CN101867777B - 一种基于对等计算机顶盒的视频点播传输方法 - Google Patents

Abstract

一种基于对等计算机顶盒的视频点播传输方法拓扑结构包括网络电视(IPTV)后台服务系统、IPTV终端用户群、互联网用户群，其中IPTV终端用户群由各用户机顶盒组成，互联网用户群由电脑(PC)机用户组成，IPTV后台服务系统主要由电子节目单服务器(EPG)、索引服务器服务器(Tracker)、种子制作服务器、网页浏览服务器(WEB)以及流媒体服务器组成。本发明改进了BitTorrent协议，引进了滑动窗口，采用集中目录式对等网络(P2P)结构，解决了服务器单点失效和连接服务器瓶颈问题，减轻了服务器端负载压力。实现了对等计算在机顶盒中的应用。

Description

一种基于对等计算机顶盒的视频点播传输方法

技术领域

本发明公开了一种嵌入式P2P(Peer-to-Peer)机顶盒视频点播传输的实现方法，其系统总体架构包括IPTV后台服务系统、IPTV终端用户群、还有互联网用户群，其中IPTV后台服务系统又包括EPG服务器、Tracker服务器、种子制作服务器和流媒体服务器群。本发明使用的P2P下载技术为改进的BitTorrent协议，以实现视频点播对实时性的要求，属于对等网络应用领域。

背景技术

对等计算技术(Peer-to-Peer Computing，P2P)改变原来的C/S计算(Client/Server Computing)或是B/S计算(Brower/Server Computing)这样不对称的计算模式，每个节点地位对等，可以同时成为服务的使用者和提供者，这为大规模的信息共享、直接通信和协同工作提供了灵活的、可扩展的计算平台。目前P2P技术主要应用到以下几个领域：提供文件和其它内容共享的P2P网络、基于P2P方式的协同处理与服务共享平台、即时通讯交流和语音通信软件、视频共享系统等。

嵌入式IPTV机顶盒作为网络多媒体终端在网络电视(IPTV)系统中已经获得了广泛的应用。但是传统的机顶盒采用的传输模式基本上都是c/s模式，这对服务器的性能和稳定性提出了很高的要求，因此在IPTV网络中引入P2P模式是很有创新型的做法。在本视频点播中采用的是集中目录式P2P计算模式，它采用中央服务器(Tracker)管理P2P各节点，当节点要下载流媒体文件时，要向Tracker注册自身信息，然后Tracker给下载节点提供当前正在下载同一视频文件的邻接节点的信息，然后下载节点可以从这些节点中下载需要的视频文件。另外我们在网络中可以设置若干台拥有完整流媒体资源的种子(seed)服务器作为流媒体资源上传者供下载节点下载，这样可以保证内容发布的可管理性，并且使共享资源的查找和更新更加方便，这为大规模的信息共享、直接通信和协同工作提供了灵活的、方便的、可扩张的计算平台，这样的模式可以减轻服务器的负载，让整个网络的负载压力由服务器端向整个网络均衡，同时机顶盒端下载速度也会变得迅速。

视频点播按照用户点播终端的形式可以分为两类：基于PC机的点播和基于机顶盒的点播。基于PC机的视频点播是指在PC机上通过视频播放器点播宽带网络传送来的视频影片。而基于机顶盒的视频点播是指通过机顶盒将宽带网络与电视机等视频娱乐终端连接起来，让人们更舒适地欣赏视频娱乐节目。

本视频点播的硬件平台采用达芬奇数字平台(DaVinci)TMS320DM6446，达芬奇数字平台(DaVinci)TMS320DM6446是TI公司新提供的面向视频开发领域，拥有ARM(Advanced RISC Machines)和DSP(Digital Singnal Processor)双CPU(Central Processing Unit)内核的高端嵌入式开发平台，主频高达720MHZ。该平台上拥有丰富的硬件接口如USB(Universal Serial Bus)、网卡、IDE硬盘接口(Integrated Drive Electronics)等等，因此可以选择在该平台上开发一款高性能和拥有广泛业务(包括电子商务，股票交易，视频聊天等)的IPTV(Interactive PersonalityTV)机顶盒。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于对等计算机顶盒的视频点播传输方法，可以实现边下载边播放的功能，并且能够做到客户端节点资源互传，它是视频点播中的P2P传输方法，能够满足点播系统对实时性的要求，该方案具有新颖性、灵活性、易扩展性和易操作性，具有很好的市场前景。

技术方案：本发明是在机顶盒上实现视频点播的P2P传输，其网络拓扑结构包括EPG服务器、Tracker服务器、流媒体服务器，Web服务器还有机顶盒客户端。EPG服务器用来生成机顶盒客户端所需要的点播电子节目单，该节目单将以XML文件的形式发送到机顶盒端，然后进行解析，完成用户验证的功能，并且它还带有用户身份认证的功能，只有合法注册用户才能得到节目单；Tracker服务器是结构化P2P网络中用于管理P2P节点的中央服务器，P2P节点向Tracker服务器注册关于自身的信息(名称、地址、资源和元数据等)，并且得到邻居节点信息，最终通过邻居节点得到视频资源；流媒体服务器作为流媒体资源存放地，对发布的视频数据拥有完整的资源，它保证了内容发布的可管理性，使得对共享资源的查找和更新非常方便；种子制作服务器主要用于压缩视频资源，制作视频资源文件的种子文件等；Web服务器用来将要发布的视频文件种子文件发布出去供PC机用户下载，同时也扩充流媒体资源的数目；机顶盒客户端采用硬件平台是达芬奇数字平台(DaVinci)TMS320DM6446，传输方法的软件平台采用的是改进的BitTorrent，它对传统的BitTorrent协议进行了改进并引进滑动窗口的概念，使BitTorrent能够满足实时性的要求。

采用对等网络技术解决大量的流媒体资源文件传输，它采用的拓扑结构包括网络电视后台服务系统、网络电视终端用户群、互联网用户群，其中网络电视后台服务系统又包括电子节目单服务器、索引服务器、节目制作服务器、网页浏览服务器以及流媒体服务器群。整个机顶盒视频点播的传输过程如下：

步骤1：种子制作服务器制作种子并发布到网页浏览服务器；

步骤2：电子节目单服务器、互联网用户从网页浏览服务器下载种子文件，然后电子节目单服务器根据种子文件制作电子节目单，互联网用户通过种子文件下载视频文件；

步骤3：网络电视机顶盒用户开机后向电子节目单服务器发送请求，通过认证后下载电子节目单信息，并且显示到电视机上；

步骤4：用户根据节目单信息用遥控器选择点播节目，点击确定后机顶盒向电子节目单服务器服务器请求种子文件；

步骤5：用户得到种子文件后立刻开始下载视频文件，首先是根据种子文件找到索引服务器服务器地址，然后向索引服务器注册自身信息，得到邻居节点信息，加入对等网络；

步骤6：网络电视客户端、互联网用户都可以从流媒体服务器上得到想要的分片资源，同时网络电视客户端之间、互联网用户之间、以及两者之间都可以互通有无；

步骤7：网络电视用户边下载边播放并最终完成下载播放，互联网用户最终也下载完成视频资源。

采用对等网络技术解决大量的流媒体资源文件传输，所采用的对等网络技术为BitTorrent协议，它是现今比较流行的对等P2P协议，为了满足视频点播实时性的要求要对BitTorrent协议进行如下改进：

改进1：改进分片请求机制，抛弃BitTorrent协议中随机请求第一个分片的机制，把它改进为距离播放点最近的分片第一个被请求；

改进2：限定最少优先机制的作用范围，只能在确保了播放点附近的分片被优先下载的前提下按最少优先机制来请求；

改进3：为了使整个网络的吞吐量增大、视频播放更加流畅，舍弃BitTorrent协议中的针锋相对机制，采用一种尽力服务的策略。

改进2所述的播放点附近的分片被优先下载，将采用滑动窗口机制满足这个要求，滑动窗口机制将所有分片分到两个窗口中：紧急窗口和普通窗口。在运行过程中，每次有新的文件分片要请求时，先检查紧急窗口中的文件分片是否被全部请求或下载完，若没有，则先请求紧急窗口中的分片，若请求完则从普通窗口中取文件分片进行请求；随着播放点的移动，紧急窗口也做出相应的滑动。滑动窗口机制保证了文件的部分顺序下载，满足了视频点播实时性的要求。

有益效果：本发明通过对采用P2P技术的IPTV机顶盒视频点播传输方法的功能与需求进行详细分析，提出了可以提高传输效率的P2P解决方案，对传统的BitTorrent协议进行改进使它能够满足视频点播的要求，以及对视频点播架构进行优化使之性能提高。技术的关键点不仅满足了机顶盒的各项功能需求，还让系统变得更稳定，传输方式更加方便快捷。下面我们给出具体说明：

1、良好的实时性：视频点播具有较高的实时性要求。实时性是要求系统能够在规定的时间内对客户的点播需求进行响应。因此，为了提高本系统的实时性，我们采用P2P方式进行传输，对采用的BitTorrent协议进行改进并且引进滑动窗口概念使之满足视频点播对实时性的要求。

2、系统负载均衡：传统的C/S传输模式服务器端负载压力过重，如果用户数量过多容易造成服务器端压力过重造成通信阻塞，而我们采用的P2P传输模式就解决了这个问题，用户数量越多，系统总的传输速率就会越高，系统的负载平均到网络中的每一个节点，最终使系统的负载达到均衡。

3、高度的可靠性和稳定性：通过视频点播传输系统的单元测试，集成测试以及整个机顶盒软件系统的系统测试表明该点播系统运行状况良好，占用系统资源少，拥有良好的容错机制以及灾难恢复能力，能够适应不同级别网络速度。

4、较高的商业价值：本系统采用了P2P模式，所以服务器端的花费明显减少，这可以为系统提供商减少大量的开支，并且还具有很高的实用性，具有较高的市场推广潜质和商业应用价值。

附图说明

图1是P2P视频点播传输方法的拓扑结构图。

图2视频点播传输方法交互过程图。

图3是IPTV终端与EPG服务器流程图。

图4是视频点播传输过程中滑动窗口的变化。

具体实施方式

改进的BitTorrent协议

原始的BitTorrent协议是专用于文件共享和下载的，对实时性没有要求，因此随着BitTorrent的不断发展，现在BitTorrent的P2P结构为混合P2P结构，在BitTorrent中既有集中目录式结构，又有以DHT构成的全分布式结构化P2P结构。从功能上看，集中目录式结构和全分布式结构都只是为了提供BitTorrent中资源的搜索，搜索之外的工作一般是由节点之间独立完成的，与其它网络元素无关。通常多媒体点播系统是一个实时性要求很高的系统，系统的设计和实现要充分地考虑各功能时间指标。

为了实现高效的文件传输，同时使网络中各资源的分布趋于均衡，BitTorrent是以乱序方式下载，这对于实时性没有要求的文件下载来说的确是有效的改善了文件下载的效率，也极大的优化了网络资源。然而，对于多媒体点播系统，实时性要求非常严格，播放器需要的多媒体数据，是要及时的下载到才能确保播放的流畅，要不然播放器就会出现停顿或是卡的现象，这样就会极大的影响服务质量了。因此要实现良好的P2P多媒体点播系统，首先需要解决的问题就是确保一定范围内的媒体数据能及时地被下载，此范围之外的数据可以放宽实时性的要求。

根据以上的系统分析和需求对比，以BitTorrent为基础，采用边下载边播放的模式实现P2P多媒体点播系统，首要的问题是要选择BitTorrent的P2P结构。通常集中目录式结构具有良好的时间性能，能及时而有效的返回客户节点请求，而完全分布式结构通常是在DHT网络中惊醒搜索，在搜索的时间效率上远不及集中目录是结构。因此，为了保证P2P多媒体点播系统的时间性能，在P2P结构的选择上，只需要保留BitTorrent的集中目录式机构即可。对BitTorrent改进的首要问题就是实现多媒体文件分片按特定顺序请求和下载，这里按特定顺序，可以是完全按序，也可以是在一定范围内按序，而在此范围之外可以不严格按序。

BitTorrent是广泛使用的P2P文件共享和下载软件，它的效率是毋庸置疑的，因此在对BitTorrent进行改进的过程中，我们尽量的保留其优越的文件共享和传输机制。所以为了实现BitTorrent文件分片的按特定顺序下载，我们采用局部严格按序的方式，在保证了局部按序的前提下，保留以前的乱序方式。

从系统的需求出发，我们先要对上章中BitTorrent的各种文件共享、下载和激励机制做选择型的保留：

1、随机的第一个分片：作为点播系统，用户在点播一个节目时通常是从头按序播放，跳转后也要从跳转点按序播放，因此该机制要完全抛弃；

2、最少优先机制：每个节点都优先选择整个网络中最少的那些分片去下载，而那些在系统中相对较多的分片，放在后面下载，虽然这使得整个系统趋向于一种更优的状态，降低了分片拥有者少的分片不能被下载到的风险，但是对于一个实时性要求很高的点播系统来说，没有保证播放点附近的文件分片优先被下载，而是去优先请求下载拥有者少的分片，会极大的影响点播的服务质量。因此，为了有效的保证点播系统的服务质量，我们要限定最少优先机制的作用范围，只能在确保了播放点附近的分片被优先下载的前提下按最少优先机制来请求；

3、Tit-for-Tat(针锋相对)机制：Tit-for-Tat机制通过使节点通常只向为自己提供了上传的节点提供上传服务(除起始阶段)，有效地避免的节点只下载不上传。这虽然能激励网络中的各客户节点去共享自己的资源，提供大的上传，但考虑到点播网络的封闭性，我们也不提供对于用户手动设置上传下传速度，因此我们去掉Tit-for-Tat机制，采用一种尽力服务的策略。

1、滑动窗口机制

经过以上选择性的保留，为了实现BitTorrent按特定顺序请求和下载分片，核心的问题就集中于文件分片的请求策略。要实现局部严格按序，其他保留原来乱序，最好的方法就是增加滑动窗口的机制。

文件分片的请求策略是通过BitTorrent实现P2P多媒体点播系统中至关重要的，根据以上的分析和改进策略，我们保留了最少优先机制，而采用了一种局部最少优先策略，因此在数据的组织上，我们保留了最少优先队列，同时为了实现我们按特定顺序请求文件分片的机制，增加滑动窗口机制，将整个文件的分片划分到两个窗口中，按照特定的机制从两个窗口中区分片加以请求。滑动窗口中的两个窗口为：紧急窗口和普通窗口，紧急窗口中的分片为播放点附近的分片，该窗口中的分片和播放器息息相关，是播放器即将播放所需的文件分片；普通窗口中的分片是除紧急窗口中分片以外的所有分片，它虽然也是播放器播放所需的数据，但在时间上却不是很急迫。要保证播放器的流畅播放，我们就要确保播放器播放点附近的文件分片能被及时的下载，为此，在实际的文件分片的请求过程中，我们要优先请求紧急窗口中的文件分片。因为越是接近播放点，文件分片就越是紧急，所以紧急窗口中的分片我们严格按序请求和下载。当紧急窗口中的文件分片被请求完了或是下载完了，就可以请求普通窗口中的文件分片。因为普通窗口中的文件分片对于时间的要求并不非常严格，我们可以按BitTorrent中原有的最少优先策略来请求，只是现在是按一种局部的最少优先。

一、体系结构：

整个视频点播传输方法的体系机构如图1所示。它的主要组成部分包括IPTV后台服务系统、IPTV终端用户群、互联网用户群。IPTV后台服务系统包括EPG服务器、Tracker服务器、流媒体服务器、种子文件制作服务器，其它磁盘阵列、交换机等为服务系统相关配套设施。IPTV终端是指支持IP网络的数字机顶盒和普通电视机，该IPTV机顶盒硬件采用TI公司的达芬奇技术TMS320DM6446双核CPU开发平台，采用MontaVista Linux嵌入式操作系统作为系统支撑软件。终端应用软件包括P2P客户端、GUI以及支持实时流媒体接收的播放器等应用程序。互联网用户群是本系统所面向的另一消费群体，由于本系统流媒体分发技术遵循标准化、开放式的体系架构，因此本系统的客户端同样可以面向PC用户群。可以向互联网用户群提供基于P2P模式的点播电视以及流媒体文件的下载。

系统之间信息的传输主要分为三个模块：EPG服务器跟IPTV终端的交互、各个BitTorrent客户端(包括IPTV终端用户群、流媒体服务器、PC机用户群)与Tracker服务器的交互、各BitTorrent客户端之间的交互。

二、方法流程

如图二所示，系统在运行过程的具体流程为：

1、种子文件制作服务器制作将要发布的流媒体文件，然后将种子文件发送到Web服务器上以供EPG服务器和PC机用户群下载。

2、EPG服务器、有需求的PC机用户下载种子文件，同时EPG服务器更新节目列表，PC机用户通过种子文件下载视频资源。

3、IPTV机顶盒用户打开点播菜单后会自动向EPG服务器请求电子节目单，EPG服务器根据该用户的信息验证是否属于注册用户，如果用户通过验证EPG服务器就会向该用户发送电子节目单，然后用户的电视机上就会出现点播节目菜单。

4、根据点播菜单用户可以用遥控器的上下键操作想看的节目，按下确定键之后向EPG服务器请求种子文件，接着EPG服务器向用户发送种子文件。

5、当用户收到种子文件后马上进入下载过程，首先IPTV机顶盒上的BitTorrent客户端与Tracker服务器建立连接，得到邻居节点信息，邻居节点包括流媒体服务器群还有PC机用户群还有其他IPTV终端。

6、机顶盒客户端通过这些邻居节点的信息，根据改进的BitTorrent客户端部分有序的下载流媒体文件，边下载边播放，同时也为其他邻居节点提供上载服务，这样用户马上就可以看到点播节目直至文件播放完毕。

视频点播之间信息的传输最主要分为三模块，包括EPG服务器与IPTV终端的交互模块、各个IPTV客户端与Tracker服务器的交互模块、各BitTorrent之间的交互模块。

EPG服务器与IPTV终端的交互模块又分为几个子模块，分别用户身份认证模块、EPG数据处理模块、XML节目单生成模块、下发信息的传输模块。

用户身份认证模块主要用来验证用户身份，实现对于用户资料的统一管理。该模块的功能就是接收来自这些客户终端的用户信息，并将其保存到数据库中。EPG数据处理模块主要用于增加、删除、修改视频节目信息，以及EPG页面的版式、广告等信息，并对这些信息内容进行处理并更新，以便用户及时获得新内容。XML节目单生成模块主要用于响应机顶盒的HTTP请求，将EPG数据组织成XML文档，也就是EPG信息用XML语言描述，通过TCP通信，将XML文件传输给客户端。下发信息的传输模块主要用于当EPG服务器接收到各种用户机顶盒发来的请求，作出响应，并根据不同用户、不同的使用请求，下发不同的响应信息给用户。EPG服务器与IPTV终端的交互主要分为三个步骤进行，如图三所示：1、IPTV终端用户启动后首先向EPG服务器请求电子节目单，然后服务器验证用户身份，如果是注册用户则发送节目单给用户，否则丢弃数据包。2、注册用户收到电子节目单后通过IPTV上的在屏显示系统(OSD)显示电子节目单信息，用户通过遥控器可以选择视频节目，确定后首先向EPG服务器请求种子文件然后才能下载。3、EPG服务器收到请求后会发送种子文件给IPTV终端，然后机顶盒就可以下载视频文件。

各个IPTV客户端与Tracker服务器的交互模块主要通过BitTorrent协议实现，一个客户端在下载开始以及下载进行的过程中，要不停的与Tracker服务器进行通信，以报告自己的信息，并获取其它下载客户端的信息。这种通信是通过HTTP协议进行的，又被称为Tracker HTTP协议，它的过程是这样的客户端向Tracker发一个HTTP的GET请求，并把它自己的信息放在GET的参数中；这个请求的大致意思是：我是A(一个唯一的ID)，我想下载B文件，我的ip是C，我用的端口是D。这个过程主要有改进的BitTorrent客户端来完成，不需要做过多的修改。

各BitTorrent之间的交互模块是传输中比较重要的地方，在这个模块里我们主要在IPTV机顶盒端改进了BitTorrent协议，引进了滑动窗口的概念，协议的改进已经在上述描述清楚，在这里主要详细介绍一下滑动窗口。

如图4所示，完成分片为completed方框，请求分片为requested方框，未请求分片为空方框，垂直的箭头为播放点，它与矩形框的左边缘相邻或重合，该矩形框为紧急窗口，紧急窗口的前方和后方的区间为普通窗口，此时普通窗口有两个子窗口。在运行过程中，每次有新的文件分片要请求时，先检查紧急窗口中的文件分片是否被全部请求或下载完，若没有，则依次请求紧急窗口中的文件分片，若请求完，则从普通窗口中取文件分片进行请求。随着播放点的移动，当播放点从一个分片移到它的后一个分片时，紧急窗口也相应的向后滑动，如图中所示。当一个紧急窗口中的文件分片没有及时的被下载完成，而播放点已经到来，则跳过该分片，继续向播放器缓冲区填充下一个分片的数据。虽然播放点已经丢弃了没有下载完成的文件分片，但为了保证文件的完整性，使得观看完的影片可以保存至硬盘，以后继续观看，图中丢失的分片会成为普通窗口中的分片，在后续的下载过程中被重新请求并下载。

当一个IPTV终端要通过Tracker得到邻居节点信息后，采用改进后的BitTorrent分片请求策略，先请求滑动窗口内的文件分片，滑动窗口外分片采用最少优先机制下载分片，请求的对象分为三种：流媒体服务器，IPTV终端节点、PC机用户，随着用户数量的增多下载速度也成递增趋势，既提高了传输质量又均衡了服务器端负载。这样IPTV终端就可以做到边下载边播放，播放速度也会变的实时快捷。

Claims (2)

1.一种基于对等计算机顶盒的视频点播传输方法，其特征在于采用对等网络技术解决大量的流媒体资源文件传输，采用的拓扑结构包括网络电视后台服务系统、网络电视终端用户群、互联网用户群，其中网络电视后台服务系统又包括电子节目单服务器、索引服务器、节目制作服务器、网页浏览服务器以及流媒体服务器群，整个机顶盒视频点播的传输过程如下：

步骤1：种子制作服务器制作种子并发布到网页浏览服务器；

步骤2：电子节目单服务器、互联网用户从网页浏览服务器下载种子文件，然后电子节目单服务器根据种子文件制作电子节目单，互联网用户通过种子文件下载视频文件；

步骤3：网络电视机顶盒用户开机后向电子节目单服务器发送请求，通过认证后下载电子节目单信息，并且显示到电视机上；

步骤4：用户根据节目单信息用遥控器选择点播节目，点击确定后机顶盒向电子节目单服务器请求种子文件；

步骤5：用户得到种子文件后立刻开始下载视频文件，首先是根据种子文件找到索引服务器地址，然后向索引服务器注册自身信息，得到邻居节点信息，加入对等网络；

步骤6：网络电视客户端、互联网用户都可以从流媒体服务器上得到想要的分片资源，同时网络电视客户端之间、互联网用户之间、以及网络电视客户端和互联网用户之间都可以互通有无；

步骤7：网络电视用户边下载边播放并最终完成下载播放，互联网用户最终也下载完成视频资源；

采用对等网络技术解决大量的流媒体资源文件传输，所采用的对等网络技术为BitTorrent协议，它是现今比较流行的对等P2P协议，为了满足视频点播实时性的要求要对BitTorrent协议进行如下改进：

改进1：改进分片请求机制，抛弃BitTorrent协议中随机请求第一个分片的机制，改进为距离播放点最近的分片第一个被请求；

改进2：限定最少优先机制的作用范围，只能在确保了播放点附近的分片被优先下载的前提下按最少优先机制来请求；

改进3：为了使整个网络的吞吐量增大、视频播放更加流畅，舍弃BitTorrent协议中的针锋相对机制，采用一种尽力服务的策略。

2.根据权利1所述的基于对等计算机顶盒的视频点播传输方法，其特征在于改进2所述的播放点附近的分片被优先下载，将采用滑动窗口机制满足这个要求，滑动窗口机制将所有分片分到两个窗口中：紧急窗口和普通窗口，在运行过程中，每次有新的文件分片要请求时，先检查紧急窗口中的文件分片是否被全部请求或下载完，若没有，则先请求紧急窗口中的分片，若请求完则从普通窗口中取文件分片进行请求；随着播放点的移动，紧急窗口也做出相应的滑动，滑动窗口机制保证了文件的部分顺序下载，满足了视频点播实时性的要求。

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