为何专注于流媒体领域?PPIO 技术揭秘续篇

在各种音视频应用充斥着市场的时候,毫无疑问,流媒体领域将会非常适合区块链技术进行场景落地。在上一篇文章中,我们主要讨论了 PPIO 的 PCDN 架构,接下来将介绍 PPIO 的中 P2SP 的下载逻辑和 IaaS 层的流量计数。

下载逻辑

《为何专注于流媒体领域?PPIO 技术揭秘续篇》

上图为 PPIO 的 CDN 和 P2SP 的传输架构图。这里将会重点讲解 PPIO 中 P2SP 的下载逻辑,它主要分三个部分,Buffer 管理,下载状态机,和下载算法。接下来会对这三部分一一解释。

Buffer 管理

Buffer 管理,即理解为本地设备管理着资源情况,从而决定需要下载的 Piece 的优先级。Buffer 管理也是和实际应用场景是相关的,对于流媒体来说,存在一个视频播放位置,播放位置附近的内容就是紧急内容,该内容则会被优先下载。

#1 普通文件下载的 Buffer 管理逻辑

文件下载的 Buffer 管理相对简单,因为没有具体的播放位置,即内容在紧急程度上没有区别。下载算法将采用稀缺优先的逻辑,优先下载网络中稀缺的 Piece。Piece 越稀缺,其下载的优先级也就越高。如下图:

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在示意图中,我们假设所有 Peer 都是一样的,而因为 CDN 节点的存在,实际情况则会复杂得多。CDN 可以被认为比较优质的,但是它不适合请求分散的碎片数据,更适合下载一段连续的数据。之所以将稀缺性作为普通文件的 Buffer 管理的指标,是为了增加 P2P 网络的资源健康度,并且让数据尽快在 P2P 网络中传播。

#2 流媒体的 Buffer 管理逻辑

和普通文件下载不同的是,流媒体下载存在具体播放位置,为了保证视频的观看体验,越接近播放位置的数据将会优先进行下载。

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设计 PPIO 的时候,我们根据视频播放位置,在流媒体下载的过程中,将其分为多个区间,越靠近播放位置的区间,下载优先级越高。

已过区间:视频播放位置之前的数据,无需进行下载。

紧急区间:需要立即播放的数据,在此区间的数据将采用极端下载策略,旨在以最快的速度获取数据。Piece 越靠近播放位置,下载优先级越高。这种策略更加依赖于 CDN 和超级节点,尽管有重复下载的风险,该区间将同时进行 P2P 下载,即在第一时间从多个 Peer 下载数据。

正常下载区间:稍后进行播放的数据。虽然此区间的数据也会很快被使用到,但是紧急程度不如紧急区间,因此这部分数据,也是越靠近播放位置的 Piece,下载优先级越高。但是此区间的策略不要过多依赖于 CDN 节点,并且在 P2P 下载的时候,尽量避免重复下载。

长远区间:播放时间迟于正常下载区间的数据,这部分采用类似于普通文件下载的稀缺性优先下载的逻辑。此区间的数据下载尽量不要依赖于 CDN 节点。

下载状态机

状态机是什么?它是一种根据 Buffer 状态来进行下载数据的方式。下载数据的方式有2种: P2S,即从 CDN 中下载数据;P2P,即从其他多个 Peer 中下载数据。那么这两种方式是如何切换的呢?这就是下载状态机要解决的问题。

#1 普通文件下载的状态机设计

普通文件下载的状态机随时评估 CDN 和 P2P 的下载质量和资源情况,在三个下载状态中相互切换,直到把文件完整地进行下载。

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#2 流媒体点播的状态机设计

流媒体状态机和普通文件下载状态机虽然类似,但是在其之上稍作改进,在判定 P2P 资源不足以支撑流畅播放的时候,直接放弃 P2P 的下载方式,不再尝试几种状态的切换,避免造成不必要的开销。

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下载算法

下载算法,就是将不同的待下载 Piece 分配到多个不同的 Peer 上的算法。这个算法在普通文件下载和流媒体下载的时候是不一样的。

#1 普通文件下载

PPIO 的调度算法大致如下:

  1. 为了数据传输更加高效,下载节点与每个拥有资源的 Peer 建立起多个连接。这里的连接,不限于 TCP 协议,也有 UDP 协议实现的会话逻辑。PPIO 同时兼容多种协议,在不同的网络环境下切换不同的协议,以应对网络的异构性;
  2. 对于每个 Peer,根据历史的数据传输情况,我们都进行速度预测。如果没有历史记录,则使用一个根据历史经验得到的默认值,缺省经验值;
  3. 根据 Buffer 管理的情况,确认所有下载 Piece 的优先级,然后随机通过连接向其他 Peer 发起 Piece 数据请求,对方接受请求后,立即发送 Pieces 数据;
  4. 任何一个连接只要收到一个 Piece,立即更新该连接的速度预测,并根据 Buffer 管理的情况请求下一个没有被下载的 Piece,直到下载完成;
  5. 如果 Piece 数据请求长时间没有得到回应,则会向其他 Peer 请求数据。对该长时间没有回复的 Peer 做惩罚,这个惩罚可能会减少该 Peer 连接数,从而降低该 Peer 下载权重。

根据以往设计高速 P2P 网络的经验,PPIO 采用对每个 Peer 进行多虚拟连接下载,这个虚拟连接是支持多种协议之间切换的,其底层协议,会先尝试 UDP,如果 UDP 不通再尝试 TCP,极大的提高了传输效率。为什么要这样做呢?那是因为 TCP 协议是多年以前根据互联网早期的状态设计的,其本身有弱点,即拥塞控制算法上采用了主动退让的逻辑,这会造成的传输的低效率,并不完全适合今天实际网络的传输。

#2 流媒体下载

PPIO 为流媒体下载提供了一套优化的 P2P 传输系统。为了保证观看体验,下载数据必须实时,并且能够应对 P2P 网络的不稳定性。为此,我们采用了数据驱动的 P2P 下载技术,并基于这个理念后做了很大的改进和优化,设计了一套基于预分配方式的 P2P 多点调度系统。实现最大化的下载速率,并将由于重复传输和请求所产生的开销降至最低。PPIO 流媒体调度算法的设计如下:

  1. 和文件下载器一样,给每个 Peer 建立多个连接,同时记录每个虚拟连接的历史下载速度;
  2. 对将要下载的 Piece,根据 Piece 的紧急程度(细节见前面的 Buffer 管理)排序做预分配至每个连接上,并预测每个 Piece 的到达时间,从整体来看,以越紧急越优先为原则。
  3. 针对未完成下载的 Piece,定时重做预分配,以适应每个连接传输速度的变化;
  4. 当每个连接每收到一个 Piece,则更新该通道的速度, 然后从该通道的预分配队列中找到下一个 Piece,并发起请求;
  5. 对于非常紧急的 Piece(需要立即播放),允许同时向多个 Peer 请求数据;

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PPIO 的 P2P 传输网络是完全动态的,可以持续保持高效状态。

你可能觉得目前为止我们所提及的都是传统的 P2SP 的技术,这和 PPIO 的区块链有关系吗?别急,下面就来解释一下,前面所介绍的内容,都是围绕着 PPIO 的 PaaS 层和 AS 层(Application Services层)所展开的。PCDN 的整个 P2SP 下载引擎都在 PaaS 层,流媒体格式和协议的支持,以及数据拆分,数据拼装都在 AS 层。而整个去中心化存储和区块链的基础设施都在 IaaS 层。

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流量计数和IaaS层

PPIO 的设计理念不同于传统的 P2P 传输项目,传统 P2P 项目倡导的是“人人为我,我为人人”的共享网络,下载在传输上是“免费”的,上传是无偿的。而 PPIO 建立了激励网络机制,用户下载资源需要付费的,资源上传者进行一定的收费,即下载方要支付 Token 给上传方。

在 PPIO 的 IaaS 层,为了保证 P2P 网络的效率,不需要每个 Peer 都处理 Token 的支付和接收。因此 PPIO 设计了 Owner 机制。Owner 不是一个 P2P 传输角色,而是一个支付和结算角色。在 PCDN 架构中,每个 Peer 都需要指定一个 Owner。这个 Peer 产生的花费由他的 Owner 来承担,而同样该 Peer 赚取的收入也有他的 Owner 来接收。

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如果在需求端,可以将其理解为 CPool(代理支付网关,见文章《为什么 PPIO 要设计支付代理节点》),如果在供给端,也可以简单理解其为“矿池”。对于 PCDN 业务来说,使用带宽的花费一般是由内容发布者来承担。

作为 User 的 Peer 要从一个作为 Miner 的 Peer 中下载数据,以下就是最简单的流程:

  1. Owner 先将足够的预支付款打到智能合约。
  2. User 从 Owner1 处申请一个 Check(类似于支票),Check 中含有这个智能合约的地址。以及最大消费额度,CheckID,过期时间等。
  3. Owner 审阅这个 Check 请求是否符合要求,若符合则将 Check 返还给 User;若不符合,比如申请的 Token 过多,则可以拒绝。
  4. User 向 Miner 请求数据(通过 P2P 数据传输协议)且顺利收到数据。
  5. User 会将 Check 扩展成 Voucher(类似于凭据),并发给 Miner,这个过程(步骤4和5)是多次的,Voucher 涉及的金额会越来越大。
  6. 当下载完成或异常终止时,就会提交该 Voucher 到 Miner 的 Owner,即 Owner2。
  7. Owner2 收到该 Voucher,会向该区块链智能合约发起提款。
  8. 如果 Voucher 正确且未超时,那么就能提款成功。

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对 PCDN 业务的开发者来说,既可自己部署 CPool(即 Owner),也可以接入其他第三方 CPool(即 Owner)。另外,如果下载方和上传方的 Owner 是同一个,那情况就会变得更加简单,交易不用上链,在 Owner 的内部进行即能解决,Owner 的金钱数量不会变动。就这样,PPIO 将 P2P 传输和区块链计费进行了有效的结合。

当然,这只是一个 PPIO 中 IaaS 层计费中的一个最简单的流程,实际情况会复杂得多。之后会有更多的文章来深度解析 PPIO 的 PCDN 相关的智能合约。

不可否认,流媒体领域在众多区块链技术应用场景中潜力巨大,PPIO 将结合自身丰富的 P2P 经验和前沿的区块链技术为大家带来更好的视频观看体验。体量虽小,能量巨大,好戏正要上演,还不赶紧加入社群一起探讨吧!

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    原文作者:PPIO
    原文地址: https://segmentfault.com/a/1190000019609722
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