国内外流媒体点播系统服务模式的性能分析

裴 祥

(河南工业职业技术学院，河南南阳 473009)

国内外流媒体点播系统服务模式的性能分析

裴 祥

(河南工业职业技术学院，河南南阳 473009)

在IPTV系统中，流媒体点播系统始终是这个系统得以实现的关键，也是系统能否高效工作的重要因素。本文在查阅现有与IPTV系统以及流媒体点播系统相关的国内外文献资料的基础上，对其进行了归纳和整理，并对其现有经典解决方案的优缺点进行了比较。

交互式电视;流媒体点播系统;视频点播

在交互式网络电视(IPTV)系统中，流媒体点播系统始终是IPTV系统得以实现的关键，也是IPTV系统能否高效工作的重要因素。由于连接网络的终端数量急剧增加，加之网络结构的多样化和复杂性，传统的集中式的文件分发模式面临着伸缩性、连接突发性和可靠性问题，如何实现一个高质量、高扩展性的并能处理各种网络情况的流媒体点播系统显得非常必要。

目前对于流媒体点播系统的研究仍然在不断地深入，按照其服务模式主要分为以下三种。

1.单播模式

单播通信是一种点对点的通信方式，即 C/S(Client/Server)服务模式。其优势在于通信模型简单，部署方便，利用现有的互联网即可实现;用户独占模式，支持交互操作。然而采用单播模式，在一对多的通信需求之下，每一个报文都要被重复传递多次，当服务规模扩大时，由于服务器处理能力和网络带宽的限制，无法支持大规模的用户需求。例如，以单播模式向用户提供流媒体服务，如果服务器是1000Mbps的网卡，媒体数据格式为MPEG4格式，即单个视频流是1.5Mbps，按照以太网70%的吞吐量计算，该服务器最多支持460个用户;同时考虑服务器磁盘FO读取的限制，实际可服务的用户数目更少。因此，采用单播方式进行一对多通信，其可扩展性较差，QoS保障低且有较高的部署成本。

目前的解决方法之一为采用代理缓存或内容分发网络(CDN，Content Delivery Network)技术将服务器尽量部署到离客户近的地方，以减轻主干网络的负荷。在网络边缘部署代理缓存或CDN，媒体服务器将媒体内容以“推”或“被动缓存”的方式存放在代理缓存服务器或CDN上，客户请求媒体服务时，可从代理缓存或CDN服务器获得服务，而不必消耗源服务器的资源。利用代理的特殊地域性，组成流媒体内容分发网络，实现流媒体对象的“边缘分发”，不仅可以加快用户访问请求的响应速度，灵活扩大用户群的规模、范围，更好地适应网络及用户的异构性，而且还能有效地节省从源服务器到代理服务器之间的骨干网络带宽。但其位于边缘的单个服务器，对用户来说也是一个视频服务系统，同样要面对磁盘带宽和网络带宽的制约，边缘媒体服务器采用C/S模式提供服务，服务的可扩展性问题依然没有从根本上得到解决。

2.组播模式

解决流媒体服务扩展性的另一个方法是采用网络层组播来提供服务。八十年代末，S.Deering提出第一个域间网络(inter－domain networks)上的组播模型，这标志着IP组播的出现。IP组播是对IP网络层协议的扩展，目的是支持面向组的高效通讯或网络层的高效多点数据传输。1994年H.Erikson将组播推广到互联网，构建了一个具有组播能力的网络——组播骨干网MBone(Multicast Backbone)。

以IP组播的方式对流媒体内容进行分发，接收相同内容的用户构成一个组播组，由路由器负责维护组播组的状态和组成员的变化，并在组成员之间构造一棵数据分发树。流媒体点播系统只需要向组内发送一份组播数据，由路由器在恰当的分支点复制、转发数据，就可让所有组成员收到数据，而任何一份数据包的拷贝只会在组播树的每条链路上出现一次。多个请求节点通过IP组播树共享得到视频数据，从而减轻了服务器和网络的负载。在基于IP组播的方式向用户提供视频点播服务方面，涌现出了Batch协议簇、Patch协议簇以及分段广播协议簇等方案以满足VoD中异步的服务请求，其基本思想是当多个用户并发请求某个热门节目时，将多个点播同一个节目的用户请求合并调度，将该节目的全部或部分数据以组播方式进行传送，用一个视频组播流同时满足多个用户的需要，从而实现数据流的共享，减轻服务器和网络的资源需求。相比于单播方式，网络带宽和服务器资源需求大大减少，因此它曾被认为是解决“单点到多点(One－to－Many)”数据传输最理想的方式。

然而经过多年的研究，IP组播虽然在实验和示范系统上得到广泛应用，但一直没有能够大规模地进入商业领域，主要由于IP组播存在访问控制较难、缺乏组播地址分配机制、缺乏接入控制、缺乏域间组播路由协议、管理难度大、缺乏计费模式、路由器负载过重等问题，导致其在互联网难以实际部署。

在不改变现有网络条件的前提下，为解决IP组播所遇到的问题，以H.Chu为代表的研究者提出以应用层组播ALM(Application Layer Multicast)来解决IP组播在推广中遇到的问题。

3.P2P模式

所谓应用层组播就是把与组播相关的数据路由、复制、转发等功能放到成员主机的应用层实现，在成员主机之间构建一个实现组播功能的逻辑网络(Overlay Network)。应用层组播与IP组播的最大区别就是组播的复制、转发功能是由主机实现，而不是由路由器实现。与在单播传输模型中一样，路由器只需要支持“尽力传输”功能，而无需支持与组播相关的其他额外功能，并且可以针对特定应用进行优化，同时具有良好的扩展性，易于实现和推广。在应用层组播和对等网络技术的基础上，结合互联网的性质和流媒体应用的特点，发展出一种新型的流媒体传输模式—P2P模式。

P2P模式目前存在的主要缺点是:比网络层组播消耗更多的网络资源;端系统不稳定，导致组播的可靠性受影响;端系统性能无法保证，可能导致延迟、转发速率等性能的下降。虽然其组播效率相对IP组播方法较低，但是其良好的可扩展性和经济性使其在近年来得到广泛关注，众多学者认为基于应用层组播技术的P2P流媒体技术，已经成为互联网新的应用支撑技术之一。

在1998年第一套利用P2P技术实现大规模流媒体点播和直播的系统Webcast出现后，各种原型系统、高度可扩展的应用层组播协议大量涌现。其中典型的系统有提供音频广播的Standford大学的Peercast系统和德国的P2PRadio系统，它们均采用开放源代码。而应用层组播协议有微软的Coopnet/SPlitstream协议、思科的Overcast协议、马里兰大学的NICE协议、伯克利大学的Gossip协议等。

相比于直播，在点播领域，P2P模式的发展速度相对较为缓慢。主要是因为点播中的高度交互性需求，实现复杂程度较高。2000年，美国普度大学实现的Gnustream系统是在Gnutella网络基础上的第一个P2P准点播系统。由于版权因素的限制，这套系统没有能得到大规模的使用。2000年之后，P2P的点播技术在适用于点播的应用层传输协议技术、底层编码技术以及数字版权技术等方面都有重要进展。在应用层传输协议方面，比较重要的有2002年提出的P2Cast协议以及2003年提出的CollectCast协议。

目前在大规模P2P流媒体应用方面，存在着一些问题:(1)由于节点失效造成的转发树断裂，如何进行快速恢复，以减少流媒体数据的丢失;(2)缺乏对节点的异构性问题考虑;(3)网络缺乏QoS机制，拥塞和抖动都会影响流媒体质量;

综上所述，在现有的通信模型中，单播由于可扩展性较差，不适合大规模并发服务下的一对多数据传输;广播被限制在局域网内，无法在更大范围内使用;网络层组播虽然通信效率较高，但是在大规模网络下的部署问题目前还难以解决。应用层组播部署相对容易，但是转发效率不如网络层组播。针对在异构网络环境下的大规模流媒体应用，仍有许多问题需要进一步研究和解决，这正是今后研究的重点。

从流媒体点播系统的实现技术来看，近年来出现了从PC级的小型服务器到基于并行处理结构的大型服务器发展的趋势。很多专业级的流媒体点播系统都采用了专门的体系结构，这类厂商提供全面的流媒体服务解决方案，其产品为流媒体服务量身定做，nCUBE公司就是典型的代表，其nCUBE4产品专门面向商业化流媒体应用，这种流媒体点播系统的存储、网络I/O等完全针对视频应用而设计，针对不同的接入网络和系统需求，提供以太网服务模块，ATM接口服务模块，DVB－ASI接口服务模块，QAM接口服务模块等，并提供操作系统和流媒体应用软件。

一般情况下，复杂的流媒体应用需要流媒体点播系统具有强大的性能。比较成熟的产品如Apple公司的Darwin Streaming Server，RealNetworks公司的RealServer［9］等流媒体应用软件都需要流媒体点播系统具有强大的并发处理能力，这类专业产品由于硬件成本较大，一般不利于普及应用。

相信随着三网融合进一步深入到人们的社会生活中，人们对IPTV系统的需求会变得日益紧迫和多样化。这就促使工程人员必须开发出功能更加丰富、性能更加健壮的IPTV系统，从而促进IPTV技术的不断向前发展。

［1］邢金阁.流媒体服务系统的设计与实现.哈尔滨:东北农业大学工程学院博士论文，2005:50－80

［2］张宗勇.基于P2P技术的IPTV服务系统研究.西安:西北工业大学博士论文，2006:113－140

［3］方群，王敏，吉逸.基于RTSP/RTP的媒体点播服务器的设计与实现.计算机工程与设计，2006，27(1):4－6

［4］章民融，徐亚锋《基于RTSP的流媒体视频服务器的设计与实现》计算机应用与软件，2006，23(7):93－95

［5］Parameswaran M，Susarla A，Whinston AB.P2P networking:An information－sharing alternative.Computing Practices，2001，34(7):31 38

［6］黄拔锋，钟明，杨传钧，张家饪.Dwarin streaming server的研究和应用.计算机工程，2004，30(19):134－135

The Performance of Streaming Media VOD System at Home and Abroad

PEI Xiang
(Henan Polytechnic Institute，Nanyang Henan，473009)

In the IPTV system，Streaming Media VOD system is always the key to realize the operation of the system，but also the important factor to make the system work efficiently.Based on the literature materials related to IPTV system and Streaming Media VOD system at home and abroad，this paper has carried out the induction and consolidation，and compared the advantages and disadvantages among the existing classic solutions.

IPTV;Streaming Media Server;Video on Demand

TD393

A

1671－3974(2012)03－0054－03

2012－04－07

裴祥(1984－)，男，工程硕士，河南工业职业技术学院计算机系网络实验室教师，从事计算机网络教学及网络管理等工作。