CN101478564A

CN101478564A - P2p流媒体网络自适应分级传输结构设计方法

Info

Publication number: CN101478564A
Application number: CNA2008102365531A
Authority: CN
Inventors: 兰旭光; 陈伟科; 薛建儒; 郑南宁; 王斌; 毕重远
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-31
Also published as: CN101478564B

Abstract

本发明公开了一种P2P流媒体网络自适应分级传输结构设计方法，该方法采用视频文件不同码率分层技术对流媒体进行分层，根据可提取的层数分割为独立的文件；采用索引服务器实现节点(Peer)管理，聚类，等级初始化和共享服务等；通过节点(Peer)选择算法选取网络中的优良节点(Peer)；采用缓存(Buffer)索引管理技术实现异构节点(Peer)之间的上传和下载服务，并使不同码率的数据在内存中易于管理。节点(Peer)既可以是客户端也可以是服务器，这样可以充分利用节点(Peer)之间的资源，大大减少服务器的负载，以更好的质量实现流媒体的实时传输。能满足流媒体网络传输服务和用户节点(Peer)的实时需求。

Description

P2P流媒体网络自适应分级传输结构设计方法

技术领域

本发明属于网络传输领域，具体涉及到网络流媒体在异构IP网络中P2P(Peer-to-Peer)实时、自适应分级传输结构设计方法。

背景技术

P2P分布式网络传输结构改变了传统流媒体传输播放方式-Client/Server集中式网络模式，充分利用了客户端之间的闲置存储资源，平衡了流媒体网络媒体服务器的负载，增加了所支持客户数目、实时性和整个流媒体直播或点播传输网络负载均衡性。

传统的P2P传输技术往往被用来传输文件，或者传输统一分辨率的同一视频，然而，这种统一视频的传输并不能满足用户的需求。首先，不同网络带宽和不同终端的用户对视频的要求不一样，其次，带宽的波动性和不稳定性要求系统能够自适应的调整自己所传输视频数据的码率来与之相适应，为此，可伸缩编解码和多描述编码的研究解决了编解码的问题，然而，在传输方面，面对可伸缩系统的多层数据和多描述的多路视频传输要求，如何利用现有网络，结合P2P技术，实现多层文件或者多路数据的并行、完整、高效、自适应传输成为目前传输系统的突出问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种P2P流媒体网络自适应分级传输结构设计方法，该方法能自适应的确定异构IP网络中的网络异构情况和终端异构情况，从而确定特定节点的等级并在网络状况波动时支持动态变化，按照等级传输特定码率的数据。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种P2P流媒体网络自适应分级传输结构设计方法，包括下列步骤：

新连入的节点由服务器决定其初始等级，服务器会自适应的根据节点的网络状况和终端类型来指定等级，并将该等级返回到节点；每一个节点都拥有自己的等级，节点按照自己的等级请求并下载和共享特定码率的视频数据，服务器会记录节点的等级和缓存信息；服务器通过节点聚类技术将观看相同节目的节点分类；

获得初始等级的节点按照所得到的等级向从服务器查询，服务器依据服务器节点资源选择策略选取资源节点，并返回到请求节点，请求节点从返回的资源节点中根据客户端节点资源选择策略选择节点进行下载，然后请求下载与其等级对应码率的流媒体内容，采用多级数据并存于缓存中的部分文件索引管理技术实现数据的分级管理，当节点缓存中的数据达到播放条件时开始解码并播放；

所述客户端节点资源选择策略如下：

1)距请求节点的网络距离近；

2)网络延迟小；

所述的服务器节点资源选择策略如下：

1)节点内存中存在请求节点要求的视频数据；

2)节点的等级符合请求节点的等级要求；

3)上传速度没有达到最大限度；

节点的等级可以动态变化，在运行一段时间后，服务器会统计各节点网络负荷情况，确定该节点是否仍然可以按照初始等级运行，判断方法为：如果节点带宽达到饱和，而且可以刚好下载到合适的码流，则保持原等级；如果其带宽有剩余则可以提高等级；如果带宽达到饱和，且仍不能下载到完整的数据，则等级要下降，对不符合初始等级要求的节点，则动态修改其等级，等级变化后的节点将根据新的等级来下载对应码率的视频数据。

对于不同等级的节点，对其下载速度进行自适应控制，节点等级越高，在固定的时间间隔内，其下载的数据量越大，即它的平均下载速度越快。

所述的多级数据并存于缓存中的部分文件索引管理技术是：在节点的缓存中采用多级数据并存于缓存中的部分文件索引管理技术实现分级数据的管理，视频数据在缓存中以部分文件为存储单位，每一个部分文件都包含两个索引标签，一个是该部分文件在原始视频数据中的实际部分文件索引值；另一个是该部分文件在缓存中的部分文件索引值，在该节点进行下载和上传的过程中，不断进行着实际部分文件值和在缓存中索引值的转换。

本发明是一种流媒体在异构IP网络下Peer-to-Peer(P2P)实时、分级自适应传输体系结构的设计方案。通过流媒体码流分层(不同码率数据分层)，资源节点(Peer)选择算法，客户端缓存(Buffer)索引管理技术管理缓存(Buffer)中的数据提供下载服务，经过下载后，将分层数据合成，解码成特定码率视频后播放，可以实现基于P2P的异构网络的流媒体实时分布式分级传输需求，从而减少服务器负载，提高码流传输质量，满足用户的需求。

附图说明

图1是本发明的资源节点(Peer)选择算法流程框图；

图2是本发明的可伸缩流媒体码流不同码率分级文件划分结构示意图；

图3是本发明的节点(Peer)缓存(Buffer)及索引管理示意图；

其中：(a)是初始化的缓存(Buffer)；(b)是正在下载中的缓存(Buffer)；(c)是缓存(Buffer)的索引管理。

图4是本发明的节点(Peer)等级划分以及动态变化过程示意图；

图5是不同等级节点(Peer)的下载速率示意图。

具体实施方式

本发明提供的流媒体在异构IP网络下实时、分级传输的Peer-to-Peer体系结构设计方法，可以实现流媒体在P2P异构网络的实时传输，满足流媒体传输网络服务和用户的需求，具体包括：

一、通过“可伸缩流媒体数据文件分层”技术，实现可伸缩码流的层次划分；所述“可伸缩流媒体数据文件分层”技术为：采用可伸缩编码技术，对视频进行编码，得到可以按照不同的时间、空间、分辨率和质量来分层提取的码流，按照其支持的层次，经过码率分配等处理，得到独立的多层数据文件，一个视频支持几层提取，就会有几个文件。这些文件独立并行存储和传输。

二、通过“可查询中心式服务器的P2P架构”技术实现Peer管理和Peer等级划分、动态变化等操作；所述“可查询中心式服务器的P2P架构”技术为：服务器负责新连入节点(Peer)初始等级的确定以及等级的动态更改，同时，服务器存储节目信息和节点(Peer)的信息，包括节点(Peer)的IP地址、端口和缓存(Buffer)信息；并且每个节点(Peer)都要定时给服务器发送状态信息包。

三、通过“Peer Buffer索引管理”技术，实现用户Peer之间的下载和上传服务以及Buffer的管理；所述“Peer Buffer索引管理”技术为：在节点(Peer)的缓存(Buffer)中采用多级数据并存于缓存(Buffer)中的部分文件(Part)索引管理技术实现分级数据的管理，视频数据在缓存(Buffer)中以部分文件(Part)为存储单位，每一个部分文件(Part)都包含两个索引标签(Index)，一个是该部分文件(Part)在原始视频数据中的实际部分文件(Part)索引值；另一个是该部分文件(Part)在缓存(Buffer)中的部分文件(Part)索引值，在该节点(Peer)进行下载和上传的过程中，不断进行着实际部分文件(Part)值和在缓存(Buffer)中索引值的转换。

四、通过“资源节点选择算法”技术，实现优良节点的选择；所述“资源节点选择算法”技术为：包括客户端节点(Peer)资源选择策略和服务器节点(Peer)资源选择策略。

其中客户端节点(Peer)资源选择策略具体如下：

1)距请求节点(Peer)的网络距离近，即要下载的节点(Peer)资源距离请求节点(Peer)的网络距离要近；

2)网络延迟小，即要下载的节点(Peer)资源到请求节点(Peer)的网络延迟小，也是对在选择较好网络状况的网络。

上述的服务器节点(Peer)资源选择策略具体如下：

1)节点(Peer)内存中存在请求节点(Peer)要求的视频数据；

2)节点(Peer)的等级符合请求节点(Peer)的等级要求；

3)上传速度没有达到最大限度。

五、通过“节点等级划分”技术，实现节点等级的初始化和动态变化过程；所述“节点等级划分”技术为：不同的节点(Peer)，服务器会自适应的根据节点(Peer)的网络状况和终端类型来指定其等级，并将该等级返回到节点(Peer)；每一个节点(Peer)都拥有自己的等级，节点(Peer)按照自己的等级请求并下载和共享特定码率的视频数据，服务器会记录节点(Peer)的等级和缓存(Buffer)信息；服务器通过节点(Peer)聚类技术将观看相同节目的节点(Peer)分类；节点(Peer)的等级可以动态变化，在运行一段时间后，服务器会统计各节点(Peer)网络负荷情况，确定该节点(Peer)是否仍然可以按照初始等级运行，判断方法为：如果节点(Peer)带宽达到饱和，而且可以刚好下载到合适的码流，则保持原等级；如果其带宽有剩余则可以提高等级；如果带宽达到饱和，且仍不能下载到完整的数据，则等级要下降，对不符合初始等级要求的节点(Peer)，则动态修改其等级，等级变化后的节点(Peer)将根据新的等级来下载对应码率的视频数据；等级的划分和视频所支持的视频数据层数相关，节点(Peer)的等级越高，所需数据量越大，获得视频质量也越高。

获得等级的节点按照所得到的等级向从服务器查询，服务器依据服务器节点资源选择策略选取资源节点，并返回到请求节点，请求节点从返回的资源节点中根据客户端节点资源选择策略选择节点进行下载，然后请求下载与其等级对应码率的流媒体内容，采用多级数据并存于缓存中的部分文件索引管理技术实现数据的分级管理，当节点缓存中的数据达到播放条件时开始解码并播放；

六、通过“Peer下载速率控制”技术，实现网络流量控制。所述“Peer下载速率控制”技术为：不同等级的节点(Peer)下载的整体平均速度不同，等级越高，其下载的数据量越大，其平均下载速度越快。这是通过控制不同等级的节点(Peer)在相同的下载间隔内下载的部分文件(Part)数量不同而实现的，这样能够保证网络状况较好的节点(Peer)能得到较大的数据量。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图1是本发明的资源节点(Peer)选择算法流程框图，即基于P2P的流媒体网络自适应分级传输系统资源节点选择流程图。经过五步选择，可以选出有请求数据并且网络条件最好的节点(Peer)作为源节点，进而从这些节点(Peer)下载数据。这五步是：

(1).判断节点(Peer)内存中是否存在请求节点(Peer)要求的视频数据，这里指的是满足有所需数据的要求，如果满足，则开始进行资源节点(Peer)选择算法；

(2).判断节点(Peer)的等级是否符合请求节点(Peer)的等级要求，比如，4级的节点(Peer)向2级节点(Peer)请求4层数据，则这个2级的节点(Peer)不符合等级的要求，如果是符合等级要求的，则继续下一步，否则结束；

(3).判断上传速度是否超过限制，没有超过限制，继续下一步，否则结束；当一个节点(Peer)给多个其他节点(Peer)上传时有可能上传速度很快，为了保证每个节点(Peer)的性能不应因为上传速度太快而受到影响，必须对最大上传速度进行限制，本发明的对最大上传速度并不要求一个固定的阈值，而是要根据节点(Peer)的性能变化定；

(4).判断是否符合距离要求，如果符合，则继续下一步，否则结束；这里的距离是指网络距离，网络距离近可以在很大程度上保证较好的连接质量和较快的传输速度，可以使用如下的计算公式来计算网络距离：

设两台主机的IP地址分别为：A₁，B₁，C₁，D₁和A₂，B₂，C₂，D₂，则计算公式为：

d = \sqrt{α {(A_{1} - A_{2})}^{2} + β {(B_{1} - B_{2})}^{2} + γ {(C_{1} - C_{2})}^{2} + λ {(D_{1} - D_{2})}^{2}}

其中，d为网络距离；α，β，γ，λ为不同的权值(程序中分别为5000、2000、1000、100)；在A段，取值较大，如α的取值将大于β的取值，这样可以拉大距离，计算出的距离小于规定的距离时认为达到距离要求；

(5).判断是否符合延迟要求，是则继续，否则结束；这里使用Ping的方法来得到节点之间的延迟，Ping属于ICMP协议，向目标主机发送四次Ping包，当接收到返回包后，计算延迟，取四次延迟的平均值作为最终的延迟值，小于阈值者则满足延迟要求，此时可以确定为源节点(Peer)。

其中以上步骤(1)～(3)是在服务器(server)处判断，(4)和(5)是在节点(Peer)处判断。

在图2中，给出了可伸缩流媒体码流不同码率分级文件划分结构示意图。编码之后的数据经过Transcode按照码流增长提取出不同层次的数据，分别存储在不同的文件中。

图3是本发明的节点(Peer)缓存(Buffer)及索引管理示意图，其中(a)是初始化的缓存(Buffer)；(b)是正在下载中的缓存(Buffer)；(c)是缓存(Buffer)的索引管理示意图。

缓存(Buffer)存放一定数目的部分文件(Part)，并且只有当完整的部分文件(Part)下载完后才可以共享，记录已下载和已播放的部分文件(Part)及其块文件(Block)，并计算所需要下载的部分文件(Part)及其块文件(Block)。节点(Peer)之间根据各自的需求，相互查找其所需求的部分文件(Part)，以块文件(Block)为最小单位进行下载和共享服务。

缓存(Buffer)的索引管理，每个部分文件(Part)拥有两套不同的索引标签(index)，其一是该部分文件(Part)在原始视频数据中的实际部分文件(Part)索引值；其二是该部分文件(Part)在缓存(Buffer)中的部分文件(Part)索引值。在该节点(Peer)进行下载和上传的过程中，不断进行着实际部分文件(Part)值和在缓存(Buffer)中索引值的转换。其中转换公式列举如下：

actualindex＝realindex×selfrank+datalayer-1

realindex＝actualindex/selfrank

其中，actualindex为部分文件(Part)在原始视频数据中的实际部分文件(Part)索引值，realindex为该部分文件(Part)在缓存(Buffer)中的部分文件(Part)索引值，datalayer表示该部分文件(part)的层数，selfrank为该节点(Peer)的等级。

图4是本发明的节点(Peer)等级划分以及动态变化过程示意图。服务器通过节点(Peer)的网络连接情况和终端类型确定节点(Peer)的初始等级，在下载上传过程中，通过统计其平均下载和上传速度来动态更改节点(Peer)的等级。达到网络资源的使用和节点(Peer)观看效果的最佳平衡。

图5显示了对不同等级节点(Peer)的下载速率进行控制的原理，不同等级的节点(Peer)下载的整体平均速度不同，等级越高，其下载的数据量越大，其平均下载速度越快。这是通过控制不同等级的节点(Peer)在相同的下载间隔内下载的部分文件(Part)数量不同而实现的，这样能够保证网络状况较好的节点(Peer)能得到较大的数据量。

综上所述，本发明提供了一种视频流媒体码流可分级自适应传输系统统一框架，能自适应的确定异构IP网络中的网络异构情况和终端异构情况，从而确定特定节点的等级并在网络状况波动时支持动态变化，并按照等级传输特定码率的数据。本发明使不同码率的视频数据在内存中易于管理，节点(Peer)既可以是客户端也可以是服务器，这样可以充分利用节点(Peer)之间的资源，大大减少服务器的负载，以更好的质量实现流媒体的实时传输。能满足流媒体网络传输服务和用户节点(Peer)的实时需求。该传输系统统一框架所传输的内容能适应数字流媒体，包括可伸缩流媒体、多描述流媒体和传统非可伸缩流媒体。

Claims

1.一种P2P流媒体网络自适应分级传输结构设计方法，具体包括以下内容：

新连入的节点由服务器决定其初始等级，服务器会自适应的根据节点的网络状况和终端类型来指定等级，并将该等级返回到节点；每一个节点都拥有自己的等级，节点按照自己的等级请求并下载和共享视频数据，服务器会记录节点的等级和缓存信息；服务器通过节点聚类技术将观看相同节目的节点分类；

获得初始等级的节点按照所得到的等级向从服务器查询，服务器依据服务器节点资源选择策略选取资源节点，并返回到请求节点，请求节点从返回的资源节点中根据客户端节点资源选择策略选择节点进行下载，然后请求下载与其等级对应码率的流媒体内容，采用多级数据并存于缓存中的部分文件索引管理技术实现数据的分级管理；

节点的等级可以动态变化，服务器会统计各节点网络负荷情况，确定该节点是否仍然可以按照初始等级运行，判断方法为：如果节点带宽达到饱和，则保持原等级；如果其带宽有剩余则提高等级；如果带宽达到饱和，且仍不能下载到完整的数据，则等级要下降，等级变化后的节点将根据新的等级来下载对应码率的视频数据；

对于不同等级的节点，对其下载速度进行自适应控制，节点等级越高，在固定的时间间隔内，其下载的数据量越大。

2.根据权利要求1所述的P2P流媒体网络自适应分级传输结构设计方法，其特征在于，所述客户端节点资源选择策略为：1)距请求节点的网络距离近；2)网络延迟小。

3.根据权利要求1所述的P2P流媒体网络自适应分级传输结构设计方法，其特征在于，所述的服务器节点资源选择策略为：1)节点内存中存在请求节点要求的视频数据；2)节点的等级符合请求节点的等级要求；3)上传速度没有达到最大限度。

4.根据权利要求1所述的P2P流媒体网络自适应分级传输结构设计方法，其特征在于，所述的多级数据并存于缓存中的部分文件索引管理技术是：在节点的缓存中采用多级数据并存于缓存中的部分文件索引管理技术实现分级数据的管理，视频数据在缓存中以部分文件为存储单位，每一个部分文件都包含两个索引标签，一个是该部分文件在原始视频数据中的实际部分文件索引值；另一个是该部分文件在缓存中的部分文件索引值，在该节点进行下载和上传的过程中，不断进行着实际部分文件值和在缓存中索引值的转换。