【文章內(nèi)容簡介】 P2P 技術(shù)的概念 P2P(Peerto Peer)即對等計算或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò) [10]，是一種用于不同計算機之間、不經(jīng)過中繼設(shè)備直接交換數(shù)據(jù)或服務(wù)的技術(shù)。在 P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，成千上萬臺彼此連接的計算機都處于對等的地位，各節(jié)點具有相同的責任和能力，并協(xié)同完成特定任務(wù)。每個終端 (也稱節(jié)點 )同時具有客戶端和服務(wù)器功能，即每臺計算機既能充當網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的請求者，又能對其他 計算機的請求做出響應(yīng)，提供資源與服務(wù)。對等點之間直接互連，共享信息資源、處理器資源、存儲資源甚至高速緩存資源，無須依賴中心服務(wù)器就可完成，這種模式與傳統(tǒng)的 C／ S模式形成了鮮明的對比。其主要代表形式是在應(yīng)用層上基于 P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的客戶端軟件 [11]。 P2P 網(wǎng)絡(luò)中拓撲結(jié)構(gòu)的研究 拓撲結(jié)構(gòu)是指分布 式系統(tǒng)中各個節(jié)點或計算單元之間的物理或邏輯的互聯(lián)關(guān)系，節(jié)點之間的拓撲結(jié)構(gòu)一直是確定系統(tǒng)類型的重要依據(jù)。 P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，又稱為 P2P覆蓋網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是指 P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的邏輯組織結(jié)構(gòu)，即節(jié)點互聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)和節(jié) 點在與相鄰節(jié)點保持連接時的行為規(guī)范，一般用一個連通的圖來表示。在覆蓋網(wǎng)中相鄰的節(jié)點可能在實際物理網(wǎng)絡(luò)中位于不同的子網(wǎng)中，中間相隔多個路由器，而在覆蓋網(wǎng)中不相鄰的節(jié)點在實際物理網(wǎng)絡(luò)中卻可能是直接相連的。P2P系統(tǒng)一般要構(gòu)造一個拓撲結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造過程中需要解決系統(tǒng)中所包含的大量節(jié)點如何命名、組織以及確定節(jié)點的加入，離開方式、出錯恢復等問題。根據(jù) P2P網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可以將 P2P網(wǎng)絡(luò)分為四種：集中式拓撲、完全分布式非結(jié)構(gòu)化拓撲、完全分布式結(jié)構(gòu)化拓撲和混合式拓撲。 (1)集中式拓撲 集中式 P2P網(wǎng)絡(luò)拓撲通過一個中心服務(wù) 器來記錄和索引共享信息以及回答對這些信息的查詢。這種形式具有中心化的特點，但是它不像傳統(tǒng)的 C／ S模式，把所有資源都放在服務(wù)器上，它的服務(wù)器只存儲每個節(jié)點的索引信息，而節(jié)點的所有具體信息都保存在節(jié)點本身。中心化拓撲最大的優(yōu)點是維護簡單、發(fā)現(xiàn)效率高。由于資源的發(fā)現(xiàn)依賴中心化的目錄系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)算法靈活高效并能夠?qū)崿F(xiàn)復雜查詢。最大的問題是容易造成中心服務(wù)器單點故障。典型代表是 Napster[12]。 (2)完全分布式非結(jié)構(gòu)化拓撲 [13] 完全分布式非結(jié)構(gòu)拓撲的 P2P網(wǎng)絡(luò)采用了隨機圖的組織方式來形成一個松散的網(wǎng)絡(luò)，這種 結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化有較好的容錯能力。在完全分布式非結(jié)構(gòu)化拓撲的 P2P網(wǎng)絡(luò)模型中，每個節(jié)點都具有相同的功能，因而節(jié)點也稱對等點。這第 7 頁 種拓撲的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)配置簡單，不需要中心服務(wù)器支持，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的時候具有很好的查詢效率。但是由于這種拓撲的網(wǎng)絡(luò)中多采用洪泛方式查詢和資源定位，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增大，將對網(wǎng)絡(luò)帶來了沉重的網(wǎng)絡(luò)負載。而且由于沒有確定的拓撲，這種形式的網(wǎng)絡(luò)無法保證查詢的確定性。另一個問題是由于采用 TTL、洪泛、隨機漫步，這種拓撲的網(wǎng)絡(luò)直徑不可控，可擴展性差 [14]。因此目前對這種結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的研究集中在改進 發(fā)現(xiàn)算法和轉(zhuǎn)發(fā)策略上。 (3)完全分布式結(jié)構(gòu)化拓撲 結(jié)構(gòu)化分布式 P2P網(wǎng)絡(luò)是一種純 P2P網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)不需要有中心服務(wù)器和中心路由器，其上的每個 Peer的地位是完全平等的。每一個 Peer既可以作為客戶端又可以作為服務(wù)器，并且它們與相鄰的 Peer有相同的能力。這類網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都被分配一個虛擬地址，同時用一個關(guān)鍵字來表示其可提供的共享內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點分別存儲自己的虛擬地址路由表進行路由。關(guān)鍵字存儲其虛擬地址與關(guān)鍵字匹配或者相近的節(jié)點上。資源定位的時候，可以通過虛擬地址路由表快速查詢到存儲關(guān)鍵字的節(jié)點，從 而獲得共享內(nèi)容的存儲位置。這類網(wǎng)絡(luò)的代表系統(tǒng)是 Chord[15]、 Pastry[14]、 CAN等。 (4)混合式拓撲 集中式 P2P形式有利于網(wǎng)絡(luò)資源的快速檢索，只要服務(wù)器的處理能力足夠強就可以無限擴展，但是其中心化的模式容易遭到直接攻擊，分布式 P2P形式解決了攻擊問題，但是又缺乏快速搜索和可擴展性。混合式 P2P拓撲結(jié)合了集中式和分布式 P2P形式的優(yōu)點，在設(shè)計思想和處理能力上都得到了進一步的優(yōu)化。這類網(wǎng)絡(luò)的代表系統(tǒng)是 Skype[16]。 基于 P2P 的流媒體技術(shù) P2P實時流媒體技術(shù)是 P2P技 術(shù)與流媒體技術(shù)的結(jié)合，其核心思想就是把 P2P技術(shù)應(yīng)用于實時流媒體數(shù)據(jù)的分發(fā)中去，把網(wǎng)絡(luò)層的組播功能轉(zhuǎn)移到應(yīng)用層實現(xiàn)，充分有效地利用各個節(jié)點的資源。 在基于 P2P的流媒體技術(shù)中，每個流媒體用戶是 P2P網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，用戶可以根據(jù)其他節(jié)點的設(shè)備能力和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與一個或幾個用戶建立連接來分享數(shù)據(jù)，這種連接能減輕服務(wù)器的負擔和提高每個用戶的音視頻質(zhì)量。 P2P技術(shù)在流媒體應(yīng)用中特別適用于一些熱門事件，即使是大量的用戶同時訪問流媒體服務(wù)器，也不會使服務(wù)器因負載過重而癱瘓。 P2P流媒體技術(shù)主要優(yōu)勢在于降低對服務(wù)器處理能力 和服務(wù)器上傳帶寬的要求，節(jié)約了主干網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。 第 8 頁 P2P 流媒體直播技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展和普及為 P2P流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展提供了強大市場動力。 P2P流媒體直播是最新發(fā)展起來的一種流媒體廣播方式，它利用 P2P的原理來建立播放網(wǎng)絡(luò)，從而達到節(jié)省服務(wù)端帶寬消耗、減輕服務(wù)器處理壓力的目的。采用該技術(shù)可以使得單一服務(wù)器就能輕松負荷起成千上萬的用戶同時在線觀看節(jié)目。不管在線用戶數(shù)量的多少，服務(wù)端的帶寬消耗都是基本一樣的，那就是提供作為 P2P傳播的種子所需要的幾個流的帶寬 [17]。 應(yīng)用層組播技術(shù) 應(yīng)用層組播技術(shù)的概念 應(yīng)用層組播技術(shù)利用對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在底層網(wǎng)絡(luò)之上構(gòu)建一個應(yīng)用層覆蓋網(wǎng)絡(luò)，將組播路由功能從路由器轉(zhuǎn)移到端系統(tǒng)上，然后在端系統(tǒng)的應(yīng)用層建立發(fā)送端和接收端之間的組播轉(zhuǎn)發(fā)樹。該技術(shù)本質(zhì)上是用單播來實現(xiàn)組播，將組播的復雜性從網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)移到端系統(tǒng)。和 IP組播增加網(wǎng)絡(luò)機制的方法不同，應(yīng)用層組播的基本思想是保持 Inter原有的簡單、單播的轉(zhuǎn)發(fā)模型，由端系統(tǒng)來實現(xiàn)組播轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在應(yīng)用層組播中，傳輸分組在端系統(tǒng)主機處進行復制，端系統(tǒng)主機構(gòu)成了邏輯覆蓋網(wǎng)絡(luò)，并使用應(yīng)用層定義組播路由協(xié)議來構(gòu)建和 維護該組播網(wǎng)絡(luò)，目的是為了便于進行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)造并維護可靠、高效的傳輸覆蓋網(wǎng)。為了達到高效，發(fā)送者不需要給每個接收者發(fā)送數(shù)據(jù)，只需要給部分接收者發(fā)送數(shù)據(jù)，這部分接收者再負責把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他接收者，直到所有接收者都收到數(shù)據(jù)，即把發(fā)送者的負擔，分配到了其他成員身上。 應(yīng)用層多播樹的建立和動態(tài)維護是 P2P樹狀拓撲結(jié)構(gòu)建立的關(guān)鍵。 P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的具有高度動態(tài)性，隨時都有可能有節(jié)點失效或下線，由于應(yīng)用層多播系統(tǒng)需要依靠 P2P系統(tǒng)的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息 , 所以節(jié)點的突然失效會導致信息丟失 ,使多播服務(wù)中斷。其次，應(yīng)用層 多播系統(tǒng)通過節(jié)點間的相互傳遞來發(fā)送信息 , 節(jié)點間全部采用單播連接，因此需要盡量減少信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑，以減少信息到達接受者的延遲和網(wǎng)絡(luò)負荷。 所以如何處理新加入以及離開的節(jié)點，是影響構(gòu)建組播樹效率的關(guān)鍵所在，如何高效地建立和維護應(yīng)用層組播樹，克服應(yīng)用層組播的缺點，是值得深入研究的。在樹狀模型的 P2P流媒體直播系統(tǒng)中，首要問題是將服務(wù)器和參與服務(wù)的節(jié)點組織成 ALM(ApplicationLevel Multicast，應(yīng)用層多播 )樹 [18]。多播樹的建立和維護算法的好壞將直接決定流媒體直播系統(tǒng)的連接效率 ，進而影響 P2P的服務(wù)質(zhì)第 9 頁 量。因此，有必要深入研究應(yīng)用層多播樹的建立和維護算法 [19]。 組播節(jié)點的組織方法 在應(yīng)用層組播網(wǎng)中，數(shù)據(jù)路由、復制、轉(zhuǎn)發(fā)功能都由組播成員節(jié)點完成，如何構(gòu)建一個有效的應(yīng)用層組播架構(gòu)是在構(gòu)成應(yīng)用層組播網(wǎng)絡(luò)時所必須解決的問題。目前，組播節(jié)點的組織方法主要有兩種，即“網(wǎng)”和“樹”狀邏輯結(jié)構(gòu)?！熬W(wǎng)”狀邏輯結(jié)構(gòu)可靠性較高，但軟件設(shè)計復雜、維護開銷較大、擴展性較差。“樹”狀邏輯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單、維護開銷小、擴展性好，但可靠性較差。一般在大型組播組中使用樹，在中小型組播組中使用網(wǎng)。本系統(tǒng) 采用“樹”狀邏輯結(jié)構(gòu)。 組播節(jié)點的維護方法 組播節(jié)點的維護包括節(jié)點的加入、退出、“失效”節(jié)點的檢測 [20]。在一個典型的 P2P網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點來自各個不同域，節(jié)點可能在任一時間加入或離開網(wǎng)絡(luò)，導致網(wǎng)絡(luò)具有很大的動態(tài)性和不可控性。節(jié)點的加入是指新的節(jié)點請求加入到組播組的過程。節(jié)點退出是指節(jié)點發(fā)出退出組播組的請求，需要對節(jié)點的組織進行調(diào)整?！笆А惫?jié)點是指在斷電、斷網(wǎng)等情況下，節(jié)點沒有發(fā)出退出組播組的請求但又無法正常運行，一般通過定時發(fā)送“心跳包”來實現(xiàn)失效節(jié)點的檢測。 本章小結(jié) 隨 著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，流媒體技術(shù)必將成為未來網(wǎng)絡(luò)的一項關(guān)鍵技術(shù)。而引入 P2P 技術(shù)和應(yīng)用層多播技術(shù)， 作為流媒體的新研究平臺，無疑給流媒體的發(fā)展和應(yīng)用開創(chuàng)了新的道路。 本章的主要內(nèi)容是介紹用于多人語音系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，包括 P2P 技術(shù)和應(yīng)用層多播技術(shù)。第一部分重點介紹 P2P 技術(shù)，內(nèi)容如下： 1）相關(guān)技術(shù)背景；2） P2P 技術(shù)的概念； 3） P2P 網(wǎng)絡(luò)中拓撲結(jié)構(gòu)的研究； 4）基于 P2P 的流媒體技術(shù)； 5） P2P 流媒體直播技術(shù)； 6） P2P 直播的特點。第二部分重點介紹應(yīng)用層多播技術(shù)，主要包括應(yīng)用層多播技術(shù)的概念、組播節(jié)點的組織方法 和維護方法。 第 10 頁 第三章 多人語音系統(tǒng)的設(shè)計 P2P 多人語音系統(tǒng)的方案設(shè)計 在整個 P2P多人語音系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中， P2P網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)直接決定了該服務(wù)系統(tǒng)的響應(yīng)效率及服務(wù)質(zhì)量。本系統(tǒng)采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層多播樹的建立和維護是決定以樹形拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的 P2P網(wǎng)絡(luò)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)，因此，系統(tǒng)的方案設(shè)計、應(yīng)用層多播樹的建立和維護是本章研究的重點。 系統(tǒng)的設(shè)計原則 多人語音系統(tǒng)是面向普通流媒體用戶，構(gòu)建一個容易使用、簡單的、可靠的、集服務(wù)器和客戶端為一體的軟件，使任何人都可以收聽 和轉(zhuǎn)播音頻，而不必耗費昂貴的服務(wù)器或者帶寬。網(wǎng)絡(luò)中不存在中心服務(wù)器，每個用戶可以是客戶端，也可以是服務(wù)器。通過用戶之間相互共享媒體數(shù)據(jù)、共同參與系統(tǒng)服務(wù)，來達到擴展系統(tǒng)服務(wù)能力的目的。具體地說，多人語音系統(tǒng)按照以下原則設(shè)計 [17][21]： 1) 能夠滿足音頻播放的要求。流媒體數(shù)據(jù)流具有三個特點：連續(xù)性、實時性、時序性，即數(shù)據(jù)流具有嚴格的前后時序關(guān)系，如果一個數(shù)據(jù)包在播放之后到達，則沒有任何意義。另外，流媒體播放要求數(shù)據(jù)下載速度必須大于播放速度，否則就會影響播放質(zhì)量。 2) 不需要一個有龐大帶寬和強大處理能力的服務(wù)器為 眾多用戶提供廣播服務(wù)，所需要的只是一個索引服務(wù)器（組織管理客戶端節(jié)點）和一個音頻數(shù)據(jù)源。 3) 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。系統(tǒng)應(yīng)該能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)邊緣／客戶端用戶的資源。 4) 能夠在能力不同的節(jié)點間均衡負載。節(jié)點在帶寬、到音頻數(shù)據(jù)源的延時、在線時長等方面的各不相同，決定了節(jié)點參與系統(tǒng)服務(wù)的能力也具有差異性，所以 P2P多人語音系統(tǒng)要有均衡負載的能力，在構(gòu)建和動態(tài)維護多播樹時要充分考慮節(jié)點間的能力差異，使每個節(jié)點的服務(wù)能力都能得到適度利用，保持多播樹的穩(wěn)定和高性能。 5) 盡可能的為更多用戶提供滿足基本質(zhì)量的服務(wù)，即構(gòu)建一顆盡可能龐大的多播樹。 第 11 頁 基本原理 基于 P2P網(wǎng)絡(luò)的多人語音系統(tǒng)的基本原理是 [22]：音頻數(shù)據(jù)源存放著實時播放的完整音頻文件。首先， 服務(wù)器 S（在這里不區(qū)分索引服務(wù)器和音頻數(shù)據(jù)源，統(tǒng)一為服務(wù)器 S）將音頻文件按照一定的格式劃分成很多個固定大小的音頻數(shù)據(jù)段，然后將最近的幾分鐘數(shù)據(jù)放到自身的緩存區(qū)中，為以后前來請求的客戶提供服務(wù)。當一個新的客戶端節(jié)點 C請求 加入 P2P網(wǎng)絡(luò)時，首先會向服務(wù)器 S發(fā)出連接請求，服務(wù)器查看多播樹是否仍具有服務(wù)能力，如果有，則響應(yīng)節(jié)點 C的請求，根據(jù)一定算法將節(jié)點 C加入到樹中。假如整棵多播樹不具 有足夠服務(wù)能力而無法繼續(xù)服務(wù)新節(jié)點，則服務(wù)器 S會拒絕節(jié)點 C的請求，節(jié)點 C會隔一段時間后再度發(fā)來加入請求，直到成功加入或者用戶放棄請求。若節(jié)點 C成功加入多播樹，則節(jié)點 C從父節(jié)點處接受相應(yīng)的音頻數(shù)據(jù)包，直到接收到能夠播放所需的全部音頻數(shù)據(jù)包為止。然后，節(jié)點 C再將收到的音頻數(shù)據(jù)包重新進行排序和封裝，組合成能夠?qū)崟r播放的數(shù)據(jù)流。上述過程中，節(jié)點 C在接收來自父節(jié)點的音頻數(shù)據(jù)包的同時，若具有服務(wù)新節(jié)點的能力，也可接受子節(jié)點并向子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)所接受的數(shù)據(jù)包。這就相當于每個節(jié)點既是服務(wù)器，也是客戶端，這樣，不但減輕了服務(wù)器 s負 擔，而且客戶端得到的服務(wù)質(zhì)量也得到了相應(yīng)地提高。 拓撲結(jié)構(gòu) 在 P2P多人語音系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中， P2P網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)直接決定了該服務(wù)系統(tǒng)的響應(yīng)效率及服務(wù)質(zhì)量。本系統(tǒng)采用單源的 P2P流媒體傳輸。 單源的 P2P流媒體傳輸由一個發(fā)送者向多個接收者發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者有且只有一個數(shù)據(jù)源。服務(wù)器和所有客戶端節(jié)點組織成多播樹，多播樹中的節(jié)點接收來自父節(jié)點多播的音頻數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)以多播的方式傳送給其它節(jié)點。系統(tǒng)可分為三層，從高到低依次是服務(wù)器（包括索引服務(wù)器和音頻數(shù)據(jù)源）、轉(zhuǎn)播 Peer、收聽 Peer，以下將轉(zhuǎn)播 者和收聽者稱為普通節(jié)點。整個系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 所示，可見其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是典型的樹狀結(jié)構(gòu)。服務(wù)器處于網(wǎng)絡(luò)最高層，是整個網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點，整個系統(tǒng)只有一個，其中索引服務(wù)器負責組織和管理 樹中各 節(jié)點的相關(guān)信息，擁有一個完整的節(jié)點列表；音頻數(shù)據(jù)源負責實時向下提供多播樹中所傳播的音頻數(shù)據(jù)包。轉(zhuǎn)播者處于中間，它的存在體現(xiàn)了