網(wǎng)絡(luò)編碼P2P流媒體模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)

李　姍，袁　遠(yuǎn)

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網(wǎng)絡(luò)編碼P2P流媒體模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)

李姍，袁遠(yuǎn)

摘 要：P2P系統(tǒng)模擬器作為評價P2P系統(tǒng)性能的有力工具被廣泛使用。但現(xiàn)有的P2P系統(tǒng)模擬器并不適用于驗證采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的P2P流媒體系統(tǒng)，存在編解碼計算開銷大、邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵機(jī)制變化大、流媒體播放過程緊耦合等問題難點。為此，基于MATLAB設(shè)計并實現(xiàn)了一款網(wǎng)絡(luò)編碼P2P流媒體模擬器，該模擬器有效克服了上述3個問題，具有編解碼開銷低、高度可配置、支持網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性模擬等特點，不但能用于網(wǎng)絡(luò)編碼 P2P流媒體系統(tǒng)的性能評價，也可以推廣到各類采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的P2P系統(tǒng)中使用。

關(guān)鍵詞：P2P流媒體；網(wǎng)絡(luò)編碼；模擬器

0　引言

隨著P2P技術(shù)的成熟，作為驗證策略和評估性能必不可少的工具P2P系統(tǒng)模擬器技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。從早期能夠模擬復(fù)雜度不高、規(guī)模不大的P2P網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2[1]、JavaSim[2]，到為了研究特定協(xié)議而開發(fā)的協(xié)議專用P2P模擬器FreePastry[3]、Chimera[4]、CnutellaSim[5]，再到具有層次清晰、易于擴(kuò)展和協(xié)議可替換等方面優(yōu)點的通用P2P模擬器PeerSim[6]、P2PSim[7]、PlanetSim[8]等。

近年來，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)被引入P2P流媒體系統(tǒng)，帶來傳輸協(xié)議更簡單、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性更強、系統(tǒng)擴(kuò)展性更好等優(yōu)勢[9]。然而，現(xiàn)有P2P系統(tǒng)模擬器在同時擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)編碼功能和流媒體播放功能上存在較大難度，主要由于：首先，網(wǎng)絡(luò)編碼編解碼計算開銷大，影響大規(guī)模P2P系統(tǒng)仿真的運行效率；其次，網(wǎng)絡(luò)編碼的引入將改變現(xiàn)有P2P系統(tǒng)中對等節(jié)點邏輯架構(gòu)，及緩沖管理、數(shù)據(jù)調(diào)度等關(guān)鍵機(jī)制；另外，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)與流媒體播放過程的模擬也密切相關(guān)。因此目前并沒有一款能夠高效評測網(wǎng)絡(luò)編碼P2P流媒體系統(tǒng)的模擬器。

針對上述挑戰(zhàn)，本文利用MATLAB設(shè)計并實現(xiàn)一款全新網(wǎng)絡(luò)編碼P2P流媒體模擬器，該模擬器采用離散事件驅(qū)動方式和面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)，通過網(wǎng)絡(luò)編碼提前訓(xùn)練和去系數(shù)模擬的方法將計算開銷降到最低，通過在對等節(jié)點類中劃分獨立接收緩沖區(qū)和播放緩沖區(qū)，增加編碼、解碼和播放事件及對應(yīng)處理方法等手段，將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)融入到緩沖區(qū)管理、數(shù)據(jù)分發(fā)、流媒體播放等各個方面，從而實現(xiàn)對該類系統(tǒng)的高效模擬。該模擬器能夠適用于對等節(jié)點規(guī)模在10000左右的網(wǎng)絡(luò)編碼P2P流媒體系統(tǒng)的性能評測，也可以推廣到各類采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的P2P系統(tǒng)中使用。實驗表明，該模擬器具有編解碼開銷低、高度可配置、支持網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性模擬等特點。

1　設(shè)計思路

較現(xiàn)有的P2P系統(tǒng)模擬器，網(wǎng)絡(luò)編碼P2P流媒體模擬器需要解決編解碼計算開銷大、邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵機(jī)制變化大、流媒體播放過程緊耦合的3個問題。

1.1 編解碼計算開銷

當(dāng)模擬大規(guī)模的P2P系統(tǒng)時，由于網(wǎng)絡(luò)中的每個數(shù)據(jù)包由隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼得到，且數(shù)量巨大，因此一般情況下編解碼計算開銷是不能容忍的。如在系統(tǒng)中分發(fā)的一個段粒度為100的編碼塊，是由100個原始數(shù)據(jù)塊與100個隨機(jī)系數(shù)進(jìn)行線性組合而成，而解碼則是需要處理一個100個方程和100個未知數(shù)的線性方程組，成千上萬的并發(fā)編解碼開銷將導(dǎo)致整個模擬過程變得異常緩慢。

針對該問題，本文采取提前訓(xùn)練和去系數(shù)模擬的方法，盡可能的規(guī)避網(wǎng)絡(luò)編碼的計算開銷。在模擬之前，將待模擬系統(tǒng)的編碼有限域、段粒度、和原始數(shù)據(jù)塊大小作為輸入，對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼行為進(jìn)行訓(xùn)練，求出隨機(jī)編碼系數(shù)線性相關(guān)的概率，并得到編解碼時間開銷與編碼塊數(shù)量之間的函數(shù)關(guān)系表。在實際模擬時，源節(jié)點編碼時將通過查表來得到近似的編碼計算時間，而并不實際進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼運算，同時編碼塊的頭部中預(yù)留的編碼系數(shù)位也設(shè)置為空，只是將編碼塊中包含原始數(shù)據(jù)塊數(shù)量、段號等信息攜帶發(fā)送；請求節(jié)點在收到編碼塊后，根據(jù)線性相關(guān)概率選擇是否丟棄，并不直接進(jìn)行解碼運算，而是通過查表得到解碼所需時間。這樣能夠最大限度的降低編解碼計算開銷，大大提高模擬效率。

1.2 邏輯結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)作為存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的革新者，一旦應(yīng)用在P2P系統(tǒng)中，不但需要增加編解碼模塊，而且將在應(yīng)用層上改變對等節(jié)點的邏輯結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致緩沖管理和數(shù)據(jù)分發(fā)等關(guān)鍵機(jī)制發(fā)生較大變化[10]。如數(shù)據(jù)將分成編碼塊和原始數(shù)據(jù)塊，播放緩沖區(qū)中為原始數(shù)據(jù)塊，能夠直接播放；接收緩沖區(qū)為編碼塊，需要解碼轉(zhuǎn)換成原始數(shù)據(jù)塊后，才能送入播放緩沖區(qū)。

針對該問題，本文將對等節(jié)點的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示：

圖1　對等節(jié)點內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中拓?fù)涓兄K與現(xiàn)有P2P系統(tǒng)無異，但緩沖管理和數(shù)據(jù)分發(fā)作為P2P系統(tǒng)中的關(guān)鍵機(jī)制，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼后會有較大變化。在該模擬器中緩沖管理和數(shù)據(jù)分發(fā)被設(shè)計成獨立功能模塊，便于多種機(jī)制比較時的及時替換。

1）緩沖管理機(jī)制：當(dāng)收到源節(jié)點的一個編碼塊，需要增加編碼塊線性相關(guān)的判斷功能，以確定是否能存入接收緩沖區(qū)；當(dāng)接收緩沖區(qū)每存儲一個編碼塊，需要增加該編碼塊能否觸發(fā)解碼的判斷功能；解碼后將得到的原始數(shù)據(jù)塊置入播放緩沖區(qū)；根據(jù)緩沖清空策略，確定已經(jīng)能夠解碼的編碼塊何時被清理。一般認(rèn)為，當(dāng)播放緩沖區(qū)滿后或者沒有請求節(jié)點需要時，才被新的數(shù)據(jù)段的編碼塊覆蓋。

2）數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制：當(dāng)接收緩沖區(qū)中一部分編碼塊能夠解碼時，則需要向源節(jié)點發(fā)送剎車消息，告知源節(jié)點停止發(fā)送包含已解碼數(shù)據(jù)的編碼塊；根據(jù)待模擬P2P系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)度策略，選擇特定數(shù)據(jù)段的編碼塊進(jìn)行再編碼后為請求節(jié)點提供服務(wù)。

1.3 流媒體播放機(jī)制

要評價P2P流媒體系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，需要在對等節(jié)點上增加與流媒體播放相關(guān)的控制機(jī)制，包括增加啟動延遲、播放點、播放緩沖區(qū)、播放事件等屬性來刻畫媒體流的播放過程，然而這些屬性的變化都與引入的網(wǎng)絡(luò)編碼策略密切相關(guān)。如播放緩沖區(qū)的原始數(shù)據(jù)量在受編碼策略影響的同時將會影響數(shù)據(jù)調(diào)度策略，又如停播后的播放事件則由解碼事件產(chǎn)生。

針對流媒體播放過程與網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制緊耦合的問題，新設(shè)計的模擬器將增加檢測事件，實時監(jiān)測播放緩沖區(qū)中的原始數(shù)據(jù)量，及時通知數(shù)據(jù)調(diào)度策略做出相關(guān)調(diào)整，支持對實際P2P流媒體系統(tǒng)的播放質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。另外增加停播標(biāo)識位，即在播放緩沖區(qū)為空時置位，用于統(tǒng)計停播時間；而播放緩沖區(qū)不為空時，清空停播標(biāo)志位，用于停播后喚醒播放事件。

2　實現(xiàn)方案

模擬器由Node、Sever、Peer、Network、Packet、Event、EventDriver、NetCod和Statistic等幾個基本類來實現(xiàn)。他們的具體說明如表1所示：

表1　類說明

絡(luò)等。NetCod網(wǎng)絡(luò)編碼類，通常屬性包含編碼有限域、段粒度、原始數(shù)據(jù)塊大小等，如采用2.1節(jié)中方法，則還包括線性相關(guān)概率、編碼延遲列表、解碼延遲列表等屬性，提供隨機(jī)系數(shù)生成、系數(shù)相關(guān)性檢查、編碼計算、解碼計算等功能。Statistic 　統(tǒng)計類，負(fù)責(zé)統(tǒng)計待評測的各類指標(biāo)，提供生成指標(biāo)圖例的功能。

以上這些類的主要關(guān)系如圖2所示：

圖2　類的邏輯關(guān)系示意圖

整個模擬器在初始化時，實例化了 1個事件驅(qū)動類（EventDriver）對象、1個網(wǎng)絡(luò)類（Network）對象。其中事件驅(qū)動類對象的事件隊列中包含了多個事件（Event）類對象，而事件又劃分成十多種事件類型，包括發(fā)送事件（EVENT_SEND）、接收事件（EVENT_RECEIVE）、編碼事件（EVENT_ ENCODE）、解碼事件（EVENT_ DECODE）、播放事件（EVENT_PLAY）、網(wǎng)絡(luò)抖動事件（EVENT_JITTER）和節(jié)點攪動事件（EVENT_CHURN）等。網(wǎng)絡(luò)抖動事件和節(jié)點攪動事件用于刻畫兩種類型的網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性，分別代表在某一個時刻網(wǎng)絡(luò)延遲的變化和對等節(jié)點的加入與退出。每次事件驅(qū)動類對象——事件驅(qū)動器會取出事件隊列中的第一個事件，然后交給該事件的處理者來處理，處理者在處理該事件的過程中會產(chǎn)生新的事件，新事件被返回給事件驅(qū)動器，并根據(jù)其產(chǎn)生時間置入事件隊列中。網(wǎng)絡(luò)中包含多個內(nèi)容服務(wù)器（Server）和大量對等節(jié)點（Peer），而內(nèi)容服務(wù)器和對等節(jié)點之間通過包對象來傳遞數(shù)據(jù)或者控制信息。

模擬器在對等節(jié)點的關(guān)鍵機(jī)制上采用可替換的實現(xiàn)方式，達(dá)到了高度可配置的目的。如數(shù)據(jù)分發(fā)模塊構(gòu)建全局常量 DATA_DESSEM，然后多種策略分別映射成整數(shù)值；如數(shù)據(jù)分發(fā)策略“RANDOM_PULL = 1”，“PUSH = 2”，可以設(shè)置“DATA_ DESSEM = PUSH ”，則根據(jù)DATA_DESSEM來調(diào)用對應(yīng)該策略的函數(shù)來執(zhí)行，完成相應(yīng)的策略替換與比較。

3　實驗驗證

本節(jié)對該模擬器開展性能評估，實驗的硬件環(huán)境為一臺聯(lián)想Thinkpad T430s筆記本，處理器為Intel i5-3320M，4核，單核主頻 2.60GHz；內(nèi)存 4G；軟件環(huán)境為 Windows7上安裝的MATLABR2010a。

模擬器配置為：整個系統(tǒng)最多1000個對等節(jié)點并發(fā)獲取媒體資源，初始時有10個內(nèi)容服務(wù)器，每個對等節(jié)點加入服從均值為5秒的泊松過程，服務(wù)能力（上行帶寬）服從均值50Kbps的指數(shù)分布，且允許最多有10個源節(jié)點（包括內(nèi)容服務(wù)器）為其提供服務(wù)；媒體文件大小設(shè)定為400MB，原始數(shù)據(jù)塊的小大設(shè)定為 1KB，則原始塊數(shù)目為409600。假設(shè)該文件的播放碼率R為480Kbps，因此播放碼率R也可以表示為60個原始塊/秒，段粒度設(shè)定為100，共4096個數(shù)據(jù)段。

模擬器在運行過程中的命令行窗口，會逐一打印正在執(zhí)行的事件對象，并顯示事件對象的屬性取值，如圖3所示：

圖3　命令行窗口的輸出情況

3.1 編碼解碼開銷

我們對該模擬器的內(nèi)存和CPU開銷進(jìn)行了記錄，如圖4所示：

圖4　模擬器的內(nèi)存和CPU開銷情況

其中藍(lán)色虛線表示內(nèi)存消耗，綠色虛線表示CPU開銷。從200個對等節(jié)點開始測試，逐漸增加到1000個節(jié)點，隨著對等節(jié)點的增加，內(nèi)存消耗逐漸增大，主要用于存儲Peers對象和Event對象，基本呈線性增長。而CPU利用率穩(wěn)定在25%，即始終在一個核上滿負(fù)載運行。因此可以說明該模擬器開銷較小，具有很好的可擴(kuò)展性。

3.2 支持網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性模擬

如圖5所示：

圖5　網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性模擬情況

綠色曲線表示請求節(jié)點收到的編碼塊的累積數(shù)量，藍(lán)色折線表示請求節(jié)點解碼出的原始數(shù)據(jù)塊的累積數(shù)量，紅色折線表示請求節(jié)點播放原始數(shù)據(jù)塊的累積數(shù)量。某個對等節(jié)點具有4個源節(jié)點為其提供服務(wù)，1秒后某個源節(jié)點的上行服務(wù)能力下降到5個編碼塊每秒，而在第3秒恢復(fù)到15個編碼塊每秒；在5秒開始模擬1號源節(jié)點的上行服務(wù)能力提高到60編碼塊每秒，而在7秒時下降到15編碼塊每秒。可以看出，隨著源節(jié)點服務(wù)能力的變化，編碼塊接收的累積曲線斜率變緩或變陡，說明我們的模擬器能夠有效的對網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性開展模擬。

4　總結(jié)

為了評價網(wǎng)絡(luò)編碼P2P流媒體系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，本文利

用MATLAB設(shè)計并實現(xiàn)了一款網(wǎng)絡(luò)編碼P2P流媒體模擬器。

該模擬器具有編解碼開銷低、高度可配置、支持網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)性

模擬等特點，且能夠推廣到基于網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的各類 P2P系統(tǒng)中，極大的降低驗證新策略與新算法的開銷。下一步我們對模擬器繼續(xù)優(yōu)化，使其能夠支持更大規(guī)模的系統(tǒng)模擬。

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中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-757X(2016)07-0006-03

收稿日期：（2016.04.01）

基金項目：國家自然科學(xué)基金（61402514）；湖南省教育科學(xué)研究優(yōu)秀青年項目（12B012）

作者簡介：李 姍（1981-），女，長沙人，長沙師范學(xué)院講師，碩士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)編碼，P2P流媒體，數(shù)據(jù)挖掘，長沙，410100袁 遠(yuǎn)（1980-），男，長沙人，博士，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院助理研究員，研究方向：網(wǎng)絡(luò)編碼，高性能計算，長沙，410100

Design and Implementation of Network Coding P2P Streaming Media Simulator

Li Shan1, Yuan Yuan2
(1.Department of Electronic and Information Engineering, Changsha Normal University, Changsha 410100, China; 2.College of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract:P2P system simulator is widely used as a powerful tool for evaluating the performance of P2P system. But current P2P system simulator is not applicable to verifying the P2P streaming media system using network coding technology. It has some problems, for example, encoding and decoding computing has lots of cost, logical structure and key mechanism change greatly, the play process of streaming media tightly couples, and so on. Therefore, it designs and implements a network coding P2P streaming media simulator based on MATLAB. The proposed simulator can solve the three above problems efficiently and has the advantages such as low cost for encoding and decoding, high configurability, supporting network random simulation and so on. It can not only be applied into the performance evaluation of network coding P2P streaming media system, but also can be popularized into various P2P systems using network coding technology.

Key words:P2P Streaming Media; Network Coding; Simulator