孫 昕，陳德運(yùn)

（1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150081；2.哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

0 引 言

人們對流媒體播放質(zhì)量和傳輸速率等方面要求越來越高，但傳統(tǒng)的C／S模式點(diǎn)播系統(tǒng)的系統(tǒng)規(guī)模受到服務(wù)器性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，為了解決這些瓶頸問題，近年來人們都將目光投向了P2P［1］技術(shù)，由于P2P技術(shù)可以有效地降低服務(wù)器負(fù)載，并有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬和節(jié)點(diǎn)I／O資源［2］，所以將P2P技術(shù)融入流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)可以有效解決流媒體數(shù)據(jù)占用磁盤空間大和傳輸帶寬高等問題［3］。針對于如何提高P2P流媒體QoS（quality of service），本文提出了基于混合P2P的流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中采用靜態(tài)與動態(tài)結(jié)合的緩存方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用文獻(xiàn) ［4］所提出的P2PProxy的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它將P2P的原理用于緩存VOD［5］流媒體：請求同一個(gè)視頻文件的用戶組成一個(gè)組，分別存儲視頻文件的各個(gè)部分，當(dāng)用戶無法從組內(nèi)獲得數(shù)據(jù)時(shí)，才從VOD服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)，這種方法能夠有效緩解服務(wù)器的壓力。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

服務(wù)器的主要功能是提供所有節(jié)目資源［6］，這樣可以避免純分布式P2P模式下的版權(quán)問題和非法視頻問題。同時(shí)也要維護(hù)各組節(jié)點(diǎn)列表，記錄節(jié)點(diǎn)的登記和退出信息。處理各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)請求，并記錄各節(jié)點(diǎn)的緩存信息。

根據(jù)普通節(jié)點(diǎn)的節(jié)目請求，服務(wù)器將其分配到所有觀看該節(jié)目的節(jié)點(diǎn)所組成的組，普通節(jié)點(diǎn)先在該組內(nèi)查找其所請求節(jié)目塊，若找到則由組內(nèi)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，否則由服務(wù)器提供服務(wù)。各節(jié)點(diǎn)要邊觀看邊下載部分?jǐn)?shù)據(jù)塊［7］，以便能為其他請求節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，從而減輕服務(wù)器壓力［8］，這一點(diǎn)也正是將P2P技術(shù)融入VOD系統(tǒng)的優(yōu)越性的主要體現(xiàn)。

本文采用的文件劃分方法是將待緩存流媒體文件基于時(shí)間流劃分成相同大小的數(shù)據(jù)塊［9］，整個(gè)系統(tǒng)以塊為單位對點(diǎn)播內(nèi)容進(jìn)行查找、下載、播放等操作。

2 靜態(tài)與動態(tài)結(jié)合的緩存替換算法

本文提出了一種稱為SDCO （static and dynamic combination）的靜態(tài)與動態(tài)結(jié)合的緩存替換算法，該算法由靜態(tài)數(shù)據(jù)更新算法，播放數(shù)據(jù)替換算法和預(yù)取綜合評定因子算法 （CED）3部分組成，其中，CED算法是SDCO的核心。

2.1 普通節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)的劃分

不同于以往的緩存研究，本文將普通節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)分為3個(gè)區(qū)，分別是固定指派區(qū) （fixed distribute cache，F(xiàn)DC）、當(dāng)前播放區(qū) （current play cache，CPC）和預(yù)取區(qū) （prefetch distribute cache，PDC）。這樣分區(qū)的目的在于盡可能地充分利用客戶端緩存空間，提高其緩存命中率。

2.1.1 固定指派區(qū)

由于在系統(tǒng)運(yùn)行過程中會存在流行度很高的過熱數(shù)據(jù)塊和流行度比較低的冷數(shù)據(jù)塊，尤其是在系統(tǒng)剛剛運(yùn)行時(shí)，整個(gè)P2P結(jié)構(gòu)的節(jié)目播放組中還沒有足夠的數(shù)據(jù)塊備份量，而動態(tài)緩存的研究主要集中在流行度高的數(shù)據(jù)塊來提高VCR操作命中率，這就需要在緩存區(qū)中存在靜態(tài)緩存部分，即固定指派區(qū)來存儲一些固定分配的數(shù)據(jù)塊，使得冷熱數(shù)據(jù)塊得以均衡［10］，尤其在系統(tǒng)運(yùn)行初期能有效緩解服務(wù)器負(fù)載。在某個(gè)緩存節(jié)點(diǎn)i中，設(shè)3個(gè)區(qū)的緩存數(shù)據(jù)塊數(shù)量分別為B （i，F(xiàn)DC），B （i，CPC），B （i，PDC），而整個(gè)緩存區(qū)的總緩存 數(shù)量是 B （i，total），其 中的 B （i，F(xiàn)DC）＝αB （i，total），B （i，CPC）＝βB （i，total），B（i，PDC）＝γB （i，total）。α＋β＋γ＝1。

令參數(shù)

若某一節(jié)點(diǎn)J（第J個(gè)到達(dá)節(jié)點(diǎn)）的值J＜＝C，則由服務(wù)器對各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)分配固定緩存內(nèi)容；當(dāng)J＞C時(shí)，說明整個(gè)節(jié)目組中的靜態(tài)固定指派區(qū)內(nèi)已經(jīng)擁有了該節(jié)目的所有數(shù)據(jù)分塊內(nèi)容，則不再由服務(wù)器對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配，而是改由在組內(nèi)節(jié)點(diǎn)間緩存的方案，緩存本節(jié)點(diǎn)剛剛播放過的數(shù)據(jù)塊內(nèi)容［11］，以供其他對等節(jié)點(diǎn)使用或本節(jié)點(diǎn)前跳VCR操作用。該區(qū)相應(yīng)的算法為靜態(tài)數(shù)據(jù)更新算法。

2.1.2 當(dāng)前播放區(qū)

該分區(qū)主要用來緩存本節(jié)點(diǎn)播放點(diǎn)前后的若干數(shù)據(jù)塊。這些緩存數(shù)據(jù)塊序號是連續(xù)的，可以保證本節(jié)點(diǎn)在沒有執(zhí)行VCR操作時(shí)播放節(jié)目的流暢性，當(dāng)其服務(wù)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)可以保證節(jié)目的正常播放，留足了緩沖時(shí)間。該分區(qū)緩存替換策略采用滑動窗口的方式［12］，始終存放的都是在父節(jié)點(diǎn)處獲得的播放點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)塊。若有其他節(jié)點(diǎn)正在向本節(jié)點(diǎn)請求同樣的數(shù)據(jù)，則可以繼而轉(zhuǎn)發(fā)給其子節(jié)點(diǎn)。該區(qū)相應(yīng)的算法為播放數(shù)據(jù)替換算法。

2.1.3 預(yù)取區(qū)

這一分區(qū)的目的主要是用來提高本節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)的VCR操作命中率，并兼顧全局?jǐn)?shù)據(jù)塊緩存的優(yōu)化。預(yù)取數(shù)據(jù)要充分考慮其數(shù)據(jù)塊熱度和數(shù)據(jù)塊的稀缺度，并受用戶行為因子的影響。其中，數(shù)據(jù)塊熱度可由單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)塊請求量來表示，設(shè)數(shù)據(jù)塊i熱度為Pi，在t1時(shí)刻對于數(shù)據(jù)塊i的請求量為Ri1，在t2時(shí)刻對于數(shù)據(jù)塊i的請求量為Ri2，則Pi＝ （Ri2－Ri1）／ （t2－t1）；數(shù)據(jù)塊i稀缺度Si為所有數(shù)據(jù)塊的副本數(shù)與數(shù)據(jù)塊i的副本數(shù)的比值，即Si＝CBtotal／CBi；用戶觀看節(jié)目時(shí)通常都從開頭部分開始［13］，然后才決定是否繼續(xù)觀看，所以針對于用戶這樣的共性行為特征，將節(jié)目開始部分?jǐn)?shù)據(jù)塊的用戶行為因子設(shè)置為Us，其余部分設(shè)置為Uo，Us＞Uo，數(shù)據(jù)塊i用戶行為因子Ui＝UoorUs。綜合上述內(nèi)容，本文提出一個(gè)概念為 “數(shù)據(jù)塊預(yù)取綜合評定因子”PS

該區(qū)相應(yīng)的算法為CED替換算法。

2.2 SDCO緩存替換算法

算法1：靜態(tài)數(shù)據(jù)更新算法。

UpdateFDC（待緩存數(shù)據(jù)塊i）｛

If（J＜＝C）｛服務(wù)器直接分配數(shù)據(jù)塊；｝

Else｛

If（size（i）＜size（FDC的空閑空間））｛

緩存剛剛播過的數(shù)據(jù)塊i；｝

Else｛

Rep （i）＝find（FDC）；／／用數(shù)據(jù)塊i來替換固定區(qū)中最久未被使用數(shù)據(jù)塊；｝

｝

算法流程如圖2所示。

算法2：播放數(shù)據(jù)替換算法

ReplaceCPC（待緩存數(shù)據(jù)塊i）｛

If（size（i）＜size（CPC的空閑空間））｛

直接緩存數(shù)據(jù)塊i；｝

Else｛

Rep （i）＝find （CPC）；／／用數(shù)據(jù)塊i替換播放區(qū)中最久未使用的數(shù)據(jù)塊；｝

圖2 靜態(tài)數(shù)據(jù)更新策略流程

｝

算法流程如圖3所示。

圖3 播放數(shù)據(jù)置換策略流程

算法3：CED緩存替換算法

ReplacePDC（待緩存數(shù)據(jù)塊i）｛

If（size（i）＜size （PDC的空閑空間）AND Psi＝MAX （total））｛

直接緩存數(shù)據(jù)塊i；｝

Else｛

Rep（i）＝find（PS）；／／該函數(shù)找出預(yù)取區(qū)中PS值最小的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行替換；｝

｝

算法流程如圖4所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文利用模擬實(shí)驗(yàn)，通過在相同數(shù)量服務(wù)器和對等節(jié)點(diǎn)的情況下對等節(jié)點(diǎn)分別采用本文提出的SDCO算法和傳統(tǒng)的LRU算法的比較來研究SDCO算法的有效性。使用以下3個(gè)性能指標(biāo)來衡量播放質(zhì)量：①服務(wù)器負(fù)載；②啟動延遲：指用戶執(zhí)行播放或拖動操作，到節(jié)目開始正常播放之間的延遲時(shí)間。③節(jié)點(diǎn)緩存命中率。

圖4 CED緩存置換策略流程

本實(shí)驗(yàn)在 Windows 2000，Pentium D 2.80GHz，1GB內(nèi)存，100Mb／s網(wǎng)絡(luò)帶寬的機(jī)器上完成。用NS2仿真器來模擬系統(tǒng)中的服務(wù)器和對等節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)運(yùn)行中的行為，仿真器由用戶的請求驅(qū)動［14－15］。實(shí)驗(yàn)假定有一臺流媒體服務(wù)器，其上存有長20個(gè)時(shí)長為60分鐘左右的AVI影片文件，文件碼率大致為500Kb／s，200個(gè)具有緩存能力的客戶端節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中忽略各種事件的處理時(shí)間，不考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)因素的影響 （帶寬、擁塞、連接拓?fù)涞龋?。假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)參數(shù)相同而且節(jié)點(diǎn)不會中途離開。具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)中參數(shù)值

圖5－圖8給出了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明SDCO緩存策略在啟動延遲、服務(wù)器負(fù)載和節(jié)點(diǎn)緩存命中率方面優(yōu)于傳統(tǒng)的LRU算法。

圖5為使用SDCO緩存策略和傳統(tǒng)的LRU算法兩種不同策略時(shí)服務(wù)器負(fù)載的變化情況。由圖中可以看出，在服務(wù)器負(fù)載方面兩種算法相比，SDCO緩存策略更優(yōu)于傳統(tǒng)LRU算法，在系統(tǒng)運(yùn)行初期，由于普通節(jié)點(diǎn)固定緩存區(qū)里還沒有足夠的供其他節(jié)點(diǎn)訪問的資源，所以兩種算法區(qū)別不大，但是在當(dāng)前節(jié)目組中服務(wù)器連接的普通節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于等于C值時(shí)，由于所有數(shù)據(jù)塊在用戶節(jié)點(diǎn)中都可以找到，使用SDCO緩存策略優(yōu)勢得以體現(xiàn)，服務(wù)器負(fù)載得到了更加明顯的改善。

圖5 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與服務(wù)器負(fù)載關(guān)系

圖6為使用SDCO緩存策略和傳統(tǒng)的LRU算法兩種不同策略的情況下啟動延遲的變化趨勢?？v坐標(biāo)為進(jìn)入系統(tǒng)后節(jié)點(diǎn)平均啟動時(shí)延延遲時(shí)間 （單位：秒），橫坐標(biāo)為系統(tǒng)對等節(jié)點(diǎn)數(shù)量 （單位：個(gè)）。從圖中可以通過比較看出，使用SDCO緩存策略時(shí)啟動延遲能得到較好的改善，尤其是在當(dāng)前節(jié)目組中服務(wù)器連接的普通節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于等于C值時(shí)，啟動延遲時(shí)間得到了更加明顯的改善。

圖6 節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與啟動延遲關(guān)系

圖7 給出了普通用戶端緩存存儲空間分別為50M、100M、150M、200M、250M、300M 時(shí)，采用 SDCO 和LRU兩種不同緩存策略情況下的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)利用率對比圖。由于普通節(jié)點(diǎn)緩存空間的加大，將使得普通節(jié)點(diǎn)可以存儲更多的數(shù)據(jù)塊來為整個(gè)系統(tǒng)提供服務(wù)，從而使更多的數(shù)據(jù)可以在對等節(jié)點(diǎn)處下載而減輕了服務(wù)器負(fù)載壓力和提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。從圖7可以看出，隨著普通節(jié)點(diǎn)端磁盤緩存空間的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)利用率也在隨之增大。

節(jié)點(diǎn)緩存命中率為節(jié)點(diǎn)所請求的數(shù)據(jù)資源在節(jié)點(diǎn)自身緩存區(qū)中和對等節(jié)點(diǎn)中能成功找到的概率。圖8給出了采用SDCO和LRU兩種不同緩存策略情況下的用戶節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與節(jié)點(diǎn)緩存命中率對比圖。從圖8可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的不斷增加，節(jié)點(diǎn)緩存命中率也在不斷增大。采用SD－CO緩存策略優(yōu)勢更加明顯，這主要是因?yàn)镾DCO策略采用了靜態(tài)與動態(tài)結(jié)合的方式，并且在預(yù)取區(qū)中運(yùn)用了CED策略綜合評定各項(xiàng)影響因素，從而提高節(jié)點(diǎn)緩存命中率。

4 結(jié)束語

本文針對基于混合P2P的流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)，提出了靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的SDCO緩存替換算法，靜態(tài)是指所有用戶對等節(jié)點(diǎn)都必須留有固定緩存區(qū)，在成功加入P2P網(wǎng)絡(luò)后為其分配固定的緩存內(nèi)容；而動態(tài)指的是用戶對等節(jié)點(diǎn)可以在其余的緩存區(qū)中根據(jù)相應(yīng)的緩存替換策略進(jìn)行緩存或替換有利于播放性能和執(zhí)行VCR操作的數(shù)據(jù)內(nèi)容。該算法可使節(jié)目數(shù)據(jù)塊在同一節(jié)目對等節(jié)點(diǎn)組中的緩存?zhèn)浞萘康玫胶侠砭獾姆植迹瑥亩鴿M足用戶的高質(zhì)量播放需求。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該策略的優(yōu)勢。如何進(jìn)一步優(yōu)化3個(gè)分區(qū)的分配比例來更好地提高系統(tǒng)性能，是我們需要下一步研究的工作。

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