近年來(lái)，基于Gossip協(xié)議的P2P流媒體系統(tǒng)已成為P2P流媒體系統(tǒng)的主流，如圖2所示。基于Gossip協(xié)議的網(wǎng)狀服務(wù)模型并沒(méi)有依靠固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給接收節(jié)點(diǎn)，而是依靠數(shù)據(jù)有效信息來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間流動(dòng)，因此該結(jié)構(gòu)又稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)首先將消息發(fā)送給周圍的一組節(jié)點(diǎn)，周圍節(jié)點(diǎn)在接收到消息后根據(jù)需要對(duì)消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，消息就可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間以接力的方式進(jìn)行傳遞。鄰居維護(hù)的靈活性與數(shù)據(jù)傳播的隨機(jī)性使得基于Gossip協(xié)議的P2P流媒體系統(tǒng)不會(huì)因節(jié)點(diǎn)失效而導(dǎo)致顯著的性能下降，從而良好地適應(yīng)了高動(dòng)態(tài)性的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。因此，本文主要針對(duì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型來(lái)分析P2P流媒體系統(tǒng)的主要組成部分及關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

?

　　為了更好地理解P2P流媒體系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，下面給出基于Gossip協(xié)議的DONet服務(wù)模型系統(tǒng)的主要功能模塊。
　　(1)成員管理模塊：實(shí)現(xiàn)成員節(jié)點(diǎn)的管理。在成員管理模塊中維護(hù)一個(gè)mCache(membership Cache)，該表包含當(dāng)前系統(tǒng)中部分活動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)加入系統(tǒng)時(shí)，首先連接節(jié)目源服務(wù)器，服務(wù)器從它的mCache中隨機(jī)選擇1個(gè)代理節(jié)點(diǎn)，并把新節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求重定向給該代理節(jié)點(diǎn)。新節(jié)點(diǎn)從代理節(jié)點(diǎn)獲取1個(gè)成員列表作為備選節(jié)點(diǎn)集合，然后從該集合中選取部分節(jié)點(diǎn)作為自己的伙伴節(jié)點(diǎn)。
　　(2)伙伴關(guān)系管理模塊：建立和維護(hù)節(jié)點(diǎn)間的伙伴關(guān)系，并通過(guò)交換緩存映射圖BM(Buffer Map)獲取節(jié)點(diǎn)間的有效數(shù)據(jù)信息。整個(gè)視頻流被分成長(zhǎng)度相同的數(shù)據(jù)段(segment)，節(jié)點(diǎn)緩存中的數(shù)據(jù)段有效性信息可通過(guò)BM來(lái)表示。節(jié)點(diǎn)定期地與其伙伴節(jié)點(diǎn)交換BM，調(diào)度算法根據(jù)伙伴節(jié)點(diǎn)中的BM來(lái)確定獲取哪個(gè)數(shù)據(jù)段。
　　(3)調(diào)度模塊：負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到播放節(jié)點(diǎn)的緩存中，用以保證媒體播放的連續(xù)性。對(duì)于同構(gòu)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)單的輪詢調(diào)度算法即可滿足數(shù)據(jù)的調(diào)度；但對(duì)于異構(gòu)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，則需要更加智能化的調(diào)度算法。調(diào)度應(yīng)滿足2個(gè)約束條件[6]：①每個(gè)數(shù)據(jù)段需在播放時(shí)限之前到達(dá)，錯(cuò)過(guò)時(shí)限的片段要盡可能少；②每個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬情況不同。該問(wèn)題是并行機(jī)調(diào)度的一個(gè)變種，為NP難題。因此，想要尋找一個(gè)適合具體網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法，特別是適合動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的調(diào)度算法，將是非常困難的。下面給出一種可以實(shí)時(shí)連續(xù)觀看流媒體內(nèi)容的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法。
　　節(jié)點(diǎn)的調(diào)度算法
??? 輸入：deadline[i]??? 數(shù)據(jù)塊i的截止期限
????????? seg_size?????? 數(shù)據(jù)塊的大小
????????? set_partners?? 伙伴節(jié)點(diǎn)集合
????????? num_partners?? 節(jié)點(diǎn)的伙伴節(jié)點(diǎn)的數(shù)量
????　　? band[k]????? 　　 伙伴節(jié)點(diǎn)k的帶寬
????????? bm[k]????????? 伙伴節(jié)點(diǎn)k的緩存映射
????????? fetch_set????? 需要取得的數(shù)據(jù)塊集合
??? 輸出：supplier[i]??? 在fetch_set中不可用數(shù)據(jù)塊i的提供者
??? (1)對(duì)于塊i∈fetch_set，執(zhí)行
????①n←0；
????②對(duì)于j從1到num_partners，執(zhí)行
??????? T[j，i]←deadline[i]-current_time；?? //傳送到第i個(gè)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//數(shù)據(jù)塊可用的時(shí)間
??????? n←n+bm[j，i]；?????????????????????? //數(shù)據(jù)塊i的潛在提供者數(shù)量
????③若n=1，則執(zhí)行???????????????????????? //數(shù)據(jù)塊只有1個(gè)潛在提供者
　　　?????? k←argr{bm[r，i]=1}；
　　???????? supplier[i]←k；
?? 　 ?????? 對(duì)于fetch_set中的每個(gè)塊j(j>k)，執(zhí)行
?? 　　????? t[k，j]←t[k，j]-seg_size/band[k]；
???? 　　? 否則，執(zhí)行
???????????? dup_set[n]←dup_set[n]Y{i}；
　　???????? supplier[n]←null；
　　(2)對(duì)于n從2到num_partners，執(zhí)行
　　　　???? 對(duì)于每個(gè)i∈fetch_set[n]，執(zhí)行? //數(shù)據(jù)塊有n個(gè)
?????????????????????????????????????????????//潛在提供者
?????????????? k←argr{band[r]>brand[r′]|t[r，i]>set_size/
?????? band[r]|，t[r′，i]>seg_size/band[r′]，r，r′∈set_partners}；
　　　　??? 若k不為空，則
　　supplier[i]←k；
　　????? 對(duì)于fetch_set中的每個(gè)塊j(j>k)，執(zhí)行
??????????????????????? t[k，j]←t[k，j]-seg_size/band[k]；
　　(3)返回supplier[i]。
　　在節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法中，首先計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)塊的潛在提供者的數(shù)量。因?yàn)楫?dāng)1個(gè)數(shù)據(jù)塊有很少的潛在提供者時(shí)，要滿足該數(shù)據(jù)塊的截止期限的限制將會(huì)很困難。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)調(diào)度算法從開(kāi)始只有單個(gè)提供者的塊到具有2個(gè)提供者的數(shù)據(jù)塊再到具有多個(gè)提供者的數(shù)據(jù)塊的順序來(lái)確定每個(gè)數(shù)據(jù)塊的潛在提供者。在這些潛在提供者中，具有最高帶寬、足夠的可利用時(shí)間的提供者將會(huì)被選擇。算法被周期性地執(zhí)行更新調(diào)度，調(diào)度完成后，同一個(gè)提供者的數(shù)據(jù)塊被表示成BM的形式傳送給相應(yīng)的提供者，提供者通過(guò)一個(gè)實(shí)時(shí)的傳輸協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。
2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
??? 媒體數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中存儲(chǔ)決定了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可用性。這不僅對(duì)P2P直播系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間播放的同步性有影響，而且對(duì)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中交互性支持能力也有直接的影響。因此，好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能的提高是至關(guān)重要的。
2.1 數(shù)據(jù)分塊策略
??? 單個(gè)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力有限，這就要求對(duì)媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，將其分散存儲(chǔ)于系統(tǒng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)中。CoolStreaming首先把整個(gè)媒體文件分成大小相等的若干數(shù)據(jù)塊，以連續(xù)編號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并且將整個(gè)視頻流劃分為一系列的子流，每個(gè)子流中存儲(chǔ)一部分?jǐn)?shù)據(jù)塊。假設(shè)某媒體文件被分成K個(gè)子流，則第K個(gè)子流上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)塊為nK+i，其中，n是非負(fù)整數(shù)，i是1~K的正整數(shù)。
　　參考文獻(xiàn)[3]指出，從資源調(diào)度和流媒體傳輸實(shí)時(shí)性角度考慮，媒體數(shù)據(jù)被劃分的數(shù)據(jù)塊數(shù)目越多越好，即數(shù)據(jù)塊體積越小越好；而從網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷角度考慮，媒體數(shù)據(jù)被劃分的數(shù)據(jù)塊數(shù)目越少越好，即數(shù)據(jù)塊體積越大越好。因此，如何權(quán)衡這兩方面的關(guān)系是一個(gè)很有價(jià)值的研究課題。
2.2 數(shù)據(jù)緩存及更新策略
??? 緩存是指用戶觀看視頻時(shí)把當(dāng)前媒體數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在系統(tǒng)內(nèi)存或者外存中，它是一種被動(dòng)的存儲(chǔ)方式，存儲(chǔ)內(nèi)容由當(dāng)前觀看的視頻內(nèi)容決定。在P2P直播系統(tǒng)中，用戶的觀看過(guò)程基本同步，上游節(jié)點(diǎn)中的緩存內(nèi)容可以很好地滿足下游節(jié)點(diǎn)的要求。但在點(diǎn)播系統(tǒng)中，用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)具有異步性，如何對(duì)分布于多個(gè)節(jié)點(diǎn)的媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和更新則需要更加復(fù)雜的策略。
　　通常的緩存策略是對(duì)正在下載播放的數(shù)據(jù)按時(shí)間順序進(jìn)行緩存，如果緩存空間已滿，則采用LRU(Least Recently Used Algorithms)或其他簡(jiǎn)單的緩存替換算法進(jìn)行替換。該方法沒(méi)有考慮緩存內(nèi)容的流行度及其他節(jié)點(diǎn)的緩存情況，這樣容易造成節(jié)點(diǎn)保存了較多流行度不高且在系統(tǒng)中已有足夠副本的數(shù)據(jù)，而替換出了流行度高且緩存的副本數(shù)量不足的媒體數(shù)據(jù)。
　　參考文獻(xiàn)[7]指出，一個(gè)緩存替換算法既要考慮到媒體數(shù)據(jù)的流行程度，也應(yīng)關(guān)注到該流媒體塊在其他節(jié)點(diǎn)中的緩存情況，其定義了流媒體塊的使用價(jià)值R=流媒體數(shù)據(jù)塊的流行度(F)/系統(tǒng)已緩存該流媒體塊的副本數(shù)量(CN)，并提出了相應(yīng)的緩存替換算法。該替換算法的本質(zhì)是替換出使用價(jià)值最小者，緩存使用價(jià)值最大者。 2.3 支持交互式的存儲(chǔ)方法
　　為了支持視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中的VCR(Video Cassette Recorder)操作，應(yīng)采取相應(yīng)的存儲(chǔ)機(jī)制。數(shù)據(jù)預(yù)取機(jī)制可以為VCR操作備好所需內(nèi)容，從而更加充分地利用節(jié)點(diǎn)的上行帶寬，有效地減少交互操作時(shí)延。
　　在VMesh中，媒體數(shù)據(jù)被分成數(shù)塊并以分布式的方式保存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)中，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)結(jié)構(gòu)化覆蓋網(wǎng)絡(luò)方式組織起來(lái)以支持VCR操作。該方法的性能取決于事先存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的受歡迎程度，因此VMesh是采用基于流行度的段存儲(chǔ)方案。VMesh假設(shè)數(shù)據(jù)塊的流行度符合Zipf分布，把視頻文件劃分為N個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的播放

3 資源定位機(jī)制
　　資源定位的結(jié)果是得到一個(gè)資源擁有者的列表，然后請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)從該列表中選出期望能夠提供良好服務(wù)的節(jié)點(diǎn)并與之直接連接。在P2P直播系統(tǒng)中，由于各節(jié)點(diǎn)的播放時(shí)間基本同步，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，因此，伙伴節(jié)點(diǎn)選擇比較容易，通常采用基于Gossip協(xié)議的方式進(jìn)行?；贕ossip協(xié)議的內(nèi)容發(fā)現(xiàn)與定位方法不需要維護(hù)節(jié)點(diǎn)間的邏輯拓?fù)洌?dāng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容更新較快時(shí)，通告消息發(fā)送頻率低將導(dǎo)致內(nèi)容定位準(zhǔn)確性下降；而通告消息發(fā)送頻率高時(shí)可能產(chǎn)生較大的控制流量。因此，找到一種較好的資源定位方案是重要的研究?jī)?nèi)容。類似地，結(jié)構(gòu)化覆蓋網(wǎng)絡(luò)方法，如DHT(Distributed Hash Table)機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的快速查找，但系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)時(shí)結(jié)構(gòu)難以維護(hù)。因此，盡管GridMedia系統(tǒng)[8]采用了無(wú)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但并沒(méi)有采用基于Gossip協(xié)議的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)策略，而是引入了1個(gè)集中點(diǎn)服務(wù)器RP(Rendezvous Point)來(lái)維護(hù)覆蓋網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的信息，它把合適的候選伙伴節(jié)點(diǎn)集合返回給需要資源定位的節(jié)點(diǎn)。
　　混合式P2P系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指的是在系統(tǒng)選擇一些節(jié)點(diǎn)充當(dāng)系統(tǒng)局部的中心，中心節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)需要向中心節(jié)點(diǎn)報(bào)告其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)。中心節(jié)點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定但并非一直不變，中心節(jié)點(diǎn)之間也需要進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)交換，從而使每個(gè)中心節(jié)點(diǎn)都可以獲得全局的數(shù)據(jù)狀態(tài)，盡管這個(gè)狀態(tài)可能不完全準(zhǔn)確。混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在完全分布式的系統(tǒng)中引入了一定的結(jié)構(gòu)化，有利于媒體內(nèi)容的快速檢索，同時(shí)又避免了維護(hù)固定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪^(guò)重負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)有的很多系統(tǒng)為了滿足不同的信息檢索需要采用混合式內(nèi)容發(fā)現(xiàn)策略，其代表為PPLive系統(tǒng)[3]。
4 內(nèi)容分發(fā)
　　P2P網(wǎng)絡(luò)中的絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，在某些網(wǎng)絡(luò)中會(huì)設(shè)置少量超級(jí)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理局部網(wǎng)絡(luò)的事務(wù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的某些內(nèi)容有興趣，或者其所擁有的內(nèi)容是其他節(jié)點(diǎn)感興趣的。內(nèi)容分發(fā)算法的目標(biāo)是建立起從源到目標(biāo)接收點(diǎn)滿足播放質(zhì)量的分發(fā)路徑，下面分別從數(shù)據(jù)源的數(shù)量和數(shù)據(jù)交換技術(shù)二方面對(duì)內(nèi)容分發(fā)進(jìn)行介紹。
4.1 單源和多源分發(fā)策略
　　由于網(wǎng)絡(luò)中資源的存放方式不同，分發(fā)策略可以分為單源的和多源的策略[9]。它們的數(shù)據(jù)傳輸方式分別如圖3、圖4所示。