CN102546230B - 一种p2p流媒体系统覆盖网拓扑优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种P2P流媒体系统中覆盖网拓扑优化方法，该方法基于节点的服务能力等级为所有加入P2P网络的节点选择服务能力较高的节点作为邻居节点，包括：加入节点获得m个初始节点，从m个节点中选择k个服务能力级别较高的作为初始邻居节点；同时从m个节点中选择个节点作为随机行走的起始节点，所述个节点以周期T开始进行步长为TTL的随机行走；随机行走结束时，所停留的节点向加入节点发送报文，请求加入将自身加为邻居节点，如果加入节点达到平均播放比率阈值则采用更新策略将随机行走停留的节点加入到该加入节点的备份邻居节点集合中，如果加入节点未达到平均播放比率阈值，将该停留节点添加到加入节点的邻居节点表中，得到加入节点的初始节点。

Description

一种P2P流媒体系统覆盖网拓扑优化方法

技术领域

本发明属于流媒体系统技术领域，具体涉及一种P2P流媒体系统覆盖网拓扑优化方法。

背景技术

近年来，随着宽带通信和多媒体技术的迅猛发展，在线直播，视频点播等流媒体业务应用也应运而生，对传统的客户端/服务器(C/S)模式的服务系统提出了新的挑战，随着用户规模的增大，传统的客户端/服务器(C/S)模式的服务系统需要消耗更多的软硬件资源，已经不能满足大规模用户的需求，因此基于P2P的服务系统迅速发展并逐渐成为相对成熟的应用。

从功能上看，P2P流媒体系统一般主要有2类逻辑层构成：1)覆盖网层(OverlayLayer)，该层主要是描述P2P服务系统中节点之间如何组织，为进一步选择合作节点和数据交互打下基础；2)数据调度层(Data Schedule Layer)，该层主要负责合作节点之间如何进行数据调度，满足节点正常服务需求的同时最大化节点服务能力，从而提高系统整体性能。

现实网络环境中，由于网络延时，上行带宽，节点处理器能力，内存等因素，造成网络中的节点特性也有很大不同，这些节点互相连接构成了复杂的异构网络。目前，大多数传统的P2P流媒体系统在选择合作节点时没有采用有效的方法来根据节点的异构性来选择节点，并且没有详细说明如何组织和生成稳定的效率较高的流媒体系统覆盖网拓扑。目前的流媒体系统，一般采用树形或者网状拓扑来构造覆盖网层，当新节点加入系统时，根据网络中其他节点的服务能力，新节点采用某种方法加入到已有的网络，节点之间是依靠服务能力松散的连接在一起的，而且需要全局信息，或者复杂的计算开销。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术的P2P流媒体系统覆盖网层在选择合作节点时没有采用有效的方法来根据节点的异构性来选择节点，并且没有如何组织和生成稳定的效率较高的流媒体系统覆盖网拓扑的相关研究，导致的合作节点之间依靠服务能力松散的连接在一起的，而且需要全局信息，或者复杂的计算开销等问题，从而提供一种P2P流媒体系统覆盖网层节点拓扑结构的优化方法。

为实现上述目的，本发明提供一种P2P流媒体系统中覆盖网拓扑优化方法，该方法基于节点的服务能力等级为所有节点选择服务能力较高的节点作为邻居节点，具体步骤包括：

步骤1，首先加入节点获得m个初始节点，从m个节点中选择k个服务能力级别较高的作为其邻居节点。

同时从m个节点中选择

个节点作为随机行走的起始节点，所述个节点以周期T开始步长为TTL的随机行走。

步骤2，随机行走结束时，所停留的节点向随机行走起始节点(步骤1的加入节点)发送报文，请求起始节点将自身加为邻居节点，如果起始节点达到平均播放比率阈值则采用更新策略将随机行走停留的节点加入到该起始节点的备份邻居节点集合中，如果发起节点未达到平均播放比率阈值，将该停留节点添加到起始节点的邻居节点表中。

其中，步骤1和步骤2中所述服务能力级别与节点的带宽、邻居节点的数目和平均播放比率三个因素或三个因素中任意因素的组合相关；所述随机行走的转移矩阵采用Metropolis-Hastings算法并以节点的服务能力级别为参数，用于保证随机行走的结束节点具有较高的服务能力级别。

优化的，所述的方法还包含任意节点退出的步骤，该步骤具体为：

步骤2-1，各个节点的邻居节点在数据交互过程中以周期T′交换邻居节点与备份节点信息，当某节点退出时该退出节点向其邻居节点发送离开消息，收到离开消息的邻居节点将要退出的节点从其邻居节点表中删除，并更新自己的服务能力级别。

步骤2-2，所述要退出的节点将其自身的邻居节点集和备份节点集发送给其他邻居节点。

进一步优化的，所述方法还包含随时交换邻居节点信息的步骤，该步骤具体为：

任意节点在数据调度过程中采用捎带的方式与其邻居节点交换各自的邻居节点及备份邻居节点集信息，用于当某节点退出系统时该退出节点的邻居节点能从其邻居集合中重新选择邻居。

上述技术方案中，所述服务能力级别对于P2P流媒体直播系统的计算公式如下：

$L_i\left(t\right)=\frac{C_i}{(1-P_i\left(t\right)+\mathrm{\α})(D_i\left(t\right)+\mathrm{\β})}$

其中，α，β为常量，α，β∈(0，1)；C_i为节点的上行带宽；P_i(t)表示节点播放比率。

所述节点通过BootStrap方式获得m个初始邻居节点。

所述步骤2)还包括如下子步骤：

步骤41)：请求发起节点v_i以周期T计算平均播放比率

，平均播放比率是节点实际收到的报文与播放需求的比值。

步骤42)：若小于阈值P_t，则请求发起节点v_i进行邻居节点更新。

步骤43)：若平均播放比率大于阈值P_t，节点v_i并不更换邻居，v_i将节点v_s存入备份邻居节点表L_b中。若L_b已满，则替换掉服务能力最低的节点；否则添加节点v_s至备份列表并更新其能力级别。

优化的，步骤42)所述邻居节点更新进一步包含如下步骤：

步骤42-1，设随机行走结束的节点v_s，请求发起节点v_i向节点v_s发送消息请求节点v_s作为其邻居节点。

步骤42-2，若发起请求节点v_i的邻居节点数量已达预设的上限，则该节点将其邻居节点中服务能力级别最低的节点删除，并将节点v_s作为邻居节点；若发起请求节点v_i的邻居节点数量未达到预设的上限，则直接添加节点v_s作为邻居。

步骤42-3，最后节点更新节点v_i和v_s的服务能力级别。本发明的优点在于，本发明通过对P2P网络的流媒体系统进行建模，将P2P系统节点分为不同的级别，并基于随机行走的方法来选择邻居节点，采用Metropolis-Hastings算法来计算随机行走的转移矩阵，从而保证节点能以较大的概率选择到系统中级别较高的节点，并进一步详细描述了覆盖网拓扑优化方法，确保节点负载的均衡，系统的稳定和可扩展性。仿真实验结果表明，该方法能明显提高系统性能，降低系统延时，同时对动态网络环境下有着有良好的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明任意节点加入P2P系统时的流程图；

图2是本发明拓扑优化流程示意图；

图3是本发明节点退出示意图1；

图4-a是节点D未退出系统时各个节点的连接关系示意图；

图4-b是节点D退出系统后的各节点的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图采用一个实施的例子对本发明进行进一步详细说明。

本发明首先对现有的P2P系统进行建模，将P2P流媒体系统中的所有节点按照服务能力划分为不同的级别。

设P2P流媒体系统构成一个无向图G＝(V，E)，其中每一个节点v_i∈V表示网络中的节点，图G中的边e_ij＝(v_i，v_j)∈E，e_ij＝1表示节点v_i和v_j属于邻居关系，记为v_j∈NBR(v_i)。对于P2P流媒体直播系统而言，在造成节点异构性的各种因素中，上行带宽是最主要的因素，因此设节点的上行带宽C_i为节点v_i的服务能力，设D_i(t)为节点v_i的度，即邻居节点数目。

定义1，设直播系统节点v_i播放需求码率为R，实际获得的数据速率为r(t)，则P_i(t)＝min{r(t)/R，1}表示节点播放比率。

节点播放比率是反映节点播放质量的重要指标，越接近于1越流畅。节点播放比率会随着时间动态变化，这与邻居节点的更新或退出有关。

定义2，节点v_i的服务能力级别其中α，β为常量，α，β∈(0，1)。

其中，以上给出的服务能力级别公式只是本发明为了描述方便和技术方案的完整列举的一个公式，而非限制。即本领域技术人员可以根据上述技术启示得出其他的计算公式。

由定义2可以看出，节点的播放比率越接近于1的节点服务能力级别较高，越能为其他节点提供服务，随着服务节点越多，该节点服务能力级别会降低，且随着播放比率P_i(t)的变化也会导致服务能力级别发生变化，用L_i(t)可以动态的描述节点的异构特性。L_i(t)与C_i拥有相同的量纲，以带宽作为度量单位，能直观的反应节点的服务能力级别。依据以上形成的节点的服务能力级别，并参考图1(该图为任意节点加入P2P系统时的流程图)，任意节点加入由不同服务能力级别的节点组成的P2P系统时的流程描述如下：

步骤1)节点p加入系统，首先从索引服务器获得m个初始节点，该集合记为L_m。

步骤2)节点p向L_m个节点发送Ping探测消息获得所述m个节点的活性和能力级别，为缩短直播系统的启动延时，尽快获得数据，节点优先从m个节点中选取服务能力较高的k个节点作为合作节点，发送JoinNbr消息，将这k个节点作为节点p的邻居节点；同时节点p从m个节点中重新选择个节点为初始节点，所述

个节点依据转移矩阵进行TTL步随机行走。其中转移矩阵由公式(1)描述。随机行走停止的节点作为本次行走获得候选节点，且假设候选节点为q，进入图2所示的流程。

如图2所示，所述节点p采用如下步骤进一步决策候选节点q是否能作为节点p的邻居节点，具体步骤如下：

步骤41)节点p以周期T计算该节点的平均播放比率

根绝计算得到的平均播放比率进行如下判断决策。

若

小于设定的阈值P_t，节点p向节点q发送JoinNbr的消息，收到JoinNbr的节点q更新自己的服务能力级别，同时节点q将发送JoinNbr的节点p作为邻居节点。

若

大于阈值P_t，转向步骤42)。

步骤42)节点p检测其备份邻居节点表是否已达到预设的上限，如果未达到上限则将节点q加入到该备份邻居节点表中；如果已达到上限，转向步骤43)。(是不是有可能导致两个节点q同时存放在备份邻居节点表中呢？？)

步骤43)节点p首先查询节点q是否已经存在备份邻居节点表中，如果不存在则将备份邻居节点表中的能力级别最低的节点删除，并将节点q加入备份邻居节点表中；如果存在，则只需更新节点q的服务能力级别。

优化的，本发明还完善了任意节点退出P2P系统时的方法，该方法如图3所示，且具体描述如下：

假设当某节点q退出P2P系统时，节点q向其所有邻居节点发送LeaveNbr消息，具体包含如下步骤：

步骤51)节点q的邻居节点p收到LeaveNbr消息后，将节点q从自身的邻居节点集合中删除。

步骤52)节点p根据收到节点q发来的邻居节点信息和备份节点表信息，更新自身的邻居节点和备份节点表。

为了更形象的说明这一过程，如图4-a图所示，节点A，C是节点D的入邻居，而B是节点D的出邻居，A，C节点同时向D节点提供数据，r_AD+r_CD＝r_DB＝R，节点都能流畅播放。此时，节点D准备退出系统(如图4-b所示)，D向A，C，B发送LeaveNbr消息，并将A，C节点告诉节点B，B于是向节点A，C开始请求数据，如图4右图所示，A，B，C依然能构成稳定状态。

总之，本发明提供的基于无结构异构网络P2P流媒体系统中覆盖网优化方法包括以下要点：

1)对P2P流媒体系统进行无结构异构网络建模，考虑到节点带宽，平均播放比率，邻居节点数目将节点分为不同的级别，并动态更新维护该级别。

2)节点通过BootStrap方式获得m个初始节点，从初始节点中选择k个节点作为随机行走的起始节点，之后以周期T开始进行步长为TTL的随机行走；

3)随机行走的转移矩阵的计算充分考虑到节点的服务能力级别，使得随机行走结束时所停留的节点拥有较强的服务能力级别。节点的转移概率矩阵如下式所示：

$P_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\η}\·\frac{1}{D_i\left(t\right)+1}\min \{\frac{C_j\·(D_i\left(t\right)+1)\·(1-S_i+\mathrm{\α})\·(O_i+\mathrm{\β})}{C_i\·(D_j\left(t\right)+1)\·(1-S_j+\mathrm{\α})\·(O_j+\mathrm{\β})},1\}& v_j\∈\mathrm{NBR}\left(v_i\right)\\ 1-{\mathrm{\Σ}}_{v_j\∈\mathrm{NBR}\left(v_i\right)}{P}_{\mathrm{ij}}& i=j\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，以上给出的基于服务能力级别的随机行走转移矩阵的公式只是本发明为了描述方便和技术方案的完整列举的一个公式，而非限制。即本领域技术人员可以基于服务能力级别并根据上述技术启示得出其他的计算公式。

4)覆盖网拓扑优化流程

节点v_i以周期T计算平均播放比率

同时继续选择

个节点进行随机行走。为减少因节点更换邻居带来的波动，节点根据

与阈值P_t的大小来决定是否进行邻居更新。若

小于P_t，进行邻居节点更新。设随机行走结束的节点v_s，v_i向v_s发送JoinNbr的消息请求作为邻居节点，若节点v_i的邻居节点已经达到上限，则将自身邻居节点中服务能力级别最低的节点删除，将v_s作为邻居节点，否则直接添加为邻居，同时更新节点v_i和v_s的服务能力级别。若平均播放比率大于一定阈值P_t，节点v_i并不更换邻居，v_i将节点v_s存入备份邻居节点表L_b中。若L_b已满，则替换掉服务能力最低的节点；否则添加节点v_s至备份列表并更新其能力级别。

4)节点退出流程

邻居节点在数据交互过程中，会以周期T′交换邻居节点与备份节点信息，节点退出后向邻居节点发送LeaveNbr消息，收到LeaveNbr消息的节点将退出的节点从邻居节点表中删除，并更新自己的服务能力级别。退出的节点同时将自身的邻居节点集和备份节点集发送给其他邻居节点。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，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 (6)

1.一种P2P流媒体系统中覆盖网拓扑优化方法，该方法基于节点的服务能力等级为所有加入P2P网络的节点选择服务能力较高的节点作为邻居节点，具体步骤包括：

步骤1，加入节点获得m个初始节点，然后从m个节点中选择k个服务能力级别较高的作为该加入节点的初始邻居节点；

同时从m个节点中选择

个节点作为随机行走的起始节点，所述

个节点以周期T开始进行步长为TTL的随机行走；

步骤2，随机行走结束时，所停留的节点向加入节点发送报文，请求加入将自身加为邻居节点，如果加入节点达到平均播放比率阈值则采用更新策略将随机行走停留的节点加入到该加入节点的备份邻居节点集合中，如果加入节点未达到平均播放比率阈值，将该停留节点添加到加入节点的邻居节点表中，得到加入节点的初始节点；

其中，所述服务能力级别与节点的带宽、邻居节点的数目和平均播放比率三个因素或三个因素中任意因素的组合相关；

所述随机行走的转移矩阵采用Metropolis-Hastings算法并以节点的服务能力级别为参数，用于保证随机行走的结束节点具有较高的服务能力级别；

所述的方法还包含任意节点退出的步骤，该步骤具体为：

步骤2-1，各个节点的邻居节点在数据交互过程中以周期T′交换邻居节点与备份节点信息，当某节点退出时该退出节点向其邻居节点发送离开消息，收到离开消息的邻居节点将要退出的节点从其邻居节点表中删除，并更新自己的服务能力级别；

步骤2-2，所述要退出的节点将其自身的邻居节点集和备份节点集发送给其他邻居节点。

2.根据权利要求1所述的P2P流媒体系统中覆盖网拓扑优化方法，其特征在于，所述方法还包含随时交换邻居节点信息的步骤，该步骤具体为：

任意节点在数据调度过程中采用捎带的方式与其邻居节点交换各自的邻居节点及备份邻居节点集信息，用于当某节点退出系统时该退出节点的邻居节点能从其邻居集合中重新选择邻居。

3.根据权利要求1或2所述的P2P流媒体系统中覆盖网拓扑优化方法，其特征在于，所述服务能力级别对于P2P流媒体直播系统的计算公式如下：

$L_i\left(t\right)=\frac{C_i}{(1-P_i\left(t\right)+\mathrm{\α})(D_i\left(t\right)+\mathrm{\β})}$

其中，α，β为常量，α,β∈(0,1)；C_i为节点的上行带宽；P_i(t)表示节点播放比率；D_i(t)为节点v_i的度，即邻居节点数目。

4.根据权利要求1或2所述的P2P流媒体系统中覆盖网拓扑优化方法，其特征在于，所述节点通过BootStrap方式获得m个初始邻居节点。

5.根据权利要求1或2所述的P2P流媒体系统中覆盖网拓扑优化方法，其特征在于，所述步骤2还包括如下子步骤：

步骤41）：加入节点v_i以周期T计算平均播放比率

平均播放比率是节点实际收到的报文与播放需求的比值；

步骤42）：若

小于阈值P_t，则加入节点v_i进行邻居节点更新；

步骤43)：若平均播放比率

大于阈值P_t，加入节点v_i并不更换邻居节点，同时加入v_i将节点v_s存入其备份邻居节点表L_b中；

进一步的，若备份邻居节点表L_b已满，则替换备份邻居节点表L_b中服务能力最低的节点；若备份邻居节点表L_b未满，则添加节点v_s至备份列表L_b并更新节点v_s的服务能力级别。

6.根据权利要求5所述的覆盖网拓扑优化方法，其特征在于，步骤42）所述邻居节点更新进一步包含如下步骤：

步骤42-1，设随机行走结束节点为节点v_s，加入节点v_i向节点v_s发送消息请求节点v_s作为其邻居节点；

步骤42-2，若加入节点v_i的邻居节点数量已达预设的上限，则该节点将其邻居节点中服务能力级别最低的节点删除，并将节点v_s作为邻居节点；若发起请求节点v_i的邻居节点数量未达到预设的上限，则直接添加节点v_s作为邻居；

步骤42-3，最后节点更新节点v_i和v_s的服务能力级别。

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