移动混合型对等网络P2P流媒体系统

朱聃　何燕锋　刘志军

摘  要：P2P流媒体系统当前已成为互联网应用领域的一个热点。针对目前P2P流媒体系统存在的问题，文章提出了一种新的P2P流媒体系统。该系统利用数字版权管理和媒体流加密技术，有效解决了现有P2P系统的盗版问题;将传统的互联网客户端/服务器模式与P2P模式相结合，改善了单纯P2P系统的性能;将P2P的应用扩展到移动终端，大大减轻了接入节点的服务压力和投资成本。

关键词：对等网络;流媒体;数字版权管理;移动对等实体代理

中图分类号：TP393.09      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）09-0089-03

P2P Streaming Media System of Mobile Hybrid Peer-to-Peer Network

ZHU Dan，HE Yanfeng，LIU Zhijun

（Fixed Line and Multimedia Product Line，ZTE Corporation，Nanjing  210012，China）

Abstract：P2P streaming media system has become a hotspot in the field of internet application. In view of the problems existing in the current P2P streaming media system，this paper proposes a new P2P streaming media system. The system uses digital rights management and media stream encryption technology to effectively solve the piracy problem of existing P2P system;combines the traditional internet client/server mode with P2P mode to improve the performance of simple P2P system;extends the application of P2P to mobile terminals，greatly reducing the service pressure and investment cost of access nodes.

Keywords：P2P;streaming media;DRM;mobile peer entity agent

0  引  言

隨着大规模存储、高性能工作站以及5G等技术的进步，各式各样的多媒体通信服务迅猛发展。基于P2P的流媒体技术解决了传统客户端/服务器（C/S）模式的流媒体服务可扩展性差、容错性不好、鲁棒性弱等问题，极大降低了互联网流媒体服务的投入成本[1]。

但根据对用户使用P2P流媒体服务的反馈看，现有服务仍然不能满足用户体验方面的需求，主要表现为：P2P流媒体软件从启动到播放的时延相比传统模式要大;在播放过程中由于传输速率不稳定常常出现流媒体跳帧的现象;受到带宽频率的限制，在移动终端上使用P2P流媒体往往会加大无线接入点的压力，接入终端的数量也受到限制，所以在移动终端上使用P2P流媒体还比较困难。除了在用户端存在的问题，现有P2P流媒体系统还受到内容提供商的抱怨，因为他们大部分没有对内容的版权进行控制，使得播放的内容很容易被盗版[2]。

基于笔者在多媒体通讯领域多年的工作和研究经验，结合P2P流媒体技术现状，提出了一种在服务器辅助下的P2P网络的流媒体系统，通过结合C/S模式和P2P模式的特性，使得流媒体的传输达到一种相对稳定的速率，同时改善了流媒体播放的速度，并且为移动终端设计了能够不通过接入网络就进行P2P通信的终端间短距离通信模块。在此基础上，该系统还引入了内容的版权控制，为P2P流媒体服务的商业化提供保障。

1  系统网络结构

本系统采用C/S模式与P2P方式混合的结构，服务器一方面提供可供下载的对等终端的列表，另一方面还可以对刚接入系统的终端提供C/S模式的下载流。这样当刚接入系统的客户端还没有在P2P方式的流媒体网络中达到相对稳态的速率时，服务器可以快速地提供稳定的下载流;而当P2P方式的媒体流达到稳态时，服务器就停止为该终端提供下载流，转而服务新近加入的终端。其网络结构如图1所示。

在实际部署中，服务器可以以集群方式进行部署;而客户端在下载过程中将会出现两种状态，即P2P稳态和非P2P稳态。这样系统在运行中就形成两个客户端网络：稳态P2P流媒体网络和非稳态P2P流媒体网络。稳态的P2P流媒体网络和服务器间只进行状态信息的交互，不进行媒体流的下载;而非稳态的P2P流媒体网络中的客户端则与服务器间有媒体流的传递。客户端在接受服务过程中将会在两种状态间进行变换，一旦P2P方式的媒体流无法满足播放的要求时，其将向服务器请求补偿;而当该方式能够满足时，服务器将主动断开连接。

2  系统逻辑架构

系统从逻辑上分为三层：内容层面、网络层面和用户层面。内容层面主要是管理流媒体视频和用户的数据，同时管理计费;该层面主要是提供给内容提供商使用。系统的主要部分集中在网络层和用户层。下面就这两个层面的主要模块进行论述。

2.1  P2P流媒体模块

P2P流媒体模块处理所有流媒体文件的分布式传送。将传送流媒体的负载分布到用户端，是基于某种特定的策略进行调度的，这种策略很好的均衡了整个流媒体网络的分发能力。该策略还将调度机顶盒中的流媒体数据的更新时间，而P2P模块会跟踪每个流媒体文件块所在的位置（即存储在哪个机顶盒上）。

为了使系统能够用于移动终端设备上，我们还专门设计了针对移动终端的P2P流媒体模块，特别是开发了能够适配蓝牙和Wi-Fi的接口，使得移动终端之间能够进行P2P方式的业务通信。由于移动终端的特殊性，因此移动终端上的P2P模块设计需要有一定网关的功能。为了激励用户能够自觉自愿的提供移动网关能力的支持，系统将给提供该功能的用户以一定的积分奖励。

2.2  移动对等实体代理

作为系统的扩展，移动对等实体代理（MPB）处于网络层和用户层之间，其部署在互联网的边缘与移动接入网相连。一方面，MPB在互联网端和机顶盒、中心服务器构成混合的P2P流媒体网络，它在其中作为一个对等实体。另一方面，它在移动接入网络端将流媒体转换成适合无线接入网接入速率的媒体流，然后转发给相应的移动终端。作为P2P流媒体网络中的节点，MPB是根据移动接入网的分布进行部署的，其形式非常灵活。

在整个流媒体服务开始的时候，只有很少的几个用户在下载流媒体数据，此时大多数流媒体的传送是通过服务器完成的。但是随着下载流媒体用户数量的增多，服务器端的数据传送就开始减少，而最终流媒体的分发将完全由终端用户的终端设备来完成。这样不仅节省了服务器的接入带宽，而且对网络层面服务器能力的要求也没有单纯的C/S模式下的那么高;另一方面则保证了用户对流媒体播放请求响应时间的要求。

2.3  数字版权管理模块

本系统的数字版权管理（DRM）功能负责给系统的会员用户授权访问系统的媒体资源，管理加密的密钥，并在媒体内容下载到用户端后能够继续被保护。系统在数字版权管理上分别针对C/S模式的流媒体和P2P方式的流媒体设计了两种流程，如图2、图3所示。

图2中所有的流媒体数据在发布之前都经过了加密处理，当终端用户想要观看其下载的流媒体电影时，必须获得系统提供的打包信息，该信息包含了加密密钥和一个内容的唯一标识。当然，用户只有付费后才能够接收到系统提供的该打包信息。只有采用特定的标志码，流媒体电影才能够被收看;采用这种方式，流媒体内容是安全的。

图3中流媒体数据通过P2P网络进行下载播放，但在播放前用户必须购买体系提供的数字证书才能够播放流媒体，该证书一方面保证下载到用户端的流媒体的一致性和完整性，另一方面也防止用户在转发过程中非法改变传播的流媒体。

3  网络层面服务器负载和能力的估算

为了能够从理论上给出混合P2P流媒體系统在性能方面的优势，我们将对服务器的负载进行分析。为此，我们先计算在能够满足所有文件请求的情况下，文件从服务器端被下载的频度。这意味着一个用户在发出播放流媒体电影的请求后，就能够立刻看到流媒体电影的画面。

如果假设电影数据库中有1 000部电影文件，则从服务器端下载流的总量为1 000（电影数量）×45 000（下载流/电影）×1.3 GB（每部电影的大小）≈57 128.9 TB。而如果假设电影是几乎同时被发布的，则考虑同一时间峰值请求为用户基数的1%，即为10 000，那么服务器所需的最大带宽为10 000×2 MBit/s=20 GBit/s。

4  结  论

本文介绍了一种新型流媒体系统，该系统一方面结合了C/S模式和P2P方式改善了用户体验;另一方面能够提供给移动终端使用，扩展了个性化的应用。同时，系统引入了数字版权管理的机制，解决了合法应用的问题。最后文章对系统的负载性能进行了理论上的分析，从结果可以看出采用该系统能够大大节约服务器的投资成本。

参考文献：

[1] 董海韬.基于对等网络的流媒体传输系统技术研究 [D].北京：清华大学，2005.

[2] 梁晓辉，游志胜.流媒体技术及其在宽带网络中的应用与发展 [J].信息网络，2004（2）：38-43.

作者简介：朱聃（1983.01—），男，汉族，江苏扬州人，工程师，研究生，工学硕士，研究方向：多媒体通信技术;何燕锋（1977.01—），男，汉族，广西玉林人，高级工程师，研究生，工学硕士，研究方向：多媒体通信技术;刘志军（1972.12—），男，汉族，山东德州人，工程师，研究生，管理学硕士，研究方向：多媒体通信技术。