中圖分類號：TP343 文獻標識碼：A

基金項目：秦皇島市科技局課題“基于P2P的視頻點播系統(tǒng)在教學中的應用研究” （課題編號：201101A021）

摘要：隨著視頻點播技術成為Internet上一種非常流行的服務，本文在研究大量相關技術的基礎上，著重介紹了當前主流的P2P、CDN以及網絡編碼技術，并指出了這些技術的優(yōu)點及不足，同時，針對未來視頻點播的發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞：VOD； P2P； CDN ；網絡編碼

引言

視頻點播技術（Video On Demand，簡稱為VOD），是計算機技術、網絡技術、多媒體技術發(fā)展的產物，是一種可以按用戶需要點播節(jié)目的交互式視頻系統(tǒng)。VOD允許用戶進行交互式操作，即用戶可以在任意時刻選擇任意視頻，并進行拖放操作，觀看感興趣的視頻內容，已成為Internet上一種非常流行的服務。中國互聯網絡信息中心（CNNIC）統(tǒng)計顯示，截至2012年12月，中國網民規(guī)模達到5.64億，網絡視頻用戶超過3.7億。

在傳統(tǒng)的流媒體系統(tǒng)中，主要采用客戶端-服務器模式，服務器以單播的方式和每個客戶建立連接，隨著點播用戶數量的增加，服務器的處理資源和帶寬資源很快就會被耗盡，成為關鍵的系統(tǒng)瓶頸。為了解決這個問題，隨之出現了CDN技術和P2P技術。

一.P2P技術

P2P是peer-to-peer的縮寫，意為“對等節(jié)點到對等節(jié)點”。P2P模式網絡中各臺計算機有相同的功能，無主從之分，任一臺計算機都是既可作為服務器，設定共享資源供網絡中其他計算機所使用，又可以作為工作站，從其他計算機中分享資源，P2P模式網絡如圖1所示。

P2P技術的出現，完全打破了客戶端/服務器模式下服務器端對資源的壟斷，大大加速了信息資源在網絡中的傳播速度；同時，它克服了客戶端/服務器模式的顯著缺點，如架設服務器成本高、維護困難、易遭受攻擊以及當客戶端的請求數量超過服務器負載能力時，服務端容易出現“瓶頸”現象等問題。P2P技術通過整合終端計算機上的網絡資源，使網絡模式從集中式向分散式發(fā)展，達到投入少、見效快、系統(tǒng)穩(wěn)定性強的目的。

圖1 P2P模式網絡

P2P最初被廣泛應用在了下載領域，它充分利用閑置的計算機網絡帶寬和計算能力，從而使得下載速率空前提高。隨著P2P技術的蓬勃發(fā)展，它逐步被應用到了流媒體技術領域，P2P技術與VoD技術的結合應用成為了必然。在眾多P2P軟件中，最有影響力的是BitTorrent。

1.1 BitTorrent技術。BitTorrent是第二代P2P應用軟件，它的主要特點是將文件分割成相同大小的文件段，使得節(jié)點在下載文件段的同時可以向其他節(jié)點上傳己有的文件段，充分利用了系統(tǒng)中各節(jié)點的上傳帶寬。

該系統(tǒng)中，有一個唯一的中央管理機構，稱為目錄服務器（tracker），它記錄了目前在線節(jié)點的信息，如節(jié)點的IP地址，擁有的文件段等。對等節(jié)點分為兩種，一種為種子節(jié)點（seed），擁有完整文件且在線的節(jié)點，它不再需要從其他節(jié)點下載數據，而只是上傳數據給其他節(jié)點；一種為下載者（leecher），只擁有部分文件且在線的節(jié)點，下載者在下載數據的同時也上傳數據給其他下載者。一旦下載者擁有了完整文件，那么他就成為了種子節(jié)點。

1.2網絡編碼技術。網絡編碼（Network Coding，簡稱NC）理論21世紀初在信息論領域中的一個重要突破，其劃時代意義在于：推翻了獨立的比特不能再被壓縮的經典結論，指出網絡信息流可以被壓縮，從而可進一步提升網絡吞吐量，因此該理論也被稱為網絡信息流理論。網絡編碼主要分為以下幾種類型：如果網絡中所有節(jié)點對其輸入信息進行線性操作，則稱之為線性網絡編碼，反之為非線性編碼；同樣，如果網絡節(jié)點對信息進行操作的系數是隨機選取的，則為隨機網絡編碼，否則為確定網絡編碼。

網絡編碼也是基于一個很簡單的思想，在組播通信網絡中，在網絡的中間節(jié)點上對接收到的信息進行一定形式的編碼處理，然后再傳輸出去，在接收端，目的節(jié)點再根據自己的要求譯出所需要的信息，可以大大提高網絡的傳輸速率，充分利用網絡中的鏈路資源，從而實現最大流最小割定理的可傳輸信息的上限，最后再在目的節(jié)點上，通過譯碼譯出原始信息。可以從圖2中來體會一下網絡編碼的基本思想。

圖2 網絡編碼原理圖

假定這是一個理想的組播網絡，每條鏈路都無時延和傳輸差錯，而且每條鏈路的傳輸容量為單位比特每單位時間，但是數據能夠在單位時間內傳送到不同鏈路中去，在上述圖中，設s是源節(jié)點，d1和d2是目的節(jié)點，可以看出在傳統(tǒng)網絡中（左圖），在單位時間內僅僅只有1.5個比特的數據能夠同時傳送到不同的目的節(jié)點。但是引入網絡編碼后，在單位時間內能夠傳送更多的信息，如右圖所示，此網絡的組播容量為2，從圖中可以看出，在中繼節(jié)點w處，通過網絡編碼，使輸出邊WV傳輸兩個輸入邊上攜帶信息的線性組合a+b，那么在目的節(jié)點d1和d2，可分別由a+b和a，a+b和b恢復出所有信息a和b，這樣就很容易的實現了每單位時間可以傳輸2比特數據。

網絡編碼技術逐漸被應用在P2P環(huán)境中，用來提高網絡吞吐量；同時，增強可靠性，例如在P2P網絡中傳輸錯誤情況下避免重傳次數，以及種子節(jié)點離開的狀態(tài)下造成稀缺塊無法獲取的情況。然而，由于網絡編碼和解碼需要增加額外的時間開銷，增加了網絡節(jié)點的計算量，會影響流媒體播放的連續(xù)性。

二.CDN技術

CDN（Content Delivery Network）即內容分發(fā)網絡，是在現有的Internet中增加一層新的網絡架構，將用戶需要的內容發(fā)布到距離用戶最近的CDN服務器上，用戶所獲得的數據實際上是CDN服務器中的鏡像內容。CDN的核心思想是將內容從中心推到邊緣，即靠近用戶的地方，這樣不但提高了用戶訪問內容的性能，而且減輕了中心設備和骨干網絡的壓力。通過CDN，可以將內容服務從原來的單一中心結構變?yōu)榉植际浇Y構。

CDN使得CDN服務提供商能夠代表他們客戶，即內容供應商，向最終用戶提供盡可能好的體驗。據統(tǒng)計，采用CDN技術，能夠處理整個網站頁面的70%-95%的內容訪問量，減輕服務器的壓力，提升網站的性能和可擴展性。

但是，CDN系統(tǒng)從本質來說，是C/S架構，仍然存在服務器過載和資源瓶頸問題，邊緣服務器的處理能力、內容存儲容量、負載調度能力等都會因用戶的增加而產生擴容的需求。同時，當要進行大規(guī)模的內容分發(fā)時，需要擴建大量的CDN設備，投資巨大，開發(fā)和維護的成本將顯著增加。

三.結束語

視頻點播技術在過去的發(fā)展中取得了可觀的成就，成為目前網絡上最主要的應用之一。但是隨著下一代蜂窩網和無線局域網的來臨，移動用戶的快速增長，對傳輸媒體網絡結構的需求進一步提高，以處理對實時流媒體、用戶移動性、高動態(tài)性、無線信道誤差特殊性和大量用戶增加的挑戰(zhàn)。

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