一種降低p2p直播系統中播放延遲的方法與系統的製作方法

2023-06-06 04:52:01

專利名稱：一種降低p2p直播系統中播放延遲的方法與系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於流媒體和分布式系統技術領域，具體涉及一種降低P2P直播系統中播 放延遲的方法與系統。
背景技術：
基於單播C/S結構的媒體伺服器容易成為系統瓶頸，其擴展性不高，不適合流媒 體大規模數據的分發。相應的IP組播技術存在固有限制難以部署、CDN分發網絡成本過 高、只是將瓶頸轉移而非消除等問題。在P2P方式下，每個對等實體(peer)既是服務的提 供者，又是服務的享用者。peer為系統提供有限的計算或存儲資源，peer之間協作為其 他peer提供服務，將伺服器的負載分散到peer中，從而有效地減輕了伺服器的負載和 網絡帶寬佔用，極大地提高了系統的可擴展性，具有巨大潛在的應用前景。而流媒體服 務中有巨大的數據量需要傳輸，因此，P2P流媒體技術成為研究熱點。對於P2P流媒體系統而言，由於節點的不穩定性以及節點能力的差異，使得P2P 流媒體系統中的QoS問題更加突出，也是P2P流媒體系統研究的一大熱點所在。比較突出 的問題有播放連續度不高，特別是在在線人數很多的時候；頻道切換時間過長，通常在十秒 以上，導致用戶滿意度不高；直播系統的播放延時比較長，與電視等傳統媒體相比有劣勢。 這幾個問題如果不能很好地解決，將會嚴重影響到用戶的使用體驗。如今，P2P流媒體已成為一種非常流行的媒體傳播分發方案，許多研究機構都在持 續在這領域進行研究，很多公司也很注重對這一技術的使用和改進。而P2P流媒體中QoS 問題已成為熱門的研究方向。目前P2P流媒體中存在主要問題有比較長的初始播放緩衝 延遲(選擇頻道點擊播放後要等一段時間才能播放)和絕對播放延遲(與媒體源相比在播放 進度上晚一段時間)，還有播放連續讀問題(在播放過程中卡殼)。

發明內容
本發明的目的在於提供一種可改進視頻播放的連續度，提升用戶的體驗的降低 P2P直播流媒體中的播放延遲的方法與系統。本發明提供的降低P2P直播流媒體中的播放延遲的方法，是利用節點自治域號、 地理位置和往返時延(Round-Trip Time)等信息來構建優化的覆蓋網絡拓撲結構，選擇合 適的鄰居節點，另外，系統使用了獨特的緩衝區管理算法和節點延遲設定算法，從而達到提 升播放連續度和降低系統平均播放延遲的目的。用戶的上傳帶寬利用率、數據塊的調度算法、覆蓋網絡的構造和播放延遲設定方 式等因素是影響P2P系統性能的重要因素。本發明從覆蓋網絡拓撲構造、鄰居選擇算法、緩 衝區管理和播放延遲設置等幾個方面入手，改善這些方面的性能來達到降低播放延遲、提 升用戶體驗的目的。本發明提出的降低P2P直播系統中播放延遲的方法，首先，在P2P系統中設置位置 伺服器和自治域路徑伺服器兩個特別的伺服器，分來用來提供位置信息查詢和計算K短路徑，計算出來的結果用來篩選鄰居節點和設置自治域默認播放延遲。然後，將P2P系統中的節點根據所在自治域進行分簇，在同一簇內的節點更有可 能成為鄰居節點，同時選擇優良的相鄰自治域內的節點作為鄰居節點來提升新數據塊的分 發速度，防治覆蓋網絡拓撲發生分裂。普通節點由覆蓋網絡拓撲管理器、數據調度器、數據緩衝區和播放器四大部分組 成覆蓋網絡拓撲管理器負責P2P覆蓋網絡的構造和維護；數據調度器負責分析各個鄰居 節點的緩衝區狀況和上一個時間周期各個居節點的貢獻和支出，然後根據結果做出決策。對於不同自治域中的節點，根據這些自治域節點離源媒體伺服器所在自治域的 網絡距離來進行自治域中節點默認播放延遲的設定，如果新加入節點在自治域默認播放 延遲設定情況下播放連續度不高，出現卡殼的情況，可以增加緩衝時間，相應也增加了播放 延遲。一、系統架構在本發明使用的系統架構中，除了頻道列表伺服器、Tracker伺服器、媒體伺服器 之外，還增加了位置伺服器和自治域路徑伺服器。整個系統架構如附

圖1所示。位置伺服器 提供節點自治域號、經緯度和地區號等位置信息給各節點。因為每個節點基本上只需要查 詢一次位置信息，所以此伺服器可以直接使用PWhois的服務來代替或者做一個它的鏡像 伺服器來應對大量的查詢。自治域路徑伺服器負責計算離給定自治域的最近的和次近的自 治域，然後提供給Tracker伺服器用來初步篩選候選節點和設定自治域的默認播放延遲。新上線的用戶，如果是第一次上線，就連接位置伺服器去查詢自己的自治域號、經 度緯度和所在地區等地理位置信息並保存在本地。已有自己位置信息的節點連接頻道列表 伺服器去拉取最新的頻道列表信息。在用戶選擇了自己要觀看的頻道之後，客戶端會發送 帶有自己位置信息的請求給Tracker伺服器。Tracker伺服器根據發送過來的位置信息對 觀看同一頻道的節點進行初步篩選，同一自治域的節點更有可能被選為候選節點發送給新 上線的節點作為候選鄰居節點。新上線的節點獲取到Tracker伺服器發送過來的候選鄰居節點列表之後就會再 次根據自治域信息、往返時延(Round-Trip Time)和節點性能等條件挑選最合適的節點作 為自己的鄰居節點。然後，新上線節點向選定的鄰居節點發送數據包建立連接，交換播放延 遲、緩衝區信息和播放位置等信息，新節點根據最先收到的播放延遲信息和自治域路徑服 務器返回的信息計算自己的播放延遲。確定自己的播放延遲後就向鄰居節點拉取自己需要 的數據塊並發送自己擁有的數據塊給其它有需要的節點。二、節點的組成模塊一個普通節點由覆蓋網絡拓撲管理器、數據調度器、數據緩衝區和播放器四大部分組 成的。覆蓋網絡拓撲管理器負責P2P覆蓋網絡的構造和維護，是影響系統性能的一個重要 因素，下一節我們會詳細說明如何來保證構造一個優化的覆蓋網絡拓撲。數據調度器負責 分析各個鄰居節點的緩衝區狀況和上一個時間周期各個鄰居節點的貢獻和支出，然後根據 統計結果做出決策從什麼鄰居節點請求哪一塊數據可以達到最大的數據接收速率，保持 視頻的正常播放。本發明的數據緩衝區與一般流行的P2P直播流媒體系統的緩衝區不一樣，我們使 用了不一樣的數據緩衝區管理策略。一般的P2P流媒體系統不會保留播放了的數據，會直接拋棄掉。本發明將數據緩衝區切分為兩個區段前區和後區。前區用於存放從其它節點 接收的即將播放的數據，而後區用來存放那些已經播放了的數據，這些數據可以用來為其 它播放延遲要高於自己的節點服務。在我們的發明中，緩衝區的總大小是固定的，而前區的 大小和後區的大小事根據節點所處的位置和節點自身的能力確定的。根據節點的播放延遲 來設定緩衝區的前區和後區的大小。如何確定節點的播放延遲會在第五小結詳細說明。本發明的播放器模塊與普通流媒體播放器無異。我們將數據緩衝區的媒體數據輸 送給媒體播放器，播放器負責將數據播放呈現給用戶。三、優化的覆蓋網絡拓撲構造構造優化的覆蓋網絡的主要思想如下構造一個扁平的覆蓋網絡拓撲，這樣可以加快 數據塊在整個網絡中的分發，減少數據塊從媒體源伺服器產生到所有節點獲得此數據塊的 時間；另外採用位置感知技術，將在處於同一自治域的節點置於同一分簇中，加強節點間的 合作，這樣數據可以高效地在各節點間傳輸。具體的拓撲形成控制過程如下每個節點在第一進入系統和網絡位置發生改變時 (處於不同的自治域或者國家地區)，通過位置伺服器查詢更新自己的自治域號、經度緯度 和地區號等位置信息，然後將這些位置信息保存在本地磁碟，以備下次使用，不用每次啟動 都查詢位置伺服器。然後節點將自己的位置信息跟所選觀看頻道信息發送給Tracker服務 器，Tracker保存每個在線節點的相關信息並將觀看同一頻道的節點按照自治域號進行分 類。在Tracker返回給新加入節點候選節點列表中，同一自治域的節點佔有大於60%的比 例，如果同一自治域的節點過少，鄰近的自治域的節點作為次佳選擇返回。另外，在整個節 點觀看過程中，都按照同一自治域的節點有優先權的原則選取鄰居節點。這樣，鄰居列表中 始終保持同一自治域的鄰居節點佔大多數，這為高效的數據傳輸打下了基礎。另外一方面，為了加速媒體源伺服器新編碼的數據塊的分發速度，在選擇鄰居節 點時我們會考慮到選擇適當比例的臨近自治域的優良節點作為鄰居節點，這樣可以有效地 保持整個覆蓋網絡的健壯性，不會因為節點的退出而產生拓撲分裂的情況。最終構造的拓 撲中，覆蓋網絡的拓撲會與物理網絡的拓撲非常吻合匹配，可以提升網絡傳輸效率，節省數 據分發時間。四、鄰居節點選擇算法在Tracker伺服器中已經將觀看同一頻道的節點按照自治域分類，並按照一定的比例 將同一自治域的節點與非同一自治域的節點作為候選節點發送給新加入節點。新節點在收 到候選節點列表之後會在這兩個集合中分別計算自己與他們的網絡距離，網絡距離的定義 如下式所示。其中Du代表節點i和節點j之間的網絡距離，Gu表示節點i與節點j的物 理距離，Lati和Loni分別表示節點i的經度和緯度。
權利要求
1.一種降低P2P直播系統中播放延遲的方法，其特徵在於P2P直播系統中除了頻道 列表伺服器、Tracker伺服器、媒體伺服器之外，還設置了位置伺服器和自治域路徑伺服器； 位置伺服器提供節點自治域號、經緯度和地區號等位置信息給各節點；自治域路徑伺服器 負責計算離給定自治域的最近的和次近的自治域，然後提供給Tracker伺服器用來初步篩 選候選節點和設定自治域的默認播放延遲；新上線的用戶，如果是第一次上線，就連接位置伺服器去查詢自己的自治域號、經度緯 度和所在地區等地理位置信息並保存在本地；已有自己位置信息的節點連接頻道列表服務 器去拉取最新的頻道列表信息；在用戶選擇了自己要觀看的頻道之後，客戶端發送帶有自 己位置信息的請求給Tracker伺服器；Tracker伺服器根據發送過來的位置信息對觀看同 一頻道的節點進行初步篩選，同一自治域的節點更有可能被選為候選節點發送給新上線的 節點作為候選鄰居節點；新上線的節點獲取到Tracker伺服器發送過來的候選鄰居節點列表之後，再次根據自 治域信息、往返時延和節點性能等條件挑選最合適的節點作為自己的鄰居節點；然後，新上 線節點向選定的鄰居節點發送數據包建立連接，交換播放延遲、緩衝區信息和播放位置等 信息；新上線節點根據最先收到的播放延遲信息和自治域路徑伺服器返回的信息計算自己 的播放延遲，確定自己的播放延遲後就向鄰居節點拉取自己需要的數據塊並發送自己擁有 的數據塊給其它有需要的節點。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於一個普通節點由覆蓋網絡拓撲管理器、數據 調度器、數據緩衝區和播放器四大部分組成；其中覆蓋網絡拓撲管理器負責P2P覆蓋網絡的構造和維護；數據調度器負責分析各個鄰居節點的緩衝區狀況和上一個時間周期各個鄰居節點的 貢獻和支出，然後根據統計結果做出決策從什麼鄰居節點請求哪一塊數據可以達到最大 的數據接收速率，保持視頻的正常播放；數據緩衝區被切分為兩個區段前區和後區，前區用於存放從其它節點接收的即將播 放的數據，後區用來存放那些已經播放了的數據，這些數據可以用來為其它播放延遲要高 於自己的節點服務；緩衝區總的大小是固定的，而前區的大小和後區的大小根據節點所處 的位置和節點自身的能力確定；播放器採用普通流媒體播放器，將數據緩衝區的媒體數據輸送給媒體播放器，播放器 負責將數據播放呈現給用戶。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於還構造優化的覆蓋網絡，即構造一個扁平的 覆蓋網絡拓撲，以加快數據塊在整個網絡中的分發，減少數據塊從媒體源伺服器產生到所 有節點獲得此數據塊的時間；同時，採用位置感知技術，將在處於同一自治域的節點置於同 一分簇中，加強節點間的合作，使數據可以高效地在各節點間傳輸；每個節點在第一進入系統和網絡位置發生改變時，通過位置伺服器查詢更新自己的自 治域號、經度緯度和地區號等位置信息，然後將這些位置信息保存在本地磁碟，以備下次使 用；然後節點將自己的位置信息跟所選觀看頻道信息發送給Tracker伺服器，Tracker服 務器會保存每個在線節點的相關信息並將觀看同一頻道的節點按照自治域號進行分類；在 Tracker伺服器返回給新加入節點候選節點列表中，同一自治域的節點佔有大於60%的比 例，如果同一自治域的節點過少，鄰近的自治域的節點作為次佳選擇返回；另外，在整個節點觀看過程中，按照同一自治域的節點有優先權的原則選取鄰居節點，使鄰居列表中始終 保持同一自治域的鄰居節點佔大多數。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於鄰居節點的選擇算法如下在Tracker服務 器中將觀看同一頻道的節點按照自治域分類，並按照一定的比例將同一自治域的節點與非 同一自治域的節點作為候選節點發送給新加入節點；新節點在收到候選節點列表之後，在 這兩個集合中分別計算自己與他們的網絡距離，網絡距離的定義如下式所示，其中0,」代表 節點i和節點j之間的網絡距離，Giij表示節點i與節點j的物理距離，Lati和Loni分別表 示節點i的經度和緯度；
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於還採用異步播放策略，將一個頻道的覆蓋網 絡按照離源伺服器的遠近和網絡狀況按照自治域分成若干個同步播放區；離源伺服器近 的，先獲得數據塊的區域先播放，離源伺服器遠的，需要其它節點接力的稍後進行播放；在 同一播放區域的擁有相同或者相近的播放延遲；一個自治域的播放延遲設定，使用基於播放延遲的成比例的播放延遲設定算法，即新 的自治域的默認播放延遲根據鄰近的更靠近數據源的自治域的播放延遲來計算；一個基點 的播放延遲由它的初始啟動偏移和初始緩衝時間決定，而初始緩衝時間是固定的，所以只 要計算出初始啟動偏移即可；下式為計算自治域的默認初始啟動偏移的公式，其中θ為節 點的默認初始啟動偏移，&(、)為鄰近自治域節點Pn的播放點，α為系統調節係數，Lp為 Pn的播放延遲；
6.一種降低P2P直播系統中播放延遲的系統，其特徵在於P2P直播系統中除了頻道 列表伺服器、Tracker伺服器、媒體伺服器之外，還設置有位置伺服器和自治域路徑伺服器； 位置伺服器用於提供節點自治域號、經緯度和地區號等位置信息給各節點；自治域路徑服 務器用於負責計算離給定自治域的最近的和次近的自治域，然後提供給Tracker伺服器用 來初步篩選候選節點和設定自治域的默認播放延遲；新上線的用戶，如果是第一次上線，就連接位置信息伺服器去查詢自己的自治域號、經 度緯度和所在地區等地理位置信息並保存在本地；已有自己位置信息的節點連接頻道列表 伺服器去拉取最新的頻道列表信息；在用戶選擇自己要觀看的頻道之後，客戶端發送帶有自己位置信息的請求給Tracker伺服器；Tracker伺服器根據發送過來的位置信息對觀看 同一頻道的節點進行初步篩選，同一自治域的節點更有可能被選為候選節點發送給新上線 的節點作為候選鄰居節點；新上線的節點獲取到Tracker伺服器發送過來的候選鄰居節點列表之後，再次根據自 治域信息、往返時延和節點性能等條件挑選最合適的節點作為自己的鄰居節點；然後，新上 線節點向選定的鄰居節點發送數據包建立連接，交換播放延遲、緩衝區信息和播放位置等 信息；新上線節點根據最先收到的播放延遲信息和自治域路徑伺服器返回的信息計算自己 的播放延遲，確定自己的播放延遲後就向鄰居節點拉取自己需要的數據塊並發送自己擁有 的數據塊給其它有需要的節點。
7.如權利要求6所述的系統，其特徵在於一個普通節點由覆蓋網絡拓撲管理器、數據 調度器、數據緩衝區和播放器四大部分組成；其中覆蓋網絡拓撲管理器負責P2P覆蓋網絡的構造和維護；數據調度器負責分析各個鄰居節點的緩衝區狀況和上一個時間周期各個鄰居節點的 貢獻和支出，然後根據統計結果做出決策從什麼鄰居節點請求哪一塊數據可以達到最大 的數據接收速率，保持視頻的正常播放；數據緩衝區被切分為兩個區段前區和後區，前區用於存放從其它節點接收的即將播 放的數據，後區用來存放那些已經播放了的數據，這些數據可以用來為其它播放延遲要高 於自己的節點服務；緩衝區總的大小是固定的，而前區的大小和後區的大小根據節點所處 的位置和節點自身的能力確定；播放器採用普通流媒體播放器，將數據緩衝區的媒體數據輸送給媒體播放器，播放器 負責將數據播放呈現給用戶。
全文摘要
本發明屬於流媒體和分布式系統技術領域，具體為一種降低P2P直播系統中播放延遲的方法與系統。本發明在P2P直播系統的頻道列表伺服器、Tracker伺服器、媒體伺服器外，增設位置伺服器和自治域路徑伺服器；前者提供節點自治域號、經緯度和地區號等位置信息給各節點；後者負責計算離給定自治域的最近的和次近的自治域，然後提供給Tracker伺服器用來初步篩選候選節點和設定自治域的默認播放延遲；本發明還構建優化的覆蓋網絡拓撲結構，選擇合適的鄰居節點，並使用獨特的緩衝區管理算法和節點延遲設定算法，從而達到提升播放連續度和降低系統平均播放延遲的目的。
文檔編號H04L29/06GK102055808SQ20111000361
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月10日 優先權日2011年1月10日
發明者王新, 趙進, 黃東波 申請人:復旦大學