CN101282231A - 一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型 - Google Patents
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本发明公开了一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，它涉及了P2P流媒体直播的技术领域。本发明采用网状的拓扑结构，包括了依靠节点管理模块11来协调节点间的控制信息的服务器1和由数据缓冲区21、缓存映射22、数据调度模块23、伙伴管理和优化模块24以及网络接口25组成的客户端2，在DONet模型的基础上通过节点管理、数据调度策略以及伙伴的管理三个方面的优化来实现一个低时延、高网络带宽利用率的P2P流媒体数据的传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种P2P流媒体直播技术领域，特别涉及一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型。
背景技术
近几年来，对等网络(Peer-to-Peer Network，简称P2P)逐渐成为计算机界研究的热门话题之一，P2P技术将许多用户结合成为一个网络，共享其中的带宽，共同处理其中的信息。P2P网络中的每个节点即是资源或服务的请求者，同时又是资源或服务的提供者。P2P网络中每一个节点所拥有的权利和义务都是对等的，包括通信、服务和资源消耗等。将P2P引入流媒体服务中，可以解决传统C/S模式所带来的较大的I/O负载压力、可扩展性差和系统部署成本高等问题，从而减轻服务器负载并支持更大范围流媒体发布。
在对等网络下，如何能实现高效、低延迟的流媒体传输一直是P2P流媒体的研究核心。
P2P流媒体系统按照其播送方式可分为直播系统和点播系统。在P2P流媒体直播服务中，用户只能按照节目列表收看当前正在播放的节目，交互性少，实现相对简单，因为用户观看同一个节目，内容趋同，因而能够充分利用P2P的传递能力，P2P直播是最能体现P2P价值，因而P2P直播模型发展很快。在P2P流媒体点播服务中，用户可以选择节目列表中的任意节目观看，在点播领域，P2P技术的发展速度相对缓慢，一方面是由于点播中的高度交互性的实现复杂度高，另一方面是节目源版权因素对P2P点播技术的阻碍。
对于P2P流媒体直播模型的研究虽然已经取得了一定的成果，但是由于网络的复杂性和动态性，使得P2P流媒体直播系统的流媒体分发效果没有达到令人满意的程度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，在DONet模型的基础上通过节点管理、数据调度策略以及伙伴的管理三个方面的优化来实现一个低时延、高网络带宽利用率的P2P流媒体的传输。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，采用网状的拓扑结构，模型分为服务器端和客户端。
所述的FBStream模型的服务器用来协调节点间的控制信息，职责为：
(1)维护和更新所有节点的列表，其中列表由三部分组成：标记节点唯一的节点ID，节点的信息，包括节点IP以及节点加入时间；
所述的维护节点列表信息又包括：
A.新节点加入，收到新节点的加入请求后，服务器把新节点信息加入节点列表；
B.节点的正常退出，服务器收到节点的退出请求时，简单的从节点列表删除该节点信息；
C.节点的非正常退出，每个节点需要周期性的向服务器发送消息说明自己工作正常，如果服务器在几个周期内都没有收到某节点的消息，则认为该节点已经从节点列表删除该节点。
(2)从节点列表中选取一定数量的节点作为新节点的初始伙伴；
针对现有的两种选取初始伙伴节点策略——面向系统健壮性与网络负载均衡性的初始伙伴节点选取策略和面向流服务质量的初始伙伴节点选取策略的优缺点，本发明在伙伴节点选取时做了优化处理：假设伙伴节点个数为n，则服务器首先检索处n/2个与加入节点IP最近的节点，剩下的n/2个节点则是随机检索出来。
(3)根据节点请求从节点列表中选取新的伙伴节点，节点在数据传输过程中，会根据伙伴节点的反馈信息，删除那些低“贡献”的节点，然后向服务器请求新的伙伴节点，服务器根据节点的请求发送新的伙伴节点信息给请求节点。
所述的FBStream模型的客户端包括以下部分：
(1)数据缓冲区
在本发明所述的FBStream模型中，视频数据被分割成为相同大小的片断，并通过序列号来标志每个片断，同时使用时间来标志该片断的播放时间。
网络中每个节点都有自己的一个缓冲区，用来存放接收到的视频片断。
(2)缓存映射
缓存映射是用来表示节点中是否拥有某个片断数据，通过浏览数据缓冲区的存储情况可以很快生成节点的缓存映射。
(3)数据调度模块
本发明所述的数据调度模块运用了在传统的pulled-based基础上提出的改进的Future-based流媒体协议。
本发明所述的Future-based流媒体协议，发送节点主动发送数据请求，然后伙伴节点根据节点的请求，如果有则发送相应数据包，以及Buffer Map，如果没有，则发送Buffer Map。而伙伴节点也不是全部都周期性发送Buffer Map，而是根据伙伴节点的贡献度发送BufferMap。
本发明所述的Future-based数据调度算法，把节点分为新加入节点以及一般状态下的普通节点两个状态进行不同的数据调度：
A.新加入节点
新节点加入时，首先向服务器发送请求，服务器根据请求发送伙伴节点信息给新加入节点。新节点根据接收到的伙伴节点信息，向伙伴节点发送数据请求，伙伴节点如果有相应数据，则发送相应数据和BufferMap给新节点，如果没有，则发送BufferMap作为响应。
B.普通节点
普通节点根据接收到的伙伴节点BufferMap信息以及伙伴节点的传输延时，把伙伴节点分成两份：亲密伙伴节点以及后备伙伴节点。亲密伙伴节点会周期性发送BufferMap信息给该节点，而后备伙伴则是以几倍于亲密伙伴节点的周期发送BufferMap信息给该节点。
(4)伙伴管理和优化模块
所述的伙伴管理和优化模块中，节点加入网络后，首先服务器获取初始伙伴列表，记为伙伴节点列表，在程序运行中，伙伴节点列表会被动动态的更新，节点会不断从服务器中选择新的节点作为新的伙伴。
所述的伙伴管理和优化模块定期监测所有伙伴节点的连接状况。在这段时间内，如果没有收到伙伴节点的任何数据(包括BM)，则删除该伙伴节点信息，从服务器端重新获取新的伙伴节点。为了对伙伴节点进行优化，需要定期更新不好连接的伙伴节点。
(5)网络接口25，负责与底层P2P网络的连接。
本发明具有以下技术特点：
(1)低播放延时：本发明针对现有的pull-based流媒体协议存在的延迟问题，提出了改进Future-based流媒体协议，能够很好的减低时延；
(2)网络带宽利用率高：本发明通过降低网络中的控制包数量，对节点间的伙伴管理优化，充分利用网络带宽资源进行传输；
(3)扩展性好：本发明中，加入视频流媒体网络的用户越多性能越好。
(4)容易实现：本发明的FBStream模型是在典型的P2P流媒体模型上进行改进，因而不需要维护复杂的数据结构。
附图说明
图1是本发明实施例所支持的FBStream模型架构图；
图2是新节点加入流程图；
图3是本发明实施例所支持的Future-based数据具体调度算法流程图。
具体实施方式
图1～图3是本发明的实施例。下面结合附图对本发明提出的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，采用网状的拓扑结构，所述的FBStream模型分为服务器端1和客户端2。
本发明实施例所述的一种基于P2P网络的FBStream模型的服务器端1由节点管理模块11来协调节点间的控制信息，主要完成以下功能：
(1)维护和更新所有节点的列表PeerList，其中节点列表PeerList(Node_ID，Info，time)主要由三部分组成：Node_ID标记节点唯一，节点的信息Info(包括节点IP)以及节点加入时间time；
本实施例所述的维护节点列表PeerList信息又包括：
A.新节点加入，收到新节点的加入请求后，服务器把新节点信息加入PeerList；
B.节点的正常退出，服务器收到节点的退出请求时，简单的从PeerList删除该节点信息；
C.节点的非正常退出，每个节点需要周期性的向服务器发送消息说明自己工作正常，如果服务器在几个周期内都没有收到某节点的消息，则认为该节点已经从PeerList删除该节点。
(2)从PeerList中选取一定数量的节点作为新节点的初始伙伴：
针对现有的两种选取初始伙伴节点策略——面向系统健壮性与网络负载均衡性的初始伙伴节点选取策略和面向流服务质量的初始伙伴节点选取策略的优缺点，本实施例在伙伴节点选取时做了优化处理：假设伙伴节点个数为n，则服务器首先检索处n/2个与加入节点IP最近的节点，剩下的n/2个节点则是随机检索出来；
(3)根据节点请求从PeerList中选取新的伙伴节点：
节点在数据传输过程中，会根据伙伴节点的反馈信息，删除那些低“贡献”的节点，然后向服务器请求新的伙伴节点，服务器根据节点的请求发送新的伙伴节点信息给请求节点。
本实施例所述的FBStream模型的客户端2包括以下部分：
(1)数据缓冲区21
在本发明实施例所述的FBStream模型中，视频数据被分割成为相同大小的片断Packet_Strm，并通过序列号Seq_num来标志每个片断，同时使用时间Time_Stamp来标志该片断的播放时间；
网络中每个节点都有自己的一个缓冲区Strm_Buf[n]，用来存放接收到的视频片断Packet_Strm。
(2)缓存映射22
本实施例使用一个缓存映射Packet_Buf_Map来表示节点中是否拥有某个片断数据，通过浏览数据缓冲区Strm_Buf的存储情况可以很快生成节点的Packet_Buf_Map。本实施例用一个滑动窗口(Slidingwindow)来表示Packet_Buf_Map，大小为N个片断，Packet_Buf_Map中用N个比特来记录，每个比特代表一个数据片断，值为1表示有这个片断，0表示没有。
(3)数据调度模块23
数据调度模块23运用了在传统的pulled-based基础上提出的改进的Future-based流媒体协议，完成网络节点之间的数据调度功能。
(4)伙伴管理和优化模块24
本发明实施例所述的伙伴管理和优化模块24中，节点加入网络后，服务器获取初始伙伴列表，记为PartnerList，在程序运行中，PartnerList会被动动态的更新，节点会不断从服务器中选择新的节点作为新的伙伴。
本实施例所述的伙伴管理和优化模块24定期监测所有伙伴节点的连接状况。在这段时间内，如果没有收到伙伴节点的任何数据(包括BM)，则删除该伙伴节点信息，从服务器端重新获取新的伙伴节点。为了对伙伴节点进行优化，需要定期更新不好连接的伙伴节点。
(5)网络接口25，负责与底层P2P网络的连接。
本实施例所述的改进的Future-based流媒体协议，其具体实现流程为：发送节点主动发送数据请求，然后伙伴节点根据节点的请求，如果有则发送相应数据包，以及Buffer Map，如果没有，则发送BufferMap；伙伴节点也不是全部都周期性发送Buffer Map，而是根据伙伴节点的贡献度发送BufferMap。
本实施例所述的Future-based流媒体协议的数据调度中，把节点分为新加入节点以及一般状态下的普通节点两个状态进行不同的数据调度：
A.新加入节点
如图2所示，新节点加入时，首先向服务器发送请求①，服务器根据请求发送伙伴节点列表信息给新加入节点②。新节点根据接收到的伙伴节点列表信息，向伙伴节点发送数据请求③，伙伴节点如果有相应数据，则发送相应数据和BufferMap给新节点④，如果没有，则发送BufferMap作为响应⑤。
B.普通节点
普通节点根据接收到的伙伴节点BufferMap信息以及伙伴节点的传输延时，把伙伴节点分成两份：亲密伙伴节点以及后备伙伴节点。亲密伙伴节点会以周期T发送BufferMap信息给该节点，而后备伙伴则是以周期5T发送BufferMap信息给该节点。
如图3所示，本实施例所述的FBStreaml流媒体协议中，FBStream数据调度算法实现流程如下：
(a)节点检索自己的缓冲区，得到自己的BM和待请求的片断序号集Set。
(b)判断待请求的片断序号集Set是否为空。如果为空，则跳到步骤(f)，否则取出下一个待填充的片断序号S，继续下一步。
(c)查看自己的缓冲区中序号S对应的数据片断是否已经被请求过，如果被请求过而且最近请求时间距现在不超过一定的时间范围，则不再请求，将当前检索序号加1，返回到步骤(b)。否则继续下一步。
(d)检索所有伙伴节点BM信息，根据伙伴节点BM信息中对应序号S是否为1来判断伙伴节点是否拥有数据片断S。设拥有数据片断S的伙伴数目为num，如果num不为0，在拥有数据片断S的伙伴节点中寻找Ni/Ei值最小的节点(其中Ni为这次检索中向节点i请求的片断数，Ei为单位时间内从节点i平均获取的数据包)，把该节点的id和num记录到待请求集合C中，将当前检索序号加1，返回到步骤(b)。否则继续下一步。
(e)检索伙伴节点BM信息，根据伙伴节点BM信息，选择拥有与片断S最靠近的前片断的节点。例如当前片断S的序列号为8，节点A拥有片断1、2、4、5，节点B拥有节点1、6，则选择节点B作发送数据请求，如果满足该条件的节点有多个，则根据Ni/Ei值选择最小的节点，把节点的id和数据片断S放进请求包队列中，并在缓冲区中标记该片断已被请求，并记下请求的时间和请求的伙伴节点信息，将当前检索序号加1，返回到步骤(b)。
(f)在系统中，如果某个片断的提供者越少，就越难满足播放时间Deadline的要求，因此，根据数据片断拥有的节点数多少，对节点进行排列，节点先从稀少的数据开始调度。我们使用稀少数据优先根据集合C中的num进行排序，然后把排序得到的集合中的id和数据片断S放进请求包队列中，并在缓冲区中标记该片断已被请求，并记下请求的时间和请求的伙伴节点信息，返回到步骤(a)。
Claims (10)
1、一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，其特征在于：采用网状的拓扑结构，包括以下两部分：
(1)依靠节点管理模块11来协调节点间的控制信息，负责维护和更新所有节点的列表、从节点列表中选取一定数量的节点作为新节点的初始伙伴以及根据节点请求从节点列表中选取新的伙伴节点的服务器1；
(2)由5个模块构成的客户端2，其中，所述的5个模块分别为：
A、用来存放接收到的视频片断的数据缓冲区21；
B、用来表示节点中是否拥有某个片断数据，并通过浏览数据缓冲区的存储情况可以很快生成的缓存映射22；
C、运用了在传统的pulled-based基础上提出的改进的Future-based流媒体协议进行流媒体数据调度的数据调度模块23；
D、定期监测所有伙伴节点的连接状况，管理及优化伙伴节点列表的伙伴管理和优化模块24；
E、负责与底层P2P网络连接的网络接口25。
2、根据权利要求1所述的一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，其特征在于：所述的维护和更新所有节点的列表，其中列表由三部分组成——标记节点唯一的节点ID，节点的信息，包括节点IP以及节点加入时间。
3、根据权利要求1所述的一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，其特征在于：所述的维护节点列表信息又包括新节点加入、节点的正常退出和非正常退出。
4、根据权利要求1所述的一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，其特征在于：所述的从节点列表中选取一定数量的节点作为新节点的初始伙伴中，在伙伴节点选取时做了优化处理：假设伙伴节点个数为n，则服务器首先检索处n/2个与加入节点IP最近的节点，剩下的n/2个节点则是随机检索出来。
5、根据权利要求1所述的一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，其特征在于：所述的根据节点请求从节点列表中选取新的伙伴节点中，节点在数据传输过程时，会根据伙伴节点的反馈信息，删除那些低“贡献”的节点，然后向服务器请求新的伙伴节点，服务器根据节点的请求发送新的伙伴节点信息给请求节点。
6、根据权利要求1所述的一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，其特征在于：所述的FBStream模型中，视频数据被分割成为相同大小的片断，并通过序列号来标志每个片断，同时使用时间来标志该片断的播放时间。
7、根据权利要求1所述的一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，其特征在于：所述的Future-based流媒体协议，发送节点主动发送数据请求，然后伙伴节点根据节点的请求，如果有则发送相应数据包，以及Buffer Map，如果没有，则发送Buffer Map，而伙伴节点也不是全部都周期性发送Buffer Map，而是根据伙伴节点的贡献度发送Buffer Map。
8、根据权利要求1所述的一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，其特征在于：所述的Future-based数据调度算法，把节点分为新加入节点以及一般状态下的普通节点两个状态进行不同的数据调度。
9、根据权利要求1所述的一种基于P2P网络的FBStream流媒体直播模型，其特征在于：所述的伙伴管理和优化模块中，节点加入网络后，首先服务器获取初始伙伴列表，记为伙伴节点列表，在程序运行中，伙伴节点列表会被动动态的更新，节点会不断从服务器中选择新的节点作为新的伙伴。
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