CN101551781B - 一种p2p视频点播系统中的硬盘缓存替换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种P2P视频点播系统中的硬盘缓存替换方法，包括如下步骤：1)每个客户端节点以一定周期向该客户端节点的邻居节点发送本节点的最新数据缓存信息；2)对需要替换硬盘缓存数据的客户端节点的硬盘缓存中的每个数据块，根据所述客户端节点的各邻居节点提供的数据缓存信息，得出迫切需求该数据块的邻居节点个数和一般需求该数据块的邻居节点个数；3)根据所述迫切需求和一般需求该数据块的邻居节点个数，得出每个所述数据块的优先级分值，再进一步根据所述优先级分值得出将被替换的数据块；用所述客户端节点的内存缓存中的数据覆盖所述将被替换的数据块。本发明通可以更有效的提高系统网络中节点之间的协作性，减小媒体源服务器的压力。
Description
技术领域
本发明涉及网络流媒体技术领域，更具体地，本发明涉及一种P2P视频点播系统中的硬盘缓存替换方法。
背景技术
近年来，随着宽带用户数量的迅速增加，视频服务作为互联网增值业务的主要应用之一，也得到了快速发展。传统的基于C/S模式的视频直播、点播系统已经难以满足和支持越来越大的用户规模，P2P技术的出现提出了新的解决方法。P2P技术模式与传统的C/S模式的显著区别在于：P2P网络中的每个节点既作为客户端从其他节点下载数据，也作为服务器端向其他节点发送数据，多点并行传输数据使网络带宽得到了有效的利用，服务器能支持的用户规模也随之扩大。因此，基于P2P的视频点播技术越来越受到关注。
图1为现有P2P视频点播系统的基本结构图。如图1所示，P2P视频点播系统中，主要有4种角色：索引(Index)服务器、在线节点追踪(Tracker)服务器、媒体源服务器和用户节点。索引服务器维护当前整个网络中所有发布频道的媒体源服务器列表，用户通过查看这个列表来选择要观看的点播频道；媒体源服务器拥有待分发的视频文件；Tracker服务器记录媒体源服务器以及当前观看该频道的所有在线用户的信息。现有的技术中，P2P点播系统的工作过程如下：用户节点向索引服务器获取频道列表并选择一个频道，用户节点从索引服务器获取该频道的Tracker服务器地址，并向该Tracker服务器发出加入请求，Tracker服务器为用户分配一定数目的初始邻居节点，该用户与分配的邻居节点建立连接。连接成功后，节点之间进行P2P数据传输，在传输的同时，所需的部分数据到达后用户即可开始观看视频。
P2P视频点播系统中，每个用户节点为了满足本机播放视频的需要，同时也为了能向其他用户节点提供数据，都有内存缓冲区和硬盘缓冲区，两者都是固定的大小。内存缓冲区存放当前正在下载的数据，硬盘缓冲区存放已经下载的数据(可以同时存放多个不同频道的数据)。当内存缓冲区存满的时候，以整块内存缓冲区为单位将数据写入硬盘缓冲区，同时继续下载新的数据放入内存缓冲区。在将整块内存缓冲区的数据写入硬盘缓冲区时，如果硬盘缓冲区尚未存满，则直接存入空闲的区域；否则，需要选择之前存放的一块数据进行覆盖，称之为替换操作。替换操作直接影响整个网络中用户节点上的数据分布和用户节点之间的数据传输，进而影响源服务器所能支持的最大用户规模和网络带宽利用的有效性。
传统的缓存替换算法如随机选择(Random)、最小使用频率(LFU)、最近最少使用(LRU)等算法，其中，随机选择仅仅是盲目的随机替换，最小使用频率和最近最少使用是根据历史使用情况估算出未来不需要的数据块进行替换，它们都不能有效判定P2P网络中其他节点是否真正不需要该数据块。因此这些传统的算法如果用在P2P网络上，并不能让各个节点高度协作，不能充分的利用各个节点的带宽资源来降低源服务器的压力。现有的P2P点播系统，如GridCast(可以参考Bin Cheng，Hai Jin，Xiaofei Liao，Zongfen Han.Providing VoD Services Based on Unstructured Overlay，in Proceedings of SKG，Xi′an，China，2007或者 廖小飞，殷江培，程斌.基于P2P的VOD系统中数据缓存策略研究.华中科技大学学报自然科学版，2007年第35卷第8期)，在进行硬盘缓存块替换的时候，考虑硬盘缓存中每个块被其他用户请求的次数和其被请求的时刻，通过计算出的权值判定哪一块数据被替换。尽管如此，该策略仅仅考虑数据块的历史引用次数和引用时间，相比传统的缓存替换算法而言改善不大，仍然不能有效提高各个节点的协作性和优化网络流量。PPLive(可以参考Yan Huang，Tom Z.J.Fu，Dah-Ming Chiu，John C.S.Lui，Cheng Huang，Challenges，design and analysis of a large-scale p2p-vod system，Proceedings of the ACM SIGCOMM 2008 conference on Data communication，August 17-22，2008，Seattle，WA，USA)在Tracker服务器中记录所有用户节点下载数据的情况，当某一用户节点需要替换硬盘数据时，向Tracker提出询问，Tracker返回该频道的数据在所有节点的分布情况，然后据此以频道为单位(而不是以数据块为单位)进行替换，即当替换操作发生时，清空某个频道的所有数据块。该策略在替换操作发生的时候都需要向Tracker发出请求，网络不稳定导致的高往返时延容易使替换操作的速度降低，当用户规模很大的时候Tracker很容易成为瓶颈，而且以频道为单位的替换操作并不能最大限度的提高用户节点之间的协作性。
此外，P2P的应用占用大量宝贵的骨干网流量，现有的点播系统只考虑P2P拓扑结构对跨域流量的影响，并没有针对节点之间的域关系考虑硬盘缓存替换方法在优化域间流量上的作用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种P2P视频点播系统中，依据邻居节点实时提供的信息高效地进行的硬盘缓存替换的方法。
为实现上述发明目的，本发明提供的P2P视频点播系统中的硬盘缓存替换方法包括如下步骤：
1)每个客户端节点以一定周期向该客户端节点的邻居节点发送本节点的最新数据缓存信息；
2)对需要替换硬盘缓存数据的客户端节点的硬盘缓存中的每个数据块，根据所述客户端节点的各邻居节点提供的数据缓存信息，得出迫切需求该数据块的邻居节点个数和一般需求该数据块的邻居节点个数；
3)根据所述迫切需求该数据块的邻居节点个数和一般需求该数据块的邻居节点个数，得出每个所述数据块的优先级分值，再进一步根据所述优先级分值得出将被替换的数据块；用所述客户端节点的内存缓存中的数据覆盖所述将被替换的数据块。
其中，所述步骤3)中，所述优先级分值是迫切需求所述数据块的邻居节点个数和一般需求所述数据块的邻居节点个数的加权和；所述迫切需求所述数据块的邻居节点个数的权重大于所述一般需求所述数据块的邻居节点个数的权重；所述将被替换的数据块是优先级分值最小的数据块。
其中，所述步骤1)中，所述数据缓存信息包括所述节点内存缓存的起始数据片编号和磁盘缓存中所有数据块的起始数据片编号。
其中，所述步骤2)中，对于所述客户端节点的硬盘缓存中的一个数据块，如果邻居节点硬盘缓存中没有所述数据块，并且邻居节点的内存缓存起始数据片编号小于或等于所述数据块的起始数据片编号，则判定所述邻居节点迫切需求所述数据块；否则，判定所述邻居节点一般需求所述数据块。
其中，所述步骤2)中，所述迫切需求所述数据块的邻居节点包括迫切需求所述数据块的域内邻居节点和迫切需求所述数据块的域外邻居节点；所述一般需求所述数据块的邻居节点包括一般需求所述数据块的域内邻居节点和一般需求所述数据块的域外邻居节点；所述优先级分值Score＝α×Cinter-urgent+β×Cinter-need+γ×Couter-urgent+δ×Couter-need，其中Cinter-urgent是迫切需求所述数据块的域内邻居节点个数，Cinter-need是一般需求所述数据块的域内邻居节点个数、Couter-urgent是迫切需求所述数据块的域外邻居节点个数，Couter-need是一般需求所述数据块的域外邻居节点个数；α＞γ＞β＞δ。
其中，α＝3δ，β＝2δ，γ＝2.5δ。
其中，所述步骤1)中所述周期在10分钟以内。
本发明可达到如下技术效果：本发明通过邻居节点实时提供的数据缓存信息执行硬盘缓存替换，可以更有效的提高系统网络中节点之间的协作性，减小媒体源服务器的压力。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1是P2P视频点播系统结构图；
图2是本发明一个实施例中的新加入节点流程示意图；
图3是本发明一个实施例的硬盘缓存替换方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。
为了便于对本实施例的理解，首先简要说明本实施例的应用场景与参数：
本实施例中，媒体源文件在逻辑上被划分为片和块。其中每个片都按照大小或时间长度划分，每一片是数据处理的最小单位，同时每个片都有唯一数字编号且编号从小到大顺序排列(通过该编号即可获知数据片在视频文件中的偏移位置)。若干片组成一个块，这是客户端内存缓存的大小，同时也是硬盘缓存数据处理的最小单位，替换行为发生时以块为粒度进行操作。内存缓存是一个滑动窗口，最小的数据片编号称为内存缓存的起始数据片编号，硬盘缓存中存放的是若干个完整内存缓存的窗口内容，每块窗口的最小数据片编号称为该数据块的起始数据片编号。
本实施例的具体步骤如下所述：
步骤1客户端节点(下文中称该节点为请求节点)根据邻居节点的数据分布情况，向邻居节点请求所需要的数据。邻居节点接到数据请求后，以片为单位从内存缓存或硬盘缓存中获取所请求的若干数据片，并向该请求节点传送。
步骤2请求节点接收到邻居节点的数据请求响应，把获取到的数据片存入内存缓存相应编号的区域。如果内存缓存已经存满，则标记内存缓存状态为“满”，进行步骤3；否则转到步骤1。
步骤3如果硬盘缓存未存满，则把内存缓存的数据(即一个块)写入硬盘缓存中的空闲区域，转步骤6；否则转步骤4。
步骤4对硬盘缓存中的每个块进行评估，其中，根据该节点的邻居节点数据分布情况以及拓扑连接信息，计算每个数据块的以下几个属性值：迫切需求该数据块的域内邻居节点个数Cinter-urgent、一般需求该数据块的域内邻居节点个数Cinter-need、迫切需求该数据块的域外邻居节点个数Couter-urgent、一般需求该数据块的域外邻居节点个数Couter-need，根据这些属性值计算每个数据块的分数：
Score＝α×Cinter-urgent+β×Cinter-need+γ×Couter-urgent+δ×Couter-need
其中，α、β、γ、δ是事先定义的权重常量。需求程度通过各节点间的协作关系与数据分布情况定义为：如果邻居节点硬盘缓存中没有本节点的这个数据块，并且邻居节点的内存缓存起始数据片编号小于或等于本节点该数据块的起始数据片编号，则认为是“迫切需求”；否则为“一般需求”。域的内外关系则可以根据自治系统或因特网服务提供商的粒度判断两个节点是否处于同一个域。在本实施例中，为了尽量减少跨域流量，设置缓存替换算法时尽量考虑到为域内邻居服务，同时也尽量为迫切需求的邻居服务，因此一般α＞γ＞β＞δ。经过实验，设置α＝3δ、β＝2δ、γ＝2.5δ，本实施例中取α+β+γ+δ＝1，即α＝0.35、β＝0.24、γ＝0.29、δ＝0.12时，这种替换算法在仿真实验以及系统实际运行中有很好的表现。另外虽然本实施例中α+β+γ+δ＝1，但是本发明并不限定于此，这是本领域技术人员易于理解的。
步骤5选择硬盘缓存中拥有最小Score值的数据块，用内存缓存中的数据覆盖该区域的数据内容，完成替换操作。如果多个数据块拥有相同的最小Score值，则从这些拥有最小Score值的数据块中随机选出一块进行替换操作。
步骤6内存缓存的起始片编号更新为上次起始片编号加上数据块含有数据片的个数，同时内存缓存标记为“未满”。转步骤1。
本实施例中，p2p系统运行的过程中各节点需要以一定周期定期将自己最新的数据缓存信息告知邻居节点。为确保实时性，一般该周期为10分钟以内，在本实施例中所述周期为60秒。所述数据缓存信息包括该节点内存缓存的起始编号和硬盘缓存中所有数据块的起始编号。在本实施例中采用位向量压缩方法以减小数据缓存信息的传输数据量，压缩后的数据缓存信息一般小于1KB。通过内存缓存的起始数据片编号，即可获知所述客户端节点正在下载的数据块的第一个数据片在视频文件中的偏移位置；通过硬盘缓存中所有数据块的起始数据片编号，即可获知所述客户端节点硬盘缓存中每个数据块的第一个数据片在视频文件中的偏移位置。
以下通过一个具体的应用场景，举例说明所述P2P视频点播系统中的硬盘缓存替换方法。
首先，在部署好Index服务器、Tracker服务器和媒体源服务器的前提下，如图2所示，①用户节点C1连接Index服务器；②Index服务器返回频道列表，频道列表包含多组信息，每组包含频道名和对应的Tracker地址；③C1选取一个频道，向对应的Tracker服务器发出加入请求；④Tracker服务器根据C1的IP地址获取其对应的自治域(AS)和因特网服务提供商(ISP)网络拓扑信息，将C1插入节点信息列表，同时从已有的节点信息列表中为C1分配邻居节点，列表中为C2、C3和C4，并将邻居列表和C1自身的拓扑信息一起发送给C1；⑤C1向分配到的邻居节点发出连接请求，请求中包含自身的拓扑信息数据；⑥邻居C2、C3、C4对邻居连接请求作出响应，将自身的拓扑信息发送给C1，他们成为C1的初始邻居。C1开始向邻居节点请求数据。
接下来，以片为单位，C1不断从邻居节点请求数据，并将返回的数据放入内存缓存。主要步骤如图3所示。
同时，在上述过程中，C1定期的向所有邻居更新自己的数据拥有情况，包括硬盘缓存上的所有数据块起始编号以及内存缓存起始编号。
同时，在上述过程中，C1邻居节点列表增加邻居节点的情况有2种，一种是C1定期向Tracker请求分配更多的邻居节点，向其他节点发送邻居连接请求，并收到了该节点的肯定答复；另一种是C1接收到了其他节点发送的连接请求，并同意与该节点成为邻居。无论是节点向其他节点发送邻居连接请求消息，还是向其他节点发送响应邻居连接请求消息，消息中都应该包含本节点的拓扑信息，包括本节点所在的自治域号(AS号)、因特网服务提供商号(ISP号)。这样，节点就可以知道邻居节点的拓扑信息，根据上述所提硬盘缓存方法对硬盘数据块进行分数计算。
本实施例中的P2P视频点播系统中的硬盘缓存替换方法，在替换操作发生时，通过考察硬盘缓存中每个数据块在邻居节点中的分布情况，考察邻居节点对每个数据块的需求情况，同时根据P2P网络拓扑结构来进行优化选择，可以更有效的提高系统网络中节点之间的协作性，减小媒体源服务器的压力，扩大点播系统所能支持的用户规模上限，降低跨越自治系统、因特网服务提供商的骨干网流量。
最后所应说明的是，以上仅用以说明本发明理论原理和技术方案而非限制。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种P2P视频点播系统中的硬盘缓存替换方法，包括如下步骤：
1)每个客户端节点以一定周期向该客户端节点的邻居节点发送本节点的最新数据缓存信息；
2)对需要替换硬盘缓存数据的客户端节点的硬盘缓存中的每个数据块，根据所述客户端节点的各邻居节点提供的数据缓存信息，得出迫切需求该数据块的邻居节点个数和一般需求该数据块的邻居节点个数；其中，对于客户端节点的硬盘缓存中的一个数据块，如果邻居节点硬盘缓存中没有该客户端节点的该数据块，并且邻居节点的内存缓存起始数据片编号小于或等于本客户端节点该数据块的起始数据片编号，则认为是迫切需求；否则为一般需求；
3)根据所述迫切需求该数据块的邻居节点个数和一般需求该数据块的邻居节点个数，得出每个所述数据块的优先级分值，再进一步根据所述优先级分值得出将被替换的数据块；用所述客户端节点的内存缓存中的数据覆盖所述将被替换的数据块。
2.根据权利要求1所述的硬盘缓存替换方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述优先级分值是迫切需求所述数据块的邻居节点个数和一般需求所述数据块的邻居节点个数的加权和；所述迫切需求所述数据块的邻居节点个数的权重大于所述一般需求所述数据块的邻居节点个数的权重；所述将被替换的数据块是优先级分值最小的数据块。
3.根据权利要求2所述的硬盘缓存替换方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述数据缓存信息包括所述节点的内存缓存起始数据片编号和硬盘缓存中所有数据块的起始数据片编号。
4.根据权利要求3所述的硬盘缓存替换方法，其特征在于，所述步骤2)中，对于所述客户端节点的硬盘缓存中的一个数据块，如果邻居节点硬盘缓存中没有所述数据块，并且邻居节点的内存缓存起始数据片编号小于或等于所述数据块的起始数据片编号，则判定所述邻居节点迫切需求所述数据块；否则，判定所述邻居节点一般需求所述数据块。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的硬盘缓存替换方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述迫切需求所述数据块的邻居节点包括迫切需求所述数据块的域内邻居节点和迫切需求所述数据块的域外邻居节点；所述一般需求所述数据块的邻居节点包括一般需求所述数据块的域内邻居节点和一般需求所述数据块的域外邻居节点；所述优先级分值Score＝α×Cinter-urgent+β×Cinter-need+γ×Couter-urgent+δ×Couter-need，其中Cinter-urgent是迫切需求所述数据块的域内邻居节点个数，Cinter-need是一般需求所述数据块的域内邻居节点个数、Couter-urgent是迫切需求所述数据块的域外邻居节点个数，Couter-need是一般需求所述数据块的域外邻居节点个数；α＞γ＞β＞δ。
6.根据权利要求5所述的硬盘缓存替换方法，其特征在于，α＝3δ，β＝2δ，γ＝2.5δ。
7.根据权利要求1所述的硬盘缓存替换方法，其特征在于，所述步骤1)中所述周期在10分钟以内。
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