CN100534042C - 面向msvmt问题的两阶段分布式应用层组播方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及面向MSVMT问题的两阶段分布式应用层组播方法。采用保持负载平衡的节点加入方法，采用能选择综合权衡延迟和出度的PPAF启发式，采用基于三角法则的主干拓扑构建方法的树优先分布式应用层组播构建方法。

Description

面向MSVMT问题的两阶段分布式应用层组播方法

技术领域

本发明涉及面向P2P数据分发应用的分布式应用层组播方法，该方法是面向针对P2P视频直播应用特点的MSVMT问题的分布式应用层组播方法。

背景技术

应用层组播的核心思想是在所有参与节点之间，构建应用层之上的树型逻辑拓扑结构。树的根节点是数据源，树上每个节点在接收数据的同时转发数据，通过每个父一子节点对的单播转发形成组播。如图1所示。

视频直播应用存在延迟敏感、实时约束、存在大量并发且不断连续的用户请求三个特点。本发明设计了最大节点数的组播树MSVMT(Maximum Sum ofVertices Multicast Tree)问题，即延迟和出度受限下的节点数最大化问题，该问题是针对视频直播应用的特点设计的。延迟上限由用户按需指定，而出度上限是节点能力的内在约束，即它能服务的节点个数受到接入带宽，计算能力等自身能力的限制。

在动态分布环境中，分布式应用层组播方法较为复杂，节点频繁的加入/离开操作、节点及网络链路的异常变化使得组播树极为动态。为适应系统的动态性，节点通常自组织成物理网络之上的覆盖网络，该覆盖网络通常把节点组织成两个逻辑拓扑：控制拓扑和数据传输拓扑。控制拓扑主要用来在节点间周期性地交换心跳信息、刷新信息和网络拓扑探测信息等控制信息，以便发现并处理节点的非法离开、状态更新和拓扑信息变化对拓扑的影响。数据传输拓扑通常是控制拓扑的一个子集，用来表明数据包多点传输时的转发路径，构成转发树。

根据构建控制拓扑和数据传输拓扑的顺序，可以将目前分布式应用层组播方法分为：基于树优先的应用层组播、基于网眼mesh优先的应用层组播和基于隐含构建的应用层组播。基于mesh构建的应用层组播和基于隐含构建的应用层组播的可扩展性都较差。基于树优先的应用层组播方法的思想是：节点直接在节点集合内挑选父节点，从而自治地构成组播树，即构成数据传输拓扑。而每个组成员会按管理原则与组播树中某些节点保持控制连接，组播树与这些额外连接相加就构成控制拓扑。这种构建方法构建简单、可扩展性好、健壮性好、用户自主性强、可实现按需构建。基于树优先的应用层组播方法也存在一些问题，如：节点加入过程需要从根节点开始由上至下轮询组播树，靠近根节点的上层节点负载重，而靠近叶节点的下层节点负载轻，这样导致负载不平衡的问题；选择最优父节点的策略简单，利用的拓扑信息有限，一般都是单独以延迟或带宽作为评价函数；不具备面向组播树的构建来分析、优化从控制拓扑感知的物理网络拓扑信息的能力，对组播树的优化比较困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对基于树优先的分布式应用层组播构建方法存在负载不平衡、最优父节点选择不合理、组播树优化比较困难的缺陷，提出了一个面向MSVMT问题的，采用保持负载平衡的节点加入方法，采用能选择综合权衡延迟和出度的PPAF(Powerful Propagating Ability First)启发式，采用基于三角法则的主干拓扑构建方法的树优先分布式应用层组播构建方法。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：面向MSVMT问题的两阶段树优先分布式应用层组播构建方法LiveStream。包括如下三个分布式步骤：

1)节点加入：分为两个阶段，即对应视频直播开始之前的初始构建阶段ICP(Initial Construction Phase)和开始之后的正式构建阶段FCP(FormalConstruction Phase)；

a)ICP阶段：把在视频直播开始之前请求加入覆盖网络的节点合理地组织起来；

i)初始主干拓扑构建子阶段：请求节点首先获取可选节点集合，这通过借助RP(rendezvous point)方法来获取一个固定大小的可选节点集合实现，这个集合中的节点已经加入到组播树中。之后不断利用绝对三角法则寻找前后向邻居节点，最终形成以源节点为中心的类似星型的有向图的主干拓扑；

ii)初始数据传输拓扑构建子阶段：在视频直播即将开始之前的某时刻t，源节点启动初始数据传输拓扑构建子阶段，开始从以源节点为根节点的组播树上由上至下地选择基于PPAF启发式最优、且满足MSVMT问题约束条件的子节点加入到组播树中；

b)FCP阶段：在视频直播开始之后，请求节点一旦找到一个符合相对三角法则的邻居节点，就执行加入操作，同时加入到主干拓扑和数据传输拓扑中；

i)请求节点首先获取可选节点集合，可同样借助RP方法，并可通过Gossip协议获得更多邻居节点加入到可选节点集合。之后，请求节点不断在可选节点集合中寻找符合相对三角法则的邻居节点，一旦找到一个邻居节点，就准备加入到覆盖网络中；

ii)请求节点基于相对三角法则中它与找到的邻居节点的前后向邻居关系，并基于PPAF启发式的最优选择，决定请求节点加入到主干拓扑和数据传输拓扑的方式；

2)节点自优化：请求节点加入到组播树后，不断根据相对三角法则寻找可选前向节点，找到一定数量的可选前向节点后，如果到其中某个节点的PPAF值大于到当前父节点的PPAF值且满足MSVMT问题的约束，就进行父节点替换操作；

3)节点退出：分别处理节点主动退出和异常退出的情况；

a)主动退出：发送退出消息给父节点，发送重选父节点消息给它的每个儿子节点，退出组播树；

b)异常退出：所有的父子节点间会采用心跳协议(heart-beating)，当任何儿子节点察觉到父节点失效时，会重新执行节点加入操作。当父节点察觉到某子节点失效时，它把该子节点从子节点集合中删除。

所述的三角法则方法用来确定节点间的前后向邻居关系，即认为相对源节点在物理网络上属于同一方向上的节点之间构成邻居关系。三角法则的具体实现是：考虑由请求节点u，被请求节点v和基准点w之间的物理延迟做为权值构成的边组成的三角形，图2说明了u、v、w能构成三角形的情况，如果u，v分别到w的边之间的夹角小于θ＝II/12，即它们相对w节点是属于同一方向上的节点，则可确定u、v的邻居关系，而根据u和v距离w的远近可以确定它们之间的前后向邻居关系。在ICP阶段，用户请求无需实时响应，源节点s作为基准点，称为绝对三角法则。在FCP阶段，采用v的父节点取代s作为基准点，能扩大找到邻居节点的概率并减少s的负载，称为相对三角法则。

所述的主干拓扑位于控制拓扑和数据传输拓扑之间，它利用控制拓扑感知的物理网络拓扑信息，形成基于三角法则的以源节点为中心、属于同一方向的节点互为邻居节点的类似星型的拓扑结构，为数据传输拓扑的优化奠定基础。

所述的PPAF启发式可综合权衡延迟和出度两项拓扑信息，为节点u估计在可选节点集合中的节点v可带来的子孙节点数，从而在可选节点集合中选出可带来最大子节点数的最优子节点，这与MSVMT问题的优化目标相吻合。它的具体实现是：当u请求成为v的子节点时，构造以子节点u为根节点的同质子树T_u，如图3所示。所谓同质是假设T_u上u的任何子孙节点w的拓扑信息与u本身的拓扑信息相同，即w的出度不超过u的出度，w到u的父节点的延迟不超过d(v，u)。则u能为v带来的子孙节点数H(v，u)，称为u到v的PPAF值，可定义为：

$H(v,u)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{f{\left(u\right)}^{l(v,u)}-1}{f\left(u\right)-1}& f\left(u\right)>1\\ l(v,u)& f\left(u\right)=1\end{array}\right.$

其中H(v，u)即PPAF启发式，称为u到v的PPAF值；节点u、v间的最短路径延迟由d(u，v)∈R⁺表示；应用层组播树上任一节点v，对应一条覆盖路径(Overlay Path)OP(v)，它表示在应用层组播树上从s经过若干个中间顶点到达v的路径矢量。而v的覆盖路径延迟OPD(Overlay Path Delay)表示从s到v的延迟总和，即OPD(v)＝d(s，v₁)+d(v₁，v₂)+…+d(v_k，v)，其中v₁，v₂…为覆盖路径上的中间顶点；延迟上限Δ由用户指定，可指定为30秒。

本发明所产生的预期效果是：它的节点加入过程不会导致负载不平衡的问题，因为从整体上看，节点可能是随机从组播树中的任一节点加入的；它利用了本发明提出的综合权衡延迟和出度两项拓扑信息的PPAF启发式，它能为子节点挑选出较优的父节点；它利用本发明提出的基于三角法则的主干拓扑方法构建合理的拓扑结构，该主干拓扑构建方法可把在物理网络中是相对源节点属于同一个方向上的节点确定为邻居节点，从而形成以源节点为中心，属于同一方向的节点互为邻居节点的类似星型的覆盖网络拓扑结构，因此，节点具有对从控制拓扑感知的物理网络拓扑信息的分析和优化能力。

附图说明

图1应用层组播示意图。

图2u，v，w能构成三角形的情况。

图3以子节点u为根节点的同质子树。

具体实施方式

本发明所要解决的技术问题是针对基于树优先的分布式应用层组播构建方法存在负载不平衡、最优父节点选择不合理、组播树优化比较困难的缺陷，提出了一个面向MSVMT问题的，基于保持负载平衡的节点加入方法，基于能选择综合权衡延迟和出度的PPAF启发式，基于三角法则的主干拓扑构建方法，的树优先分布式应用层组播构建方法LiveStream。

在视频直播开始之前，即ICP阶段，许多节点请求加入到覆盖网络中。此时不传输实际的视频流，暂时不需要构建数据传输拓扑。但该阶段有充分的时间保证在请求节点间构造合理的主干拓扑。把这些可能的稳定节点合理地组织起来，有利于提高系统的稳定性。由此，可把ICP从分为两个子阶段，即初始主干拓扑构建子阶段和初始数据传输拓扑构建子阶段。

在初始主干拓扑构建子阶段，每个节点不断利用绝对三角法则寻找其邻居节点，最终构成的主干拓扑是以s为中心的类似星型的有向图，边的方向是由前向节点指向后向节点。节点能够寻找的邻居节点越多，构建的主干拓扑越合理。具体过程如下：

1)请求节点u首先获取可选节点集合，可借助RP方法来获取一个固定大小的可选节点集合，这个集合中的节点已经加入到组播树中；

2)对于每个如可选节点集合中的节点v，节点u执行验证绝对三角法则过程，它判断u、v之间是否构成前后邻居节点关系，该过程在ICP阶段和FCP阶段是通用的，其具体过程是：根据所属阶段，确定基准点w，在ICP阶段，w是源节点s，而在FCP阶段，需要向v询问v的父节点的信息；探测u到w的延迟；发送验证三角法则的Validate消息给v，并接收返回信息；根据返回信息，确定u和v的邻居关系；

3)当节点v收到Validate消息时，它需要验证三角法则，执行以下过程：v探测到u的延迟；根据所属阶段，确定基准点w；根据三角法则，发送反映u和v邻居关系的返回消息给u。

在视频直播即将开始之前的某时刻t，源节点s启动ICP_Join过程，选择符合约束条件的最优子节点。由此，系统进入初始数据传输拓扑构建子阶段，开始从树的根节点由上至下地选择最优子节点加入到组播树中。数据传输拓扑构建子阶段过程是最多执行

步，f_min是节点最大出度的最小值。执行的具体过程是；

1)s节点首先加入到组播树；把它的后向邻居节点集合中的节点按照这些节点到s的PPAF值从大到小排序；选择PPAF值最大的、且满足延迟约束的最大出度个后向节点作为子节点；对每个子节点发送加入消息ICP_Join；

2)当节点接收到ICP_Join消息，它执行与s类似的选择最优子节点的过程，如此迭代地选择，直到覆盖所有节点或者组播树由于受到延迟受限和出度受限的约束，已不能再增加节点。加入到组播树的节点即加入到数据传输拓扑中。非源节点在选择最优子节点时，需要保证这些子节点没有加入到组播树中，这与源节点不同。

在FCP阶段，为实时响应用户请求，在节点加入时，一旦找到一个符合相对三角法则的邻居节点，就应该执行加入操作，同时加入到主干拓扑和数据传输拓扑中。请求节点u加入时，不断在被探测节点集合中寻找符合相对三角法则的邻居节点，即不断执行验证相对三角法则过程。注意，被探测节点集合中的节点一定是已经加入到组播树的节点。一旦找到一个邻居节点v，就执行节点加入操作，这是分情况的：

1)如果v是u的前向节点，则需要判断u是否能够成为v的子节点。具体过程是：判断u是否满足延迟约束，v是否满足出度约束；如果v还有剩余度数，则令u的父节点是v，并向v发出加入请求消息；如果v达到最大出度，则发送消息给v，要求v返回v的最差子节点到v的PPAF值，如果该最差子节点的PPAF值比u到v的PPAF值小，u将发送淘汰该最差子节点的消息给v，而u成为v的子节点。

2)如果u是v的前向节点，则需要判断是否能让u成为w的子节点，v成为u的子节点。具体过程是：判断u，v是否满足延迟约束；如果u到w的PPAF值大于v到w的PPAF值，则u将成为w的子节点，而v成为u的子节点。

一旦节点探测完所有被探测节点集合中的节点后，如果不能找到邻居节点，它将选择一个满足出度约束且u到该节点的PPAF值在被探测节点集合范围内是最大的节点作为父节点。这样，也是为了实时响应用户请求。

而当节点加入到组播树后，还可以继续执行自优化操作。此时，不是找到一个更优的父节点就进行替换操作，而是找到一定数量可选前向节点后，如果到其中某个节点的PPAF值大于到当前父节点的PPAF值且满足延迟和出度约束，则执行父节点的替换操作。这样可以减少自优化操作的控制开销。

节点可能主动退出或者异常退出，以下针对不同的情况给出不同的处理办法。

1)对于主动退出，具体过程：它会发送Leave消息给父节点；发送Rejoin消息给它的每个子节点；退出组播树。当节点收到Rejoin消息时，执行以下操作：退出组播树；重新执行加入过程；如果它不能找到新的父节点，就会递归地发送Rejoin消息给它的子节点。

2)对于异常退出，需要在所有的父子节点间采用心跳协议(heart-beating)。当任何子节点察觉到父节点失效时，它都会执加入操作。当父节点察觉到某子节点失效时，它把该子节点从子节点集合中删除，并相应地调整自己的出度。

本技术方案提出的三角法则方法具有较好的理论分析结果。对于绝对三角法则，假设节点均匀分布在以源节点为圆心、半径为R的圆中，节点u距离圆心的距离为d，θ是三角法则的参数，R>2dcosθ，如果遵循绝对三角法则来构建覆盖网络，则u能够找到邻居节点的概率是 $(\mathrm{\&theta;}+(\tan \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}+\frac{\mathrm{\&theta;}}{2{\sin }^{2}2\mathrm{\&theta;}}-\frac{1}{4\sin 2\mathrm{\&theta;}}-\sin 2\mathrm{\&theta;})*{\left(\frac{d}{R}\right)}^2)*\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}.$ 对于相对三角法则，如果在FCP阶段利用相对三角法则来构建应用层组播树，那么节点的伸展度上限是1/cosⁿθ(0<θ<π/2)，其中n是节点到源节点的路径上的节点所能叠加的层数。

Claims (5)

1、面向MSVMT问题的两阶段分布式应用层组播方法，其特征在于该方法包括如下三个分布式步骤：

1)节点加入：分为两个阶段，即对应视频直播开始之前的初始构建阶段ICP(Initial Construction Phase)和开始之后的正式构建阶段FCP(FormalConstruction Phase)；

a)ICP阶段：把在视频直播开始之前请求加入覆盖网络的节点合理地组织起来；

i)初始主干拓扑构建子阶段：请求节点首先获取可选节点集合，这通过借助RP即RendezvousPoint方法来获取一个固定大小的可选节点集合实现，这个集合中的节点已经加入到组播树中，之后不断利用绝对三角法则寻找前后向邻居节点，最终形成以源节点为中心的类似星型的有向图的主干拓扑；

ii)初始数据传输拓扑构建子阶段：在视频直播即将开始之前的某时刻t，源节点启动初始数据传输拓扑构建子阶段，开始从以源节点为根节点的组播树上由上至下地选择基于PPAF启发式最优、且满足MSVMT问题约束条件的子节点加入到组播树中；

b)FCP阶段：在视频直播开始之后，请求节点一旦找到一个符合相对三角法则的邻居节点，就执行加入操作，同时加入到主干拓扑和数据传输拓扑中；

i)请求节点首先获取可选节点集合，可同样借助RP方法，并能够通过Gossip协议获得更多邻居节点加入到可选节点集合，之后，请求节点不断在可选节点集合中寻找符合相对三角法则的邻居节点，一旦找到一个邻居节点，就准备加入到覆盖网络中；

ii)请求节点基于相对三角法则中它与找到的邻居节点的前后向邻居关系，并基于PPAF启发式的最优选择，决定请求节点加入到主干拓扑和数据传输拓扑的方式；

2)节点自优化：请求节点加入到组播树后，不断根据相对三角法则寻找可选前向节点，找到一定数量的可选前向节点后，如果到其中某个节点的PPAF值大于到当前父节点的PPAF值且满足MSVMT问题的约束，就进行父节点替换操作；

3)节点退出：分别处理节点主动退出和异常退出的情况；

a)主动退出：发送退出消息给父节点，发送重选父节点消息给它的每个儿子节点，退出组播树；

b)异常退出：所有的父子节点间会采用心跳协议(heart-beating)，当任何儿子节点察觉到父节点失效时，会重新执行节点加入操作，当父节点察觉到某子节点失效时，它把该子节点从子节点集合中删除。

2、根据权利要求1所述的面向MSVMT问题的两阶段分布式应用层组播方法，其特征在于三角法则的具体实现是：考虑由请求节点u，被请求节点v和基准点w之间的物理延迟做为权值构成的边组成的三角形，如果u，v分别到w的边之间的夹角小于θ＝∏/12，即它们相对w节点是属于同一方向上的节点，则可确定u、v的邻居关系，而根据u和v距离w的远近可以确定它们之间的前后向邻居关系。

3、根据权利要求2所述的面向MSVMT问题的两阶段分布式应用层组播方法，其特征在于绝对三角法则是指在ICP阶段，用户请求无需实时响应，源节点s作为基准点，相对三角法则是指在FCP阶段，采用被请求节点v的父节点取代s作为基准点。

4、根据权利要求1所述的面向MSVMT问题的两阶段分布式应用层组播方法，其特征在于主干拓扑位于控制拓扑和数据传输拓扑之间，它利用控制拓扑感知的物理网络拓扑信息，形成基于三角法则的以源节点为中心、属于同一方向的节点互为邻居节点的类似星型的拓扑结构。

5、根据权利要求1所述的面向MSVMT问题的两阶段分布式应用层组播方法，其特征在PPAF启发式，当u请求成为v的子节点时，构造以子节点u为根节点的同质子树T_u，u能为v带来的子孙节点数H(v，u)，称为u到v的PPAF值，定义为：

其中：Δ表示延迟上限

d(u，v)表示最短路径延迟

OPD表示覆盖路径延迟

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