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1、实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程第第7 7章章 网络多网络多媒体技术媒体技术2023/3/101实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程 目 录7.1 网络多媒体概述7.2 因特网服务质量保证技术7.2.1 网络多媒体数据传输对网络性能的要求7.2.2 分组网络服务质量保证的理论基础7.2.3 集成服务(IntServ)模型7.2.4 区分服务（Diff-Serv）模型7.1.1 多媒体的概念7.1.2 网络多媒体 7.1.3 网络多媒体应用7.1.4 网络多媒体的关键技术7.3 网络多媒体服务质量自适应控制机制7.3.1
2、 端到端的QoS层次模型7.3.2 端到端的QoS保证机制7.3.3 端到端服务质量保证的自适应控制机制2023/3/102实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程 目 录7.4 网络多媒体相关协议7.5 内容分发网络与网络多媒体7.5.1 内容分发网络技术概述7.5.2 CDN 的体系结构与工作原理7.5.3 CDN的关键技术7.5.4 CDN与网络多媒体应用 7.4.1 实时传输协议RTP7.4.2 实时流协议RTSP7.4.3 会话发起协议SIP 7.6 P2P流媒体系统7.6.1 P2P技术概述7.6.2 P2P流媒体系统结构与工作原理7.6.3 P2P
3、流媒体系统关键技术7.6.4 基于P2P技术的流媒体系统实例7.6.5 CDN和P2P技术的融合2023/3/103实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.1 网络多媒体概述7.1.1 多媒体的概念媒体（Media）就是信息的载体，是人与人之间、人与机器之间以及机器与机器之间实现信息交流的中介，也称为媒介或媒质。多媒体指的是感觉媒体，即在多媒体应用中呈现给用户的媒体形式，它主要包括：文本、图形、图像、音频、视频、动画等。计算机领域的所谓多媒体技术，是指能够同时采集、处理、存储、传输和展现两个或以上不同类型信息媒体、且这些信息可以在人机之间进行交互的技术。20
4、23/3/104实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.1.2 网络多媒体单个计算机进行多媒体信息处理有很大的缺点：一是不能及时获取多媒体信息，很难保证信息的及时性；二是难以共享多媒体信息。多媒体内容数据量大,具有严格的处理时间要求。为网络多媒体（networked multimedia），指的是由地理由地理上处于不同位置的多方构成，相互之间通过网络进行通信上处于不同位置的多方构成，相互之间通过网络进行通信和信息交换的多媒体应用和信息交换的多媒体应用。由于因特网的普遍性，网络多媒体主要是构建在因特网或IP网络上。流媒体(streaming media)，即流
5、式音频/视频。它是网络多媒体的一种形式，现阶段已经成为主要形式。2023/3/105实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.1.3 网络多媒体应用网络多媒体技术利用通信网络，特别是Internet传送多媒体数据，从而满足各种应用需求。当前，以网络多媒体为基本组成部分的应用有很多，比如多媒体远程教育、可视电话、视频会议、视频网络及IPTV等。基于下一代因特网的网络多媒体应用更加复杂，功能也更加强大，与传输的多媒体应用相比，具有以下的发展趋势或基本特点：宽带化，视频、音频成分增加，具有很高的比特率，需要更高的网络带宽；交互性增强，改变了过去使用者被动接受的状况，
6、可以更多地参与其中，如交互式电视，网络游戏等；普及程度高，使用广泛，具有无所不在的特点，与人们的工作、学习和生活紧密相关。2023/3/106实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.1.4 网络多媒体的关键技术网络多媒体系统与一般的数据传输系统的根本区别在于传输的对象是多媒体数据。相比于普通数据，多媒体数据具有特殊的传输质量要求。多媒体数据具有严格的时间要求。网络多媒体的支撑技术主要包括信号处理技术、多媒体终端实现技术和计算机网络技术。网络多媒体涉及的关键技术包括：多媒体通信网络必须有足够的带宽。网络必须满足多媒体通信的实时性和可靠性要求，以保证服务质量。媒
7、体同步要求，包括媒体间同步和媒体内同步。压缩编码是数字信号处理中最具挑战性的技术。新型的多媒体终端是具有智能、体积小的便携式终端，可方便用于移动场合。对于流媒体应用，还需要终端和网络密切配合以保证较好的应用性能。2023/3/107实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.2 因特网服务质量保证技术服务质量(Quality of Service，QoS)是指为决定用户对服务的满意程度的一组服务性能参数。网络的吞吐能力、传输延时、延时抖动和差错率是常用的QoS参数。从服务质量保证的角度，因特网目前存在以下不足：在发生瞬时拥塞时，路由器提供的时间响应不可预测时间响
8、应不可预测。对不同的业务流类型不能提供优先级的服务，不能动态地请求动态地请求（或修改）端到端的服务质量。缺乏完善的机制可用于审计网络资源使用情况审计网络资源使用情况。目前大部分的信道带宽有限，而未来则可能出现带宽要求更高的多媒体应用，所以QoS的研究还是必要的。2023/3/108实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.2.1 网络多媒体数据传输对网络性能的要求为支持多媒体数据传输，网络必须满足一定的性能指标：吞吐量、传输延时吞吐量、传输延时、延时抖动、差错率。吞吐量吞吐量是指网络传送二进制信号的速率，也称比特率，或网络的传输延时网络的传输延时(Transm
9、ission delay)定义为信源发送出第1个比特到信宿接收到第1个之间的时间差,它包括电(或光)信号在物理介质中的传播延时(Propagation delay)和数据在网中的处理延时（如复用/解复用时间，在网络节点中排队交换的时间等）。网络传输延时的变化称为网络的延时抖动延时抖动(Delay jitter)。在传输系统中产生的差错差错由以下几种方式度量：误码率BRE、分组差错率PER、分组丢失率PLR。2023/3/109实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.2.2 分组网络服务质量保证的理论基础早在1992年，D.Clark等人的论文描述了在分组数据
10、网络上支持实时业务流的体系结构。他们提议的两种算法在当今支持QoS的路由器中被大量采用：令牌桶过滤器，用以刻划某类服务的业务流特征；加权公平队列（weighted fair queuing,WFQ）算法，用以实现离开路由器的分组调度。一个令牌桶过滤器令牌桶过滤器可由两个参数完全描述：B表示令牌桶的最大深度，R表示令牌连续注入令牌桶的速率。当长度为P 字节的分组通过时，将消耗桶内P个令牌。除非令牌桶内有足够的令牌，否则分组将不被发送。如果发送源在发送分组时，若令牌桶内始终有足够的令牌供其使用（不会因没有令牌而等待），则称发送源的流量符合令牌桶过滤器（R，B）。考虑到R对B的影响，对于给定的流量产
11、生过程，可定义一个非递增的函数B（R），使得该过程符合令牌桶（令牌桶（R，B（R）。为了得到可预期的时延信息，研究者们提出了一些基于时间戳（时间戳（time stamp）算法。这些算法将预先确定的各链路速率集R R作为输入，每个流最终的时延取决于其对应的令牌桶深度B（R），各流的时延相互独立。公平队列算公平队列算法法4是这些算法中较早的一个，它的本质是路由器的每个出口链路有多个独立的队列，每个队列用于服务一个数据流。2023/3/1010实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.2.2 分组网络服务质量保证的理论基础 令牌桶分组过滤器的工作原理图 分组到达漏桶
12、中最多装入B个令牌消费令牌准许分组进入网络等待令牌在任何时间间隔 t 内准许进入网络的分组数=R t+B标记注入漏桶的速率为每秒 R 个令牌2023/3/1011实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.2.2 分组网络服务质量保证的理论基础 加权公平队列工作原理图分组离开路由器分组到达路由器调度分类器w1w2w3123路由器2023/3/1012实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.2.3 集成服务(IntServ)模型提供QoS保证最关键的两个因素如下：为了提高网络负载的可预测性，如何规范和限制进入网络中的流量；在发生
13、瞬时网络拥塞时，路由器如何处理汇聚流量中不同种类的分组。集成服务致力于扩展现有的IP服务模型以同时支持实时应用和原来尽尽力力而而为为的的传传送送模模式式。集成服务模型是一个综综合合的的服服务务质质量量保保证证模模型型，它可以满足多种QoS需求。它的一个重要特点是借鉴了电信网中的信信令令（signaling）机制。集成服务提出了一个重要的概念：“流流”（flow）。所谓流指的一个类似于TCP连接的分组流（stream）。Integrated service可以提供以下两种服务：保保证证服服务务（Guaranteed service）、受控负载服务受控负载服务（Controlled-Load se
14、rvice）。2023/3/1013实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.2.3 集成服务(IntServ)模型IntServ 体系结构主要由四个组成部分：资源预留协议 RSVP，它是 IntServ 的信令协议，它与路径中的路由器协商应用的QoS和相应的资源需求。接纳控制(admission control)，用来决定是否同意对某一资源的请求。分类器(classifier)，用来将进入路由器的分组进行分类，并根据分类的结果将不同类别的分组放入特定的队列。调度器(scheduler)，根据服务质量要求决定分组发送的前后顺序。IntServ模型体系结构 在多
15、媒体实时通信业务中，组播技术是简便而又有效的实现资源共享的重要技术。RSVP协议是为组播业务而设计的。路由选择协议路由选择数据库RSVP接纳控制管理代理流量控制数据库分类器与分组转发调度器 分组入分组出2023/3/1014实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.2.4 区分服务（Diff-Serv）模型 区分服务模型的基本思想是在网络的入口处为分组标记一个码点（code point），码点用于指示分组在网络转发路径的中间结点上应该被处理的方式。这样对每个分组进行的复杂处理被推到了网络边缘，核心网的主要任务只是根据分组首部的码点对其采用相应的转发措施。区分服
16、务模型是在网络的边缘对个别的流进行分类网络的边缘对个别的流进行分类，分组被标记为属于特定的服务类后注入网络，在网络的中间结点上针对不同的服务类进行转发处理。转发分组的核心路由器将检查分组首部的码点判别其所属的服务类，决定如何对其处理（例如，将其置于哪个传输队列）。为了实现这些功能，区分服务定义了一些组件区分服务定义了一些组件。区分服务的工作原理：区分服务建立在一个简单的模型之上，其主要机制是流量调节和基于流量调节和基于PHB的转发。的转发。区分服务的工作原理框图区分服务的工作原理框图内部路由器边界路由器（入口）边界路由器（出口）分类器标记器整形器测定器根据 DS 值进行转发调节器分组入分组出丢
17、弃2023/3/1015实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.2.4 区分服务（Diff-Serv）模型 Intserv与与Diffserv之间的互通之间的互通一般来讲，在IP网络中提供QoS 保证时，为了实现规规模模适适应应性性，在IP骨干网往往需要采用Diffserv体体系系结结构构，在IP边缘网可以有两种选择：采用Diffserv体系结构或采用Intserv体系结构。目前在IP边缘网络采用哪一种QoS体系结构还没有定论，也许这两种会同时并存于IP边缘网中。在IP边缘网采用Diffserv体系结构的情况下，IP骨干网与IP边缘网之间的互通没有问题。在I
18、P边缘网采用Intserv体系结构的情况下，需要解决Intserv与Diffserv之间的互通问题，包括RSVP在Diffserv域的处理方式、Intserv支持的业务与Diffserv支持的PHB（Per Hop Behavior）之间的映射。2023/3/1016实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.3 网络多媒体服务质量自适应控制机制网络多媒体技术的核心问题是传输多媒体数据流的服务质量QoS控制。多媒体数据的最终接受者是终端用户，因此多媒体应用的QoS问题是一个端到端的问题。传输网络的服务质量是应用服务质量的关键，只有和应用相关的各个层次共同作用，才
19、能提供真正的QoS保证。从宏观上看，可以从两个方面来解决分组网络QoS保证问题：一、提出新的网络体系结构，建立新的通信基础设施，从而从根本上改变分组网络的传输机制；二、在现有网络基础上采用一定的技术加以改进。2023/3/1017实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.3.1 端到端的QoS层次模型端到端QoS的层次结构。该结构具有应用层、系统层和设备层等3个层次，其中系统层包括操作系统和通信服务，设备层包括多媒体输入/输出（I/O）设备和传输网络。QoSQoS分层模型分层模型到目前为止，国际上对于具有端到端支持的完整的QoS体系结构(Architectur
20、e)的研究还处于起始阶段，对QoS体系结构的定义、层次划分和各层次上QoS参数的定义还没有明确和一致的意见。2023/3/1018实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.3.2端到端的QoS保证机制 完整的QoS保证机制应该包括QoS规范（Specification）和QoS机制。QoS规范描述应用所需要的服务质量，如何在运行过程中达到所要求的质量则由QoS机制来完成。QoS机制实际上是根据用户提出的QoS规范对可利用的资源进行配置和管理的机制。QoS机制又可分为静态和动态两大类。QoS规范（主要包括对QoS描述、QoS的管理策略和服务所需要的费用等）、Qo
21、S的管理策略、服务费用 2023/3/1019实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.3.3 端到端服务质量保证的自适应控制机制速率控制：所谓速率控制是指根据网络的可用带宽来调节编码器的参数以获得所需的数据输出速率。速率控制有两种常用的方法：反馈控制、基于信道模型的速率控制。差错控制(Error Control)，差错控制的目的是通过提供丢失恢复(Loss Recovery)能力来减少分组丢失对接收端视频质量的影响。时延抖动控制：时延抖动控制：由于分组的传输要经过多个网络中间结点，经过每个结点都可能由于分组排队而产生时延，且这些时延是随时间动态变化的，因此经
22、过因特网后，各分组的间隔将发生改变，即便原来以恒定的速率发送也将变成了非恒定速率的分组。为了在接收端恢复原来发送速率，需为了在接收端恢复原来发送速率，需设置适当大小的缓存。当缓存中的分组数达到一定的数量设置适当大小的缓存。当缓存中的分组数达到一定的数量后再以恒定速率按顺序把分组读出进行还原播放。后再以恒定速率按顺序把分组读出进行还原播放。2023/3/1020实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.4 网络多媒体相关协议7.4.1 实时传输协议RTPRTP(Real-time Transport Protoco1)是由IETF的音频视频传输工作组（AVT）于
23、1996年公布为RFC正式文档(RFC 1889)，是专门为交互式话音、视频、仿真等实时数据而设计的轻型传输协议，用于VoIP、视频等具有实时特征的媒体传输。RTP提供端到端网络传输功能，适用于在单点和多点传送网络上传输实时数据。RTP协议包含两个紧密相连的部分，即负责多媒体数据实时传送的RTP和负责反馈控制、监测QoS和传递相关信息的RTCP(Real-time Transport Control Protoco1)。7.4.2 实时流协议RTSP该协议用于在端系统之间建立和控制媒体会话。媒体服务器的客户端发出类似于操作录像机（VCR）的命令，如播放和停止，用以实时控制来自服务器的媒体文件的
24、播放。RTSP提供了一个可扩展框架，使受控、按需传输实时数据（如音频与视频）成为可能。2023/3/1021实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.4.3 会话发起协议SIP 会话发起协议SIP(Session Initiation Protocol,RFC3261)是Internet中应用层信令控制协议，主要用来创建、修改、终止多媒体会话或呼叫。SIP协议的功能体现在五个方面：用户定位、用户能力判断、用户可用性判定、呼叫建立、呼叫处理。SIP的特征：最小状态、与底层协议无关、基于文本。SIP报文：SIP报文是SIP实体间用于沟通、协调工作的信息，从功能上区
25、分，SIP报文分为请求报文和响应报文两大类。SIP报文使用IETF规定的通用报文格式，即由一个起始行（Start-line），零个或多个报头（Message-header）及零个和一个的报文体（Message-body）组成。SIP实体 SIP 客户端和服务器行为客户端和服务器行为:SIP客户端是发送SIP请求的应用程序，SIP服务器是接收请求，执行请求业务，返回对请求响应的应用程序。SIP 客户端和服务器行为客户端和服务器行为：用户代理行为描述用户代理客户端（UAC）和用户代理服务器（UAS）产生和处理请求及响应，建立会话或呼叫的规则。SIP代理服务器和重定向服务器的行为代理服务器和重定向服
26、务器的行为：重定向服务器在接收到除CANCEL之外的请求后，收集可替换的地址，向UAC返回重定向方法的响应，指明UAC下一步该搜索的用户可能的地址，或者拒绝该请求。2023/3/1022实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.4.3 会话发起协议SIP 会话发起协议SIP(Session Initiation Protocol,RFC3261)是Internet中应用层信令控制协议，主要用来创建、修改、终止多媒体会话或呼叫。SIP协议的功能体现在五个方面：用户定位、用户能力判断、用户可用性判定、呼叫建立、呼叫处理。SIP的特征：最小状态、与底层协议无关、基于
27、文本。SIP报文：SIP报文是SIP实体间用于沟通、协调工作的信息，从功能上区分，SIP报文分为请求报文和响应报文两大类。SIP报文使用IETF规定的通用报文格式，即由一个起始行（Start-line），零个或多个报头（Message-header）及零个和一个的报文体（Message-body）组成。SIP实体 SIP 客户端和服务器行为客户端和服务器行为:SIP客户端是发送SIP请求的应用程序，SIP服务器是接收请求，执行请求业务，返回对请求响应的应用程序。SIP 客户端和服务器行为客户端和服务器行为：用户代理行为描述用户代理客户端（UAC）和用户代理服务器（UAS）产生和处理请求及响应，
28、建立会话或呼叫的规则。SIP代理服务器和重定向服务器的行为代理服务器和重定向服务器的行为：重定向服务器在接收到除CANCEL之外的请求后，收集可替换的地址，向UAC返回重定向方法的响应，指明UAC下一步该搜索的用户可能的地址，或者拒绝该请求。2023/3/1023实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.4.3 会话发起协议SIP 会话管理相关的其它协议 会话通告协议-SAP：许多MBone应用都基于IP多播进行多方通信，它一般不需要紧密协作的会员关系，参加者只需知道会议的多播地址和UDP端口即可，而会话通告协议就负责把相关的会话信息传送给预期的参加者。会话描
29、述协议-SDP会话通告协议-SAP 会话描述协议（Session Description Protocol，SDP，详见RFC2327）主要用于与SAP和SIP协议的通告会话描述，实际上是单纯的描述格式规范。SDP没有和传输协议结合在一起，因此可基于各种传输协议，如SAP、SIP、RTSP、MIME扩展的Email和HTTP等。2023/3/1024实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.4.3 会话发起协议SIP 在前面我们讨论了一些实时媒体控制的相近的四个协议。在这里我再概括性的说明一下：RTP是实时数据传输协议。它提供时间标志，序列号以及其它能够保证在
30、实时数据传输时处理时间的方法。它是依靠RVSP保证服务质量标准的。RTCP是RTP的控制部分,是用来保证服务质量和成员管理的。RTSP是开始和指引流媒体数据从流媒体服务器。它又可叫做“网上录像机控制协议”，是提供远程的控制，具体的数据传输是交给RTP的。SIP是网络多媒体应用的会话控制协议，是用来创建、修改、终止多媒体会话或呼叫的信令协议。2023/3/1025实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.5 内容分发网络与网络多媒体7.5.1 内容分发网络技术概述随着宽带网络和宽带流媒体应用的兴起，内容分发网络内容分发网络（Content Distributio
31、n Networks或Content Delivery Network，皆缩写为CDN）作为一种提高网络内容，特别流媒体内容传送服务质量、节省骨干网络带宽的技术，在国内外得到越来越广泛的应用。内容分发网络是构建在IP网络上的一种分布式的叠加网络分布式的叠加网络，是为在传统的IP网发布宽带多媒体内容而特别优化的网络覆盖层特别优化的网络覆盖层。CDN是一个策略性部署的整体系统，包括分布式分布式存储存储、负载均衡负载均衡、网络请网络请求的重定向求的重定向和内容管理等关键组成部分内容管理等关键组成部分。CDN的建立解决了困扰内容运营商的内容集中与分散集中与分散的两难选择的两难选择，通过增加存储能力提高
32、了内容服务提供的性能，能够为内容服务的快速、快速、安安全全、稳定和可扩展、稳定和可扩展等方面提供保障。目前的CDN服务主要应用于门户网站、电子商务、金融证券、大中型公司、网络教学等多种领域。2023/3/1026实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.5.2 CDN 的体系结构与工作原理CDN网络架构主要由中心和边缘两部分组成。中心指CDN网管中心网管中心和DNS重定向解析中心重定向解析中心，分别负责系统设备的管理和维护以及全局负载均衡；边缘主要指地理上分散的CDN结点，是CDN分发的载体。每个CDN结点由两部分组成：负载均衡设备负载均衡设备和高速缓存服务器
33、高速缓存服务器。CDN的工作原理以及CDN缓存访问方式与未加缓存访问方式的差别。（详见教材）CDNCDN系统结构图系统结构图2023/3/1027实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.5.3 CDN的关键技术内容路由技术内容路由技术CDN负载均衡系统负载均衡系统实现CDN的内容路由功能。通常负载均衡可以分为两个层次：全局负载均衡（全局负载均衡（GSLB）和本地负载均衡（本地负载均衡（SLB）。负载均衡可以通过多种方法实现，主要的方法包括DNS、应用层重定向、运输层重定向等等。内容分发技术内容分发技术 内容分发包含从内容源到CDN边缘的Cache的过程。从实
34、现上看，有两种主流的内容分发技术：PUSH和和PULL。内容存储技术内容存储技术 对于CDN系统而言，需要考虑两个方面的内容存储问题。一个是内容源的存储，一个是内容在一个是内容源的存储，一个是内容在Cache结点中的存储。结点中的存储。对于内容源的存储，由于内容的规模比较大（通常可以达到几个甚至几十个TB），而且内容的吞吐量较大，因此，通常采用海量存储架构海量存储架构。内容管理技术内容管理技术 内容管理在广义上涵盖了从内容的发布、注入、分发、调整、传递等一系列过程。这里重点强调缓存服务器的内容管理服务器的内容管理，即本地内容管理。本地内容管理主要针对一个CDN结点（由多个CDN Cache设备
35、和一个SLB设备构成）进行。本地内容管理的主要目标是提高内容服务的效率，提高本地结点的存储利用率。提高内容服务的效率，提高本地结点的存储利用率。2023/3/1028实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.5.4 CDN与网络多媒体应用 以视频点播等影视节目为主的流媒体服务的引入，给网络运营带来了以视频点播等影视节目为主的流媒体服务的引入，给网络运营带来了很大冲击，传统的网络模型和业务模型难以满足流媒体业务的需要。很大冲击，传统的网络模型和业务模型难以满足流媒体业务的需要。基于分组交换的。基于分组交换的IP网络在设计之初并没有考虑流媒体数据传输的需网络在设计
36、之初并没有考虑流媒体数据传输的需求，因此直接在当前的求，因此直接在当前的IP网上提供服务质量要求严格的流媒体服务会网上提供服务质量要求严格的流媒体服务会产生如下问题：产生如下问题：1）端到端带宽和端到端带宽和QoS难以保证；难以保证；2）网络通常不支持多播，广播型业务需要采用多个点对点传输实现，不但耗费大量的骨干网络带宽，而且对源点也构成极大的压力；3）一旦流媒体业务用户量和业务量加大，其产生的流量对现有网络造成很大的冲击，甚至影响到Web和电子邮件等基本网络服务的开展。引入引入CDN可以将内容服务从原来的单一中心服务结构变为分布式服务可以将内容服务从原来的单一中心服务结构变为分布式服务结构，
37、从而较好地解决上述问题。结构，从而较好地解决上述问题。2023/3/1029实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.6 P2P流媒体系统7.6.1 P2P技术概述技术概述国际上，P2P技术引起人们的关注起源于一个非常流行的Internet应用Napster。P2P的核心思想是“对等对等”，即在P2P系统中相互作用的双方或多方具有完全平等完全平等的关系的关系。对于计算机研究人员而言，P2P是一种计算资源的组织形式，通过聚合网络边缘的大量空闲资源可以得到相当于大型计算机但更加廉价的计算能力。P2P系统各结点之间具有对等的关系，它们直接交换信息和资源，相互之间的连
38、接和所形成的拓扑具有不确定性拓扑具有不确定性；而在C/S结构中，所有的clients都和server想连才能够获取信息和资源，最终形成了一个星形结构星形结构。图7-17 P2P与C/S结构对照图2023/3/1030实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.6 P2P流媒体系统P2P系统的发展大致可分为三代系统的发展大致可分为三代 第一代P2P网络采用集中控制集中控制的体系结构，系统中包括维护内容和用户信息的索引服务器，典型的代表如Napster。它采用快速搜索算法，查询响应时间短，使用简快速搜索算法，查询响应时间短，使用简单的协议，能够提供高性能和良好的健壮
39、性，缺点是服务容易中断。单的协议，能够提供高性能和良好的健壮性，缺点是服务容易中断。第二代P2P 采用完全无中心的分布式网络完全无中心的分布式网络体系结构。它不再使用中央服务器，用户的PC具有多种功能，包括索引服务器、搜索本地资源以及在结点间中继查寻信息的路由器。由于每次查询都要在全网中由于每次查询都要在全网中“泛洪泛洪”，造成大量网络流量，使得其，造成大量网络流量，使得其查询速度慢，响应时间长。查询速度慢，响应时间长。第三代P2P系统采用混合组网混合组网方式，具有层次化网络结构层次化网络结构。分层次的快速搜索改进了搜索性能，缩短了查询响应时间缩短了查询响应时间，并且每次查询产生的流量少于完全
40、分布的网络。超级结点的部署提供了高性能和良好的健壮性高性能和良好的健壮性。超级结点的失效对系统性能超级结点的失效对系统性能具有较大的影响。具有较大的影响。P2P的应用系统可以分为三类，即并行计算，内容与文件共享和协作并行计算，内容与文件共享和协作。2023/3/1031实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.6.2 P2P流媒体系统结构与工作原理P2PP2P实时流媒体技术是实时流媒体技术是P2PP2P技术与流媒体技术的结合，其技术与流媒体技术的结合，其核核心思想心思想就是把就是把P2PP2P技术应用于实时流媒体数据的分发中去，技术应用于实时流媒体数据的分发中
41、去，把把网络层的组播功能转移到应用层实现网络层的组播功能转移到应用层实现，充分有效地利用，充分有效地利用各个结点的资源。各个结点的资源。P2PP2P流媒体技术主要优势在于降低对服务器处理能力和服流媒体技术主要优势在于降低对服务器处理能力和服务器上传带宽的要求，节约了主干网络传输带宽。务器上传带宽的要求，节约了主干网络传输带宽。根据结点组织结构，根据结点组织结构，P2PP2P流媒体系统可以被分为两大类，流媒体系统可以被分为两大类，即树状结构和网状结构。即树状结构和网状结构。树状结构化网络起源于IP组播结点组织方式，对等结点按树状结构组织起来。单树拓扑结构的缺点是：所有的叶子结点都没有参与数据转发
42、，这会使为数众多的叶子结点的资源不能得到利用。基于Gossip协议的网状结构P2P网络并没有依靠固定的拓扑结构把数据转发给接收结点，而是依靠数据有效性信息来驱动数据在结点间流动，因此该结构又称为数据驱动化网络。2023/3/1032实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.6.3 P2P流媒体系统关键技术1.数据存储数据存储媒媒体体数数据据在在系系统统中中存存储储决决定定了了系系统统中中数数据据的的可可用用性性。好好的的数数据据存存储储策策略略对对整整个个系系统统的的性性能能而而言言是是至至关关重重要要的。的。数数据据分分块块策策略略:单个结点的存储能力有限，
43、这就要求对媒体数据进行分割，将其分散存储于系统中的多个结点中。数数据据缓缓存存及及更更新新策策略略:缓存是指用户观看视频时把当前媒体数据暂时保存在系统内存或者外存中。缓存是一种被动的存储方式，存储内容由当前观看的视频内容决定。通常的缓存策略是对结点中正在下载播放的流媒体按时间顺序进行缓存，如果缓存空间已满，则采用LRU(Least Recently Used Algorithms)或其它简单的缓存替换算法进行替换。支持交互性的存储方法支持交互性的存储方法:为了支持视频点播系统中的交互性操作，应采取相应的存储机制。基于锚点的方法是一种简便的交互支持数据存储方法。该方法按照一定的策略在媒体数据文件
44、定义一些视频锚点，并在系统中事先保存锚点位置的媒体数据用于快速启动播放过程。2023/3/1033实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.6.3 P2P流媒体系统关键技术2.资源定位方法资源定位方法P2P技术提供了一种大规模异构环境下进行资源共享的有效途径，只要用户给出所需资源的属性描述，P2P系统就能返回一组符合用户需求的资源列表。能否对用户的请求作出成功而快捷的响应直接决定着P2P流媒体系统的性能。因此，资源发现是P2P应用所面临的核心问题之一。3.内容分发内容分发:内容分发算法的目标是建立起从源到目标接收点满足播放质量的分发路径。由于网络中资源的存放方
45、式不同，分发策略可以分为单源的单源的和多源的多源的策略。2023/3/1034实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.6.3 P2P流媒体系统关键技术2.资源定位方法资源定位方法P2P技术提供了一种大规模异构环境下进行资源共享的有效途径，只要用户给出所需资源的属性描述，P2P系统就能返回一组符合用户需求的资源列表。能否对用户的请求作出成功而快捷的响应直接决定着P2P流媒体系统的性能。因此，资源发现是P2P应用所面临的核心问题之一。3.内容分发内容分发:内容分发算法的目标是建立起从源到目标接收点满足播放质量的分发路径。由于网络中资源的存放方式不同，分发策略可以
46、分为单源的单源的和多源的多源的策略。2023/3/1035实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.6.4 基于P2P技术的流媒体系统实例PPLive是目前成功商业运营的一个P2P流媒体系统。PPLive采用网状拓扑结构，在PPLive系统中包含了三类主要的服务器：1）频道列表服务器2）结点列表服务器3）媒体服务器 PPLive系统实体结构图及服务访问流程图2023/3/1036实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程实用计算机网络教程7.6.5 CDN和P2P技术的融合CDNCDN和和P2PP2P技术的优缺点在应用上具有一定的互补性。技术的优缺
47、点在应用上具有一定的互补性。基于基于CDNCDN的内容分发通常能够保证较好的服务质量，但的内容分发通常能够保证较好的服务质量，但CDNCDN的建设与维护成本较高的建设与维护成本较高 采用采用P2PP2P技术的内容分发无需建立固定的基础设施，其成本较低，但无法保证内容分发的服务技术的内容分发无需建立固定的基础设施，其成本较低，但无法保证内容分发的服务质量，不利于流媒体服务的商业运营。质量，不利于流媒体服务的商业运营。如果能够结合如果能够结合P2PP2P的扩展能力和的扩展能力和CDNCDN的可靠性、可管理性，就可以构建一个可管理的、的可靠性、可管理性，就可以构建一个可管理的、能够承载具有一定服务质
48、量保证的网络多媒体内容分发平台。能够承载具有一定服务质量保证的网络多媒体内容分发平台。从融合方式来看，从融合方式来看，CDNCDN和和P2PP2P融合有两种形式融合有两种形式 一种是将一种是将CDNCDN的的CacheCache设备以设备以P2PP2P的方式组织，利用的方式组织，利用P2PP2P的目录服务和多点传输能力，实现的目录服务和多点传输能力，实现CDN CDN CacheCache设备之间的内容交换，提升设备之间的内容交换，提升CDNCDN的内容分发能力的内容分发能力;另外一种是将另外一种是将CDNCDN的管理机制和服务能力引入的管理机制和服务能力引入P2PP2P网络，形成以网络，形成以CDNCDN为可靠的内容核心，以为可靠的内容核心，以P2PP2P为为服务边缘的架构，通过这种架构，可以在不增加服务边缘的架构，通过这种架构，可以在不增加CDNCDN成本的同时有效提升成本的同时有效提升CDNCDN服务能力，更有效服务能力，更有效地避免了地避免了P2PP2P应用的诸多弊端。这种架构下，用户需要通过应用的诸多弊端。这种架构下，用户需要通过P2PP2P的客户端来获取服务。的客户端来获取服务。基于基于P2P的的CDN网络结构示意图网络结构示意图边缘服务器P2P-CDNP2P-CDNP2P-CDN边缘服务器机顶盒1111112222224442023/3/1037