??? 摘? 要： 本文提出了基于多描述編碼的Peer to Peer方式視頻流直播方案，并對該方案中P2P方式視頻發(fā)布與接收策略進(jìn)行了介紹。
??? 關(guān)鍵詞： MDC? Peer to Peer? 視頻流
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??? 隨著通信技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益完善，傳統(tǒng)的、基于文本和圖片瀏覽的Internet服務(wù)已逐漸被以音視頻為主體的網(wǎng)絡(luò)多媒體服務(wù)所取代。以音視頻為主的多媒體服務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，以及對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和傳輸實時性的要求是傳統(tǒng)Internet服務(wù)業(yè)務(wù)所不可比擬的。如何在現(xiàn)有的Internet環(huán)境下有效地發(fā)送音視頻數(shù)據(jù)，提供用戶滿意的網(wǎng)絡(luò)多媒體服務(wù)是現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱門領(lǐng)域。本文討論了一種結(jié)合多描述編碼的方法，用P2P方式進(jìn)行視頻流發(fā)送的方案。
1? P2P技術(shù)介紹
??? P2P技術(shù)是一種用于不同PC用戶之間共享計算機資源的技術(shù)。位于網(wǎng)絡(luò)上的每個用戶都是一個對等實體（Peer），他們彼此獨立又可以互相協(xié)作，既是服務(wù)的提供者又是享用者。早期的P2P網(wǎng)絡(luò)已在分布式計算、即時通信和文件共享等領(lǐng)域取得了顯著成就。
??? 這里特別值得一提的是近幾年興起的、采用P2P方式的BT（bit torrent）文件下載。它的基本思想是將一個大的文件分成許多小的片斷，下載用戶非順序地從網(wǎng)絡(luò)中其他用戶處下載文件的各個分片。當(dāng)用戶下載完某個完整的分片后，又可將該分片共享，供其他用戶下載。與傳統(tǒng)的C/S方式文件下載相比，這種P2P下載方式的特點是用戶越多下載速度越快，可以最大限度地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。
??? 但這種文件下載方式不能直接用于視頻流的發(fā)送，特別是對視頻流直播方式不太適合。對于直播視頻流來說，它的數(shù)據(jù)流是實時產(chǎn)生的(不同于文件方式，待發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)存放于本地存儲內(nèi))，同時視頻直播流的接收和觀看必須是實時和順序進(jìn)行的。現(xiàn)在基于P2P的視頻直播多采用基于應(yīng)用層的組播方式，視頻流發(fā)送是通過構(gòu)建組播樹方式進(jìn)行的。每個用戶（組播樹上的一個節(jié)點）從自己的父節(jié)點處獲取完整的視頻流進(jìn)行收看，同時向下游的兒子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)視頻數(shù)據(jù)。在這種方式下，對組播樹中的每個Peer節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)I/O帶寬都有較高要求(在某些用戶接入方式下工作不太理想。如ADSL用戶，上下行通道不對稱，上行帶寬很窄)。并且當(dāng)組播樹的某個節(jié)點，特別是位于上層的節(jié)點發(fā)生故障時，組播樹的恢復(fù)存在一定難度和時延。
2? 多描述編碼
??? 多描述編碼MDC(Multiple Description Coding)假設(shè)在信源和信道之間有多個信道，各個信道同時出錯的概率非常低。通過生成多個同等重要、可獨立解碼的關(guān)于編碼的描述，保證在其中一些描述丟失時，仍可以得到可接受的信號。因此，多描述編碼在基于包的網(wǎng)絡(luò)、無有效保護(hù)機制的Internet、分集通信系統(tǒng)（多天線的無線信道）、語音編碼、圖像編碼、視頻編碼、多分布的存儲系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。
??? 針對視頻的多描述編碼構(gòu)造方法很多，最簡單直觀的方法是針對空間分辨率、時間分辨率進(jìn)行亞抽樣，編碼成多路描述碼流。此外，還有多描述量化、多描述變換編碼及基于FEC的多描述編碼。
3? 基于MDC的P2P視頻直播方案
??? 通過對MDC和P2P技術(shù)的分析可知，這兩項技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)多媒體數(shù)據(jù)傳輸中有顯著的優(yōu)勢和特點。但將這兩項技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行視頻直播，且能發(fā)揮其各自技術(shù)優(yōu)勢的方案還未見到。本文提出的視頻直播方案，對原始視頻采用多描述編碼，形成多路碼流；對編碼后的多路描述流采用P2P方式，使多點（即多個Peer）相互協(xié)作，實現(xiàn)多徑傳輸。具體方案如下。
3.1 MDC編解碼模型
??? 如圖1所示，對原始圖像幀進(jìn)行空間亞抽樣，形成低分辨率的視頻子流。按2n(n可以取1，2，3，……)進(jìn)行水平和垂直方向的亞抽樣。這樣一路原始視頻流經(jīng)空間亞抽樣后可形成4路、16路等22n路視頻子流。具體的抽樣間隔根據(jù)實際應(yīng)用情況進(jìn)行選擇。對每路視頻子流進(jìn)行單獨編碼，可得到22n路編碼描述子流。編碼后的描述子流通過不同的信道發(fā)往接收者（實際上在P2P的發(fā)送方式下，不同的描述子流是由不同的Peer發(fā)往接收者）。接收者對每路描述子流進(jìn)行單獨的接收和解碼，并將解碼后的視頻流合成為原始視頻流。如果只接收到部分視頻子流，也可以通過相應(yīng)的插值算法恢復(fù)出原始視頻圖像。
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3.2 P2P發(fā)布網(wǎng)絡(luò)模型
?? ?與目前大多采用的樹狀P2P發(fā)布網(wǎng)絡(luò)模型不同（該發(fā)布模型是自上而下分層，一對多的數(shù)據(jù)分發(fā)模式），本文采用的是自上而下的分層網(wǎng)狀發(fā)布模型，如圖2所示。
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3.3 P2P方式視頻發(fā)送與接收
??? 每路描述子流發(fā)送采用RTP打包，在包頭中要包含以下私有字段：原始流惟一標(biāo)識、子流標(biāo)識、時間戳（或幀同步標(biāo)識）。
??? (1)發(fā)布網(wǎng)絡(luò)的初始化
??? 最先進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的用戶向發(fā)布服務(wù)器發(fā)出視頻傳送請求，由于此時用戶數(shù)較少，用戶采用傳統(tǒng)的C/S方式直接從種子服務(wù)器（種子服務(wù)器為視頻流的“發(fā)源地”）獲取數(shù)據(jù)。
??? (2)新的Peer請求加入過程
??? 第一步：從發(fā)布服務(wù)器獲取直播流信息，直播流信息主要字段包括：直播流標(biāo)識和流描述信息。
??? 第二步：用戶選擇自己感興趣的流，向發(fā)布服務(wù)器發(fā)送“流申請”（可選項：與此同時用戶可以向本地局域網(wǎng)廣播申請）。
??? 第三步：發(fā)布服務(wù)器返回應(yīng)答信息（也可是本地Peer用戶返回應(yīng)答信息）。應(yīng)答信息主要內(nèi)容如圖3所示。
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??? 第四步：子流轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的選擇：①優(yōu)先從本地網(wǎng)絡(luò)Peer中選取轉(zhuǎn)發(fā)描述子流。②不同的子流盡量從不同的Peer上接收。選擇了轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器后，向選擇的Peer發(fā)送請求，要求其傳送各自的描述子流數(shù)據(jù)。
??? (3)接收過程
??? 對不同的描述子流分別啟動單獨的線程進(jìn)行接收和解碼。解碼后的多路視頻幀置于合成處理緩沖區(qū)中。對每幀數(shù)據(jù)的處理設(shè)置一個最大容忍時間。當(dāng)容忍時間到達(dá)時，應(yīng)根據(jù)處理緩沖區(qū)中收到的解碼后的子幀編號，選擇相應(yīng)的原始幀恢復(fù)算法對圖像進(jìn)行恢復(fù)并顯示。如果一路視頻流的所有描述子流都及時收到并解碼，則可完全恢復(fù)原始視頻圖像，否則要經(jīng)過插值處理來得到原始圖像。
??? 在整個接收過程中，用戶同時對正確接收到的描述子流進(jìn)行統(tǒng)計。對時延和丟包大的子流，用戶可以啟動搜索線程，尋找新的Peer來獲取該路描述子流。對于接收狀態(tài)良好的子流，用戶可以生成報告信息發(fā)往發(fā)布服務(wù)器進(jìn)行“登記”。“告訴”發(fā)布服務(wù)器，“自己”可以對該路視頻流的哪些“子流”進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
??? (4)連接丟失處理
??? 如果用戶的某路連接丟失(可能是由于網(wǎng)絡(luò)故障，或是作為該路流下載服務(wù)器的Peer關(guān)機或離開），則接收者向發(fā)布服務(wù)器（或本地用戶）發(fā)出該路子流的下載請求，以尋找新的下載服務(wù)器(Peer)。與此同時，該用戶仍然可以根據(jù)其他可接收到的子流正常收看視頻節(jié)目。
4? 實驗?zāi)Ｐ徒榻B
??? 初步的仿真實驗在實驗室內(nèi)通過路由器連接兩個局域網(wǎng)構(gòu)成的小型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行。模擬實驗共使用15臺PC機。PC均為PⅢ800，內(nèi)存128MB以上配置，并配備100MB快速以太網(wǎng)卡。其中一臺PC作為種子視頻服務(wù)器和內(nèi)容發(fā)布服務(wù)器，其他分布在兩個局域網(wǎng)內(nèi)的主機作為客戶機。播出的視頻流以H.263標(biāo)準(zhǔn)編碼模型為基礎(chǔ)，對CIF格式原始視頻流進(jìn)行空間亞抽樣分成4路QCIF格式的子流。對這4路流單獨進(jìn)行編碼，形成4路單獨的描述子流，然后進(jìn)行RTP打包發(fā)送給用戶。客戶端的接入、peer搜索、視頻數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)算法按照上一章介紹的算法實現(xiàn)。同時在客戶端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時通過隨機丟包和延時傳送方式，模擬網(wǎng)絡(luò)的丟包和傳輸延時。仿真實驗采用主觀評價方式。實驗表明，在實驗室環(huán)境下建立的基于MDC編碼的P2P視頻流發(fā)布系統(tǒng)模型可以進(jìn)行較理想的視頻發(fā)布和接收。用戶可以收看到清晰流暢的視頻圖像，同時對網(wǎng)絡(luò)丟包和連接丟失有一定容錯性。
5? 總? 結(jié)
??? 本文提出的方案能更好地發(fā)揮P2P方式下多用戶協(xié)作特性，充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行視頻流發(fā)送。同時由于編碼采用MDC方式，該方案能更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬變化，同時對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膩G包和延時有較好的適應(yīng)性和容錯性。當(dāng)然該方案還處于一個較為簡單的模型階段，今后還將從以下幾個方面進(jìn)行研究：(1)進(jìn)一步完善P2P播出算法。(2)找到效率更高的MDC編碼算法。(3)完善系統(tǒng)實現(xiàn)，在更大范圍的真實環(huán)境中對系統(tǒng)進(jìn)行測試。
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