TWI500315B - 串流分享方法、串流分享裝置與串流分享系統 - Google Patents

Description

串流分享方法、串流分享裝置與串流分享系統

本揭露係關於同儕網路(peer-to-peer network)，特別係關於同儕網路上分享串流的方法、裝置與系統。

傳統的主從(client-server)架構伸縮性(scalability)不足，遞送內容時只要用戶一多便容易在伺服端形成瓶頸。在網際網路基礎建設尚未普遍實作多播(multicast)的現況下，理論上可達到更大通量的同儕網路儼然已成為即時串流分享的首選技術。

用以提供串流服務的同儕網路一般而言包括眾多節點(node或peer)，向彼此或某個內容源以區段(segment)為單位下載資料，並(在被要求時)上傳給其他節點。具體而言，每個節點維護著一個排程窗(scheduling window)，隨著串流的各區段持續地被下載、處理(如影音串流的訊框〔frame〕被播放出來)和丟棄(或被移出下載資料的暫存區)，排程窗會不停前移，指示節點需向外請求的區段。可惜的是，實務上節點常採取簡單的貪婪策略，盲目加大自己的排程窗，以涵蓋更即時的區段，並鎖定某個節點抓取所有所需資 料。整體而言這反而造成少數節點(通常是內容源)負荷過大、甚至網路陷入癱瘓的公地悲劇(tragedy of the commons)，無異於主從架構固有的不效率。

本揭露旨在提供一種串流分享方法、一種串流分享裝置以及一種串流分享系統。

本揭露提供之串流分享方法包含：依據第一排程窗，開始接收串流；將串流的多個已接收區段儲存至緩衝(buffer)模組，每一已接收區段對應一個接收時點；接收一分享請求，其包含第二排程窗；依據第二排程窗，傳送一或多個被要求區段，每一被要求區段係該些已接收區段其中之一且更對應一個傳送時點；以及依據各被要求區段分別對應的接收和傳送時點，選擇性地調整前述第一排程窗，以持續接收串流。

本揭露提供之串流分享裝置包含緩衝模組、分享模組和調整模組。分享模組用以依據第一排程窗，開始接收串流；用以將串流的多個已接收區段儲存至緩衝模組，每一已接收區段對應一個接收時點；用以接收一分享請求，其包含第二排程窗；以及用以依據第二排程窗，傳送一或多個被要求區段，每一被要求區段係該些已接收區段其中之一且更對應一個傳送時點。調整模組用以依據各被要求區段分別對應的接收和傳送時點，選擇性地調整前述第一排程窗，以供 分享模組持續接收串流。

本揭露提供之串流分享系統包含用以播送串流的串流源裝置和至少一個串流分享裝置。串流分享裝置包含緩衝模組、分享模組和調整模組。分享模組用以依據第一排程窗，開始接收串流；用以將串流的多個已接收區段儲存至緩衝模組，每一已接收區段對應一個接收時點；用以接收一分享請求，其包含第二排程窗；以及用以依據第二排程窗，傳送一或多個被要求區段，每一被要求區段係該些已接收區段其中之一且更對應一個傳送時點。調整模組用以依據各被要求區段分別對應的接收和傳送時點，選擇性地調整前述第一排程窗，以供分享模組持續接收串流。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本揭露之精神與原理，並且提供本揭露之專利申請範圍更進一步之解釋。

10‧‧‧串流源裝置

12、14‧‧‧串流分享裝置

101a、121a、141a‧‧‧緩衝模組

123a‧‧‧分享模組

125a‧‧‧調整模組

2‧‧‧網路

第1圖係依據本揭露一實施例串流分享系統與串流分享裝置的高階方塊圖。

第2圖係依據本揭露一實施例串流分享方法的流程圖。

第3A圖至第5B圖係依據本揭露一實施例兩個串流分享裝置與串流源裝置間分享區段的示意圖。

第6圖係依據本揭露一實施例選擇性地調整第一排程窗的 部分流程圖。

以下在實施方式中詳細敘述本揭露之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本揭露之技術內容並據以實施，且依據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之觀點，但非以任何觀點限制本揭露之範疇。

請參見第1圖。第1圖係依據本揭露一實施例串流分享系統與串流分享裝置的高階方塊圖。如第1圖所示，一個簡化的串流分享系統由串流源裝置10和串流分享裝置12、14組成，彼此透過網路2通訊。串流分享裝置12和14可能是個人電腦、平板電腦或行動電話等任何運算設備。實務上，串流分享系統可以有複數個串流源裝置和更多的串流分享裝置，而這些串流分享裝置間的同儕網路係覆蓋(overlaid)於網路2上。網路2可以是區域網路(local area network)、廣域網路(wide area network)或兩者之混成，且不限於有線或無線的實體鏈結。對於串流分享裝置來說，無論它們透過同儕網路從何節點接收串流，最終都可以追溯到某個串流源裝置。值得一提的是，在第1圖的例子中，真正產生串流的不一定是串流源裝置10，而可能是透過網路2或實體耦接串流源裝置10的攝影機、錄音設備、螢幕擷取軟體 或多媒體資料庫等等。在此情形下，串流源裝置10扮演同儕網路中追蹤器(tracker)、種子(seed)和/或中繼節點(relay)的角色，或為前述串流產生者提供內容遞送(content delivery)或反向代理(reverse proxy)服務。

以串流分享裝置12為例，一個串流分享裝置會包含緩衝模組121a、分享模組123a和調整模組125a，其分別之功能請參見第2圖。在第2圖串流分享方法的實施例中，串流分享裝置12記錄有一個第一排程窗，調整模組125a有權修改此資料結構，但分享模組123a只有權讀取其值。於步驟S21中，分享模組123a依據第一排程窗，開始接收串流。此處假設由於某種同儕選擇(peer selection)機制，串流係接收自串流源裝置10。於步驟S23中，分享模組123a將串流的多個區段儲存至緩衝模組121a，同時記錄接收每個區段的時點。在持續地接收串流(步驟S21)、記錄區段接收時點和儲存區段(步驟S23)期間，分享模組123a可能會於步驟S25中接收到來自串流分享裝置14的分享請求，其中包含串流分享裝置14所記錄的第二排程窗。於步驟S27中，分享模組123a依據此第二排程窗的要求，傳送前述已接收的區段中的一或多個，同時記錄傳送這些被要求的區段的時點。換句話說，串流分享裝置14的分享模組依據第二排程窗，開始自串流分享裝置12接收串流。於步驟S29中，調整模組125a依據傳送給串流分享裝置14的各區段分別對應的接收和傳送時點， 選擇性地調整第一排程窗，而分享模組123a繼續於步驟S21中，依據(調整後的)第一排程窗自串流源裝置10接收串流。

上述串流分享方法的詳細說明請參見第3A圖至第5B圖。承前例，如第3A圖所示，在時間t =0時串流源裝置10的緩衝模組101a儲存有已經在進行的串流的多個區段，分別標號為21至35。此處假設每個區段對應1單位時間。串流分享裝置12的分享模組123a(開始)執行步驟S21和S23；由於這是從串流源裝置10到串流分享裝置12就此串流的初次遞送，和第一排程窗等長(7單位時間)的多個區段(標號24至30)從緩衝模組101a被批次(batch)傳送至緩衝模組121a。第一排程窗也可以確切地包含串流分享裝置12要求的區段標號(如24至30)，並隨時間滑動，如第3B圖所示在t =1時串流分享裝置12之前接收的七個區段在其處理佇列裡被往前推，第一排程窗現在指示緩衝模組121a中應有標號25至31的區段，其中分享模組123a只需要再和串流源裝置10要求最後一個區段即可(或等待串流源裝置10自動傳送)。以此類推，只要同儕網路沒有變化，如新的節點加入並要求和遞送此串流，每一單位時間第一排程窗都會往後滑動，一個新的區段從緩衝模組101a被傳送而儲存至緩衝模組121a，如在t =60時串流分享裝置12接收標號為90的區段。

假設串流分享裝置12的調整模組125a係週期性地每60單位時間執行一次步驟S29。由於t =0和t =60之間串 流分享裝置12沒有上傳任何的區段，其處理過的區段(標號24至90)皆未被記錄有傳送時點。在一實施例中，沒有被要求或被分享的區段的傳送時點可視為其最終離開緩衝模組的時點，也就是說這樣的區段對應的傳送和接收時點的差便是其停留於緩衝模組中的時間。在第3A和3B圖的例子中，標號24的區段會在t =9時被擠出，以留出儲存空間給新進的標號39的區段；由於標號24的區段是t =0時存入，調整模組125a計算其在緩衝模組121a停留了9單位時間。同樣地，標號31至75的區段到目前為止都沒有被串流分享裝置14要求，且已離開緩衝模組121a進行後續處理或被丟棄，因此在緩衝模組121a中分別都停留了15單位時間。(這裡假設緩衝模組101a、121a和下述的141a皆恰可存放十五個區段，而每個區段對應一單位時間。)

由此可知，若假設了未被要求區段的傳送時點，等同於假設了到目前為止這些區段分別對應的傳送和接收時點的差和緩衝模組121a的大小有關，或者這些差值的平均等於緩衝模組121a能儲存多少單位時間的資料，無論取多少個區段或給予它們怎樣的權重。在t =61前，調整模組125a便觀察到這個平均是15單位時間。在一實施例中，調整模組125a在這個平均高於某個上限時會著手縮短第一排程窗。假設取緩衝模組121a的大小的三分之二為上限(10單位時間)，如第3C圖所示，在t =61時，第一排程窗已被減小了一個區段 或1單位時間，因此串流分享裝置12一時並沒有需自串流源裝置10取得的區段。實務上，每次排程窗的調整不一定要是一個定值，或一定是串流的最小單位。舉例而言，調整的量可以和前述平均超過上限或低於下限的程度呈比例關係。就同儕網路的負載而言，高的平均代表節點網路狀態不佳或有較多限制(如上傳頻寬被管控或防火牆阻擋外來連線)，在同儕選擇上順位較低而較不常分享區段，因此超過上限愈多，可被縮短(愈多的)第一排程窗，增加節點得到串流中最新資料的難度。

從第3C圖中緩衝模組141a的存在，可以發現串流分享裝置14也透過某種同儕選擇機制開始向串流分享裝置12要求串流。如同第3A圖中的情形，和第二排程窗等長(七單位時間)的多個區段(標號84至90)從緩衝模組121a被批次傳送至緩衝模組141a。從此時點t =61開始調整模組125a可較有意義地計算緩衝模組121a中區段分別對應的傳送和接收時點差並時時更新這些時點差的平均。舉例而言，由於標號90的區段是在t =60時被載入至緩衝模組121a，調整模組125a計算其傳送和接收時點差為1，同理t =59時被載入的標號89的區段其傳送和接收時點差為2，以此類推，而標號84的區段的時點差則為7。調整模組125a可只取迄今被要求的區段計算上述平均為單位時間，或取緩衝模 組121a中尚存的所有區段計算出單 位時間的算術平均，或給予自近至遠被要求的區段或尚存所有區段漸減的權重以計算加權平均等等，方式不一而足。在第3C圖和後續的說明中，假設調整模組125a係取迄今被要求的區段計算算術平均，因此t =63時，如第4A圖所示，標號84至92的區段是被分享過的，其中標號91和92的區段分別於t =62和t =63被分享模組123a接收並傳送至串流分享裝置14(時間差皆為0)，使平均等於單位時間。(當串流分享裝置14從串流分享裝置12接收了一段時間的串流後，顯然緩衝模組121a中全部都會是被要求過的區段。)

請注意前文中已假設調整模組125a每60單位時間調整一次第一排程窗，因此雖然平均已小於10單位時間的上限，t =63時第一排程窗仍是縮減的長度，但到了t =121前步驟S29會再次執行。在一實施例中，調整模組125a在平均低於某個下限時會著手延長第一排程窗。假設取緩衝模組121a的大小的三分之一為下限(5單位時間)，如第4B圖所示，在t =121時，平均已降至0單位時間(分享模組123a接收區段後立即傳送)，第一排程窗因此加大了一個區段或1單位時間，恢復成t =0時的7單位時間，使串流分享裝置12批次自串流源裝置10取得標號為150和151的區段。就同儕網路的負載而言，低的平均代表節點網路狀態良好，在同儕選擇上順位較高而較常分享區段，因此低於下限愈多，可被延 長(愈多的)第一排程窗，增加節點得到串流中最新資料的機會。類似串流分享裝置12在第3C圖中的情形，由於迄今串流分享裝置14未有任何分享(或緩衝模組141a中區段分別對應的傳送和接收時點差的平均固定在15單位時間)，其調整模組減小了第二排程窗，串流分享裝置14一時不需自串流分享裝置12接收區段。

請配合第3C圖參見第5A圖。假設在t =62時，與第4A和4B圖的情形不同，同儕選擇機制決定讓串流源裝置10直接傳送資料給串流分享裝置14，而串流分享裝置12改自串流分享裝置14接收此後的區段，因此標號91的區段係自經過緩衝模組141a從緩衝模組101a被載入緩衝模組121a。這可能是因為串流分享裝置14的網路狀態變得較串流分享裝置12為佳，譬如t =62時實作串流分享裝置12的運算設備啟動了某種大量耗用頻寬或運算資源的程式。在t =121前緩衝模組121a中區段分別對應的傳送和接收時點差的平均仍為關聯於緩衝模組121a大小的大於上限的15單位時間(儘管在t =61時分享模組123a傳送了七個區段)，因此在第5B圖中可發現調整模組125a再度減小了第一排程窗。另一方面，串流分享裝置14從t =62至121不停分享區段給串流分享裝置12，因此第二排程窗得以被加大至8單位時間，且如同第4B圖中的情形，兩個區段被批次載入緩衝模組141a。

在一實施例中，排程窗無法無止境地被延長或縮 短。顯然在緩衝模組的大小有限或不可變的條件下，排程窗過大是沒有意義的。觀察第3A至3C圖、第4A至4B圖或第5A至5B圖，可發現參與分享的串流分享裝置的排程窗會愈來愈大，而被動接收的串流分享裝置的排程窗會愈來愈小。換句話說，被動接收的串流分享裝置會將參與分享者的緩衝進度推得愈來愈接近串流源裝置10持有的串流進度，參與分享者的緩衝模組會愈來愈和緩衝模組101a平行。實務上，過小的排程窗會使串流體驗惡化，縮短的同時發生影音播放中俗稱的lag(落後)現象，因此排程窗的尺寸也應該有一個最小值。

具體而言，在一實施例中，第2圖中的步驟S29包含如第6圖所示的流程。調整模組125a在求得緩衝模組121a中區段分別對應的傳送和接收時點差的平均後，於步驟S601和S603中判斷平均是否小於前述下限或大於前述上限。若平均在上下限之間，則調整模組125a於步驟S605中單純維持原來的第一排程窗尺寸。若小於下限，且調整模組125a更於步驟S607中判斷第一排程窗尚未達某個最大尺寸，則於步驟S609中加大第一排程窗。若大於上限，且調整模組125a更於步驟S611中判斷第一排程窗尚未達某個最小尺寸，則於步驟S613中減小第一排程窗。若於步驟S607或S611中第一排程窗已達最大或最小尺寸，則調整模組125a執行步驟S605。

本揭露之實施例具有多種樣態，舉凡串流源裝置的數量、串流分享裝置的數量、區段對應時間長短、各裝置緩衝模組的大小、排程窗的表達方式、預設的排程窗長度和極值、差值的取用、差的平均值的計算方式(包括是否加權以及權重如何分配)、和平均值比較的上下限和每次調整排程窗的量等等，凡本揭露所屬領域中具通常知識者應可輕易變化與設計。舉例而言，當一個串流分享裝置同時分享給多個其他串流分享裝置時，其緩衝模組中某個區段可能對應多個傳送時點，則其調整模組可以取用這些傳送時點中最早的一個，或這些傳送時點的某種平均值或中位數。

綜上所述，本揭露的實施例中作為節點的串流分享裝置依據所擁有區段的出入時間，獨立(但間接地)衡量自身的網路狀態，以在有所上傳時加大排程窗，貼近串流源的進度，成為更適合分享的節點，或在無法分享或上傳不順利時縮小排程窗較保守地抓取，減少佔用上游資源，並增加同儕所擁有區段相對自己的可用性。排程窗加大或減小的具體實施方式有多種變化。總而言之，本揭露旨在藉由調整排程窗在提供串流服務的同儕網路中鼓勵分享並限制表現被動的節點，進而平衡整體同儕網路的負載，且因為調整係自適性，對網路不會帶來額外的運作成本(overhead)，如控制封包的量。

雖然本揭露以前述之實施例揭露如上，然其並非 用以限定本揭露。在不脫離本揭露之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本揭露之專利保護範圍。關於本揭露所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims (18)

1. 一種串流分享方法，包含：依據一第一排程窗，開始接收一串流；將該串流的多個已接收區段儲存至一緩衝模組，每一該已接收區段對應一接收時點；接收一分享請求，該分享請求包含一第二排程窗；依據該第二排程窗，傳送一或多個被要求區段，每一該被要求區段係該些已接收區段其中之一且更對應一傳送時點；以及依據每一該被要求區段對應的該接收時點和該傳送時點，選擇性地調整該第一排程窗。
2. 如請求項1所述的串流分享方法，其中依據每一該被要求區段對應的該接收時點和該傳送時點選擇性地調整該第一排程窗的步驟包含：計算每一該被要求區段對應的該傳送時點和該接收時點的一差值；依據該或該些差值，更新一平均值；以及依據該平均值，選擇性地調整該第一排程窗。
3. 如請求項2所述的串流分享方法，其中於依據該平均值選擇性地調整該第一排程窗的步驟中，當該平均值小於一預設下限時，選擇性地加大該第一排程窗，且當該平均值大於一預設上限時，選擇性地減小該第一排程窗。
4. 如請求項3所述的串流分享方法，其中於依據該平均值選擇性地調整該第一排程窗的步驟中，當該平均值小於該預設下限且該第一排程窗小於一最大尺寸時，加大該第一排程窗，且當該平均值大於該預設上限且該第一排程窗大於一最小尺寸時，減小該第一排程窗。
5. 如請求項4所述的串流分享方法，其中於依據該平均值選擇性地調整該第一排程窗的步驟中，當該平均值不小於該預設下限且不大於該預設上限時，或當該平均值小於該預設下限且該第一排程窗已達該最大尺寸時，或當該平均值大於該預設上限且該第一排程窗已達該最小尺寸時，維持該第一排程窗。
6. 如請求項3所述的串流分享方法，其中該平均值具有一初始值，該初始值關聯於該緩衝模組的大小。
7. 一種串流分享裝置，包含：一緩衝模組；一分享模組，用以依據一第一排程窗，開始接收一串流，用以將該串流的多個已接收區段儲存至該緩衝模組，用以接收一分享請求，該分享請求包含一第二排程窗，以及用以依據該第二排程窗，傳送一或多個被要求區段，每一該已接收區段對應一接收時點，每一該被要求區段係該些已接收區段其中之一且更對應一傳送時點；以及 一調整模組，用以依據每一該被要求區段對應的該接收時點和該傳送時點，選擇性地調整該第一排程窗。
8. 如請求項7所述的串流分享裝置，其中該調整模組用以依據每一該被要求區段對應的該接收時點和該傳送時點選擇性地調整該第一排程窗係用以計算每一該被要求區段對應的該傳送時點和該接收時點的一差值，用以依據該或該些差值，更新一平均值，以及用以依據該平均值，選擇性地調整該第一排程窗。
9. 如請求項8所述的串流分享裝置，其中該調整模組用以依據該平均值選擇性地調整該第一排程窗係用以當該平均值小於一預設下限時，選擇性地加大該第一排程窗，且用以當該平均值大於一預設上限時，選擇性地減小該第一排程窗。
10. 如請求項9所述的串流分享裝置，其中當該平均值小於一預設下限且該第一排程窗小於一最大尺寸時，該調整模組加大該第一排程窗，且當該平均值大於一預設上限且該第一排程窗大於一最小尺寸時，該調整模組減小該第一排程窗。
11. 如請求項10所述的串流分享裝置，其中當該平均值不小於該預設下限且不大於該預設上限時，或當該平均值小於該預設下限且該第一排程窗已達該最大尺寸時，或當該平 均值大於該預設上限且該第一排程窗已達該最小尺寸時，該調整模組維持該第一排程窗。
12. 如請求項9所述的串流分享裝置，其中該平均值具有一初始值，該初始值關聯於該緩衝模組的大小。
13. 一種串流分享系統，包含：一串流源裝置，用以播送一串流；以及一第一串流分享裝置，包含：一緩衝模組；一分享模組，用以依據一第一排程窗，開始自該串流源裝置或一第二串流分享裝置接收該串流，用以將該串流的多個已接收區段儲存至該緩衝模組，用以自一第三串流分享裝置接收一分享請求，該分享請求包含一第二排程窗，以及用以依據該第二排程窗，傳送一或多個被要求區段至該第三串流分享裝置，每一該已接收區段對應一接收時點，每一該被要求區段係該些已接收區段其中之一且更對應一傳送時點；以及一調整模組，用以依據每一該被要求區段對應的該接收時點和該傳送時點，選擇性地調整該第一排程窗。
14. 如請求項13所述的串流分享系統，其中該調整模組用以依據每一該被要求區段對應的該接收時點和該傳送時點選擇性地調整該第一排程窗係用以計算每一該被要求區 段對應的該傳送時點和該接收時點的一差值，用以依據該或該些差值，更新一平均值，以及用以依據該平均值，選擇性地調整該第一排程窗。
15. 如請求項14所述的串流分享系統，其中該調整模組用以依據該平均值選擇性地調整該第一排程窗係用以當該平均值小於一預設下限時，選擇性地加大該第一排程窗，且用以當該平均值大於一預設上限時，選擇性地減小該第一排程窗。
16. 如請求項15所述的串流分享系統，其中當該平均值小於一預設下限且該第一排程窗小於一最大尺寸時，該調整模組加大該第一排程窗，且當該平均值大於一預設上限且該第一排程窗大於一最小尺寸時，該調整模組減小該第一排程窗。
17. 如請求項16所述的串流分享系統，其中當該平均值不小於該預設下限且不大於該預設上限時，或當該平均值小於該預設下限且該第一排程窗已達該最大尺寸時，或當該平均值大於該預設上限且該第一排程窗已達該最小尺寸時，該調整模組維持該第一排程窗。
18. 如請求項15所述的串流分享系統，其中該平均值具有一初始值，該初始值關聯於該緩衝模組的大小。