面向运营商的P2P流媒体系统架构

1、现有流媒体系统架构

流媒体服务是在IP网上基于流式传输技术，向用户提供实时音视频媒体播放的业务。由于无需等待文件下载完成就可实现在线观看，因此流媒体应用自推出以来就受到用户的普遍欢迎，近年来更是随着宽带网络的普及而呈爆炸式增长。

目前，IP网上的流媒体服务主要基于C/S（客户端/服务器）架构实现。在用户少、业务量不大的情况下，基于C/S架构实现的流媒体服务系统还是比较简单、方便和行之有效的。但随着流媒体用户的快速增长，这种实现模式也日益显现出以下缺点：

●由于流媒体服务信息传递量大，持续时间长，提供流媒体服务的服务器数量必须随着用户数的增加而增加，这对运营商而言是一笔巨大的投资；
●集中的流媒体服务器群给中心机房、网络出口和骨干网络均带来极大的压力，可能产生性能瓶颈，导致服务质量下降；
●采用内容推送技术虽然可以把内容推送到网络边缘，减轻了中心机房和网络的压力，但C/S结构的本质决定了其无法减少对流媒体服务器的需求，投资只会进一步增加；
●虽然硬件投资巨大，但系统服务能力始终有限，仍难以满足一些特殊情况下（如球赛、运动会等）用户密集突发的流媒体业务需求。

2、P2P技术的引入

基于C/S架构提供的流媒体业务由于成本居高不下，在很大程度上影响了业务的进一步发展和繁荣，因此，部分服务提供商开始考虑在流媒体服务中引入P2P技术来实现低成本的业务提供。

P2P的核心思想是通过参与系统节点（peer）之间的直接交互来实现系统资源和信息的共享。P2P系统强调节点之间的对等性，信息资源分散存储在各个参与节点，每个参与节点兼有服务器和客户端两种身份，都可以请求服务和提供服务，内容传输直接在节点间进行，避免了C/S架构中容易出现的网络和服务器瓶颈问题。因此，相比C/S架构而言，P2P系统能够充分利用网络终端的空闲资源，大大降低了系统的建设和运营成本，同时，节点越多服务资源也越多，系统因此具有良好的可扩展性和高度的自适应性，能够满足各种突发环境下的业务需求。

1999年Napster的出现使人们认识到P2P和互联网结合所蕴含的巨大潜力，eDonkey、BitTorrent、Skype等P2P应用的广泛流行，使人们更加看好P2P流媒体的发展。一些厂商开始研发并推出P2P流媒体点播和直播系统，其中包括了2004年世界杯期间一炮而红的CoolStreaming系统以及目前广受用户欢迎的PPLive、PPStream等。这些系统虽然实现了低成本的业务提供，但也普遍存在以下问题：

●缺乏版权保护机制，难以引入大量的合法内容，导致严重的盗版问题；
●没有考虑运营需求，不支持个性化计费，难以形成可盈利的运营模式；
●不能实现区域调度，大量P2P流量穿越骨干，给网络带来巨大压力；
●提供的业务仍以直播为主，P2P点播技术仍处在发展中，尚不成熟。

3、面向运营商的P2P流媒体系统设计

针对现有系统所存在的问题，本文提出了一种面向电信运营商的可运营、可管理、可扩展的P2P流媒体系统架构。该系统架构按逻辑功能划分为以下3个层次。

●业务控制层，包括内容发布服务器和资源管理服务器以及其他相关后台支撑系统，主要实现用户和内容的管理调度。其中内容发布服务器，负责在运营商的统一控制或授权（针对ICP）下实现内容和信息的发布；资源管理服务器，动态维护内容节点（包括原始内容服务器、边缘内容服务器、客户端等）资源列表，并根据所定义的策略，实现内容分发控制和用户服务调度；后台支撑系统服务器，用于实现用户管理和版权管理等相关功能。

●内容服务层，包括原始内容服务器、内容缓存服务器和客户端，负责内容的存储和服务提供，最终实现流媒体服务提供。其中原始内容服务器，保存有完整的原始内容文件，用于提供初始的内容分发和用户服务，并在其他内容节点失效或无法提供所需内容服务时，向用户提供最终的服务；内容缓存服务器，通常设置在网络边缘，运营商可设置一定的策略，把相关的组播节目或热点内容从原始内容服务器主动推送到边缘缓存，向用户提供就近的快速服务；客户端，既是P2P流媒体服务的使用者，同时也是服务提供者。能够在对内容进行本地存储的基础上，与其他客户端建立点对点连接，为对方提供内容服务。

●网络传输层，主要是指宽带IP网络，负责实现各种控制信息和内容服务信息的传送。

其中，除内容发布服务器和原始内容服务器可由运营商授权的ICP提供并进行管理外，其他服务器均由运营商进行管理和运营。因此，整个系统从内容发布、分发到提供的过程均在运营商控制下进行，用户无法自行共享和传播其他内容信息，从根本上解决了现有P2P应用中存在的盗版泛滥问题。

为实现流媒体接收和播放，P2P流媒体客户端需设置两个内存缓存区，一个用于从对等连接中接收数据包并进行排序的接收缓存区；另一个用于在播放前将接收缓存区中已排序好的数据包复制过来并进行解包合成的播放缓存区。同时，P2P流媒体客户端应在机器中设置物理缓存，用于在资源管理器调度下实现内容的本地存储以及向其他客户端提供P2P流媒体服务。为避免用户有意或无意破坏存储内容的完整性，该物理缓存需进行加密。内容文件的存放和传送均基于分片的方式，每个文件片断均有惟一ID进行标识，且采用DRM（数字版权管理）技术防止用户盗版。

4、P2P点播业务实现流程

基于上述架构实现的流媒体系统可向用户提供P2P广播和点播业务，其中，用户点播流媒体节目的流程设计如图1所示。