基于SVC分层匹配度的异构网络节点选择算法

唐朝伟，时 豪，周 旭，白 帆，赵志峰，严 鸣

(1. 重庆大学通信工程学院，重庆 40004 4；2. 中国科学院声学研究所高性能网络实验室，北京 100190；3. 华数传媒网络有限公司，杭州 31000 7)

基于SVC分层匹配度的异构网络节点选择算法

唐朝伟1，时 豪1，周 旭2，白 帆2，赵志峰3，严 鸣1

(1. 重庆大学通信工程学院，重庆 40004 4；2. 中国科学院声学研究所高性能网络实验室，北京 100190；3. 华数传媒网络有限公司，杭州 31000 7)

随着移动互联网和三网融合的兴起，网络带宽及终端异构性造成所选节点视频和请求节点的终端能力不匹配。为此，提出一种基于可扩展视频编码(SVC)分层匹配度的节点选择算法。在异构网络背景下，综合考虑节点带宽和链路往返时延，将SVC分层层数和网络接入类型相结合。实验结果表明，与随机选择算法相比，该算法使得所选节点的SVC视频分层数与请求节点终端处理能力有较高的匹配度(固网、无线、3G接入网络类型所对应的匹配度分别为77.8，72.2，88.9)，并且具有较高的终端平均服务能力(PC为110、笔记本为78.3、手机为38.3)。

节点选择；对等网络；可扩展视频编码；异构网络；可扩展视频编码分层匹配

1 概述

随着移动互联网的普及，异构网络得到了长足的发展。所谓异构网络包括网络的异构和终端的异构2个方面，网络的异构体现在接入网络带宽、时延和丢包率等方面的不同，而终端的异构则是指分辨率、CPU速度、码率等方面的不同，终端主要是指笔记本、智能手机或者其他智能终端、PC等。

目前，对异构网络提供流媒体服务的传统做法是对同一内容多次编码，产生具有不同码率的多个视频，根据用户的接入网带宽、用户的码率接受不同的视频。这种做法降低了数据的共享率。为了解决该问题，出现了可扩展视频编码(Scalable Video Coding, SVC)[1]技术与P2P的结合。SVC的视频数据分为一个基础层和若干个增强层，基础层提供最基本的观看质量，增强层在时间、空间和质量3个维度上扩展视频的质量。在解码视频流时，基础层要远比增强层重要[2]。

传统的peer选择策略多集中在固网或者3G网络中的peer选择策略上，针对忽略节点上传带宽异构性，低上传带宽节点和高上传带宽节点具有同样数目的邻居节点，选择上传带宽低的节点将造成带宽瓶颈[3]，随机选择会造成2个邻居节点相距较远。在进行peer选择时，以选择地理位置上最近距离的peer为最优[4]，仅考虑地理位置上的peer选择算法显然不适合异构网络。在基于固网的peer选择方面，目前的研究集中在流量本地化方面[5-8]，即选择peer时，尽量将同一个ISP内的peer返回给请求peer，以减少P2P的网间流量。在3G蜂窝网络的移动P2P网络中[9-10]，传统的peer选择策略不适合3G蜂窝网络的结构特征，由此不仅把peer的上行带宽考虑进去，而且将蜂窝的流量负载也考虑进去。然而考虑到异构网络时，同一个ISP服务商可能提供多个不同类型的接入网类型，不能在某一类型的接入网络中将流量进行简单的本地化。

考虑到SVC视频数据，基础层的数据重要性要高于增强层数据，因此，为重要性较高的分片选择上传能力较强的peer可以更好地保障视频的播放质量。文献[11]和文献[2]都是优先保证重要性高的基础层数据的下载，文献[12]提出客户端测量到各邻居节点的RTT，并选择RTT值小、且缓存的增强层数目比自身请求分层数目多的节点进行数据共享。但此类策略只是考虑单一指标，如数据传输率、RTT值，就有可能造成有的节点数据传输率大，但是RTT也大，或者RTT小，数据传输率也小，这样不能更好地保障重要性高的基础层优先传输。

本文综合考虑节点带宽和链路往返时延，并结合SVC分片与请求peer自身服务能力，提出了一种异构P2P网络中基于SVC匹配度的节点选择算法。

2 基于SVC分层匹配度的peer选择算法

首先给出异构网络的结构如图1所示，然后根据异构接入网能力(带宽，时延)将peer分类：将连接到相同类型接入网的peer归为一类，有些peer虽然不通过同一接入网但是具有相似的能力(如带宽和时延)，将这样的peer也归为一类，本文借鉴分类方法将peer按照接入网类型分为

3类[7]，分别是Class3(有线用户)、Class2(WLAN用户)、Class1(3G用户)，并且将节点的服务能力进行排序[13]，对不同终端用户上部署与终端自身CPU处理能力、解码能力、屏幕尺寸相适应的SVC分层，比如有线用户的CPU处理能力相对比较高，则假定有线用户上除了部署有基础层外，还有与其能力相适应的增强层1及增强层2，WLAN用户相对有线用户只有基础层和增强层1，3G网络用户由于CPU处理能力、解码能力、屏幕尺寸的原因则仅有基础层。

图1 基于P2P系统的异构网络结构

2.1 基于SVC的视频数据传输框架

在优先选择同一接入网类型的前提下，根据P2P网络选择不同的peer发送SVC的不同层，见图2，能力强的节点为能力次之的节点提供基础层及较低增强层的上传。

图2 基于SVC的P2P视频点播数据传输框架

假设用户的SVC数据类型分布为：有线用户(基础层、增强层1、增强层2)，WLAN用户(基础层、增强层1)，3G网络用户(仅基础层)。这样在peer向Tracker发送下载SVC数据请求时，优先选择同一接入网类型的peer。例如：当WLAN用户向Tracker请求SVC视频数据时，优先选择(选择占总返回数目比例为β)WLAN网络，这样就能得到与WLAN用户相适应的基础层、增强层1，当WLAN类型peer数量不足时，再返回有线网络接入类型的peer返回给该WLAN用户，使得WLAN用户可以获得WLAN用户和有线用户提供的基础层及适合自己能力的增强层1。

2.2 备选peer的SVC分层匹配度

设含有请求客户端所请求视频数据的节点为备选节点pi，接入网类型有3种选择，请求节点的接入类型为m＞0，同时与该类型能力相匹配SVC分层数目为m，即按照异构终端的视频播放和解码能力将节点的SVC分层层数与接入类型相对应，设置接入类型和分层数目都是m。返回节点的类型为n＞0，与该类型能力相匹配SVC分层数目为n，这样返回节点时，SVC能力因子为n/m，当备选pi和请求pj是同一接入网类型的节点时，令SVC分层匹配度pij=1，否则为0：

请求节点需要返回n(n＞0)个peer为请求peer提供下载服务，服务准则为L：

显然，L值越大，则表明在Tracker返回给请求客户端的n个peer中，这些peer中所包含的SVC分片与请求客户端自身能力匹配度越高。

2.3 节点的性能指标评定

为了考察节点带宽和链路时延的异构性，以Bp表示为节点p所能提供给请求节点的最大上传带宽，Dp为节点p到请求节点的链路时延，这样节点p的服务能力就可以描述为：

其中，α为常量(0＜α＜1)，表示链路时延Dp在节点性能中所占的权重，可以根据需要进行修改。高性能的节点表示这些节点能提供较高的上传带宽，且有相对比较低的链路时延。

若某一类型的终端数目为k，每个终端的服务能力为Aj(1≤j≤k)，对每种终端请求SVC视频数据时，用平均Ap值来评估所返回终端的平均服务能力，终端的平均服务能力如下所示：

结合接入网类型和节点上传带宽，提出一种基于上传带宽的接入网优先的peer选择策略。在Tracker服务器端，节点在加入网络的同时将自己的上传带宽报告至Tracker，Tracker服务器根据请求peer的上传带宽对服务器中所有peer按照Ap值排序[13]，如图3所示。

图3 Ap值排序

2.4 Trac ker端peer选择算法

传统异构网络解决方案是对同一内容多次编码，产生具有不同码率的多个视频，根据用户接入网的带宽、用户的码率接受不同的视频。这种做法降低了数据的共享率。引入SVC到P2P网络后，Tracker的返回策略不同于BitTorrent协议中的随机选择策略，而是应该优先选取与请求节点属于同一网络类型，以便使SVC分层匹配度最高。若该类型中的peer数量不能满足请求节点所需的数量，则从缓存的增强层数目比自身请求分层数目多的peer中选择，即将接入网类型高于请求peer类型的peer作为补充peer，然后在这些补充peer中选择peer能力比较高的peer作为上传节点。

基于异构网络处理SVC不同层的特性，结合peer选择策略，给出Tracker端的peer选择策略。

从m个peer中选择k个(0＜k＜m)peer返回给请求peer：

(1)将节点按照性能指标值Ap由小到大排序(见图3)。

(2)当有peer向Tracker请求SVC视频数据时，由Tracker判别该Peer的接入网类型。

(3)选择在Ap值排序中排在前k(0＜k)个节点，且这些节点的接入网类型和请求节点的接入网络类型相同，以保证SVC分层匹配度L的最大。

(4)若同一类型中符合条件的节点数目不足k个，则从缓存的增强层数目比自身请求分层数目多的peer中选择，即在接入网类型高于请求peer类型中选取。

(5)若依然不足，则从接入网类型低于请求peer类型中选择peer。

3 实验结果与分析

针对基于SVC的异构网络，搭建了一套客户端-服务器仿真平台，在仿真环境中，实验环境包括3种接入类型的终端用户。3种接入网分别为有线、WLAN、3G。其网络参数配置见表1。实验中3种类型的终端数目相等，比例为3:1:2，在表1中给出3个类，以及它们所对应的网络，并给出带宽。

表1 3类接入网的底层参数配置

对不同终端用户上部署与终端自身CPU处理能力、解码能力、屏幕尺寸相适应的SVC分层，比如有线用户的CPU处理能力相对比较高，则假定有线用户上除了部署有基础层外，还有与其能力相适应的增强层1及增强层2，WLAN用户相对有线用户只有基础层和增强层1，3G网络用户由于CPU处理能力、解码能力、屏幕尺寸的原因则仅有基础层。这样有线用户、WLAN用户、3G用户上的SVC分层层数分别为3层、2层、1层，为了处理方便，假设客户端的3种接入类型分别为Class3(有线用户)、Class2(WLAN用户)、Class1(3G用户)。

为保证质量自适应，PC机上有3种分层，分别为基础层(B0)、增强层E1、增强层E2；大屏幕的笔记本有2层，即基础层(B0)、增强层E1，小屏幕尺寸的手机只能选择接收与自己能力相适应的基础层(B0)，为实验简单处理，假设PC只通过有线网络接入，笔记本电脑通过WLAN接入，手机对应的接入类型为3G，终端的具体信息如表2所示。

表2 终端的接入方式及SVC分层信息

在实验中，请求节点类型分别为有线、WLAN、3G，对于每种类型的请求节点分别做测试，并和随机选择算法作对比，2类节点选择模型的实验结果对比如表3所示，Random-Select表示随机选择算法，SVC-Match-Select表示本文算法。

表3 S VC匹配度对比 %

在对2类节点选择模型的实验过程中，当请求终端分别为PC、笔记本、手机时，对每种终端请求SVC视频数据，用平均Ap值来评估Tracker所返回终端的平均服务能力，终端的平均服务能力如式(4)所示，实验结果对比如表4所示。

表4 T racker返回终端平均服务能力对比

表4 T racker返回终端平均服务能力对比

类别 PC 笔记本 手机Random-Select 15 37.0 46.6 SVC-Match-Select 110 78.3 38.3

由图4可以看出，本文节点选择算法SVC匹配度比随机节点选择算法的匹配度高，这样针对不同类型的客户端，其Tracker将返回与其自身能力更加相适应的分层，造成这一现象的原因在于匹配度节点返回策略考虑到了节点的接入类型，并将节点的SVC分层层数与接入类型相对应；而随机策略则没有考虑，使得用户所获得的SVC分层与用户自身能力不相匹配。并且从图5中可以看出，只有在请求客户端为手机终端时，随机选择算法Tracker返回的终端平均服务能力才比SVC-Match算法的终端平均服务能力高，这是由于Random-Select算法的随机性决定的，而对于PC终端和笔记本终端来说，SVC-Match算法的Tracker所返回终端的平均服务能力要远比Random-Select平均服务能力高，综合评定来看，本文算法使得SVC分层数与peer终端处理能力具有较好的质量适应性及较高的终端服务能力。

图4 S VC分层匹配度对比

图5 终端平均服务能力对比

4 结束语

本文提出一种基于SVC分层匹配度优先的异构网络节点选择算法。为保障异构网络环境中Tracker返回给请求节点的SVC分层与其自身能力有更好的适应性，利用SVC分层匹配度，对请求节点的接入网络类型和资源节点的SVC分层数目进行匹配，该策略分为优先选择与请求peer同一网络类型中的peer及节点性能排序2个阶段。最后通过本文搭建的客户端-服务器仿真平台进行测试。实验结果表明，相比传统的Random-Select，本文算法使得SVC分层数与peer终端处理能力有较高的匹配度，且终端具有较高的平均服务能力。下一步工作重点是研究如何更加全面地评估终端节点服务能力的指标，如电池容量参数、屏幕大小、节点的逗留时间等，优化异构环境节点选择算法，提高资源管理效率。

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编辑 任吉慧

Peer Selection Algorithm of Heterogeneous Network Based on SVC Layering Matching Degree

TANG Chao-wei1, SHI Hao1, ZHOU Xu2, BAI Fan2, ZHAO Zhi-feng3, YAN Ming1

(1. College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. High Performance Network Lab, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 3. WaSu Media Network Limited Company, Hangzhou 310007, China)

The rise of the mobile Internet and tri-ne tworks integration brings a huge challenge to select resource peer for the requesting peer services in the Peer to Peer(P2P) streaming system. The video of the selected peer does not match terminal capabilities of the requesting peer b ecause of network band width and terminal hete rogeneity. To solve this problem, a peer selection algorithm based on Scalable Video Coding(SVC) la yering matching degree is propos ed. Under the b ackground of heterogeneous n etwork, this algorithm combines the S VC layering lay ers and network access types, with a comprehensive consideration of p eer bandwidth and link round-trip delay. Experimental results show that compared with the ran dom selection algorithm, this algorithm contributes to a higher degree of matching SVC v ideo layer of the selected peer with the termin al handling capacity of the requesting peer(the corresponding matc hing degrees of fixed network, wireless, 3G access network are 77.8, 72.2, and 88.9) and a higher terminal average service(PC is 110, notebook is 78.3, and mobile is 38.3).

peer selection; Peer to Peer(P2P) ne twork; Scalable Video Coding(SVC); heterogeneous network; Scalable Video Coding (SVC) layering matching

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.05.012

国家自然科学基金资助项目“异构环境下基于可扩展视频编码P2P流媒体关键技术研究”(61102076/F010201)；国家发改委云计算示范工程基金资助项目“面向三网融合的媒体云综合运营系统建设”。

唐朝伟(1966－)，男，研究员、博士后，主研方向：移动互联网，互联网应用支撑技术，异构网络；时 豪，硕士研究生；周 旭，副研究员、博士；白 帆，助理研究员、硕士研究生；赵志峰，博士；严 鸣，硕士研究生。

2013-02-22

2013-04-22E-mail：haoruifly@163.com

1000-3428(2014)05-0054-05

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TP393.02

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