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大规模对等网络交互式网络电视(P2P IPTV)系统的测量研究
摘要
一个新兴的互联网应用，IPTV，有可能使新的流量大量涌入互联网接入和骨干ISP。虽然许多架构都可以用于IPTV视频分发，但是几个mesh-pull架构式的P2P架构已经成功部署在互联网上。为了深入了解mesh-pull架构式类型P2P IPTV系统和它们对ISP的流量负载，我们对最流行的IPTV系统之一进行了深入的测量研究，即PPLive。我们开发了一款专用的PPLive网络爬虫，使我们能够研究mesh-pull架构式PPLive系统的全球特性。我们还收集了各种不同测量场景的大量数据包，包括校园接入网和住宅接入网。通过这些平台获得的测量结果，为P2P IPTV系统带来了重要了解。具体来说，我们的结果表明：1）P2P IPTV用户具有与普通电视用户相似的观看行为; 2）会话期间，一个对等体与许多对等体动态交换视频数据; 3）一小组超级对等体充当视频代理并对视频数据上传的实现具有重大作用; 4）测量的P2P IPTV系统中的用户仍然遭受从几秒到几分钟的长启动延迟和播放滞后的问题。本研究中获得的见解对于开发和部署未来的P2P IPTV系统将是有价值的。
索引术语 - 测量，点对点流媒体，IPTV
EDICS类别：多媒体流（5-STRM）
一、引言
随着宽带接入的普及，IPTV可能成为下一个引起混乱的IP通信技术。随着潜在数亿用户观看500kbps或更多的流量，IPTV不仅会使娱乐和媒体行业发生革命性变化，而且还会淹没互联网主干和流量网络。鉴于可能出现的新互联网流量浪潮，对于互联网研究社区来说，要深入了解IPTV的交付是很重要的，特别是对于那些在不久的将来能够实现广泛部署的交付架构而言。
IPTV有几类交付体系结构，包括本地IP多播，CDN公司提供的应用级基础设施覆盖层，端对端多播树等终端系统组播，以及mesh-pull架构式网络P2P流，如CoolStreaming和PPLive。这些架构类中的每一个都在互联网上施加不同的流量模式和设计涌入骨干网和接入网。基于最少的基础架构，P2P架构提供了以低成本快速部署的可能性。mesh-pull架构式P2P系统的一个重要特征是缺乏（应用级）多播树 - 这是高动态，高流量P2P环境特别需要的特性。
就并发用户的数量而言，迄今为止最成功的IPTV部署采用了mesh-pull式P2P流式架构。 与BitTorrent具有很强的相似性，mesh-pull流在各方面与BitTorrent有很大的不同：
1）BitTorrent本身并不是一个可行的视频传输架构，因为它没有考虑到IPTV的实时需求。在mesh-pull流媒体中，每个视频块都有相应的播放截止日期。因此，视频块调度是协助及时视频传送不可缺少的组成部分。
2）由于在截止日期之前对视频块的可用性存在严格的需求，因此在当前的mesh-pull系统中尚未仔细解决公平资源共享问题，因为在当前的mesh-pull系统中没有部署互惠机制来鼓励在对等点之间分享。
3）BitTorrent针对中等规模（lt;1000）的群组通讯;因此，对等方直接从跟踪服务器获取对等邻居信息。但是，大规模的流媒体直播很容易吸引成千上万的用户。因此，Gossip对等搜索算法已经装备在各种mesh-pull系统中以支持大规模群组通信。然而，Gossip算法的部署会产生各种影响，即在搜索对等体时会出现延迟;跟踪器服务器可能只能处理系统中的一部分对等体，从而失去全局视图和网络控制权等等。
迄今为止，已经成功部署了多个mesh-pull 架构式P2P流媒体系统，可同时容纳数以万计的用户。几乎所有这些部署都来自中国（包括香港）。 该领域的先行者CoolStreaming在2003年报告说，同时在线的用户超过4,000人。最近，一些第二代mesh-pull架构式P2P系统在他们的网站上报道了惊人的成功，成千上万同时观看的用户的网络速度在300 kbps到1 Mbps之间。这些系统包括PPLive，PPStream，UUSee，SopCast，TVAnts，VVSky等。
考虑到迄今为止许多这类IPTV系统的成功，以及它们在不久的将来涌现大量新业务的潜力，我们一直致力于对其中一个mesh-pull 架构式P2P流媒体系统网络进行广泛的测量研究，即PPLive。 我们选择了PPLive，因为它目前是迄今为止最受欢迎的IPTV部署之一。 特别是，作为我们在PPLive上进行的初步研究的一部分，我们测量了2006年1月28日在农历新年期间观看PPLive年度春节联欢晚会的同时用户数量。我们观察到使用PPLive观看春节联欢晚会，且网速达到400-800 kbps范围内的比特率的用户有200,000个，相当于100吉比特/秒左右的总比特率！
在早期的研讨会文件中，我们报告了PPLive的初步测量结果。本篇论文进一步深入，提供了对PPLive的全面研究，包括对系统全局属性的深入了解。 由于PPLive协议是专有的，因此获得这些更深入的见解具有挑战性。特别是，为了构建用于收集本文大部分数据的测量工具，我们必须分析大部分PPLive协议。
在本文中，我们试图回答关于大规模P2P IPTV部署的以下问题：
bull;用户特征是什么？对于受欢迎和不太受欢迎的PPLive频道，观看频道的用户数量随时间而变化的情况如何？与传统电视一样，用户需求是否有昼夜变化？用户流失的动态是什么？用户的地理分布是什么？这种分布如何随着时间的推移而波动。
bull;有多少开销和多余的流量？对等体发送（或接收）的字节数是控制数据，实际视频数据是多少？对等体接收的视频流量中有多少是冗余流量？
bull;对等体与其他对等体建立伙伴关系的特点是什么？对等体有多少伙伴？合作关系的持续时间是多少？对等体从何处下载并上传至合作伙伴？校园伙伴和居住伙伴的合作伙伴关系有何不同？合作伙伴如何与BitTorrent中的合作伙伴进行比较？
bull;成功的mesh-pull 架构式P2P IPTV系统的基本要求是什么？ P2P IPTV系统如何在具有异构上传容量的所有对等体上保持足够高的下载速率？什么是视频缓冲要求，以便在对等连接和对等混乱的速率波动下，在单个对等体上流畅播放？
我们试图通过使用定制设计的PPLive爬虫并使用高速校园接入和宽带住宅接入点部署的数据包嗅探器来回答这些问题。在我们的研究中获得的定量结果为通过公共互联网进行直播的重要性能和设计问题带来了光明。
以论文《观看PPLive：大规模P2P IPTV系统的测量研究》和《大规模P2P IPTV系统的测量研究》中的我们以前的工作为基础，我们提出了一个PPLive的全面主动和被动测量研究。我们的贡献如下：
bull;对于主动爬取，我们改进我们最初在《大规模P2P IPTV系统的测量研究》中提出的对等跟踪方法，以精确追踪NAT /防火墙后面的对等动态。
bull;我们的抓取结果包括频道级对等测量以及不同时间尺度（即日级和周级）的全频道对等统计。
bull;我们的爬取装置还包含一个缓冲区映射爬取组件。缓冲区映射反映了由同级缓存的视频内容以及隐式播放过程。本文中报告了这些测量结果，以显示PPLive对等设备之间显着的播放时间延迟。这一发现带来了仔细设计视频块调度方案的必要性，以最大限度地减少直播的播放滞后。
bull;我们提出了大量改进的被动嗅探结果（即细化视频流量过滤规则，以便我们能够更准确地确定视频流量交换）。我们的测量结果显示了PPLive用户的流量模式和对等动态。这些研究结果为ISP提供了进行适当流量工程的见解，例如跟踪P2P流量流量，设计新的流缓存方案等。
本文的组织架构如下。 在第二部分中，基于我们的测量研究提供了mesh-pull流系统的不同方面的概述，包括架构，信号和管理协议。 我们的测量工具包括主动爬虫和被动嗅探器。 在第三节中，我们使用我们的PPLive爬虫，展示了PPLive网络的全球尺度测量结果，包括用户数量，到达和离开模式以及同级地理分布。 我们还在第四节中提供了PPLive流服务的延迟性能的定性表征。在第五部分中，通过嗅探受监控的对等体，我们提供住宅和校园PPLive客户所看到的流量模式和对等策略。我们在第六节中概述了相关的P2P测量工作。 最后，根据我们的测量结果，我们在第七节中概述了通过因特网成功部署IPTV应用的一些设计指南。
二、MESH-PULL P2P流媒体系统概述
目前的mush-pull式流媒体系统对其专有技术几乎没有提供任何信息。通过对两个着名的mesh-pull流式传输系统PPLive和PPStream的测量研究和协议分析，我们获得了关于mesh-pull流式传输系统的协议和流式机制的重要见解。为了更好地了解我们的测量工具和结果，在本节中，我们将提供一个通用网格拉动系统的概述。图1描述了一个通用的mush-pull式P2P直播体系结构。mush-pull式架构中有三个主要组件：
1）流式对等节点包括一个流引擎和媒体播放器，共同位于同一台设备上。所有节点通过流引擎从通道流服务器合作传送视频块。流引擎下载来自其他对等节点或通道流服务器的媒体块;这些数据块被重新组合成原始媒体内容并流传输到媒体播放器进行播放。
2）频道流服务器将媒体内容转换成小视频块，以便在对等节点之间有效分发。
3）跟踪器服务器为每个对等节点提供流信道，对等体和块信息以加入网络，并从系统中的多个对等体下载视频块，请求相同的媒体内容。
图1.网拉P2P直播流式架构
在用户计算机（对等体）中运行的mesh-pull P2P实时流媒体软件通常具有两种主要的通信协议：（i）对等体注册，信道和对等体发现协议;和（ii）P2P媒体块分布协议。图2描绘了对等体注册，信道和对等体发现协议的概述。当最终用户启动chunk-pull流媒体软件时，它将加入网络并成为流媒体节点。第一个操作（步骤1）是从跟踪器服务器下载流媒体网络分发的频道列表。一旦用户选择了一个频道，该对等节点就在跟踪器服务器中注册自己，并请求当前正在观看相同频道的初始对等列表。对等节点然后与列表中的对等方进行通信以获得附加列表（步骤2），其与其现有对等列表进行聚合。以这种方式，每个对等点维护观看该频道的其他对等点的列表。列表中的对等体由其IP地址，UDP和TCP信令端口号标识。注册和对等发现协议通常通过UDP运行;但是，如果UDP发生故障（例如，由于防火墙），TCP也可能用于注册和对等点发现。利用这种分布式类似Gossip的对等体发现协议，在跟踪器服务器处的信令开销被认真地减少;因此，少数跟踪服务器能够管理数百万流媒体用户。
图2：信道和对等点发现
我们现在描述块分配协议。在任何给定的时刻，对等体都会在滑动窗口内缓存几分钟的块。其中一些块可能是最近播放过的块;剩余的块是预定在接下来的几分钟内播放的块。对等体们互相上传大块。为此，对等体向彼此发送“缓冲映射”消息;缓冲区映射消息指示对等体当前已缓冲并可共享的块。缓冲区映射消息包括偏移量（第一个块的ID），缓冲区映射的长度，以及指示哪些块可用（从offset指定的块开始）的零和一串。如果偏移字段为4字节，则对于具有340kbps的比特率和14k字节的块大小的一个信道，该块范围232表示2042天的时间范围而没有收尾。BM宽度是在缓冲区映射消息中通告的最新和最旧的块号之间的差值。BM可播放视频是从缓冲区开始的缓冲区中连续块的数量。图3说明了一个缓冲区图。
图3.视频块的对等体缓冲区图
对等体可以通过TCP连接请求来自其当前对等体列表中的任何对等体的缓冲器映射。在对等体A从对等体B接收到缓冲器映射之后，A可以请求对等体B在缓冲器映射中通告的一个或多个块。对等端可以同时从几十个其他对等端下载块。流引擎不断搜索可从中下载块的新合作伙伴。不同的mesh-pull系统可能与其对等选择和块调度算法显着不同。很显然，当一个对等端请求数据块时，应该优先考虑先丢失的数据块。最有可能的是，它也优先考虑罕见的块，也就是不出现在其许多合作伙伴的缓冲区图中的块。对等端还可以从原始渠道服务器下载块。块通常通过TCP连接发送。在一些mesh-pull系统中，视频块也使用UDP传输以实现及时交付。
讨论了如何在对等体之间分配块，我们现在简要描述视频显示机制。 如上所述，流引擎与媒体播放器（Windows Media Player或RealPlayer）结合使用。 图4说明了流引擎和媒体播放器之间的交互。 流媒体引擎一旦缓存了一定数量的连续块，就会启动媒体播放器。 媒体播放器然后向引擎发出HTTP请求，引擎通过向媒体播放器发送视频作出响应。 媒体播放器缓冲接收到的视频; 当它缓冲了足够数量的视频内容时，它就开始渲染视频。
图4、mesh-pull系统的流式处理
如果在视频播放期间，流式引擎变得无法以足够的速率向视频播放器提供数据（因为客户端并未从网络其他部分获得足够快的块），则媒体播放器将会挨饿。 发生这种情况时，根据饥饿的严重程度，流媒体引擎可能会让媒体播放器等待停止播放（冻结），或者媒体播放器可能会跳过帧。
PPLive是一个典型的网格拉动P2P流媒体系统。我们现在简要介绍一下PPLive。 PPLive是一款免费的P2P IPTV应用程序。根据2006年5月的PPLive网站[5]，PPLive平均提供200多个频道，平均每天有40万用户。视频节目的比特率主要从250kbps到400kbps，几个频道高达800kbps。 PPLive不拥有视频内容;视频内容主要来自电视频道，电视剧和普通话电影。这些频道以两种视频格式进行编码：窗
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