一种协同的基于P2P的VoD的节点选择方法

张庆隆　黄鸿基　尤晟　赵宸　闫园园

摘 要：本文公开了一种协同的基于点对点（Peer-to-Peer，P2P）的视频点播（Video on Demand，VoD）的节点选择方法，针对当前基于P2P 的VoD的节点选择算法无法兼顾频谱资源的有效利用和提高服务质量（Quality of Service， QoS）的问题，本方法采用两个阶段通过不同的算法对节点进行选择。在第一阶段，引入注水法对目标方程进行寻优实现对节点的初步筛选；在第二阶段，采用模糊数学理论基于多种指标对第一阶段筛选得到的节点QoS性能进行评估并进行节点选择。本方法采用两阶段的节点选择策略，有效考虑了多种因素，特别是通过第一阶段对节点的初步筛选，能够更加有效地利用了频带资源。本方法通过引入模糊评判机制，综合考虑了多种影响QoS的因素，从而能够更好地满足用户对P2P VoD系统QoS的需求。

关键词：P2P ；VOD ；节点选择；QoS

中图分类号：TP393 文献标识码：A

1.研究背景

近年来，随着多媒体通信的发展，VoD为用户提供了丰富的使用体验。基于用户对QoS要求的提高以及用户量的增加，传统C/S（Client/Server）模式的VoD系统已经远远无法满足现在的需求。P2P技术的兴起，为VoD系统的大规模应用提供了可行的解决方案。尽管如此，P2P VoD系统的研究仍然有很多问题亟待解决，如何提高系统的均衡性、节点选择的公平性和提高频谱资源的利用率都是重要的技术问题。

2.两阶段的基于P2P的VoD的节点选择策略

本方法针对传统的基于P2P VoD系统的节点选择策略无法实现用户期望的QoS的缺点进行改进，考虑到影响系统QoS的因素较为复杂，提出一种两阶段的基于P2P的VoD的节点选择策略。在第一阶段，考虑提高频谱利用率的因素，采用“注水法”的思想对节点进行初步的筛选；第二阶段，采用模糊数学理论进行最终的筛选，从而提高系统的QoS。

为实现上述目的，本方法提出的技术方案为一种协同的基于P2P的VoD的节点选择方法，包括以下两个阶段：

第一阶段、针对视频利用率的因素，进入目标函数进行寻优，采用注水法的思想，并通过Lagrangian算法进行求解，具体过程如下：

（1）定义网络中有n个节点，构成节点集N，同时，第i个节点所对应的权重为wi，这里，wi为选择因子，每一个节点都有其相对应的网络繁忙指数ξi，即所谓的节点频谱利用系数，它可定义如下：

这里，Bi代表第i个节点所能提供的上行带宽，Bmax表示系统的最大带宽，其为固定值，显然，ξi越大，说明该节点的频谱利用率越高，视频利用率越高。

（2）定义li为第i个节点所对应的系统视频速率，目标是要根据ξi进行视频利用率排序，进行初步的节点选择策略，可得到优化问题如下：

（3）引入注水法，采用Lagrangian算法优化以上所述的目标函数

（a）其中，λ为Lagrangian算子，结合下列约束条件进行寻优

（4）得到初步节点选择的优化策略；

第二阶段、采用模糊综合评判体系进行节点选择，其过程可描述如下：

（1）对所有指标进行标准化处理：

，i=1，2，3，4 j=1，2，…，6

（a）这里，每隔固定时间进行采样，得到相应指标，xij代表第i个指标在第j次采样的样本值，μj，sj分别代表所有样值的均值和标准差。

（2）得到因子矩阵：

（3）对第一阶段筛选出来的节点所对应的网络繁忙指数ξi，进行归一化处理

；

（4）对R进行模糊变换，U为模糊输入，V为模糊输出，该关系可描述为

Tr：F（U）→F（V）；

（5）最终得到评分函数如下

（6）这里，Evaluation为评分函数，基于该函数，可以规定如果一个节点的Evaluation的值大于一定比例节点的Evaluation的值，那么这个节点将最终被选中进行视频传输；相反，达不到该指标的节点将在本次节点选择中停止VoD的相关功能。

进一步，上述步骤1中所述的固定时间优选为10分钟。

步骤1中所述相应指标为节点在线时间、视频传输时延、节点带宽和节点单位时间开销。

3.性能测试与分析

在一个100m*100m 的区域内，基于P2P VoD 系统布置100个节点，该系统总共有100个文件，每一个节点拥有其中5～10个文件，媒体播放速率300kbps，所有节点性能良好，上行带宽上限为512kbps，节点随机分布，视频播放时长为3600s，整个系统有100个媒体文件。

测试流程如下：

（1）首先，该系统持续运行3天，通过网络分析设备，在系统运行稳定后采样各种指标。

（2）运用本发明提出的协同的基于P2P的VoD的节点选择策略进行节点选择，并引入peerSim仿真器和NS-2进行分析。

（3）由图1可以看出，经过本发明所提出的策略的寻优，启动时延相对较低。之前的研究的启动时延都在10s以上，而本策略得出的启动时延小于8.5，且随着请求率增加而减小，同时也比较稳定。由此可以证明，本策略能够实现基于P2P VoD的性能较好和鲁棒性较好的节点选择方案，提高P2P VoD系统的QoS。

结论

本文采用两阶段的节点选择策略，有效考虑了多种因素，特别是通过第一阶段对节点的初步筛选，能够更加有效地利用了频带资源。同时，通过引入模糊评判机制，综合考虑了多种影响QoS的因素，从而能够更好地满足用户对P2P VoD系统QoS的需求。

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