CN104283694A - 基于ip组播及p2p补偿的流媒体传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，基于CDN、SDS及P2P域组成的网络环境，SDS服务器根据终端的请求，查找数据连接通道，若没有创建数据连接通道，或创建的单播数据通道小于门限值，则为该请求创建单播数据通道；若创建的单播数据通道到达门限值，则为该请求创建组播数据通道；若该请求已经存在组播数据通道，则使用该组播数据通道；然后，SDS服务器将单播数据通道或是组播数据通道的相关信息以决策信息发送给终端，终端通过决策信息中的单播数据通道或是组播数据通道与CDN源服务器连接以获取流媒体数据。本发明将单播、IP组播及P2P相结合，能够合理利用网络资源，并保证流媒体数据传输的可靠性和完整性。

Description

基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法

技术领域

本发明涉及一种网络中流媒体数据传输方法，特别是涉及一种基于IP组播，并可从组播内其他终端通过P2P获取补偿数据的流媒体传输方法。

背景技术

随着通信和网络技术的发展，无线局域网以其短距离、组网灵活、开放频段、高性价比等特点，得到了广泛的应用和部署，与此同时，网络音视频点/直播、视频会议、远程教学等流媒体业务的用户需求量激增。与一般数据业务相比，流媒体业务具有数据量大、持续时间长、时延敏感等特点，其对带宽、时延、丢包率等性能有极高的要求。现有流媒体数据传输方法主要有以下几种：

单播传输方法，流媒体服务器需要针对每个用户请求分别创建点到点的数据连接通道，该方法能够满足用户的个性化需求，但并不适用于海量用户群和大量的数据传输需求，尤其是在Wi-Fi等无线带宽资源有限且环境多变的传输条件下，大量的单播数据连接易造成传输冲突机率增涨、带宽资源紧张、时延大、丢包率增加等问题，严重影响数据传输质量。

IP组播传输方法是通过使用特定的组播地址，按照最大投递的原则，将IP数据报传输到一个组播群组的终端集合。该方法充分利用了用户群的共性，可优化带宽、减轻网络和服务器的负担，特别是在无线网络环境中，当请求相同资源的用户较多时，服务器只需发送一次数据，组内用户均可获得请求的数据，大大提高了无线网络资源的利用率，但是，由于服务器向组内用户发送的数据相同，也会影响部分用户接收数据的完整性。

P2P传输方法是通过节点间直接交互实现的资源和服务共享，具有分布性、低成本、高扩展性、高服务质量、高安全性、强健壮性等优势，可有效缓解服务器和主干网络的压力，但由于P2P是依靠若干客户端之间的点到点连接实现的完整媒体数据传输，又存在交互复杂、缓冲延时较大、客户端负担大、无线网络资源带宽紧张、网络流量冗余等问题。

随着流媒体业务用户规模的不断扩大，用户对流媒体业务质量要求的不断提高，仅靠单一的数据传输方法，难以在网络资源合理利用的条件下，保证高质量流媒体数据传输的可靠性和完整性。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种网络环境中的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，该方法将单播传输、IP组播传输及P2P传输方法相结合，能够合理利用网络资源，在此基础上可保证高质量流媒体数据传输的可靠性和完整性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，基于CDN、SDS及P2P域组成的网络环境，P2P域包括若干由各种终端组成的P2P网络，其特征在于：

SDS服务器根据终端的请求，查找该请求对应的数据连接通道，若该请求没有创建数据连接通道，或是所创建的单播数据通道小于一门限值，则决策为该请求创建单播数据通道；若所创建的单播数据通道到达该门限值，则决策为该请求创建组播数据通道；若该请求已经存在组播数据通道，则决策使用该组播数据通道；作出决策后，SDS服务器将单播数据通道或是组播数据通道的相关信息以决策信息发送给该终端，该终端收到该决策信息后，通过该决策信息中的单播数据通道或是组播数据通道与CDN源服务器通信，从CDN源服务器获取请求的数据。

进一步地：

若所述终端的请求已经存在对应的组播数据通道，所述SDS服务器还需要从该组播内所有其它终端中优选出备选终端，并将该些备选终端的相关信息以补偿终端信息发送给所述终端，以使所述终端可从该些备选终端中获取补偿数据。

所述终端收到所述决策信息后，先申请一片用于存放流媒体数据的内存空间，然后通过所述决策信息中的单播数据通道或是组播数据通道与所述CDN源服务器建立数据连接，接收CDN源服务器发送的流媒体数据。

所述终端收到所述决策信息后，如果是通过单播数据通道进行单播传输，那么申请一片内存空间，然后通过该单播数据通道与所述CDN源服务器建立数据连接，将收到的流媒体数据存放入该内存空间中；如果是通过组播数据通道进行组播传输，所述终端创建补偿区段和组播区段两部分数据存储空间，该补偿区段用于存放从所述备选终端或是所述CDN源服务器获取的补偿数据；该组播区段用于存放从该组播数据通道接收的组播数据。

所述终端判断是否收到所述补偿终端信息，若收到了所述补偿终端信息，则根据所述补偿终端信息中的备选终端的相关信息，发起与所述备选终端的数据连接请求，以从所述备选终端中获取补偿数据，若所述终端没有收到所述补偿终端信息，则将所述补偿区段发送给所述SDS服务器，由所述SDS服务器建立所述终端与所述CDN源服务器之间的单播数据通道，所述终端通过该单播数据通道获取相应补偿区段的补偿数据。

单播传输向组播传输切换时，所述SDS服务器开启组播数据通道的同时，即中断所有或是部分同意进行切换的终端的单播数据通道的数据连接；终端在收到从组播数据通道传输的数据后，即中断并释放原有的单播数据通道连接。

单播传输向组播传输切换时，所述SDS服务器在开启组播数据通道进行组播传输之前，先统计需要进行切换的终端的单播数据传输进度，记录已发送单播数据包最大值，依据该最大值设定组播传输的起始数据包标号，并将该起始数据包标号发送给终端；当该终端接收到经组播数据通道传输的组播数据后，确认第一个接收到的数据包序号，同时判断经单播数据通道收到的数据包序号，当经单播数据通道收到的数据包序号等于所述SDS服务器发送的起始数据包标号减一时，该终端中断并释放单播数据通道连接。

所述SDS服务器还可以根据流媒体数据传输进度判断创建单播数据通道还是组播数据通道，当已建立的组播数据通道中数据传输进度到达一门限值，所述SDS服务器为终端建立单播数据通道，终端通过该单播数据通道从所述CDN源服务器获取请求的数据。

终端从所述备选终端通过P2P传输方法获取补偿数据的原则是：尽可能由一个备选终端完成补偿；如果一个备选终端不能提供完整的补偿数据，则由多个备选终端共同进行补偿；如果多个备选终端仍无法提供完整的补偿数据，则按照最大补偿原则，尽可能多的为该终端提供补偿数据。

终端根据待接收数据流的个数创建相应数目的接收线程，每个线程负责对一个数据流的接收进行控制，且所有线程共享已申请的数据存储空间。

本发明的优点在于：

单播传输能够满足用户的个性化需求，组播传输能够充分利用用户群的共性，P2P传输能够充分体现用户的差异性，本发明将单播传输、组播传输及P2P传输相结合进行流媒体数据传输，能够合理的利用网络资源，并保证流媒体数据传输的可靠性和完整性。

附图说明

图1为本发明流媒体传输方法所基于的网络拓扑图。

图2为本发明中CDN、SDS及P2P的连接关系示意图。

图3为本发明中终端与SDS服务器的连接关系示意图。

图4为本发明中针对直播视频的流媒体数据传输方法流程图。

图5A为本发明中针对点播视频的SDS服务器端流媒体数据传输方法流程图；

图5B为本发明中针对点播视频的终端流媒体数据传输方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为本发明流媒体传输方法所基于的网络拓扑图；图2为本发明中CDN、SDS及P2P的连接关系示意图，图3为本发明中终端与SDS服务器的连接关系示意图。如图所示，本发明公开的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，基于由CDN(Content Delivery Network：内容分发网络)域、SDS(ServiceDelivery Server：业务分发服务器)域及P2P(PeertoPeer)域所组成的网络，其中，CDN域内的CDN源服务器和边缘服务器由CDN服务商提供，用于提供流媒体数据源；SDS域内的SDS服务器通过边缘服务器访问CDN源服务器，用于为CDN源服务器和P2P域内终端提供数据连接通道；P2P域包括若干由各种终端组成的P2P网络，无线终端通过AP(Access Point：无线访问接入点)与SDS服务器相连接，无线终端也可通过AP及路由器与CDN源服务器相连接，有线终端通过路由器与SDS服务器相连接。

SDS服务器用于根据终端的请求创建单播数据通道或是组播数据通道，管理终端的请求数据及对应请求数据的数据连接通道，统计CDN服务器与终端的数据传输速度、发送/接收数据量等。

SDS服务器根据终端的请求，查找该请求对应的数据连接通道，若该请求没有创建数据连接通道，或是所创建的单播数据通道小于一门限值，则决策为该请求创建单播数据通道；若单播数据通道到达该门限值，则决策为该请求创建组播数据通道；若该请求已经存在组播数据通道，则决策使用该组播数据通道；作出决策后，SDS服务器将单播数据通道或是组播数据通道的相关信息以决策信息发送给终端，终端收到该决策信息后，通过决策信息中的单播数据通道或是组播数据通道与CDN源服务器通信，从CDN源服务器获取请求的数据。

针对点播的音视频等流媒体数据而言，如果终端的请求已经存在对应的组播数据通道，SDS服务器还需要从该组播内所有其它终端中优选出备选终端，以使终端可从该些备选终端中获取补偿数据。这是因为，终端加入该组播内之前，组内终端已经获取了部分数据，那么请求同一数据的终端可以通过该些组内终端获取它们已经收到的数据，而不必再从CDN源服务器中获取。SDS服务器统计组播内所有终端的传输进度、传输速度、终端性能等指标，从中优选出可以为该终端(即将加入组播的终端)提供数据补偿的备选终端，并将该些备选终端的相关信息以补偿终端信息发送给终端，终端依据该补偿终端信息与备选终端建立数据连接，以从备选终端获取补偿数据。

其中，终端从备选终端通过P2P传输方法获取补偿数据的原则是：尽可能由一个备选终端完成补偿；如果一个备选终端不能提供完整的补偿数据，则由多个备选终端共同进行补偿；如果多个备选终端仍无法提供完整的补偿数据，则按照最大补偿原则，尽可能多的为终端提供补偿数据。

以下以直播视频和点播视频为例，详细说明本发明的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法：

图4为本发明中针对直播视频的流媒体数据传输方法流程图。如图所示，终端A发起直播视频(设为视频ID1)请求，SDS服务器依据视频ID1查找对应的数据连接通道，如果视频ID1尚未建立数据连接通道，则创建单播数据通道，并将该单播数据通道的相关信息(IP地址和端口号等信息)以决策信息发送给终端A；如果已经存在对应视频ID1的单播数据通道，则判断单播数据通道的数量(已建立的加上即将建立的单播数据通道)是否达到门限值，若小于门限值，则仍决策为终端A建立单播数据通道，若达到了门限值，则创建对应视频ID1的组播数据通道，然后将单播数据通道或是组播数据通道的相关信息以决策信息发送给终端A；如果视频ID1已经存在组播数据通道，则直接将该组播数据通道的相关信息以决策信息发送给终端A。

终端A收到SDS服务器的的决策信息后，先申请一片内存空间，用于循环缓冲存放直播视频数据，然后通过决策信息中的单播数据通道或是组播数据通道与CDN源服务器建立数据连接，接收CDN源服务器发送的直播视频数据。

这里要注意的是，由于根据单播数据通道的数量判断是否进行组播传输，当到达门限值时，开启组播数据通道，这样就存在小于门限值时建立单播数据通道的终端需要切换为组播传输的问题。对于直播视频，由于CDN源服务器发出的数据传输进度对所有终端都相同，所以SDS服务器开启组播数据通道的同时，即可中断所有(或是部分同意进行切换的终端)单播数据通道的数据连接，而终端在收到从组播数据通道传输的数据后，即可中断并释放掉原有的单播数据通道连接，完成单播与组播的切换，当然，为避免传输时延的问题以保证数据的完整性，SDS服务器可以保持组播数据传输一段时间后，再中断释放单播数据通道连接。

图5A为本发明中针对点播视频的SDS服务器端流媒体数据传输方法流程图；图5B为本发明中针对点播视频的终端流媒体数据传输方法流程图。如图所示，终端B发起的点播视频(设为视频ID2)请求，SDS服务器依据视频ID2查找对应的数据连接通道，如果视频ID2尚未建立数据连接通道，则为终端B创建对应视频ID2的单播数据通道，并将该单播数据通道的相关信息(IP地址和端口号等信息)以决策信息发送给终端B；如果已经存在对应视频ID2的单播数据通道，则判断单播数据通道的数量(已建立的加上即将建立的单播数据通道)是否达到门限值，若小于门限值，则仍决策为终端B建立单播数据通道，若达到了门限值，则创建对应视频ID2的组播数据通道，然后将单播数据通道或是组播数据通道的相关信息以决策信息发送给终端B；如果视频ID2已经存在组播数据通道，则直接将该组播数据通道的相关信息以决策信息发送给终端B；

如果决策通过组播数据通道传输，SDS还需要对该组播内所有其它终端的传输进度、传输速度、终端性能等指标进行统计，从中优选出可以与终端B进行P2P传输，能够为终端B提供补偿数据的备选终端，并将备选终端的相关信息以补偿终端信息发送给终端B；若没有选出备选终端，则不发送补偿终端信息，终端B默认通过CDN源服务器获取补偿数据。

终端B收到SDS服务器的补偿信息后，首先判断通过单播数据通道还是组播数据通道接收数据；如果是通过单播数据通道进行单播传输，那么申请一片内存空间，然后通过该单播数据通道与CDN源服务器建立数据连接，将收到的点播视频数据存放入内存空间中；

如果是通过组播数据通道进行组播传输，终端B首先创建补偿区段和组播区段两部分数据存储空间，补偿区段用于存放从备选终端或是CDN源服务器获取的补偿数据，该区段存放的数据包序号设为0至multistartseq-1；组播区段用于存放从组播数据通道接收的组播数据，该组播区段存放的起始数据包序号为multistartseq；然后，判断是否收到补偿终端信息，若收到了补偿终端信息，则根据该补偿终端信息中的备选终端的相关信息，发起与备选终端的数据连接请求，确定具体补偿数据传输分配，以从备选终端中获取补偿数据，若终端B没有收到补偿终端信息，则将补偿区段(0至multistartseq-1)发送给SDS服务器，由SDS服务器建立终端B与CDN源服务器之间的单播数据通道，终端B通过该单播数据通道获取相应补偿区段的补偿数据。

其中，综合考虑数据监测、数据补偿和多流整合的需要，终端为接收点播视频而分配的数据存储空间，可以按照以下方法进行，设定Cachemax为终端根据自身性能设定的缓存上限值，点播视频循环缓存空间最多可容纳n(0＜n≤Cachemax)个扩展RTP数据包，设该点播视频RTP流中数据包总数为N，则n值的具体选取算法如下：

在点播视频中，同样存在单播切换为组播的问题，且各个终端的数据传输进度有可能存在差异，为保证切换过程中数据传输的完整性和可靠性，本发明利用软切换的思路实现单播向组播的切换，详细的说：

SDS服务器在开启组播数据通道进行组播传输之前，先统计需要进行切换的终端的单播数据传输进度，记录SDS服务器已发送单播数据包的最大值(最大全局定位标识号为Gmax)，然后设定组播传输的起始数据包标号(全局定位标识号G0＝Gmax+ΔG，其中ΔG为正常数，具体取值与点播视频长度有关)，并将G0发送给终端，同时，SDS服务器将通过单播数据通道发送的数据区段修改为0至(G0-1)；

当终端接收到经组播数据通道传输的组播数据后，确认第一个接收到的数据包序号(即组播起始全局定位标识G0)，同时判断经单播数据通道收到的数据包序号，当经单播数据通道收到的数据包序号为(G0-1)时，表示组播传输之前的单播数据已经接收完整，此时终端才中断并释放单播数据通道连接，完成单播向组播的软切换。

针对点播视频的特殊性，SDS服务器还可以根据点播视频的传输进度判断创建单播数据通道还是组播数据通道。具体的说，当已建立的组播数据通道中数据传输进度到达一门限值(比如点播的视频已经快播放完毕)，则终端无需再加入该组播内，SDS服务器为终端建立单播数据通道，终端通过该单播数据通道从CDN源服务器获取可靠的完整数据。

另外，终端可通过创建线程的方法管理接收到的数据流，具体的说，终端根据待接收数据流的个数创建相应数目的接收线程，每个线程负责对一个数据流的接收进行控制，且所有线程共享已申请的循环缓存空间，为了便于多流写入及后续数据读取和完整性监测，对于每个线程接收到的每个数据包，都使用全局定位标号(分为直播数据包序号和点播数据包序号)进行标识，并存放于循环缓存空间内相应的位置。

本发明的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，基于CDN、SDS及P2P域组成的网络，该方法将单播传输、组播传输和P2P传输三者相结合，充分利用了单播的用户个性化、组播的用户群共性化以及P2P的用户差异化。对于请求同一数据的多个用户，利用组播传输，可以节约信道资源；对于网络中组播数据传输有效性差的问题，则依靠P2P补偿进行丢包重传，以保证终端接收数据的完整性。利用本发明的方法，不仅可成倍减少因反复传输相同数据而造成的网络冗余问题，大大减少依靠P2P补偿来获取的数据总量，便于进行流量优化，还有效的减轻了服务器及各终端的传输压力，实现了用户与网络的双赢。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，基于CDN、SDS及P2P域组成的网络环境，P2P域包括若干由各种终端组成的P2P网络，其特征在于：

SDS服务器根据终端的请求，查找该请求对应的数据连接通道，若该请求没有创建数据连接通道，或是所创建的单播数据通道小于一门限值，则决策为该请求创建单播数据通道；若所创建的单播数据通道到达该门限值，则决策为该请求创建组播数据通道；若该请求已经存在组播数据通道，则决策使用该组播数据通道；作出决策后，SDS服务器将单播数据通道或是组播数据通道的相关信息以决策信息发送给该终端，该终端收到该决策信息后，通过该决策信息中的单播数据通道或是组播数据通道与CDN源服务器通信，从CDN源服务器获取请求的数据。

2.如权利要求1所述的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，其特征在于：若所述终端的请求已经存在对应的组播数据通道，所述SDS服务器还需要从该组播内所有其它终端中优选出备选终端，并将该些备选终端的相关信息以补偿终端信息发送给所述终端，以使所述终端可从该些备选终端中获取补偿数据。

3.如权利要求1所述的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，其特征在于：所述终端收到所述决策信息后，先申请一片用于存放流媒体数据的内存空间，然后通过所述决策信息中的单播数据通道或是组播数据通道与所述CDN源服务器建立数据连接，接收CDN源服务器发送的流媒体数据。

4.如权利要求2所述的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，其特征在于：所述终端收到所述决策信息后，如果是通过单播数据通道进行单播传输，那么申请一片内存空间，然后通过该单播数据通道与所述CDN源服务器建立数据连接，将收到的流媒体数据存放入该内存空间中；如果是通过组播数据通道进行组播传输，所述终端创建补偿区段和组播区段两部分数据存储空间，该补偿区段用于存放从所述备选终端或是所述CDN源服务器获取的补偿数据；该组播区段用于存放从该组播数据通道接收的组播数据。

5.如权利要求4所述的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，其特征在于：所述终端判断是否收到所述补偿终端信息，若收到了所述补偿终端信息，则根据所述补偿终端信息中的备选终端的相关信息，发起与所述备选终端的数据连接请求，以从所述备选终端中获取补偿数据，若所述终端没有收到所述补偿终端信息，则将所述补偿区段发送给所述SDS服务器，由所述SDS服务器建立所述终端与所述CDN源服务器之间的单播数据通道，所述终端通过该单播数据通道获取相应补偿区段的补偿数据。

6.如权利要求3所述的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，其特征在于：单播传输向组播传输切换时，所述SDS服务器开启组播数据通道的同时，即中断所有或是部分同意进行切换的终端的单播数据通道的数据连接；终端在收到从组播数据通道传输的数据后，即中断并释放原有的单播数据通道连接。

7.如权利要求5所述的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，其特征在于：单播传输向组播传输切换时，所述SDS服务器在开启组播数据通道进行组播传输之前，先统计需要进行切换的终端的单播数据传输进度，记录已发送单播数据包最大值，依据该最大值设定组播传输的起始数据包标号，并将该起始数据包标号发送给终端；当该终端接收到经组播数据通道传输的组播数据后，确认第一个接收到的数据包序号，同时判断经单播数据通道收到的数据包序号，当经单播数据通道收到的数据包序号等于所述SDS服务器发送的起始数据包标号减一时，该终端中断并释放单播数据通道连接。

8.如权利要求7所述的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，其特征在于：所述SDS服务器还可以根据流媒体数据传输进度判断创建单播数据通道还是组播数据通道，当已建立的组播数据通道中数据传输进度到达一门限值，所述SDS服务器为终端建立单播数据通道，终端通过该单播数据通道从所述CDN源服务器获取请求的数据。

9.如权利要求5所述的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，其特征在于：终端从所述备选终端通过P2P传输方法获取补偿数据的原则是：尽可能由一个备选终端完成补偿；如果一个备选终端不能提供完整的补偿数据，则由多个备选终端共同进行补偿；如果多个备选终端仍无法提供完整的补偿数据，则按照最大补偿原则，尽可能多的为该终端提供补偿数据。

10.如权利要求6或7所述的基于IP组播及P2P补偿的流媒体传输方法，其特征在于：终端根据待接收数据流的个数创建相应数目的接收线程，每个线程负责对一个数据流的接收进行控制，且所有线程共享已申请的数据存储空间。