CN103581329A - 基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，首先，在初始阶段将***内所有节点进行分簇。其次，分簇结束后进行簇内部的拓扑结构构建。最后，进行簇间的拓扑结构构建，主要有两方面：一方面，构建虚拟网络并进行拓扑构建；另一方面，实际网络中簇间节点的拓扑构建。本发明使得对等网络流媒体直播***中的流媒体数据块的传输在带宽和延迟之间得到平衡，网络中的累加延迟减小，在降低计算量的基础上，使得网络中的节点的最大播放延迟减小。

Description

基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法

技术领域

本发明涉及通信网络领域，特别是对等网络流媒体直播***拓扑结构问题。

背景技术

随着三网融合的发展，广电网和互联网承载的业务越来越多，加上流媒体服务具有高带宽、持续时间长等特点，随着用户数量的增加，在传统的C/S模式中，服务器的带宽会很快被消耗完，导致视频播放不流畅，影响网络业务的发展。

为了解决上述问题，人们提出了IP组播（IP Multicast）模式。IP组播由IP网络在路由树的分叉处进行数据的复制与转发，不需要服务器发送多个副本，达到了减轻服务器的负担和减少带宽浪费的目的。但是，由于IP组播在传输技术和管理等方面存在难以解决的问题，因此到目前为止没有得到广泛的采用。

随后，人们又提出了基于CDN（Content Delivery Networks）的流媒体分发方案，流媒体内容可以缓存在网络边缘的一些代理服务器中，在用户请求时向其提供就近服务。这项技术虽然能够缓解服务器的带宽压力，但是所需要的维护成本很高，而且也没有脱离C/S架构的本质，可扩展性问题没有得到根本的解决。

与此同时，对等网络（Peer-to-Peer Network,P2P Network）由于能够克服IP组播和CDN的缺点，被人们所认可，并得到了广泛的应用。

在对等网络中，各个节点的地位都是对等的，每个节点既可以作为服务器，为其他节点提供服务；也可以作为接收节点，向其他节点请求数据。资源的所有权和控制权被分散到网络的每个节点中，服务使用者和提供者之间进行直接通信，这样可以充分利用网络带宽，减少网络的拥塞状况，使得资源的利用率大大提高。对等网络不同于传统的C/S工作方式，具有新的特点：节点数量大，动态性强，异构性强，分布广泛，网络异步性强等。

对等网络流媒体直播***主要涉及两个方面的研究内容：一是拓扑结构的构建，也称为成员管理；二是数据块的传输调度。

拓扑结构的构建是直播***的基础。由于流媒体直播***节点数量大，节点带宽不尽相同，各节点的稳定性也不同，节点的加入和退出具有随机性，因此***拓扑结构的构建较为复杂，其构建效果会影响用户的启动延迟、视频播放的连续度以及网络带宽的使用效率。

发明内容

本发明解决的技术问题：本发明提供一种基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，该方法使得对等网络流媒体直播***中的节点在带宽和延迟之间得到平衡，网络中的累加延迟得到减小，在降低计算量的基础上，使得网络节点的最大播放延迟减小，从而有效克服现有技术播放延迟大的不足。

本发明技术解决方案：一种基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，包括以下步骤：

A.在分簇时，分簇的标准是以簇头为中心的一定范围内所有节点的平均传输效率最大；首先，以流媒体服务器为中心的一定范围内所有节点为一簇，其中流媒体服务器为簇头，其他节点为簇内节点。然后，对于剩余的节点分别计算以该节点为中心的一定范围内所有节点的平均传输效率，平均传输效率最大的节点集为一簇，中心节点为簇头，其他节点为簇内节点。循环计算直到***内所有节点均分配到某个簇内；

B.分簇结束后对于每个簇，首先，在初始阶段选出簇内的虚拟流媒体服务器节点集和普通节点集；其次，计算普通节点集中的每个节点与虚拟流媒体服务器节点集中的所有节点之间的传输效率，选择普通节点集中传输效率最大的节点与相对应的父节点连接（此处父节点是指与该普通节点传输效率达到最大的那个虚拟流媒体服务器节点），当普通节点集中的节点播放速率达到流媒体的播放速率时，将该节点从普通节点集移动到虚拟流媒体服务器节点集中；依次循环计算直到普通节点集为空集；

C.簇间的拓扑构建分为两个阶段，第一阶段是虚拟网络拓扑构建，首先，将一个簇记为一个虚拟节点，该簇的剩余带宽作为对应虚拟节点的带宽，簇头间的延迟作为相应虚拟节点间的延迟；其次，对所有虚拟节点组成的网络进行拓扑构建；第二阶段是簇间网络的实际构建，根据第一阶段虚拟网络拓扑构建进行实际的簇间网络拓扑构建。

在所述步骤A中，节点的传输效率是该节点的父节点的剩余带宽与流媒体播放速率两者间的最小值除以父节点与该节点之间的延迟的结果，即：

其中P_i(j)为节点i与父节点j间的传输效率，R_j为父节点j的剩余带宽，s为流媒体的播放速率，d_ji为节点i和父节点j间的延迟，节点集V中的平均传输效率为其中|V|表示节点集V中节点的个数，此处P_i(j)中的父节点是指节点集V中除了节点i以外的其余节点。父节点j的剩余带宽的定义为节点j的带宽减去已经使用的带宽，即：R_j＝U_j-A_j，其中U_j为节点j的带宽，A_j为节点j被其他子节点占用的带宽之和。在所述步骤A中，选取每个簇的范围是从簇头到簇内最远节点的延迟为其中|R|为***内普通节点集R内节点的个数，max_v∈Rd_Sv为***内普通节点集R中节点到流媒体服务器S的最大延迟。

在所述步骤B中，初始阶段选出的虚拟流媒体服务器是指与其他簇进行簇间连接的节点，不需要簇内节点向其传输数据块。虚拟流媒体服务器节点集是由虚拟流媒体服务器组成的节点集合。普通节点是指簇内除了虚拟流媒体服务器以外的节点，需要虚拟流媒体服务器向其传输数据块。普通节点集是由普通节点组成的集合。在初始阶段选取虚拟流媒体服务器节点集的方法为：首先，将簇内节点按照带宽大小降序排列；其次，按照排列顺序选择最前面的一些节点作为虚拟流媒体服务器节点集，选取的节点个数G为满足式子s-C(M)≤s*G的最小整数，C(M)为簇M的剩余带宽，s为流媒体播放速率。如果G为负数，则G取值为1。普通节点集是指簇内除了虚拟流媒体服务器节点集外的所有节点组成的集合。

在所述步骤B中，普通节点集中的节点i与虚拟流媒体服务器节点集中相应的父节点j连接，如果父节点的剩余带宽R_j不小于流媒体播放速率s与节点i当前的传输速率s_i的差，则R_j＝R_j-(s-s_i)　,s_i＝s；否则，R_j＝0　,s_i＝s_i+R_j。

在所述步骤C中，虚拟节点的带宽为对应簇的剩余带宽；虚拟节点之间的延迟为对应簇头之间的延迟；簇的剩余带宽是指簇内所有节点的总带宽与播放节点的总播放速率的差，数学表示为，设簇内节点集为A，服务器集为S，U_i为节点i的带宽，s为流媒体播放速率，则簇的剩余带宽为

|A|为簇内节点集A中节点的个数，|S|为服务器集S中节点的个数。簇的剩余带宽可以为负值，表示需要其他簇向该簇提供缺少的带宽。

在所述步骤C中，构建虚拟网络的拓扑结构的方法为：首先，将流媒体服务器对应的虚拟节点放入虚拟流媒体服务器节点集，其他虚拟节点放入普通节点集；其次，计算普通节点集中的每个节点与虚拟流媒体服务器节点集中的所有节点之间的传输效率，选择普通节点集中传输效率最大的节点与相对应的父节点连接，此处父节点是指与该普通节点传输效率达到最大的那个虚拟流媒体服务器节点；当普通节点集中的节点播放速率达到流媒体的播放速率时，将该节点从普通节点集移动到虚拟流媒体服务器节点集中；依次循环计算直到普通节点集为空集。

在所述步骤C中，构建簇间拓扑结构的具体构建方法：父节点集指的是虚拟网络中的父节点对应的簇内所有剩余带宽大于零的节点集，子节点集指的是虚拟网络中的子节点对应的簇内拓扑构建的初始阶段选出的虚拟流媒体服务器节点集；计算子节点集中的每个节点与父节点集中的所有节点之间的传输效率，选择子节点集中传输效率最大的节点与相对应的父节点连接，此处父节点是指与该普通节点传输效率达到最大的那个节点；当子节点集中的节点播放速率达到流媒体的播放速率时，将该节点从子节点集移动到父节点集中；依次循环计算直到子节点集为空集。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的网络拓扑构建方法主要有树型和网络型。其中，树型有严格的父子关系，***维护比较困难，一般很难在实际网络***中应用。网络型的一般采取随机选取邻居节点的方法。而本发明建立在网络型的基础上，采用分簇的思想将大***分解为比较小的部分，使得计算量减少。同时考虑带宽和延迟两方面因素来选取父节点使得数据块传输效率更高，可减小播放延迟。

附图说明

图1为网络分簇的工作流程图；

图2为簇内节点连接的工作流程图；

图3为簇间实际节点连接的工作流程图；

图4为总体实现流程图。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，结合附图对本发明作进一步阐述，但附图中的实施不构成对本发明的任何限制。

如图1、4所示，给出了分簇的工作流程图。

本发明中，假设流媒体服务器只有一个，但是没有这个假设不影响本发明的核心思想。具体实施步骤如下：

步骤1：变量初始化。

$\mathrm{\γ}=\left({\max }_{v\∈R}{d}_{\mathrm{Sv}}\right)*\left(\right|R|+1)/\sqrt{1n\left|R\right|},{W_1}^{\mathrm{\γ}}=V,{\mathrm{\μ}}_1=S,M_1=E_{\mathrm{\γ}}(S,{W_1}^{\mathrm{\γ}})U\left\{S\right\}$

γ为簇头到簇内最远节点的延迟，S为流媒体服务器；R为***内除了服务器以外的节点集，V为***内所有节点的集合，max_v∈Rd_Sv为***内普通节点集R中节点到流媒体服务器S的最大延迟，|R|为节点集R中节点的个数；E_γ(S,W₁ ^γ)为在节点集W₁ ^γ中以节点S为圆心，γ为半径范围内的节点子集；W_i ^γ表示第i个簇可选择节点的范围；M_i表示第i簇的节点集合；μ_i表示第i簇的簇头，O(V)节点集V中的平均传输效率。

循环变量：i＝2

步骤2：检验是否继续循环

如果W_i ^γ不为空集，则执行步骤3；否则结束。

步骤3：选择第i簇

a.选择簇头μ_i： ${\mathrm{\μ}}_i=\underset{v\∈{W_i}^{\mathrm{\γ}}}{\arg \max O}\left(E_{\mathrm{\γ}}(v,{W_i}^{\mathrm{\γ}})\right)$

b.第i簇的节点集： $M_i=E_{\mathrm{\γ}}({\mathrm{\μ}}_i,{W_i}^{\mathrm{\γ}})U\left\{{\mathrm{\μ}}_i\right\}$

c.i＝i+1

d.执行步骤2.

在图示1所述的方法中，核心的步骤是簇头的选取，本发明中采用的选举方法是距离簇头延迟为γ的范围内所有节点间的平均传输效率最大的节点。本发明的这种方法是取得了带宽和延迟的综合平衡，在实际中将能很好的改善节点的播放延迟。

图2给出了簇内节点连接的工作流程图。首先给出变量G的定义：G为满足式子s-C(M_i)≤s*G的最小整数，其中C(M_i)为第i簇的剩余带宽，s为流媒体播放速率，如果G为负数，则G取值为1。

首先具体介绍步骤的各个变量的含义。s为流媒体播放速率，U_i表示节点i的带宽，s_i表示节点i已经获取的播放速率，R_i表示节点i的剩余带宽，P_i(j)为节点i与父节点j间的传输效率。

详细的执行步骤如下：

步骤1：选择虚拟流媒体服务器集

a.将簇内的节点按照带宽大小降序排列。

b.如果簇的剩余带宽不小于零，则选择簇内带宽最大的节点作为虚拟流媒体服务器S；如果簇的剩余带宽小于零，则选择簇内前G个节点作为虚拟流媒体服务器集S。簇内剩余节点为未连接节点集V。

步骤2：变量初始化

s_i＝0，R_i＝U_i i∈V;R_j＝U_j,j∈S

步骤3：检验是否循环

若V为空集，则结束；否则，执行步骤4。

步骤4：选择连接方式

a.对满足s_i＜s的节点计算 $P_i\left(j\right)=\frac{\min (R_j,s)}{d_{\mathrm{ji}}},i\∈V,j\∈S$

b.对S中的节点j按照P_i(j)的大小降序排列，并且依次选择S中的节点与节点i连接，直到节点i满足s_i＝s；将节点i从V中删除并加入S中。其中，在选择S中的节点时，如果选择该节点之前：R_j≥s-s_i，则R_j＝R_j-(s-s_i)，s_i＝s，边<j,i>存在；否则s_i＝s_i+R_j，R_j＝0，边<j,i>存在。

c.执行步骤3。

在图2中，因为有些簇的剩余带宽小于零，无法满足簇内所有节点的播放速率，因此需要父簇给予帮助。这样，簇内虚拟流媒体服务器的个数增加，不仅能满足簇内所有节点的播放速率，还减小了簇内节点的延迟。

图3给出了簇间节点连接工作流程图。

首先，将一个簇转换为一个虚拟节点，转变成虚拟网络的拓扑结构的连接。其中，虚拟节点的带宽为该簇的剩余带宽，可能小于零；虚拟节点之间的延迟是簇头间的延迟。其次，进行簇间的实际连接，从子簇和父簇中分别选取一些节点进行连接。

首先具体介绍步骤的各个变量的含义。s为流媒体播放速率，U_i表示节点i的带宽，s_i表示节点i已经获取的播放速率，R_i表示节点i的剩余带宽，P_i(j)为节点i与父节点j间的传输效率。

具体实施步骤如下：

步骤1：选择节点集

含有服务器节点的簇为虚拟服务器节点S，其余簇虚拟的节点为未连接的节点集V。

步骤2：变量初始化

如果U_i≥0则s_i＝0，R_i＝U_i；否则，s_i＝U_i，R_i＝0，i∈V

R_j＝U_j,j∈S

步骤3：检验是否循环

若V为空集，则执行步骤5；否则，执行步骤4。

步骤4：选择连接方式

a.对满足s_i＜s的节点计算 $P_i\left(j\right)=\frac{\min (R_j,s)}{d_{\mathrm{ji}}},i\&Element;V,j\&Element;S$

b.对S中的节点j按照P_i(j)的大小降序排列，并且依次选择S中的节点与节点i连接，直到节点i满足s_i＝s；将节点i从V中删除并加入S中。其中，在选择S中的节点时，如果选择该节点之前：R_j≥s-s_i，则R_j＝R_j-(s-s_i)，s_i＝s，边<j,i>存在；否则s_i＝s_i+R_j，R_j＝0，边<j,i>存在。

c.执行步骤3。

步骤5：簇间实际连接中节点选取

a.子簇中选取的节点集V'为簇内节点连接过程中作为虚拟流媒体服务器节点集。

b.父簇中选取的节点集S'为簇内剩余带宽大于0的节点集。

步骤6：变量初始化

s_i＝0，R_i＝U_i,i∈V'  R_j＝U_j,j∈S'

步骤7：检验是否循环

若V'为空集，则结束；否则，执行步骤8。

步骤8：选择连接方式

a.对满足s_i＜s的节点计算 $P_i\left(j\right)=\frac{\min (R_i,s)}{d_{\mathrm{ji}}},i\&Element;V^{\&prime;},j\&Element;S^{\&prime;}$

b.对S'中的节点j按照P_i(j)的大小降序排列，并且依次选择S'中的节点与节点i连接，直到节点i满足s_i＝s；将节点i从V'中删除并加入S'中。其中，在选择S'中的节点时，如果选择该节点之前：R_j≥s-s_i，则R_j＝R_j-(s-s_i)，s_i＝s，边<j,i>存在；否则s_i＝s_i+R_j，R_j＝0，边<j,i>存在。

c.执行步骤7。

在图示3所述的方法中，综合考虑带宽和延迟两个因素，定义传输效率这个概念，使得二者兼顾，在满足传输速率的前提下，使得延迟得到了很大的改善。

图4给出了总体实现流程图，在图4中，首先是分簇的具体步骤；其次为簇内节点连接的具体步骤；最后为簇间的实现方法。其中，在簇内节点连接中，虚拟流媒体服务器节点集和普通节点集的选择完成后就可以同步进行簇间的拓扑结构的构建。

本发明中，主要是采用分簇的思想，将网络分成多个簇，这样可以降低计算量；在每个簇内部及簇间的连接中，本发明中所述的方法得到了计算量和和延迟的之间的平衡。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，其特征在于实现步骤如下：

A.在分簇时，分簇的标准是以簇头为中心的一定范围内所有节点的平均传输效率最大；首先，以流媒体服务器为中心的一定范围内所有节点为一簇，其中流媒体服务器为簇头，其他节点为簇内节点；然后，对于剩余的节点分别计算以该节点为中心的一定范围内所有节点的平均传输效率，平均传输效率最大的节点集为一簇，中心节点为簇头，其他节点为簇内节点,循环计算直到***内所有节点均分配到某个簇内；

B.分簇结束后对于每个簇，首先，在初始阶段选出簇内的虚拟流媒体服务器节点集和普通节点集；其次，计算普通节点集中的每个节点与虚拟流媒体服务器节点集中的所有节点之间的传输效率，选择普通节点集中传输效率最大的节点与相对应的父节点连接，此处父节点是指与该普通节点传输效率达到最大的那个虚拟流媒体服务器节点；当普通节点集中的节点播放速率达到流媒体的播放速率时，将该节点从普通节点集移动到虚拟流媒体服务器节点集中；依次循环计算直到普通节点集为空集；

C.簇间的拓扑构建分为两个阶段，第一阶段是虚拟网络拓扑构建，首先,将一个簇记为一个虚拟节点，其中该簇的剩余带宽为对应虚拟节点的带宽，簇头间的延迟为相应虚拟节点间的延迟；其次，对所有虚拟节点组成的网络进行拓扑构建；第二阶段是簇间网络的实际构建，根据第一阶段虚拟网络拓扑构建进行实际的簇间网络拓扑构建。

2.根据权利要求1所述的基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，其特征在于：在所述步骤A中，节点的传输效率是该节点的父节点的剩余带宽与流媒体播放速率两者间的最小值除以父节点与该节点之间的延迟的结果，即：

其中P_i(j)为节点i与父节点j间的传输效率，R_j为父节点j的剩余带宽，s为流媒体播放速率，d_ji为节点i和父节点j间的延迟；节点集V中的平均传输效率为

其中|V|表示节点集V中节点的个数，此处P_i(j)中的父节点是指节点集V中除了节点i以外的其余节点；父节点j的剩余带宽的定义为节点的带宽减去已经使用的带宽，即：R_j＝U_j-A_j，其中U_j为节点j的带宽，A_j为节点j被其他子节点占用的带宽之和。

3.根据权利要求1所述的基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，其特征在于：在所述步骤A中，选取每个簇的范围是从簇头到簇内最远节点的延迟为其中|R|为***内普通节点集R内节点的个数，max_v∈Rd_Sv为***内普通节点集R中节点到流媒体服务器S的最大延迟。

4.根据权利要求1所述的基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，其特征在于：在所述步骤B中，簇内初始阶段选出的虚拟流媒体服务器是指与其他簇进行簇间连接的节点，不需要簇内节点向其传输数据块；虚拟流媒体服务器节点集是由虚拟流媒体服务器组成的节点集合；普通节点是指簇内除了虚拟流媒体服务器以外的节点，需要虚拟流媒体服务器向其传输数据块；普通节点集是由普通节点组成的集合；在初始阶段选取虚拟流媒体服务器节点集的方法为：首先，将簇内节点按照带宽大小降序排列；其次，按照排列顺序选择最前面的一些节点作为虚拟流媒体服务器节点集，选取的节点个数G为满足式子s-C(M)≤s*G的最小整数，C(M)为簇M的剩余带宽，s为流媒体播放速率，如果G为负数，则G取值为1。普通节点集是指簇内除了虚拟流媒体服务器节点集外的所有节点组成的集合。

5.根据权利要求1所述的基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，其特征在于：在所述步骤B中，普通节点集中的节点i与虚拟流媒体服务器节点集中相应的父节点j连接，如果父节点的剩余带宽R_j不小于流媒体播放速率s与节点i当前的传输速率s_i的差，则R_j＝R_j-(s-s_i)　,s_i＝s；否则，R_j＝0　,s_i＝s_i+R_j。

6.根据权利要求1所述的基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，其特征在于：在所述步骤C中，虚拟节点的带宽为对应簇的剩余带宽；虚拟节点之间的延迟为对应簇头之间的延迟；簇的剩余带宽是指簇内所有节点的总带宽与播放节点的总播放速率的差，数学表示为，设簇内节点集为A，服务器集为S，U_i为节点i的带宽，s为流媒体播放速率，则簇的剩余带宽为

|A|为簇内节点集A中节点的个数，|S|为服务器集S中节点的个数，簇的剩余带宽可以为负值，表示需要其他簇向该簇提供缺少的带宽。

7.根据权利要求1所述的基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，其特征在于：在所述步骤C中，构建虚拟网络的拓扑结构的方法为：首先，将流媒体服务器对应的虚拟节点放入虚拟流媒体服务器节点集，其他虚拟节点放入普通节点集；其次，计算普通节点集中的每个节点与虚拟流媒体服务器节点集中的所有节点之间的传输效率，选择普通节点集中传输效率最大的节点与相对应的父节点连接，此处父节点是指与该普通节点传输效率达到最大的那个虚拟流媒体服务器节点；当普通节点集中的节点播放速率达到流媒体的播放速率时，将该节点从普通节点集移动到虚拟流媒体服务器节点集中；依次循环计算直到普通节点集为空集。

8.根据权利要求1所述的基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，其特征在于：在所述步骤C中，构建簇间拓扑结构的具体构建方法中父节点集和子节点集的选取为：父节点集指的是虚拟网络中的父节点对应的簇内所有剩余带宽大于零的节点集，子节点集指的是虚拟网络中的子节点对应的簇内拓扑构建的初始阶段选出的虚拟流媒体服务器节点集。

9.根据权利要求1所述的基于分簇的对等网络流媒体直播***拓扑结构的构建方法，其特征在于：在所述步骤C中，构建簇间拓扑结构的具体构建方法中父节点集和子节点集的连接方法为：计算子节点集中的每个节点与父节点集中的所有节点之间的传输效率，选择子节点集中传输效率最大的节点与相对应的父节点连接，此处父节点是指与该普通节点传输效率达到最大的那个节点；当子节点集中的节点播放速率达到流媒体的播放速率时，将该节点从子节点集移动到父节点集中；依次循环计算直到子节点集为空集。

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