中心議題
??? * 提出了一種帶激勵(lì)機(jī)制的P2P數(shù)字電視機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器
解決方案
??? * 運(yùn)用軍備競賽模型進(jìn)行分析

0　P2P技術(shù)及數(shù)字電視機(jī)頂盒概述

P2P是peer to peer的縮寫,即對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。P2P技術(shù)出現(xiàn)以后由于其自適應(yīng)性,自我組織性,負(fù)載平衡性,容錯(cuò)性以及集中和利用大量資源的能力而大受歡迎。未來無所不在的大規(guī)模,高消耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用必將使得P2P技術(shù)在設(shè)備交互時(shí)使用得越來越廣。流媒體服務(wù)器是IPTV后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)的一部分,作用在于向客戶端提供音視頻數(shù)據(jù)的直播和點(diǎn)播服務(wù)。目前國內(nèi)外IPTV系統(tǒng)要解決十萬、百萬用戶同時(shí)收看視頻節(jié)目的問題,需要部署大量的服務(wù)器,依賴極寬的網(wǎng)絡(luò)帶寬或者要對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大規(guī)模改造,這些都成為制約IPTV發(fā)展的瓶頸。下一代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主流技術(shù)———對(duì)等連接P2P模式,則是解決這個(gè)問題的最好方法。由于P2P所特有的優(yōu)點(diǎn),在數(shù)字機(jī)頂盒系統(tǒng)中引入P2P技術(shù),能有效地減輕服務(wù)器負(fù)載,充分利用帶寬和客戶端閑置資源。

如果采用傳統(tǒng)的流媒體服務(wù)器對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)提供服務(wù),顯然不能充分利用P2P網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)良特性。本文試圖規(guī)劃出一種新的方案,將P2P網(wǎng)絡(luò)中激勵(lì)機(jī)制的思想引入到P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器中來,使用P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì),從而達(dá)到提高P2P網(wǎng)絡(luò)效率的目的。

1　P2P數(shù)字電視機(jī)頂盒的相關(guān)工作

傳統(tǒng)的流媒體服務(wù)器是為連接在互聯(lián)網(wǎng)上的終端設(shè)備提供服務(wù)的。每當(dāng)一個(gè)新用戶向流媒體服務(wù)器發(fā)起請求,流媒體服務(wù)器便為其創(chuàng)建一個(gè)工作線程,通過這個(gè)工作線程向用戶發(fā)送其所需要的音視頻數(shù)據(jù)。流媒體應(yīng)用的核心問題是資源調(diào)度問題,資源調(diào)度問題也是流媒體服務(wù)器的核心問題。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)帶寬和視頻服務(wù)器I/O往往是制約流媒體服務(wù)器性能的瓶頸。而傳統(tǒng)的流媒體服務(wù)器由于對(duì)請求連接的用戶不加以區(qū)分,同等地對(duì)待所有用戶的請求,這樣隨著連接的用戶數(shù)量越來越多勢必造成網(wǎng)絡(luò)帶寬越來越小,流媒體服務(wù)器I/O的壓力越來越大,嚴(yán)重地影響到服務(wù)質(zhì)量。針對(duì)以上提出的問題,學(xué)術(shù)界提出了一系列資源調(diào)度算法,其中,補(bǔ)丁算法,用組播流和補(bǔ)丁流相結(jié)合的方法大大提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率,補(bǔ)丁(patching)算法也是目前常用的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。然而補(bǔ)丁算法也有其局限性,補(bǔ)丁算法是針對(duì)某些熱門節(jié)目而言,在熱門節(jié)目的點(diǎn)播中,以組播流代替大量重復(fù)的單播流可以減少網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗。而對(duì)于一些比較冷門的節(jié)目,使用組播流代替單播流反而會(huì)加大系統(tǒng)的開銷。并且補(bǔ)丁算法是針對(duì)傳統(tǒng)的C/S模式服務(wù)器,與P2P技術(shù)的引入并無太大關(guān)系。目前,在P2P系統(tǒng)中,提高系統(tǒng)資源利用率和資源總量的方式主要是通過激勵(lì)機(jī)制的引入,即通過節(jié)點(diǎn)之間的相互刺激,來達(dá)到提高可用資源總量的目標(biāo)。

現(xiàn)有的激勵(lì)方式主要有以下3種:

(1)基于微支付的方式。通過在P2P系統(tǒng)中維持一個(gè)可信的超級(jí)節(jié)點(diǎn),來保存所有節(jié)點(diǎn)的虛擬貨幣的信息。對(duì)于P2P的流媒體系統(tǒng)來說,超級(jí)節(jié)點(diǎn)將是一個(gè)很大的開銷。

(2)基于信譽(yù)的方式。通過在P2P網(wǎng)絡(luò)中建立起相似于人際關(guān)系中的信任網(wǎng)絡(luò),以達(dá)到區(qū)分服

務(wù)的效果。但對(duì)于流媒體服務(wù)系統(tǒng),這種方式信譽(yù)的傳播較慢,而且信譽(yù)度不是系統(tǒng)所關(guān)注的重點(diǎn)。

(3)基于歷史交互的方式。根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的交互的歷史記錄,對(duì)于記錄較多、較好的節(jié)點(diǎn)提供更高級(jí)的服務(wù)。又分為直接交互記錄,和全局交互記錄。其中全局交互記錄根據(jù)節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)大小,擬合出一個(gè)貢獻(xiàn)值。來決定服務(wù)質(zhì)量的好壞?？傮w來說,這種方案比較適合P2P的流媒體系統(tǒng)。

以上的3種P2P網(wǎng)絡(luò)中的激勵(lì)方式各有優(yōu)缺點(diǎn),但都是針對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的。很顯然,在采用了P2P技術(shù)的流媒體播放系統(tǒng)中,節(jié)點(diǎn)交互最多的依然是流媒體服務(wù)器。因此,增大服務(wù)器對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響力,將會(huì)起到更加顯著的效果。

2　P2P數(shù)字電視機(jī)頂盒設(shè)計(jì)方案

2. 1　P2P數(shù)字電視機(jī)頂盒設(shè)計(jì)總體目標(biāo)

在P2P數(shù)字機(jī)頂盒系統(tǒng)中,可用資源,即可以用來提供流媒體內(nèi)容的資源,主要分為兩部分:{S,C}。其中,S是指流媒體服務(wù)器端的可用資源,C指機(jī)頂盒系統(tǒng)客戶端貢獻(xiàn)出的資源。因此,在系統(tǒng)中,可用資源總量T可以表示為T=S+C。其中,S可以看作是一個(gè)常量,而C是一個(gè)可變量,它是指網(wǎng)絡(luò)中所有終端貢獻(xiàn)資源量的總和,即

Ci是每一個(gè)單獨(dú)的終端可以貢獻(xiàn)的資源量。經(jīng)過分析可知,一個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)交互對(duì)象主要是流媒體服務(wù)器和其它節(jié)點(diǎn),因此,節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)資源的多少就可能同以下幾個(gè)因素有關(guān)系:節(jié)點(diǎn)自愿、其他節(jié)點(diǎn)對(duì)它的作用力、服務(wù)器對(duì)它的作用力。作出假設(shè):節(jié)點(diǎn)自愿性因子為ai,其他節(jié)點(diǎn)對(duì)其作用力因子為oi,服務(wù)器對(duì)其作用力因子為si,那么可以得出以下公式:

在式(1)中,ai是一個(gè)相對(duì)固定值。oi和si是可變量。現(xiàn)有的P2P網(wǎng)絡(luò)中,主要是通過激勵(lì)機(jī)制的引入,來增大oi的值。本文中,我們將提出一種基于軍備競賽模型的方案,來增大si的值,以提高C的值,即增加客戶端共享資源總量,來達(dá)到最大化系統(tǒng)資源使用率,減輕服務(wù)器負(fù)載的效果。

2. 2　相關(guān)定義

定義1　假設(shè)截止至?xí)r刻t數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)i提供給其他節(jié)點(diǎn)的資源總量是Pi(t),從其他節(jié)點(diǎn)得到的資源總量是Ui(t),則稱該節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻的表現(xiàn)為Ci(t)=Pi(t)-Ui(t)。

定義2　將流媒體服務(wù)器為每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)所提供的服務(wù)在服務(wù)優(yōu)先級(jí),碼率,響應(yīng)時(shí)間等方面進(jìn)行劃分,從而提供區(qū)別服務(wù),這種劃分稱作服務(wù)器在t時(shí)刻為節(jié)點(diǎn)i提供服務(wù)的服務(wù)等級(jí),服務(wù)等級(jí)是與節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)有關(guān)的一個(gè)量,記作Qi(t)=cCi(t),簡記為Qi=cCi,其中, c是常數(shù),Ci是節(jié)點(diǎn)i的表現(xiàn)值,為了簡化模型,這里假設(shè)服務(wù)等級(jí)與機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)之間是簡單的線性關(guān)系。

定義3　將每個(gè)機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)有表現(xiàn)的基礎(chǔ)上還能夠提升表現(xiàn)的潛力稱為固有潛力,記作gi(i=1,2,…)。

2. 3　P2P數(shù)字電視機(jī)頂盒設(shè)計(jì)詳細(xì)方案

考慮兩個(gè)機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)之間的情況,把每一個(gè)機(jī)頂盒在時(shí)刻t的表現(xiàn)分別記作x(t)和y(t),根據(jù)軍備競賽模型,假定它們的變化取決于以下幾個(gè)因素:

(1)由于機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)之間存在著對(duì)有限資源的競爭以及P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器所提供的激勵(lì)機(jī)制,數(shù)字機(jī)頂盒之間一方得到的服務(wù)等級(jí)越高,另一方表現(xiàn)提高得就越快;

(2)由于機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)是基于某個(gè)機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)提供給其他節(jié)點(diǎn)的資源總量與從其他節(jié)點(diǎn)得到的資源總量之差,而且節(jié)點(diǎn)自身能力有限,所以其表現(xiàn)顯然不可能永遠(yuǎn)提高,存在一個(gè)制約作用。并且存在交互的機(jī)頂盒中任意一方表現(xiàn)得越好,對(duì)其本身表現(xiàn)的提高所產(chǎn)生的制約作用就越大;

(3)由于激勵(lì)作用和競爭因素的存在,交互機(jī)頂盒中每一方都存在著提高表現(xiàn)的固有潛力。

在軍備競賽模型中,進(jìn)一步假設(shè)前兩個(gè)因素對(duì)于機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)的影響是線性的,第三個(gè)因素的影響是常數(shù),并且服務(wù)等級(jí)與機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)之間的關(guān)系也是線性的,那么x(t),y(t)的變化過程可用微分方程組

來表示,其中,k, l是流媒體服務(wù)器對(duì)交互機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)等級(jí)對(duì)本節(jié)點(diǎn)的刺激程度的度量;α,β是本機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)自身表現(xiàn)制約程度的度量;g1,g2是本機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)提升的固有潛力;Qx=cx,Qy=cy分別表示P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器為交互節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)等級(jí),c為常數(shù),且α>0, k>0, l>0,β>0,g1≥0,g2≥0。

令式(2)的右端為0,可以計(jì)算出平衡點(diǎn)(x0,y0)為

由于α>0,β>0,故p>0。根據(jù)二階方程解的穩(wěn)定性準(zhǔn)則,要保證平衡點(diǎn)(x0,y0)穩(wěn)定,則在p>0的情況下要有q>0成立,即當(dāng)

成立時(shí),平衡點(diǎn)(x0,y0)是穩(wěn)定的。

穩(wěn)定性條件式(4)表明,交互節(jié)點(diǎn)對(duì)自身表現(xiàn)的制約程度大于流媒體服務(wù)器的服務(wù)等級(jí)對(duì)機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)的刺激程度時(shí),數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)將趨于穩(wěn)定。這就意味著,由于受到自身能力的制約,節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不能夠進(jìn)一步增加其表現(xiàn)值,激勵(lì)的作用已經(jīng)將節(jié)點(diǎn)的潛力最大化地挖掘出來。也就是說,在式(4)成立的條件下,經(jīng)過足夠長的時(shí)間后, P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器對(duì)交互機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)所提供服務(wù)的服務(wù)等級(jí)將趨于穩(wěn)定, P2P網(wǎng)絡(luò)中的各機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)也將趨向一個(gè)有限值。

3　P2P數(shù)字電視機(jī)頂盒性能分析

在式(2)中,取α=β=0.5, k=l=0.3,Qx=x,Qy=y,g1=g2=1,可以得到機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)與時(shí)間的關(guān)系圖像,如圖1所示。

圖1所描述的情況中,αβ>kl,由于c=1,所以滿足式(4)成立的條件,機(jī)頂盒的表現(xiàn)是趨向于穩(wěn)

定的。這說明在節(jié)點(diǎn)本身的表現(xiàn)對(duì)自身表現(xiàn)增長的制約程度大于流媒體服務(wù)器的服務(wù)等級(jí)因素對(duì)節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)的刺激時(shí),在足夠長的時(shí)間后節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)趨于一個(gè)有限值,流媒體服務(wù)器對(duì)機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)所提供服務(wù)的服務(wù)等級(jí)也將趨向于穩(wěn)定。這也就意味著,整個(gè)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的狀態(tài),系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)的潛力已經(jīng)被最大化地挖掘,系統(tǒng)可用資源總量達(dá)到最大化。

由于服務(wù)器的資源是有限的,而P2P技術(shù)的引入是降低服務(wù)器端負(fù)載的有效手段。同時(shí)P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器對(duì)于服務(wù)等級(jí)的引入又是激勵(lì)P2P數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)提高表現(xiàn)的有效手段。因此,下面從服務(wù)器的負(fù)載以及網(wǎng)絡(luò)效率等方面來評(píng)估傳統(tǒng)的流媒體服務(wù)器與P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器的優(yōu)劣。為了方便起見,傳統(tǒng)的流媒體服務(wù)器在下文中統(tǒng)稱為“舊方案”,本文所介紹的P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器在下文統(tǒng)稱為“新方案”。

(1)交互的復(fù)雜性。舊方案:終端節(jié)點(diǎn)僅向流媒體服務(wù)器請求節(jié)目名稱,流媒體服務(wù)器僅根據(jù)用戶請求的節(jié)目名稱向用戶節(jié)點(diǎn)分發(fā)相應(yīng)的音視頻數(shù)據(jù);新方案:P2P數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)除了要向流媒體服務(wù)器請求節(jié)目名稱以外,還要將各節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)值上傳給P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器,而服務(wù)器端除了要向機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)分發(fā)它們所請求的數(shù)據(jù)以外,還要采取區(qū)分服務(wù)等級(jí)的策略,向P2P網(wǎng)絡(luò)中的各數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)提供不同等級(jí)的服務(wù)。所以總的來說,新方案在交互時(shí)較為復(fù)雜,也要多消耗一些帶寬資源。

(2)服務(wù)器端的負(fù)載。舊方案:負(fù)載隨著新加入的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而不斷增大,最終如果負(fù)載超過服務(wù)器的承受能力,可能造成服務(wù)器的癱瘓;新方案:由于P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器的服務(wù)對(duì)象是P2P網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn), P2P技術(shù)的引入本身就大大減輕了服務(wù)器端的負(fù)載。同時(shí)通過在服務(wù)器端引入激勵(lì)機(jī)制,并通過軍備競賽模型對(duì)其進(jìn)行分析,促使節(jié)點(diǎn)更多地貢獻(xiàn)自身資源,使得網(wǎng)絡(luò)中的可用資源總量增加,進(jìn)一步減輕服務(wù)器負(fù)載。所以在服務(wù)器端的負(fù)載上,新方案明顯優(yōu)于舊方案,并且用戶數(shù)量越多,這種優(yōu)勢就越明顯。

(3)服務(wù)質(zhì)量。舊方案:各終端節(jié)點(diǎn)不存在表現(xiàn)值的評(píng)估,因此服務(wù)器無法刺激終端節(jié)點(diǎn)提高表現(xiàn),當(dāng)然,終端節(jié)點(diǎn)也沒有服務(wù)質(zhì)量可言。在服務(wù)器本身的負(fù)載有限的情況下,服務(wù)質(zhì)量必然會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加呈下降的趨勢,而服務(wù)器對(duì)于這種服務(wù)質(zhì)量的下降是“無能為力”的;新方案:由于P2P數(shù)字機(jī)頂盒流媒體服務(wù)器引入了服務(wù)等級(jí)的概念,把競爭機(jī)制引入到了P2P網(wǎng)絡(luò)中,這樣大大的提高了P2P網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)的積極性,從而達(dá)到了提高P2P網(wǎng)絡(luò)效率的作用。

4　結(jié)束語

鑒于服務(wù)對(duì)象是P2P網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn),本文在流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)中加入了服務(wù)等級(jí)的概念,服務(wù)器端根據(jù)P2P網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字機(jī)頂盒節(jié)點(diǎn)的表現(xiàn)力的不同,為它們提供不同等級(jí)的服務(wù)。從而成功地將P2P網(wǎng)絡(luò)中的激勵(lì)機(jī)制引入到了流媒體服務(wù)器中來。性能分析表明,本文所設(shè)計(jì)的流媒體服務(wù)器相比傳統(tǒng)的流媒體服務(wù)器,能夠以較小的交互復(fù)雜性為代價(jià),換取P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的更好的表現(xiàn)以及大幅提升P2P網(wǎng)絡(luò)的效率。