一種協同的基于P2P的VoD的節點選擇方法

張慶隆　黃鴻基　尤晟　趙宸　閆園園

摘 要：本文公開了一種協同的基于點對點（Peer-to-Peer，P2P）的視頻點播（Video on Demand，VoD）的節點選擇方法，針對當前基于P2P 的VoD的節點選擇算法無法兼顧頻譜資源的有效利用和提高服務質量（Quality of Service， QoS）的問題，本方法采用兩個階段通過不同的算法對節點進行選擇。在第一階段，引入注水法對目標方程進行尋優實現對節點的初步篩選；在第二階段，采用模糊數學理論基于多種指標對第一階段篩選得到的節點QoS性能進行評估并進行節點選擇。本方法采用兩階段的節點選擇策略，有效考慮了多種因素，特別是通過第一階段對節點的初步篩選，能夠更加有效地利用了頻帶資源。本方法通過引入模糊評判機制，綜合考慮了多種影響QoS的因素，從而能夠更好地滿足用戶對P2P VoD系統QoS的需求。

關鍵詞：P2P ；VOD ；節點選擇；QoS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

1.研究背景

近年來，隨著多媒體通信的發展，VoD為用戶提供了豐富的使用體驗。基于用戶對QoS要求的提高以及用戶量的增加，傳統C/S（Client/Server）模式的VoD系統已經遠遠無法滿足現在的需求。P2P技術的興起，為VoD系統的大規模應用提供了可行的解決方案。盡管如此，P2P VoD系統的研究仍然有很多問題亟待解決，如何提高系統的均衡性、節點選擇的公平性和提高頻譜資源的利用率都是重要的技術問題。

2.兩階段的基于P2P的VoD的節點選擇策略

本方法針對傳統的基于P2P VoD系統的節點選擇策略無法實現用戶期望的QoS的缺點進行改進，考慮到影響系統QoS的因素較為復雜，提出一種兩階段的基于P2P的VoD的節點選擇策略。在第一階段，考慮提高頻譜利用率的因素，采用“注水法”的思想對節點進行初步的篩選；第二階段，采用模糊數學理論進行最終的篩選，從而提高系統的QoS。

為實現上述目的，本方法提出的技術方案為一種協同的基于P2P的VoD的節點選擇方法，包括以下兩個階段：

第一階段、針對視頻利用率的因素，進入目標函數進行尋優，采用注水法的思想，并通過Lagrangian算法進行求解，具體過程如下：

（1）定義網絡中有n個節點，構成節點集N，同時，第i個節點所對應的權重為wi，這里，wi為選擇因子，每一個節點都有其相對應的網絡繁忙指數ξi，即所謂的節點頻譜利用系數，它可定義如下：

這里，Bi代表第i個節點所能提供的上行帶寬，Bmax表示系統的最大帶寬，其為固定值，顯然，ξi越大，說明該節點的頻譜利用率越高，視頻利用率越高。

（2）定義li為第i個節點所對應的系統視頻速率，目標是要根據ξi進行視頻利用率排序，進行初步的節點選擇策略，可得到優化問題如下：

（3）引入注水法，采用Lagrangian算法優化以上所述的目標函數

（a）其中，λ為Lagrangian算子，結合下列約束條件進行尋優

（4）得到初步節點選擇的優化策略；

第二階段、采用模糊綜合評判體系進行節點選擇，其過程可描述如下：

（1）對所有指標進行標準化處理：

，i=1，2，3，4 j=1，2，…，6

（a）這里，每隔固定時間進行采樣，得到相應指標，xij代表第i個指標在第j次采樣的樣本值，μj，sj分別代表所有樣值的均值和標準差。

（2）得到因子矩陣：

（3）對第一階段篩選出來的節點所對應的網絡繁忙指數ξi，進行歸一化處理

；

（4）對R進行模糊變換，U為模糊輸入，V為模糊輸出，該關系可描述為

Tr：F（U）→F（V）；

（5）最終得到評分函數如下

（6）這里，Evaluation為評分函數，基于該函數，可以規定如果一個節點的Evaluation的值大于一定比例節點的Evaluation的值，那么這個節點將最終被選中進行視頻傳輸；相反，達不到該指標的節點將在本次節點選擇中停止VoD的相關功能。

進一步，上述步驟1中所述的固定時間優選為10分鐘。

步驟1中所述相應指標為節點在線時間、視頻傳輸時延、節點帶寬和節點單位時間開銷。

3.性能測試與分析

在一個100m*100m 的區域內，基于P2P VoD 系統布置100個節點，該系統總共有100個文件，每一個節點擁有其中5～10個文件，媒體播放速率300kbps，所有節點性能良好，上行帶寬上限為512kbps，節點隨機分布，視頻播放時長為3600s，整個系統有100個媒體文件。

測試流程如下：

（1）首先，該系統持續運行3天，通過網絡分析設備，在系統運行穩定后采樣各種指標。

（2）運用本發明提出的協同的基于P2P的VoD的節點選擇策略進行節點選擇，并引入peerSim仿真器和NS-2進行分析。

（3）由圖1可以看出，經過本發明所提出的策略的尋優，啟動時延相對較低。之前的研究的啟動時延都在10s以上，而本策略得出的啟動時延小于8.5，且隨著請求率增加而減小，同時也比較穩定。由此可以證明，本策略能夠實現基于P2P VoD的性能較好和魯棒性較好的節點選擇方案，提高P2P VoD系統的QoS。

結論

本文采用兩階段的節點選擇策略，有效考慮了多種因素，特別是通過第一階段對節點的初步篩選，能夠更加有效地利用了頻帶資源。同時，通過引入模糊評判機制，綜合考慮了多種影響QoS的因素，從而能夠更好地滿足用戶對P2P VoD系統QoS的需求。

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