优化算法、

Buffer 管理机制及差错控制和恢复算法等方面进行了探讨。

§1.1 对等网络

对等网络(Peer-to-Peer)是一种全新的通信模式。在这种通信模式下，网络中的

计算机(这里称为对等机)通过直接互连共享计算机资源和服务，其中所有的节点是

对等的，兼有客户机和服务器的功能，具有相同的责任与能力并协同完成任务。

这一点不同于以往的客户端/服务器模式(Client/Server，C/S)。对等节点之间通过直

接互连实现信息、处理器、存储甚至高速缓存等资源的全面共享，无需依赖集中

式服务器支持，消除了信息资源孤岛和客户机/服务器模型中的服务瓶颈问题。对

等网络系统具有自组织性、容错性好、可扩展性强等特性，这使得其特别适合于

广域网范围的各种应用，尤其是文件共享。除文件共享外，有研究人员提出利用

对等网络来构建大规模、高容错性的存储系统、进行内容发布、替代现有的 Web

服务；甚至通过底层的覆盖网络将包括互联网在内的各种异构网络形式结合在一

基于 P2P 的视频直播系统的设计和实现

起，演化出异构且可扩的复杂网络体系。

§1.1.1 P2P 与C/S 模式对比

由于 P2P 是非中心结构的对等模式，与传统的 C/S 模式比较就拥有了如下的优

势：

(1) 资源利用率高。在 P2P 网络上，闲散资源有机会得到利用，所有节点的资

源总和构成了整个网络的资源，整个网络可以被用作具有海量存储能力和巨大计

算处理能力的超级计算机；然而在 C/S 模式下，纵然客户端有大量的闲置资源，

也无法被利用。

(2) 随着节点数目的增加，C/S 模式下服务器的负担也会随之越来越重，形成

了整个系统的瓶颈，一旦服务器崩溃，整个网络也随之瘫痪；然而在 P2P 网络中，

每个对等节点都是一个活动的参与者，每个对等节点都向网络贡献一些资源，如

存储空间、CPU 周期等。所以，对等节点越多，网络的性能越好，网络随着规模

的增大而越发稳固。

(3) P2P 网络基于内容的寻址方式处于一个更高的语义层次，因为用户在搜索

时只需指定具有实际意义的信息标识而不是物理地址，每个标识对应包含这类信

息的节点的集合。这将创造一个更加精炼的信息仓库和一个更加统一的资源标识

方法。

(4) 信息在对等节点间直接流动，高速及时，降低中转服务成本。

(5) C/S 模式下的互联网是完全依赖于中心点--服务器的，没有服务器，网络就

没有任何意义；而在 P2P 网络中，弱化了服务器的功能，甚至取消了服务器，任

意两台 PC 互为服务器/客户机，即使只有一个对等节点存在，网络也是活动的，

对等节点可以将自己的信息发布到网络上。P2P 的技术方式将导致信息数据成本资

源向所有用户的 PC 均匀分布，即“边缘化”趋势。

但是，P2P 网络也有不足之处。首先，P2P 网络不易于管理，而对于 C/S 网络，

只需在中心点服务器进行管理。随之而来的是 P2P 网络中数据的安全性难于保证。

因此，在安全策略、备份策略等方面，P2P 网络的实现较 C/S 网络要复杂一些。另

外，由于对等节点的行为不可预见，可以随意地加入或退出网络，会造成网络带

宽和信息存在的不稳定。

P2P 技术与 C/S 技术的性能比较可以简单概括如表 1-1 所示：

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摘要：

摘要随着P2P网络的应用领域越来越广泛，基于P2P技术的流媒体传输系统作为P2P技术的重要应用之一也成为当前分布式系统领域的一个研究热点。本课题尝试将P2P网络和流媒体技术进行结合，在研究现行模型和技术的基础上，构架了一个基于P2P的视频直播系统，并对相关问题进行了深入研究，其中包括P2P覆盖网络设计、根据底层网络状况进行均衡负载的优化算法、数据源预处理、Buffer管理机制和差错控制和恢复等。本文的研究工作取得了以下成果：1．结合流媒体应用的特点和需求，提出了一个分布式环境下的单源应用层多播协议SSAMP(SingleSourceApplicationLayerMulticastprotoc...

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