一種點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法

2023-05-26 15:41:16

專利名稱：一種點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法
技術領域：
本發明屬於計算機網絡、賣時數據傳輸、流媒體應用領域。特別涉及一種 點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法。本發明可廣泛應用於在現有點對點 網絡中實時數據傳輸、流媒體傳輸等對網絡資源要求高、實時性強的應用領 域。
背景技術：
近年來，網絡流媒體技術廣泛流行，越來越多的人通過網絡來觀看現場直 播、電影及教程等等。然而，多媒體本身需要佔用有很大的網絡帶寬，當大量 用戶同時請求同一媒體資源時，'會給伺服器造成很大的壓力，也往往在網絡上 造成阻塞。點對點技術的出現，降低了媒體提供者的分發成本，但是，單純的 點對點技術並不足以解決上述問題。為了使得網絡上的媒體分發更為容易、代 價更低，學術界及工業界現用的方法是採用鏡像伺服器、內容分發網絡、多路 徑傳輸、點對點等技術。申請人在點對點環境下的實時數據'傳輸領域進行査 新，主要查到了以下密切相關的文獻-[1] V. N. Padmanabhan， H. J. Wang， and P. A. Chou. Resilient peer-to-peer streaming. In Network Protocols, 2003. Proceedings. 11th IEEE International Conference o'n， volume' 1， pages 16-27， 2003.提到兩種點對點路徑生成方法其中一種是隨機路徑生成方式，另外一種 是確定性的路徑生成方式，對節點的度及節點的層次進行管理。這兩種路徑均 可降低傳輸路徑的相關性，另外，採用確定性路徑生成方式還可以降低節點的 層次，在一定程度上提高了系統的可靠性並降低了系統的延遲。[2]羅建光，張萌，趙黎，楊士強.基於P2P網絡的大規模視頻直播系統. 軟體學報，18:391 - 399， 2 2007.主要對參與節點列表的加入及退出進行管理，並對節點的緩存進行優化， 在傳輸時採用推拉結合的方式進行傳輸，使得上層應用大規模視頻直播的性能 得以提升。[3] A. De Mauro， D. Schonfe.ld， and C. Casetti. A peer-to-peer overlay network for real time video communication using multiple paths. In Multimedia and Expo, 2006 IEEE International Conference on， pages 921 - 924， 2006.根據在點對點網絡中節點之間存在多條路徑這一事實，本文採用測試包延 遲及延遲序列來評估不同路徑之間相關性；在進行傳輸路徑構建時，儘可能選 擇不相關的路徑進行傳輸。通過上述技術，以提高系統的可靠性及系統性能。綜上所述，現有技術的採ri，使.得網絡流量的得以分散，有效地緩解了服 務器的壓力。現有的點對點技術關於實時媒體數據傳輸方面，主要有以下幾方 面:節點中緩存的數據進行管理，以減少不必要的網絡傳輸；對節點的加入和 離開進行優化，減少其對其它節點的影響；對每個節點連接的子節點數目及節 點樹的層次進行優化，提高可靠性並降低延遲；採用拓撲感^J技術，在網絡中 儘可能採用不相關的路徑進行傳輸，以增加可用帶寬並提高可靠性。然而現有 技術都沒有解決數據在網絡中的實際傳輸路徑與網絡物理拓撲結構相去甚遠的 問題，並且不能避免同樣在數據在網絡中多次傳輸的缺點，在實際應用中，造 成網絡資源開銷過大。因此，有必要研究一種點對點環境中的實時數據傳輸路徑生成方法，在其 中充分考慮網絡設備的實際拓撲結構，在構造傳輸路徑時以儘可能的減少實際 傳輸過程對網絡設備的佔用，以減少傳輸延遲、提高系統可靠性，並在很大程
度上提高網絡資源的利用效率。 發明內容本發明目的在於克服現有技術的不足，提出一種點對點環境下的實時數據 傳輸路徑生成方法，充分考慮網絡設備的實際物理拓撲結構且儘可能地減少對 網絡資源的佔用，以提高上層應用的可靠性及網絡資源的利用率。本發明主要解決實時數據傳輸過程中對網絡資源佔用過多，造成網絡資源 浪費的問題。在構建實時數據傳輸路徑時，首先檢測節點之間的傳輸延遲，然 後按照傳輸延遲儘可能小的方式構建實時數據傳輸路徑。本發明的技術方案是這樣實現的本發明的方法按如下步驟進行-1) 對於一個正在進行實時數據傳輸的包含"個節點的點對點網絡，其所有 節點組成的集合記為；'，其中的各節點分別記為A，A，/VA ;2) 當一個新節點/W加入時，按如下步驟生成實時數據傳輸路徑-a. p",在S^中隨機選擇c個節點組成集合S^，然後/;^調用其網絡延遲檢 測模塊測試A^與&,中各個節點之間的傳輸延遲；b. /^與^中￡;個節點網絡延遲測試結果分別記為《(^1...<0，按延遲由小 到大將^中的節點排序得A。w,A。w，/^,3…A。,w,其中c取值區間為[l,lOO]，且c. A^與&,中的節點建立連接並進行實時數據傳輸。其中，網絡延遲檢測模塊按以下方式檢測節點之間的傳輸延遲a.節點p,網絡檢測模塊在測試節點A與A之間的延遲時，以UDP包的形 式向巧發出f個網絡延遲測試數據包，其中,取值區間為[1,100]，包中含有以下 信息源IP位址、源埠、目的IP位址，目的埠、發出時間、延遲測試標 志，其中延遲測試標誌設為與己有類型的包不相混淆的獨特標誌，發出時間精 確到毫秒或更高； b. 點對點網絡中任一節點P々'^…")，在收到網絡延遲測試數據包後，將 包中的(源IP位址、源埠)與(目的IP位址，目的埠)信息互換後，立即發 出；c. 從網絡延遲測試數據每發送完畢開始，直到達到超時閾值『w^為止，其中 ;^^取值範圍為o.noo秒，網絡狀況檢測模塊接收由A返回的網絡延遲測試數據包，並記錄下各包發出時間(和返回時間、設A從發送完測 試包後超時閾值T—。達到的時間段中，接受到了由節點巧返回的Z個測試數據 包，其所對應的發出時間及返回時間記為C。 (z'elJ);則由節點^到節點i> 一)A的單向延遲按《一-1 :"計算。新加入的節點&w與&。,中的節點之間按如下步驟建立連接進行實時數據傳輸1) 設計數器f為l;2) 如果bc，則建立連接失敗，A"亭止建立連接的嘗試，轉6);3) .節點P目向&,中的P—發出連接請求，並等待時間7;。一， 7;。一取值為 0.廣100秒;4) 在此期間若p，得到^我,的建立連接確認，則A^成為Aw的子節點， 並從該節點獲取實時數據，數據連接建立成功，轉6);5) 若p，在^^,延遲內，沒有得到連接建立確認或收到拒絕連接消息，則
更新計數器/ = / + 1，然後轉到2.)對下一節點發出連接請求； 6)結束。進行實時數據傳輸的點對點網絡中任一節點A (P,e^。w )在收到P，發出的 建立連接請求時，如果其處理能力及可用網絡帶寬能夠再為.一節點提供轉發服 務，則發出建立連接確認消息與^，建立連接，並開始向A^傳輸實時數據；否則，向P,發出拒絕連接消息。當點對點網絡中任意節點A在最近的 ;,，—時間段內收不到由上級節點發出的實時數據時，或接收到上級節點發出的連接失效消息時，認為本節點與上級 節點的實時數據傳輸連接失效，然後A向其直接連接的子節點發出連接失效的消息，其中7;,^取值為0.l—20秒。 -網絡中任意節點^在與上級節點的實時數據傳輸連接失效時，按新節點加 入的方式重新加入。本發明在路徑選擇時，以節點之間的實際傳輸延遲為優化對象，按本發明 所構建的實時數據傳輸路徑進行實時數據傳輸，減少了對物理網絡的設備佔 用，降低了網絡傳輸延遲，提高了網絡資源的使用效率及實時數據傳輸效果。


圖1是本發明實時傳輸路徑生成過程圖； 圖2是本發明網絡延遲檢測過程圖； 下面結合附圖對本發明的內容作進一步詳細說明。
具體實施方式
參照圖l所示，對於一個正在進行實時數據傳輸的包含w個節點的點對點
網絡，其所有節點組成的集合記為、。'。"其中的各節點分別記為^，^，a…凡； 當一個新節點;^加入時，按如下步驟生成實時數據傳輸路徑凡 在S^中隨 機選擇c個節點組成集合&,，然後/7^調用其網絡延遲檢測模塊測試p^與S^ 中各個節點之間的傳輸延遲；p，與&,中c個節點網絡延遲測試結果分別記為 《(/el…c)，按延遲由小到大將&,中的節點排序得a。","a。w，a。w…^^ ;然後 ^w與&,中的節點之間按如下步驟建立連接進行實時數據傳輸1) '設計數器/為l;2) 如果bc，則建立連接失敗，P，停止建立連接的嘗試，轉6);3) 節點/^向&中的a唚發出連接請求，並等待時間7;。"^;4) 在此期間若;^得到a。"，,的建立連接確認，則^，成為a一的子節點， 並從該節點獲取實時數據，數據連接建立成功，轉6);5) 若a^在l自延遲內，沒有得到連接建立確認或收到拒絕連接消息，則更新計數器/ = / + 1，然後轉到2)對下一節點發出連接請求；6) 結束。參照圖2所示，節點^網絡檢測模塊在測試節點a與A之間的延遲時，以 UDP包的形式向A發出f個網絡延遲測試數據包；從兩絡延遲測試數據包發送 完畢開始，直到達到超時閾值T。^^為止，網絡狀況檢測模塊接收由A返回 的網絡延遲測試數據包，並記錄下各包發出時間^和返回時間、然後根據所 獲得的數據計算由節點a到節點a的單向延遲按《.計算。點對點網絡中任一節點^，在收到網絡延遲測試數據包後，將包中IP地 址及埠信息互換後，立即發出；
下'面是節點;^加入一個具有10個節點且正在進行實時數據傳輸的點對點 網絡的情況。該點對點網絡所有節點組成的集合記為S^ 。首先^,在&。 ,隨機選擇5個節點組成&,，其節點記為^(y"...5)。然後^ 調用其網絡延遲檢測模塊測試其與&,中各節點的傳輸延遲。在P，測試其與&,中A之間的網絡傳輸延遲時，首先向A發送6(t取值為 6)個UDP測試包。其中包含有p"，的IP位址、發出埠、 p,的IP位址、監聽 埠、發出時間、測試包標誌為在UDP包數據區加入的"AB92843CDFEA4D5A" 字符串。測試數據包發出以後，p，開始接收由節點a返回的測試包，直到達 到5秒(7^w取值為5秒)超時閾值。在此期間，p，接收到由a返回的5個測 試包，並記下各包的發出時間^及返回時間^，單位為秒，數值如下formula see original document page 11然後，按formula see original document page 11計算A 與p,之間的傳輸延遲，結果為O. 189874秒formula see original document page 11採用同樣的方法得到p^與&,中其它節點之間的傳 輸延遲為《=0.158239，《=0.197732，《=0.217629，^ =0.13，。A^按由傳輸延遲由小到大的順序將&,中的節點排序為A， p2， A， p3， ；v 將它們依次記為 在建立連接時，首先設計算器/為l;因"5(C取值為5)，繼續進行建立連接嘗試。p，向^^發出建立連 接請求，並等待時間5秒d一取值為5秒)。在此期間，i沒有收到由;v,,
返回的建立連接的確認消息；執行/ = /+1,現在/為2，仍然小於5; ^繼續向 P—發出連接請求，並等待5秒，在此期間，p《自身傳輸能力限制，不能為a^提供實時數據傳輸服務，故向^^發拒絕連接消息；a^收到此消息後，執 行/ = / + 1，現在/為3，仍小於5，然後A，向A。w發出連接請求，然後等待5秒；在此期間，A^收到連接請求後，由於具備足夠數據傳輸能力，向^_發 出確認建立連接消息；p，收到此消息後，與A。^建立實時數據連接，並開始 傳輸；此實時數據傳輸路徑建立成功。
權利要求
1、一種點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法，其特徵在於按如下步驟進行1)對於一個正在進行實時數據傳輸的包含n個節點的點對點網絡，其所有節點組成的集合記為Stotal，其中的各節點分別記為p1，p2，p3…pn；2)當一個新節點pnew加入時，按如下步驟生成實時數據傳輸路徑a.pnew在Stotal中隨機選擇c個節點組成集合Ssel，然後pnew調用其網絡延遲檢測模塊測試pnew與Ssel中各個節點之間的傳輸延遲；b.pnew與Ssel中c個節點網絡延遲測試結果分別記為di(i∈1...c)，按延遲由小到大將Ssel中的節點排序得psort，1，psort，2，psort，3…psort，c，其中c取值區間為[1，100]，且c≤n；c.pnew與Ssel中的節點建立連接並進行實時數據傳輸。
2、 根據權利要求1所述的點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法，其 特徵在於，所述的網絡延遲檢測模塊按以下方式檢測節點之間的傳輸延遲-a. 節點A網絡檢測模塊在測試節點A與A之間的延遲時，以UDP包的形式向A發出/個網絡延遲測試數據包，其中f取值區間為[UOO]，包含有以下信 息源IP位址、源埠、目的IP位址，目的埠、發出時間、延遲測試標 志，其中延遲測試標誌設為與已有類型的包不相混，的獨特標誌，發出時間精 確到毫秒或更高；b. 點對點網絡中任一節點P々'^…")，在收到網絡延遲測試數據包後，將 包中的源IP位址、源埠與目的IP位址，目的埠信息互換後，立即發出； C.從網絡延遲測試數據包發送完畢開始，直到達到超時閾值7。w為 止，其屮7_,,取值範圍為0. 1 — 100秒，網絡狀況檢測模塊接收由P,返回的網絡延遲測試數據包，並記錄下各包發出時間《和返回時間"設^,從發送完測試包後超時閾值L^達到的時間段中，接受到了由節點巧返回的Z個測試數據包，其所對應的發出時間及返回時間記為《、,和。('、1…/);則由節點^,到節點p,的單向延遲按《=_~計算。
3、 根據權利要求1所述的點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法，其特徵在於，A^與&,中的節點之間按如下步驟建立連接進行實時數據傳輸(1) 設計數器/為l;(2) 如果/"，則建立連接失敗，P,停止建立連接的嘗試，轉6);(3) 節點/^向&/中的^。 .,發出連接請求，並等待時間7;。—， :,_,取值為 0. 1一100秒；(4) 在此期間若A^得到A唚的建立連接確認，則/^.成為~,,的子節點， 並從該節點獲取實時數據，數據連接建立成功，轉6);(5) 若^在/ ,_.,延遲內，沒有得到連接建立確認或收到拒絕連接消息，則更新計數器/ = / + 1，然後轉到2)對下一節點發出連接請求；(6) 結束。
4、 根據權利要求1所述的點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法，其 特徵在於，進行實時數據傳輸的點對點網絡中任一節點^ )在收到l發出的建立連接請求時，如果其處理能力及可用網絡帶寬能夠再為一節點提供轉發服務，則發出建立連接確認消息與^,建立連接，並開始向/^傳輸實時數 據；否則，向&M發出拒絕連接消息。
5、 根據權利要求1所述的點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法，其特徵在於，當點對點網絡中任意節點/ ,在最近的7;,,,,'/,, ,時間段內收不到由上級節點發出的實時數據時，或接收到上級節點發出的連接失效消息時，認為本節點 與上級節點的實時數據傳輸連接失效，然後A向其直接連接的子節點發出連接失效的消息，其中L取值為0. 1 — 20秒。
6、 根據權利要求1所述的點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法，其 特徵在於，網絡中任意節點A在與上級節點的實時數據傳輸連接失效時，按新 節點加入的方式重新加入。
全文摘要
本發明公開了一種點對點環境下實時數據傳輸路徑生成方法，主要解決現有數據傳輸路徑選擇技術所導致的實際傳輸路徑與物理路徑差異太大，造成網絡資源不必要的浪費、傳輸不可靠，傳輸延遲過大等問題。本發明通過在節點間進行UDP數據包往返測試，得到節點間數據傳輸延遲數據，根據上述檢測結果，新加入的節點向傳輸延遲最小的節點發出連接請求，收到連接請求的節點在自身轉發能力許可的情況下，就與請求節點建立連接。在此基礎上，得到網絡傳輸成本低的實時數據傳輸路徑。在實際傳輸過程中，節點管理模塊不斷監測實時數據的傳輸情況，當與上級節點傳輸出現異常時，自動重新建立傳輸路徑，以實現穩定、可靠、低開銷的傳輸。
文檔編號H04L12/18GK101127699SQ200710018538
公開日2008年2月20日 申請日期2007年8月24日 優先權日2007年8月24日
發明者均 劉, 呂偉梅, 挺 彭, 冬 楊, 鄭慶華, 高晶晶 申請人:西安交通大學