基于ＱｏＳ的Ｐ２Ｐ網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及流媒體傳輸

摘要：現(xiàn)有的P2P網(wǎng)絡(luò)服務(wù)缺乏服務(wù)質(zhì)量保證，很難應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。將服務(wù)質(zhì)量屬性引入P2P網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提出了P2P網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)組合模型，提出了基于P2P的數(shù)字音視頻流媒體傳輸?shù)膯栴}及解決辦法。

關(guān)鍵詞：對等網(wǎng)絡(luò)P2P；服務(wù)組合； 服務(wù)質(zhì)量QoS；流媒體傳輸

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2009)04-0807-03

QoS of P2P-based Web Services and Streaming Media Transmission

LIU Huan-xiang1，2

(1.Wuhan University College of Computer Science，Wuhan 430072，China;2 Wuhan University Logistics Group， Wuhan 430072， China)

Abstract: The current lack of P2P network services to ensure the quality of service， it is difficult to apply in the field of business. Quality of Service attributes to the introduction of P2P network services， a P2P network services portfolio model， based on the number of P2P streaming audio and video transmission problems and solutions.

Key words: Peer-to-peer P2P; services portfolio; QoS quality of service; streaming media transmission

1 引言

P2P服務(wù)技術(shù)的興起為建立一個適合P2P環(huán)境、高度分散化、高度自治分布的應(yīng)用提供了計(jì)算模型。然而，面對數(shù)量龐大，形態(tài)萬端的服務(wù)群，如何描述和索引服務(wù)，怎樣查找用戶需要的服務(wù)，并且把多個服務(wù)動態(tài)組合以完成特定功能等，這些問題成為制約P2P服務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。為解決上述問題，出現(xiàn)了服務(wù)建模、服務(wù)組裝、服務(wù)管理等一系列研究點(diǎn)。P2P服務(wù)中的服務(wù)質(zhì)量問題是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題，由于QoS對于P2P服務(wù)在商業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用非常關(guān)鍵，因此如何提供具有QoS保證的P2P服務(wù)非常必要的。本文提出了一種基于服務(wù)質(zhì)量的P2P服務(wù)合成計(jì)算模型；提出基于P2P的數(shù)字音視頻流媒體傳輸?shù)膯栴}及解決辦法。

2 P2P服務(wù)的QOS研究

2.1 目前P2P網(wǎng)絡(luò)的QOS的研究工作

服務(wù)質(zhì)量研究源于多媒體系統(tǒng)，例如，A．Campbell等人研究了分布式多媒體系統(tǒng)中的服務(wù)質(zhì)量問題和針對特定層次的服務(wù)質(zhì)量支持問題，并對一些服務(wù)質(zhì)量體系結(jié)構(gòu)作了評估。在服務(wù)質(zhì)量研究中一般用到服務(wù)質(zhì)量規(guī)范，借助服務(wù)質(zhì)量規(guī)范，可以針對系統(tǒng)某個特定的層次，對各個級別的服務(wù)質(zhì)量，作可判斷的刻畫。服務(wù)質(zhì)量研究己從多媒體系統(tǒng)擴(kuò)展到一般的分布式系統(tǒng)，P2P系統(tǒng)也不例外。對于P2P網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，已經(jīng)有了大量的研究。例如，在文獻(xiàn)[1]中，Ion Stoica等詳細(xì)介紹了一種P2P系統(tǒng)的目標(biāo)查找機(jī)制Chord，并對采用這一機(jī)制的系統(tǒng)的性能作了深入的分析?；贑hord協(xié)議的P2P系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)化的，它們在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)方面有著優(yōu)異的表現(xiàn)。文獻(xiàn)[2]對Gnutella作了進(jìn)一步的性能分析。文獻(xiàn)[3]考察了當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入或退出系統(tǒng)時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定化階段時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力，具體的度量指標(biāo)包括考察目標(biāo)發(fā)現(xiàn)的各個指標(biāo)在穩(wěn)定化階段的取值，以及隨著穩(wěn)定化出現(xiàn)頻率的增加，系統(tǒng)性能相應(yīng)地變化。

通過研究p2p網(wǎng)絡(luò)的典型系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，本文準(zhǔn)備提出一個保證服務(wù)質(zhì)量P2P服務(wù)組合計(jì)算模型。

2.2 P2P服務(wù)的QOS因素考慮

通過研究分析P2P網(wǎng)絡(luò)各種服務(wù)質(zhì)量，由于分析問題的角度不同，一些服務(wù)質(zhì)量特性可以歸屬多個類別；同時類別的劃分也并非完全互斥的。根據(jù)P2P網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的特點(diǎn) ，本文提出的P2P服務(wù)的QoS模型主要包括以下參數(shù)：響應(yīng)時間、聲譽(yù)、成功率、可靠率和價格等。

3 P2P服務(wù)的QOS模型的描述

3.1 P2P服務(wù)形式化

本文提出了一種面向服務(wù)質(zhì)量的P2P服務(wù)組合模型。假設(shè)一個完整的P2P服務(wù)由n個分布的功能組件完成，每個組件包括m 個服務(wù)質(zhì)量屬性， 可以使用下列式子來刻畫一個P2P服務(wù)。

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其中：Fit —實(shí)現(xiàn)P2P服務(wù)的第i個功能組件，qijt — 第i組件的第j個服務(wù)質(zhì)量屬性。

qijt 的服務(wù)s質(zhì)量記為 Qijt，即

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P2P服務(wù)的這種表示給用戶提供了一種透明的服務(wù)訪問機(jī)制，也使P2P應(yīng)用開發(fā)者從熟悉網(wǎng)絡(luò)所涉及的物理服務(wù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的煩瑣工作中解脫出來。更重要的是，服務(wù)這種表示也為P2P網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)容錯和服務(wù)質(zhì)量等級區(qū)分提供了條件。

3.2 P2P服務(wù)質(zhì)量的量化

3.2.1 P2P服務(wù)的QOS度量

在服務(wù)語義描述中[6-7]給出5種通用的QOS度量的概念并給出量化定義，這些度量有響應(yīng)時間、聲譽(yù)、成功率、可靠率和價格。

■

1) 響應(yīng)時間：

給定操作 qijt，其響應(yīng)時間等于服務(wù)請求發(fā)出和該請求結(jié)果收到之間的時間延遲。在文獻(xiàn)[5]中，相應(yīng)時間分為計(jì)算時間，中間件時間和網(wǎng)絡(luò)傳輸時間。

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2) 聲譽(yù)：

Qijt.requtation 表示用戶對 qijt的信任度。

該標(biāo)準(zhǔn)主要依賴與用戶的經(jīng)驗(yàn)和評價，故可定義為用戶的平均評價級別：

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3) 成功率：

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4) 可靠率：

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5) 價格：

Qijt.price 的價格定義為服務(wù)提供者對操作qijt的定價。

3.2.2 基于QoS的服務(wù)合成模型

P2P合成服務(wù)是為了一個特定目標(biāo)遵循一定的數(shù)據(jù)依賴和控制依賴組合起來的，相互協(xié)作的服務(wù)，合成的服務(wù)要最大限度地滿足應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量要求，其模型定義如下：

1) 完成P2P合成服務(wù)的各子功能描述為有向無環(huán)圖G(V，E)。其中V代表合成服務(wù)的組件集合V={fl，f2，…fn}。E是有向邊的集合，邊表示各組件之間的關(guān)系；

2) 服務(wù)質(zhì)量矩陣如下

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3) 用戶給定合成服務(wù)的響應(yīng)時間上限Tsum 以及合成服務(wù)總價格上限Psum：

4) 用戶給定權(quán)值向量如下

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建立的目標(biāo)函數(shù)和約束條件：完成一個服務(wù)需要n個組件功能，共搜索到m個具體功能組件，m?垌n。組件功能之間的依賴關(guān)系形式化表示為帶權(quán)無向圖G=(V，E)，V是m個組件的集合；E是邊的集合，邊權(quán)表示功能組件之間的權(quán)值，解釋為延遲、代價等。定義e:V×V→（0，∞），e（i，j）=e（j，i），所有功能組件集合為D?哿V，F(xiàn)?哿V為可以進(jìn)行服務(wù)組合的潛在功能集合，fi表示選擇組件到組件i∈f 服務(wù)質(zhì)量時的代價，整數(shù)ui表示功能組件i的負(fù)載能力(質(zhì)量屬性：參看質(zhì)量屬性計(jì)算公式)。引入兩組0-l變量

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該模型可以歸為以下的整數(shù)規(guī)劃問題

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其中：Cij --組件i到組件j的邊權(quán)和，約束條件(1)表示集合D中的每個組件一定要分派給惟一的對等節(jié)點(diǎn)；(2)表示每個選中的組件不能超過自己的負(fù)載能力；(3)和(4)表示選中的組件一定是存在的。

4 基于P2P的數(shù)字音視頻流媒體傳輸

近年來，由于對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于P2P(Peer to Peer)方式的流媒體傳輸?shù)难芯恐饾u引起了人們的注意。P2P方式的核心思想是網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)可以直接通信，每個節(jié)點(diǎn)在利用其他節(jié)點(diǎn)資源的同時也為其它節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，也就是充當(dāng)了C/S模式中服務(wù)器和客戶兩種角色。P2P系統(tǒng)通過把服務(wù)器的負(fù)載分散到每個節(jié)點(diǎn)中，可以有效地減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，因此利用P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模流媒體數(shù)據(jù)的傳輸和播放(這些在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是海量的)，從根本上解決基于C／S模式的流媒體系統(tǒng)的擴(kuò)展性差、容錯性差等問題。但P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的加入和退出具有很大的隨機(jī)性，這種不穩(wěn)定性也給基于P2P的流媒體傳輸系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用帶來很多挑戰(zhàn)性問題。目前，對于P2P流媒體系統(tǒng)的研究還處于起始階段，人們從多個角度開展了研究，包括文件搜索機(jī)制、QoS控制機(jī)制、激勵機(jī)制等 。

一個多媒體數(shù)據(jù)流的流規(guī)范通常包含如下部分：可以接受的從源到目的地傳輸數(shù)據(jù)的速率(帶寬)，每個數(shù)據(jù)元素的傳輸延遲(等待時間)以及數(shù)據(jù)元素的丟失率或丟棄率，為了滿足多媒體和其它應(yīng)用程序的需要而進(jìn)行的資源計(jì)劃分配和資源調(diào)度被稱為服務(wù)質(zhì)量管理QoS，分配處理器處理能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬和內(nèi)存容量(用來緩沖那些被提前送到的數(shù)據(jù)元素)都很重要，系統(tǒng)根據(jù)QoS請求的需要來分配它們。

利用P2P技術(shù)可實(shí)現(xiàn)用于IP電話中的數(shù)字音頻流媒體傳輸技術(shù)，對于語音傳輸，目前的帶寬是安全可以勝任的，即使是在網(wǎng)絡(luò)帶寬比較擁擠的時刻，一般也是能夠容忍的，但對于數(shù)字視頻流的傳輸問題，在網(wǎng)絡(luò)比較擁塞的時候，傳輸質(zhì)量(QoS)幾乎是無法得到保證的，畫面有時出現(xiàn)暫時的停頓，有時速度慢的讓人無法忍受。甚至有時就干脆傳輸中斷，究其原因，主要有兩點(diǎn)，一是數(shù)字視頻流在端節(jié)點(diǎn)匯聚時，數(shù)據(jù)包嚴(yán)格按照原來的順序恢復(fù)的，即發(fā)送端和接收端是按嚴(yán)格順序進(jìn)行發(fā)送和重現(xiàn)的，目前網(wǎng)絡(luò)層和視頻播放器都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的緩存的機(jī)制來解決丟包和非順序到達(dá)的問題，這樣就對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了較高的要求(在網(wǎng)絡(luò)播放時)，從而使得傳輸一般要求的數(shù)字視頻流網(wǎng)絡(luò)帶寬下限標(biāo)準(zhǔn)提高了，二是目前有些內(nèi)容發(fā)布是集中式的，造成訪問瓶頸。

采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(Content Delivery Networks)CDN技術(shù)可以減少因并發(fā)訪問帶來的大量重復(fù)數(shù)據(jù)在相同網(wǎng)絡(luò)路徑上的冗余傳輸；提高終端網(wǎng)絡(luò)性能，包括延遲和帶寬；進(jìn)行面向應(yīng)用的優(yōu)化和QoS控制

數(shù)字視頻流媒體數(shù)據(jù)在顯示時，由于人的視覺原因，有時沒有必要嚴(yán)格的一步到位，圖象可以逐步細(xì)化和精確；再者，因網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀特性，可以在源端采用幾路并行分發(fā)方式，這就給我們進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)算法設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化空間。另一方面，單純從視頻數(shù)字流媒體文件下載的情況來看，采用CDN技術(shù)也是非常有利于提高內(nèi)容傳遞速度的。實(shí)現(xiàn)這種網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的關(guān)鍵在于：

1) 專門從事網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腃DN公司在互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)百個節(jié)點(diǎn)中安裝了用于內(nèi)容分發(fā)的服務(wù)器，這些節(jié)點(diǎn)中有的是ISP，也有的是網(wǎng)站。

2) 作為CDN的顧客，即內(nèi)容提供商要發(fā)布的內(nèi)容，是通過CDN服務(wù)器進(jìn)行復(fù)制的，當(dāng)提供商的內(nèi)容發(fā)生改變時，CDN服務(wù)器會自動刷新。

3) CDN公司是一家專門從事網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)的，其服務(wù)器中保存著各個不同內(nèi)容提供商要傳輸?shù)膬?nèi)容，從而降低運(yùn)營成本。

顯然，為了能準(zhǔn)確定位到某個特定的服務(wù)器，必須對源(內(nèi)容服務(wù))服務(wù)器上要傳輸?shù)捻撁婊蛭募由蠘?biāo)簽，以便節(jié)點(diǎn)上的DNS能夠準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)。

從上面看出，基于P2P的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，其主要問題是服務(wù)器過載、網(wǎng)絡(luò)時延長，傳輸質(zhì)量得不到保證。另外還有網(wǎng)絡(luò)安全和版權(quán)保護(hù)問題

5 結(jié)束語

本文將服務(wù)合成引入P2P，建立了P2P的服務(wù)合成模型，給出了基于服務(wù)質(zhì)量的P2P服務(wù)合成計(jì)算模型；提出了基于P2P的數(shù)字音視頻流媒體傳輸?shù)膯栴}及解決辦法。在文章中，只考慮了線性服務(wù)合成，P2P網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是存在大量同類型的服務(wù)組件，怎樣將同類型的服務(wù)組件進(jìn)行組合，即單個組件不滿足服務(wù)質(zhì)量要求時，用多個同類型服務(wù)組件，共同提供滿足QoS要求的P2P服務(wù)，這是下一步需要解決的問題。

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