多徑信道下網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源的自適應(yīng)調(diào)度方法

王 玉,張海民

(1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與財(cái)經(jīng)學(xué)院,安徽 宣城 242000;2.安徽信息工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展,以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的信息交互方式逐漸成為主流[1]。在信息爆炸的大環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)資源的數(shù)據(jù)規(guī)模也呈現(xiàn)出明顯的爆發(fā)趨勢,特別是以多媒體形式存在的P2P資源,廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)與生活[2]。在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,信息傳輸?shù)男诺酪巡辉僖詥我坏男问酱嬖?多徑信道的覆蓋范圍基本涵蓋了人們?nèi)粘Ｓ镁W(wǎng)的各個(gè)方面[3]。面對越來越高的多媒體資源獲取需求,如何實(shí)現(xiàn)對資源的高質(zhì)量調(diào)度以及信息傳輸時(shí)的信道選擇成為眾多學(xué)者關(guān)注的問題[4-5]。李萌等[6]改進(jìn)了原有的PSO算法,實(shí)現(xiàn)了對云計(jì)算資源調(diào)度過程中的路徑選擇優(yōu)化,大大降低了傳輸鏈路徑資源出現(xiàn)堵塞的概率,提高了資源調(diào)度的效率,但缺少對傳輸資源屬性以及大小的考量,傳輸路徑的分配合理性存在一定的提升空間,部分路徑的傳輸帶寬未得到充分利用。胡程鵬等[7]將遺傳算法應(yīng)用到Kubernetes資源的調(diào)度算法中,通過迭代的方式計(jì)算與待傳輸資源的匹配最優(yōu)路徑,實(shí)現(xiàn)了路徑帶寬與資源大小的高度匹配,但其計(jì)算時(shí)間相對較長,傳輸效率有待提高。

多徑信道下的資源調(diào)度問題不僅要考慮路徑負(fù)載,還要考慮待傳輸資源的屬性。為此,本文提出一種多徑信道下網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源的自適應(yīng)調(diào)度方法,分析傳輸路徑的負(fù)載以及信道上對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的傳輸能力,按照自適應(yīng)的基本原則實(shí)現(xiàn)對多媒體P2P資源的調(diào)度,并通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性,以期為網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度優(yōu)化提供參考。

1 網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源的評估

實(shí)現(xiàn)多媒體P2P資源高效調(diào)度的關(guān)鍵是合理選擇調(diào)度路徑[8]。本文先對傳輸資源進(jìn)行評估,借助Shannon信息熵理論構(gòu)建資源評估模型,結(jié)合評估結(jié)果對傳輸路徑做進(jìn)一步選擇[9]。將P2P資源數(shù)據(jù)劃分為n個(gè)要素,并建立對應(yīng)的影響因素指標(biāo),構(gòu)建資源信息熵度量矩陣,完成對P2P數(shù)據(jù)的度量[10]。在構(gòu)建矩陣之前,考慮到P2P資源的多樣性,先對待調(diào)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。但是需要注意的是,劃分的n個(gè)要素并非每個(gè)資源都全部具備,也有可能存在部分資源的要素構(gòu)成是以單一形式存在的。因此,本文構(gòu)建的資源信息熵度量矩陣是以要素的影響因素為基礎(chǔ)的,表示為:

(1)

式(1)中,A為資源的信息熵度量矩陣;anm為第n個(gè)要素對應(yīng)的第m個(gè)影響因素。

由式(1)可以看出,資源的信息熵度量結(jié)果最終將是由0和1構(gòu)成,分別表示資源中不包含該影響因素和包含該影響因素。

結(jié)合式(1)定義P2P資源,并變換處理資源的矩陣輸出值,過濾掉數(shù)值為0的影響因素,表示為:

(2)

式(2)中,aij為變換處理后的結(jié)果。將該結(jié)果作為計(jì)算資源信息熵的最終數(shù)據(jù),建立評估模式H(aij):

(3)

在對資源進(jìn)行調(diào)度時(shí),由于不同要素對路徑占用情況以及節(jié)點(diǎn)傳輸能力的需求存在差異,以相同的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算會(huì)影響最終評估結(jié)果的精度。為此,本文對式(3)做進(jìn)一步優(yōu)化,對信息熵影響因素進(jìn)行個(gè)性化賦權(quán),權(quán)重為:

(4)

式(4)中,Wij為對aij的賦權(quán)結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源的評估結(jié)果p為:

(5)

p值越大,表示待傳輸資源對傳輸路徑帶寬和路徑上節(jié)點(diǎn)傳輸能力的要求越高。

2 多徑信道下網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源的調(diào)度

2.1 路徑自適應(yīng)選擇

獲得待調(diào)度資源的評估結(jié)果后,首先對路徑進(jìn)行選擇,通過分析路徑的負(fù)載,將負(fù)載低于擁塞標(biāo)準(zhǔn)的路徑作為備選路徑。決定路徑負(fù)載的指標(biāo)主要有2個(gè),分別是路徑上任務(wù)流的堆積隊(duì)列長度和路徑上待傳輸資源規(guī)模的大小。由于路徑的緩沖區(qū)可以暫存資源,因而路徑的利用率是路徑負(fù)載的最直接表現(xiàn)。假設(shè)某路徑對應(yīng)的待傳輸資源規(guī)模為c,數(shù)據(jù)量為x,路徑帶寬為b,此時(shí)路徑的基礎(chǔ)利用率P為:

(6)

式(6)中,d為路徑緩沖區(qū)對資源負(fù)載系數(shù)的稀釋參數(shù);λ為資源對路徑的原始利用率,由資源的基本屬性決定。結(jié)合上文分析得到的資源評估結(jié)果,λ可以表示為:

(7)

式(7)中,b(t)為在t時(shí)刻路徑的剩余可利用帶寬;U(t)為在t時(shí)刻路徑緩沖區(qū)的資源堆積規(guī)模。U(t)不僅受堆積隊(duì)列長度的影響,同時(shí)也受對應(yīng)資源大小的影響,其計(jì)算方式為:

(8)

根據(jù)自適應(yīng)的基本原則,以待調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源的評估結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),對傳輸路徑進(jìn)行初步篩選,通過分析路徑的基礎(chǔ)利用率和資源評估結(jié)果之間的關(guān)系選擇路徑,即:當(dāng)路徑的基礎(chǔ)利用率大于資源傳輸需求時(shí),將此時(shí)路徑作為資源傳輸?shù)穆窂?當(dāng)路徑的基礎(chǔ)利用率等于資源傳輸需求時(shí),將此時(shí)路徑作為資源傳輸?shù)膫溆寐窂?該類路徑一旦出現(xiàn)異常資源傳輸請求時(shí),極有可能出現(xiàn)難以負(fù)擔(dān)目標(biāo)資源的傳輸需求,造成負(fù)載異常,影響傳輸效果;當(dāng)路徑的基礎(chǔ)利用率小于資源傳輸需求時(shí),直接過濾掉此時(shí)路徑。以此作為路徑自適應(yīng)傳輸?shù)某醪胶Y選結(jié)果,為后續(xù)的二次自適應(yīng)篩選提供可靠基礎(chǔ)。

2.2 路徑節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)選擇

在完成路徑的初步篩選后,根據(jù)路徑的負(fù)載特征,計(jì)算路徑上對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載特征值,并將其與待傳輸資源進(jìn)行自適應(yīng)分析,作為資源調(diào)度的二次選擇。由于節(jié)點(diǎn)的特征值是隨心跳數(shù)據(jù)包在路徑上傳導(dǎo)的,因此路徑的根節(jié)點(diǎn)是對所有子節(jié)點(diǎn)的負(fù)載信息的綜合反饋。本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)多媒體資源均衡化分布的基本原則,對虛擬機(jī)的調(diào)度能力、調(diào)度路徑物理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷。假設(shè)某初步篩選后的路徑為Li,包含的物理節(jié)點(diǎn)數(shù)量為f,此時(shí)堆積隊(duì)列最長的節(jié)點(diǎn)即為路徑的主要負(fù)載節(jié)點(diǎn),其負(fù)載強(qiáng)度為:

(9)

式(9)中,WLi為Li路徑對應(yīng)的負(fù)載;Wf為堆積隊(duì)列所處節(jié)點(diǎn)的負(fù)載;j為路徑所處環(huán)境中虛擬機(jī)的類型;r為與物理節(jié)點(diǎn)f對應(yīng)的虛擬機(jī)數(shù)量;sj為虛擬機(jī)的處理能力。

從式(9)中可以看出,節(jié)點(diǎn)的負(fù)載能力主要取決于虛擬機(jī)處理能力。實(shí)際上,該能力是由CPU、內(nèi)存和寬帶3個(gè)因素共同決定的,其計(jì)算方式為:

(10)

式(10)中,Ptotali為物理節(jié)點(diǎn)處理能力的量化值;k為虛擬機(jī)的運(yùn)行周期。

在實(shí)現(xiàn)對路徑節(jié)點(diǎn)傳輸能力計(jì)算的基礎(chǔ)上,同樣采用自適應(yīng)的方式對節(jié)點(diǎn)與待傳輸資源進(jìn)行匹配,將滿足傳輸需求的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的最終選擇。首先對路徑上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化處理,考慮到路徑上資源的傳輸是處于動(dòng)態(tài)模式下的,本文在節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)計(jì)算中引入時(shí)間機(jī)制,并對節(jié)點(diǎn)周圍鄰域路徑成立的可能性進(jìn)行計(jì)算,判斷節(jié)點(diǎn)的負(fù)載是否能夠滿足資源傳輸需求。滿足則直接作為資源調(diào)度的下一節(jié)點(diǎn),不滿足則在鄰域中選擇新節(jié)點(diǎn)重復(fù)上述計(jì)算,直至滿足傳輸需求,以此實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源的高效調(diào)度。節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)選擇流程如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)選擇流程

3 實(shí)驗(yàn)測試

為了測試本文調(diào)度方法的應(yīng)用效果,以文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]提出的方法作為對照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分析3種方法的調(diào)度結(jié)果,對本文方法進(jìn)行客觀評價(jià)。

3.1 測試環(huán)境搭建

實(shí)驗(yàn)測試應(yīng)用的CPU為PII 490, 對應(yīng)的操作系統(tǒng)為 red-hat715(Seawolf),系統(tǒng)搭載的內(nèi)核版本為 2215.0 ,搭建網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源調(diào)度虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬為15.9 Mbps,待調(diào)度的數(shù)據(jù)包最小為1.24 bytes,最大為1 024 bytes,調(diào)度的隊(duì)列均勻分布于LL層和MAC層,對應(yīng)每個(gè)調(diào)度任務(wù)數(shù)據(jù)流都具有1條FIFO隊(duì)列。實(shí)驗(yàn)過程中記錄3種方法在對資源進(jìn)行調(diào)度時(shí)的路徑吞吐量和對應(yīng)的傳輸時(shí)延。

3.2 測試結(jié)果及分析

首先統(tǒng)計(jì)3種方法對網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源調(diào)度結(jié)果的吞吐量,每隔20 s計(jì)算在該時(shí)間段內(nèi)的平均吞吐量,持續(xù)100 s,以10次測試的平均值作為最終的結(jié)果。3種方法在指定時(shí)間內(nèi)的平均吞吐量見表1。從表1可以看出,在3種方法中,文獻(xiàn)[6]方法和本文方法的平均吞吐量都隨時(shí)間呈穩(wěn)定上升的趨勢,而文獻(xiàn)[7]方法的平均吞吐量在80～100 s出現(xiàn)了回落。這是因?yàn)殡S著時(shí)間推移,信道上的傳輸資源增加,在進(jìn)行遺傳算法選定時(shí),是以計(jì)算該時(shí)刻當(dāng)下的路徑狀態(tài)為基礎(chǔ)開展的,計(jì)算過程中路徑的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變。文獻(xiàn)[6]方法與本文方法相比,吞吐量的上升趨勢更加緩慢。因?yàn)槲墨I(xiàn)[6]方法雖然充分考慮了路徑的負(fù)載,但是對于節(jié)點(diǎn)傳輸能力的分析不夠充分。本文方法實(shí)現(xiàn)高吞吐量的同時(shí)能夠確保快速增長,主要原因就在于從路徑負(fù)載和節(jié)點(diǎn)傳輸能力2個(gè)角度對資源的分配進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)度,提高了傳輸效率。

表1 3種方法在指定時(shí)間內(nèi)的平均吞吐量

在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析3種方法對路徑選擇時(shí)的可靠性,統(tǒng)計(jì)10次測試中3種方法的傳輸時(shí)延,結(jié)果見表2。從表2可看出,文獻(xiàn)[6]方法的時(shí)延基本穩(wěn)定在0.35～051 s之間,具有較高的穩(wěn)定性,但時(shí)間相對較長。文獻(xiàn)[7]方法的時(shí)延波動(dòng)范圍較大,最小值僅0.15 s,最大值達(dá)到0.72 s,穩(wěn)定性較低。本文方法的時(shí)延始終在0.15以內(nèi),具有較高的穩(wěn)定性,同時(shí)保持在較低的狀態(tài)。與上文平均吞吐量的測試結(jié)果相契合,即時(shí)延短,相應(yīng)地相同時(shí)間內(nèi)信道吞吐量也就越高。

表2 3種方法在資源調(diào)度時(shí)的傳輸時(shí)延 s

4 結(jié)論

針對由于信道負(fù)載和節(jié)點(diǎn)傳輸能力限制引起的資源調(diào)度效率問題,本文提出了多徑信道下網(wǎng)絡(luò)多媒體P2P資源自適應(yīng)調(diào)度方法,建立了路徑負(fù)載模型,按照自適應(yīng)的原則分析了待調(diào)度資源在不同功能路徑上出現(xiàn)堵塞情況的概率,進(jìn)行初次調(diào)度路徑的選擇,根據(jù)路徑上節(jié)點(diǎn)可傳輸資源大小的上限,對資源調(diào)度路徑的選擇進(jìn)行二次自適應(yīng)篩選,以此實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、快速的資源調(diào)度,提高了傳輸路徑的吞吐量,降低了資源傳輸時(shí)延。

本文方法雖然在測試中取得了良好的結(jié)果,但是仍存在進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間,在之后的研究中,可以從以下2個(gè)方面入手:①P2P資源隨著信息時(shí)代的發(fā)展也將衍化出更多類型,可以建立更加具體的分析模型實(shí)現(xiàn)對待傳輸資源的快速判斷,減少計(jì)算時(shí)間;②資源調(diào)度路徑上對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量也是影響調(diào)度效率的關(guān)鍵因素,在之后的研究中可以補(bǔ)充對路徑節(jié)點(diǎn)數(shù)量的篩選環(huán)節(jié),通過3次自適應(yīng)的方式進(jìn)一步優(yōu)化路徑選擇結(jié)果。