一種協(xié)同的基于P2P的VoD的節(jié)點(diǎn)選擇方法

張慶隆　黃鴻基　尤晟　趙宸　閆園園

摘 要：本文公開了一種協(xié)同的基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Peer-to-Peer，P2P）的視頻點(diǎn)播（Video on Demand，VoD）的節(jié)點(diǎn)選擇方法，針對(duì)當(dāng)前基于P2P 的VoD的節(jié)點(diǎn)選擇算法無(wú)法兼顧頻譜資源的有效利用和提高服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service， QoS）的問(wèn)題，本方法采用兩個(gè)階段通過(guò)不同的算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇。在第一階段，引入注水法對(duì)目標(biāo)方程進(jìn)行尋優(yōu)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的初步篩選；在第二階段，采用模糊數(shù)學(xué)理論基于多種指標(biāo)對(duì)第一階段篩選得到的節(jié)點(diǎn)QoS性能進(jìn)行評(píng)估并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇。本方法采用兩階段的節(jié)點(diǎn)選擇策略，有效考慮了多種因素，特別是通過(guò)第一階段對(duì)節(jié)點(diǎn)的初步篩選，能夠更加有效地利用了頻帶資源。本方法通過(guò)引入模糊評(píng)判機(jī)制，綜合考慮了多種影響QoS的因素，從而能夠更好地滿足用戶對(duì)P2P VoD系統(tǒng)QoS的需求。

關(guān)鍵詞：P2P ；VOD ；節(jié)點(diǎn)選擇；QoS

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.研究背景

近年來(lái)，隨著多媒體通信的發(fā)展，VoD為用戶提供了豐富的使用體驗(yàn)?；谟脩魧?duì)QoS要求的提高以及用戶量的增加，傳統(tǒng)C/S（Client/Server）模式的VoD系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足現(xiàn)在的需求。P2P技術(shù)的興起，為VoD系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用提供了可行的解決方案。盡管如此，P2P VoD系統(tǒng)的研究仍然有很多問(wèn)題亟待解決，如何提高系統(tǒng)的均衡性、節(jié)點(diǎn)選擇的公平性和提高頻譜資源的利用率都是重要的技術(shù)問(wèn)題。

2.兩階段的基于P2P的VoD的節(jié)點(diǎn)選擇策略

本方法針對(duì)傳統(tǒng)的基于P2P VoD系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)選擇策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)用戶期望的QoS的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，考慮到影響系統(tǒng)QoS的因素較為復(fù)雜，提出一種兩階段的基于P2P的VoD的節(jié)點(diǎn)選擇策略。在第一階段，考慮提高頻譜利用率的因素，采用“注水法”的思想對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步的篩選；第二階段，采用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行最終的篩選，從而提高系統(tǒng)的QoS。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本方法提出的技術(shù)方案為一種協(xié)同的基于P2P的VoD的節(jié)點(diǎn)選擇方法，包括以下兩個(gè)階段：

第一階段、針對(duì)視頻利用率的因素，進(jìn)入目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，采用注水法的思想，并通過(guò)Lagrangian算法進(jìn)行求解，具體過(guò)程如下：

（1）定義網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成節(jié)點(diǎn)集N，同時(shí)，第i個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重為wi，這里，wi為選擇因子，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)繁忙指數(shù)ξi，即所謂的節(jié)點(diǎn)頻譜利用系數(shù)，它可定義如下：

這里，Bi代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)所能提供的上行帶寬，Bmax表示系統(tǒng)的最大帶寬，其為固定值，顯然，ξi越大，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)的頻譜利用率越高，視頻利用率越高。

（2）定義li為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)視頻速率，目標(biāo)是要根據(jù)ξi進(jìn)行視頻利用率排序，進(jìn)行初步的節(jié)點(diǎn)選擇策略，可得到優(yōu)化問(wèn)題如下：

（3）引入注水法，采用Lagrangian算法優(yōu)化以上所述的目標(biāo)函數(shù)

（a）其中，λ為L(zhǎng)agrangian算子，結(jié)合下列約束條件進(jìn)行尋優(yōu)

（4）得到初步節(jié)點(diǎn)選擇的優(yōu)化策略；

第二階段、采用模糊綜合評(píng)判體系進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇，其過(guò)程可描述如下：

（1）對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

，i=1，2，3，4 j=1，2，…，6

（a）這里，每隔固定時(shí)間進(jìn)行采樣，得到相應(yīng)指標(biāo)，xij代表第i個(gè)指標(biāo)在第j次采樣的樣本值，μj，sj分別代表所有樣值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

（2）得到因子矩陣：

（3）對(duì)第一階段篩選出來(lái)的節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)繁忙指數(shù)ξi，進(jìn)行歸一化處理

；

（4）對(duì)R進(jìn)行模糊變換，U為模糊輸入，V為模糊輸出，該關(guān)系可描述為

Tr：F（U）→F（V）；

（5）最終得到評(píng)分函數(shù)如下

（6）這里，Evaluation為評(píng)分函數(shù)，基于該函數(shù)，可以規(guī)定如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的Evaluation的值大于一定比例節(jié)點(diǎn)的Evaluation的值，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)將最終被選中進(jìn)行視頻傳輸；相反，達(dá)不到該指標(biāo)的節(jié)點(diǎn)將在本次節(jié)點(diǎn)選擇中停止VoD的相關(guān)功能。

進(jìn)一步，上述步驟1中所述的固定時(shí)間優(yōu)選為10分鐘。

步驟1中所述相應(yīng)指標(biāo)為節(jié)點(diǎn)在線時(shí)間、視頻傳輸時(shí)延、節(jié)點(diǎn)帶寬和節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間開銷。

3.性能測(cè)試與分析

在一個(gè)100m*100m 的區(qū)域內(nèi)，基于P2P VoD 系統(tǒng)布置100個(gè)節(jié)點(diǎn)，該系統(tǒng)總共有100個(gè)文件，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有其中5～10個(gè)文件，媒體播放速率300kbps，所有節(jié)點(diǎn)性能良好，上行帶寬上限為512kbps，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，視頻播放時(shí)長(zhǎng)為3600s，整個(gè)系統(tǒng)有100個(gè)媒體文件。

測(cè)試流程如下：

（1）首先，該系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行3天，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)備，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后采樣各種指標(biāo)。

（2）運(yùn)用本發(fā)明提出的協(xié)同的基于P2P的VoD的節(jié)點(diǎn)選擇策略進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇，并引入peerSim仿真器和NS-2進(jìn)行分析。

（3）由圖1可以看出，經(jīng)過(guò)本發(fā)明所提出的策略的尋優(yōu)，啟動(dòng)時(shí)延相對(duì)較低。之前的研究的啟動(dòng)時(shí)延都在10s以上，而本策略得出的啟動(dòng)時(shí)延小于8.5，且隨著請(qǐng)求率增加而減小，同時(shí)也比較穩(wěn)定。由此可以證明，本策略能夠?qū)崿F(xiàn)基于P2P VoD的性能較好和魯棒性較好的節(jié)點(diǎn)選擇方案，提高P2P VoD系統(tǒng)的QoS。

結(jié)論

本文采用兩階段的節(jié)點(diǎn)選擇策略，有效考慮了多種因素，特別是通過(guò)第一階段對(duì)節(jié)點(diǎn)的初步篩選，能夠更加有效地利用了頻帶資源。同時(shí)，通過(guò)引入模糊評(píng)判機(jī)制，綜合考慮了多種影響QoS的因素，從而能夠更好地滿足用戶對(duì)P2P VoD系統(tǒng)QoS的需求。

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