播存網(wǎng)絡中的內(nèi)容廣播補包機制

楊 鵬 方水明 呂培培

(東南大學計算機科學與工程學院, 南京 211189)(東南大學計算機網(wǎng)絡與信息集成教育部重點實驗室, 南京 211189)

隨著互聯(lián)網(wǎng)尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)的急速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)的主流應用范型已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)的端到端數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢?nèi)容為中心的共享類應用[1-2],伴隨著這一變化的是互聯(lián)網(wǎng)流量的爆炸性增長.究其原因在于,內(nèi)容共享類應用具有點到面的輻射分發(fā)特征,然而在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)中執(zhí)行內(nèi)容分發(fā)的卻是流量受帶寬限制、物理上基于對流傳輸模型的TCP/IP協(xié)議,這必然會造成大量內(nèi)容的冗余傳輸,進而加劇全球的IP流量增長[3].因此,基于創(chuàng)新理念的新型網(wǎng)絡成為當前網(wǎng)絡研究的熱點.

近年來,國內(nèi)外研究界相繼提出了多種不同的新型網(wǎng)絡解決方案,其中較有代表性的包括信息中心網(wǎng)絡(ICN)[4-5]、軟件定義網(wǎng)絡(SDN)[6-7]和播存網(wǎng)絡[1-2,8]等.總的來說,已提出的信息中心網(wǎng)絡和軟件定義網(wǎng)絡研究方案,大多采用有別于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的革命性路線,然而在短期內(nèi)大規(guī)模部署和取代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)仍面臨許多挑戰(zhàn).播存網(wǎng)絡是我國科學家李幼平院士提出的一種新型網(wǎng)絡[9-10],它采用物理變革和二元結構為特征的創(chuàng)新研究思路,充分利用廣播的天然輻射分發(fā)特性,并通過網(wǎng)內(nèi)泛置的內(nèi)容緩存匹配內(nèi)容共享應用的需求.

物理廣播(包括衛(wèi)星和地面廣播等)是播存網(wǎng)絡的關鍵支撐技術,它可以提供“共享不限人數(shù)”的內(nèi)容分發(fā)服務,內(nèi)容共享通常具有復雜網(wǎng)絡的scale-free特性[11].然而,無線廣播易受天氣等環(huán)境因素影響,導致廣播數(shù)據(jù)包丟失和出錯.在互聯(lián)網(wǎng)中,丟包和錯包可通過重傳和糾錯機制來處理,然而廣播環(huán)境的單工通信方式和復雜出錯情形使得該方法難以適用于播存網(wǎng)絡.為此,本文提出了一種面向播存網(wǎng)絡的補包機制,能夠在保證數(shù)據(jù)包正確補回的基礎上,充分兼顧播存網(wǎng)絡的個性化特色和資源利用率,并能通過改變補包閾值來靈活調(diào)節(jié)補包強度,增強播存網(wǎng)絡的內(nèi)容廣播分發(fā)性能.

1 播存網(wǎng)絡的廣播出錯情形

播存網(wǎng)絡對內(nèi)容的標識、分發(fā)和個性化推薦等都基于統(tǒng)一內(nèi)容標簽(uniform content label,UCL).UCL是一種新型內(nèi)容元數(shù)據(jù)[1,10],主要描述內(nèi)容的出處(網(wǎng)站)、類別、話題、熱度、時間戳、標題、摘要、關鍵詞、長度、哈希指紋等關鍵信息.在播存網(wǎng)絡中,系統(tǒng)首先對互聯(lián)網(wǎng)中的熱門內(nèi)容進行采集聚類,利用UCL對這些內(nèi)容進行標引,然后將這些UCL和對應的內(nèi)容全文封裝成廣播TS流進行分發(fā).用戶一方面可以對UCL 按自己的喜好進行個性化取舍和快覽,另一方面可以通過眾多的內(nèi)容服務器,就近獲取自己感興趣的內(nèi)容全文.但是,由于天氣、電磁干擾等環(huán)境因素影響,播存網(wǎng)絡中的廣播數(shù)據(jù)包容易出現(xiàn)丟失和出錯(見圖1).圖中,P1～P5表示數(shù)據(jù)包.

一旦發(fā)生廣播數(shù)據(jù)包丟包和錯包,將導致如下問題:破壞內(nèi)容的完整性,導致信息不可用;降低信息的質(zhì)量,損害用戶的使用體驗;增大網(wǎng)絡負荷,降低系統(tǒng)性能.進一步分析表明,播存網(wǎng)絡中的內(nèi)容廣播可能的出錯情形包括:① 數(shù)據(jù)包的部分丟失;② 數(shù)據(jù)包內(nèi)容指紋或者類型字段出錯,包括數(shù)據(jù)位的反轉(zhuǎn)和丟失;③ 數(shù)據(jù)包非內(nèi)容指紋和類型字段出錯;④ 數(shù)據(jù)包亂序.

圖1 播存網(wǎng)絡的廣播丟包錯包示意圖

上述4種情形都將導致內(nèi)容不可用,因此都需要進行補包處理,具體差異在于補包所需參數(shù)的獲取方法.在情形1和情形2中,由于缺少補包所必需的內(nèi)容指紋和類型等參數(shù),因此需要借助其他正常數(shù)據(jù)包來獲取,否則該數(shù)據(jù)包將無法正常補包.在情形3和情形4中,補包所需關鍵參數(shù)未缺失,可以直接提取并補包.

2 播存網(wǎng)絡的補包流程

2.1 內(nèi)容廣播的補包需求

播存網(wǎng)絡的補包機制必須滿足3個需求:準確性、時效性和個性化.補包機制既要正確地補回出錯或缺失的正確信息,同時又要兼顧廣播分發(fā)的時效性和效率.此外,補包機制還必須保證播存網(wǎng)絡的個性化特色.

補包準確性包含2層含義:① 準確地檢測出丟包錯包;② 準確地補回發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)包.本文在設計補包機制時主要采用簡單可靠且運算快捷的CRC32檢錯算法.如圖2所示,針對補包的準確性要求,設計了適用于播存網(wǎng)絡的TS廣播包結構.在TS廣播包中,封裝了數(shù)據(jù)類型、偏移值、UCL代碼、內(nèi)容指紋等關鍵屬性字段,它們可以確保出錯信息的精確定位;另外,補回的包通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸,可以保證補包的準確性.

圖2 播存網(wǎng)絡的TS流封裝格式

補包時效性要求補包機制的時延盡可能小,這對于高實時性應用尤其重要,因此本文通過優(yōu)先級補包隊列來滿足實時性要求.個性化是播存網(wǎng)絡的重要特色,為不破壞播存網(wǎng)絡的個性化優(yōu)勢,補包機制需要對出錯信息進行篩選,確保補回更符合用戶興趣的信息.這也有助于高效地利用終端和內(nèi)容服務器有限的存儲空間,提高用戶體驗.

2.2 數(shù)據(jù)包檢驗及出錯信息處理

具體的數(shù)據(jù)包檢驗及出錯信息處理流程如圖3所示.廣播源點在將信息封裝完成后,運用CRC32算法生成4個字節(jié)的校驗碼,并將其附在每個TS包末尾的檢驗字段中.接收端對收到的數(shù)據(jù)包進行同樣的CRC32檢驗,收集出錯數(shù)據(jù)包的補包參數(shù),并計算每條出錯信息在補包隊列中的優(yōu)先級值,然后將出錯參數(shù)插入相應的隊列中.

圖3 數(shù)據(jù)包檢驗及出錯信息處理流程

圖3中涉及到3個重要的補包參數(shù):① 補包概率pb,即一條出錯信息需要進行補包的概率;② 補包閾值ps,即對出錯信息進行補包的最小概率閥值;③ 補包優(yōu)先級閾值pt,它決定了待補包的出錯信息進入高補包優(yōu)先隊列還是低補包優(yōu)先隊列.

數(shù)據(jù)包檢驗及出錯信息處理的具體執(zhí)行過程如下:首先,接收端從廣播接收緩存中每次讀取1個TS包,比較CRC32檢驗接收端的計算值和數(shù)據(jù)包的檢驗碼字段值,若相同,則將數(shù)據(jù)包交給后續(xù)接收流程處理;否則,通過包頭部分收集補包所需的內(nèi)容指紋、熱度、類別、長度等參數(shù)信息,同時根據(jù)這些參數(shù)計算pb.然后,根據(jù)pb對該出錯信息進行篩選,若pb>pt,則將該出錯信息按pb的大小插入補包高優(yōu)先級隊列的相應位置;若pbps,即出錯信息被納入補包隊列的最小概率值,則將出錯信息按照FIFO的順序插入補包低優(yōu)先級隊列,否則丟棄該出錯信息,如此循環(huán).

需要說明的是,第1次計算補包概率pb是為了對出錯信息進行篩選,第2次計算pb是為了提高緩存的利用率.當緩存利用率較低時,2次計算將增大pb,反之則將減小pb.使用高低優(yōu)先級隊列是為了提高補包的時效性,高優(yōu)先級的出錯信息將被優(yōu)先補回.

2.3 補包流程

接收模塊將會把出錯信息插入補包高低優(yōu)先級隊列,同時補包機制會從補包隊列中讀出錯信息進行補包.補包時,每次優(yōu)先查看高優(yōu)先級隊列,如果不空,表明有出錯信息未被處理,則取當前優(yōu)先級最高的一條;否則,查看低優(yōu)先級是否為空,若不為空,則取隊列最靠前的出錯信息.如果2個隊列都已處理完畢,則程序結束.

補包流程的時序圖見圖4.圖中,C表示某條內(nèi)容,具體存在5種可能的補包情形.首先,查看用戶終端是否已經(jīng)存有對應內(nèi)容.由于采用輪播,因此可能出現(xiàn)一條內(nèi)容在某次廣播中出錯、但在其他次廣播過程中被正確接收的情況.如果用戶終端已經(jīng)存有對應內(nèi)容,則無需補包,直接刪除該出錯信息;否則,用戶終端將利用補包參數(shù)向內(nèi)容服務器發(fā)起對應內(nèi)容的重傳請求.在播存網(wǎng)絡中,離用戶終端最近的內(nèi)容服務器首先收到用戶終端發(fā)來的請求,然后查看本地是否存有請求的內(nèi)容,如果有則直接將其返回給用戶終端;否則,內(nèi)容服務器將

圖4 補包流程的時序圖

向更上層的廣播源點轉(zhuǎn)發(fā)該補包請求.

廣播源點收到補包請求后,同樣需要先查看本地是否存有被請求的內(nèi)容,因為如果存儲空間有限內(nèi)容可能已被刪除.如果廣播源點已不再存有該條內(nèi)容,則通知內(nèi)容服務器和用戶終端,必須通過互聯(lián)網(wǎng)來獲取該條信息;如果還存有該內(nèi)容,先判別該內(nèi)容被請求補包的次數(shù)是否大于最大請求閾值,如果是,說明很多接收端沒有成功接收到該條信息,則廣播源點通過廣播再次分發(fā)該內(nèi)容,如果否,則將對應請求次數(shù)加1,并回傳該內(nèi)容給內(nèi)容服務器和用戶終端.接收端成功取回該內(nèi)容后,刪除該條出錯信息,并開始處理下一條出錯信息.

3 補包概率模型

播存網(wǎng)絡中廣播補包機制的核心思想是依據(jù)概率補包.本文采用補包概率pb、補包閾值ps和補包優(yōu)先級閾值pt等參數(shù)來構建播存網(wǎng)絡的補包概率模型.其中,pb反映了對需要補包的出錯信息進行補包的優(yōu)先級.依據(jù)pb和ps,可以決定是否對出錯信息進行補包,如果pb≥ps,需要補包,否則不補包.pt則決定待補包的出錯信息進入哪個優(yōu)先隊列.此外,補包概率模型還涉及以下參數(shù):訪問命中率ph、用戶期望值pe、緩存空間利用率u等.下面對這些參數(shù)的計算方法進行詳細說明,并給出基于概率模型的具體補包算法.

3.1 補包閾值

補包閾值ps是出錯信息被納入補包隊列的最小概率值,它可以衡量一條出錯信息是否需要補包.ps的大小決定了補包的強度:① 當ps=0時,所有的出錯信息都將被補回;② 當ps=1時,所有出錯信息都不補;③ 當ps=m(0

在補包概率模型中,ps可以動態(tài)調(diào)整,該值與播存網(wǎng)絡時延和訪問命中率有關,用戶總是希望時延更小,而訪問命中率更高.ps越大,意味著對出錯信息的篩選強度越大,對應內(nèi)容的個性化程度越高;反之,對出錯信息的篩選強度越小,對應內(nèi)容的多樣性更好.

文獻[11]指出,通過IP網(wǎng)絡獲取內(nèi)容平均需要14.94跳加權路由.而播存網(wǎng)絡平均只需要1～3跳,因此播存網(wǎng)絡的廣播分發(fā)平均時延通常要優(yōu)于互聯(lián)網(wǎng)IP路由.尤其當分發(fā)內(nèi)容的量較大或網(wǎng)絡繁忙時,兩者差異更加明顯.假定互聯(lián)網(wǎng)主結構和播存次結構的平均時延分別為t2和t3,且t2>t3,通過播存次結構獲得內(nèi)容的命中率為ph,則播存網(wǎng)絡的綜合響應時間為

t′=t2(1-ph)+t3ph=t2-(t2-t3)ph

(1)

式(1)中的t2,t3為常量,因此若要減小響應時間,則需提高命中率ph.ph=100%為最理想的情況,即用戶所有的信息請求都能通過播存次結構得到響應.但是,這種理想情形會受到如下因素的制約:① 每個節(jié)點的緩存有限,無法存下源源不斷的廣播內(nèi)容,因而無法以100%的命中率滿足用戶的多樣內(nèi)容需求;② 從網(wǎng)絡的整體性能出發(fā),部分長尾的內(nèi)容請求通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸更好.

此外,廣播出錯必然會對內(nèi)容服務產(chǎn)生影響,故實際情況下ph不可能達到100%.理論上,ph在一定的約束條件下會存在一個最大值,這代表播存次結構中的一個節(jié)點能在多大程度上滿足用戶的需求.假如播存次結構不命中的信息請求都可以通過補包機制得到滿足,則ph與補包閾值的關系為

ps=1-ph

(2)

式(2)的物理含義是,如果想使某節(jié)點的訪問命中率達到ph,則補包閾值最大為1-ph.因此,可以根據(jù)式(2)動態(tài)調(diào)整ps的大小.

3.2 補包概率

根據(jù)出錯信息可以計算得到補包概率pb,它表示一條出錯信息在補包隊列中的優(yōu)先級值.補包概率主要受以下3個因素影響:① 該出錯信息所對應內(nèi)容在多大程度上符合用戶興趣,即用戶期望值pe;② 用戶終端或內(nèi)容服務器的緩存空間利用率u;③ 該出錯信息所對應內(nèi)容的長度l.其中,用戶期望值pe起決定性作用.若pe≥ps,一定補包;否則,將利用節(jié)點的當前緩存空間利用率和內(nèi)容長度對補包概率進行二次計算,以增加內(nèi)容的多樣性,提高訪問命中率.

pe的取值取決于以下因素:① 對應內(nèi)容的興趣類別c.若出錯信息對應內(nèi)容符合用戶興趣,則c取值為1;否則,取值為0.② 對應內(nèi)容的熱度p.播存網(wǎng)絡中熱度值應滿足0≤p≤7,熱度值越大表示內(nèi)容的熱門程度越高.③ 實時性指標r.通過指數(shù)衰減公式求得,即

r=e-δ(t-e)

(3)

式中,t為當前時間;e為出錯信息的時間;δ為系數(shù),可以根據(jù)實際需要進行設定.由此得到pe的歸一化計算公式為

(4)

式中,權重參數(shù)α+β+γ=1.如果pe≥ps,則pb=pe,關于pb的計算結束;如果pe

補包概率pb的計算公式為

(5)

式中,k為常量參數(shù);Us為緩存空間利用率補包閾值;Ls為內(nèi)容長度補包閾值;緩存空間利用率u=S/T,表示節(jié)點當前已存儲內(nèi)容S與節(jié)點緩存空間總量T的比值.當u

3.3 基于概率模型的補包算法

播存網(wǎng)絡中基于上述補包概率模型的內(nèi)容廣播補包算法(PPBSN)見算法1.

算法1:基于概率模型的內(nèi)容廣播補包算法PPBSN

輸入:出錯內(nèi)容L,L的長度為l,期望命中率ph,緩存空間利用率u.

輸出: 高優(yōu)先級隊列HPQueue,低優(yōu)先級隊列LPQueue.

ps←1-ph;//計算補包閾值ps

pb←αc+βp+γe-δ(t-e);

If (pb>pt)

高優(yōu)先級隊列HPQueue←出錯內(nèi)容L;

Return;

End if

If (pb

pb←4kpeUsLs/((u+Us)(l+Ls));

End if

If (pb>ps)

低優(yōu)先級隊列LPQueue←出錯內(nèi)容L;

Else

丟棄出錯內(nèi)容L;

End if

4 實驗與結果分析

本文開發(fā)了一個結合廣播和互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢的播存網(wǎng)絡原型系統(tǒng),主要包括廣播發(fā)射卡、廣播接收卡、廣播源點服務器、內(nèi)容服務器和用戶終端等.其中,廣播發(fā)射卡型號為DTA-115,廣播接收卡型號為數(shù)字太和UTI 3100,調(diào)制模式為QAM64,調(diào)制頻率為576 MHz.在播存網(wǎng)絡原型系統(tǒng)中,開發(fā)實現(xiàn)了爬蟲內(nèi)容采集、UCL標引、廣播發(fā)送、廣播接收、用戶終端數(shù)據(jù)包檢驗及補包處理、內(nèi)容服務器和廣播源點服務器補包響應等程序模塊.基于該原型系統(tǒng),設計了相應的廣播補包實驗,對所提補包機制的合理性和有效性進行了驗證.

實驗的主要處理過程包括:① 采用爬蟲從互聯(lián)網(wǎng)采集熱門內(nèi)容,并對內(nèi)容進行UCL標引;② 通過廣播源點服務器進行內(nèi)容分發(fā);③ 用戶終端收到廣播內(nèi)容之后,進行差錯檢驗,并根據(jù)出錯信息及相關參數(shù),計算補包優(yōu)先級,插入到相應的補包隊列;④ 用戶終端調(diào)用廣播補包算法PPBSN,從補包隊列讀取出錯參數(shù)并進行補包.

實驗中設定廣播源點服務器每次發(fā)送的內(nèi)容條數(shù)依次為100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,實驗接收及出錯情況見圖5.實驗中每組內(nèi)容發(fā)送3次.由圖可知,廣播分發(fā)的出錯內(nèi)容數(shù)量基本上與發(fā)送內(nèi)容數(shù)量以及感興趣內(nèi)容數(shù)量正相關.另外,圖中存在著出錯內(nèi)容數(shù)與實際接收內(nèi)容數(shù)大于用戶感興趣內(nèi)容數(shù)的情況,這是因為該內(nèi)容雖然在某次分發(fā)中出錯,但在其他2次分發(fā)中已被正確接收.這種情況下的出錯信息會在補包環(huán)節(jié)被檢測出來,因而不影響實驗結果.實驗結果表明,所有需要補回的內(nèi)容都能被完全正確地補回.

圖5 廣播分發(fā)及出錯數(shù)量統(tǒng)計圖

為驗證該補包機制在時效性方面的實際效果,記錄了具體補包操作中的補包時間.結果表明,當發(fā)送內(nèi)容數(shù)為450,420,390,360,330,300條時,每條內(nèi)容從發(fā)送到接收的平均時間依次為3.316,3.348,3.39,3.425,3.473,3.41 s,而平均補包時間約為0.432,0.284,0.664,0.512,0.748,0.539 s,平均補包時間約為平均發(fā)送到接收時間的15.6%.即內(nèi)容從發(fā)送到接收的時間遠大于補包時間,這表明該補包機制具有較好的時效性.

進一步考察基于概率模型的補包機制對播存網(wǎng)絡個性化特色的兼顧效果,實驗結果見圖6.實驗開始時,用戶終端的緩存空間利用率較低,此時補包前的用戶興趣比(即用戶感興趣內(nèi)容的占比)只與廣播發(fā)送的內(nèi)容有關,故興趣比基本平穩(wěn).由于用戶不感興趣的部分內(nèi)容被補回,故補包后的用戶感興趣內(nèi)容偶有波動.

圖6 補包前后的用戶興趣比

隨著用戶終端的緩存空間利用率不斷上升,補包后的興趣比整體上呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢.當空間利用率較低(小于0.5)時,可以通過補包機制提升內(nèi)容多樣性并進一步提高空間利用率.當空間利用率較高時,補包機制將會篩選用戶更感興趣的內(nèi)容進行補回,這將使所剩不多的剩余空間得到更高效的利用.

綜上可知,播存網(wǎng)絡原型系統(tǒng)性能穩(wěn)定,檢測到的出錯內(nèi)容均能被正確補回.本文提出的基于概率模型的內(nèi)容廣播補包算法PPBSN具有較好的時效性,并且它能根據(jù)空間利用率的不同情況,采取最佳的內(nèi)容補包策略.

5 結論

1) 播存網(wǎng)絡是我國原創(chuàng)的一種新型未來網(wǎng)絡研究方案.針對播存網(wǎng)絡中由于環(huán)境因素導致的內(nèi)容廣播丟包錯包問題,本文提出了一種基于概率模型的補包機制,并充分利用UCL屬性信息,設計了高效的內(nèi)容廣播補包算法PPBSN.

2) 基于播存網(wǎng)絡原型系統(tǒng)構建了實驗環(huán)境,對內(nèi)容廣播補包機制進行測試.結果表明,該補包機制能在保證數(shù)據(jù)包正確補回的基礎上,充分兼顧播存網(wǎng)絡的個性化特色和資源利用率,滿足播存網(wǎng)絡的高效內(nèi)容分發(fā)需求.

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