CN101345768A - 音乐点播系统的对等网络传输方法 - Google Patents

Abstract

音乐点播系统的对等网络传输方法，其特征在于以P2P技术来解决传统音乐点播系统中的服务器单点失效和连接服务瓶颈问题，将点播系统和P2P技术结合起来，采用多点下载方法，它是音乐点播系统的P2P传输方法，也是区别于传统音乐点播系统的本质所在。较之传统的音乐点播系统，它不仅能有效地实现典型的P2P方式的多点传输，同时又能有效地保证传输过程中对于实时性的要求，确保点播过程中播放的流畅性。

Description

音乐点播系统的对等网络传输方法

技术领域

本发明提出一种对等网络(Peer-to-Peer，P2P)音乐点播系统后台传输系统的数据传输方法，利用对等计算技术来实现音乐点播系统，通过滑动窗口来规范多点传输中顺序，以实现对于实时性的要求，属于分布式文件传输领域问题。

背景技术

随着多媒体技术和网络技术的发展，人们对多媒体及网络环境的要求也越来越高。宽带环境下传统的多媒体点播系统，无论是集中式服务器本身，还是其网络带宽，都已构成系统的瓶颈，并且随着用户数量的不断增加，服务器瓶颈问题越来越明显。简单的通过增加点播系统中的媒体服务器，能有效地解决服务器的瓶颈问题，但从本质上，这种方法只是缓解了问题，而没有彻底解决问题，一旦网络中的点播用户数量超过媒体服务器的额定承载量，媒体服务器的瓶颈问题就会暴露无疑。而且，通过增加媒体服务器的方法来解决现有媒体服务器的瓶颈问题，通常会伴随着相当的成本开销。

P2P网络以“对等、我为人人，人人为我”的理念，以其弱中心化、良好的扩展性以及无单点失效和自适应性等特点在网络模式中脱颖而出，用户既是资源的提供者，又是资源的使用者，在共享中互惠互利，达到共赢。随着P2P应用的日益广泛和需求的不断增多，其技术的也取得了长足的发展并吸引了大量的用户。其中P2P文件共享是发展最快、影响最广的一种应用，无论是学术研究上还是实际的产品中，都表现出很强的生命力。如BitTorrent，Emule，Maze等P2P文件共享的典型实例。正是由于P2P的分布性、无单点失效和弱中心化等特点，P2P成为解决传统多媒体点播系统的一种理想选择。作为P2P文件共享与下载应用中最成功和高效的BitTorrent，在研究和设计P2P音乐点播系统时，可以借鉴其优越的共享和传输机制，提高网络边缘资源的利用率。

音乐点播的后台是一个文件传输系统，它和众多的文件共享和下载系统有许多的类似之处，按照既定的要求实现了文件的传输便可以有效地保证点播系统的正常流畅运行。正是基于此，在将P2P技术引入音乐点播系统时，我们要充分的提高后台传输系统的传输效率，为此我们将BitTorrent中最具特色和优越的文件共享和传输机制——“最少优先机制”引入传输系统的传输方案。然而点播系统的固有的实时性要求也要求需要对传输方案作进一步的改进。通过引入滑动窗口机制，来规范多点传输使的下载顺序，以实现对于实时性要求。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种P2P音乐点播系统的传输方法，它是音乐点播系统的P2P传输方法，也是区别于传统音乐点播系统的本质所在。较之传统的音乐点播系统，它不仅能有效地实现典型的P2P方式的多点传输，同时又能有效地保证传输过程中对于实时性的要求，确保点播过程中播放的流畅性。

技术方案：本发明的方法强调P2P多点传输机制中的实时性，引入滑动窗口的方法，其目的是解决P2P音乐点播系统中最基本的对于实时性的要求。

本发明的音乐点播系统的对等网络传输方法以P2P技术来解决传统音乐点播系统中的服务器单点失效和连接服务瓶颈问题，将点播系统和P2P技术结合起来，采用多点下载方法，具体方法如下：

a.最少优先机制在传输过程中文件分片选择过程：

a1.通过节点间的直接交互，节点间分别记录着对方拥有的文件分片情况，据此统计出网络中文件分片的分布情况，

a2.任何一个节点下载完一个分片后都会使得整个邻居网络都更新该文件分片的分布，在选择文件分片时，依次从拥有者数量少的文件分片起顺次请求和下载，

b.播放流程：随着着播放的进行，播放点不断向后移动，滑动窗口也相应的逐片向后滑动，这样就能有效地保证播放点的文件分片能有效地被请求和下载，从而实现对于实时性的要求，

c.片段选择流程：

①判断播放点所在分片是否播放完成，若完成，则将滑动窗口向后滑动，否则保持当前窗口状态；

②判断滑动窗口中的紧急分片是否全部被请求或是下载完成，若未请求或下载完成，则转到③执行，否则转到④执行；

③依次请求滑动窗口中尚未请求或下载的分片，若请求尚未满，则继续转到④执行；

④根据统计的邻居节点分片拥有情况，选择拥有者最少的普通分片进行请求和下载；

d.播放跳转过程：根据跳转点计算出对应的分片，停止播放器的播放；

①将系统的播放点置于跳转点上，并根据播放点的分片重新设置滑动窗口，此时紧急分片和普通分片也相应的改变；

②按照改进的最少优先机制重新选择分片进行请求和下载；

③等待播放器播放所需分片下载完成后重新启动播放器播放。

e.音乐播放对等网络传输过程：

①从发布服务器获取可用的节目列表，根据用户的时间点播需求，选择相应节目，获取其节目ID号；

②将点播的节目号发给目录服务器进行查询，目录服务器根据节目号搜索到邻居节点信息，并将值发给请求的用户节点；

③根据目录服务器返回的邻居节点信息，分别与各邻居节点建立连接，根据改进的最少优先机制对分片进行选择并加以请求和下载。

有益效果：本发明方法提出了P2P音乐点播系统的传输系统的机制与体系结构，旨在结合新兴计算技术P2P和高效的传输机制，来解决传统音乐点播系统中的媒体服务器网络带宽和计算能力的瓶颈问题。该发明提出的技术方法并不是现有技术的简单罗列，而是根据现有技术的特点，通过不断实践提炼出的，通过将各种机制有效的结合，来实现高效的P2P音乐点播系统。下面我们给出具体的说明。

数据孤岛：如果网络中只有服务器A拥有资源S，那么当服务器A由于某些原因宕机或是损坏时，网络中的所有节点都无法访问或是获取资源S，直到服务器A重新正常工作，服务器A的这种状态就称为“数据孤岛”。数据孤岛严重的影响了系统的稳定性和灵活性，网络中的少数节点就能影响到全局的性能。数据孤岛在传统的音乐点播系统中极为常见，点播用户的所有资源均来自媒体服务器，一旦媒体服务器宕掉，所有点播用户就无法获取媒体资源，一种解决方法是设置多个备用的媒体服务器，但这会带来极大的成本开销。而在我们的P2P音乐点播系统中，点播用户的资源并不一定来自于媒体服务，而且在很多时候可以完全脱离媒体服务器，这样就摆脱了数据孤岛的问题了。

负载均衡：是指系统的各个处理单元均衡的分担服务请求[3]。即将网络中的负载分散到多个服务器或是节点上，从而有效的避免了网络中部分服务器或是节点负载过重，使得所有节点平均分担网络中的负载，保证网络更有效的运行。传统的多媒体点播系统中的负载均衡技术，通常只是对系统中的所有媒体服务器进行负载均衡，让所有的媒体服务器有接近的负载量，避免少数媒体服务器不堪重负，而有些却没有被有效的利用，如共享式多媒体点播系统中的负载均衡技术。在P2P音乐点播系统中，负载均衡技术是利用客户节点分担媒体服务器的负载，来减轻媒体服务器的负载，这种负载均衡技术相对于传统多媒体点播系统中的负载均衡技术来说，其作用更广泛，也更加彻底和有效。

最少优先机制：单纯的采用典型P2P方式的多点传输方式，通常会使得网络中文件分片的分布保持原有的状态，或是让网络中原本比较多的文件变得更多，而相对较少的保持不变或是变得更少，这样会不利于下载的持续性，当网络中相对较少的那些文件分片的拥有者下线时，就使得这些文件分片不易被获取，在极端情况下，只能从媒体服务器获取，这样就会加重媒体服务器的负担。因此，改变网络中文件分片的分布，让文件分片的分布趋于均衡，能有效地保证下载的持续性，提高下载效率。而最少优先机制是让点播用户优先的选择网络中拥有者最少的分片进行请求和下载，这样，随着下载的继续，拥有者较少的文件分片会越来越多，从而整个文件分片的分布会趋于均衡。在文件分片分布均匀的情况下，下载的效率也会比一般情况好得多。

附图说明

图1是最少优先机制原理图，表明了最少优先机制的具体原理，在文件分片选择过程中的应用。

图2是滑动窗口机制的原理和流程图，表明本发明中核心滑动窗口机制的原理和具体运行流程。

图3是P2P音乐点播系统的系统架构图，表明本发明在实际运行中的架构、布局和组织。

具体实施方式

一、核心机制

1、最少优先机制

BitTorrent是高效的文件共享和下载软件，也是同类P2P软件中使用的最为广泛和高效的，它以其独特的传输和激励机制，充分的优化了网络资源，提高了资源传输的效率。在BitTorrent风靡之时网络中有相当的流量为BitTorrent下载所占用。BitTorrent的高效源自于其优越的激励和传输机制，其中最为核心而又独具特色的传输机制是最少优先机制，它充分而有效的利用了社会经济学原理，提高了多点传输的效率。在对文件进行分片共享和传输时，下载同一资源的节点称为邻居节点，它们组成一个邻居节点网络。下载时，各节点统计邻居节点对于文件分片的拥有情况，在此基础上，优先的请求和下载拥有者最少的文件分片，这极大的优化了文件分片在整个网络中的分布，避免了少数文件分片因为拥有者下线而无法被下载到，也有效的避免了数据孤岛的问题。

图1给出了最少优先机制的原理，说明了运用最少优先机制在传输过程中文件分片选择过程。通过节点间的直接交互，节点间分别记录着对方拥有的文件分片情况，据此可以统计出网络中文件分片的分布情况，如图中所示，n为文件分片拥有者数量，依次为0，1，2，...，n，而P_n1，P_n2，...，

为拥有者数为n的文件分片。任何一个节点下载完一个分片后都会使得整个邻居网络都更新该文件分片的分布。这样，在选择文件分片时，就可以依次从拥有者数量少的文件分片起顺次请求和下载。

2、滑动窗口机制

最少优先机制有效的优化了网络资源，很好的避免了网络中数据孤岛的问题，促进了网络中邻居节点间的资源共享和传输。但是，对于实时性要求很严格的音乐点播系统而言，当系统运行时，最为需要的文件分片往往不是网络中拥有者最少的分片，而是当前要播放的文件分片，特别是在系统启动时，如果文件的开始部分没有被及时下载到就会极大的增加启动的延迟，影响系统的系能。因此完全的最少优先机制并不能很好的适应于音乐点播系统。为了有效地保证P2P音乐点播系统中对于实时性的要求，可以通过滑动窗口机制来规范传输过程中文件分片的请求和下载顺序。

通过增加滑动窗口机制，将文件分片分为两种级别，一种是窗口中的紧急文件分片，它们处于播放点附近(之后)，是当前播放即将需要的文件分片；另一种是非窗口中的普通文件分片，为紧急文件分片以外的其他文件分片，他们是播放器需要的，但不是当前需求紧急文件分片。对于播放点附近的紧急文件分片，因为越是离播放点近，该文件分片就越是紧急，所以紧急文件分片按照严格的顺序来请求和下载是较好的策略，而且紧急文件分片是要优先于普通分片被请求和下载的，这也是要获取良好性能系统必须要保证的。普通文件分片是播放器播放需要的，但不是当前即将播放需要的，因此普通分片的请求和下载次序没有严格的要求，所以在对普通分片进行请求和下载时，可以简单的按照最少优先机制进行文件分片的选择。

图2给出了滑动窗口机制的原理和流程。随着播放的进行，播放点不断向后移动，滑动窗口也相应的逐片向后滑动，这样就能有效地保证播放点的文件分片能有效地被请求和下载，从而实现对于实时性的要求。

图2中，方格为节点A的分片，黑色的垂直箭头为播放点，红色的矩形为滑动窗口，其中棕色方格为紧急的分片，其他的方格为普通分片，在普通分片中，深灰色为已经下载完成的分片，浅灰色为请求了尚未下载的分片，白色为尚未请求的分片。图中的紧急分片被优先的请求和下载完成，而普通分片有的已经下载完成，有的被请求但未下载完成，还有些还没有被请求，从图中可以清晰的看出普通分片的请求和下载顺序没有按顺序进行。在实际的运行过程中，改进的最少优先机制流程为：

1.判断播放点所在分片是否播放完成，若完成，则将滑动窗口向后滑动，否则保持当前窗口状态；

2.判断滑动窗口中的紧急分片是否全部被请求或是下载完成，若未请求或下载完成，则转到3执行，否则转到4执行；

3.依次请求滑动窗口中尚未请求或下载的分片，若请求尚未满，则继续转到4执行；

4.根据统计的邻居节点分片拥有情况，选择拥有者最少的普通分片进行请求和下载。

通过引入滑动窗口，很好的实现改进的最少优先机制，它有效的保证了播放点附近分片能及时被请求和下载到，从而确保了点播时的播放流畅性，获得良好的服务质量。在此基础上通过最少优先机制优化了网络中的分片分布，促使分片能以更有效的方式被下载，保持了下载的持续性，理论上也可以避免数据孤岛的问题。

跳转是点播系统中的一项基本功能，对于视频点播系统尤为重要，但是对于音乐点播系统，对于它的需求就没有那么急切。在很大程度上跳转的需求和媒体文件播放的时间长度有关，正是因为音乐文件播放持续的时间短，所以对它的需求不是很明显。但对于一个功能优越的音乐点播系统来说，跳转是一项很好的功能。根据以上改进的最少优先机制中设计的分片组织情况，我们能够很容易的实现系统的跳转功能。实际跳转的过程如下：

1、根据跳转点计算出对应的分片，停止播放器的播放；

2、将系统的播放点置于跳转点上，并根据播放点的分片重新设置滑动窗口，此时紧急分片和普通分片也相应的改变；

3、按照改进的最少优先机制重新选择分片进行请求和下载；

4、等待播放器播放所需分片下载完成后重新启动播放器播放。

从整个跳转后的过程看，跳转后和流程和启动时的流程及其相似，它们也都会因为可能没有播放器需要的分片而造成播放器启动的延迟。而如何减小这种延迟，是跟众多因素息息相关的。分片共享和传输的前提是对文件进行分片，分片大小的选择在一定程度上会影响共享和传输的效率，以致影响到系统的性能。现在较多的mp3格式的音乐文件，一般在3M～8M，而码率通常在100bps～200bps之间。根据音乐媒体文件的这些特征，我们建议文件分片大小为32KB或是64KB，这样分片大小与码率接近，既能充分的实现共享，又能有效的保证性能。

二、体系结构

系统设计的目的是为了实现新的系统，但是新的系统如果与原有系统差异过大，就会造成系统升级的代价巨大，特别是对于大规模的网络系统，系统的重大升级会带来相当的成本和时间代价。因此，在设计P2P音乐点播系统时要充分考虑原有系统构架，以实现两种系统之间的简单升级。从传统的音乐点播系统中可以看出，他的问题主要来源于媒体服务器的瓶颈，而对于网络中的其他部分没有严重的问题。按照现在通用的共享式视频点播系统来简单的在各媒体服务器间均衡负载，无法彻底解决媒体服务器的瓶颈，而以P2P的方式将服务器的负载均衡到各节点上，才能彻底实现媒体服务器瓶颈问题的彻底解决。

图3给出了P2P音乐点播系统的总体架构，该结构以现有成熟的大规模视频点播系统为蓝本，同时考虑到P2P的特性。不仅实现了P2P音乐点播系统，同时保证了系统的性能和可扩展性。

从图3中可以看出，在总体架构上，它与传统的音乐点播系统很相似，这也确保了在对系统升级时的改动会比较小。而整个系统的主要改变在与客户节点端，同时目录服务器的功能也会有所改变，它不再只是简单的返回媒体服务器的信息，还要返回邻居节点的信息。对于客户节点的改变，主要是针对于客户节点上运行的客户端，在升级过程中也相对简单的多。根据图3中的架构，系统在运行过程中的具体流程为：

1、从发布服务器获取可用的节目列表，根据用户的时间点播需求，选择相应节目，获取其节目ID号；

2、将点播的节目号发给目录服务器进行查询，目录服务器根据节目号搜索到邻居节点信息，并将值发给请求的用户节点；

3、根据目录服务器返回的邻居节点信息，分别与各邻居节点建立连接，根据改进的最少优先机制对分片进行选择并加以请求和下载。

以图3中所示为例，节点A从发布服务器得到自己点播的节目号，将该节目号发给目录服务器进行查询，得到了邻居节点信息，这里邻居节点为节点B、节点C以及媒体服务器1，之后节点A分别与节点B、节点C以及媒体服务器1发起请求以建立连接，并根据改进的最少优先机制选择分片，请求和下载分片。在连接建立后，节点A和其邻居节点就组成一个邻居节点网络，它们协同的完成媒体文件的下载。这样，节点A、节点B和节点C的媒体文件不再仅仅来源于媒体服务器1，而是相互进行共享。所以P2P音乐点播系统中，各客户节点有效的分担了媒体服务器的负载，从而服务不再有瓶颈的问题，也不会成为数据孤岛。

为了方便描述，我们假定有如下应用实例：

某个点播用户(用A表示)想要在网络中点播音乐节目(用R表示)，则其具体实施方式为：

(1)启动P2P音乐点播系统客户端；

(2)通过浏览器或客户端访问发布服务器上发布的音乐资源，并找到想要点播的节目资源R；

(3)点播节目R，则客户端会将从发布服务器(用AS表示)上获取的节目R的节目号(用ID表示)，发送个目录索引服务器(用TS表示)；

(4)目录索引服务器TS在接收到用户A的点播请求后，根据A发来的节目ID，在本地数据库进行索引，找到当前正在下载节目R的节点，并将节点列表(用NL表示)发送个用户A；

(5)根据索引服务器发回的节点列表NL，用户与各节点发起请求，建立连接；

(6)在建立连接后，用户A与节点列表NL中各节点交换文件分片的拥有情况信息，并统计了整个网络中的文件部分情况；

(7)根据统计的文件分片分布情况，用户A将文件分片的分布于自己对资源R分片的拥有情况相对照，选出自己没有下载；

(8)在选择文件分片时，若有播放点附近的文件分片没有下载，则优先请求并下载之，若没有，则选择网络中最少的文件分片进行请求和下载；

(9)据此持续的下载，用户A就可以高效的完成文件分片的下载，同时也能保证下载过程中的流畅播放。

Claims (1)

1.一种音乐点播系统的对等网络传输方法，其特征在于以P2P技术来解决传统音乐点播系统中的服务器单点失效和连接服务瓶颈问题，将点播系统和P2P技术结合起来，采用多点下载方法，具体方法如下：

a.最少优先机制在传输过程中文件分片选择过程：

a1.通过节点间的直接交互，节点间分别记录着对方拥有的文件分片情况，据此统计出网络中文件分片的分布情况，

a2.任何一个节点下载完一个分片后都会使得整个邻居网络都更新该文件分片的分布，在选择文件分片时，依次从拥有者数量少的文件分片起顺次请求和下载，

d.播放流程：随着着播放的进行，播放点不断向后移动，滑动窗口也相应的逐片向后滑动，这样就能有效地保证播放点的文件分片能有效地被请求和下载，从而实现对于实时性的要求，

e.片段选择流程：

⑤判断播放点所在分片是否播放完成，若完成，则将滑动窗口向后滑动，否则保持当前窗口状态；

⑥判断滑动窗口中的紧急分片是否全部被请求或是下载完成，若未请求或下载完成，则转到③执行，否则转到④执行；

⑦依次请求滑动窗口中尚未请求或下载的分片，若请求尚未满，则继续转到④执行；

⑧根据统计的邻居节点分片拥有情况，选择拥有者最少的普通分片进行请求和下载；

d.播放跳转过程：根据跳转点计算出对应的分片，停止播放器的播放；

④将系统的播放点置于跳转点上，并根据播放点的分片重新设置滑动窗口，此时紧急分片和普通分片也相应的改变；

⑤按照改进的最少优先机制重新选择分片进行请求和下载；

⑥等待播放器播放所需分片下载完成后重新启动播放器播放。

e.音乐播放对等网络传输过程：

①从发布服务器获取可用的节目列表，根据用户的时间点播需求，选择相应节目，获取其节目ID号；

②将点播的节目号发给目录服务器进行查询，目录服务器根据节目号搜索到邻居节点信息，并将值发给请求的用户节点；

③根据目录服务器返回的邻居节点信息，分别与各邻居节点建立连接，根据改进的最少优先机制对分片进行选择并加以请求和下载。

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