摘 要： 針對實際P2P網絡中存在的異構性問題，提出一種基于多源的P2P流媒體" title="流媒體">流媒體傳輸系統" title="傳輸系統">傳輸系統。
關鍵詞： P2P 流媒體傳輸? 多描述編碼? 多源
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近年來，隨著Bittorrent、eMule等P2P[1]應用軟件的出現，業界已廣泛展開了對P2P網絡的研究。P2P網絡中，每個節點同時具有服務器和客戶端功能，每個節點將接收的內容緩存并提供給其他請求節點，這充分挖掘了Internet上被忽視的客戶機資源，在利用率、可擴展性、容錯等方面具有巨大潛力。把P2P引入流媒體服務，將打破傳統的C/S模式，使服務分散化，從而減輕服務器負載并支持更大范圍流媒體發布，具有潛在的應用前景。
現有的基于P2P流媒體系統多采用基于應用層[2-3]的組播方式，這種方式通常基于單源傳輸。組播組內的Peer必須提供足夠的帶寬來傳送一個完整的媒體流" title="媒體流">媒體流。然而在實際的網絡環境中，各個Peer之間在提供的帶寬、存儲空間以及CPU能力等方面存在著很大的異構性。有些Peer所提供的出口帶寬通常不能支持一個完整的媒體流的傳送。例如在ADSL方式下，Peer的上行帶寬只有幾百kbps左右，而一部以MPEG-1編碼的視頻流的帶寬是1.5Mbps，單個Peer無法傳送完整的媒體流，因此需要多個Peer對一個Peer進行服務,即提供服務的所有Peer的出口帶寬之和要大于媒體流的編碼帶寬，Peer之間則以單播的形式通信。
為了解決上述的流媒體在異構的P2P網絡中存在的問題，本文提出一種基于多源的P2P流媒體傳輸系統PSMTMS（P2P Streaming Media Transmission System Based on Multi-Source）。通過組群劃分機制建立起分層集中的PSMTMS網絡模型。在此模型上采用多描述編碼方式把原始視頻編碼成多個描述，形成多個描述子流(碼流)，每個描述子流經過不同Peer傳送到用戶端。這種傳輸方式不需要網絡提供可靠的子信道，能很好地解決Peer節點所體現出的異構性問題，從而提高視頻傳輸的魯棒性；并且引入服務節點的選擇策略" title="選擇策略">選擇策略，用戶端能從品質度最佳的Peer下載描述子流，既充分利用了Peer的資源，又保障了流媒體的服務質量。
1 PSMTMS網絡模型
PSMTMS網絡模型的設計思想是以引入分級集中和層次化樹型結構為核心，從而建立分層集中網絡體系結構。提出組群劃分和層次化結構的目的是充分考慮節點網絡鄰近性特征。通過組群劃分機制將物理距離較近的節點劃為一組，以使網絡中鄰近節點間的數據傳輸盡量都在所在區域內部完成，降低了媒體流傳輸延遲。
1.1 基本概念
(1) 媒體管理服務器(MMS)：保存著各個興趣組內所有節點的相關信息，負責管理所在興趣組中的節點的加入、退出，以及為用戶選擇高品質的服務節點。每個媒體文件在MMS中設立一個興趣組。
(2) 流媒體服務器(SMS)：存儲媒體數據，傳送媒體數據給用戶，并且能把原始視頻通過MDC編碼成媒體流數據。
(3) 普通節點(Peer):類似于C/S結構中的普通用戶。
1.2 PSMTMS體系結構
本系統網絡拓撲是構建于物理網絡拓撲之上的一層重疊網絡，屬于應用層的虛擬網絡。網絡拓撲分為兩層（如圖1所示）：底層是由區域組成的集合，每個區域是按組群劃分機制組織起來的用戶群；頂層由一個媒體管理服務器(MMS)、一個或多個流媒體服務器(SMS)組成。在圖1中，Peer12從所在區域1中選取Peer11和Peer1n以及在區域n中選取Peern1三個節點作為自己的接收節點。其他節點依此相互協作，實現多源的媒體流傳輸。
1.3 組群劃分機制
為了實現媒體流傳送盡量都在網絡中鄰近節點間進行，本文將物理距離較近的節點歸為一個組群，從而降低了媒體流的傳輸延遲。
組群劃分機制具體描述如下：
(1)當一個新節點Peer希望加入網絡時，它首先向MMS發送請求加入消息。
(2)MMS返回標志節點列表給Peer。標志節點也是普通節點，它一般是第一個加入所在區域的節點。
(3)Peer計算到各個標志節點的物理網絡距離。最簡單的方法可以使用Ping消息。如果計算的物理距離小于PSMTMS系統設定的門限值，則Peer將通過向MMS發送消息加入到標志節點所在的區域中，組群劃分過程結束；否則，自動成為一個標志節點，并相應添加一個新區域。
2 多描述編碼
多描述編碼[4]MDC(Multiple Description Coding)將視頻信息(或其他信息源)編碼成多個獨立的、等優先級的碼流。每個碼流稱為一個“描述”。這些無優先級的碼流可分別通過獨立信道傳輸，不分特殊層，每個描述都能被獨立譯碼。假設在接收、發送端之間有多個獨立的并行信道，各信道中誤碼的發生是相互獨立的， 即所有信道同時發生誤碼的概率較小。這樣在接收端至少有部分描述被正確接收，可以重構視頻。若全部描述被正確接收，接收端能重構最佳質量的視頻。這一特性使MDC非常適合分組交換的網絡。由于多描述編碼可以在支持不同比特率的路徑上傳輸，可以充分利用包交換網絡的傳輸資源，所以具有廣泛的應用前景。
針對視頻的多描述編碼方法很多，最簡單的方法是時域劃分， 即發送端依據采樣時間分成奇偶兩個視頻信號，生成兩個描述經不同信道傳輸[5]。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。
本文采用的MDC編解碼模型如圖2所示，對經小波" title="小波">小波變換后的視頻的小波系數進行分割，采用空間-時間分塊方法，將小波系數分成多個子塊，分別對各子塊進行3D-SPIHT（三維等級樹集合劃分算法）[6]編碼，得到多個編碼比特流(描述)。對每一描述，以固定長度k個比特構成一個信息碼組(在此稱為“打包”)，再分別對每個包加循環冗余碼(CRC)校驗，加上與Reed-Solomon(RS)編碼糾錯碼組合使用，提高了系統的性能。編碼后的描述流通過不同的信道發往接收者(實際上在P2P的發送方式下，不同的描述流是由不同的Peer發往接收者的)。在接收端，先對多個獨立信道接收的各描述包進行RS解碼，對每一描述(碼流)，分別進行3D-SPIHT解碼，得到相應于各描述(碼流)的小波系數。CRC檢測到包被污染，即停止該包所屬描述的3D-SPIHT解碼，全部描述3D-SPIHT解碼完成后將各小波系數合成為一小波系數矩陣；然后進行小波逆變換，即得到解碼的視頻信號。
3 PSMTMS傳輸系統實現方案
本文提出的流媒體傳輸系統對原始視頻采用多描述編碼，形成多路碼流（描述）；對編碼后的多路描述子流采用P2P方式，使多點(即多個Peer)相互協作，實現多徑傳輸。
3.1 服務節點的選擇策略
服務節點的選擇可以根據不同的QoS需求采取不同的選擇策略。如果希望流媒體服務的延遲小，可以選擇物理鄰近的節點作為服務的節點以快速建立會話，如在局域網內有提供服務的節點，就不選擇Internet上的節點，這樣可以避開Internet上的帶寬波動和擁塞；如果希望得到高質量的流媒體服務，則可選擇能夠提供高帶寬、CPU 能力強的節點，例如在寬帶接入的PC機和ADSL接入的終端之間選擇前者。
本系統結合以上兩種選擇策略，對服務節點的選擇采用如下策略：
(1)優先從本區域中選取Peer作為轉發描述子流（即成為服務節點）。根據上述的組群劃分機制組成的區域中所有節點間的物理網絡距離較近，這樣數據傳輸延遲也較小。
(2)不同的描述子流盡量從不同的Peer上接收，避免了由于所選Peer的離開而造成多個描述子流的丟失。
(3)優先選取品質度好的Peer。根據Peer的當前系統信息（如CPU處理能力、內存信息、上傳帶寬、下載帶寬、上傳連接數和下載連接數等），通過某種算法計算得到一個性能評估值。性能評估值越大，Peer的品質度越好。
3.2 媒體流傳輸網絡的構建
在PSMTMS系統中，由多個提供不同帶寬的服務節點向一個接收節點發送數據。為了保證服務延遲小以及服務的連續性和穩定性，接收節點根據所接收到的各描述子流的質量，動態地選擇相應的服務節點。
本系統每路描述子流采用RTP打包發送，在包頭中要包含以下私有字段：原始流惟一標識、子流標識和時間戳(或幀同步標識)。
3.2.1 Peer節點的加入過程
當流媒體服務器(SMS)有新媒體文件時，SMS就會向媒體管理服務器(MMS)發布Create消息。MMS收到消息后，首先創建一個新的興趣組，并生成一個惟一的媒體流標識來表示此媒體文件；然后向MMS發送Response消息，這樣新媒體文件就可以提供給用戶訪問了。
新節點Peer加入興趣組的過程如圖3所示，其詳細描述如下：
(1)當新節點PeerA想要訪問某個媒體文件時，首先根據PeerA的系統信息，按照某種算法計算出品質度；并向MMS發送請求消息，包括PeerA的IP地址、品質度以及媒體文件的描述信息;
(2)MMS生成PeerA的唯一標識號（NodeID）并搜索媒體文件所在的興趣組，返回PeerA的NodeID和標志節點列表消息;
(3)PeerA根據收到的節點列表信息，按照1.3節所述的組群劃分機制，加入到相應的區域，并告知MMS;
(4)MMS根據上述服務節點的選擇策略，選出目前每個描述子流所對應的品質度最佳的服務節點，并向PeerA發送服務節點列表消息。每個服務節點信息包括：NodeID、IP地址、可轉發的描述子流標識。
如果興趣組的成員較少(少于描述子流總數)或SMS可用帶寬大于帶寬下界BWbound，可把SMS當作服務節點，以便用戶獲取數據，保證用戶接收到盡可能多的描述子流。
3.2.2 Peer節點的退出過程
Peer的退出有兩種：正常退出和異常退出。對于Peer的正常退出（如用戶正常關閉程序），Peer首先檢查是否有下載節點從Peer那里下載描述子流；如果有，則向它們分別發送Leave報文，各下載節點重新獲取相應的服務節點；最后Peer向媒體管理服務器發送LeaveGroup報文，媒體管理服務器更新相應的信息。對于Peer的異常退出（如節點掉線或死機等）的處理方式為：Peer周期性地向其下載節點發送Keeplive報文，如果下載節點在一段時間內沒收到Peer的報文，就認為Peer失效，重新向媒體管理服務器申請新的服務節點以替換Peer。
3.3 媒體流的傳輸過程
Peer根據MMS提供的服務節點列表信息，對不同的描述子流分別啟用單獨的線程從不同的服務節點進行接收和解碼。先對接收到的各描述包進行RS解碼；然后對每一描述(碼流)分別進行3D-SPIHT解碼，得到相對于各描述(碼流)的小波系數，如果CRC檢測到包被污染，即停止該包所屬描述的3D-SPIHT解碼。解碼后的多路視頻塊置于合成處理緩沖區中。對每塊數據的處理設置一個最大等待時間。當等待時間到達時，根據處理緩沖區中收到的解碼后的子塊編號，將各小波系數合成為一小波系數矩陣；最后進行小波逆變換，即得到解碼的視頻信號并顯示出來。
在整個接收過程中，Peer節點同時對各個正確接收到的描述子流進行統計。對于時延和丟包率大的子流，Peer可以向媒體管理服務器發送該描述子流的下載請求，重新獲取新的服務節點。對于接收狀態良好的子流，Peer可以生成發布消息發往媒體管理服務器進行登記，通告媒體管理服務器，自己可以對該描述子流進行轉發，Peer自動成為該描述子流的服務節點。
針對流媒體在異構的P2P網絡中存在的問題，本文提出了一種基于多源的P2P流媒體傳輸系統。下一步研究工作是設計出一種Peer性能評估值算法，進一步完善P2P流媒體傳輸系統。
參考文獻
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