P2P Multimedia Streaming 技術發展史簡介

P2P Multimedia Streaming 技術發展史簡介
  
　　向大規模的用戶羣提供高質量、可交互的流媒體服務一直都被認爲是當今Internet上的“殺手級”應用之一。傳統的Client/Server架構的流媒體服務遠遠不能滿足大量併發用戶對高質量流媒體服務的需求。上世紀80年代，以微軟的Tiger Shark流媒體集羣文件系統和美國南加州大學的Yima集羣視頻服務系統爲代表的技術希望通過集羣技術來提高流媒體服務系統中Server端的服務能力。然而，由於流媒體服務中高帶寬、高實時性的需求，使得這類系統在服務能力上仍然只能停留在同時服務併發上千人的規模之上。與此同時，另外兩種思想在學術研究屆得到了廣泛的認同。其一就是通過IP層的多播技術和客戶端流合併技術來提高系統的併發服務量。然而，由於IP層多播在可靠性、安全性等方面存在的缺陷，現有的Internet缺乏對IP層多播技術的支持，使得這種技術在產業界沒有得到有效的實現。其二是同過高性能的中心服務器和靠近用戶的邊緣代理服務器來組建多媒體CDN網絡（Content Distribution Network）的方式爲大規模的用戶提供高質量的流媒體服務。然而，極其昂貴的CDN造價使得大多數的流媒體服務商望而卻步。
　　上世紀90年代末期，正當流媒體服務技術的發展舉步維艱時。桌面PC、多媒體PDA以及Internet底層技術卻得到了飛速的發展。在此基礎之上，一項利用終端桌面PC計算能力以及終端帶寬在用戶之間進行文件共享的新技術——Peer to Peer技術悄然而生。Napster系統率先利用該技術在音樂共享方面席捲全球。雖然版權糾紛使得Napster最終關門大吉，然而其底層的Peer-to-Peer技術卻給衆多的應用領域帶來了強烈的衝擊。1998年，美國學者在IEEE Multimedia雜誌上發表了第一篇關於利用Peer-to-Peer技術來實現大規模流媒體點播和直播系統的論文Webcast。Webcast的想法雖然很簡單（僅僅只利用一棵二叉多播樹在用戶之間進行實時多媒體數據的傳輸和共享），但其高度可擴展性和可行性給工業界和學術屆的研究帶來了極大的衝擊。至此， P2P Multimedia Streaming Service技術的發展以直播和點播兩個分支進入研究的萌芽期。
　　由於在流媒體直播服務中交互特性較少，技術實現相對簡單，使得P2P技術在直播服務當中發展迅速。2000年，美國CMU大學的華人科學家張輝帶領的團隊率先實現了第一套P2P視頻直播系統的原型ESM（End System Multicast），並且使用該原型系統向全球學者直播當年的ACM學術盛會SIGCOM。該系統利用了在用戶網狀結構互連的基礎上面構造最優媒體數據多播樹的方法來在用戶之間傳播實時的多媒體內容。雖然該系統中重量級的網狀系統維護協議和最優多播樹構建算法使得這套系統僅僅只能擴展到幾千人同時在線的服務能力，但是這套系統的出現卻標誌着P2P 流媒體直播系統進入了系統實現期。本文作者將該系統譽爲P2P流媒體直播技術發展中的第一個里程碑。由於ESM在學術界的極度成功，基於P2P技術的流媒體直播服務在產業界的研究院和各個大學研究機構得到了更加廣泛的研究。在2000年到2003年期間，各種原型系統、高度可擴展的應用層多播協議鋪天蓋地，席捲而來。其中Standford大學的Peercast和德國學者開發的P2PRadio系統是開放源代碼原型系統中的典型代表。而以微軟研究院的Coopnet/Splitstream協議、Cisco研究院的Overcast協議、馬里蘭大學的NICE協議、伯克利大學的Gossip協議等是P2P 直播系統中應用層多播協議的代表。雖然，這些系統和協議在實用過程中存在一些缺陷，但是原型系統的實用以及基礎協議研究工作的開展爲P2P 直播技術進入商業領域運作打下了堅實的理論基礎。我們將這一階段的這些代表研究工作譽爲P2P直播技術發展的第二個里程碑。與此同時，P2P技術在文件共享領域和數據存儲領域也得到了廣泛的應用，這些應用爲P2P Multimedia Streaming Service的下一步發展提供了豐富的經驗。2004年5月歐洲盃期間，香港科技大學張欣研開發的CoolStreaming原型系統在Planet上進行試用。這套系統使用Goosip協議在用戶之間傳播控制信令，使用類似於BT的多點對多點數據傳播協議在用戶之間傳送媒體數據包。Goosip協議的高度可擴展性、多點對多點數據傳輸協議的高度穩定性、以及與當今Internet底層構架異構性的高度適應使得用戶的使用體驗得到了質的飛躍。這套系統在2004年底也得到了廣大用戶的普遍認同。由於CoolStreaming系統是第一個真正將高可擴展和高可靠性的網狀多播協議應用在P2P直播系統當中，因此，我們將CoolStreaming系統譽爲P2P直播系統中的第三個里程碑。至此，P2P直播技術進入準商業運作階段，後期出現的PPLive、PPStream等也大多都沿用了CoolStreaming的網狀多播模式。
　　與直播領域相對應，在流媒體點播（VoD）領域，P2P技術的發展速度卻進展相對較爲緩慢。一方面是因爲點播當中的高度交互性需求（VCR操作）實現的複雜程度較高；另一方面是節目源版權因素對P2P點播技術的阻礙。2000年，美國普度大學的GnuStream是在Gnutella網絡基礎之上實現的第一個P2P準點播系統（不提供VCR操作），可以認爲是P2P點播系統的第一個里程碑。該系統也使用了網狀多播的策略。比較遺憾的是由於版權因素的限制，這套系統沒有能得到大規模的使用。2000年之後，P2P的點播技術朝着適用於點播的應用層傳輸協議技術、底層編碼技術、以及數字版權技術等方面繼續發展。在應用層傳輸協議方面，以美國學者在2002年提出的P2Cast以及2003年提出的PROMISE系統中使用的CollectCast最具有理論參考價值。與P2P直播技術向對應，我們將這兩種協議做爲P2P點播系統的第二個里程碑中的代表。同時，也期望着大規模分佈式DRM系統的研究以及底層編碼技術的發展能爲P2P點播系統的實施鋪平道路；期望着一個真正實用的P2P點播系統（第三個里程碑的代表）能將P2P點播技術帶入商業化運作的階段。