CN101640699A

CN101640699A - P2p流媒体系统及其中的流媒体下载方法

Info

Publication number: CN101640699A
Application number: CN200910109383A
Authority: CN
Inventors: 景麟; 孔庆峰; 邓宇
Original assignee: Shenzhen Skyworth Digital Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Skyworth Digital Technology Co Ltd
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2010-02-03

Abstract

本发明公开一种P2P流媒体系统及其流媒体下载方法。其中，该下载方法包括：普通节点向Tracker服务器发送下载流媒体数据的请求；Tracker服务器以服务能力和带宽利用率综合统计每一个普通节点和边缘节点的空闲状态值，将该普通节点所在P2P自治域中空闲状态值较大的多个普通节点和边缘节点以下载伙伴列表信息返回给所述普通节点；所述普通节点从所述下载伙伴列表中选择一个普通节点为空闲节点，由该空闲节点下载流媒体数据；所述普通节点从所述空闲节点下载流媒体数据。本发明确保了为用户提供一定服务质量保证，且有利于提高整个P2P流媒体系统的网络效率。

Description

P2P流媒体系统及其中的流媒体下载方法

技术领域

本发明涉及流媒体下载方法，尤其是涉及一种在P2P流媒体系统中采取发现空闲节点、由空闲节点采用P2P策略下载流媒体数据的方法。

背景技术

传统的流媒体服务大都是客户/服务器(Client/Service，C/S)模式，即用户从流媒体服务器点击观看节目，然后流媒体服务器以单播方式把媒体流推送给用户。如果正式运营的流媒体系统采用上述模式，所有的客户端全部连接到同一台服务器上，则服务器的压力会非常大，而且也会影响用户的视听效果，为此流媒体服务器采取了CDN(Content DeliveryNetwork，内容分发网络)网络结构。

CDN是一种基于C/S结构的分布式媒体服务技术平台，通过在现有的Internet中增加一层新的网络架构，并采用智能化策略将用户需要访问的内容分发到距离用户最近、服务质量最好的节点，同时通过后台服务自动地将用户调度到相应的节点，为用户提供最好的服务。这种方案有效缓解了Internet网络拥塞状况，提高用户访问网站的响应速度，比较好地解决了由于网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等原因造成的用户访问响应速度慢的问题。

但是，CDN技术虽然可以在一定程度上加速流媒体，实现下载、直播和点播，其核心仍然是基于集中服务器的架构，而且跟地域化管制紧密相连，因此很难降低其扩展的成本，而且CDN技术在高峰时期对突发流量的适应性、容错性等方面仍然存在一定缺陷。

在上述背景下，P2P技术走入人们的视野，一些厂商开始尝试在流媒体领域引入P2P技术而形成了P2P流媒体技术.具体而言，P2P流媒体技术是指流媒体服务器只发送少数几个媒体流给首先连接的几个用户，后面的用户不是从服务器直接获得数据，而是从前面的用户获得数据。该方法有两方面的优点。首先，这种技术并不需要互联网路由器和网络基础设施的支持，因此性价比高且易于部署；其次，流媒体用户不只是下载媒体流，而且还把媒体流上载给其他用户。因此，P2P流媒体技术可以扩大用户组的规模，且更多的需求也带来了更多的资源。

P2P流媒体系统按照其播送方式可分为直播系统和点播系统，此外近期还出现了一些既可以提供直播服务也可以提供点播服务的P2P流媒体系统。在流媒体直播服务中，用户只能按照节目列表收看当前正在播放的节目；直播的交互性较少，技术实现相对简单，因此P2P技术在直播服务中发展迅速。与直播领域相对应，在P2P流媒体点播服务中，用户可以选择节目列表中的任意节目观看，且P2P流媒体点播终端必须拥有硬盘，其实现成本高于直播终端。

在P2P流媒体系统中，拥有全部或部分数据的节点可以将数据发送给请求节点，同时，请求节点在得到部分数据后也能为其他节点提供服务，由于每个节点都将上传带宽来提供服务，系统的扩展性大大增强。理论上来说，如果任意一个节点在接收数据的同时也能为其他节点提供一条流的输出带宽，则系统的容量趋于无穷。但是，现实中P2P系统具有的下面两个特点，使得设计高效的P2P系统仍然面临很大的挑战。

1、动态的在线时间

在P2P系统中，节点的在线时间是不确定的，节点可能随时自动退出网络，或者由于电脑或程序故障而下线。当提供数据的节点突然退出时，请求节点需要迅速找到新的节点获取数据。所以，P2P系统应该能够在节点动态上下线的情况下保持稳定，对于P2P流媒体系统来说，应当在动态环境中保证节点的流服务质量。

2.节点带宽的异构性

跟其他方案不同，P2P流媒体系统中的节点是普通PC，他们可能通过任意终端和链路(比如拨号、ADSL或者VPN)接入网络。节点处理能力和带宽差别很大。而且，与传统的流服务器不同的是，节点的输出带宽通常是非常有限的，一个节点也许只能为少数几个请求节点提供服务，更或者需要几个节点才能为一个请求节点提供服务。因此，系统应该能够使节点自适应地根据带宽调整数据请求和发送，以保证每个节点都能以可以接受的速率接收码流。

鉴于P2P流媒体系统中实际的用户终端处理数据的能力和网络能力都不尽相同，特别是随着宽带用户(而ADSL网络用户占宽带用户很大的比例)逐渐的增加，ADSL网络上下行带宽不对称的特点对于P2P技术应用的影响比较大。即使在网络条件比较好的情况下，一个ADSL用户的上行带宽可能也无法满足其它用户的媒体接收速度，这样造成接收者带宽的浪费，同时接收媒体的质量低，会严重影响用户体验。因此，如何解决节点带宽异构条件下为用户提供一定服务质量保证并提高整个P2P网络的效率，成为当前急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提出一种P2P流媒体系统及其中的流媒体下载方法，通过在P2P流媒体系统中采取发现空闲节点、由空闲节点采用P2P策略下载流媒体数据来提高数据下载效率。

为达成上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其包括：

普通节点向Tracker服务器发送下载流媒体数据的请求；

Tracker服务器以服务能力和带宽利用率综合统计每一个普通节点和边缘节点的空闲状态值，将该普通节点所在P2P自治域中空闲状态值较大的多个普通节点和边缘节点以下载伙伴列表信息返回给所述普通节点；

所述普通节点从所述下载伙伴列表中选择一个普通节点为空闲节点，由该空闲节点下载流媒体数据；

所述普通节点从所述空闲节点下载流媒体数据。

优选的，所述P2P流媒体系统的流媒体下载方法还包括：

P2P自治域中的每个节点向Tracker服务器报告各自包括性能和带宽利用率的状态信息；

Tracker服务器根据动态的网络状况评估每一个节点的服务能力。

其中，每个节点的运算能力和能够提供的网络带宽决定了该节点的性能。

其中，节点的服务能力＝α*请求成功率+β*往返时延+γ*带宽+θ*在线时长，α，β，γ和θ均取[0，1]之间的数值。

其中，所述空闲节点先通过所述下载伙伴列表中的其他普通节点下载流媒体数据。

其中，若下载的流媒体数据不能满足播放需要，则通过所述下载伙伴列表中的边缘节点下载流媒体数据；若下载的流媒体数据还不能满足播放需要，则进一步通过其他P2P自治域下载流媒体数据；所述下载伙伴列表中的空闲节点和所述边缘节点构成采用推拉模式下载流媒体数据的小型CDN网络。

其中，任何一个新用户接入P2P自治域，都需要向Tracker服务器进行注册登录。

另外，本发明还公开一种使用了上述流媒体下载方法的P2P流媒体系统，。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明主要从用户端(即普通节点)的角度，考虑不同的普通节点接入P2P流媒体系统之后的带宽异构条件，通过寻找到既能快速建立连接又能提供快速下载的空闲节点，由空闲节点采用P2P策略下载流媒体数据，从而确保了为用户提供一定服务质量保证，且有利于提高整个P2P流媒体系统的网络效率。

附图说明

图1是P2P流媒体系统的网络拓扑示意图；

图2是本发明的流程示意图。

具体实施方式

P2P流媒体通过在内容分发网络(Content Delivery Network，CDN)中引入P2P技术的方式，在不增加成本的同时有效提升CDN服务能力，更有效地避免了P2P应用的诸多弊端，是在当前运营商网络状况下最理想的媒体业务承载平台方案。

P2P流媒体技术的核心设计思想是在CDN的边缘节点上引入P2P自治域，由单个或若干个边缘节点设备及其覆盖的最终用户作为对等实体，共同构成一个P2P自治域。在域内利用P2P技术实现资源共享，而自治域之间不发生流量交换。通过将这两种结构互异的网络进行光滑对接，在有效保障现有CDN资源的情况下，又能够充分吸收P2P的优势，实现了面向运营商的P2P服务。

如图1所示，基于CDN的P2P流媒体系统在骨干层面上保留了原有的CDN系统架构和功能，在边缘节点采用P2P技术进行媒体文件共享及分发，其一般采用3层结构：中心层、边缘层和P2P自治域层，且从中心层到边缘层和传统的CDN组织架构一样。

中心层由Tracker服务器1和提供源流媒体文件共享及分发的一个或多个流媒体源服务器2组成；边缘层是由若干个由中心层管理控制多个边缘节点3组成，由中心层对边缘节点3分发媒体文件；在边缘层以下的P2P自治域层，其是为了便于P2P的管理，将系统服务的网络分成若干个区域，称之为P2P自治域，每个P2P自治域由接入该网络区域的若干个普通节点(peer)4组成，用户的数据交换仅限于在其所在的P2P自治域内，尽量避免跨域间的P2P交换，由此将用户的数据流控制在一个域内，以减轻网络负载。

一般而言，普通节4的上行带宽大大小于下行带宽，这就导致了多个普通节点才能为一个普通节点提供服务，或者为了满足播放要求，大量数据来源于边缘节点3，占用边缘节点3服务器的下行带宽。为了解决带宽异构的问题，本发明以一个提出了充分利用空闲的普通节点来提高P2P流媒体传送效率，为用户(对应于普通节点)提供相对稳定的服务质量(Quality of Service，QoS)保证。

以一个新用户加入一个P2P自治域，成该该P2P自治域的一个普通节点为例，进一步详细描述本案的具体实现。

首先，任何以新用户接入P2P自治域的普通节点，都向Tracker服务器注册，Tracker服务器返回该普通节点的伙伴节点和边缘节点的列表信息，然后该普通节点与该列表中的各个节点进行会话，获取自己需要的数据。当然，Tracker服务器返回的列表对于该登陆的节点至关重要，直接会影响到该节点播放质量，故Tracker服务器会按下列步骤S10随便返回一些节点给所请求的用户。

步骤S101：各个普通节点和边缘节点在运行的过程中，都会定时向Tracker服务器报告自己的状态，这些状态信息最关键的是该节点的性能和带宽利用率。

其中，节点的性能＝a1*节点的运算能力+a2*带宽，(a1+a2＝1)。表示每个节点的数据处理能力(运算能力)和能够提供的网络带宽决定了该节点的性能。节点的性能在节点初始登陆时会向Tracker服务器汇报其运算能力和上下行带宽。

且每个节点统计自己当前所占用的上、下行带宽，算出自己的带宽利用率，定时向Tracker服务器汇报。

步骤S102：Tracker服务器根据动态的网络状况评估每一个P2P自治域中普通节点和边缘节点的服务能力。

覆盖网络与物理网络的匹配程度影响数据的传输效率，匹配程度越高，节点间的连接带宽就越大，传输延迟也就越小。如果以一个数据块为研究对象，每个数据块所流经的节点构成的都是一棵树，如何根据动态的网络状况选择最有效的分发路径实际上是一个以某一时刻的可用带宽为权值构造最小生成树的问题。根据节点评价机制动态的选择路由，使覆盖网络与物理网络的差异减小。节点的服务能力(Peer Service Capability，PSC)通过以下公式计算：

PSC＝α*请求成功率+β*往返时延+γ*带宽+θ*在线时长

请求成功率代表节点的历史服务信息，往返时延是节点间网络距离的描述，带宽和在线时长则分别从时间和空间描述了节点服务能力。它们都根据其上下限规范化为[0，1]之间的数值，以便统一计算。α，β，γ和θ是各自的比重系数，一般设为α＝0.4，β＝0.25，γ＝0.25，θ＝0.1，每个变量在新节点加入时设置一个经验初值，在系统运行过程可动态更新调整。

步骤S103：以服务能力比较强且带宽利用率不高定义每一个P2P自治域中节点(包括普通节点和边缘节点)的空闲状态值：节点的空闲状态值＝b1*节点的服务能力-b2*节点的带宽利用率；这样，Tracker服务器统计每一个P2P自治域中节点的空闲状态值。

其中，b1和b2可由用户需要进行设置。比如，若希望服务延迟小，可以选择邻近的节点快速建立会话，如在局域网内有提供服务的节点，就不选择互联网上的节点，这也可以避免互联网上的带宽波动和拥塞，这样会优先考虑节点的服务能力，在b2取值不变的情况下将b1取值稍微大些，以强化节点的服务能力对节点的空闲状态的影响；又如，若希望得到较稳定的服务，应选择相对稳定的节点，如在系统中停留时间较长，不会频繁加入或退出系统的或正在接受服务的节点，这样会优先考虑节点的带宽利用率，在b1取值不变的情况下将b2取值稍微大些，以强化节点的带宽利用率对节点的空闲状态的影响。

另外，节点的服务能力与请求成功率、往返时间、带宽和在线时长四个因素有关。请求成功率、往返时间其实与节点的自身上下行带宽有很大关系；当上下带宽比较大时，一般来说自己的拥有的数据块要多，能提供给别人的成功率要高。往返时间与网络状况、物理距离、拓扑网结构、对等节点之间的带宽等等有关，而自己的带宽其实是一个比较重要的因素。由此可见，寻找节点服务能力比较强的节点且带宽利用率不高的节点，等同于寻找节点性能比较强的节点和带宽利用率不高的节点。

步骤S104：当加入一个P2P自治域的一个普通节点需要下载流媒体数据时，发送请求消息给Tracker服务器。

步骤S105：Tracker服务器将该普通节点所在P2P自治域中，将空闲状态值较大(空闲状态值越大，表明该节点就越空闲，使用该节点下载流媒体数据越有利)一个或多个节点(包括普通节点和边缘节点)以下载伙伴(peer)列表信息返回给所请求的普通节点。

步骤S106：普通节点从peer列表中选择一个空闲状态值较大的普通节点(简称空闲节点)，与该空闲节点进行数据下载前的通信会话。

步骤S107：在一个P2P自治域中找到空闲节点后，空闲节点优先考虑从该peer列表中的边缘节点和其他空闲节点下载，其次再考虑向其他普通节点下载流媒体数据。

空闲节点下载数据和普通节点下载数据的本质区别是空闲节点下载数据是为了服务于其他节点，而普通节点下载数据是为了本地播放。普通节点下载的数据只要能满足播放要求就可以了，为了减轻边缘节点的负荷，普通节点优先找其他普通节点下数据，下载速率达不到播放码率的要求然后才考虑向边缘下载数据。由于空闲节点不存在播放的问题，并且系统对流媒体数据的时效性的要求比较高，所以可能空闲节点下载的数据，很大一部分为过时数据，从而不能提供给其他节点下载。由于在一个P2P自治域中，空闲节点的个数是有限的，并且是很少数，所以空闲节点为了更快的获得有效数据可以优先考虑从边缘节点和其他空闲节点下载，其次再考虑向其他普通节点下载。

也就是说，空闲节点首先从peer列表中的其他空闲节点获取数据，若数据不能满足播放的需要，则会从peer列表中的边缘节点下载数据，若仍然不能满足播放需要，则从其他P2P自治域来获取流媒体数据以满足播放需要。

在P2P自治域中，空闲节点和边缘节点构成小型CDN网络。这个小型CDN网络采用推拉模式，空闲节点之间的数据可以共享，可以互相推拉，减少从边缘节点下载数据的带宽。

步骤S108：由空闲节点下载流媒体数据之后，请求下载流媒体数据的普通节点即可从该空闲节点获取流媒体数据。

由此可见，本发明主要从用户端(即普通节点)的角度，考虑不同的普通节点接入P2P流媒体系统之后的带宽异构条件，通过寻找到既能快速建立连接又能提供快速下载的空闲节点，由空闲节点采用P2P策略下载流媒体数据，从而确保了为用户提供一定服务质量保证，且有利于提高整个P2P流媒体系统的网络效率。

Claims

1、一种P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其特征在于，包括：

普通节点向Tracker服务器发送下载流媒体数据的请求；

所述普通节点从所述空闲节点下载流媒体数据。

2、根据权利要求1所述P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其特征在于，还包括：

3、根据权利要求2所述P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其特征在于，每个节点的运算能力和能够提供的网络带宽决定了该节点的性能。

4、根据权利要求2所述P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其特征在于，节点的服务能力＝α*请求成功率+β*往返时延+γ*带宽+θ*在线时长，α，β，γ和θ均取[0，1]之间的数值。

5、根据权利要求1所述P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其特征在于，所述空闲节点先通过所述下载伙伴列表中的其他普通节点下载流媒体数据。

6、根据权利要求5所述P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其特征在于，若下载的流媒体数据不能满足播放需要，则通过所述下载伙伴列表中的边缘节点下载流媒体数据.

7、根据权利要求6所述P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其特征在于，若下载的流媒体数据还不能满足播放需要，则进一步通过其他P2P自治域下载流媒体数据。

8、根据权利要求1所述P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其特征在于，所述下载伙伴列表中的空闲节点和所述边缘节点构成采用推拉模式下载流媒体数据的小型CDN网络。

9、根据权利要求1所述P2P流媒体系统的流媒体下载方法，其特征在于，任何一个新用户接入P2P自治域，都需要向Tracker服务器进行注册登录。

10、一种P2P流媒体系统，其特征在于，采用了如权利要求1-9任何一项的流媒体下载方法。