云環(huán)境下融合P2P技術(shù)的群組視頻分發(fā)機制的研究

張鐵楠

摘要：互聯(lián)網(wǎng)視頻內(nèi)容分發(fā)越來越普遍，分析了當(dāng)前內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)CDN和基于對等網(wǎng)P2P技術(shù)的不足，提出了融合P2P技術(shù)的云計算內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于訪問同一視頻內(nèi)容的用戶群組，對基于該技術(shù)的群組視頻分發(fā)機制包括服務(wù)機制、優(yōu)化部署進行研究， 設(shè)計了云環(huán)境下融合P2P技術(shù)的群組視頻分發(fā)機制的體系結(jié)構(gòu)，進一步闡述其工作原理，從而解決互聯(lián)網(wǎng)用戶規(guī)模激增、用戶異構(gòu)性日益突出以及用戶對業(yè)務(wù)體驗要求越來越高的問題。

關(guān)鍵詞：云計算;群組;視頻分發(fā);P2P技術(shù)

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0011-02

Abstract： Internet video content distribution is becoming more and more common. This paper analyzes the shortcomings of current content distribution network CDN and peer-to-peer （P2P）technology， and proposes a cloud content distribution system that integrates P2P technology. The system is applied to the user group that accesses the same video content， the group video distribution mechanism based on the technology is studied， including the service mechanism and the optimal deployment. The architecture of the group video distribution mechanism that integrates P2P technology in the cloud environment is designed. The working principle is further elaborated. This will solve the problem of the proliferation of Internet users， the increasing heterogeneity of users， and the increasing demand of users for business experience.

Key words： cloud computing; group; video distribution; P2P technology

互聯(lián)網(wǎng)視頻內(nèi)容分發(fā)吸引越來越多的用戶，已經(jīng)成為“殺手級”應(yīng)用。各類網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用，如：視頻直播系統(tǒng)（Live Streaming）、視頻點播系統(tǒng)（Video-on-Demand， VoD）、基于社交網(wǎng)絡(luò)的視頻分享、在線視頻會議等已成為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)最為重要的應(yīng)用[1]。在思科公司最近的一份研究報告中預(yù)測：2021年，視頻將占到數(shù)據(jù)中心和終端用戶傳輸總流量85%[2].激增的用戶規(guī)模在為內(nèi)容服務(wù)商帶來巨大商機的同時也面臨著極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，借助內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)CDN和基于對等網(wǎng)P2P技術(shù)是實現(xiàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)的分發(fā)是最具代表性的兩種技術(shù)方案。但由于用戶規(guī)模激增、用戶異構(gòu)性日益突出以及用戶對業(yè)務(wù)體驗要求越來越高，上述兩項技術(shù)暴露出各自的技術(shù)局限。最近幾年云計算技術(shù)的快速興起及數(shù)據(jù)中心等云設(shè)施在全球范圍的廣泛部署為實現(xiàn)大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑。云計算具有高擴展性、按需供給、高靈活性等優(yōu)點， 而這些優(yōu)勢較好地契合了互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容分發(fā)的需求。但由于云服務(wù)商通常按照“用多少，花多少”的方式向內(nèi)容服務(wù)商收取帶寬資源費用[2]，如果內(nèi)容分發(fā)全由數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)，一方面會對數(shù)據(jù)中心形成巨大壓力， 同時也會導(dǎo)致內(nèi)容服務(wù)商的經(jīng)費開支難以控制。因此，把P2P技術(shù)有策略地融合到云內(nèi)容分發(fā)中，充分利用P2P技術(shù)部署成本低的特點以及云計算具有良好的系統(tǒng)彈性和按需供給的特點，將兩者取長補短則有望成為新一代互聯(lián)內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)的核心思路。

在融合了P2P技術(shù)的云內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)中，訪問同一視頻內(nèi)容的用戶我們稱為“群組”（Swarm），在“群組”中的用戶可以通過兩種方式獲得數(shù)據(jù)，我們稱用戶通過數(shù)據(jù)中心的直接服務(wù)從而獲得數(shù)據(jù)的模式為云模式，而稱用戶通過P2P的方式從其他用戶獲取數(shù)據(jù)的模式為對等模式。

1 云環(huán)境下融合P2P技術(shù)的群組視頻分發(fā)機制的研究

1.1 “群組”中用戶的服務(wù)機制研究

融合P2P的云內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)中，根據(jù)提供的是內(nèi)容點播或者內(nèi)容直播業(yè)務(wù)，視頻內(nèi)容服務(wù)器將視頻內(nèi)容提前緩存部署到數(shù)據(jù)中心或者持續(xù)推送至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心為“群組”中工作于云模式下的用戶直接提供內(nèi)容服務(wù)。如圖1展示了云環(huán)境中數(shù)據(jù)中心為“群組”提供內(nèi)容服務(wù)的原理，其中的P2和P5節(jié)點工作在云模式，而其他節(jié)點在對等模式工作，從其他節(jié)點獲得數(shù)據(jù)。在“群組”中，云模式下工作的節(jié)點越多則使得對等模式下的節(jié)點有更多的數(shù)據(jù)源，這有助于對等模式下的節(jié)點盡快獲取數(shù)據(jù)，提高“群組”中數(shù)據(jù)的分享效率。另一方面，過多的節(jié)點通過數(shù)據(jù)中心獲得數(shù)據(jù)則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心帶寬資源的過多消耗，這也就失去融合P2P技術(shù)的意義。

由于用戶可以連接的鄰居數(shù)量通常受到自身帶寬資源限制，即：帶寬資源越豐富的節(jié)點通常可以服務(wù)更多的節(jié)點。同時，工作在云模式下的用戶規(guī)模和“群組”的動態(tài)性密切關(guān)聯(lián)，例如：對于動態(tài)性越強的“群組”，為保證其中的用戶獲得持續(xù)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)應(yīng)讓更多的用戶工作在云模式下。

確定了不同時間區(qū)間內(nèi)“群組”中工作在云模式的節(jié)點規(guī)模nc之后，進一步就需要確定工作在不同模式節(jié)點的選取方法和節(jié)點工作模式的轉(zhuǎn)換問題。一方面，需要確定怎樣的節(jié)點應(yīng)工作在云模式。另一方面，如果在某個時間區(qū)間內(nèi)“群組”中工作在云模式下的用戶數(shù)量小于nc，則應(yīng)選取部分工作在對等模式的節(jié)點并轉(zhuǎn)換它們的工作模式為云模式。相反的情況，則應(yīng)該選取部分工作在云模式下的節(jié)點并轉(zhuǎn)換其服務(wù)模式為對等模式。

1.2 視頻內(nèi)容的優(yōu)化部署研究

在融合了P2P的云內(nèi)容分發(fā)方案中，在內(nèi)容點播服務(wù)之前需要將視頻內(nèi)容部署于地理位置異構(gòu)的多個數(shù)據(jù)中心。內(nèi)容部署策略的優(yōu)劣決定了云模式下用戶的業(yè)務(wù)體驗和內(nèi)容服務(wù)商的開銷。

1）視頻內(nèi)容在位置異構(gòu)的多個數(shù)據(jù)中心之中的優(yōu)化緩存。該問題是視頻內(nèi)容優(yōu)化部署的基礎(chǔ)。內(nèi)容服務(wù)商通常會向云服務(wù)商租用多個位于不同地理位置的數(shù)據(jù)中心以實現(xiàn)大規(guī)模內(nèi)容分發(fā)，但受限于內(nèi)容服務(wù)商租用的云資源限制，即：雖然云服務(wù)商的云資源（計算資源、存儲資源和帶寬資源）可視為無限，但內(nèi)容服務(wù)商在一段時間內(nèi)只可能租用云服務(wù)商的某數(shù)據(jù)中心中一定規(guī)模的云資源。因此，用戶請求的視頻內(nèi)容副本會分別緩存至多個數(shù)據(jù)中心。但由于用戶距離分屬不同地理位置的數(shù)據(jù)中心的距離差異導(dǎo)致它們最終獲得的視頻數(shù)據(jù)的延遲也會存在差異。對于視頻內(nèi)容服務(wù)來講，獲取數(shù)據(jù)的延遲在很大程度上決定了用戶的業(yè)務(wù)體驗。

2）內(nèi)容服務(wù)器的部署策略。由于一個數(shù)據(jù)中心能夠分配給用戶的帶寬資源和內(nèi)容服務(wù)商在該數(shù)據(jù)中心當(dāng)中部署的內(nèi)容服務(wù)器規(guī)模密切關(guān)聯(lián)[4]，而云模式下的用戶對于視頻內(nèi)容的請求是動態(tài)變化的，云服務(wù)商通常又是按照內(nèi)容服務(wù)商向其租用的服務(wù)器規(guī)模來收費，例如：采用pay-as-you-go模型對租用的VM收費。因此，內(nèi)容服務(wù)商應(yīng)根據(jù)不同時間區(qū)間內(nèi)用戶需求的動態(tài)變化，對數(shù)據(jù)中心中部署的內(nèi)容服務(wù)器規(guī)模進行調(diào)整達(dá)到控制業(yè)務(wù)部署開支的目的。另一方面，調(diào)整內(nèi)容服務(wù)器規(guī)模會帶來額外開銷，例如：會引起視頻內(nèi)容副本的重新復(fù)制以及復(fù)制副本時帶來的數(shù)據(jù)傳輸開銷等。所以需要在服務(wù)器部署規(guī)模確定以及進行規(guī)模調(diào)整之間做好折中。

3）面向“群組”特性的云帶寬資源分配直接采用按需供應(yīng)的方式并非最優(yōu)，其主要原因在于對不同視頻內(nèi)容感興趣的用戶通過P2P的方式可以形成多個“群組”，而這些“群組”在可能存在用戶節(jié)點規(guī)模、節(jié)點在線時間以及節(jié)點提供自身帶寬資源的意愿等多種因素的差異，這使得云數(shù)據(jù)中心在分配帶寬資源給不同“群組”時（實際是分配給不同“群組”中工作在云模式下的用戶），對不同“群組”帶來的資源分享效率的影響會存在很大差異。通過將云帶寬資源在多個“群組”中進行合理分配，可以激發(fā)“群組”中用戶的數(shù)據(jù)分享效率，實現(xiàn)在滿足多個“群組”中用戶的業(yè)務(wù)需求的同時讓內(nèi)容服務(wù)商優(yōu)化云帶寬資源的利用。

（1）云帶寬資源在多個“群組”之間分配的模型。當(dāng)一個云數(shù)據(jù)中心緩存了多個“群組”所需要獲取的視頻內(nèi)容時，涉及如何把云帶寬資源合理分配給這些“群組”問題。該問題有幾個關(guān)鍵點：首先，云帶寬資源的分配具有時變性，也即帶寬分配策略隨著多個“群組”對云帶寬資源的請求變化能做出相應(yīng)調(diào)整。其次，既然不能簡單按照用戶的請求規(guī)模分配帶寬資源，則需要確定云帶寬資源進行調(diào)整所依據(jù)的指標(biāo)。

（2）具有不同特性的“群組”對云帶寬資源分配的影響。如果將一個“群組”視為單獨個體進行分析，不同“群組”具有不同特性，對于帶寬資源的獲取，不同“群組”的敏感程度不一。這就要確定數(shù)據(jù)中心和“群組”之間在資源分配方面的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并給出數(shù)據(jù)中心針對不同“群組”調(diào)整帶寬資源分配的策略。

2 云環(huán)境下融合P2P技術(shù)的群組視頻分發(fā)機制的設(shè)計

圖2所示的架構(gòu)模型中，多個數(shù)據(jù)中心由云服務(wù)商構(gòu)建并部署于不同地理位置，數(shù)據(jù)中心之間相互連接。獲取相同視頻內(nèi)容的用戶自組織成一個“群組”，“群組”中工作在對等模式的節(jié)點通過P2P的方式分享視頻數(shù)據(jù)，而工作在云模式下的節(jié)點則向某個數(shù)據(jù)中心發(fā)出服務(wù)請求，位于數(shù)據(jù)中心中的用戶信息統(tǒng)計器記錄用戶規(guī)模、用戶請求的視頻內(nèi)容及用戶的業(yè)務(wù)體驗，控制“群組”中用戶的運行機制，即：決定云模式下用戶的規(guī)模。同時，還將這些信息傳送至位于數(shù)據(jù)中心內(nèi)的區(qū)域管理服務(wù)器。區(qū)域管理服務(wù)器和全局管理服務(wù)器連接，將單個數(shù)據(jù)中心中用戶服務(wù)請求相關(guān)信息、當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的可用資源以及當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的服務(wù)成本通告給全局管理服務(wù)器。全局管理服務(wù)器記錄了不同內(nèi)容服務(wù)商租用各種資源的規(guī)模，通過來自各數(shù)據(jù)中心的信息決策多個視頻內(nèi)容的優(yōu)化緩存和內(nèi)容服務(wù)器（例如：VM）的部署策略。視頻內(nèi)容服務(wù)器緩存了所有視頻內(nèi)容，根據(jù)全局管理服務(wù)器傳遞的優(yōu)化緩存策略，將視頻內(nèi)容副本傳輸?shù)讲煌臄?shù)據(jù)中心。另外，全局管理服務(wù)器會將內(nèi)容服務(wù)器的部署策略反饋給多個數(shù)據(jù)中心的區(qū)域管理服務(wù)器。區(qū)域管理服務(wù)器依據(jù)部署策略調(diào)整內(nèi)容服務(wù)器的部署規(guī)模。同時，區(qū)域管理服務(wù)器根據(jù)用戶信息統(tǒng)計器傳送的信息，決定帶寬資源應(yīng)如何在多個“群組”間進行分配，最終完成對用戶的內(nèi)容服務(wù)。

3 結(jié)束語

云環(huán)境下融合P2P技術(shù)的群組視頻分發(fā)系統(tǒng)并不僅是簡單地將借助內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)CDN和基于對等網(wǎng)P2P技術(shù)進行結(jié)合，更需要針對用戶對業(yè)務(wù)要求的不斷提高以及內(nèi)容服務(wù)商對資源優(yōu)化部署的技術(shù)需求。我們從“群組”特性出發(fā)，充分考慮了云帶寬資源分配對不同“群組”在數(shù)據(jù)分享效率方面帶來的不同影響，不僅能夠為內(nèi)容服務(wù)商在對租用的云資源進行配置和管理時提供有價值的借鑒，還能夠促進云計算相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用走向成熟商用，對于提升我國在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容分發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)水平和科技創(chuàng)新能力也具有重要意義。

參考文獻：

[1] X. Cheng， J. Liu， C. Dale， Understanding the Characteristics of Internet Short Video Sharing： A YouTube-Based Measurement Study[J].IEEE Transactions on Multimedia， 2013， 15（5）：1184-1194.

[2] Cisco Visual Networking Index： Global Mobile Data Traffic Forecast Update， 2010-2015. http：//newsroom.cisco.com/ekits/Cisco_VNI_Global_Mobile_Data_Traffic_Forecast_2010_2015.pdf. September 1， 2011.

【通聯(lián)編輯：代影】