CN103475719B - 一种cdn-p2p融合网络中跨域流量最小化的内容分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种CDN‑P2P融合网络中跨域流量最小化的内容分发方法，该方法涉及的网络场景包括CDN副本服务器、CDN内容缓存服务器、由ISP设立的本地tracker服务器，即，Loc‑tracker服务器、和用户节点。该方法是通过Loc‑tracker服务器收集上来的拓扑信息为依据，如链路延迟、链路代价、跨运营商个数等，计算并选取传输成本最小的路径与节点，控制内容分发总成本，从而促使服务器选取传输代价较小的同ISP域内节点，达到优化节点的选取的目的。Loc‑tracker服务器用来管理本ISP域内的节点和CDN内容缓存服务器。Loc‑tracker服务器之间以P2P方式交换信息，形成覆盖网络。本发明能有效减少跨域流量的产生，减少网络的运营成本，缓解骨干网带宽资源的浪费，提高内容分发效率。

Description

一种CDN-P2P融合网络中跨域流量最小化的内容分发方法

技术领域

本发明涉及领域为通信技术领域，具体涉及一种CDN-P2P融合内容分发网络中跨域流量的优化控制方法。

背景技术

CDN(Content Distribution Network)网络与P2P(peer-to-peer)网络是现在最流行的内容分发技术，但两者都存在许多缺陷，CDN的可靠性高，但扩展性差，难以从根本上提高分发效率，而P2P的扩展能力强，但稳定性差，容易引起骨干网络拥塞。因此将CDN与P2P技术进行融合，一方面可以互补自身的缺陷，对CDN或者P2P传统架构进行改造，一方面也能使P2P的扩展能力和CDN的可靠性、可管理性相互弥补完美结合。因此CDN-P2P融合内容分发网络是一个兼具可管理性、高扩展性、高可靠性的内容分发平台，他不但结合了CDN网络和P2P网络二者的优点，而且也克服了二者的不足。因此成为目前较为可行的内容分发技术，是近年来内容分发技术研究领域的热点，该技术的应用也可使内容分发网络的分发效率更上一个台阶。

图1为现有的CDN-P2P网络架构示意图，该网络架构主要由3部分组成，包括：中心服务器1，若干个边缘服务器2，若干个P2P用户域3。其中，中心服务器1和若干个边缘服务器2之间可以直接交换信息，每个边缘服务器2可以和邻近的P2P用户域3内的peer节点可以直接的交换信息，同一个用户P2P域3中的peer节点之间可以直接的交换信息。中心服务器1存储了所有的内容，并负责整个网络的内容分发及管理，边缘服务器2分布在网络的边缘，缓存了部分内容，主要负责本地的负载均衡及响应邻近用户P2P域内的用户请求。

在目前的CDN-P2P融合网络中，最优节点的选择基于随机算法，节点的选取范围非常广，没有任何区域性，而且P2P应用的peer选择建立在层叠网之上，无法考虑物理网络中连接关系与带宽等资源的利用情况。因此不合理的跨域流量充斥着整个网络，消耗了巨大的网络带宽，使网络基础设施不堪重负，ISP跨域成本不断提高。针对大量ISP跨域流量对ISP网络基础设施的耗损，运营商采取了封锁端口、流量整形、带宽管制等多种封堵措施，引起下载时间过长，用户满意度明显下降等问题，CDN-P2P融合网络用户也采取了相应措施来进行反封堵，呈现了一种用户与ISP之间的对立状态，严重影响了互联网的发展。

为了更好的提高融合内容分发网络的分发效率，本发明提出了一种基于Loc-tracker服务器的融合网络内容分发方法，主要思路是通过控制传输成本来减少跨域流量的产生。

发明内容

针对于上述技术缺陷，本发明提供一种ISP友好的CDN-P2P融合网络内容分发方法，用于减少ISP间的跨域流量的产生，缓解骨干网络的带宽资源浪费，提高内容分发效率，减小访问延迟，减小运营成本。

为了达到上述目的，本发明提供一种CDN-P2P融合网络中跨域流量最小化的内容分发方法，该方法包括以下步骤：

（1）设定实现ISP友好的CDN-P2P内容分发方法的网络场景；

（2）设定Loc-tracker服务器的列表结构及功能；

（3）设定对候选节点选取的优化模型及选取方法；

（4）设定CDN内容缓存服务器与Loc-tracker服务器的协作方式；其中，

步骤1中，网络场景包括CDN副本服务器、CDN内容缓存服务器、由ISP设立的本地tracker服务器，即Loc-tracker服务器、和用户节点；

步骤2中，Loc-tracker服务器以Tracker代理的方式运行、构建并维护候选列表，在每个Loc-tracker服务器中都会维护两个列表，分别用于维护本区域本ISP中的节点和其他外部节点，Loc-tracker服务器能够通过获取边界路由中的拓扑信息来感知网络拓扑的变化，Loc-tracker服务器会主动收取本地同ISP的节点信息，其他外部节点的信息由其他Loc-tracker服务器提供；

步骤3中，优化模型需满足以下条件：

a.跨ISP个数要小于等于网络中限制的最大值；

b.链路时延要小于等于网络中用户可等待时长的最大值；

c.跳数需小于等于网络协议所规定的最大值；

选取方法如下：当某ISP域内某用户有内容数据请求时，该用户会向该ISP域内的Loc-tracker服务器发送询问请求，以询问它所请求内容数据有哪些用户节点能够提供，在收到请求后，Loc-tracker服务器会根据请求内容在两个列表中选出满足优化模型的节点，构成候选列表；当这些返回的节点不能满足用户的内容请求的时候，用户会向Loc-tracker服务器发起第二次请求，在Loc-tracker服务器接收到第二次请求之后，服务器会向其他Loc-tracker服务器进行询问在其他ISP区域内寻找节点；当需要跨ISP进行数据请求的时候，用户的请求会经由本ISP域内的Loc-tracker服务器发送给其他ISP域内的Loc-tracker服务器询问并请求数据；

步骤4中，位于各个ISP域内的CDN内容缓存服务器会作为一特殊用户节点用来存放副本文件并可供其他用户下载，和普通的用户节点一样，CDN内容缓存服务器同样会将所含内容的信息发送给同ISP或最近ISP内的Loc-tracker服务器，在用户请求到达时，Loc-tracker服务器根据当前网络状态将用户引导到CDN内容缓存服务器进行内容请求，当请求用户到CDN内容缓存服务器的路径状态为拥塞时，Loc-tracker服务器将不会引导用户到内容缓存服务器进行内容请求，将会返回给用户一些延时较短，传输总费用较低的节点，若请求用户到CDN内容缓存服务器的路径没有发生拥塞，且传输总费用与延时都满足优化模型的话，Loc-tracker服务器将会引导用户到CDN内容缓存服务器进行数据请求。

进一步地，所述CDN副本服务器与所述CDN内容缓存服务器以树形方式连接，所述Loc-tracker服务器是由所属区域的ISP设置的，所述Loc-tracker服务器管理着所属区域内的用户和CDN内容缓存服务器，不同ISP中的Loc-tracker服务器以P2P方式交换数据，构成一个由Loc-tracker服务器组成的P2P覆盖网络。

附图说明

图1 CDN-P2P网络架构示意图；

图2 ISP友好的CDN-P2P融合网络内容分发方法网络场景图；

图3 Loc-tracker服务器列表构成示意图；

具体实施方式

为了能更好地说明本发明的工作过程，下面结合附图对其具体实施过程作详细阐述。

（1）设计ISP友好的CDN-P2P内容分发方法场景图：如图1所示，网络场景中主要包括CDN副本服务器、CDN内容缓存服务器、由ISP设立的本地tracker服务器（简称为Loc-tracker服务器）、和用户节点。CDN副本服务器与CDN内容缓存服务器以树形方式连接，Loc-tracker服务器是由所属区域的ISP设置的，Loc-tracker服务器管理着所属区域内的用户和CDN内容缓存服务器。不同ISP中的Loc-tracker服务器以P2P方式交换数据，构成一个由Loc-tracker服务器组成的P2P覆盖网络。

（2）设定Loc-tracker服务器列表结构及功能：Loc-tracker服务器以Tracker代理的方式运行、构建并维护候选列表。在每个Loc-tracker服务器中都会维护两个列表，如图2所示第一个列表用于维护本区域本ISP中的节点，第二个列表用于维护其他外部节点。Loc-tracker服务器能够通过获取边界路由中的拓扑信息来感知网络拓扑的变化。Loc-tracker服务器会主动收取本地同ISP的节点信息，记录节点之间的跨ISP个数、链路代价、链路时延和跳数等信息，其他外部节点的信息由其他Loc-tracker服务器提供。不同的Loc-tracker服务器构成覆盖网络，在覆盖网络中这些Loc-tracker服务器会定期以P2P的方式进行数据交换。当有用户发起内容数据请求时，Loc-tracker服务器会筛选出一组候选节点回馈给用户，这些候选节点需满足优化模型。

（3）设计最优节点选取的优化模型及选取方法：

优化模型如下：

假设网络中单位流量跨一个ISP产生的费用为A。节点v₀到节点v_h交换数据时所经历的最短路径为p=<v₀,v₁,…，,v_h>，在路径p中跨ISP的个数为x_p，路径p上的流量为D_p，跳数为h_p，路径p上的最小的带宽为b(p)。

由节点v₀到节点v_h在路径p上所产生总成本为：

在传输D_p大小的数据块时所需的路径延时为：

负载大小/路径最小带宽=

在Loc-tracker服务器进行peer节点筛选的时候，需要有三个条件限制条件，被选出的节点必须满足三个条件，如下：

跨ISP个数要小于等于网络中限制的最大值Mn（此值可依据网络结构进行设定，例如可限制节点间跨ISP个数要小于等于2个）；

链路时延要小于等于网络中用户可等待时长的最大值Mt（例如可限制链路时延需小于等于6秒）；

跳数需小于等于网络协议所规定的最大值Mh（例如可限制跳数最大跳数小于等于15跳）。

设一个共享文件K被分为N个数据块时，用户为获取全部分块最多需向N个节点发送内容请求。综合上述三个条件并将N条链路考虑进去的时候，整个内容分发过程的最小成本函数可转化为一个最优化问题的解，最优化问题（即优化模型）如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}\min \left(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{i=1}{\overset{h_j}{\mathrm{\&Sigma;}}}c(v_{(i-1)j},v_{\mathrm{ij}})+x_{\mathrm{pj}}{D}_{\mathrm{pj}}A)\right)\\ s.t.x_{\mathrm{pj}}\&le;\mathrm{Mn}\\ \frac{D_{\mathrm{pj}}}{b\left(\mathrm{pj}\right)}\&le;\mathrm{Mt}\\ h_{\mathrm{pj}}\&le;\mathrm{Mh}\end{array}\right.,(j=\mathrm{1,2,3},...,N)$

所有包含文件K分块的节点中满足优化模型的节点v_ij，就是被Loc-tracker服务器选出的候选节点。由于在传输过程中运营商所需要支付的大部分费用是在跨ISP域是产生的，因此对总费用进行限制的方法能够提高本地同ISP内的节点命中率，从而减少跨ISP流量的产生。

最优节点选取方法如下：

如图3所示，当某ISP域内某用户有内容数据请求时，该用户首先会向该ISP域内的Loc-tracker服务器发送询问请求，以询问它所请求内容数据有哪些peer节点可提供。在收到请求后，Loc-tracker服务器会根据请求内容在列表一、列表二中选出满足优化模型的节点v_ij，构成候选列表。

当这些返回的节点不能满足用户的内容请求的时候（如下载内容不完整等情况），用户会向Loc-tracker服务器发起第二次请求，在Loc-tracker服务器接收到第二次请求之后，服务器会将这三个条件依次放宽进行寻找。如将跨ISP个数从小于等于2，扩宽到小于等于3，以此类推。

当需要跨ISP进行数据请求的时候，例如当ISP1中的某一节点需要下载ISP2中内容分块，候选节点的选取过程为：首先该请求节点需向本域内的Loc-tracker服务器(记为L1)发送请求，然后由L1向ISP2的Loc-tracker服务器(记为L2)发送询问请求。L2会根据列表中的节点信息经优化模型的计算，筛选出相应节点构成候选列表返回给L1。最后该候选列表会经由L1发送给请求用户。

（4）中设定的CDN内容缓存服务器与Loc-tracker服务器的协作方式具体包括下列内容：位于各个ISP域内的CDN内容缓存服务器会被看作是一个特殊的peer，这个特殊的peer用来存放副本文件并可供其他用户下载。与普通的peer一样，CDN内容缓存服务器同样会将所含内容的信息发送给同ISP或最近ISP内的Loc-tracker服务器，信息记录在列表一中。在用户请求到达时，Loc-tracker服务器可以根据当前网络状态将用户引导到CDN内容缓存服务器进行内容请求。当请求用户到CDN的路径状态为拥塞时，Loc-tracker服务器将不会引导用户到内容缓存服务器进行内容请求，将会返回给用户一些延时较短，传输总费用较低的节点，若请求用户到CDN内容缓存服务器的路径没有发生拥塞，且传输总费用与延时都满足优化模型的话，Loc-tracker服务器将会引导用户到CDN内容缓存服务器进行数据请求。

本发明利用所设计的基于Loc-tracker服务器的融合内容分发方法通过控制分发成本，来加大本地本ISP内节点的命中率，以此达到减少跨域流量的生成提高分发效率的目的。在本发明通过最优化模型（选取的最优节点需满足到请求节点的路径费用最小、跨ISP少于等于Mn个、路径时延小于等于Mt秒、跳数小于等于Mh跳）实现对分发成本的控制，以此实现在保证用户需求得到满足的同时提高本ISP内节点命中率的目的，从而实现减小跨ISP流量的生成，减少运营成本以及骨干网带宽资源的浪费，缓解了基础设施的压力，提高了CDN-P2P融合内容分发网络的分发效率。

以上所披露的仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的权利范围，依照本发明申请专利范围所做的同等变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种CDN-P2P融合网络中跨域流量最小化的内容分发方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)设定实现ISP友好的CDN-P2P内容分发方法的网络场景；

(2)设定Loc-tracker服务器的列表结构及功能；

(3)设定对候选节点选取的优化模型及选取方法；

(4)设定CDN内容缓存服务器与Loc-tracker服务器的协作方式；其中，

步骤1中，网络场景包括CDN副本服务器、CDN内容缓存服务器、由ISP设立的本地tracker服务器，即Loc-tracker服务器和用户节点；

步骤2中，Loc-tracker服务器以Tracker代理的方式运行、构建并维护候选列表，在每个Loc-tracker服务器中都会维护两个列表，分别用于维护本区域本ISP中的节点和其他外部节点，Loc-tracker服务器能够通过获取边界路由中的拓扑信息来感知网络拓扑的变化，Loc-tracker服务器会主动收取本地同ISP的节点信息，其他外部节点的信息由其他Loc-tracker服务器提供；

步骤3中，优化模型需满足以下条件：

a.跨ISP个数要小于等于网络中限制的最大值；

b.链路时延要小于等于网络中用户可等待时长的最大值；

c.跳数需小于等于网络协议所规定的最大值；

选取方法如下：当某ISP域内某用户有内容数据请求时，该用户会向该ISP域内的Loc-tracker服务器发送询问请求，以询问它所请求内容数据有哪些用户节点能够提供，在收到请求后，Loc-tracker服务器会根据请求内容在两个列表中选出满足优化模型的节点，构成候选列表；当这些返回的节点不能满足用户的内容请求的时候，用户会向Loc-tracker服务器发起第二次请求，在Loc-tracker服务器接收到第二次请求之后，服务器会向其他Loc-tracker服务器进行询问在其他ISP区域内寻找节点；当需要跨ISP进行数据请求的时候，用户的请求会经由本ISP域内的Loc-tracker服务器发送给其他ISP域内的Loc-tracker服务器询问并请求数据；

步骤4中，位于各个ISP域内的CDN内容缓存服务器会作为一特殊用户节点用来存放副本文件并可供其他用户下载，和普通的用户节点一样，CDN内容缓存服务器同样会将所含内容的信息发送给同ISP或最近ISP内的Loc-tracker服务器，在用户请求到达时，Loc-tracker服务器根据当前网络状态将用户引导到CDN内容缓存服务器进行内容请求，当请求用户到CDN内容缓存服务器的路径状态为拥塞时，Loc-tracker服务器将不会引导用户到内容缓存服务器进行内容请求，将会返回给用户一些延时较短，传输总费用较低的节点；若请求用户到CDN内容缓存服务器的路径没有发生拥塞，且传输总费用与延时都满足优化模型的话，Loc-tracker服务器将会引导用户到CDN内容缓存服务器进行数据请求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CDN副本服务器与所述CDN内容缓存服务器以树形方式连接，所述Loc-tracker服务器是由所属区域的ISP设置的，所述Loc-tracker服务器管理着所属区域内的用户和CDN内容缓存服务器，不同ISP中的Loc-tracker服务器以P2P方式交换数据，构成一个由Loc-tracker服务器组成的P2P覆盖网络。