文摘

多通道点对点(P2P)视频点播(VoD)系统可以分为独立的通道P2P视频点播系统和correlated-channelP2P视频点播系统。流的能力一个通道被定义为最大的流率,可以接收到每个用户的通道。在本文中,我们研究了流媒体多渠道P2P VoD系统的容量问题。在一个独立的通道P2P视频点播系统,没有资源渠道之间的相关性。因此,我们可以找到的平均流能力独立的通道P2P视频点播系统为每个单独的通道,通过流能力。我们提出一个分布式算法来解决单通道流能力问题在一个独立的通道P2P视频点播系统。correlated-channel P2P VoD系统的平均流能力取决于intra-channel和横跨海峡的资源分配。为了更好地利用横跨海峡的资源,我们首先优化服务器上传通道之间的分配最大化平均流能力,然后提出横跨海峡的帮手,使横跨海峡的同行共享上传带宽。我们在模拟演示correlated-channel P2P视频点播系统intra-channel和横跨海峡的资源分配可以获得更高的平均流能力与独立的通道P2P视频点播系统只有intra-channel资源分配。

1。介绍

视频点播(VoD)服务已经吸引了大量的用户,因为它允许用户在任何时间观看任何视频。传统的客户机/服务器架构的视频点播服务不能提供大量的并发用户视频流。将服务器上传负担,点对点(P2P)技术集成到视频点播应用程序利用同行的上行带宽(1- - - - - -5]。

大部分的P2P视频点播系统提供了许多视频频道。用户可以选择任何他们感兴趣的频道。与多个渠道被称为P2P视频点播系统多通道P2P视频点播系统。根据资源的相关性,多渠道P2P视频点播系统可以分为独立的通道P2P视频点播系统和correlated-channelP2P视频点播系统。在一个独立的通道P2P视频点播系统,同行看同样的频道成立一个独立的叠加,相互共享资源完全覆盖。在correlated-channel P2P视频点播系统中,叠加形成的同行看频道可以与叠加形成的同行看频道,这样覆盖的同行不仅可以共享资源与其他同行在覆盖还有同行的叠加。correlated-channel P2P VoD系统中的资源可以利用在一个更好的方法相比,一个独立的通道P2P视频点播系统。

在P2P视频点播系统中,用户想看的视频质量高。流率可以用来表示视频质量。让表示一组通道的P2P视频点播系统。如果通道与覆盖,流能力为通道,用被定义为最大的流率,可以得到每个用户覆盖(6,7]。的平均流能力 多渠道P2P视频点播系统被定义为在哪里是信道的优先级,。通道可以设置的优先级的服务提供者。例如,更昂贵的通道可以被指定一个更高的优先级。

流能力问题多渠道P2P视频点播系统是一个具有挑战性的问题。多渠道P2P VoD系统的平均流能力依赖于同行的数目,播放时间,和每个对等的带宽,服务器容量、覆盖建设和资源分配。最优资源配置在一个多渠道P2P视频点播系统预计将提高流媒体能力。然而,在多渠道资源分配P2P视频点播系统是非常具有挑战性的由于以下原因。(1)同行有异构上传和下载带宽和不同的播放进度。(2)每个通道是异构的可用资源,由于同行在每个通道的数量是不同的。(3)同行动态可能离开或加入一个通道。

在这篇文章中,我们提高了平均流的多通道能力P2P视频点播系统更好的利用intra-channel资源和横跨海峡的资源。我们首先探讨流媒体一个独立的通道P2P VoD系统的能力,我们发现流能力的单通道优化intra-channel资源分配在一个分布式的方式。然后我们调查流能力correlated-channel P2P视频点播系统中,我们发现多个通道的平均流能力通过优化intra-channel和横跨海峡的资源分配。拟议的横跨海峡的资源配置包括两个步骤如下。(1)我们优化服务器上传配置渠道最大化平均流能力。(2)介绍横跨海峡的助手建立横跨海峡的链接,然后利用横跨海峡的对等上传带宽提高平均流能力。

本文的其余部分组织如下。部分2讨论了相关工作。部分3制定和解决了流能力问题为一个独立的通道P2P视频点播系统。部分4发现平均流correlated-channel P2P VoD系统的能力。仿真结果提供了部分5,得出结论6。

2。相关工作

在P2P流媒体能力实时系统已经检查了最近文献[6- - - - - -9]。在[6),流媒体容量问题是制定成一个优化问题,最大化流率可以由multitree-based叠加。森古普塔等人提供分类的16个问题配方流能力,取决于是否有一个P2P会话或有多个并发会话,是否给定的拓扑结构是一个完整的网状图或任意图形,同行一个节点的数量是否可以是否为界,和是否有nonreceiver继电器节点7]。刘等人分析的性能界限最低服务器负载,最大的流率,和最小树树型P2P直播系统的深度,分别为(8]。节点度约束下的流能力研究(9]。

流能力在P2P视频点播系统研究了单通道(10- - - - - -12]。在[10,12),单通道的流能力制定成一个优化问题,最大化流率下同行带宽约束。可伸缩的P2P视频点播系统吞吐量最大化问题研究[13]。助手提出了P2P系统中提高系统性能(11,14,15]。在P2P视频点播系统中,每增加一个额外的辅助系统上传容量,从而卸载服务器负担(15]。在[11),辅助作业和速率分配的算法提出了改进流P2P VoD系统的能力。

横跨海峡的资源共享最近研究多渠道P2P流媒体系统(16- - - - - -20.]。在[16),吴等人提出一个在线服务器容量配置算法调整并发的服务器能力提供给每个渠道,考虑同伴的数量,流媒体质量和渠道的优先级。在[17),View-Upload脱钩(VUD)计划提出解耦的对等上传什么观点,将稳定多渠道P2P流媒体系统和使横跨海峡的资源共享。在[18),吴等人开发infinite-server排队网络模型来分析研究多渠道P2P流媒体直播系统的性能。在[19),带宽满足比率是用来比较三个带宽分配方案,也就是说,天真的带宽分配方法(NBA),被动Channel-aware带宽分配方法(PCA),和活跃Channel-aware带宽分配方法(ACA)、多渠道的P2P流媒体系统。在[20.),赵等人研究流媒体多渠道P2P流媒体直播系统的能力当每个对等只能连接到一个小数量的邻居。

3所示。流的能力一个独立的通道P2P视频点播系统

在一个独立的通道P2P视频点播系统,同行看同一个通道形成一个覆盖。我们假设服务器上传带宽分配给信道,用是预先确定的。一个独立的通道P2P视频点播系统见图1。视频内容的同行在同一个包裹重新分配。一个同行属于叠加只缓存的视频内容频道,它不提供任何视频内容覆盖以外的任何同行。换句话说,每个叠加在一个独立的通道P2P视频点播系统是一个独立的子系统。因此,通道是独立的流能力的另一个渠道。流能力的问题在一个独立的通道P2P视频点播系统找到每个通道的流能力,分别。接下来我们将专注于流媒体单一通道的能力。

3.1。完整的覆盖

单通道的流能力取决于构造叠加。在P2P视频点播系统中,每一个同行保持缓冲区缓存最近收到的数据包以平和回放和服务其他同行。有一个亲子关系两个同行之间(例如,同行和同行)如果两个同学满足以下两个条件:(1)同行(父)比同行更早的播放进度(孩子),(2)同行缓冲段(s)被请求的同行吗。如图的亲子关系2(一个)。在当前时刻,同行是玩11段,和同行在段7。每个对等可以容纳5段的缓冲区。段8,由同行要求对等。因此,同行和可以建立亲子关系,同行吗是父母,和同行是孩子。服务器被视为一个特殊的同行,因为它包含所有视频的片段。服务器与其他同行有父子关系。

父子关系是实现,如果已经建立了一个覆盖的链接从父母到孩子。一个完整的覆盖为一个通道被定义为的叠加实现了所有可用的父子关系,和一个不完整的覆盖的叠加为一个通道被定义为唯一可用的父子关系的一部分已经实现(12]。完整的覆盖如图的一个例子2 (b)。相比不完全覆盖,完全覆盖包含更多覆盖链接,从而支持更高的流能力。因此,我们将制定流问题基于完整的覆盖能力。方法覆盖建设不是本文的研究重点。一个完整的覆盖可以使用现有的方法(构造2]。

3.2。单通道流能力问题

覆盖(渠道)的设置独立的通道用P2P视频点播系统。因为每个通道独立的资源,我们可以研究流媒体渠道的能力。

覆盖在P2P视频点播系统可以建模为一个有向图,在那里组节点和吗是直接叠加的集合链接。同行1被定义为服务器。节点及其外部链接之间的关系与一个矩阵表示的元素是由

一个节点和链接之间的关系用一个矩阵表示的元素是由

的上传能力对等用。服务器和同行1表示。服务器上传带宽为通道实际上是对等的上传能力1,给出的是哪一个。上传容量通常是P2P系统的瓶颈。我们考虑上传限制在同行,这是由在哪里链接速度链接吗的叠加。上传约束代表总离任的利率从同行不超过其上传能力吗。通道的流率用。每个对等除了服务器(例如,同行1)接收流率可以表达的,尽管,在那里如果,或否则。的下载限制是由在哪里是同行的下载能力。从下载限制,我们可以看到,最大流率是最小限制下载能力在同行。因此,用户提供一个非常低的下载带宽不应承认到P2P视频点播系统为了维护一个高流能力。

流媒体渠道的能力声明为最大化流率每个用户可以收到的频道通过优化流率和链接在上传限制在每个对等。数学上,问题可以制定如下:

优化问题(3)是一种线性规划(LP)。它可以解决在一个集中的方式使用内点方法(21]。然而,集中解决方案不是可伸缩。因此,我们将使用非方法开发分布式算法来解决流能力问题。

3.3。分布式算法

我们将使用非方法(22)开发分布式算法的优化问题(3)。然而,问题的目标函数(3)不是严格凸优化变量和。因此,相应的双功能nondifferentiable,和最优值和不会立即可用。我们首先将原始优化问题(3)一个等价的最小化问题通过改变最大化的目的以最小化。然后,我们添加一个二次正则化项的流率和每个链接率使目标函数严格凸。最后,优化问题(3)是近似如下: 在哪里正则化项的总和,被称为正则化因子。当足够小,这个问题的解决方案(4)是任意接近原始流媒体解决方案能力问题(3)。

让我们表示的原优化问题的最优解(3),最优解的近似优化问题(4)。基于原始优化问题(3),我们有。基于近似优化问题(4),我们有。因此,我们可以得到,我们表明,流能力获得的近似优化问题(4)和一个小正则化因子方法密切真正最大的流率得到原始优化问题(3)。

优化问题(4)是一个凸优化问题,严格凸目标函数和线性约束(23]。我们引入对偶变量制定相对应的拉格朗日原始问题(4)如下:

让。拉格朗日对偶函数的最小值是拉格朗日率向量的关系吗和流率:

拉格朗日对偶问题是拉格朗日对偶函数最大化。也就是说,

我们用次梯度方法(24]解决拉格朗日对偶问题(7)。双变量和在th迭代更新,分别 在哪里步长在吗迭代。该算法保证收敛到最优值的步长序列满足nonsummable递减规则(24]:

流的更新率在迭代是由 在th迭代,链接速度在链接可以计算的双变量:

所示(10)和(11),优化变量分解。流率的优化是在服务器上执行如下。在th迭代,服务器收集双变量从对等然后分别计算流率。每个链接率的优化执行在每个对等如下。在th迭代,每个对等只收集双变量从它的每个孩子,然后计算每个外部链接的链接。

P2P系统本质上是动态的。同事可以随时加入或离开系统。因此,单信道随时间流能力。处理时变流能力,服务器可以使用一个可伸缩编码的视频编码方案,然后调整输出视频速率自适应当前流能力。

4所示。流Correlated-Channel P2P VoD系统的能力

在correlated-channel P2P视频点播系统中,不同通道间的资源可以共享。平均流能力correlated-channel P2P视频点播系统可以通过优化intra-channel资源分配和横跨海峡的资源分配。intra-channel资源的优化配置为单通道提出了部分3。在本节中,我们将集中在横渡英吉利海峡的资源分配。我们将首先优化服务器上传配置渠道最大化之间的平均流能力部分4.1,然后进一步利用横跨海峡的同行上传带宽提高平均流能力部分4.2。

4.1。优化服务器上传通道之间的分配

服务器上传通道分配用。在一个独立的通道P2P视频点播系统中,服务器上传配置为每个通道是预先确定的。因此,服务器上传带宽不是以最优的方式使用。在本节中,我们请客作为变量和优化他们最大化平均流correlated-channel P2P VoD系统的能力。

服务器上传的优化分配correlated-channel P2P视频点播系统表示为最大化平均流率通过优化服务器上传配置,链接速度,和流率,对于每一个频道,上传限制在每个对等。自从最大化平均流率相当于减少负平均流率,我们制定问题转化为一个最小化问题如下: 在哪里是信道的优先级,是服务器上传容量。优化问题(12)是一个资讯。优化变量的优化问题(12)服务器上传配置,链接速度向量和流率为通道,尽管。优化变量的数量是增加了通道的数量和每个覆盖的链接的数量。为了有效地解决优化,我们使用对偶分解(22]分解优化问题(12)为多个子问题,每个通道。

我们引入了一个双变量不等式约束的。相对应的拉格朗日原始问题(12)是由。然后,拉格朗日对偶函数(23)是由。

拉格朗日对偶问题的拉格朗日对偶函数最大化(23]。也就是说,

次梯度法(24)用于解决拉格朗日对偶问题(13)。双变量在更新th迭代的在哪里步长在吗迭代。为了保证收敛,大小的顺序步骤是需要满足nonsummable递减规则(9)。

在th迭代,原始变量为通道通过解决如下优化问题:

优化问题(12)分解成子问题,通道的数量。子问题,在(14),与频道有关。子问题,尽管,可以解决分布式算法。

4.2。横跨海峡的同行共享上传带宽

虽然服务器上传通道之间的分配优化,横跨海峡的资源尚未被充分的利用。在每个频道中,有许多这些同行,可以利用其他渠道。例如,覆盖的叶节点为零的上传带宽通道,因为他们没有外部链接。我们可以利用的上传带宽叠加的叶节点服务同事在另一个通道(例如,通道),从而提高流媒体渠道的能力。然而,挑战建立横跨海峡的链接使横跨海峡的同行共享上传带宽。

在本文中,我们提出一个方案横跨海峡的对等上传共享。我们介绍的概念横跨海峡的助手。一个横跨海峡的助手是同行使用剩余的上传带宽来帮助其他同事在另一个频道。横跨海峡的助手选择从剩下的同学有一个上传带宽大于一个阈值。

假设同行在通道是一个横跨海峡的辅助服务段的通道,它有一个剩余的上传带宽。我们表示的同行看段在通道通过。同行可以下载部分的通道从服务器或缓冲段的同行,速度,然后输出同行,尽管,速度,分别。的带宽增益为同行被定义为。为了最大化带宽增益流约束下,尽管和带宽约束同行,最佳的下载速度是在哪里是同行看段的数量吗的通道和最优输出速率对点,尽管,是。带宽增益应大于1,否则,横跨海峡的助手消耗比它提供更大的带宽。图3演示了一个correlated-channel P2P视频点播系统。如图3覆盖1中,对等8是一个横跨海峡的助手,他从服务器下载一段,然后将它转发给同行在覆盖2 12 - 14;同行12覆盖2也是一个横跨海峡的助手,从同行4下载一段覆盖1,然后将它转发给同行覆盖1中5 - 7。

该方案在横跨海峡的对等上传共享描述如下。(1)通道找到一个合作伙伴,通道互相帮助,通过使用一个资源平衡计划,这是描述如下。(我)计算,总剩余的带宽通道的平均数量是由总剩余带宽在哪里代表通道的数量。(2)考虑到顶尖的渠道的合作伙伴渠道是由。(2)决定横渡英吉利海峡的助手在通道的设置,用通过选择同行,有剩余的上传带宽大于一个阈值th。排序在一个基于剩余的上传带宽降序排列。(3)确定要求部门设置在通道,用,通过选择段看的最多的同行。排序在一个基于看同行的数量降序排列。(4)分配th横跨海峡的助手在为同伴看服务th段。在确定的利率和传出的利率横跨海峡的助手带宽的收益最大化。(5)后分配率为每个横跨海峡的链接在步骤(4)中,修改优化问题(12)通过集成横跨海峡的链接然后解决它获得最优服务器上传每个通道分配和最优利率在每个链接覆盖。

同行动态影响流能力correlated-channel P2P视频点播系统。首先,同行动态可能离开或加入一个通道。第二,横跨海峡的助手可能离开通道,导致交叉流道的断开链接。处理动态条件下,intra-channel资源的优化分配和横跨海峡的资源分配需要执行离散时间的方式,在同行和叠加假设在一个时间段保持不变,执行和资源分配算法在每个时间段的开始。

5。模拟

在模拟中,我们使用同行的两个类:有线/ DSL和以太网的同龄人。电缆/ DSL同行带同伴人口总数的85%下载能力0.9 Mbps之间均匀分布和1.5 Mbps和上传能力0.3 Mbps之间均匀分布和0.6 Mbps。以太网的同伴带着剩下的对等人口总数的15%都上传和下载能力1.5 Mbps之间均匀分布和3.0 Mbps。视频的长度是60分钟,平均分为60段。每个对等维护一个缓冲区容量的5段。每个对等的播放时间是随机分布的0到60分钟。所有渠道的优先级是相等的。

图4比较之间的平均流的能力平等的服务器上传计划和优化服务器上传计划。在平等的服务器上传平等分配方案,每个频道服务器上传链接率在每个通道优化通过求解优化问题(3)。在优化服务器上传计划,每个频道和链接的服务器上传率在每个频道联合优化的解决优化问题(12)。的平等的服务器上传方案只考虑intra-channel资源分配(10),而优化服务器上传方案考虑intra-channel和横跨海峡的资源分配。同行的一个通道的数量是10和150之间均匀分布。服务器上传容量为45.0 Mbps。优化服务器上传方案相比提高了平均流容量14.1%平均等于服务器上传方案。

我们将展示在图5服务器上传能力平均流的影响P2P视频点播系统2通道的能力。第一个频道40同行,第二个有120个同行。如图5,平均流能力与服务器上传能力的提高。带来的改进优化服务器上传方案当服务器上传大容量比较大。

联合考虑服务器上传优化和横跨海峡的对等上传共享可以提高性能相关P2P视频点播系统,如图6。有两个频道总200同行P2P视频点播系统。服务器上传容量为20.0 Mbps。我们不同通道1中的同行的数量从20到140和评估两个指标:对等上传利用率和平均流能力。同行上传利用率被定义为在哪里代表的和即将离任的利率以外所有同行的服务器,和代表的总和所有同行的上传能力除了服务器。由于横跨海峡的一个更好的利用资源,联合考虑服务器上传优化和横跨海峡的点上传分享改善点上传平均利用率7.7%,如图6(一),提高平均流能力在平均0.04 Mbps,如图6 (b)相比,优化服务器上传方案。

6。结论

在本文中,我们研究了流媒体多渠道P2P VoD系统的容量问题。根据资源的相关性,多渠道P2P视频点播系统可以分为独立的通道P2P视频点播系统和correlated-channel P2P视频点播系统。由于没有资源相关渠道中一个独立的通道P2P视频点播系统,我们只需要找到流能力为每个单独的通道,分别。制定单通道流容量问题变成一个LP问题,解决了分布式算法。在correlated-channel P2P视频点播系统中,我们优化intra-channel资源分配和横跨海峡的资源配置,提高流媒体能力。为了更好地利用横跨海峡的资源,我们首先优化服务器上传通道之间的分配最大化平均流的能力,然后介绍了横跨海峡的助手,使横跨海峡的同行共享上传带宽。我们在模拟correlated-channel P2P视频点播系统intra-channel和横跨海峡的资源配置可以实现更高的平均流能力与独立的通道P2P视频点播系统只有intra-channel资源分配。