唐瑞春,紀(jì)紅英,鞏存群

(中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100)

近年來,隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和高性能的移動設(shè)備(手機(jī)、PDA、筆記本)硬件設(shè)備技術(shù)的發(fā)展,移動多媒體的應(yīng)用范圍也越來越廣泛,從商業(yè)到娛樂,從教育到遠(yuǎn)程控制,甚至危機(jī)應(yīng)對等。

由于移動多媒體網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、動態(tài)性、共享性等特性以及多媒體數(shù)據(jù)量大、傳輸時間長[1]等特點(diǎn),多媒體的傳輸需要大量的帶寬和服務(wù)器資源,如果單純的依靠部署更多的服務(wù)器和提高網(wǎng)絡(luò)帶寬性能來提升流媒體系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量成本太大。更為科學(xué)的調(diào)度和傳輸多媒體才是解決問題的關(guān)鍵。

早期移動多媒體調(diào)度方法是Agraw al P等[2]提出的C-S架構(gòu)下的調(diào)度模型。該模型的調(diào)度辦法是服務(wù)器存儲一系列的多媒體文件,移動設(shè)備直接連接到媒體服務(wù)器上,使用客戶端軟件向服務(wù)器請求媒體數(shù)據(jù);媒體服務(wù)器向客戶端以等時數(shù)據(jù)流方式傳輸被請求到的媒體數(shù)據(jù)來響應(yīng)客戶端的請求。C-S調(diào)度系統(tǒng)中,資源尋找算法相對簡單,但是可擴(kuò)展性差,隨著用戶數(shù)量的增加,服務(wù)器面臨著瓶頸擁塞,負(fù)載大,網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力大的問題。

為了緩解服務(wù)器和整個傳輸網(wǎng)絡(luò)的壓力,Varap rasad G等[3]提出了1種基于代理的資源調(diào)度模型PCRSS架構(gòu)。在這種調(diào)度模型中,一系列的代理服務(wù)器被部署在網(wǎng)絡(luò)中,客戶端可以請求緩存在代理服務(wù)器上的全部的媒體文件或者部分媒體文件。代理服務(wù)器使用緩存技術(shù)[4]緩存多媒體數(shù)據(jù),當(dāng)客戶端發(fā)出服務(wù)請求時,mediator接受客戶端的請求,并利用監(jiān)控技術(shù)[5],監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中代理服務(wù)器的負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)帶寬,調(diào)度資源發(fā)現(xiàn)算法尋找合適的代理服務(wù)器來響應(yīng)客戶端的請求,資源調(diào)度過程使用內(nèi)容分發(fā)技術(shù)[6]把緩存在代理服務(wù)器上的多媒體數(shù)據(jù)分發(fā)給客戶端。這種請求調(diào)度模型系統(tǒng)在一定程度上緩解了服務(wù)器的瓶頸現(xiàn)象,也減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸媒體數(shù)據(jù)負(fù)載壓力。

然而,C-S調(diào)度模型和基于代理的調(diào)度模型,用戶期望源多媒體服務(wù)器和代理服務(wù)器傳輸高質(zhì)量的媒體服務(wù),因而服務(wù)器和代理服務(wù)器必須具備較高的處理能力,較大的媒體傳輸帶寬上限,和較大的存儲空間,而這些部署和維護(hù)提高了整個模型的運(yùn)營成本。另一方面,近年來的研究和實驗表明當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)有足夠的能力支持移動流媒體的P2P傳輸方式[7-8]。

為了更有效的解決服務(wù)器和代理服務(wù)器所面臨的傳輸帶寬和負(fù)載的問題,文中提出1種基于簇的客戶請求調(diào)度系統(tǒng)CCRSS(Cluster-Based Client Request Scheduler System)。CCRSS充分利用本地的性能較強(qiáng)的移動終端設(shè)備作為底層的服務(wù)提供者向附近的媒體請求客戶提供它所緩存的多媒體數(shù)據(jù),以減少服務(wù)器和代理服務(wù)器的負(fù)載,緩解網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬壓力。

1 移動多媒體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

本文所提出的基于簇的客戶請求調(diào)度系統(tǒng)CCRSS適用于3層移動多媒體系統(tǒng)結(jié)構(gòu),此類系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

移動設(shè)備層由移動設(shè)備(手機(jī)、PDA、筆記本等)組成,主要負(fù)責(zé)請求多媒體數(shù)據(jù),向用戶顯示接收到的媒體數(shù)據(jù)。本層的移動設(shè)備用節(jié)點(diǎn)來描述。該層成員根據(jù)節(jié)點(diǎn)的性能分為超級節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。緩存空間大,CPU性能高,剩余電量大的移動設(shè)備作為超級節(jié)點(diǎn)。相應(yīng)的,性能較差的移動設(shè)備作為普通節(jié)點(diǎn)。超級節(jié)點(diǎn)通過自組織系統(tǒng)[9]構(gòu)成的簇與Local-mediato r共同形成本地服務(wù)層。本地服務(wù)層通過CCRSS調(diào)度緩存在超級節(jié)點(diǎn)里的數(shù)據(jù)為移動設(shè)備層提供多媒體數(shù)據(jù)。全局服務(wù)提供層中,Yun Huang等[10]詳細(xì)設(shè)計global-mediato r的各個服務(wù)模塊調(diào)度緩存在Proxy server上的數(shù)據(jù)來響應(yīng)客戶端。

圖1 3層移動多媒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Three-layersmobile multimedia network structure

2 CCRSS的工作流程

CCRSS包括客戶定位模塊,簇節(jié)點(diǎn)信息管理者,簇節(jié)點(diǎn)選擇者,簇節(jié)點(diǎn)判斷者,簇服務(wù)提供者,代理服務(wù)器。每個組件的工作模式見圖2。

CCRSS系統(tǒng)負(fù)責(zé)將請求的客戶定位到合適的媒體服務(wù)器上。客戶端發(fā)出服務(wù)請求后,CCRSS首先通過客戶定位模塊判定該用戶所在的簇,簇信息管理者在請求者所在的簇中尋找能提供服務(wù)的簇節(jié)點(diǎn),然后請求者向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送服務(wù)請求,被定位的節(jié)點(diǎn)向客戶提供服務(wù),若不存在合適的節(jié)點(diǎn),則調(diào)度代理服務(wù)器的資源為客戶提供服務(wù)。最后簇判斷管理者判斷該請求節(jié)點(diǎn)能否作為簇成員節(jié)點(diǎn),若符合,則更新簇信息管理者。

圖2 CCRSS調(diào)度系統(tǒng)Fig.2 Cluster-based client request scheduler system

3 CCRSS的設(shè)計

CCRSS主要構(gòu)件是客戶定位模塊,簇節(jié)點(diǎn)信息管理者,簇節(jié)點(diǎn)選擇者,簇節(jié)點(diǎn)判斷者,簇服務(wù)提供者,下面詳細(xì)介紹這些主要模塊的設(shè)計。

3.1 客戶定位模塊

移動設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送資源請求信號,客戶定位模塊首先確定該節(jié)點(diǎn)所在的簇,從而確定資源查詢的范圍。為了縮小資源查找的范圍從而縮短資源尋找的時間,簇節(jié)點(diǎn)服務(wù)層中采用簇技術(shù)[9]。由于無線設(shè)備間的通信受距離的限制,客戶定位模塊主要考慮距離因素的影響。

設(shè)請求節(jié)點(diǎn)為Ni(Ai,Bi);

Ni:第i個節(jié)點(diǎn);

Ni+k:Ni附近的第k個節(jié)點(diǎn);

Ai:節(jié)點(diǎn)Ni的經(jīng)度;

Bi:節(jié)點(diǎn)Ni的緯度;

R:地球半徑;

L:無線通信的有效距離;

D:節(jié)點(diǎn)間的距離。

請求節(jié)點(diǎn)Ni向基站發(fā)出資源請求,基站將該請求轉(zhuǎn)發(fā)給Local Mediator,由Local Mediator調(diào)用客戶節(jié)點(diǎn)定位模塊,執(zhí)行節(jié)點(diǎn)定位算法,來確定該請求節(jié)點(diǎn)的位置信息。

請求節(jié)點(diǎn)定位算法如下:

Step 1 捕獲節(jié)點(diǎn)的位置信息數(shù)據(jù)Ni(Ai,Bi)。

Step 2 計算節(jié)點(diǎn)Ni與附近1-hop節(jié)點(diǎn)Ni+1,Ni+2,…,Ni+k,…,Ni+m之間的距離,

Step 3 判斷請求節(jié)點(diǎn)所在的簇。

3.2 簇信息管理者

簇信息管理者負(fù)責(zé)組織和管理簇,分2步執(zhí)行:管理簇的成員;管理簇成員緩存的資源。

每個簇都有1個cluster_ID作為簇的唯一標(biāo)識,簇的成員node_id位于該cluster_ID下。當(dāng)1個新的簇節(jié)點(diǎn)請求加入該簇時,更新簇信息表Cluster_number,當(dāng)節(jié)點(diǎn)所在的簇尚不存在時,創(chuàng)建cluster_ID,再向cluster_ID下添加該節(jié)點(diǎn)作為其成員。當(dāng)簇中的節(jié)點(diǎn)移出時,在簇信息表Cluster_number中刪除該節(jié)點(diǎn),若簇中所有節(jié)點(diǎn)都移出時,刪除cluster_ID,即刪除該簇信息表。簇信息管理者周期性向周圍的簇節(jié)點(diǎn)發(fā)布查詢信息,時時探測簇節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),從而確保簇信息管理者信息的實時性,實現(xiàn)簇信息同步。

每個資源都有1個統(tǒng)一的標(biāo)識,簇節(jié)點(diǎn)資源列表為cluster-resource。當(dāng)1個簇節(jié)點(diǎn)緩存1個新資源時,則更新簇信息管理者,即向cluster-resource中的簇節(jié)點(diǎn)node_ID下添加1個新的resourc_ID,而當(dāng)已經(jīng)緩存下來的資源被刪除或者其它數(shù)據(jù)覆蓋時,相應(yīng)的刪除簇節(jié)點(diǎn)node_ID下所對應(yīng)的resource_ID。當(dāng)簇節(jié)點(diǎn)的資源改變時,要更新資源管理者,從而更加準(zhǔn)確的尋找本地的資源。

3.3 簇節(jié)點(diǎn)選擇者

為了給請求者服務(wù)較長的時間,使用簇節(jié)點(diǎn)選擇者選出候選節(jié)點(diǎn)中性能較好的移動設(shè)備節(jié)點(diǎn)作為服務(wù)提供候選者。影響移動設(shè)備的性能因素很多,主要考慮以下幾個因素:設(shè)備的在線服務(wù)時間、上傳帶寬、節(jié)點(diǎn)空閑度。

節(jié)點(diǎn)Ni的服務(wù)壽命表示由歷史記錄推測的節(jié)點(diǎn)“在線”服務(wù)的最長時間。在移動多媒體模式下,節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的服務(wù)壽命函數(shù)可用文獻(xiàn)[11-12]給出的Pareto累計分布函數(shù)來表示,

其中:Li_current表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的服務(wù)壽命標(biāo)準(zhǔn)值;x為服務(wù)壽命;α表示預(yù)測節(jié)點(diǎn)未來時間服務(wù)壽命;β表示調(diào)節(jié)分布均值的調(diào)節(jié)參數(shù);Powersurp為節(jié)點(diǎn)剩余電量;Pow erentire表示移動設(shè)備電量滿值,k表示設(shè)備至此時為止運(yùn)行的總服務(wù)的數(shù)目,A是常量,表示單位時間內(nèi)電量消耗值,m量值指從上次統(tǒng)計至此刻設(shè)備運(yùn)行的時間。Consavg是常規(guī)情況下設(shè)備消耗電量的均值,Conspre預(yù)計未來時間內(nèi)設(shè)備電量消耗值。

根據(jù)目前的設(shè)備運(yùn)動模式,通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)預(yù)計設(shè)備未來工作情況時,使用公式(3)獲得x值。

上傳帶寬功能定義節(jié)點(diǎn)Ni上傳帶寬,由公式(6)計算:

其中,Bi_available表示節(jié)點(diǎn)Ni可用的上傳帶寬比率,Btotal表示Ni節(jié)點(diǎn)能提供的上行帶寬的總值;Bcurrent表示Ni節(jié)點(diǎn)當(dāng)前已被占用的上行帶寬的總值;Bj_upload表示為第j請求提供服務(wù)時所占用的上傳帶寬;k表示Ni節(jié)點(diǎn)當(dāng)前提供服務(wù)的數(shù)目。

空閑度Ii_idle是Ni節(jié)點(diǎn)中CPU空閑百分比,其中

其中,CPUused表示每個程序使用的CPU使用率。

假定流媒體為常速率播放,播放速度為R,節(jié)點(diǎn)Ni所能提供的上傳帶寬為ri,節(jié)點(diǎn)“在線”時間為Ti,節(jié)點(diǎn)集合用{N1,N2,…,Ni}表示,搜索獲得節(jié)點(diǎn)集合為L,算法結(jié)束返回選定資源節(jié)點(diǎn)集合為Sc

簇節(jié)點(diǎn)選擇算法CNSS(Cluster Node Selection A lgorithm):

Step 1 搜索節(jié)點(diǎn)所在簇,得到簇節(jié)點(diǎn)集合L

Step 2 if(集合L不為空)

{

將L中所有簇節(jié)點(diǎn)按Ii_idle降序排序;

For(L中的每一個節(jié)點(diǎn)Ni)

If(Ni的Ii_idle>I,I為常量)

將Ni放入節(jié)點(diǎn)集合B;

If(集合B不為空)

{將B中所有簇節(jié)點(diǎn)按Bi_available降序排序;

For(B中的每一個節(jié)點(diǎn)Ni)

If(Ni的Bi_available>播放速度R)

將Ni放入節(jié)點(diǎn)集合C

Else 將Ni放入節(jié)點(diǎn)集合C

}

If(集合C不為空)

{

將C中所有簇節(jié)點(diǎn)按Li_current降序排序

For(j

If(Sc≠“)

Return Sc={N}

Else

{

Fo r(C中的每一個節(jié)點(diǎn)Ni)

Ni放入節(jié)點(diǎn)集合Sc={N1,N2,…,Ni}If(Sc≠“)

Return Sc

Else send request to globalmediator

}

}

在節(jié)點(diǎn)選擇策略的基礎(chǔ)上,接收者接收的同時對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行監(jiān)控,如果發(fā)現(xiàn)一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率下降或者有節(jié)點(diǎn)離開的話,將會從備選節(jié)點(diǎn)集合中選擇替代節(jié)點(diǎn),并產(chǎn)生新的調(diào)度表。

3.4 簇節(jié)點(diǎn)判斷者

簇節(jié)點(diǎn)判斷者根據(jù)節(jié)點(diǎn)的自身能力即節(jié)點(diǎn)帶寬B、存儲能力S,計算能力C,節(jié)點(diǎn)的在線時間L來判斷該節(jié)點(diǎn)能否作為簇節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)能力表達(dá)公式如下:

其中:α,β,δ為調(diào)節(jié)參數(shù),用來調(diào)節(jié)帶寬,存儲能力及計算能力對節(jié)點(diǎn)性能的影響。L是節(jié)點(diǎn)的在線生命時間,對節(jié)點(diǎn)的性能起著關(guān)鍵作用。α,β,δ參數(shù)值可根據(jù)媒體的質(zhì)量和用戶的要求作相應(yīng)的設(shè)置。

4 CCRSS有效性證明

抖動率與服務(wù)器帶寬壓力是影響多媒體質(zhì)量的重要因素,也是衡量調(diào)度系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),本文就這2個技術(shù)參數(shù)對本文的CCRSS和目前流行的PCRSS調(diào)度算法做比較說明。

4.1 CCRSS調(diào)度與PCRSS調(diào)度的播放抖動率比較

播放抖動率指未按時到達(dá)的數(shù)據(jù)總量占客戶端所需要總數(shù)據(jù)量的百分比[10]。設(shè)1個多媒體文件可以分為Si(1≤i≤N)片段。片段為任務(wù)調(diào)度單位,每個片段可分為n塊,塊為最小的資源提供單元,大小為B。為了滿足播放條件,有B=kr,其中r為播放需要的帶寬,k為播放速率。1個多媒體文件被緩存在kp代理服務(wù)器和kl簇節(jié)點(diǎn)上。每個節(jié)點(diǎn)提供的平均帶寬為r,則每塊需要時間才能傳完,每個代理服務(wù)器上的某一塊在時間t時刻失敗概率為pp(t),每個簇節(jié)點(diǎn)的失敗概率為pc(t)。pp(t)和pc(t)看成是時間t的離散函數(shù),在(t～t+1)s內(nèi),代理服務(wù)器與簇節(jié)點(diǎn)失敗概率分別為pp(t)和pc(t)。

(1)若節(jié)點(diǎn)以某一特定概率失敗,即pp(t),pc(t)為常數(shù)時,分別為ppraxy_fail,pcluster_fail。傳輸媒體數(shù)據(jù)的某一片段失敗即客戶端在這個時間段內(nèi)接收不到所需的數(shù)據(jù)。代理服務(wù)器傳輸失敗事件與簇節(jié)點(diǎn)傳輸失敗事件二者是相互獨(dú)立的,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的失敗也是相互獨(dú)立的事件。數(shù)據(jù)片段中塊與塊之間的傳輸失敗與否是無關(guān)的,即塊與塊傳輸失敗事件是相互獨(dú)立的,因此傳輸媒體數(shù)據(jù)的某一片段失敗的期望數(shù)據(jù)量為:

為簡化運(yùn)算,令緩存該片段的代理服務(wù)器數(shù)目為1,簇節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為l,則抖動率為:

(2)當(dāng)pc(t)服從修改的Pareto分布[13],有:如果一個特定節(jié)點(diǎn)壽命為l,則l

其中α,β為參數(shù),我們可以根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)確定。故在某一時間段(t～t+1)的失敗概率為

則在時間段(t～t+1)的期望傳輸失敗次數(shù)為p(t),傳輸某一個數(shù)據(jù)片段時間為,故期望失敗數(shù)據(jù)量為

那么傳輸抖動率為

說明:由表達(dá)式(10)(14)可得,簇節(jié)點(diǎn)的失敗概率pduster_fail時,表達(dá)式(10)(14)取“=”號,即αjitter1pproxy_fail,則該系統(tǒng)的媒體抖動率與基于代理的客戶請求調(diào)度PCRSS的抖動率相同。當(dāng)簇節(jié)點(diǎn)的失敗概率p duster_fail<1,表達(dá)式(10)(14)取“<”號,即αjitter1

當(dāng)l=0時,即簇節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為0,CCRSS的多媒體抖動率與PCRSS多媒體抖動率相同。當(dāng)l>0時,CCRSS多媒體抖動率低于PCRSS的多媒體抖動率。由(10)～(14)式可以看出,不論節(jié)點(diǎn)的失敗概率為一常數(shù)還是符合Pareto分布,簇節(jié)點(diǎn)資源提供者l越大時,客戶端面臨傳輸失敗的可能性越小,播放抖動率也越小,因此選擇盡量多的簇節(jié)點(diǎn)作為資源提供者。由此看見,CCRSS較之PCRSS能夠在一定程度上減小多媒體的抖動率,由(11)式可以看出,1個節(jié)點(diǎn)在線時間越長,其繼續(xù)在線的概率也越大,因此盡量保證所選節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性,減小播放抖動,我們優(yōu)先選擇滿足帶寬要求的在線最長的節(jié)點(diǎn)。

4.2 CCRSS調(diào)度與PCRSS調(diào)度的服務(wù)器帶寬負(fù)載比較

針對多媒體數(shù)據(jù)大,用戶請求量大的特點(diǎn),主干網(wǎng)的帶寬壓力是移動多媒體發(fā)展的一個瓶頸。CCRSS可以有效地利用已經(jīng)緩存在本地移動設(shè)備節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)大大的減輕服務(wù)器帶寬負(fù)載。

設(shè)媒體M包括{s1,s2,…sk,sk+1,sk+2,…sN}數(shù)據(jù)片段,有2個代理服務(wù)器緩存媒體M,p roxy1,p roxy2分別緩存片段{s1,s2,…,sk},{Sk+1,Sk+2,…,SN},簇節(jié)點(diǎn)cluster node1,cluster_node2,cluster_node3分別緩存片段{s1,s2,…,si},{sj,…sj+m,…,sj+l},{sp,…,sp+q)。其中,0≤i≤j≤p≤N,0≤m,q≤N并且j+m≤k,j+m+1≥k+1,p+q≤N。媒體m正常播放需要傳輸?shù)臅r間為T,t1為傳輸{s1,s2,…sk}需要的時間,t2為傳輸{sk+1,sk+2,…sm}需要的時間,T=t1+t2。

CCRSS首先調(diào)度簇資源節(jié)點(diǎn),充分利用本地緩存的數(shù)據(jù),由于移動設(shè)備間無線通信,不占用有線帶寬。設(shè)p roxy1,p roxy2傳輸數(shù)據(jù)需要的帶寬分別為Band1和Band2。

p roxy1需要傳輸?shù)亩嗝襟w片段為:{s1,s2,…sk}-{s1,s2,…si}-{sj,…sj+m},則band1

proxy2需要傳輸?shù)亩嗝襟w片段為:

簇節(jié)點(diǎn)緩存媒體文件M的片段為“時,(15)和(16)的等號才能取得,即當(dāng)移動設(shè)備對媒體文件沒有緩存時,代理服務(wù)器的上傳帶寬是PCRSS情況下帶寬。簇節(jié)點(diǎn)緩存的媒體數(shù)據(jù)越多,代理服務(wù)器需要上傳的數(shù)據(jù)越少,則需要占用的上傳帶寬越小,壓力越小,負(fù)載也就越小。當(dāng){s1,s2,…sk}∪{s1,s2…si}∪{sj…sj+l}∪{sp…sp+q}={s1,s2…sN}時,代理服務(wù)器需要上傳的數(shù)據(jù)為0,該調(diào)度對代理服務(wù)器的負(fù)載為0。由此看見,CCRSS較之PCRSS能夠在移動用戶請求數(shù)量較多時緩解服務(wù)器帶寬壓力。

5 結(jié)語

本文針對目前移動多媒體系統(tǒng)抖動率大,帶寬上限小及多媒體服務(wù)器帶寬負(fù)載較大的問題,在傳統(tǒng)的移動多媒體系統(tǒng)的兩層架構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,提出了移動多媒體中的CCRSS,從而充分利用性能較高的移動設(shè)備上緩存的多媒體數(shù)據(jù)來為請求者提供服務(wù)。最后用數(shù)學(xué)方法證明CCRSS較目前流行的PCRSS更能有效的減小媒體抖動、降低阻塞率,減輕服務(wù)器帶寬壓力。

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