CN108419097A - 一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法 - Google Patents

Abstract

一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，通过评估视频块的流行度建立由高流行度构成的二叉树结构，根据网络节点播放视频的状态稳定性评估结果，将播放稳定且播放同一视频块的网络节点组织到网络节点社区中，每个网络节点社区对应于基于链表的二叉树结构中的视频块节点，从而实现了网络节点与基于链表的二叉树结构的映射，网络节点社区根据基于链表的二叉树结构中视频块节点间的连接，建立网络节点社区间的逻辑连接，用以转发视频请求消息。本发明有益效果：具有较高的搜索性能，能够支持快速的请求消息转发，从而有效降低视频搜索延时，提升视频的搜索效率。

Description

一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法

技术领域

本发明涉及视频搜索技术领域，具体地说是一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法。

背景技术

移动自组网是在特定的地理区域范围内随机移动且能够实现路由信息与数据自主维护与转发的无线设备集合。在移动自组网中，每一个无线设备既是数据的发送者和接收者，也是数据的路由转发节点，不需要固定基站就可以实现数据转发和无线设备的移动管理。移动自组网可以应用在灾备系统和军事等方面，吸引了众多学者对其研究。如图1所示，由于移动视频服务能够使用户通过智能手持设备从互联网中快速获取丰富的视觉内容，因此，移动视频服务已经成为在移动互联网中最为流行的应用，根据思科公司预测，到2020年，移动视频应用产生的流量将占据全球流量的三分之二。面对巨大的流量需求，视频系统需要提升视频资源的共享能力，以缓解核心网络的流量压力并确保用户的体验质量。P2P技术利用每一个覆盖网络中节点的剩余存储空间和带宽实施节点间的资源共享，为大规模视频服务的部署提供了灵活有效的解决方案。随着移动互联网的发展，移动P2P技术已经成为在移动环境下部署视频服务最有效的技术。

视频点播服务允许用户通过改变视频的播放点动态获取视频内容，极大地提升了用户体验质量。然而，用户随机改变播放内容导致频繁地搜索匹配视频提供者，也就是说，当用户改变当前播放的内容时，需要搜索并连接视频提供者，获取改变播放点的视频资源以保持平滑的播放。此时，视频请求者就需要获得网络中存储请求的视频提供者信息，并且判断视频提供者是否存储所请求的视频资源。在大规模部署的视频系统中，存在海量的播放视频的节点，且每个节点播放视频的内容均可通过改变播放点动态变化。实时维护网络中所有节点的播放状态(即节点所存储的当前播放点的视频资源信息)会带来巨大的维护负载，视频服务器和任一节点都无法承受这种巨大的维护负载。在另一方面，如果不维护网络中节点的播放状态，则视频请求者的请求消息需要经过大量的中继节点转发搜索网络中存储请求视频资源的视频提供者，而且需要忍受极高搜索延时和搜索失败风险。例如，经典的“洪泛”搜索方法使视频请求者在网络中广播请求消息，不仅造成巨大的搜索延时，无法确保用户平滑的播放，而且浪费了大量的网络带宽。因此，在覆盖网络中高效的视频资源管理与搜索既是确保视频系统高可扩展性和高服务质量的关键因素，也是视频系统面临的重大挑战。

众多研究者已经提出了一些可行的支持视频点播服务的系统设计方案。一种基于链表的AVL树的混合结构被提出并用来支持视频内容的快速搜索。在线时间较长的节点存储具有较长长度的视频块(也被称为“超级视频块”)，并构建AVL树结构；在线时间相对较短的节点存储长度相对较短的视频块，并根据存储视频的一致关系与AVL树结构中的节点建立逻辑连接，从而形成衍生链表结构。如果视频请求节点请求的视频内容在超级视频块内，则请求消息将在链表结构内转发，从而实现快速视频搜索；如果视频请求节点请求的视频没有落入超级视频快内，则相连的AVL树中的节点将在AVL树中搜索请求的视频内容，也能够实现较高的搜索效率。然而，节点状态的变化会导致基于链表的AVL树结构频繁的重构，也就是说节点随机改变当前的播放点会导致播放内容频繁变化，从而引发较高的AVL树结构的维护负载，降低视频系统的可扩展性。分布式哈希表(Distributed Hash Tables，DHT)也经常被用来建立覆盖网络结构。网络中的节点根据本地存储的视频资源，利用哈希函数映射到一维环形结构(被称为DHT结构)中，每个节点均维护着一个finger表，表中记录着DHT结构中一些节点存储的视频资源信息，被用来搜索视频和转发请求消息。DHT结构拥有极高的搜索效率，通过较少请求消息转发即可搜索到视频提供者。然而，用户的播放状态随机变化，从而导致DHT结构不断发生变化，使得高昂的DHT结构维护成本成为制约系统可扩展性的瓶颈因素。显然，视频系统需要建立高效的视频资源维护机制，并有效处理用户动态随机变化的视频行为，从而降低覆盖网络中视频资源的维护负载，提升视频搜索效率。因此，如何低成本的维护视频资源和高效搜索视频资源成为视频系统提供高服务质量和获得高可扩展性的重要因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，解决现有搜索方法存在的缺点以降低覆盖网络中视频资源的维护负载，提升视频搜索效率。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，包括以下步骤：

一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，包括以下步骤：

步骤1、基于视频块的二叉树的构建：在视频服务器中，任一视频均可被划分为n个视频块，评估每个视频块的流行度，并将所有流行度较高的视频块组织到基于视频块的二叉树中，在二叉树结构中每个视频块节点均衍生出一个链表结构，该链表结构包含非流行的视频块；

步骤2、节点社区的构建：评估每个网络节点播放状态的稳定性，根据评估结果将播放状态稳定且播放同一视频块的网络节点或播放状态不稳定且播放同一视频块的网络节点组织到网络节点社区中，每个网络节点社区对应于二叉树结构中的视频块节点，从而实现网络节点与二叉树中视频块节点的映射，网络节点社区根据二叉树结构中视频块节点间的连接，建立社区间的逻辑连接，用以转发视频请求消息；

步骤3、网络节点社区的维护：当一个具有稳定播放行为的网络节点的播放状态变为不稳定时，该网络节点删除本地静态缓冲区中缓存的视频块，并根据当前播放的内容跳转至对应的网络节点社区中，该网络节点的信息被原网络节点社区的头节点删除；当一个具有不稳定播放行为的网络节点变为稳定时，该网络节点根据缓存规则缓存视频块，并加入缓存视频块对应的网络节点社区中，该网络节点的信息被当前网络节点社区的头节点添加至本地网络节点列表；

步骤4、视频块的搜索：利用网络节点社区之间建立的逻辑连接快速转发请求消息实现视频块的快速搜索。

本发明所述步骤1中基于视频块的二叉树的构建的具体方法为：

1.1、分析历史播放日志集合，获得每一个视频块的访问频度，进而计算出视频块的流行度；

1.2、计算所有视频块的平均流行度，任一视频块的流行度若大于平均流行度，则将该视频块视为流行视频块，若小于平均流行度，则视为非流行视频块，所有流行视频块构成集合PS，所有非流行视频块构成集合NPS；

1.3、如果网络节点n_i从视频块c_e跳转至视频块c_i，则c_e被视为c_i的入连接视频块，c_i被视为c_e的出连接视频块，入连接视频块和出连接视频块统称为连接块，统计每个流行视频块在所有流行视频块中所含连接块的数量，将所含连接块数量最大的视频块c_i作为二叉树的根节点，并从集合PS中移除，集合PS中剩余的视频块构成了一个新的集合PS⁽²⁾，同时c_i与集合NPS中所有与c_i具有连接关系的视频块构成一个视频块子集CS_i，CS_i中所有非流行视频块从集合NPS中移除，NPS中剩余的视频块构成了一个新的集合NPS⁽²⁾；

1.4、将集合PS⁽²⁾中所含连接块数量最大的视频块c_j作为c_i的子节点，并将c_j从集合PS⁽²⁾中移除，PS⁽²⁾中剩余的视频块构成一个新的集合PS⁽³⁾，c_j与NPS⁽²⁾中所有与c_j具有连接关系的视频块构成一个视频块子集CS_j，NPS⁽²⁾中剩余的视频块构成一个新的集合NPS⁽³⁾；

步骤1.5、重复步骤1.4直到集合PS和NPS为空，将所有流形视频块均组织到基于视频块的二叉树中。

本发明所述步骤1.4中将集合PS⁽²⁾中所含连接块数量最大的视频块c_j作为c_i的子节点的具体方法为：

(1)如果c_j与c_i存在着连接且c_j是c_i的入连接块，则c_j成为c_i的左子节点；如果c_j是c_i的出连接块，则c_j成为c_i的右子节点；

(2)如果c_j与c_i不存在着连接，则建立c_i与c_j之间的连接，如果i大于j，则c_j成为c_i的左子节点；如果i小于j，c_j成为c_i的右子节点。

本发明所述步骤2中构建节点社区的具体方法为：

2.1、通过视频服务器中存储的用户历史播放日志获取所有用户的平均在线时间l，计算每个网络节点n_i的平均播放时间并将网络节点n_i的平均播放时间与所有用户的平均在线时间进行对比，如果则网络节点n_i的播放状态是稳定的；如果则网络节点n_i的播放状态是不稳定的；

2.2、每一个具有稳定播放行为的网络节点缓存二叉树中对应的一个视频块到本地静态缓冲区中，其中第一个加入系统播放视频的网络节点缓存二叉树根节点对应的视频块到本地静态缓冲区，随后加入系统的网络节点分别缓存二叉树根节点的左子节点和右子节点对应的视频块到本地静态缓冲区中，缓存二叉树根节点及其左子节点和右子节点对应视频的网络节点分别在设定的固定时间周期内发送当前的播放状态消息维护已建立的逻辑连接；

2.3、随着加入系统播放视频的节点数量的增加，后续具有稳定播放网络节点的数量也不断增加，则这些网络节点按照宽度优先的顺序依次缓存二叉树中对应的视频块；

2.4、当二叉树中所有视频块均被覆盖网络中具有稳定播放行为的网络节点缓存后，视频系统中所有流行视频块均可从覆盖网络中利用由稳定播放行为的网络节点所构成的二叉树提供，新加入的网络节点则根据网络节点密度优先缓存二叉树中流行度高的视频块；

2.5、二叉树中所有视频块被网络中具有稳定播放行为的多个网络节点缓存，缓存二叉树中相同视频块的节点构成一个网络节点社区，在网络节点社区中，具有最长平均播放时间长度的网络节点作为网络节点社区的头节点，网络节点社区的头节点与相连的其他社区的头节点建立逻辑连接，并通过定期发送消息维护彼此状态信息；二叉树中每个视频块均连接了一个非流行视频块集合，播放非流行视频块集合中任一视频且具有不稳定播放行为的网络节点构成一个网络节点社区，该网络节点社区中的每个成员均与其播放的视频块所在的网络节点社区中任一成员建立逻辑连接，并通过定期发送播放状态消息维护该逻辑连接。

本发明所述步骤4中利用网络节点社区之间建立的逻辑连接快速转发请求消息实现视频块的快速搜索包括：

4-1、网络节点即未播放过任何视频内容的网络节点n_a加入系统的具体搜索方法为：

4-1.1、网络节点n_a向视频服务器发送请求消息要求获取视频块，视频服务器将该请求消息转发至最近加入系统的网络节点n_b；

4-1.2、如果n_b当前播放的视频内容刚好为网络节点n_a所要求的，则n_b直接向n_a发送视频数据；

4-1.3、如果n_b当前播放的视频块与网络节点n_a所要求的不同且n_b为具有不稳定播放行为的网络节点，则n_b将的请求消息发送至所连接的具有稳定播放行为的网络节点n_c处，n_c向所在网络节点社区的头节点转发n_a的请求消息，该头节点为n_a搜索请求的视频块；

4-1.4、如果n_b当前播放的视频内容与网络节点n_a所要求的不同且为具有稳定播放行为的网络节点，则n_b直接将n_a的请求消息转发至所在网络节点社区的头节点，该头节点利用二叉树中网络节点社区头节点间维护的连接为网络节点n_a搜索请求的视频块。

4-2、具有不稳定播放行为的系统成员n_a请求视频信息的具体搜索方法为：系统成员n_a正在播放视频块c_a∈CS_i，并连接网络节点社区C_i中一个成员n_b：

4-2.1、n_a请求直接连接的二叉树对应视频块：n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_i，n_a向n_b发送请求消息，n_b发现n_a所请求视频块为本地缓冲区存储的视频块，则n_b直接向n_a发送相应的视频数据；

4-2.2、n_a请求直接连接的二叉树中对应视频块相连链表中的视频块：n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_d∈CS_i，n_a向n_b发送请求消息，n_b发现没有存储n_a所请求视频块但n_a请求的视频块为n_b所在网络节点社区对应的存储的视频块相连链表中的视频块，则n_b直接向所在网络节点社区C_i的头节点n_i转发请求消息，由头节点n_i进行广播为n_a搜索相应的视频数据；

4-2.3、n_a请求二叉树子树中对应流行视频块：n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_e，n_a向n_b发送请求消息，n_b向所在节点社区C_i的头节点n_i转发n_a的请求消息，n_i利用网络节点社区头节点之间的逻辑连接为n_a搜索相应的视频数据；

4-2.4、n_a请求二叉树子树中视频块节点相连的非流行视频块：n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_g∈CS_g，n_a向n_b发送请求消息，n_b向所在网络节点社区C_i的头节点n_i转发n_a的请求消息，n_i利用网络节点社区头节点之间的逻辑连接关系将n_a的请求消息转发至c_g对应网络节点社区C_g的头节点n_g，由n_g为n_a搜索相应的视频数据；

4-2.5、在网络节点社区无法为请求节点n_a提供视频数据的情况下，n_a直接向视频服务器发送请求消息，从视频服务器获取相应的视频数据。

4-3、具有稳定播放行为的系统成员n_a搜索网络中任一视频块的方法为：n_a直接向其所在网络节点社区的头节点发送请求消息，由头节点直接为n_a搜索相应的视频数据。

本发明的有益效果是：本发明在构建基于链表的二叉树结构和网络节点社区的基础上，利用社区之间建立的逻辑连接快速转发请求消息，提升视频的搜索效率，具有以下优点：由视频块构成的基于链表的二叉树结构能够避免用户播放状态的变化引起的繁重重构，从而极大地降低了基于链表的二叉树结构的维护负载；此外，基于链表的二叉树结构具有较高的搜索性能，能够支持快速的请求消息转发，从而有效降低视频搜索延时。

附图说明

图1为移动互联网的视频服务部署图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式(实施例)进行描述，使本领域的技术人员能够更好地理解本发明。

步骤1、基于视频块的二叉树的构建：在视频服务器中，任一视频均可被划分为n个视频块，评估每个视频块的流行度，并将所有流行度较高的视频块组织到基于视频块的二叉树中，在二叉树结构中每个节点均衍生出一个链表结构，该链表结构包含非流行的视频块。

步骤2、节点社区的构建：评估每个网络节点播放状态的稳定性，根据评估结果将播放状态稳定且播放同一视频块的网络节点或播放状态不稳定且播放同一视频块的网络节点组织到网络节点社区中，每个网络节点社区对应于二叉树结构中的视频块节点，从而实现网络节点与二叉树中视频块节点的映射，网络节点社区根据二叉树结构中视频块节点间的连接，建立社区间的逻辑连接，用以转发视频请求消息；

步骤3、网络节点社区的维护：当一个具有稳定播放行为的网络节点的播放状态变为不稳定时，该网络节点删除本地静态缓冲区中缓存的视频块，并根据当前播放的内容跳转至对应的网络节点社区中，该网络节点的信息被原网络节点社区的头节点删除；当一个具有不稳定播放行为的网络节点变为稳定时，该网络节点根据缓存规则缓存视频块，并加入缓存视频块对应的网络节点社区中，该网络节点的信息被当前网络节点社区的头节点添加至本地网络节点列表；

步骤4、视频块的搜索：利用网络节点社区之间建立的逻辑连接快速转发请求消息实现视频块的快速搜索。

所述步骤1中评估视频流行度的具体方法包括步骤1-1.1～1-1.3：

1-1.1视频块的流行度的评估主要依赖于用户请求每个视频块的历史统计信息，设logL＝(log₁,log₂,...,log_m)为服务器端存储的用户播放日志集合，通过分析历史播放日志集合，可以获得每一个视频块c_i的访问频度f_i，即其中m是集合logL所含元素数量；是任一播放日志log_k中视频块c_i的访问频度。

1-1.2、视频块c_i的流行度p_i可以被定义为：其中，表示所有视频块被访问频度的累加和，表示c_i的访问频度在所有视频块访问频度累加和的比例；L_i表示所有访问视频块c_i的用户播放c_i的时间长度累加和；表示所有用户播放所有视频块的播放时间长度累加和；表示c_i的播放时间长度累加和与所有视频块的播放时间长度累加和的比例；T_i表示节点n_i在线时间长度；表示所有用户在线时间长度的累加和；表示节点n_i在线时间长度与所有用户在线时间长度的累加和的比例。

1-1.3、所有视频块的平均流行度被进一步定义为：若c_i的流行度p_i大于则c_i可以被视为流行视频块；若c_i的流行度p_i小于等于则c_i可以被视为非流行视频块，所有流行视频块构成一个集合PS＝(c_a,c_b,…,c_k)；所有非流行集合构成一个集合NPS＝(c_d,c_e,…,c_q)，且PS∪NPS＝video。

所述步骤1中将所有流行度较高的视频块组织到基于视频块的二叉树中的方法包括步骤1-2.1～1-2.4：

1-2.1、考察用户在视频块间的跳转行为是建立视频块间逻辑连接的有效途径，如果网络节点n_i从视频块c_e跳转至视频块c_i，则c_e被视为c_i的入连接视频块；c_i被视为c_e的出连接视频块，若视频块间的入连接和出连接的频度越高，则表明视频块间的联系越紧密，在另一方面，若视频块c_i与较多视频块均存在着入连接和出连接关系，则表明c_i对于视频内容的连通性是非常重要的。设CN_in(c_i)和CN_out(c_i)分别表示视频块c_i的入连接块和出连接块的数量，如果c_i∈PS且CN(c_i)＝CN_in(c_i)+CN_out(c_i)在PS中所含视频块的连接块数量中是最大的，则c_i将作为视频块聚类树的根节点，并从集合PS中移除，在集合PS中剩余的视频块构成了一个新的集合PS⁽²⁾。此时，c_i与NPS中所有与c_i具有连接关系的视频块构成了一个视频块子集CS_i，CS_i中所有非流行视频块从集合NPS中移除，NPS中剩余的视频块构成了一个新的集合NPS⁽²⁾。

1-2.2、如果c_j是PS⁽²⁾中元素，且c_j的CN(c_j)是在PS⁽²⁾中所含视频块的连接块数量中是最大的，则c_j将作为c_i的子节点：如果c_j与c_i存在着连接且c_j是c_i的入连接块，则c_j成为c_i的左子节点；如果c_j是c_i的出连接块，则c_j成为c_i的右子节点。如果c_j与c_i不存在着连接，则建立c_i与c_j之间的连接，如果i大于j，则c_j成为c_i的左子节点；如果i小于j，c_j成为c_i的右子节点。c_j从集合PS⁽²⁾中移除，PS⁽²⁾中剩余的视频块构成一个新的集合PS⁽³⁾，c_j与NPS⁽²⁾中所有与c_j具有连接关系的视频块构成一个视频块子集CS_j，NPS⁽²⁾中剩余的视频块构成一个新的集合NPS⁽³⁾。

1-2.3、重复步骤1-2.2，PS⁽³⁾中具有最大连接数的视频块将被挑选作为c_i的左子节点或右子节点。

1-2.4、迭代上述过程，直到集合PS和NPS为空，所有流行视频块均被组织到视频块二叉树中。

具有高流行度的视频块能够吸引大多数用户请求和观看，即大多数视频请求均针对流行度较高的视频块的。评估每个视频块的流行度，并将流行度较高的视频块组织到基于视频块的二叉树中，利用树结构的快速搜索性能，提升对于具有高流行度的视频块的搜索效率，降低搜索延时。视频块c_i的流行度评估方法不仅考虑了视频块的访问频度，而且还考虑了c_i被播放的时间长度和用户在线时间长度。c_i被播放的时间越长，表明c_i的内容越吸引用户，不会使用户随意的改变当前的播放点，c_i的内容就越重要。用户在线时间越长，则表明用户播放状态稳定。播放状态稳定的节点产生的播放频度增量和播放时间长度的增量具有较高的可信度；反之，若播放状态不稳定的节点，则表明该用户访问c_i可能是随机访问，而非真实的观看视频内容。因此，增加播放时间长度和用户在线时间长度能够避免单一依赖访问频度所带来的评估误差。

所述步骤2中评估每个网络节点播放状态稳定性的具体方法为：具有较长在线时间的网络节点不仅能够为视频请求者提供可靠稳定的视频数据供给，而且也能够分担维护覆盖网络中网络节点状态的负载。因此，需要根据视频服务器中存储的用户历史播放日志中抽取用户的播放行为特征。设表示用户历史播放日志中获取的用户平均在线时间，其中N表示用户历史播放日志的数量，l表示在用户历史播放日志中用户对于所有播放的视频块的平均播放时间；设表示网络节点n_i的平均播放时间，其中，m是n_i已经完成观看视频块的数量，l_c(n_i)表示n_i对于任一视频块c的播放时间长度。当任一节点n_i完成了首个播放视频块的播放时，可计算n_i的平均播放时间其中，m＝1，如果则n_i的播放状态是稳定的；否则，如果则n_i的播放状态是不稳定的。随着n_i播放视频块数量的增加，每当n_i完成一个视频块播放(n_i观看完视频块内容或n_i通过切换播放点离开当前视频块内容)，可以使用上述方法判断n_i的播放状态的稳定性。

所述步骤2中建立网络节点社区的具体方法为：任一具有稳定播放行为的网络节点需要缓存二叉树中对应的一个视频块到本地静态缓冲区中，当具有稳定播放行为的网络节点完成视频播放并退出系统时，这些网络节点可将存储在静态缓冲区中的视频块删除。由于静态缓冲区中存储的视频块在网络节点退出系统之前不可被替换，因此，具有稳定播放行为的节点可以为覆盖网络中其他网络节点提供稳定的视频数据。

初始时，系统中没有包含任一播放视频的网络节点。当一个网络节点(即未播放过任何视频内容的网络节点)n_i请求视频后，由于覆盖网络中没有可用资源，视频服务器向n_i直接传输视频数据。当n_i完成首个视频块播放时，可以计算自己的平均播放时间长度并与视频系统的平均播放时间长度进行比较，如果则n_i的播放状态是不稳定的，则n_i无需缓存二叉树中任一视频块到本地静态缓冲区中；反之，如果则n_i的播放状态是稳定的，则n_i需要缓存二叉树中视频块到本地静态缓冲区中，由于当前时刻视频系统中仅包含n_i一个系统成员，因此，n_i需要缓存二叉树根节点对应的视频块。随后加入系统播放视频的网络节点会根据其自身的平均播放时间长度判断播放行为稳定性，若网络节点的播放行为稳定，则继续缓存二叉树中对应的其他视频块到本地静态缓冲区中。例如，n_j和n_k分别为第二个和第三个具有播放行为稳定的网络节点，n_j和n_k分别缓存二叉树中根节点的左子节点和右子节点对应的视频块到本地静态缓冲区中。此时，n_j和n_k分别通过发送消息与n_i建立逻辑连接，n_i、n_j和n_k分别在设定的固定时间周期内发送当前的播放状态消息维护已建立的逻辑连接。随着加入系统播放视频的节点数量的增加，后续具有稳定播放行为的节点的数量也不断增加，则这些节点将按照宽度优先的顺序依次缓存二叉树中对应的视频块。当二叉树中所有视频块均被覆盖网络中具有稳定播放行为的网络节点缓存后，视频系统中所有流行视频块均可从覆盖网络中利用由稳定播放行为的网络节点所构成的二叉树提供。此时，新加入系统具有稳定播放行为的网络节点无需按照宽度优先顺序缓存二叉树中对应的视频块，但仍需根据二叉树中对应视频块的流行度继续执行缓存。例如，在t₁时刻，系统中稳定节点数量为SN(t₁)，缓存视频块c_i的网络节点数量为SN_i(t₁)，缓存视频块c_i的网络节点密度为ρ_i＝SN_i(t₁)/SN(t₁)，设D_i＝p_i-ρ_i，其中D_i为视频块c_i的流行度p_i与对应网络节点密度ρ_i的差值，若D_i>0，则表明网络中缺少对于视频块c_i的上传带宽资源的供给，因此，新加入的网络节点应当优先缓存视频块c_i。反之，若D_i≤0，则表明网络中对于视频块c_i的上传带宽资源已经具备充足的供给，新加入的网络节点可以缓存其他视频块。新加入的网络节点会根据节点密度优先缓存二叉树中流行度高的视频块。根据上述方法，二叉树中所有视频块会被网络中具有稳定播放行为的多个网络节点缓存，缓存二叉树中相同视频块的网络节点可构成一个节点社区。在节点社区中，具有最长平均播放时间长度的网络节点作为节点社区的头节点，这是因为选择具有最长平均播放时间长度的网络节点作为网络节点社区的头节点可以避免节点播放行为不稳定而造成网络节点社区结构频繁重构。网络节点社区的头节点与相连的其他社区的头节点建立逻辑连接，并通过定期发送消息维护彼此连接信息。例如，c_i为二叉树中根节点，c_j和c_k分别为c_i的左子节点和右子节点。n_i、n_j、n_k分别为c_i、c_j和c_k对应节点社区C_i、C_j和C_k的头节点。n_i与n_j和n_k分别建立逻辑，交互的消息包括当前社区中所含成员的数量。头节点负责接收和转发社区内节点的请求消息，为社区内节点搜索请求的视频内容。此外，头节点还负责接收来自其他社区的请求消息，如果请求消息所含的请求视频为其他社区对应的视频块，则头节点将收到的请求消息根据二叉树结构转发；如果请求消息所含的请求视频为当前社区对应的视频块，则头节点将请求消息转发至当前社区内一个成员，由该成员为请求节点提供视频数据。社区中其他成员均为普通成员，与头节点建立逻辑连接，并通过定期发送状态消息维护逻辑连接。

在另一方面，由于二叉树中每个视频块均连接了一个非流行视频块集合，因此，播放非流行视频块集合中任一视频且具有不稳定播放行为的网络节点构成一个节点社区。例如，C_i为缓存二叉树中对应视频块c_i的稳定节点构成的网络节点社区。c_i连接了一个非流行视频块集合CS_i，具有不稳定播放行为的网络节点播放CS_i中任一视频时，均成为当前网络节点社区NC_i中的成员。NC_i中的每个成员均可与C_i中任一成员建立逻辑连接，并通过定期发送播放状态消息维护该逻辑连接。上述方法将与具有不稳定播放行为网络节点的逻辑连接的维护负载分配到C_i中每一个成员，降低了C_i的头节点负载，极大地提升了视频系统的可扩展性。C_i中具有稳定播放行为的网络节点也可以利用维护的逻辑连接获取NC_i中成员缓存的视频内容。因此，覆盖网络中所有网络节点均可以利用维护的逻辑连接搜索到所有的视频块。

所述步骤3中网络节点社区的维护具体包括以下内容：由于具有稳定播放行为网络节点缓存的视频块只有退出系统时才删除，这些网络节点始终存在于当前网络节点社区中。也就是说，即使这些网络节点播放了其他视频块的内容，也不会迁移至其他网络节点社区。因此，具有稳定播放行为网络节点构成的节点社区具有较强的稳定性。当一个具有稳定播放行为网络节点的播放状态变为不稳定时，则该网络节点可删除本地静态缓冲区中缓存的视频块，并根据当前播放的内容跳转至对应的网络节点社区中，此时，该网络节点的信息被原网络节点社区的头节点删除；反之，若一个具有不稳定播放行为的网络节点变为稳定时，则该网络节点会根据缓存规则缓存视频块，并加入缓存视频块对应的网络节点社区中，该网络节点的信息被当前网络节点社区的头节点添加至本地节点列表。

例如，当一个网络节点n_x加入系统，并连接视频提供者n_p，接收来自于n_p传输的视频数据。此时，由于n_x为新系统成员，没有完成当前视频块的播放，因此，n_x为不稳定播放行为网络节点。由于n_p为对应视频块c_a的网络节点社区C_a中的成员，因此，n_x为网络节点社区NC_a中成员。当n_x完成当前视频块的播放后，评估n_x的播放行为稳定性。若n_x为稳定播放行为网络节点，则n_p要求n_x根据视频块缓存规则缓存二叉树中对应的视频块c_k，并加入视频块c_k对应的网络节点社区C_k，n_x的信息会被n_p转发至网络节点社区C_k的头节点n_k，n_k添加至本地节点列表中。n_x断开与n_p之间的连接，与n_k建立逻辑连接。否则，若n_x为不稳定播放行为网络节点，n_x请求新的视频块时，向n_p发送请求消息，n_p将n_x的请求消息转发至网络节点社区C_k的头节点n_k，n_k利用与其他网络节点社区间的连接转发n_x的请求消息，为n_x搜索存储请求视频块的视频提供者。n_x连接新的视频提供者n_h获取视频数据时，断开与n_p之间的连接。如果n_x当前播放的视频块为二叉树中流行视频块，则n_h一定为具有稳定播放行为的网络节点，则n_x无需与其他具有稳定播放行为的网络节点建立连接，保持和维护当前与n_h的连接即可；否则，如果n_x当前请求播放的视频块为非流行视频块，则n_h会将自己连接的具有稳定播放行为的网络节点信息发送至n_x，n_x与该网络节点建立逻辑连接，并利用该逻辑连接搜索网络中的视频块。

当n_x完成第二个视频块播放时，如果n_x的播放状态从稳定转变为不稳定，则n_x向网络节点社区头节点n_k发送请求消息，n_k为n_x搜索到新的视频提供者n_g，n_x删除本地静态缓冲区中存储的视频块，并向n_k发送退出消息，n_k将n_x的信息从本地节点列表中删除，n_k与n_x断开彼此维护的逻辑连接。与此同时，n_x连接n_g，并从n_g处获取视频数据，并加入当前播放视频块所在的网络节点社区。如果n_x当前播放的视频块为二叉树中流行视频块，则n_g一定为具有稳定播放行为的网络节点，则n_x无需与其他具有稳定播放行为的网络节点建立连接，保持和维护当前与n_g的连接即可；否则，如果n_x当前播放的视频块为非流行视频块，则n_g会将自己连接的具有稳定播放行为的网络节点信息发送至n_x，n_x与该网络节点建立逻辑连接，并利用该逻辑连接搜索网络中的视频块。如果n_x的播放状态从不稳定转变为稳定，n_x向连接的具有稳定播放行为的网络节点n_h发送请求消息，n_h为n_x搜索到新的视频提供者n_d，此时，n_h要求n_x缓存二叉树中对应的视频块，n_x会根据缓存规则缓存对应的视频块，并加入该视频块对应的网络节点社区，并建立与网络节点社区头节点的逻辑连接，同时接收来自于n_d的视频数据。如果n_x的播放状态依然保持稳定，则n_x不发生网络节点社区的迁移。如果n_x的播放状态依然保持不稳定，则n_x向连接的具有稳定播放行为的网络节点发送请求消息，并连接新的视频提供者，并从新的视频提供者处获得视频数据及其连接的具有稳定播放行为的网络节点，n_x加入新的网络节点社区，并维护与新的具有稳定播放行为的网络节点间的逻辑连接。

虽然具有稳定播放行为的网络节点需要处理来自于不稳定播放行为网络节点的请求消息，但是这些稳定节点可以直接通过与网络节点社区的连接发送请求消息，不仅能够降低请求消息转发的次数，降低视频搜索延时，而且能够避免频繁切换网络节点社区所带来的能量消耗。具有稳定播放行为的网络节点所构成的网络节点社区具有较高的稳定性，避免了社区结构频繁重构所带来的大量的网络节点社区结构维护负载，而且大量请求消息处理负载被分配到具有稳定播放行为的网络节点处，从而极大地提升了系统的可扩展性。

所述步骤4中利用网络节点社区之间建立的逻辑连接快速转发请求消息实现视频块的快速搜索具体包括以下6个方面：

(1)移动节点(未播放过任何视频内容的节点)加入系统。一个网络节点n_a向服务器发送请求消息要求获取视频块c_a∈CS_i，服务器将n_a的请求消息转发至网络节点n_b处(n_b为最近加入系统的网络节点)。如果n_b当前播放的视频内容为c_a，则直接向n_a发送视频数据，并将n_a发送其连接的具有稳定播放行为网络节点的信息，n_a接收来自于n_b的视频数据；如果n_b当前播放的视频内容不为c_a，则n_b需要将n_a的请求消息发送至所连接的具有稳定播放行为的网络节点n_c处，n_c则向所在网络节点社区的头节点转发n_a的请求消息，该头节点为n_a搜索请求的视频块。如果n_b是具有稳定播放行为的网络节点，n_b在收到n_a的请求消息后，直接将n_a的请求消息转发至所在网络节点社区的头节点，该头节点利用二叉树中头节点间维护的连接将n_a的请求消息转发至n_i(n_i为c_i对应网络节点社区C_i的头节点)，n_i向本地缓存的网络节点列表中所含节点广播n_a的请求消息，若网络节点社区C_i中存在一个或多个成员所连接的不稳定网络节点存储着c_a，则这些C_i中成员将请求消息转发至所连接的不稳定网络节点(其他C_i中成员将请求消息丢弃)，n_a会收到一个或多个候选视频提供者的返回消息，并选择其中具有最高平均播放时间长度的候选视频提供者作为视频提供者。若网络节点社区C_i中成员没有发现所连接的不稳定网络节点存储着c_a，则n_a无法收到任何返回消息，则n_a直接向视频服务器发送请求消息，从视频服务器获取视频数据。

(2)具有不稳定播放行为的系统成员请求直接连接的二叉树对应的视频块。一个系统成员n_a正在播放视频块c_a∈CS_i，并连接网络节点社区C_i中一个成员n_b，此时，n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_i，n_a向n_b发送请求消息，n_b发现n_a所请求视频块为本地缓冲区存储的视频块，则n_b直接向n_a发送视频数据。

(3)具有不稳定播放行为的系统成员请求当前网络节点社区内对应视频块。一个系统成员n_a正在播放视频块c_a∈CS_i，并连接网络节点社区C_i中一个成员n_b。此时，n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_d∈CS_i。n_a向n_b发送请求消息，n_b发现n_a所请求视频块依然为n_a所在网络节点社区对应的存储的视频块，则n_b直接向所在网络节点社区C_i的头节点n_i转发请求消息，n_i向本地缓存的节点列表中所含节点(除n_b外)广播n_a的请求消息，若网络节点社区C_i中存在一个或多个成员所连接的不稳定网络节点存储着c_d，则这些C_i中成员将请求消息转发至所连接的不稳定网络节点(其他C_i中成员将请求消息丢弃)，n_a会收到一个或多个候选视频提供者的返回消息，并选择其中具有最高平均播放时间长度的候选视频提供者作为视频提供者。若网络节点社区C_i中成员没有发现所连接的不稳定节点存储着c_d，则n_a无法收到任何返回消息，则n_a直接向视频服务器发送请求消息，从视频服务器获取视频数据。

(4)具有不稳定播放行为的系统成员请求二叉树子树中对应流行视频块。一个系统成员n_a正在播放视频块c_a∈CS_i，并连接网络节点社区C_i中一个成员n_b。此时，n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_e。n_a向n_b发送请求消息，n_b向所在网络节点社区C_i的头节点n_i转发n_a的请求消息。n_i利用与n_j之间的逻辑连接(n_j为c_j对应网络节点社区C_j的头节点)，转发n_a的请求消息，n_j收到来自于n_i转发的请求消息后，继续将该请求消息转发至n_e(n_e为c_e对应网络节点社区C_e的头节点)。n_e从本地存储的节点列表中随机选择一个网络节点作为n_a的视频提供者。

(5)具有不稳定播放行为的系统成员请求二叉树子树中视频块节点相连的非流行视频块。一个系统成员n_a正在播放视频块c_a∈CS_i，并连接网络节点社区C_i中一个成员n_b。此时，n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_p∈CS_g，。n_a向n_b发送请求消息，n_b向所在网络节点社区C_i的头节点n_i转发n_a的请求消息。n_i利用与n_k之间的逻辑连接(n_k为c_k对应网络节点社区C_k的头节点)，转发n_a的请求消息，n_k收到来自于n_i转发的请求消息后，继续将该请求消息转发至n_g(n_g为c_g对应网络节点社区C_g的头节点)。n_g收到来自于n_k转发的请求消息后，利用本地缓存的网络节点列表直接向C_g中所有节点广播n_a的请求消息，若网络节点社区C_g中存在一个或多个成员所连接的不稳定节点存储着c_p，则这些C_g中成员将请求消息转发至所连接的不稳定网络节点(其他C_g中成员将请求消息丢弃)，n_a会收到一个或多个候选视频提供者的返回消息，并选择其中具有最高平均播放时间长度的候选视频提供者作为视频提供者。若网络节点社区C_g中成员没有发现所连接的不稳定节点存储着c_p，则n_a无法收到任何返回消息，则n_a直接向视频服务器发送请求消息，从视频服务器获取视频数据。

(6)具有稳定播放行为的系统成员搜索网络中任一视频块的过程与上述5种场景相同，不同之处在于具有稳定播放行为的系统成员可以直接向所在社区的头节点发送请求消息，降低了转发请求消息节点的数量，从而降低了视频搜索延时。

二叉树的高度是影响上述视频块搜索性能的主要因素之一。如果二叉树的高度越大(二叉树中所含视频块数量越多)，则视频系统中转发请求消息最长路径所含转发节点的数量就越大，将极大地增加视频搜索延时。由于二叉树中所含视频块均为流行视频块，多个非流行视频块均与一个流行视频块相连接，如果视频块的流行度遵循Zipf分布，则流行视频块的数量在所有视频块中所占比例相对较低，因此，二叉树的高度也相对较低，并不会影响视频块搜索延时。其次，二叉树中视频块与其连接的非流行视频块间的关联程度也是影响上述视频块搜索策略性能的主要因素之一。若二叉树中视频块与其连接的非流行视频块间的关联程度较高，则请求消息转发路径长度越低(如第二个视频块搜索场景)，从而极大地降低了视频块搜索延时。

Claims (7)

1.一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、基于视频块的二叉树的构建：在视频服务器中，任一视频均可被划分为n个视频块，评估每个视频块的流行度，并将所有流行度较高的视频块组织到基于视频块的二叉树中，在二叉树结构中每个视频块节点均衍生出一个链表结构，该链表结构包含非流行的视频块；

步骤2、节点社区的构建：评估每个网络节点播放状态的稳定性，根据评估结果将播放状态稳定且播放同一视频块的网络节点或播放状态不稳定且播放同一视频块的网络节点组织到网络节点社区中，每个网络节点社区对应于二叉树结构中的视频块节点，从而实现网络节点与二叉树中视频块节点的映射，网络节点社区根据二叉树结构中视频块节点间的连接，建立社区间的逻辑连接，用以转发视频请求消息；

步骤3、网络节点社区的维护：当一个具有稳定播放行为的网络节点的播放状态变为不稳定时，该网络节点删除本地静态缓冲区中缓存的视频块，并根据当前播放的内容跳转至对应的网络节点社区中，该网络节点的信息被原网络节点社区的头节点删除；当一个具有不稳定播放行为的网络节点变为稳定时，该网络节点根据缓存规则缓存视频块，并加入缓存视频块对应的网络节点社区中，该网络节点的信息被当前网络节点社区的头节点添加至本地网络节点列表；

步骤4、视频块的搜索：利用网络节点社区之间建立的逻辑连接快速转发请求消息实现视频块的快速搜索。

2.根据权利要求1所述的一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，其特征在于：所述步骤1中基于视频块的二叉树的构建的具体方法为：

1.1、分析历史播放日志集合，获得每一个视频块的访问频度，进而计算出视频块的流行度；

1.2、计算所有视频块的平均流行度，任一视频块的流行度若大于平均流行度，则将该视频块视为流行视频块，若小于平均流行度，则视为非流行视频块，所有流行视频块构成集合PS，所有非流行视频块构成集合NPS；

1.3、如果网络节点n_i从视频块c_e跳转至视频块c_i，则c_e被视为c_i的入连接视频块，c_i被视为c_e的出连接视频块，入连接视频块和出连接视频块统称为连接块，统计每个流行视频块在所有流行视频块中所含连接块的数量，将所含连接块数量最大的视频块c_i作为二叉树的根节点，并从集合PS中移除，集合PS中剩余的视频块构成了一个新的集合PS⁽²⁾，同时c_i与集合NPS中所有与c_i具有连接关系的视频块构成一个视频块子集CS_i，CS_i中所有非流行视频块从集合NPS中移除，NPS中剩余的视频块构成了一个新的集合NPS⁽²⁾；

1.4、将集合PS⁽²⁾中所含连接块数量最大的视频块c_j作为c_i的子节点，并将c_j从集合PS⁽²⁾中移除，PS⁽²⁾中剩余的视频块构成一个新的集合PS⁽³⁾，c_j与NPS⁽²⁾中所有与c_j具有连接关系的视频块构成一个视频块子集CS_j，NPS⁽²⁾中剩余的视频块构成一个新的集合NPS⁽³⁾；

步骤1.5、重复步骤1.4直到集合PS和NPS为空，将所有流形视频块均组织到基于视频块的二叉树中。

3.根据权利要求2所述的一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，其特征在于：所述步骤1.4中将集合PS⁽²⁾中所含连接块数量最大的视频块c_j作为视频块c_i的子节点的具体方法为：

(1)如果c_j与c_i存在着连接且c_j是c_i的入连接块，则c_j成为c_i的左子节点；如果c_j是c_i的出连接块，则c_j成为c_i的右子节点；

(2)如果c_j与c_i不存在着连接，则建立c_i与c_j之间的连接，如果i大于j，则c_j成为c_i的左子节点；如果i小于j，c_j成为c_i的右子节点。

4.根据权利要求1所述的一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，其特征在于：所述步骤2中构建网络节点社区的具体方法为：

2.1、通过视频服务器中存储的用户历史播放日志获取所有用户的平均在线时间计算每个网络节点n_i的平均播放时间并将网络节点n_i的平均播放时间与所有用户的平均在线时间进行对比，如果则网络节点n_i的播放状态是稳定的；如果则网络节点n_i的播放状态是不稳定的；

2.2、每一个具有稳定播放行为的网络节点缓存二叉树中对应的一个视频块到本地静态缓冲区中，其中第一个加入系统播放视频的网络节点缓存二叉树根节点对应的视频块到本地静态缓冲区，随后加入系统的网络节点分别缓存二叉树根节点的左子节点和右子节点对应的视频块到本地静态缓冲区中，缓存二叉树根节点及其左子节点和右子节点对应视频块的网络节点分别在设定的固定时间周期内发送当前的播放状态消息维护已建立的逻辑连接；

2.3、随着加入系统播放视频的节点数量的增加，后续具有稳定播放网络节点的数量也不断增加，则这些网络节点按照宽度优先的顺序依次缓存二叉树中对应的视频块；

2.4、当二叉树中所有视频块均被覆盖网络中具有稳定播放行为的网络节点缓存后，视频系统中所有流行视频块均可从覆盖网络中利用由稳定播放行为的网络节点所构成的二叉树提供，新加入的网络节点则根据网络节点密度优先缓存二叉树中流行度高的视频块；

2.5、二叉树中所有视频块被网络中具有稳定播放行为的多个网络节点缓存，缓存二叉树中相同视频块的节点构成一个网络节点社区，在网络节点社区中，具有最长平均播放时间长度的网络节点作为网络节点社区的头节点，网络节点社区的头节点与相连的其他社区的头节点建立逻辑连接，并通过定期发送消息维护彼此状态信息；二叉树中每个视频块均连接了一个非流行视频块集合，播放非流行视频块集合中任一视频且具有不稳定播放行为的网络节点构成一个网络节点社区，该网络节点社区中的每个成员均与其播放的视频块所在的网络节点社区中任一成员建立逻辑连接，并通过定期发送播放状态消息维护该逻辑连接。

5.根据权利要求1所述的一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，其特征在于：所述步骤4中利用网络节点社区之间建立的逻辑连接快速转发请求消息实现视频块的快速搜索包括：

4-1、网络节点即未播放过任何视频内容的网络节点n_a加入系统的具体搜索方法为：

4-1.1、网络节点n_a向视频服务器发送请求消息要求获取视频块，视频服务器将该请求消息转发至最近加入系统的网络节点n_b；

4-1.2、如果n_b当前播放的视频内容刚好为网络节点n_a所要求的，则n_b直接向n_a发送视频数据；

4-1.3、如果n_b当前播放的视频块与网络节点n_a所要求的不同且n_b为具有不稳定播放行为的网络节点，则n_b将的请求消息发送至所连接的具有稳定播放行为的网络节点n_c处，n_c向所在网络节点社区的头节点转发n_a的请求消息，该头节点为n_a搜索请求的视频块；

4-1.4、如果n_b当前播放的视频内容与网络节点n_a所要求的不同且为具有稳定播放行为的网络节点，则n_b直接将n_a的请求消息转发至所在网络节点社区的头节点，该头节点利用二叉树中网络节点社区头节点间维护的连接为网络节点n_a搜索请求的视频块。

6.根据权利要求1所述的一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，其特征在于：所述步骤4中利用网络节点社区之间建立的逻辑连接快速转发请求消息实现视频块的快速搜索包括：

4-2、具有不稳定播放行为的系统成员n_a请求视频信息的具体搜索方法为：系统成员n_a正在播放视频块c_a∈CS_i，并连接网络节点社区C_i中一个成员n_b：

4-2.1、n_a请求直接连接的二叉树中对应视频块：n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_i，n_a向n_b发送请求消息，n_b发现n_a所请求视频块为本地缓冲区存储的视频块，则n_b直接向n_a发送相应的视频数据；

4-2.2、n_a请求直接连接的二叉树中对应视频块相连链表中的视频块：n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_d∈CS_i，n_a向n_b发送请求消息，n_b发现没有存储n_a所请求视频块但n_a请求的视频块为n_b所在网络节点社区对应的存储的视频块相连链表中的视频块，则n_b直接向所在网络节点社区C_i的头节点n_i转发请求消息，由头节点n_i进行广播为n_a搜索相应的视频数据；

4-2.3、n_a请求二叉树子树中对应流行视频块：n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_e，n_a向n_b发送请求消息，n_b向所在节点社区C_i的头节点n_i转发n_a的请求消息，n_i利用网络节点社区头节点之间的逻辑连接为n_a搜索相应的视频数据；

4-2.4、n_a请求二叉树子树中视频块节点相连的非流行视频块：n_a完成对于c_a的播放，并请求视频c_p∈CS_g，n_a向n_b发送请求消息，n_b向所在网络节点社区C_i的头节点n_i转发n_a的请求消息，n_i利用网络节点社区头节点之间的逻辑连接关系将n_a的请求消息转发至c_g对应网络节点社区C_g的头节点n_g，由n_g为n_a搜索相应的视频数据；

4-2.5、在网络节点社区无法为请求节点n_a提供视频数据的情况下，n_a直接向视频服务器发送请求消息，从视频服务器获取相应的视频数据。

7.根据权利要求1所述的一种移动自组网下基于聚类树的视频共享方法，其特征在于：所述步骤4中利用网络节点社区之间建立的逻辑连接快速转发请求消息实现视频块的快速搜索包括：

4-3、具有稳定播放行为的系统成员n_a搜索网络中任一视频块的方法为：n_a直接向其所在网络节点社区的头节点发送请求消息，由头节点直接为n_a搜索相应的视频数据。