CN104822084B - 基于并发流的p2p实时播放系统快速频道切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，以解决频道切换过程中等待时间过长问题。首先节点加入P2P系统并向目录服务器发送观看节目请求；目录服务器根据节点请求更新在线节点统计模块中的频道热度列表，然后目录服务器中的频道预测模块利用最新频道热度列表，计算发送给请求节点的频道数M；目录服务器通知请求节点向其他节点或内容服务器发送包含流行度排名前M个频道的预加载项并发流的请求；其他节点或内容服务器响应节点请求，发送包含多个频道数据的并发流；当用户发生频道切换时，检查新频道是否已经在并发流中，若是，用户可以无需等待直接切换到频道；否则，节点需重新向内容服务器申请频道内容。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信技术，特别涉及一种基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法。
背景技术
频道切换时间是指用户从发起频道请求到用户观看到第一幅图像所消耗的时间，这过程包括了节点的请求处理时间，频道发现时间，数据传输时间，以及数据解码时间。
当今P2P技术与流媒体的结合突破了网络带宽对多媒体信息传播的限制，大大地改善了网络电视用户的观看体验。在P2P系统里，因为每个节点既充当客户端，也充当路由，服务器端，所以P2P系统比C/S系统大大减少对带宽的要求。但也由于P2P系统的数据传输方式，对于具有上百个频道的P2P流媒体系统，频道切换时间过长仍是一大瓶颈。一般观看网络电视的切换延时都多于5秒，在P2P流媒体系统里，切换延时更是多于20秒，从而严重影响了观众的观看体验。
这是由于传统的P2P流媒体系统大多采用分簇结构，即观看相同频道的节点聚集成一个簇，簇间仅相互分享一个频道的内容。当一个节点从一个频道切换到另一个频道时，它需要完成从一个簇跳转到另一个簇的过程和从离开一个频道再到重新加入一个频道。频道切换的时间除了正常的频道数据请求处理，数据传输，数据解码，也包含了节点离开一个簇，发现一个簇，加入一个簇的时间花费。
现有的技术多从改善节点簇间距离，调整缓冲区大小和帧间距离等减少新频道的发现延时，但这也增加了系统的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，该频道切换方法提高了频道切换速度，收获了更好的用户体验。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，包括：
根据用户的观看记录，统计用户的观看频道热度表；根据在线点击率，统计系统频道热度表；
当第一个用户节点加入P2P流媒体系统，同时向目录服务器请求某一频道数据时，目录服务器将返回内容服务器地址。新用户节点向该地址请求频道数据，而内容服务器将返回包含请求频道数据在内的多个频道并发流数据。
当用户发生频道切换时，先查看请求新频道是否已经缓存在本地，若是，则直接播放缓存中新频道数据，实现零延时切换；否则，重新向目录服务器请求频道数据。
当再次有新用户节点加入P2P流媒体系统，同时向目录服务器请求某一频道数据时，目录服务器将返回邻居节点或者内容服务器地址列表。新用户节点向该地址列表请求频道数据，而邻居节点或内容服务器将返回包含请求频道数据在内的多个频道并发流数据。
当用户发生频道切换时，先查看请求新频道是否已经缓存在本地，若是，则直接播放缓存中新频道数据，实现零延时切换；否则，重新向目录服务器请求频道数据。
一种基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，包括以下步骤，
1)用户节点加入P2P系统，同时向目录服务器发出频道请求；
2)请求节点内的频道统计模块自动记录历史观看信息，包括节点请求的频道信息，节点请求发出的时刻，节点接受到数据的时刻，节点开始播放数据时刻，节点缓存足够分享给其他节点的时刻，节点停止下载数据时刻，节点观看结束时刻，用户切换频道的时刻；
3)请求节点更新内部频道统计模块的频道热度列表；
4)目录服务器更新在线节点统计模块，更新的信息包括，所有节点请求的频道概要信息，收到节点请求的时刻，频道的平均接入延时，在线节点数量，总频道数，缓存更新间隔，各频道平均播放速度；根据用户请求，目录服务器更新在线节点统计模块中的频道热度列表。根据当前在线观看概率，按热度降序，得出在线频道热度列表；
5)目录服务器内频道预测模块收集在线节点统计模块中关于请求节点的信息，包括收到节点请求的时刻，频道的平均接入延时，在线节点数量，总频道数，该节点缓存更新间隔，各频道平均播放速度，预加载项数据大小；
6)频道预测模块以最新频道热度列表和节点信息为参数，计算需要发送给用户的频道数M。在在线频道热度列表中，挑选前M个频道组合成为并发流；
7)根据频道预测模块的计算结果，目录服务器查看在线播放内容列表，若某个节点P的在线缓存恰好包含这M个频道，目录服务器的在线节点管理模块将返回P的地址信息及M个频道信息给请求节点；否则，目录服务器返回内容服务器的地址信息及M个频道缩略信息给请求节点；
8)请求节点根据返回地址，再次向P或者内容服务器发送包含M个频道内容的请求；
9)若网络带宽丰裕时，P或者内容服务器发送包含M个频道预加载项及请求频道的并发流给请求节点；当网络带宽匮乏时，P或者内容服务器根据M个频道的流行度大小依次发送给请求节点；
10)当用户进行频道切换时，若新频道已经在本地缓存中，用户无需等待，直接切换到新频道；若切换频道不在本地缓存中，节点需重新向目录服务器申请数据。
本发明实施例提供的频道切换方法，通过统计所有频道的切换概率，利用并发流将多个频道预加载项传送给请求节点，实现节点切换的零切换时延。
一种基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，包括，
在P2P流媒体系统中，使用并发流传输数据，不但可以在不增加中心内容服务器的负载压力下，提高频道切换速度，同时可以减少大量的通信开销。通信开销包括传输层，网络层，链路层，物理层的传输通信交互消息开销。
设在P2P单流传输下，单频道传输的通信消息交互数为Ss(1)＝c。以此类推，单流传输下，M个频道传输的通信消息数为Ss(M)＝M*Ss(1)＝M*c。消息交互数随频道数增加而成线性增长。
若采用并发流传输，单频道传输的通信消息交互数为Sc(1)＝c，M个频道传输的通信消息交互数为Sc(M)＝c。频道的通信消息交互数都为常数，不受传输频道的个数影响，且是单流传输下消息数的1\M。
由于用户节点有限的缓存空间和网络带宽，为了有效减少重复请求频道数据的时间开销，提高并发流数据的使用率，该发明提出了一种确定并发流中包含频道数量的方法，热度概率法。
一种基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，包括，
在目录服务器中，以一定的时间长度作为一个时隙，在每个时隙中，统计所有频道请求量，即可计算各频道的在线观看人次。通过j时隙频道i的观看人数Nij与总在线人数Nj比值求得频道观看概率pij，即pij＝Nij/Nj。根据当前在线观看概率，按热度降序，得出在线频道热度列表。
根据当前请求节点与节点，或节点与内容服务器的带宽使用情况，计算请求节点可以传输的频道个数M。若带宽资源足够的情况下，M等于系统拥有有的频道个数。
在在线频道热度列表中，挑选前M个频道组合成为并发流。目录服务器返回包含这M个频道的节点或内容服务器地址。
在一个P2P流媒体系统中，当一用户节点请求某一个频道数据时，将有多个频道的内容数据以并行流的方式同时传送给用户节点。
当用户进行频道切换时，若新频道已经在本地缓存中，用户直接切换到新频道；若切换频道不在本地缓存中，节点重新向目录服务器请求数据。
本发明的工作原理：首先节点加入P2P系统并向目录服务器发送观看频道请求；目录服务器根据节点请求，计算发送给请求节点的频道数M(M>1)；根据P2P系统中节点的播放情况，目录服务器通知请求节点向其他节点或内容服务器发送包含流行度排名前M个频道的预加载项并发流的请求；其他节点或内容服务器响应节点请求，发送M个频道的预加载项并发流；当用户发生频道切换时，检查新频道是否已包含并发流中，若是，用户可以无需等待直接切换到频道；否则，节点需重新向目录服务器申请频道内容。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明可以用于P2P流媒体系统，利用传输同时多个频道数据的并发流(CCS)，实现快速频道切换，在不增加内容服务器骨干带宽的前提下，为观众提供更高的QoE体验。
2、本发明是一种新的流媒体数据传输方式和一种确定并发视频流数量的算法，可以优化系统平均播放滞后时间，实现比之前方法更小的响应延时，甚至零响应延时。
附图说明
图1(a)是基于并发流的P2P系统的实时播放系统传输原理图。
图1(b)是基于单流的P2P系统的实时播放系统传输原理图。
图2(a)是基于单流的P2P系统的一个节点P1请求一个频道的过程图。
图2(b)是基于并发流的P2P系统的一个节点P1请求一个频道的过程图。
图2(c)是基于单流的P2P系统的当P1从频道1切换到频道2时节点需要重复一次频道请求过程图。
图2(d)是基于并发流的P2P系统的实现零延时切换图。
图2(e)是基于单流的P2P系统的节点P2请求频道1的过程图。
图2(f)是基于并发流的P2P系统的节点P2请求频道1的过程图。
图2(g)是基于单流的P2P系统的节点P2请求频道2的过程图。
图2(h)是基于并发流的P2P系统的节点P2请求频道2的过程图。
图3是本发明基于并发流的P2P实时播放系统消息交互过程。
图4是本发明基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法的实施流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1(a)和图1(b)所示，展示了三个不同频道数据分别在P2P并发流和单流方式下的传输方法。C1，C2，C3均为普通节点，R1为中心路由，S1为内容服务器。三个节点分别请求三个不同的频道数据。显然，不论在单流还是并发流传输方式，内容服务器都消耗三个频道的带宽。对于普通节点，在并发流传输下，节点一次请求，则接收到三个频道数据，而单流传输下，节点每次仅接收一个频道数据，需要请求三次，才能接收到三个不同频道数据。同时，节点的交互信息在并发流传输下要小于单流传输。图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)、图2(e)、图2(f)、图2(g)和图2(h)详细描述单流和并发流消息交互的差异。
如图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)、图2(e)、图2(f)、图2(g)和图2(h)所示，展示了分别在单流和并发流传输情况下，有N个节点请求切换M个不同频道的详细分步过程。图中M为3，N为3，虚线代表节点间的请求响应交互消息，实线代表频道数据流。图2(a)和图2(b)展示了不同传输方式下，一个节点P1请求一个频道的过程，记作C(1,1)。由于在P2P系统节点中并没有缓存频道1的数据，所以节点P1需要向目录服务器DS和内容服务器S请求数据，最后内容服务器返回频道1的数据流。在单流传输下，整个C(1,1)过程需要6次消息交互，1个频道数据流的带宽消耗，在并发流传输下，C(1,1)需要6次消息交互，内容服务器S1和中心路由R1之间，中心路由R1和P1间都有3个频道数据流的带宽消耗。
当P1从频道1切换到频道2(C(1,2))的时候，显然在单流情况下，节点需要重复一次频道请求过程，C(1,2)的消息交互和带宽消耗与C(1,1)相同，如图2(c)所示。而在并发流传输下，节点并不需要再次向S和DS请求数据，直接播放本地缓存数据即可，而且实现零延时切换，如图2(d)所示。以此类推，P1切换到频道3的也经历同样的过程。
图2(e)和图2(f)展示了节点P2请求频道1的过程，记作C(2,1)。由于节点1里有频道1的数据，故当节点P2向目录服务器DS请求数据时，P2会得到P1的地址消息，最后P2将从P1处得到频道1的数据。整个过程至少需要5次消息交互。但在并发流传输下，P2将得到三个频道的数据，P2与P1间需要消耗三个频道的带宽。图2(f)的C(2,1)和图2(b)的C(1,1)带宽消耗情况类似，但不完全相同，图2(f)只在节点和节点间的传输消耗了三个频道数据的带宽，不占用内容服务器和中心路由的带宽。这种情况下，节点和节点间的数据传输并不会影响内容服务器的服务能力。以此类推，若第3个节点，第4个节点...，第n个节点请求频道1的数据，过程与C(2,1)相似，内容服务器的带宽消耗都不会有影响。
图2(g)和图2(h)展示了节点P2请求频道2的过程，记作C(2,2)。在单流情况下，节点P2请求一个新频道，故图2(g)，C(2,2)与C(2,1)的传输过程，消息交互和带宽消耗相同。在并发流情况下，由于节点P2在C(2,1)时已经同时加载了三个频道，故P2无需再次请求频道2数据，直接播放本地缓存数据即可，实现切换零延时。以此类推，在启动阶段，C(2,3)，C(3,2)，C(3,3)，直至C(N,M),(N>1且M>1)的消息交互数量，带宽消耗都为零。
由上图分析，若M个频道数据组合成一个并发流传输，并发流传输需要的消息交互次数是单流传输的1/M，即(1-1/M)个交互消息可以节省。当M趋于无穷大时，并发流传输的消息交互量也趋于零，几乎可以忽略。这对于当今的大规模P2P网络是有巨大意义。同时，在基于并发流的P2P实时播放系统里，当第一个节点请求第一个频道时，为了减少切换到其他频道的启动延时，节点同时加载其余M-1个频道。系统中同属一个簇的节点需要同时拥有M个频道数据。若同属一簇的节点都在同一局域网内，则传输网络的中心路由负载并不会因为传输频道个数增大而增大。若同属一簇的节点分布在不同局域网内，则节点间的通信传输会产生大量域间流量，特别是M个频道中包含着冷门频道，这会造成通信阻塞。根据节点间并发流传输的特点，若并发流中包含有冷门频道，冷门频道会存在于大量节点中，但它们会被播放的概率却非常低，这将严重影响P2P系统的性能。所以，在基于并发流的P2P实时播放系统里，冷门频道会浪费大量的存储资源，故冷门频道不能包含在并发流里。
如图3所示，基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法的实施流程图。
1)用户节点向目录服务器发送频道请求
2)节点先记录节点发送请求信息，然后更新内部频道统计模块信息中频道热度列表
3)目录服务器接受到节点请求，记录用户请求信息，同时更新目录服务器内部在线节点统计模块维护的频道热度列表。
4)频道预测模块收集在线节点统计模块中关于请求节点的信息，根据最新频道热度列表信息，计算需要发送给节点频道数M及挑选出M个频道。
5)目录服务器查看在线节点管理模块，若某个节点P的在线缓存恰好包含这M个频道，目录服务器返回P的地址信息及M个频道信息给请求节点；否则，目录服务器返回内容服务器的地址信息及M个频道缩略信息给请求节点。
6)请求节点根据返回地址，再次向P或者内容服务器发送包含M个频道内容的请求。
7)内容服务器或p通过传输网络，发送包含流行度排名前M个频道及请求频道的预加载项并发流给请求节点。若网络带宽丰裕时，P或者内容服务器发送包含M个频道预加载项及请求频道的并发流给请求节点；当网络带宽匮乏时，P或者内容服务器根据M个频道的流行度大小依次发送给请求节点。
8)请求节点接受到数据后，向目录服务器反馈当前缓存数据情况。
如图4所示，是本发明的基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法的实施流程图。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)节点加入P2P流媒体系统，并向目录服务器发送频道内容请求；
2)请求节点更新内部频道统计模块频道热度列表；
3)根据用户请求，目录服务器更新在线节点统计模块的频道热度列表，并收集请求节点信息；
4)频道预测模块利用在线节点统计模块的频道热度列表，计算需要发送给用户的频道及频道数M；
5)根据频道预测模块的计算结果，目录服务器查看在线播放内容列表，若某个节点P的在线缓存恰好包含这M个频道，目录服务器返回节点P的地址信息及M个频道信息给请求节点；否则，目录服务器返回内容服务器的地址信息及M个频道信息给请求节点；
6)根据目录服务器的返回地址，请求节点向节点P或者内容服务器发送包含M个频道内容的请求；
7)节点P或内容服务器发送包含多个频道预加载项的并发流；若网络带宽丰裕，节点P或者内容服务器发送包含M个频道预加载项的并发流给请求节点；若网络带宽匮乏，则按照M个频道流行度的大小，先发送若干个流行度靠前的频道预加载项的并发流给请求节点，后逐步发送其他频道的并发流；
8)当用户发生频道切换时，检查新频道是否已经在本地缓存中，若是，用户可以无需等待直接切换到频道，实现零延时频道切换，否则，节点需重新向目录服务器申请频道内容；
9)节点接收到频道内容时，节点再次向目录服务器发送缓存信息报告。
2.如权利要求1所述的基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，其特征在于，所述目录服务器具有一个在线节点统计模块，收集统计所有在线节点的观看信息及更新维护频道热度列表，同时，在线节点统计模块被频道预测模块所使用。
3.如权利要求2所述的基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，其特征在于，所述的在线节点统计模块收集在线节点观看信息包括：所有节点请求的频道概要信息，收到节点请求的时刻，频道的平均接入延时，在线节点数量，总频道数，缓存更新间隔，各频道平均播放速度。
4.如权利要求1所述的基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，其特征在于，每个节点内具有一个频道统计模块，维护该节点的历史观看信息。
5.如权利要求1所述的基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，其特征在于，频道预测模块收集在线节点统计模块中关于请求节点的信息，包括收到节点请求的时刻，频道的平均接入延时，在线节点数量，总频道数，该节点缓存更新间隔，各频道平均播放速度，预加载项数据大小。
6.如权利要求1所述的基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，其特征在于，频道预测模块收集在线节点统计模块中关于请求节点的信息，根据在线节点统计模块中的频道热度列表，计算需要发送给节点频道数M及挑选出M个频道。
7.如权利要求1所述的基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，其特征在于，在所述目录服务器中，以一定的时间长度作为一个时隙，在每个时隙中，统计所有频道请求量，更新频道热度列表。
8.如权利要求1所述的基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，其特征在于，内容服务器或者其他节点根据实时带宽，选择发送并发流的频道数量；若带宽资源足够的情况下，M等于系统拥有的频道个数。
9.如权利要求1所述的基于并发流的P2P实时播放系统快速频道切换方法，其特征在于，并发流是包含着多个频道内容的流媒体数据,且并发流的通信消息交互数量为Sc(M)＝c，其中，c是常数。
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