本地化为P2P流媒体多流道

文摘

流媒体视频在互联网上,包括蜂窝网络,现在已成为一个司空见惯的事。网络运营商通常使用多播或变异的多个单播流交付给用户终端控制的方式。P2P流媒体是一个新兴的替代,理论上更加可伸缩但患有其他问题引起的系统的动态特性。用户的终端成为流节点但他们不经常联系。另一个问题是,它们是基于逻辑覆盖,不优化了物理衬底的基础设施。一个重要命题是找到有效的方法来提高覆盖的弹性同时与网络在同一时间不冲突。在本文中,我们看到两种技术的结合,冗余流和位置意识,在生活和视频点播流媒体。我们引入一个新的技术和评估它通过比较、基于仿真的研究。我们发现冗余网络利用率只有轻微影响交通保持边缘通过定位技术。

1。介绍

覆盖和P2P(点对点)系统,最初被开发为替代IP多播和提供文件共享服务,现在已经超越功能。这些技术已经深刻改善信息的分布在互联网上通过启用足智多谋合作最终消费者。互联网提供的带宽容量越来越大,他们也证明是关键技术的实时视频和视频点播内容。

同行之间的合作网络中互相帮助,P2P技术克服了各种限制的更传统的客户机/服务器模式实现用户和带宽可扩展性。在P2P流媒体应用程序中,多媒体内容交付给一大群分布式用户提供低延迟、高质量和高鲁棒性(1]。所提版本的IPTV,视频点播(VoD),会议也因此变得受欢迎。

许多主机可以支持P2P多媒体系统,可能超过数百甚至百万,在带宽、杂项异质性能力,存储,网络,和机动性。另一个目标是维护流动态用户流失,即使在主机故障频繁,不可预测的用户行为,网络流量和拥塞。为了实现这些目标,当务之急是有效应对各种挑战,实现内容分发机制,包括路由和传输支持。

在本文中,我们主要关心的是寻找有效的方法增加弹性和可伸缩性的叠加而同时最小化对物理网络的影响(或衬底)。我们发现P2P框架大多未能解决后者的问题,在这一过程中,他们往往会引起严重的网络运营和管理问题。反过来,这限制了P2P的可伸缩性,当交通流遍历,从而使充血的大部分网络。另一个问题是,现有的P2P流媒体系统本质上是最优的。这一事实,加上他们的网络不友好的行为,经常导致经营者损害P2P流量,有害的后果产生的服务质量。

我们解决此问题的关键是是否和它如何可能增加用户经验(体验质量)在P2P流媒体的质量。一种常见的技术是增加冗余,也就是说,发送多个流相同的用户以减少丢包。冗余的缺点是增加流量负载,从而增加拥堵,从而减少网络利用率。

为了留住冗余的好处(体验质量)和减少其不利影响在网络上,我们研究两种技术的结合,多流道和网络位置。我们发现通过保持交通当地同行中,主要在网络的边缘,多流道的好处大于他们的缺点。我们进行比较评价使用流行的P2P电视系统,Joost,作为基准。初步结果表明,显著提高体验质量在一个小成本的网络。

我们正在处理网络QoS,体验质量,P2P的地方意识,和流冗余在这篇文章中,我们概述不同的单独研究看着这些主题。

追求效率的办法覆盖和衬底之间已经开始调查最近才。作者在2]提出一种技术,覆盖上的同伴选择基于他们共同的物理距离,为了保持流量尽可能本地化。类似的方法被描述在3),在那里他们测量延迟之间的距离称为地标节点和适当的网络服务器。粗略估计节点是集群获得他们的意识,如(4,5]。

另一方面,另一项研究(6)提出了不同的技术,视频分为不同的流动传播分别增加并行性和,因此,减少传输延迟。作者使用PSQA的技术,给出了一个估计的用户感知的质量。本研究关注如何影响和改进质量(以PSQA)。他们三个案例介绍:发送一个流节点之间,通过不同的路径发送两个重复流和发送两个不相交的substreams再现了原始的结合。在工作中我们观察多个冗余流的情况下,看着冗余流的影响在网络负载和用户体验质量。我们也强调技术选择内部通信的同事根据他们相互接近,保持当地交通和减少对网络负载的影响。

覆盖地区也研究了(7),作者利用网络层的信息(例如,低延迟、低数量的啤酒花,和高带宽)。我们使用一个不同的距离度量,基于RTT(往返时间)估计,优先覆盖传输。此外,我们使用集群管理算法,内部通信的同行被迫定期移交,以分配计算负载和网络效率(如[解释的8,9])。

Hefeeda et al。10)提出了一个使用Collectcast P2P流媒体的机制。他们的工作是基于从不同的同学下载。他们比较topology-aware——和端到端选择为本。

后一种方法也是[的主题11),有一个更简单的版本的RTT方法基于连续发出砰的同行。同样,我们采用聚类限制与这一过程相关联的信令开销和防止瓶颈。

等研究[12)提出相关方法为多个客户端基于效用函数或集群。能够操作的动态叠加在大物理网络提出了(13,14]。特别是,他们展示如何最大化吞吐量可分负载应用程序中。

此外,打孔机等。15)提出了一个分布式哈希表适合高动态环境。他们的工作是为了维持快速查找的低延迟和路由跳数。在他们的工作、啤酒花是用于确定locality-awareness的主要指标。根据他们的工作,邻近节点组合在一起形成一个小团体。节点共享相同的ID集团;此外,所有的节点上的数据将被复制的集团,以避免数据丢失。

此外,集团有一个上界和下界的节点数量,这样派系被迫合并或分裂。他们的工作的另一个方面是假设所有节点均匀分布在一个二维欧几里得空间。然而,这可能不工作在一个大型网络,如互联网。此外,定期更新链接结构为了建立一个结构化的网络。另一方面,他们的建议是基于节点的加入衣橱集团将大幅引入额外的信令开销。

另一项研究相似(15)是由Asaduzzaman et al。16];他们的建议是建立在上面的15),与一些修改通过引入稳定节点(supernode)和稳定的节点之间复制数据。然而,他们的建议选择一个或多个稳定的最高可用带宽每个集群节点分配特殊的传递作用。

他们的工作是基于树和派对上的网格体系结构,其中的节点形成一个网状和稳定的节点连接在一个树结构。

对于每一个通道,一个基于树之间形成稳定的节点包括只有一个稳定的节点在每个小团体。然而,稳定节点当选根据他们的生活会话。所以,在这种情况下一个小团体可能超过一个稳定的节点。这种方法的缺点是,转发节点(超级节点)组成一个树;所以重建他们的失败和同行生产将是昂贵的,可以介绍一些延迟。

由上述两部作品相比,我们的建议的目标是不仅保留冗余的好处(体验质量),但也减少网络上的有害副作用。我们研究两种技术的结合,多流道和网络位置,而在15,16他们主要关心的网络位置。我们优先考虑来源的选择基于相互的距离目的地。本质上我们采用以前公布的分层RTT监测方法17)维护资源的列表年代_我根据他们的距离,排名顺序收件人()。定期,一套新的来源选择从这锅和交接是被迫离开年代_我 来源来源。

这里的假设是,这迫使移交战略不会影响网络堵塞交通是否远离核心网络。然而,我们的目标是建立在这之前我们可以增加冗余没有引发网络拥塞。此外,我们的工作不仅介绍了locality-awareness和多个流,而且负载平衡计算和网络资源。此外,我们引入一个新的计算方式丢包率,端到端延迟,网络利用率与上下债券和接收机利用流冗余。

此外,QoS和体验质量测试传输视频检查这个命题的可伸缩性和弹性。在前面的出版物(9),我们已经检查了locality-awareness相比,计算效率和一些流行的P2P流媒体的应用程序。另一方面,从locality-awareness的角度来看,我们的建议是相似的(15,16),但有不同的目的和方法。

看着之前的研究,我们可以说,我们的主要贡献是:(1)研究现有技术的新组合(跨层优化,本地化,迫使交接,和多流道),(2)网络运营商的角度,试图协调覆盖和衬底网络,(3)寻找权衡冗余水平(提高体验质量)和网络效率。

3所示。建议的方法

3.1。目标体系结构

在我们的研究中冗余(多)流变化的数量从1到5,如图1。来源选择基于位置和也不断(定期)被迫回归,选择新来源一壶可用的来源。这些都是优先建立在相互interpeer距离以确保交通尽可能保持当地。另一方面,迫使交接确保计算负载平衡的重要特征是maintained-we已经讨论了这个问题在以前的出版物(8,9]。

相反,这里我们主要感兴趣的理解是否位置感知P2P技术可以减少有害的副作用P2P冗余流。下除了P2P架构(单播、多单播和多播),冗余流减少丢包但有副作用的增加网络拥塞。有趣的是在P2P,相互冗余流作为备份,尽管更多的冗余流增加拥堵,他们实际上减少丢包。这样一个有趣的问题是最优冗余水平会导致最大体验质量改进?相反如果我们采用P2P方法成功地保持交通核心网络,我们有一个更好的机会,冗余并不直接导致网络拥塞。我们的目标是验证这一假说和更好的利用其影响。然而,在处理冗余问题,另一个重要的因素在这个命题是locality-awareness;所以下一节给出了一个更广泛的观点,这是如何介绍了拟议的研究。

3.2。Locality-Awareness

网络效率(局部性)是能够保持尽可能当地交通,这可以通过连接到那些附近的同行和改变参与者之间的来源。因此,在该方法中,参与者的同龄人之间的决定基于RTT值测量的监测系统。同行要低优先的RTT值,并根据这些值连接设置。因此,这将不仅维持内部通信的节点之间的网络位置,但也会提高QoS和,因此,用户的经验(体验质量)的质量。

然而,只提供网络位置不改变同行之间的来源将大大削弱负载均衡或者,换句话说,网络和计算资源之间的载荷分布。因此,不同的技术嵌入方法。这些技术的主要目的是参与者之间分配负载,同时网络位置不受损。这可能是下一节所示。

3.3。计算机和网络资源负载

为了保持贡献同行之间的负载平衡,不同的回归技术嵌入到建议的方法。两个条件触发互联同行之间的交接。

切换
自从网络可能会经历各种约束如拥堵,瓶颈,和链接失败,RTT值会受到严重影响,可能并不可靠。此外,这些随机条件将大大影响网络位置和降低服务质量(QoS)参数如吞吐量、丢包和端到端延迟。还有另一个重要需求产生直接从P2P的采用:同行是不可靠的实体,不能认为是总是连接。节点在不可预测的时间离开并加入。所以,我们必须采取一种机制,允许接收同行(在客户端模式)保持继续接待的视频,虽然流媒体同行(在服务器模式)并不总是可用。
这个需求的一个解决方案是,任何有意客户机应该定期更新邻居的列表和重新排序基于RTT值越低。在我们的实现中,我们保持排名的同事根据他们的RTT值。每个对等流其他同行。在切换的时候,选择一套新的顶级同行(RTT值较低的同行正在考虑)。

执行交接
该方法的另一个有利的属性是它的计算效率。这可以实现当负载周期性分布的同行。在正常的网络环境,选择同行RTT较低;但当链路延迟变化,切换应用和新同事有较低的RTT值选择。
有些同事可能没有经历任何约束,如交通拥堵,瓶颈,和链接失败。RTT值将不会受到影响,不得改变;所以这些同行可能成为最好的定期检查。因此,选择他们定期会损害同行之间的计算负载平衡。为了避免这种情况,执行交接。
此外,为了避免纯随机性执行交接过程,网络位置是应用于集群的同行,名叫superpeers,类似于在KaZaA[采纳的18]。因此,同伴被分组,他们是由一个特殊的对等,或一个超级节点(图2描述了使用拓扑的一个示例)。我们的实验已经证实,同行在同一集群共享几乎相同的RTT值。

3.4。冗余性原则

为了研究冗余的影响与QoS和体验质量,我们首先测量相关参数(如详细节4)Joost-like系统19),这在实践中随机选择的来源和使用作为基准。冗余是提高从0(1源/目标)到4(5来源/目的地)。然后我们与此相比,我们建议的方法的来源不断被迫交接(如Joost)——确保计算负载balancing-but不是随机抽取的。

我们优先考虑的选择基于相互的距离目的地来源。本质上我们采用以前公布的分层RTT监测方法17)维护资源的列表排名根据他们的往返延迟距离收件人()。定期,一套新的来源选择从这锅和交接是被迫离开来源来源。我们的假设是,这迫使移交战略没有不良影响交通网络拥堵如果是远离核心网络基于局部性。然而,我们的目标是确定在这之前我们可以增加冗余没有引发网络拥塞。

4所示。评价方法

我们研究冗余QoS和体验质量的影响,为每一个被调查的两种情况:)随机场景(随机选择新来源)和()局部场景(新来源选择基于最小相互距离(局部性)从接受者)。我们添加背景流量的模拟网络来模拟网络拥堵条件下的性能。仿真和设计参数如下所述。

4.1。仿真设置

该方法实施ns-2网络模拟器和测试(http://isi.edu/nsnam/ns/)。一个样本的使用拓扑如图2。虽然在模拟使用拓扑结构是固定的,这两个场景中以不同的方式对待。所以,对于随机场景,发送方和接收方的每次运行随机选择。在本地化(提议)情况下,基于位置的选择发送者和接收者选择随机,每运行。这给了本地化测试场景在不同条件下的优势在使用拓扑。

此外,各种参数设置使用拓扑。首先,每个链接的2 Mbps带宽等于长度(延迟)。然而,实际的延迟将根据节点的距离;因此,所有参与者的同行有相同的特征。IP网络协议和UDP作为传输协议已被选定。视频流量的模拟,CIF的“巴黎”视频分辨率与h / AVC 4:2:0格式编码和视频数据包从一个和多个同行被派到接收机。

其次,为了网络超载,这是必须设置CBR背景流量不同网络负载,使我们能够研究局部多流道在不同加载条件下的方法。CBR交通设置不同来源不同的目的地,512字节数据包的大小。这种背景下交通运营在整个模拟时间的长短。这是设置为1 Mbps的中度拥挤的网络和1.7 Mbps的严重拥挤的网络;这是添加到流视频模拟运行。

本地化和随机方法模拟独立和重复10次。提出了结果对应于这些模拟的平均值。

4.2。评价指标

丢包率
丢包率的定义通常是指在传输数据包的比例下降。它给一个帐户的效率和能力的网络发现路线。然而,在P2P通信中,一个新的计算丢包率的方法需要定义研究特定问题相关的冗余。在我们的例子中包实际上是由几个来源和传播被认为是失去了只有通过任何流没有收到。这是正式的如下: 决定是否一个数据包丢失或不将根据下面的笛卡儿积:
因此,如果P数据包的总数需要重建一个给定的流,丢包率吗

接收方使用
接收机使用的比率被定义为收到有用的数据包所需的数据包数量()重建视频 PL丢包率,因此,该参数增加而降低丢包率,它可以是一个高效的P2P网络性能分析工具。

4.2.1。准备网络利用率

在点对点通信(即。,Client-Server),是很常见的网络利用率定义为接收数据包的发送数据包的比率,但在P2P模式,当一些发送或接收的数据包不是有用的,这个定义并不有用。也,因为丢失的数据包从任何来源可能不会有任何不良影响接待质量,只要这些数据包可以收到其他同行,因此,多流道,可以定义一个上界和下界网络利用率,实际利用率是介于两者之间。

上界
上界的比率被定义为收到有用的数据包在收到所有发送的数据包的总数。也就是说, 在那里,代表了上界利用率,P是所需的数据包数量重建视频,然后呢n是发送的数量。收到的数据包的总数吗我同行和PL是丢失的数据包

下界
下界的比率被定义为收到有用的数据包发送数据包的总数从所有的同行。那就是: 在哪里代表了下界的利用率,是所需的数据包的数量来重建视频,发送的数量同行,发送数据包的总数吗我对等和PL丢失的数据包。

上下界的区别实际上是由于一些流浪数据包的发送者迷失在网络。虽然这些流浪数据包可能不是有用的接收器,从其他同行重复的数据包将会取代他们,然而他们的存在在网络可以充塞网络。因此上下利用率之间的差异表明多流道的副作用可能在网络上。区别是越低越好是P2P流的性能。这种差异,因此,

平均端到端延迟
平均端到端延迟是平均时间跨度之间的传输和数据包的到来。在多流道P2P,延迟收到的每个包的最小延迟在所有相同类型的数据包发送的发送者。这包括所有可能的延迟引入的中间节点进行处理和查询的数据。端到端延迟对实时IPTV有不利影响。

峰值信噪比
PSNR接收的视频客观质量测量,作为用户体验质量。它被定义为对数的峰值信号对原始的区别和收到捕获的视频:

5。仿真结果

为了评估该方案,不同的网络参数应该被识别,测试和评估。因此,以下参数被认为是。

5.1。接收机利用

数据3和4显示接收方使用,定义在(4)。为温和的网络负载方法几乎是类似于基准计划是基于一个随机场景。在高网络负载如图4通过随机连接,本地化的相对优势是显而易见的。图显示冗余水平,局部连接有更好的利用率。此外,对于超过3层的冗余(收到超过3包同行),本地化方法达到100%的利用率。超过这个值,增加发送同行的数量不会增加接收机的利用率。这个数字也意味着3发送同行足够足够使接收机利用定义在(4100%的饱和水平。

另一方面,随机连接不能达到100%的利用率。因此在这种情况下总是会有包损失,无论有多少选择发送同行,尽管增加发送同行的数量提高了接收机的利用率,因此降低了丢包率。

5.2。网络利用率

网络利用率,上界和下界的定义和测量在中度和严重拥挤的网络负载下的场景。

5.2.1。上界

适度的加载网络不包括在这里,两个场景几乎类似自包损失几乎可以忽略不计(见图8)。另一方面,在网络负载很高,上网络利用率如图5局部方法显示,利用率低于随机方法。如前所述,此参数的可能不是一个好的质量指标,但其偏离下界是一个更好的指标。

5.2.2。下界

像上界,适度的下界加载网络不会显示任何明显的本地化和随机方法之间的区别。然而,对于严重负载网络如图6局部方法比随机显示一个更好的利用方法。下界可以显示实际的网络利用率比上界,自从下界表明接收的数据包多少是有用的。

也许最能反映网络利用率高离职的下界,如图7。这是因为它们之间的较大的差异可以说明一些发送数据包丢失的网络,充塞在接收数据包的成本从同行来提高视频质量。因此,区别越小的上下界网络利用率,更好的性能,这是支持本地化的方法,如图7。

5.3。的服务质量

服务质量被认为是确定该方法实际上也影响质量在应用程序(或用户)级别。在P2P网络中,服务质量是遗传的不同指标在网络上。这些指标是内在的。出于这个原因,量化和测试本地化多流道的方法,给出不同的有效参数,这里使用反映这一命题的性能。

5.3.1。数据包丢失

数据8和9展示我们的发现包丢失,中度和严重加载网络的情况下,分别。在适度的网络负载如图8这两种方法都不会导致任何包丢失到冗余水平等于4。这意味着对于随机冗余流,4发送同行,足够的冗余可以接收数据包赔偿任何损失。然而除了4,增加交通造成堵塞,导致更多的损失,这样备份冗余包也可能丢失。局部方法,图中显示,即使5冗余流造成任何包丢失。这是由于这样的事实:无论多么网络拥挤,总有足够数量的冗余数据包的接收方。

网络位置的友好行为意识的方法是更明显的高网络负载,如图9。在这种情况下,网络是由背景接近拥堵交通流在审查(不)。网络严重拥挤;然后甚至一个或两个发送方行动可能导致丢包。通过增加冗余级别(例如,发送者),在这两种方法减少了丢包。与局部的方法,然而,几乎没有包丢失在收到从3发送者。这是由于这样的事实,同样的多个副本包现在发送给接收者。

差距,Joost-like方法的随机连接不能降低包损失为零。在这种情况下,即使增加发送者的数量(冗余),发送者本身创建额外的拥堵,除了4发送方,拥堵增加如图9。

5.3.2。平均端到端延迟

延迟是另一个重要质量参数的经验。数据10和11显示平均端到端网络延迟,分别为中度和严重拥挤的场景。重要的是要注意,在沉重的网络负载,端到端延迟下局部连接的冗余级别的最小值是3 - 4发送者。考虑到数据包损失率几乎根除只有大约3冗余发送者(图9),最优冗余级别由3和4之间。

5.4。质量的经验

最后,客观和主观的解码视频质量两种加载条件下进行了比较。流是编码和解码的h / AVC编码器/解码器JM15类型。数据12和13显示客观视频质量以PSNR中度和严重拥挤的网络敏锐地。像预期的那样他们表现出的行为类似于包丢失数据的结果8和9。当装载网络是适度的,几乎没有任何的冗余数据包lossup 4,此时产生拥挤和随机场景,因此,在PSNR下降。本地化方法不会显示任何包丢失和体验质量水平保持不变甚至5注入冗余流。图13也符合这个原理。明显,局部的方式稳步提高PSNR的冗余级别3的质量达到最大理论上可实现的价值(包丢失是零在这一点上)。

5.4.1之前。主观质量

评估的主观质量被终端用户,在本节中显示了两种方法的快照。针对每种情况的五个冗余流,提出了局部的图片比较多流道和随机方法(Joost-like)。数据(14日),14 (b),14 (c),14 (d),14 (e),14 (f),14 (g),14 (h),14(我),14 (j)显示本地化的主观质量方法对随机方法。质量的照片放在桌子上,随机方法,特别杯,钢笔,和论文分布在所有的冗余的水平,但在局部的方法,图像质量是可以比较原始。

(1)发送方(随机)

(b) 1发送者(局部)

(c) 2发送者(随机)

(d) 2发送者(局部)

(3 e)发送者(随机)

(f) 3发送者(局部)

(4 g)发送者(随机)

(h) 4发送者(局部)

(我)5发送者(随机)

(j) 5发送者(局部)

6。讨论

本文提出了一种局部多源提供冗余相同的内容在网络上提供高质量和较低的端到端延迟。这个提议已经在不同的场景和网络条件下测试和运行。为了量化它的鲁棒性,它运行在一个点对点连接,只有一个一个发送方和接收方。此外,介绍了multiconnections接收机可以连接2和5同时发送方(同行)。冗余流结合locality-awareness用来评估我们最初的假设。

品种的连接已经运行在两种极端拥挤水平,中等和严重拥堵。因此,网络上不同的有效参数测量显示和验证有多健壮和实际提出本地化方案选择发送提供冗余的同行。

然而,为了裁决本地化多流道的美好,基准的一个受欢迎的VoD应用程序(20.)是反对这个提案显示本地化多流道相比表现与随机化方案。

出于这个原因,一个有价值的和深刻的网络参数被认为是给了的网络利用率的影响通过网络这一命题。我们的结果(图7)表明,位置感知的结合流冗余网络利用率有积极影响。此外,另一个重要的网络参数是数据包丢失;来衡量这个因素,测量包丢失的一种新的方式被定义主要是量化的性能提出了局部多流道如图所示(早些时候3)。显示结果表明,本地化方案执行所有的质量更好的服务和体验质量参数。因此,通过查看数据包损失比率,显然从数字8和9本地化方法更好,主要是在严重的拥塞网络。这主要是由于发送同行辅以流的意识提供冗余。

此外,端到端延迟两拥堵几乎是一致的水平,尤其是来自发送方如图2 - 410和11;这是作为最小的延迟在所有接收到的数据包。另一方面,体验质量保持适当的本地化多流道。因此,数据12和13是一个广泛的终端消费者感知到的视频质量的证据。然而,大多数相比两者之间的分歧可以派生计划图13网络严重拥挤,这是现在的互联网流量。

最后,另一个有趣的观点,导致了局部多流道的找到所需的最优数量的同事为客户服务。根据本地化多流道呈现的结果,它是如此清晰的从3到4同行的所有数据足以为终端用户提供高质量在当前配置。相比之下,对于随机方法,很难给一个迹象,同行之间的互联是混沌和随机。

7所示。结论

各种各样的受欢迎的应用程序,包括视频点播、直播电视,视频会议,利用P2P流媒体框架。这些基本原则的出现绝缘和抽象之间的网络和应用程序层。在这方面,一些研究最近发表(例如,21]),也包括一些本文的作者(例如,9,22,23]),已经确定了,当P2P叠加设计独立于衬底的物理网络,网络本身的P2P流有不利影响。目标可伸缩性和用户体验质量,P2P的解决方案采用冗余、缓存、统计交接,和其他类似的技术,产生大量网络运营商网络管理和控制问题。

这个问题促使我们最初的工作旨在研究方法保持覆盖的体验质量和可伸缩性,同时减少其不利影响到衬底上。这篇文章代表了我们最初的尝试追求网络友好的P2P流媒体。我们最初的假设网络局部性和多流道的结合可以显著提高体验质量是强化了本文提供的初步结果。

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