基于节点期望的P2P流媒体动态带宽分配研究＊

李扬波，蔡鹏飞

（河南机电高等专科学校计算机科学与技术系，河南新乡453000）

基于节点期望的P2P流媒体动态带宽分配研究＊

李扬波，蔡鹏飞

（河南机电高等专科学校计算机科学与技术系，河南新乡453000）

P2P流媒体网络中的带宽分配一直是研究的热点，文章首先建立了节点带宽需求模型，然后以节点的期望带宽为基础，提出了服务器带宽分配策略和节点上载带宽分配算法，对新节点采用服务器直接连接的方式加大数据下载速度和预取数据量；对普通节点采用期望带宽控制实际带宽方式，使预取数据量多或所观看视频码率低的节点释放多余的带宽，分配给预取数据量少或所观看视频码率高的节点。通过对实验结果分析，得出了两种带宽分配策略的综合应用虽会使系统整体性能略有下降，但可以明显提高系统的平均延迟，且能获得更低的服务器负载和更短的启动时延。

P2P；带宽分配；期望带宽；服务器负载

近年来，P2P（Peer－to－Peer）流媒体技术飞速发展，受到了人们越来越多的关注。C／S（客户机／服务器）模式是互联网上最常见的一种数据传递模式，C／S模式在小数据量和低请求率的情况下可以很好地工作，但随着网络用户数量的激增、网络信息内容呈爆炸式的增长，加上软件复杂度的不断提高，面对大规模的视频直播、点播服务，服务器的负担越来越大，低效率和难扩展性逐渐暴露出来，成为C／S模式网络性能的瓶颈。这时，P2P流媒体技术应运而生，网络中的每个节点，无论其能力大小，既可以充当服务器提供服务，也可以充当客户机享用其他节点提供的服务，每个节点都是对等的，节点之间可以进行直接的连接和通信，所有节点分布式地组成一个整体网络［1］。P2P流媒体技术可以发挥每个网络节点的潜能，充分利用网络带宽和网络存储空间，提高系统效率，极大地满足了互联网用户实时享受多媒体服务的要求。

1 动态带宽分配方法

1.1 节点带宽需求模型

P2P流媒体系统中，由于节点会频繁地上下线以及节点带宽的差异性，如何提高P2P流媒体系统中节点间上载带宽的有效利用以及合理分配，是我们要解决的主要问题。文献［2］［3］提出了最大化地利用P2P网络中各个节点的上载带宽，以提高系统的总上载能力。文献［4］提出了基于节点优先级的上载带宽分配机制，即将上载带宽优先分配给高优先级的节点，以确保这部分节点的服务质量。而P2P流媒体系统中视频码率的差异性很大，可大致分为三类：超清、高清和标清视频，这三类视频的平均码率分别为1500Kbps、1000Kbps及500Kbps。观看不同码率视频的节点需要相应的下载速度。另外视频多采用VBR（可变码率）编码。因此，找出节点所需求的带宽与视频码率、节点预取数据量以及演播流畅度与期望带宽（节点为维持给定的演播流畅度而期望得到的带宽资源）之间的数学关系是设计动态带宽分配算法的前提和关键所在。

根据文献［5］的首次中断时概率密度以及文献［6］关于没有发生中断的概率的推论，得出了流畅度的数学表达式，即

F＝1－exp［－2（μ－ν）b／（σ2＋δ2）］ （1）

在式（1）中，F为流畅度，μ和v分别为平均下载速度和平均视频演播码率；b为预取数据量，σ2和δ2分别为下载速度和演播码率的方差。对式（1）进行恒等变形可得

式（2）中的μ为期望带宽（即期望的平均下载速度），如果下载速度与演播码率是恒定的，即参数σ2和δ2都为0，那么可得下式

由式（3）可以看出，如果下载速度与演播码率是恒定的，只要下载速度等于演播码率，就可以实现流畅播放。然而，节点下载速度与视频演播码率都是时变的，为了克服二者的动态性带来的不利影响，期望带宽必须大于平均演播码率。因此期望带宽包含了两部分，第一部分与视频码率相关，第二部分与下载速度及视频码率的动态性相关。从可以看出，流畅度是期望带宽的增函数，流畅度越高，期望带宽越大，且预取数据量是期望带宽的减函数，预取数据量越大，期望带宽越小。

1.2 服务器带宽分配策略

根据对节点带宽需求模型分析可知，视频流畅度与下载速度和预取数据量相关，然而当新节点加入P2P网络时，需要寻找邻居节点，在建立了部分邻居关系后，节点就开始从这些邻居节点中接受媒体数据量，直到预取数据量填充到一定比例，再开始缓冲播放。一旦切换频道，又需要重新加入新的频道子网，重新填充预取数据量，节点的下载速度和预取数据量仅靠普通节点很难达到理想值，因此节点的播放延迟总体上比较高［7］，影响了用户的观看体验。为了让新加入P2P流媒体网络的节点在视频播放初期得到更高的下载速度、更大的预取数据量、减少延迟时间，P2P流媒体系统一般还需要服务器的参与，我们首先对新节点采用服务器带宽分配策略：新节点加入网络时与服务器相连，由服务器发送大部分的数据，减少播放延迟，待新节点的预取数据量达到期望值时，新节点会转变为普通节点，与服务器断开连接，释放带宽。此策略虽然解决了播放延迟问题，但是由于服务器带宽被新加入的节点直接占用，必然带来整体性能的下降，因此还需要控制服务器邻居中新节点所占带宽的比例，当新节点占用带宽超出某预设比例时，此后的新节点就不能再直接与服务器相连，当比例低于预差。计算公式为：，其中，μi与＾μi分别为节点在同一时刻的实际下载速度和期望下载速度，n为下载数据的个数，＾σ2为下载速度的无偏抽样方差。

（4）计算期望带宽，计算公式为：＾μ＝ν＋（＾σ2＋δ2）＊loge（1／（1－F））／2b，式中，v和δ2分别为视频播放码率的均值和方差；b为预取数据量；F为流畅度，可以取任何介于0和1之间的实数值；＾σ2为下载速度的无偏抽样方差；＾μ为节点当前的期望带宽。

（5）如果节点的期望带宽＾μ大于其物理下载带宽，则令期望带宽＾μ等于节点的物理下载带宽。

以期望带宽作为依据，请求节点动态调整其向邻居节点发送数据块请求的频率，以使得实际下载速度与期望下载速度（即期望带宽）保持一致。如果实际下载速度高于期望下载速度，节点则相应地降低其发送数据块请求的频率；如果实际下载速度低于期望下载速度，节点则提高其发送数据块请求的频率。设时，则可以重新接受新节点。

1.3 节点带宽分配算法

当新节点转变为普通节点后会逐渐断开与服务器的连接，更多的数据传递发生在节点与邻居节点之间。由于视频码率的多样性、节点带宽的异构性以及预取策略的无限制性，使用贪心策略会造成上载带宽分配的不公平，即高下载带宽节点占用过多的上载带宽，而低下载带宽节点所分配的上载带宽却严重不足。基于式（1）和式（2），设计了基于节点期望的动态带宽分配算法。为预取数据量小或视频码率高的节点多分配一些上载带宽；避免预取数据量大或视频码率低的节点占用过多的上载带宽。同时，以分布式这种方式实现上载带宽在不同节点之间的动态分配，以提高系统的鲁棒性和可扩展性。具体算法如下：

（1）统计硬盘上已下载但还没有播放的连续视频数据，得到预取数据量b。

（2）如果预取数据量b为0，则令期望带宽＾μ等于节点的物理下载带宽，即以最大的下载速度迅速填充空的缓冲区；否则转到第（3）步。

（3）通过历史数据计算下载速度的无偏抽样方

2 仿真实验及结果分析

为了评估服务器带宽分配策略和节点带宽分配算法的性能，设计了一个P2P模拟仿真系统，采用Internet多子网环境，CISC架构服务器，视频与节点的数目分别为50个和500个，默认邻居节点是15个，视频码率的平均值和标准差分别为500Kbps和150Kbps。每个节点能存储10个视频的副本且每个节点能同时最多将10个视频副本上载给其他节点，仿真时长500s。

图1、2给出了服务器带宽分配策略对系统的整体影响。可以看出此策略使得网络整体的质量和平均延迟出现了不同程度的降低。这主要是因为对服务器邻居的选择不同，与原始近似最优选择相比，新节点加入P2P流媒体网络后采用直接与服务器连接，能获得较高的下载速度和更大的预取数据量，对减少延迟有着较明显的效果，但随着新节点的增多，伴随着新节点本身性能的不确定性，必然会对整个网络的数据推送情况造成影响，而一旦新节点所占比例达到预期值，整个网络的总体质量也将趋于稳定。

图1 服务器带宽分配策略对总体平均质量的影响

图2 服务器带宽分配策略对平均延迟的影响

图3、4给出了节点带宽分配算法和传统的贪心策略对于服务器负载以及启动延时的影响。从图3可以看出，服务器负载都在起始时刻快速上升达到最高点，之后逐渐下降，最终趋于平稳。这主要是由于刚开始新节点缓存几乎为空，会频繁地与服务器建立连接下载数据，因此服务器负载很高，随着这些节点的预取数据量增大，它们会逐渐断开与服务器的连接，转而从其他邻居节点下载数据，所以服务器的负载会在到达顶峰后逐渐下降，并最终基本保持恒定。而节点带宽分配算法是依据数学模型计算出期望带宽，并依据该数值调控其实际下载速度，实现对上载带宽的合理分配，是一种自我约束式的带宽分配算法，通信开销较小，最终的服务器负载较小。从图4可以看出，节点带宽分配算法的启动延时集中在2.5秒；而贪心策略对应的启动延时集中在3.5秒左右。显然，节点带宽分配算法的平均启动延时要小于贪心算法。

图3 节点带宽分配策略与贪心策略的服务器负载

图4 节点带宽分配策略与贪心策略的启动延时

3 结论

P2P流媒体网络是分布式系统和计算机网络相结合的产物，打破了过去传统的数据传输C／S模式，充分利用了网络资源和服务能力，以减轻中心服务器的带宽压力，让所有的网络成员享受“自由，平等，互联”的功能。本文以P2P流媒体系统中节点间上载带宽的有效利用以及合理分配为研究目标，首先建立了节点所需求的带宽与视频码率、节点预取数据量以及演播流畅度与期望带宽的数学模型，然后从服务器带宽分配策略和节点带宽分配策略两个方面对P2P流媒体网络中的节点进行动态带宽分配，在新节点加入P2P网络时，采用与服务器直接连接的方式尽快获得预取数据量，减少播放延迟，待新节点建立完整的邻居节点关系后，释放服务器带宽，并根据节点的期望带宽来动态调节节点的上载带宽，使预取数据量多或所观看视频码率低的节点释放多余的带宽，以便分配给预取数据量少或所观看视频码率高的节点。通过仿真实验表明，服务器带宽分配策略虽会使系统整体性能略有下降，但却可以明显提高系统的平均延迟；节点带宽分配算法与传统的贪心策略相比，既能缩短节点的启动延时又能降低服务器的带宽消耗，但是也会带来一个问题，就是上载带宽的利用率不高，如何配合其他策略综合使用，进一步提高上载带宽的利用率，是接下来继续研究的方向。

（责任编辑 吕春红）

［1］Alessandra Carta，Marco Mellia，Michela Meo，et al.Efficient Uplink Bandwidth Utilization inP2P－TV Streaming Systems［C］.IEEE GLOBECOM 2010.Miami：IEEE，2010：6p.

［2］Tzu－Meng Chung，Shih－Chieh Huang，Chung－Ta King，et al.Optimising upload bandwidth for Quality of VCR operations in P2P VoD systems［J］.International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing，2010，5（4）：198－223.

［3］戴瑾，谭良良，王钦辉，袁征帆，叶保留.一种基于聚类算法的P2P流媒体服务平台可视化监控系统的设计与实现［J］.微电子学与计算机，2012，（12）：184－188.

［4］Jonathan E.Ingersoll，Jr.Theory of financial decision making［M］.New Haven：Rowman ＆Littlefield Publishers，1987.

［5］J.Michael.Harrison.Brownian motion and stochastic flow systems［M］.New York：Krieger Publishing Company，1985.

［6］林予松，崔勇，王宗敏.P2P流媒体系统中基于网络坐标的拓扑优化研究［J］.计算机应用与软件，2011，（6）：112－115.

［7］杨春德，钟振宇.面向P2P流媒体基于Mesh优先的应用层组播算法［J］.计算机应用，2011，（6）：11－14.

The Research of P2P Streaming Media Dynamic Bandwidth Allocation based on the node expected

LI Yang－bo，et al

（Department of Computer Science and Technology，Henan Mechanical and Electrical EngineeringCollege，Xinxiang 453000，China）

P2P streaming media network bandwidth allocation has been the research hotspot.This paper develops a node bandwidth demand model，and then，with the expectations of the node based on bandwidth，and put forward the server bandwidth allocation strategy and node upload bandwidth allocation algorithm；the new node can increase the data download speeds and prefetchedcontent by directly connecting server；The common nodes control actual bandwidth with expected bandwidth，the nodeshaving more prefetchedcontent and lower video code rate release excess bandwidth to assign the nodes having less prefetchedcontent and higher video code rate.The application of two kinds of bandwidth allocation strategy show that the system overall performance will drop slightly by experimentation，but can significantly improve the system average delay，and can obtain more low server load and shorter start time delay.

P2P；bandwidth allocation；expected bandwidth；server load

TP393

A

1008－2093（2015）01－0022－04

2014－12－25

河南省高等学校教学工程项目（豫教高2012［1099］号）；河南省教育厅科学技术重点研究项目（13A520221，14A520045）

李扬波（1982－），男，河南新乡人，讲师，硕士，主要从事计算机应用、数字媒体技术研究。