CN102158767A

CN102158767A - 一种基于可扩展编码的对等网络流媒体直播系统

Info

Publication number: CN102158767A
Application number: CN2010105021561A
Authority: CN
Inventors: 杨世宇; 刘秀龙; 赵雨; 杨丹; 申彦明; 李克秋
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian heaven software Limited by Share Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN102158767B

Abstract

本发明公开了一种基于可扩展编码的对等网络流媒体直播系统，属于网络多媒体技术领域。其特征是采用可扩展编码和对等网络技术提供可扩展的流媒体直播服务，采用集中目录式的对等网络结构进行视频分发。提出了以视频质量作为激励因素的激励机制和一种混合优先级的请求调度策略。本发明能够提供自适应的视频服务，根据用户所处的网络环境提供不同质量视频服务，采用有效的激励机制和调度策略提高系统的公平性和下载效率，减少启动延时、换台延时，提高了系统整体性能。

Description

一种基于可扩展编码的对等网络流媒体直播系统

技术领域

本发明属于网络多媒体技术领域，涉及一种基于可扩展编码的对等网络流媒体直播系统，涉及到基于扩展编码的视频处理技术特别涉及到异构的对等网络中视频数据的传输、调度策略和激励机制的设计方法。

背景技术

随着宽带技术的广泛应用，网络流媒体服务得到了迅速的发展。不断增多的用户数量和用户对于服务质量要求的提高对传统的基于客户端/服务器模式的流媒体服务提出了挑战。对等网络技术(Peer to Peer，P2P)的出现为网络流媒体服务提供了新的发展机遇。对等网络技术充分利用了网络中各个节点的上传带宽资源，能够克服由于用户数量增加而带来的服务瓶颈。

为了解决由于用户数量增长而带来的服务瓶颈，P2P技术被引入流媒体服务中。在目前应用的P2P流媒体服务中，视频内容采用传统的单一码流的编码方式进行处理，码率范围在300kps到1Mkps之间。这种编码方式不具有可扩展性，对于所有用户都提供相同码流的视频，不能满足来自异构网络下不同带宽用户的需求，具有高带宽接入的用户(如光纤用户)和低带宽接入用户(如ADSL用户)接受着相同质量的视频服务。这种非区分的服务模式降低了用户体验。传统的P2P协议为文件共享而创建，其中一些特性并不适合流媒体应用，比如最少优先的下载策略和“针锋相对”的激励机制。原有的P2P协议多数采用最少优先的下载策略来保证文件的内容的完整性。但是在P2P流媒体应用中，这种策略却不能保证视频播放的时序性，导致不必要的延迟。与文件共享系统相同，P2P流媒体系统中的搭便车者只下载资源而不上传资源，将会影响系统的整体效率。所以一个有效地激励机制对于P2P系统来说十分重要。主流的P2P文件共享系统BitTorrent采用“针锋相对”的激励机制，即每个节点比较其邻居节点的提供的下载带宽，从而决定其为邻居提供多少的下载带宽。这种激励机制以减少下载时间作为奖励，在文件共享系统中可以有效减少搭便车者，但是在P2P流媒体系统中，下载时间并不是影响用户体验的决定因素。所以传统的P2P激励机制并不适合应用在P2P流媒体系统中。

发明内容

根据上述背景技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于改进的P2P协议，并使用可扩展编码进行视频处理的P2P流媒体服务；对于不同带宽的用户提供不同质量的视频服务；提供一种有效地激励机制，减少系统中的搭便车者，提高系统整体性能；改进P2P协议中的调动策略，减少启动延迟，节目转换延迟，提供更稳定的视频服务；

本发明的基于可扩展编码的对等网络流媒体直播系统包括视频采集设备、可扩展编码设备、视频存储服务器和目录服务器；其解决问题的技术方案是：

(1)采用集中目录式的P2P结构组成覆盖网络，进行视频内容的分发；视频采集设备将采集到的视频内容交给可扩展编码服务器，服务器采用H.264-SVC标准对视频数据进行编码，经过编码的视频存储在视频存储服务器中；

节点进入系统后首先和目录服务器进行通信，目录服务器记录其相关信息并根据其带宽情况决定向它提供视频的质量等级，并向其发送邻居节点信息；节点获得邻居节点信息后，检查自己的缓冲区，根据混合优先级调度策略计算需要请求的视频块优先级得分；然后根据优先级向邻居节点依次发出视频块请求；如果要请求的视频块在播放之前不能获得，则抛弃该请求；优先级策略包括采用最先播放优先、最底层视频优先和最少资源优先相结合的混合优先级策略；

上传节点接到下载节点发送的视频块请求后，将该请求加入到为该节点建立的请求队列；上传节点根据激励机制选择对系统共享大的节点优先服务，为其提供更大的上传带宽和更多的增强层视频块，使其能够获得更好的视频服务；

节点定期和目录服务器进行通信，更新邻居节点信息，同时汇报自己的缓冲区状态；节点下载一部分视频数据后便可作为上传节点为其他节点进行服务；节点上的视频播放器将收到的分层数据解码播放；

具体步骤如下：

a.本发明采用一个中心目录服务器管理P2P网络中的节点，包括记录节点带宽，拥有的视频数据信息。网络中的其他节点具有相同的地位，自组织成覆盖网络，每个节点即作为下载者，也作为上传者；

b.本系统中的视频源采用可扩展视频编码进行处理，将视频流分成一个基本层和多个增强层；节点只需要接收基本层的视频数据即可保证视频播放，节点获得越多的增强层，则可以获得更加清晰的视频；

c.节点进入P2P流媒体服务网络时，首先与目录服务器通信，目录服务器记录其相关信息，并根据其带宽情况决定可向其提供的最大的视频码流；目录服务器同时返回一个具有新节点所需视频块的节点列表，新节点从该节点列表中选取节点作为其邻居节点，向其请求视频数据块；

d.网络中的节点根据带宽情况进行分类，同时确定其可接收的增强层的数量；节点根据此信息向邻居节点请求视频块；当网络带宽变化时，节点重新确定其可接收的增强层数量，自适应调整视频质量；

(2)设计一种最先播放优先和底层视频优先相结合的调度策略，保证视频播放流畅，减少启动延时和频道转换延时；具体步骤如下：

a.本发明中的调度策略主要工作在下载端节点，下载节点根据这个策略决定应该先请求哪个视频块和向哪个上传节点发送请求；

b.每个下载节点拥有一个缓冲区，其中存储着将要播放的视频块，节点根据缓冲区的情况向上传者发出视频块请求；缓冲区中的视频块有如下的优先级：先播放的视频具有高的优先级，底层的视频块具有高优先级，在系统中资源少的视频块具有高的优先级；

c.本发明采用参数

表示节点n请求在t时间播放的l层视频块的优先级得分，

越小，优先级越高；

定义为：

其中L视频的分层数，为t₀为当前时间，B为缓冲区大小即缓冲区所缓冲的视频长度，λ为该视频块在系统中的副本数，K为系统中的节点数；w₁，w₂，w₃为这三个影响因素的权重w₁，w₂，w₃根据播放情况动态调整，当播放刚启动时w₁，w₂具有较大的权重，播放过程中w₃的权重较大；由此定义可以看出越小，被请求的视频块越重要，所以具有更高的优先级；

d.下载节点在选择要下载的视频块时首先按照上面的公式计算

的值，然后请求得分最小的视频块，下载节点能够预测这个视频块的下载时间，如果下载时间超过了视频块的回放时间，则抛弃这个请求，如果没有超过，则向上传者节点发出视频块请求；

(3)改进P2P协议中的激励机制，用视频质量作为激励因素，对系统贡献自己上传带宽大的用户能够获得更多增强层的视频块，从而获得更加清晰的视频服务；该机制能够有效提高系统的总上传带宽，减少搭便车者；具体步骤如下：

a.本发明提出的P2P激励机制可以简单描述为：为系统贡献越多上传带宽，就能获得越清晰的视频服务；这个策略主要在上传者实现；

b.在上传者端，节点需要决定先服务哪个邻居节点，并决定为每个邻居节点分配多少的上传带宽；为此上传者需要为每个下载者创建一个请求队列，每个请求队列按照先入先出的方式组织，上传者按照请求的到达顺序进行服务；

c.在同一时间，上传者发送一个被请求的视频块；而视频块具有播放的时效性，如果请求的视频块在播放时间之前不能被响应，则上传者抛弃该请求，减少资源浪费；

d.上传者根据邻居节点的对其的贡献大小来决定应该响应哪个节点的请求。上传者根据P_n，k来决定每个节点的服务响应概率；本发明中P_n，k表示上传者节点n选择接收者节点k的概率，

其中K表示上传节点n的所有邻居节点集合，d_n，j近似表示节点n在节点j处获得的下载速率，当节点i的请求队列为空时I_n，i＝0、否则I_n，i＝1。上传者节点根据计算的P_n，k值来判定每个下载节点对系统的贡献大小，P_n，k值大的节点将会获得较高的服务优先级即它的请求队列将会优先被服务，并获得较大的上传带宽；上传者节点周期性的计算P_n，k值，调整请求队列的优先级，优先服务的节点将会获得更多的视频块，从而获得更清晰流畅的视频服务；对系统贡献小的节点在其播放前只能获得底层的视频维持最低的播放要求；根据不同的服务质量达到对系统中节点的激励作用；

e.只要上传者端的请求队列不为空或者上传者还有剩余的上传带宽，上传者就会响应视频块请求；这样在系统处于非饱和状态下，对于系统贡献少的节点也能接收到高质量的视频；

本发明的有益效果是将视频可扩展编码和对等网络技术结合，采用可扩展编码技术提供自适应的视频服务，同时用有区别的视频服务作为对等网络的激励机制，提高系统的公平性，同时也提高了系统整体性能；本发明还改进了对等网中的调度策略，使之更加适合与流媒体的应用。为用户提供一种流畅的，满足不同用户需求的流媒体服务。

附图说明

附图1是本发明的系统部署图。

附图2是本发明的节点的系统结构图。

附图3是请求队列示意图。

附图4是缓冲区示意图。

附图5是调度机制流程图。

图中：1视频采集设备；2SVC编码服务器；3目录服务器；4视频存储服务器；5通过光纤联网的节点；6通过WIFI联网的节点；7通过ADSL联网的节点；

X已缓存的视频块；-请求的视频块；○不可用的视频块；

△可用的视频块。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。

如图1所示，本发明为采用可扩展编码技术的对等网络流媒体系统。系统中包括视频采集设备，为系统提供视频源；可扩展编码服务器，对视频数据进行编码处理；视频存储器，存储视频数据；追踪服务器，管理系统中的节点信息，视频数据的校验信息；XML数据库，以XML形式存储系统中的节点信息，数据校验信息；分布在异构环境中的节点，每个节点既是上传者又是下载者。

本发明中的编码服务器对由视频采集设备获得的视频源进行可扩展编码处理，编码标准采用H.264-SVC，将视频分为一个基本层和三个增强层。本发明中的节点信息以XML格式存储在XML数据库中，节点可以通过请求追踪服务器来查询所需要的节点信息。系统中节点和追踪服务器通信采用HTTP协议，节点之间采用TCP协议进行数据通信。系统中的节点可以处于不同的网络环境，如图所示节点1通过以太网直接连入，节点2通过WIFI无线网络接入系统，节点3通过ADSL调制解调器接入系统。

如图2描述了本发明中节点的系统结构。节点采用分层架构，分为网络层、消息处理层、控制层和用户交互层(即播放器)。网络层负责底层的通信，本发明中定义了两个通信接口分别处理节点间通信和节点与追踪服务器间通信。网络层接收其他用户或者服务器传来的消息，将控制信息交给上层消息处理层，数据型信息直接写入控制层的缓存中。消息处理层在接收到网络层传来的消息后，根据系统中定义的消息协议对消息进行解析，然后将所解析的命令传递给控制层。控制层是本发明的核心部分，它由4个控制模块和1个缓冲区组成。节点管理模块负责管理邻居节点的信息，包括下载速率、请求队列等；激励机制模块主要实现技术方案2中的相关算法，决定为每个邻居节点分配多少上传带宽和优先服务那些节点；视频块请求调度模块主要实现技术方案3中的相关功能，当节点作为下载者时，为该节点确定要发送的视频块请求的顺序和目的；播放器控制模块主要接收用户的播放动作，然后转化成相应的视频数据请求，包括开始、暂停、下一个等。控制层中的缓冲区用来存储即将播放的视频数据，请求调度模块根据缓冲区中的情况来决定下一个请求的视频块。用户交互层主要负责系统和用户之间的通信，提供一个友好的用户操作界面，为客户播放高质量的视频内容。

图3是本发明中一个上传者节点的请求队列的示意图。根据上述技术方案2中的策略，上传节点为它的邻居节点p₁-p_k分别创建一个请求队列，每个队列中按照先入先出的方式存储请求。上传节点计算每个请求队列的P_n，k值，请求队列按照所得的值进行排序，值越大的队列能够获得优先服务，从而能够在视频播放之前获得更多的视频块，获得更清晰的视频服务。上传节点在发送请求块之前要先根据请求块的时间戳来判断是否能在播放之前将该块发送到请求节点，如果不能按时发送则抛弃这个请求。

图4是下载节点的缓冲区示意图。在一个时间点上，下载节点段的缓冲区中存储着即将播放的视频块，如图有8个时间片段的视频。在图中可以看出有8个视频块已经被存储，其中3个将在下一个时间点播放，2个将在第二个时间点播放，如此类推。其他视频块已经被请求但还没有获得，在图中用横线表示。还有一些在邻居节点中可以下载但是还没有请求的视频块，在图中用空白表示。还有一些在邻居节点端不能获得的视频块用圆圈表示。根据技术方案3中的方法，在一个如图中给定的缓冲区状态下，节点通过计算

的值来决定下一个将要发送的请求。下载节点还要根据带宽情况预测该请求块能否在播放之前到达，如果不能，则抛弃该请求。

图5是下载节点的调度机制流程图。下载节点开始下载时按照如图所示流程进行工作。首先判断缓冲区是否已满，然后决定是随机发送请求还是按照技术方案3的策略执行。如果缓冲区没有满，则按照技术方案3计算

的值，下载节点选定将要发送的视频块请求后，则判断能够及时获得该视频块，如果不能则返回重新选择。节点发送完视频块请求后，判断播放是否结束，如果没有则返回第一步继续选择下一个请求的视频块。如果结束播放则下载过程结束。

Claims

1.一种基于可扩展编码的对等网络流媒体直播系统，其特征在于，

节点进入系统后首先和目录服务器进行通信，目录服务器记录它的IP、端口、所需视频块的信息，并根据其带宽情况决定向它提供视频的质量等级，并向其发送邻居节点信息；节点获得邻居节点信息后，检查自己的缓冲区，根据混合优先级调度策略计算需要请求的各个视频块的优先级得分；然后根据优先级向邻居节点依次发出视频块请求；每个请求块在发出之前都被打上一个time-to-play时间戳，标记该请求块将要播放的时间，如果要请求的视频块在播放之前不能获得，则抛弃该请求；

上传节点接到下载节点发送的视频块请求后，将该请求加入到为这个下载节点建立的请求队列中，在上传节点端为每一个向它请求视频块的下载节点建立一个请求队列；上传节点根据激励机制管理这些请求对列，选择对系统共享大的节点优先服务，为其提供更大的上传带宽和更多的增强层视频块，使其能够获得更好的视频服务；

(2)混合优先级调度策略如下：

采用

表示节点n请求在t时间播放的l层视频块的优先级得分，

定义为：

其中L视频的分层数，为t₀为当前时间，B为缓冲区大小即缓冲区所缓冲的视频长度，λ为该视频块在系统中的副本数，K为系统中的节点数；w₁，w₂，w₃为这三个影响因素的权重；w₁，w₂，w₃根据播放情况动态调整，当播放刚启动时w₁，w₂具有较大的权重，播放过程中w₃的权重较大；用户节点计算每个需要请求的视频块的优先级得分

，得分低的视频块具有较高的优先级，将会被优先请求；

(3)激励机制如下：

采用P_n，k表示上传者节点n选择接收者节点k的概率，

其中K表示上传节点n的所有邻居节点集合，d_n，j近似表示节点n在节点j处获得的下载速率，当节点i的请求队列为空时I_n，i＝0、否则I_n，i＝1；上传者节点根据计算的P_n，k值来判定每个下载节点对系统的贡献大小，P_n，k值大的节点将会获得较高的服务优先级即它的请求队列将会优先被服务，并获得较大的上传带宽；上传者节点周期性的计算P_n，k值，调整请求队列的优先级，优先服务的节点将会获得更多的视频块，从而获得更清晰流畅的视频服务；对系统贡献小的节点在其播放前只能获得底层的视频维持最低的播放要求；根据不同的服务质量达到对系统中节点的激励作用。