異構環境下的P2P流媒體節點選擇算法

唐朝偉，肖俊，王恒，胡佩，劉倩男，宋俊平，李曉輝

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異構環境下的P2P流媒體節點選擇算法

唐朝偉1，肖俊1，王恒1，胡佩1，劉倩男1，宋俊平2，李曉輝3

(1. 重慶大學通信工程學院，重慶，400044；2. 中國科學院軟件研究所天基綜合信息系統技術重點實驗室，北京，100190；3. 中國人民解放軍94270部隊，山東濟南，250117)

針對異構環境的復雜性和不穩定性，提出一種異構環境下的點對點(P2P)流媒體節點選擇算法。利用模糊認知圖理論研究異構環境下影響節點性能的多方面因素之間的關系，計算節點的綜合服務能力，并選擇服務能力強的節點作為鄰居節點；為保證鄰居節點具有較強的實時服務能力，利用馬爾科夫蒙特卡洛方法進行隨機行走，周期性地更新鄰居節點列表，采用Metropolis-Hastings算法計算轉移矩陣以滿足隨機行走的期望靜止概率分布。研究結果表明：該算法能在選擇優質鄰居節點，提高視頻服務質量的同時，保證節點的負載均衡，降低系統消耗，顯著提高了系統性能。

異構環境；P2P流媒體；節點選擇；綜合服務能力；隨機行走

節點選擇算法是P2P流媒體系統中的關鍵技術之一，它為每個節點選擇適合的鄰居節點提供數據上傳，保證用戶能夠高效、及時的下載數據。不同的節點選擇策略既會影響系統的整體服務性能，又會影響單個用戶的視頻體驗。近年來，隨著P2P流媒體技術的推廣和網絡用戶數目的增多，針對P2P流媒體節點選擇算法的研究越來越重要。伴隨著網絡接入和終端類型的多樣化，如何在異構環境下進行節點選擇，實現高效的數據傳輸是P2P流媒體系統面臨的重要挑戰之一[1]。一般來講，異構環境的“異構”主要包含終端異構和接入方式異構。其中終端異構，也稱為節點異構，指多種終端(例如智能手機、iPad、筆記本、臺式機以及高清電視等)在網絡中共存。而接入方式異構即以太網、WLAN和3G網絡等多種網絡共存。以上2個方面異構導致節點的帶寬、鏈路狀態、電量、處理能力、逗留時間等不同，因此異構節點能為鄰居節點提供上傳的能力也不相同。在設計異構環境下的節點選擇算法時，需要解決3個方面的問題：首先是節點服務能力的度量，即如何根據多種因素確定節點的綜合服務能力；其次是負載均衡問題，即如何讓服務能力強的節點為更多鄰居節點提供服務，而服務能力弱的節點則為較少鄰居節點提供上傳；最后是動態適應性，即如何根據節點的加入、退出和服務能力的實時變化動態更新節點列表。然而目前的節點選擇算法均不能同時滿足以上3個方面要求。Zhang等[2]提出一種小區優先的節點選擇算法，它考慮了影響節點服務能力的多方面因素，但該算法針對于3G網絡模型；馮偵探等[3]提出的自適應鄰居節點選擇算法動態描述節點的服務能力，顯著提高了系統的服務性能，但是在服務能力方面僅以節點的上行帶寬作為指標；Mushtaq等[4?5]基于可分級視頻編碼(SVC)[6]的P2P系統進行了節點選擇研究，文獻[5]考慮SVC對視頻分層后的影響，選擇往返時延(RTT)最小的節點下載重要性最高的基礎層；Shen等[7]提出的基于節點間信任關系的P2P網絡，沒有考慮節點的服務能力。針對上述問題，本文作者提出一種異構環境下的節點選擇算法(PSAH)，該算法研究異構環境下影響節點服務能力的各個因素之間的復雜關系，既考慮環境的異構性又滿足系統的高服務質量(QoS)需求；同時算法避免復雜的計算，每個節點只需維護其鄰居節點信息就能選擇整個網絡中實時服務能力較高的節點，并根據實時服務能力的變化來更新鄰居節點列表，這樣在保證節點負載均衡的同時考慮系統的動態性。仿真結果表明，該算法能提高系統QoS，降低傳輸時延，提供系統的服務性能。

1 系統模型和工作原理

在異構網絡環境中，Mesh型[8]P2P流媒體系統具有易維護、網絡健壯性強、資源利用率高等特點，得到了廣泛的關注。異構網絡環境下的Mesh系統主要由內容服務器、Tracker服務器和Peer客戶端(固定節點和移動節點)組成。其中，內容服務器存儲并提供原始數據；Tracker服務器負責節點信息的獲取和維護，以及初始鄰居節點列表下發；網絡中的固定節點(臺式機等)和移動節點(智能終端，筆記本等)既可以是資源提供者，又可以是資源請求者。

異構網絡環境下的數據傳輸原理示意圖如圖1所示。由圖1可見：當節點加入系統時，節點將自身的節點信息(例如上行帶寬、時延、電量)上報給Tracker服務器；Tracker服務器獲取并存儲網絡中所有節點的節點信息，同時，根據獲取的節點信息計算各節點性能；當系統網絡中的某一節點請求資源時，即出現請求節點，Tracker服務器搜索具備該請求資源內容的節點，即資源節點，Tracker選擇部分資源節點并根據節點性能強弱進行排序，形成鄰居節點列表下發給請求節點，對請求節點進行資源傳輸；在資源傳輸過程中，由于節點的動態變化會導致網絡性能、甚至是網絡構成的改變，因此，節點通過實時更新鄰居節點列表，從而提高系統的服務質量，降低資源的傳輸時延。

圖1 異構網絡下的數據傳輸原理圖

2 節點選擇算法

基于前面對異構網絡環境中Mesh型P2P流媒體系統工作原理的分析發現：鄰居節點列表是保障系統服務質量、網絡系統運行穩定的關鍵。而本文的節點選擇算法發生在Tracker服務器和Peer客戶端2個部分，其中Tracker端向用戶節點下發初始鄰居節點列表，而Peer端則實現鄰居節點列表的實時更新。

2.1 鄰居節點列表下發

節點加入系統并請求數據時，首先向Tracker服務器上報自身信息以便Tracker服務器實時更新資源節點列表，同時Tracker服務器計算節點的綜合服務能力，并根據節點的綜合服務能力從資源節點列表中選擇一定數量的節點下發給請求節點作為初始鄰居節點列表。

綜合服務能力是節點的計算性能、傳輸速度和穩定性等指標的綜合，影響節點綜合服務能力的因素很多，例如節點帶寬越大，綜合服務能力越高，而傳輸時延越大則表示綜合服務能力越弱。另一方面，異構環境的復雜性使得對綜合服務能力的評估更加復雜，移動終端的電量、處理能力等都會對節點綜合服務能力產生影響。本文考慮實際P2P系統中影響節點性能的幾個主要因素包括上行帶寬、時延、電量、逗留時間、終端處理能力[1]，并定義節點的綜合服務能力為

其中：C0為節點v的綜合服務能力；C1，C2，C3，C4和C5分別為節點v的上行帶寬、時延、電量、逗留時間、終端處理能力的歸一化值，節點的服務能力會隨著這些因素的改變而有較大變化。

同時這些因素之間存在相互制約關系，上行帶寬越大、終端處理能力越強，所帶來的傳輸時延就會越小；傳輸時延增大，終端電量就會減小，相應的逗留時間將會減小，從而導致節點失效風險增大。然而，由于缺少有力的分析工具，因此對于節點綜合服務能力的評估顯得比較困難。本文基于模糊認知圖理論(FCM)[9]分析各因素之間的作用關系，以及各因素對綜合服務能力的影響，從而得到

式中：r為各個因素對節點性能的影響程度。

圖2 異構環境下的P2P系統模糊認知圖

根據各個因素之間的關系，將這些因素表示成FCM中的節點，基于FCM的理論和方法構造1個有向圖，如圖2所示，其中C6為節點的失效風險。節點之間有向箭頭表示概念因素之間的有向影響關系，前向節點對后向節點的影響程度可以描述為{較大，一般，較小}，影響有正負之分，前向節點的增大引起后向節點增大的為正影響，前向節點的增大引起后向節點減小的為負影響。根據前面的分析與理論經驗[2]，本文使用{3,2,1}來量化節點間的影響程度進而得到鄰接矩陣，其中，，，，，正值為正影響，負值為負影響。利用模糊認知圖推理的數學模型式[9]，將前一個輸出狀態作為下一個輸入狀態進行推理，通過多次迭代得到穩定狀態時的鄰接矩陣，描述了穩定狀態下各個因素之間的影響程度

由式(3)得到各個因素對目標概念C0(即節點綜合服務能力)的影響程度的量化總和。其中概念因素C6不是異構環境下影響節點服務能力的直接因素，本文考慮的5個因素對節點服務能力的影響程度量化值為

根據式(2)和式(4)得到節點服務能力的綜合評估值

綜上所述，在Tracker服務器首先根據FCM計算新加入Peer客戶端的綜合服務能力，并存儲此Peer客戶端的信息，同時在已加入系統的節點中選擇一部分資源節點返回給該Peer客戶端。考慮到Tracker服務器的負擔以及整個網絡的負載問題，Tracker服務器根據節點的綜合服務能力隨機的選擇個節點。為盡快獲取數據以及保證視頻的服務質量，再從個節點中選擇綜合服務能力最大的個節點作為鄰居節點列表返回給Peer客戶端。

2.2 鄰居節點列表實時更新

Peer客戶端首先根據Tracker服務器返回的鄰居節點列表進行數據下載，然后周期性地利用馬爾科夫蒙特卡洛方法進行隨機行走，動態更新Peer客戶端的鄰居節點列表。

Tracker服務器主要根據綜合服務能力選擇鄰居節點，綜合服務能力越高的節點被選擇的次數和概率越大，當請求節點規模增大時，綜合服務能力強的節點會因為服務節點數的增大而出現過載，并且提供服務的節點的綜合服務能力會隨著所服務節點數目的增多而降低，為了保證節點負載均衡以及確保流的服務質量，需要更新鄰居節點列表，選擇實時服務能力高的節點，為此定義服務能力級別為

其中：C0為v-的綜合服務能力；為常量，，本文采用0.5；為時刻節點v-所服務的鄰居節點數，節點的服務能力級別為節點的實時服務能力。

節點v-被選作鄰居節點的概率為

節點v-的服務能力級別越高，被選為鄰居節點的概率就越大，當v-被選為鄰居節點時，增加，服務能力級別降低，期望概率也降低，這樣既考慮了節點的動態加入過程也避免了級別較高的節點過載問題，充分利用節點的服務能力，主動找到并選擇出服務能力級別高的節點。

由式(7)的分母計算期望概率M，需要知道全局節點的級別信息。可以通過Tracker服務器定期統計節點服務能力級別，新節點加入系統時，Tracker服務器按照式(7)計算概率返回給節點，但如果系統節點數目增大，會造成Tracker服務器負載過重，引起單點故障。針對此問題，本文借助馬爾科夫蒙特卡洛方法，進行隨機行走[10]，通過Metropolis-Hastings[11?12]算法構造轉移矩陣，使得隨機行走的靜止概率與式(7)描述的期望概率相同。具體如下：對于網絡中不同的節點v-，作為馬爾科夫鏈中不同的狀態X，從系統中任意1個節點開始進行隨機行走，在時刻停留在節點v-，即狀態X；在+1時刻，會以一定的概率停留在節點v-的鄰居v-+1上，達到狀態X+1；經過步后，會以一定的概率M停留節點v-上，停留在節點v-的概率為隨機行走的靜止概率。

根據Metropolis-Hastings定義，為了構造1個以目標分布的馬爾科夫鏈，借助于1個輔助的概率謎底函數，Chib等[11]提出從狀態轉移到狀態的轉移概率為，其中為狀態到狀態的接受概率，。選擇，計算轉移概率P。

根據隨機過程理論，若轉移矩陣是不可約且非周期的，則存在靜止概率分布，使得。為保證靜態概率的存在性，需要確定轉移矩陣不可約且非周期的條件。不可約就是馬爾科夫的互達特性，對任意狀態X和X，存在滿足，系統中的所有節點組成一個覆蓋網[13?14]，網狀結構流媒體系統主要特點是覆蓋網拓撲在很大程度上避免了“孤島”，節點之間可以互達，因此滿足不可約的條件。為滿足非周期特性，根據文獻[15]所述，通過引入惰性因子來構造非周期轉移矩陣，其中。結合式(6)，得轉移概率為

在Peer客戶端，請求節點首先根據Tracker服務器返回的鄰居節點列表進行下載數據；為保證鄰居節點的實時服務能力，每隔周期進行1次隨機行走，隨機行走步長為，行走結束時的節點是v。若請求節點的鄰居節點已經達到上限，則將自身鄰居節點中服務能力級別最低的節點刪除，將v作為鄰居節點，否則直接添加為鄰居，同時更新請求節點和v的服務能力級別。

3 仿真實驗與性能分析

本文基于Oversim模擬器[16?17]進行仿真，針對異構環境使用SVC可擴展視頻編碼技術將視頻分為基礎層和17個增強層，每個終端節點根據接入網類型的不同申請下載不同層數的視頻，固網、WLAN和3G網絡的申請層數分別為18，12和6，實際解碼接收層數越多則獲得的視頻質量越高。實驗環境中，起始種子節點數為5，仿真節點數目為150，節點在加入系統時會隨機生成仿真所需要的參數，取值范圍如表1所示，節點每隔20 s行走1次，隨機行走的步長設為3。

表1 仿真參數初始取值范圍

仿真實驗主要從3個方面驗證算法的有效性。首先，從鄰居節點的綜合服務能力和服務能力級別的分布情況分析算法選擇鄰居節點的有效性；其次統計客戶節點接收的實際視頻層數，驗證算法對系統服務質量的影響；最后通過視頻傳輸時間、電量消耗等參數來分析算法對系統性能的改進。

為了驗證算法的性能，將PSAH算法與另外2種算法進行對比，一種是針對綜合服務能力隨機選擇的方式，隨機選擇R-S(random select)是P2P系統采用的一種典型節點選擇機制，另外一種是文獻[3]中提到的ASDC算法，它使用隨機行走來更新鄰居節點列表但僅以帶寬作為節點的服務能力。

3.1 鄰居節點的性能分析

本文從鄰居節點的平均綜合服務能力和平均服務能力級別2個方面分析PSAH算法所選擇到的鄰居節點的性能，如圖3和圖4所示。

首先計算每個客戶端的鄰居節點綜合服務能力的平均值，該值越大代表鄰居節點列表所能提供的服務性能越強，計算結果如圖3所示。從圖3可以看出：使用PSAH和ASDC算法時，鄰居節點平均綜合服務能力明顯高于使用R-S算法時，平均綜合服務能力，例如使用PSAH算法時，90%的節點的平均綜合服務能力大于40，而使用R-S算法時平均綜合服務能力大于40的只有40%。這是由于ASDC算法能動態更新鄰居節點的服務能力級別，同樣在PSAH算法中周期性更新鄰居節點列表，將實時服務能力高的節點替換實時服務能力低的節點，因此所選的鄰居節點的綜合服務能力會整體偏高；而相對于ASDC算法使用帶寬作為指標，PSAH算法計算綜合服務能力，因此PSAH算法得到的結果與ASDC算法得到的結果略有不同。

算法：1—PSAH；2—ASDC；3—R-S

算法：1—PSAH；2—ASDC；3—R-S

然后計算每個客戶端的鄰居節點平均服務能力級別，得到鄰居節點平均服務能力級別的累積概率分布如圖4所示。從圖4可以看出：PSAH和ASDC算法得到的平均服務能力分布比較均衡，主要分布于區間[10, 20]，而R-S算法得到的平均服務能力級別具有隨機性。這主要是因為PSAH算法和ASDC算法都根據節點服務能力的變化動態選擇鄰居節點，根據式(6)和式(7)可以得到：服務能力強的節點被選擇作為鄰居節點的概率會隨著所服務節點數的增大而下降，同時服務能力弱的節點被選擇鄰居節點的概率小，服務能力級別相對有所上升，這樣保證了服務能力強的節點不會因為服務節點數的增大而出現過載，從而保證負載均衡。

3.2 接收視頻層數

通過比較3種算法得到的實際接收視頻層數，評估系統的服務性能。性能越好，接收層數越多視頻播放越清晰。

圖5 客戶節點接收視頻層數

由于異構環境中不同接入網類型的節點的下行帶寬、分辨率、電量等因素有較大差異，因此，不同接入網類型的客戶節點申請下載不同層數的視頻，分別為18層(wired)，12層(WLAN)和6層(3G)，計算并統計3種接入網的客戶終端實際接收到的視頻層數的平均值，如圖5所示。從圖5可知：3種接入網下客戶節點接收到的視頻層數有類似結果，使用R-S算法客戶節點接收的視頻層數都非常低；使用PSAH算法客戶節點接收的視頻層數與ASDC算法得到的結果相似，并且明顯高于R-S算法得到的結果。這是由于R-S算法采用隨機方式選擇鄰居節點，不能確保鄰居節點列表的服務性能，并且鄰居節點的實時服務能力會發生改變從而影響視頻數據的有效下載；ASDC算法自適應地調整鄰居節點以確保鄰居節點列表的服務性能并且僅以節點的上行帶寬作為指標進行節點選擇，上行帶寬是影響節點數據傳輸的最重要的因素，因此能夠很好地保證系統的服務質量，而本文提出的PSAH算法雖然不是以上行帶寬作為唯一指標，但是綜合考慮了包括節點上行帶寬、時延在內的多個因素的影響，并且周期性更新鄰居節點列表以確保鄰居節點列表的服務性能，同樣獲得了較好的服務質量，實際視頻接收層數與ASDC的結果相似。

3.3 系統性能分析

本文主要從視頻傳輸時間和剩余電量2個方面進行分析算法對系統服務性能的改進。視頻傳輸時間指客戶節點從資源節點處接收完視頻資源所需要的時間，傳輸時間越短，說明系統中節點能夠更快地獲取數據。電量損耗是指客戶節點從資源節點處接收完視頻資源所消耗的電量，電量損耗越少說明系統消耗越少，系統性能越好。

圖6所示為視頻傳輸時間概率直方圖分布圖。從圖6可以看出：與R-S算法、ASDC算法相比，本文提出的PSAH算法得到的傳輸時間相對均勻，大部分節點的傳輸時間低于500 s，而R-S算法和ASDC算法得到的傳輸時間跨度比較大且傳輸時間在500~ 600 s之間的節點比較多；計算所有節點傳輸時間的平均值如圖7所示。從圖7可知：PSAH算法得到的 441 s低于R-S算法得到的475 s和ASDC算法得到的469 s。這是因為采用隨機選擇方式選擇的鄰居節點的服務能力具有不確定性，會造成服務能力較高的節點過載從而使得傳輸時間變長，并且隨機選擇的鄰居節點的鏈路時延具有隨機性；ASDC算法自適應的更新服務能力級別，確保鄰居節點的服務能力，并且傳輸時間有所減小，而本文提出的PSAH算法通過更新鄰居節點服務能力級別減少傳輸時間的同時，使用FCM計算綜合服務能力，考慮了節點的鏈路時延，選擇的鄰居節點的時延小，從而保證了較短的視頻傳輸時間。

圖6 視頻傳輸時間概率直方圖分布圖

圖7 節點視頻傳輸時間平均值

圖8所示為節點電量消耗累積概率分布。從圖8可以看出：使用PSAH算法時系統中節點所消耗的電量明顯小于使用ASDC算法和R-S算法時的電量。例如：使用R-S算法有將近80%的節點的電量損耗超過1.5 A?h，使用ASDC算法有將近60%的節點的電量損耗超過1.5 A?h，而使用PSAH算法，電量損耗超過 1.5 A?h的節點只有30%。這是由于使用R-S算法時的視頻傳輸時間長，所消耗的電量增加，另外采用隨機選擇容易引起節點的過載，電量少的節點有可能被多次選作鄰居節點而電量多的節點被選為鄰居節點的次數少，從而引起系統損耗的增加；ASDC算法自適應更新鄰居節點從而保證鄰居節點列表的服務能力，縮短視頻傳輸時間降低電量損耗，但是ASDC算法僅以帶寬作為指標，所選節點的電量具有隨機性，電量少的節點被多次選作鄰居節點會使得電量消耗加劇，節點會因電量消耗完而過早的離開系統從而引起系統的損耗增加；PSAH算法不僅通過縮短視頻傳輸時間來降低電量的損耗，而且以FCM計算的綜合服務能力為標準，考慮到了電量的影響，從而使得系統節點電量消耗降低。

算法：1—PSAH；2—ASDC；3—R-S

通過前面的分析可知，相對于R-S算法和ASDC算法，本文提出的PSAH算法在選擇優質鄰居節點的同時，保證了節點的負載均衡，相對于ASDC算法同樣取得了較好的服務質量，并在系統服務性能上明顯優于ASDC算法。

4 結論

1) 研究了異構環境下的P2P流媒體系統中節點選擇問題，提出一種新的節點選擇算法。該算法的主要優勢在于：利用模糊認知理論計算節點的綜合服務能力，并為每個新加入的節點選擇綜合服務能力強的節點；使用馬爾科夫蒙特卡洛方法進行隨機行走，避免了全局信息的維護以及復雜的計算，充分利用系統中服務能力較強的節點。

2) 該算法充分考慮異構環境對節點服務能力的影響，保證良好的節點性能，同時大幅提高系統的服務質量。

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(編輯 羅金花)

Peer selection algorithm for P2P streaming media in heterogeneous environment

TANG Chaowei1, XIAO Jun1, WANG Heng1, HU Pei1, LIU Qiannan1, SONG Junping2, LI Xiaohui3

(1. College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;2. Science and Technology on Integrated System Laboratory, Institute of Software, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China;3. 94270 Unit of People’s Liberation Army, Jinan 250117, China)

In view of the complexity and the instability of heterogeneous environment, a peer selection algorithm for P2P streaming media system was proposed. The relationship between the factors which affect the performance of joints under heterogeneous environment was studied, the comprehensive service ability of peers was calculated through the fuzzy cognitive maps theory, and the peers with high service ability were selected as the neighbors. In order to guarantee that the neighbors have a high real time ability, the random walk process was utilized to update the list of neighbors periodically by using Monte Carlo methods. In addition, transition probability matrix was calculated by the Metropolis- Hastings methods to satisfy the expected stationary distribution of random walk. The results show that the proposed algorithm can select excellent peers and ensure the load balance of peers, as well as reduce the consumption of the system andimprove the quality of video service and significantly improve system performance.

heterogeneous environment; P2P streaming media; peer selection; comprehensive service ability; random walk

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.018

TP393

A

1672?7207(2015)09?3287?08

2014?12?18；

2015?02?20

國家科技重大專項(2011ZX03005-004-02)；國家青年科學基金資助項目(61102076) (Project(2011ZX03005-004-02) supported by the National Science and Technology Major Program of China; Project(61102076) supported by the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China)

唐朝偉，博士(后)，研究員，從事于寬帶無線移動多媒體和P2P流媒體技術研究；E-mail: cwtang@cqu.edu.cn