基于P2P視頻點(diǎn)播技術(shù)的一種傳輸優(yōu)化模型

引言

P2P傳輸中剛剛興起的視頻點(diǎn)播是目前比較流行的研究方向之一。不同于普通的P2P文件分享，P2P視頻點(diǎn)播中非常關(guān)鍵的一個問題就是如何保證它的流暢性叫目前的視頻點(diǎn)播技術(shù)一般是從一個點(diǎn)播用戶向其所在的群組發(fā)送請求，然后找到擁有該資源的用戶群，該用戶群以相同的權(quán)重向請求方發(fā)送資源叫基于這樣一個規(guī)則的模型存在一個比較明顯的問題，即在一個樹形的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)(大多數(shù)視頻點(diǎn)播服務(wù)出現(xiàn)的地方)中：越是靠近頂點(diǎn)的交換機(jī)，其傳輸壓力越大；擁有越多資源，但處在樹狀圖中越深處的用戶，其傳輸壓力也越大。以上兩個特點(diǎn)造成了在有限的傳輸速度下經(jīng)常出現(xiàn)部分用戶卡頓的情況。這種情況的出現(xiàn)，其本質(zhì)原因是因?yàn)槿蝿?wù)的分配與帶寬資源的分布不匹配，產(chǎn)生大量的閑置帶寬資源的同時,部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)帶寬資源不夠的現(xiàn)象。所以為了改善用戶體驗(yàn),本文從以下兩個方面著手：一是請求方對傳輸方用戶的篩選和加權(quán)。二是傳輸方對請求方的篩選以及傳輸方對傳輸資源的加權(quán)。本文綜合以上兩點(diǎn)得到一個合理的優(yōu)化方案，以減小各節(jié)點(diǎn)上下行帶寬占用率的標(biāo)準(zhǔn)差并緩解P2P視頻點(diǎn)播中可能出現(xiàn)的局部壓力，同時論證了其可以切實(shí)提高整體流暢性的方法。

1基于請求方對傳輸方篩選的優(yōu)化

所謂請求方對傳輸方的用戶的篩選和加權(quán)，即根據(jù)請求方和傳輸方在樹形圖中的位置，來進(jìn)行合理的任務(wù)分配，將更多的請求分配給更臨近的用戶，以減少上級節(jié)點(diǎn)的傳輸壓力。

為了更加清晰地說明該優(yōu)化模型，我們建立一個簡潔的理想模型。現(xiàn)設(shè)一個小區(qū)交換機(jī)連接N1個次級的樓宇交換機(jī)，而每個樓宇交換機(jī)都連接了N個用戶。假設(shè)一位用戶C1.1(設(shè)路徑為總機(jī)A一子機(jī)B1一用戶C1,1)發(fā)出關(guān)于資源R請求的，為了方便起見假設(shè)群組里的這些用戶都擁有該資源。

首先我們考察該用戶C1，1發(fā)送請求時，該時刻下每個節(jié)點(diǎn)T都記錄下其帶寬占用率Oc(T)。

首先C1，1的請求必須經(jīng)過樓宇子機(jī)B1，然后子機(jī)B1將任務(wù)以特定的權(quán)重分配給它的相鄰節(jié)點(diǎn)，分配方式遵守權(quán)重規(guī)則，以下含有權(quán)重的分配亦同，其中各個用戶C1,?的權(quán)重是1/C1,“，而總機(jī)A的權(quán)重為Pr(A)/0c(A),其中Pr(A)為根據(jù)總機(jī)傳輸能力而事先確定的一個值，這個值需要切實(shí)地反應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的上下行帶寬，一般默認(rèn)使用線性函數(shù)即可，亦可以根據(jù)實(shí)際情況增減該函數(shù)的發(fā)散速度?，F(xiàn)在假設(shè)已經(jīng)確定好了每個函數(shù)的Pr值，那么以下以N代表該任務(wù)的總量，N(X)代表節(jié)點(diǎn)X被分配到的任務(wù)量，可以計(jì)算得到各相鄰節(jié)點(diǎn)被分配到的任務(wù)量：

總機(jī)將權(quán)重將任務(wù)分配給其相鄰節(jié)點(diǎn)(這里它的相鄰節(jié)點(diǎn)只有樓宇交換機(jī))，每個樓宇交換機(jī)Bm權(quán)重為Pr(Bm)/Oc(B.)。其中P(Bm)為根據(jù)子機(jī)Bm傳輸能力而事先確定的值。計(jì)算得到A的各相鄰節(jié)點(diǎn)被分配到的任務(wù)量：

這時除B1以外的樓宇交換機(jī)將任務(wù)分配給其相鄰節(jié)點(diǎn)（這里它的相鄰節(jié)點(diǎn)只有其連接的用戶），每個用戶Cm，n的權(quán)

重為1/Oc（Cm，n）。

這里Pr值的確定不同于之前的主機(jī)Pr值，它除了反映傳輸能力之外還需要反映節(jié)點(diǎn)的位置，所以需要根據(jù)試驗(yàn)而確定，此外還需根據(jù)后續(xù)的實(shí)際使用情況來調(diào)整。一般而言,交換機(jī)傳輸能力越強(qiáng)，或是在樹中所處的深度越小，那么對應(yīng)的Pr值越大，反之越小，但需要保證深度對Pr值的影響優(yōu)于傳輸能力Pr值，因?yàn)橐粋€深度較大的節(jié)點(diǎn)可能會對其他的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生更大的影響。根據(jù)實(shí)際的用戶情況(比如用戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的帶寬不同)，亦可以為每個用戶分配一個相應(yīng)的Pr值以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，即：

為每個用戶定義Pr值的優(yōu)點(diǎn)不僅僅是進(jìn)一步對上式進(jìn)行優(yōu)化，更在于為了合理地把更多的任務(wù)量分配給有更多帶寬的用戶：作為傳輸?shù)幕締挝?，各個用戶的上下行傳輸帶寬是每一個任務(wù)不可回避的，需要更加精細(xì)且合理的分配，這一特點(diǎn)將在第4節(jié)中詳細(xì)分析并利用。

從上述的計(jì)算可以看出該算法的核心思想是將任務(wù)沿樹形圖的路徑逐漸分配出去，遵循如下的規(guī)則：當(dāng)前越繁忙的交換機(jī)接受的任務(wù)量越??；每個任務(wù)中，距離請求方越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)分配的部分越小。前者是為了避免某個交換機(jī)過于繁忙而導(dǎo)致局部的卡頓；后者則是為了盡量減少帶寬資源的占用，以減輕上級交換機(jī)的壓力[6'7]o

2基于傳輸方資源分配的優(yōu)化

所謂傳輸方資源分配的優(yōu)化，則是根據(jù)傳輸方和請求方在樹形圖中的位置，以及任務(wù)目標(biāo)資源在整個網(wǎng)絡(luò)中存在的多寡，來進(jìn)行合理的上行帶寬分配，將更多的資源分配給更臨近的用戶，將更多的帶寬分配給相對稀少的資源，從而人為地減小資源熱門與否產(chǎn)生的傳輸速度的差距。

上面，我們在理想模型中假設(shè)了所有資源被每一個用戶擁有，這里則考慮更一般化的情況，即某個資源R只被部分的用戶所擁有，那么需要使傳輸方同時被分配到多個任務(wù)時以某種順序執(zhí)行被分配到的任務(wù)，以優(yōu)先滿足稀少的資源來保證整體的流暢性，這也是從傳輸方角度而言最為核心的一個問題。

以下是具體的優(yōu)化規(guī)則，并通過另一個理想模型來簡要地考察其效果：

假設(shè)用戶C1，1發(fā)出關(guān)于資源R的請求，而當(dāng)前擁有R的用戶集合為Po（sR），那么為此任務(wù)確定一個“稀有度”Ra（rR）：

這里dis(X，Y)為定義在樹狀圖中的距離函數(shù)，即X到Y(jié)的最短路徑的長度。

由于各資源的稀有程度是很難用一個標(biāo)準(zhǔn)的公式去衡量的，這里我們引入一個遞減函數(shù)F，以確保傳輸者越少，距離請求者越遠(yuǎn)的情況下稀有度增加即可。事實(shí)上，根據(jù)樹狀圖的結(jié)構(gòu)不同和深度不同，我們需要取定一個擁有合理遞減速度的函數(shù)F以應(yīng)對實(shí)際情況，在簡單的兩層模型中可以取F（X）=1/x。為了保證分配的精度，樹狀圖的深度越大結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，F(xiàn)的收斂速度應(yīng)當(dāng)越快，以避免出現(xiàn)大量遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)過分提高Rar（R）權(quán)值。特別的情況下，分母上亦可不使用簡單的加和ΣX∈Pos（R）F（dis（X，C1，1）），而是使用其他對每個元素單調(diào)遞增的多元函數(shù)，這取決于具體的情況。需要說明的是，稀有度是同時根據(jù)用戶和任務(wù)來確定的，可能出現(xiàn)在用戶X處R1稀有度高于R2，而另一用戶Y處則相反的情況。

當(dāng)一個用戶Cm，n同時執(zhí)行關(guān)于資源R1，R2，…，Rk的請求時，將該用戶的帶寬資源按權(quán)重Rar（Ri），i=1，2，…，k，分配給每個任務(wù)。以WidRi,Cmn)^h，代表Ri在Cm，n分配到的帶寬，以Wid,Cmn)代表Cm，n的總帶寬，那么我們可以算出在Cm，n某個資源Ri所分配到的帶寬資源，并且將它于之前作對比：

上式的不等號右邊的WidRi,Cmn)^h代表了不做加權(quán)分配的情況下，各個節(jié)點(diǎn)的帶寬分配。上式中的不等號成立的條件，是要求一個資源的稀有度高于所有資源的平均水平。我們可以很明顯看到，越稀少的資源被分配到了更高的帶寬，盡可能減少因?yàn)槟硞€資源的源過于稀少或者遠(yuǎn)離而拖慢其傳輸速度的情況。從整體來看，即各個任務(wù)中的最低速度得到了提升。

上述的優(yōu)化方案與第一節(jié)中的篩選加權(quán)是以似原理進(jìn)行的，但兩者的目標(biāo)不同，前者是請求方對傳輸方的，后者則是請求方對任務(wù)的選擇。此外，并且決定權(quán)值的因變量也不同，為了體現(xiàn)出對變量依賴性的不同，所以兩者分別使用Pr和Rar兩個變量來衡量資源的位置，在進(jìn)一步的研究下，可能用多個參數(shù)來更加精確地體現(xiàn)其位置關(guān)系。

3綜合優(yōu)化及實(shí)際效果對比

在實(shí)際的操作中，一個模型的優(yōu)化效果不是僅僅由每個單獨(dú)節(jié)點(diǎn)所決定的，我們需要一個整體的優(yōu)化，這個優(yōu)化并不是每個節(jié)點(diǎn)的速度都能產(chǎn)生一個明顯的提高，而是通過將流量分配得更加均勻來達(dá)到這個目的。我們知道越均勻的分配下，閑置的帶寬資源就越少，從而能夠產(chǎn)生更高的效能。另外，個人用戶上行帶寬資源的浪費(fèi)一直是寬帶網(wǎng)絡(luò)中較為明顯的問題，P2P傳輸體系本身就是一個很優(yōu)秀的解決方案，但如何在P2P的傳輸體系中合理地分配上行帶寬資源就成為了進(jìn)一步為整個系統(tǒng)提速的關(guān)鍵。這就要求我們在建立優(yōu)化模型的時候，同時兼顧雙向的均勻分配。

明確了優(yōu)化目標(biāo)之后，我們可以通過結(jié)合兩方面的優(yōu)化，進(jìn)而得到一個綜合的優(yōu)化模型，其大致流程如圖1所示。在P2P視頻點(diǎn)播中，我們以所有任務(wù)執(zhí)行速度中的最小者來衡量整體的流暢程度（因?yàn)檩^高的最小值可以保證較小的標(biāo)準(zhǔn)差，這意味著資源受到了更加均勻的分配）。為了對該優(yōu)化模型有一個直觀的認(rèn)識，下面計(jì)算一個網(wǎng)絡(luò)中同時執(zhí)行關(guān)于R1，R2，…，Rk時的全局最小速度，其中不妨設(shè)Rar（R1）<…<Rar（Rk）。

由于在第一節(jié)中根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的傳輸能力而確定了參數(shù)Pr（包括全部交換機(jī)節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)根據(jù)各自傳輸能力而確定的權(quán)值），所以傳輸能力越強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)被分配到了更大比例的任務(wù)，故而可以忽略任務(wù)分配后各傳輸者之間的速度差異，以下以最小速度近似表示每個任務(wù)的全局速度。

在無優(yōu)化的情況下，所有任務(wù)執(zhí)行速度R1，R2，…，Rk的速度分別是：

其中task（X）指當(dāng)前X進(jìn)行的任務(wù)數(shù)量。

在有優(yōu)化的情況下，所有任務(wù)執(zhí)行速度R1，R2，…，Rk的速度分別是：

可以看到優(yōu)化是將R1的速度減小而將Rk的速度增加，在確定適當(dāng)?shù)腇之后實(shí)際效果是將不同任務(wù)的速度變得更加平均，即有不等式：

上式說明了在采取該優(yōu)化模型后確實(shí)能夠極大地提高各傳輸者之間的協(xié)調(diào)性以確保整體的流暢性。實(shí)際操作時由于稀缺資源的普遍性，它們會成為整體流暢程度的瓶頸，而應(yīng)用了該優(yōu)化模型之后，瓶頸的部分被彌補(bǔ)，代價(jià)只是熱門資源的多余速度（因?yàn)橛脩粝馁Y源的速度一般不超過視頻的播放速度，這也是視頻點(diǎn)播可以被利用的一個特點(diǎn)）。

宏觀地來看，在整個網(wǎng)絡(luò)中任務(wù)數(shù)量較少，或是各個任務(wù)的資源分配過于平均時，由于該優(yōu)化模型加權(quán)分配并不能顯著減少任務(wù)速度的標(biāo)準(zhǔn)差，因此模型的優(yōu)化效果并不明顯。但是我們看到模型優(yōu)化的結(jié)果是取決于任務(wù)數(shù)量k的，所以當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)中任務(wù)量上升時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與資源分布更加復(fù)雜時,模型的優(yōu)化效果隨之提高。而通常的P2P服務(wù)都是架構(gòu)在五層以上的網(wǎng)絡(luò)中的，而且由于任務(wù)量的巨大，各個任務(wù)資源的分布必然是呈現(xiàn)比較不均勻的分布，這就給該優(yōu)化模型帶來了巨大的發(fā)揮空間。

4結(jié)語

通過以上的構(gòu)建和論證，我們可以看到由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和用戶需求的復(fù)雜性，現(xiàn)行的許多體系并非是最優(yōu)的,幾乎每一個環(huán)節(jié)都可以進(jìn)行優(yōu)化以求得更高的效率。本文的核心思想，是利用現(xiàn)有體系的任務(wù)分配方式的不成熟，同時調(diào)整上下行任務(wù)的分配，從而達(dá)到更優(yōu)的效果，但通過論證的過程，我們可以發(fā)現(xiàn)在本優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上還有很多優(yōu)化空間：比如對用戶所處位置的衡量，以及由此導(dǎo)出的對資源稀有程度的衡量，如何更加合理地用一個參數(shù)或是多個參數(shù)來完成;又如，如何用一個合理的函數(shù)來衡量一個節(jié)點(diǎn)的傳輸能力,如果不能用一個連續(xù)的初等函數(shù)來判定，那么分段的閥值如何取定。這些問題都仍有待研究，并且是有明顯而且巨大的發(fā)揮空間的。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)飛速發(fā)展的今天，P2P作為一項(xiàng)已經(jīng)較為成熟的傳輸技術(shù)再放異彩,衍生了許多非常有前景的P2P傳輸服務(wù)，而P2P視頻點(diǎn)播正是其中之一。而每一項(xiàng)成功的服務(wù)的核心都是給予用戶前所未有的用戶體驗(yàn)，P2P視頻點(diǎn)播的特殊之處便是在于流暢而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流，這也是P2P視頻技術(shù)逐漸在在線視頻領(lǐng)域中占有一席之地的關(guān)鍵因素。我們通過分析可以看到并且利用其優(yōu)點(diǎn)，但其潛力絕不僅限于此:正如之前所說，這其中仍然有許多細(xì)節(jié)可以進(jìn)一步提高其實(shí)用性和可靠性，同時也可以通過借助其他優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化，比如關(guān)于重復(fù)請求相同資源的問題，可以依靠數(shù)據(jù)在上級節(jié)點(diǎn)中的留存來減輕傳輸?shù)膲毫Γ?］，亦可能得到相當(dāng)好的優(yōu)化效果,但這同時也對硬件資源提出了更高的要求。本文通過兩個方面的優(yōu)化，更好地凸顯P2P視頻點(diǎn)播技術(shù)的長處，以此拋磚引玉,以期促進(jìn)P2P傳輸技術(shù)的發(fā)展和P2P技術(shù)的飛躍。

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