技术领域
[0001] 本
发明属于P2P流媒体技术领域，尤其涉及一种数据调度方法。
背景技术
[0002] P2P流媒体包括
覆盖网络拓扑构建和数据调度两个部分。覆盖网络拓扑构建是指寻找邻居
节点从而使一个应用层网络被组织起来；而数据调度是指在已经构建好的覆盖网络之上进行流媒体传输，包括决定从哪些邻居节点得到哪些数据、向哪些邻居节点转发哪些数据。基于树型覆盖拓扑的有结构P2P流媒体系统因具有确定的调度策略，所以易于获得最优的分发延迟性能，但是由于对节点动态性的鲁棒性差以及很难管理，实际中很少使用。基于网状(mesh)覆盖拓扑的无结构P2P流媒体(简称为：网状无结构P2P流媒体)系统由于具有良好的可扩展性和鲁棒性使得其更适合于异构、动态的互联网环境，在实际中被广泛采用。但是网状无结构P2P流媒体系统的性能难以预测，且由于节点之间邻居关系的动态性以及数据分发的实时性，使得数据调度问题成为网状无结构P2P流媒体领域的一个重要问题，而合理组织数据和调度策略设计成为数据调度的关键。
[0003] 目前，在网状无结构P2P流媒体中，数据调度策略是采用类似Bittorrent(BT)文件共享
软件的分片机制，源节点将
媒体流分成被称为数据
块(segment、chunk或block)的小
片段后在参与流分发会话的对等节点之间进行转发。数据调度策略就是拥有某数据块集的节点向哪些邻居节点发送哪些数据块所依据的调度策略，因此数据调度策略设计的关键是任意两个节点之间进行数据传输的节点/块选择
算法，即数据调度算法。数据调度方法根据是由发送方还是由接收方做出选择决定被分为基于推(push)的方法、基于拉(pull)的方法和推拉混合(hybridpull/push)的方法。
[0004] 基于推的方法主要由发送方根据邻居节点缓存数据状态主动选择数据块，并向目标节点推送的方法，该方法具有延迟小、控制开销小的优点，但是由于节点之间缺乏协作，因此可能存在同时有多个节点向同一个邻居节点发送相同数据的情况，造成数据分发的冗[1-2]余而浪费了网络带宽资源。目前有文献 证明在基于推的数据调度方法中LU(Latest [1]
Useful Chunk Scheduling，最近有用块数据调度)方法是最优的。T.Bonald等人 将LU/RP(最近有用块/随机节点)的调度策略用在全连接网状拓扑结构中，并能够获取优异的数[2]
据块分发速率和分发延迟性能。文献 考虑到上行带宽能
力高的节点在块分发过程中贡献更多，提出了利用节点上行带宽的异构性的最近有用块/带宽感知的节点选择(LU/BA)方法，在全网状拓扑结构中、节点带宽异构的情况下LU/BA方法较LU/RP方法能够获得80％的块分发延迟性能的提升。但是上述数据调度方法都是假设覆盖网络中节点之间拓扑是全连接的，即节点与覆盖网络中其它所有节点都是连接的，并能通过周期性缓存信息交换知道其它所有节点拥有数据块的信息。而在实际网络中，特别是在P2P流媒体系统往往具有百万级用户的情况下是不可能实现节点间拓扑的全连接的，这将会影响到数据块在整个系统中的传输速度，当播放延迟一定，在节点只与系统中部分节点建立邻居关系的情况下，LU/BA方法的数据丢包率较高。
[0005] 文献1：T.Bonald，L.Massoulie，F.Mathieu，D.Perino，Andrew Twigg，“Epidemic Live Streaming：Optimal Performance Trade-Offs”，ACM Sigmetrics 08，Annapolis，MD，June 2008.
[0006] 文 献 2 ：A.Couto da Silva，E.Leonardi，et al.， ″ Chunk Distribution inMesh-Based Large Scale P2P Streaming Systems：a Fluid Approach.″IEEETransactions on Parallel and Distributed Systems(99)：1-1.发明内容
[0007] 针对上述存在的技术问题，本发明提出一种用于网状无结构P2P流媒体中的、基于调度期限和带宽感知的数据调度方法，该方法主要采取由发送方做出选择的推(push)方法，充分考虑了数据块播放期限和节点带宽的异构性，优先向高带宽节点转发离播放期限最近的数据块，降低了数据块由于超过播放期限而丢弃的概率，提升了网络资源的利用率。
[0008] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 一种基于调度期限和带宽感知的数据调度方法，包括以下步骤：
[0010] S1、目标数据块的选择，该步骤进一步包括以下子步骤：
[0011] S1-1、源节点计算产生的新数据块的调度期限d的初始值d0＝r+2Ts后将数据块直接发送给调度节点，其中，r为数据块产生的时刻，Ts为分发数据块所用的时间；
[0012] S1-2、调度节点将接收的数据块存入缓存区，然后比较缓存区中未超过播放期限的数据块的相对价值 并选择 最大的数据块作为目标数据块，其中，数[0013] S1-3、调度节点按公式dk＝dk-1+δ*Ts重新计算并
修改目标数据块的调度期限值dk，其中，dk-1是目标数据块当前的调度期限，Ts为分发目标数据块所用的时间，δ为延迟因子；
[0014] S2目标节点的选择，该步骤进一步包括以下子步骤：
[0015] S2-1、调度节点从邻居节点集中选出不含有上述目标数据块的邻居节点子集B，计算邻居节点子集B中每个节点的概率 其中，wq是节点q上行带宽uq的函数；
[0016] S2-2、调度节点从邻居节点子集B中选出概率大于设定值的任一个节点作为目标节点；
[0017] S3、调度节点向目标节点发送目标数据块，同时接收其它邻居节点或源节点转发的数据块，然后循环执行S1-2至流分发会话结束。
[0018] 上述步骤S1-1中所述的源节点将数据块k直接发送给调度节点是采用轮询的方式。
[0019] 上述步骤S1-3所述的延迟因子δ的取值方法为：当节点邻居节点个数小于10时，δ为5；当节点邻居节点个数不小于10时，δ为2。
[0020] 上述步骤S2-1所述的wq与节点q上行带宽uq的函数为 或wq＝uq。
[0021] 与
现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0022] 1)本发明方法充分考虑数据块编码内容的重要性、数据块播放的时间紧迫性和局部稀缺性，优先调度重要且离播放期限近、转发次数较少的数据块选择方法，在节点邻居节点个数较少的情况下，能够获得较优的分发延迟性能，同时，数据的丢包率较LU调度方法有明显的下降；
[0023] 2)采用根据节点上行带宽来选择目标节点的节点选择方法，优先将目标数据块发送给上行带宽高的节点，
加速了数据块扩散的速度，同时，节点选择过程融入概率随机方法，降低了推模式中确定性节点选择存在多个节点同时选择并向同一个高上行带宽节点推送数据而造成数据分发冗余，提高了网络资源的利用率。
附图说明
[0024] 图1是
实施例中参与流分发会话的节点网络拓扑示意图，(a)为节点缓存区的初始状态示意图，(b)为调度节点选择目标数据块和目标节点的示意图，(c)为调度节点转发目标数据块的示意图；
[0025] 图2是本发明目标数据块选择流程示意图；
[0026] 图3是本发明目标节点选择流程示意图；
[0027] 图4是本发明与LU/BA方法的数据块分发延迟性能的比较；
[0028] 图5是本发明与LU/BA方法的数据块丢失率的比较。
具体实施方式
[0029] 本发明提出的基于调度期限和带宽感知的数据调度方法，充分利用了节点缓存内每个数据块在源
服务器产生的时间和被调度的次数，引入延迟因子计算每个数据块的相对价值，并从中选出相对价值最大的数据块作为目标数据块，优先向邻居节点中不包含目标数据块的且上行带宽最大的邻居节点转发。
[0030] 以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案：
[0031] 如图1所示本实施例中参与流分发会话的节点网络拓扑示意图，源节点S以速率λ产生数据块C1，数据块C1的大小为0.5Mbits，假设源节点S每个调度周期产生一个数据块，即λ＝1。节点n1、节点n2、节点n3、节点n4、节点n5为参与流分发会话的节点，节点上标识中，u表示该节点当前的上行带宽，v表示该节点当前的邻居节点个数，每个节点旁边的列表表示当前节点的数据缓存区，数据缓存区存储内容是该节点当前已经接收到的数据块且该数据块没有移出当前数据缓存区域。
[0032] 源节点在转发媒体流之前会将编码后的媒体流分成数据块，本实施例中的源节点S采用一
帧一块的分块模式原则对数据流进行分块处理，由于数据帧在数据重构过程中的重要性不同，所以每个新产生的数据块的重要性等级不同。I帧组成的数据块重要性程度高于P帧和B帧，P帧的重要性高于B帧，本实施例中设定I帧、P帧、B帧的重要性等级分别为3、2、1。
[0033] 本实施例的具体步骤如下：
[0034] S1、目标数据块的选择：
[0035] S1-1、如图1(a)所示，源节点S首先产生的新的数据块C1，数据块C1的产生的相对时间r为1s，设置数据块C1的调度期限初始值dc0为dc0＝r1+2Ts，Ts为分发数据块C1所用的时间，可由计算公式 计算，其中，sizec1为数据块C1的大小，经计算Ts为0.5，数据块C1的调度期限初始值dc0为2s；
[0036] S1-2、源节点S采用轮询、随机或其它任何可行的方法将数据块C1直接推送给邻居节点n1，源节点发送的数据块带有以下
属性信息：产生的时间、调度期限值、重要性等级等；如图1(b)所示，节点n1接收到数据块C1后将数据块C1存入缓存区，然后比较节点n1缓存区中未超过播放期限的数据块的相对价值 并选择 最大的数据块作为目标数据块，其中，相对价值 这里节点n1的数据缓存区中只有数据块C1，因此，节点n1直接将数据块C1作为目标数据块；
[0037] S1-3、在将数据块C1转发之前，节点n1按公式dk＝dk-1+δ*Ts重新计算并修改目标数据块C1的调度期限值dk，此时数据块C1的当前调度期限dk-1为2s，数据块C1的分发时间Ts为0.5，因为节点n1的邻居节点个数小于10，所以延迟因子δ为5，经计算数据块C1的调度期限dk为4.5s。
[0038] 2、目标节点的选择：
[0039] S2-1、在网状无结构P2P流媒体系统中的节点和邻居节点之间会周期性的交换缓存信息，因此，因此节点n1与邻居节点n2、n3、n5会周期性的交互缓存区的数据块信息，节点n1的邻居节点集为{n2、n3、n5}，节点n1从邻居节点集中选出不含有目标数据块C1的邻居节点子集B，因为这里节点n1的邻居节点集中节点的缓存区均不含有目标数据块C1，则上述邻居节点子集为B{n2、n3、n5}，根据公式 分别计算集合B中每个节点被选中的概率P(i)，其中，wq是节点q上行带宽uq的函数，wq与uq的函数关系可以表示 也可以表示为wq＝uq；
[0040] 下面将以 为例来分别计算集合B中的每个节点被选中的概率P(i)：节点n2、n3、n5的上行带宽分别为2、2、0.5，则节点n2的概率P(n2)为4/9，节点n3的概率P(n3)为4/9，节点n5的概率P(n5)为1/9；
[0041] S2-2、节点n1从邻居节点子集B中选出概率大于设定值的任一个节点作为目标节点，预先设定数值0.3，节点n2和n3的概率均大于设定值0.3，节点n1随机从节点n2和节点n3中任意选择节点n3作为目标节点。
[0042] S3、节点n1向目标节点n3发送目标数据块C1，同时接收源节点S转发的数据块C2并将接收的数据块C2存入缓存区，然后循环执行S1-2至流分发会话结束；
[0043] 如图1(c)所示，当整个流分发会话没有结束时，源节点不断产生新的数据块，并按照轮询、随机或其它任何可行的方法将产生的数据块直接推送给源节点的邻居节点，邻居节点再将数据块在整个流分发会话的节点之间转发。为了验证本发明方法的优势，在P2PTV-Sim仿真平台上对本发明方法进行了测试。P2PTV-Sim是欧盟第七
框架计划NAPA-WINE项目的资助下，由意大利都灵理工大学牵头开发的P2P流媒体仿真系统平台。在测试中，设定参与流分发会话的节点数为1000，覆盖网络拓扑采取随机连接的方式，每个节点的平均邻居数为10，源节点按照速率1Mbps的速率产生200个数据块，数据分发的延迟期限设定为30s。图4给出了本发明方法与LU/BA方法的数据块分发延迟性能的比较，从图中每个节点收到所有数据块的最大延迟性能来看，本发明方法较LU/BA方法平均最大延迟下降3s。图5给出了本发明方法与LU/BA方法的数据块丢失率的比较，从图中看出，本发明数据丢失率基本为0，而LU/BA方法的数据块丢失率平均在2％左右。
