基于ＱｏＳ的Ｐ２Ｐ網絡服務及流媒體傳輸

摘要：現有的P2P網絡服務缺乏服務質量保證，很難應用于商業領域。將服務質量屬性引入P2P網絡服務，提出了P2P網絡中服務組合模型，提出了基于P2P的數字音視頻流媒體傳輸的問題及解決辦法。

關鍵詞：對等網絡P2P；服務組合； 服務質量QoS；流媒體傳輸

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2009)04-0807-03

QoS of P2P-based Web Services and Streaming Media Transmission

LIU Huan-xiang1，2

(1.Wuhan University College of Computer Science，Wuhan 430072，China;2 Wuhan University Logistics Group， Wuhan 430072， China)

Abstract: The current lack of P2P network services to ensure the quality of service， it is difficult to apply in the field of business. Quality of Service attributes to the introduction of P2P network services， a P2P network services portfolio model， based on the number of P2P streaming audio and video transmission problems and solutions.

Key words: Peer-to-peer P2P; services portfolio; QoS quality of service; streaming media transmission

1 引言

P2P服務技術的興起為建立一個適合P2P環境、高度分散化、高度自治分布的應用提供了計算模型。然而，面對數量龐大，形態萬端的服務群，如何描述和索引服務，怎樣查找用戶需要的服務，并且把多個服務動態組合以完成特定功能等，這些問題成為制約P2P服務發展的關鍵問題。為解決上述問題，出現了服務建模、服務組裝、服務管理等一系列研究點。P2P服務中的服務質量問題是一個非常具有挑戰性的問題，由于QoS對于P2P服務在商業領域的成功應用非常關鍵，因此如何提供具有QoS保證的P2P服務非常必要的。本文提出了一種基于服務質量的P2P服務合成計算模型；提出基于P2P的數字音視頻流媒體傳輸的問題及解決辦法。

2 P2P服務的QOS研究

2.1 目前P2P網絡的QOS的研究工作

服務質量研究源于多媒體系統，例如，A．Campbell等人研究了分布式多媒體系統中的服務質量問題和針對特定層次的服務質量支持問題，并對一些服務質量體系結構作了評估。在服務質量研究中一般用到服務質量規范，借助服務質量規范，可以針對系統某個特定的層次，對各個級別的服務質量，作可判斷的刻畫。服務質量研究己從多媒體系統擴展到一般的分布式系統，P2P系統也不例外。對于P2P網絡系統，已經有了大量的研究。例如，在文獻[1]中，Ion Stoica等詳細介紹了一種P2P系統的目標查找機制Chord，并對采用這一機制的系統的性能作了深入的分析。基于Chord協議的P2P系統是結構化的，它們在發現目標節點方面有著優異的表現。文獻[2]對Gnutella作了進一步的性能分析。文獻[3]考察了當節點加入或退出系統時，系統處于穩定化階段時發現目標的能力，具體的度量指標包括考察目標發現的各個指標在穩定化階段的取值，以及隨著穩定化出現頻率的增加，系統性能相應地變化。

通過研究p2p網絡的典型系統的服務質量，本文準備提出一個保證服務質量P2P服務組合計算模型。

2.2 P2P服務的QOS因素考慮

通過研究分析P2P網絡各種服務質量，由于分析問題的角度不同，一些服務質量特性可以歸屬多個類別；同時類別的劃分也并非完全互斥的。根據P2P網絡服務的特點 ，本文提出的P2P服務的QoS模型主要包括以下參數：響應時間、聲譽、成功率、可靠率和價格等。

3 P2P服務的QOS模型的描述

3.1 P2P服務形式化

本文提出了一種面向服務質量的P2P服務組合模型。假設一個完整的P2P服務由n個分布的功能組件完成，每個組件包括m 個服務質量屬性， 可以使用下列式子來刻畫一個P2P服務。

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其中：Fit —實現P2P服務的第i個功能組件，qijt — 第i組件的第j個服務質量屬性。

qijt 的服務s質量記為 Qijt，即

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P2P服務的這種表示給用戶提供了一種透明的服務訪問機制，也使P2P應用開發者從熟悉網絡所涉及的物理服務實現細節的煩瑣工作中解脫出來。更重要的是，服務這種表示也為P2P網絡的服務容錯和服務質量等級區分提供了條件。

3.2 P2P服務質量的量化

3.2.1 P2P服務的QOS度量

在服務語義描述中[6-7]給出5種通用的QOS度量的概念并給出量化定義，這些度量有響應時間、聲譽、成功率、可靠率和價格。

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1) 響應時間：

給定操作 qijt，其響應時間等于服務請求發出和該請求結果收到之間的時間延遲。在文獻[5]中，相應時間分為計算時間，中間件時間和網絡傳輸時間。

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2) 聲譽：

Qijt.requtation 表示用戶對 qijt的信任度。

該標準主要依賴與用戶的經驗和評價，故可定義為用戶的平均評價級別：

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3) 成功率：

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4) 可靠率：

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5) 價格：

Qijt.price 的價格定義為服務提供者對操作qijt的定價。

3.2.2 基于QoS的服務合成模型

P2P合成服務是為了一個特定目標遵循一定的數據依賴和控制依賴組合起來的，相互協作的服務，合成的服務要最大限度地滿足應用的服務質量要求，其模型定義如下：

1) 完成P2P合成服務的各子功能描述為有向無環圖G(V，E)。其中V代表合成服務的組件集合V={fl，f2，…fn}。E是有向邊的集合，邊表示各組件之間的關系；

2) 服務質量矩陣如下

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3) 用戶給定合成服務的響應時間上限Tsum 以及合成服務總價格上限Psum：

4) 用戶給定權值向量如下

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建立的目標函數和約束條件：完成一個服務需要n個組件功能，共搜索到m個具體功能組件，m?垌n。組件功能之間的依賴關系形式化表示為帶權無向圖G=(V，E)，V是m個組件的集合；E是邊的集合，邊權表示功能組件之間的權值，解釋為延遲、代價等。定義e:V×V→（0，∞），e（i，j）=e（j，i），所有功能組件集合為D?哿V，F?哿V為可以進行服務組合的潛在功能集合，fi表示選擇組件到組件i∈f 服務質量時的代價，整數ui表示功能組件i的負載能力(質量屬性：參看質量屬性計算公式)。引入兩組0-l變量

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該模型可以歸為以下的整數規劃問題

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其中：Cij --組件i到組件j的邊權和，約束條件(1)表示集合D中的每個組件一定要分派給惟一的對等節點；(2)表示每個選中的組件不能超過自己的負載能力；(3)和(4)表示選中的組件一定是存在的。

4 基于P2P的數字音視頻流媒體傳輸

近年來，由于對等網絡技術的迅速發展，基于P2P(Peer to Peer)方式的流媒體傳輸的研究逐漸引起了人們的注意。P2P方式的核心思想是網絡中各節點可以直接通信，每個節點在利用其他節點資源的同時也為其它節點提供服務，也就是充當了C/S模式中服務器和客戶兩種角色。P2P系統通過把服務器的負載分散到每個節點中，可以有效地減輕服務器的負擔，提高系統的可擴展性，因此利用P2P網絡技術可以實現大規模流媒體數據的傳輸和播放(這些在網絡中傳輸的數據是海量的)，從根本上解決基于C／S模式的流媒體系統的擴展性差、容錯性差等問題。但P2P網絡中節點的加入和退出具有很大的隨機性，這種不穩定性也給基于P2P的流媒體傳輸系統的實際應用帶來很多挑戰性問題。目前，對于P2P流媒體系統的研究還處于起始階段，人們從多個角度開展了研究，包括文件搜索機制、QoS控制機制、激勵機制等 。

一個多媒體數據流的流規范通常包含如下部分：可以接受的從源到目的地傳輸數據的速率(帶寬)，每個數據元素的傳輸延遲(等待時間)以及數據元素的丟失率或丟棄率，為了滿足多媒體和其它應用程序的需要而進行的資源計劃分配和資源調度被稱為服務質量管理QoS，分配處理器處理能力、網絡帶寬和內存容量(用來緩沖那些被提前送到的數據元素)都很重要，系統根據QoS請求的需要來分配它們。

利用P2P技術可實現用于IP電話中的數字音頻流媒體傳輸技術，對于語音傳輸，目前的帶寬是安全可以勝任的，即使是在網絡帶寬比較擁擠的時刻，一般也是能夠容忍的，但對于數字視頻流的傳輸問題，在網絡比較擁塞的時候，傳輸質量(QoS)幾乎是無法得到保證的，畫面有時出現暫時的停頓，有時速度慢的讓人無法忍受。甚至有時就干脆傳輸中斷，究其原因，主要有兩點，一是數字視頻流在端節點匯聚時，數據包嚴格按照原來的順序恢復的，即發送端和接收端是按嚴格順序進行發送和重現的，目前網絡層和視頻播放器都實現了數據包的緩存的機制來解決丟包和非順序到達的問題，這樣就對網絡帶寬提出了較高的要求(在網絡播放時)，從而使得傳輸一般要求的數字視頻流網絡帶寬下限標準提高了，二是目前有些內容發布是集中式的，造成訪問瓶頸。

采用內容分發網絡(Content Delivery Networks)CDN技術可以減少因并發訪問帶來的大量重復數據在相同網絡路徑上的冗余傳輸；提高終端網絡性能，包括延遲和帶寬；進行面向應用的優化和QoS控制

數字視頻流媒體數據在顯示時，由于人的視覺原因，有時沒有必要嚴格的一步到位，圖象可以逐步細化和精確；再者，因網絡拓撲結構的網狀特性，可以在源端采用幾路并行分發方式，這就給我們進行內容分發算法設計提供了優化空間。另一方面，單純從視頻數字流媒體文件下載的情況來看，采用CDN技術也是非常有利于提高內容傳遞速度的。實現這種網絡傳輸技術的關鍵在于：

1) 專門從事網絡傳輸的CDN公司在互聯網的數百個節點中安裝了用于內容分發的服務器，這些節點中有的是ISP，也有的是網站。

2) 作為CDN的顧客，即內容提供商要發布的內容，是通過CDN服務器進行復制的，當提供商的內容發生改變時，CDN服務器會自動刷新。

3) CDN公司是一家專門從事網絡傳輸業務的，其服務器中保存著各個不同內容提供商要傳輸的內容，從而降低運營成本。

顯然，為了能準確定位到某個特定的服務器，必須對源(內容服務)服務器上要傳輸的頁面或文件加上標簽，以便節點上的DNS能夠準確轉發。

從上面看出，基于P2P的網絡傳輸技術，其主要問題是服務器過載、網絡時延長，傳輸質量得不到保證。另外還有網絡安全和版權保護問題

5 結束語

本文將服務合成引入P2P，建立了P2P的服務合成模型，給出了基于服務質量的P2P服務合成計算模型；提出了基于P2P的數字音視頻流媒體傳輸的問題及解決辦法。在文章中，只考慮了線性服務合成，P2P網絡的特點是存在大量同類型的服務組件，怎樣將同類型的服務組件進行組合，即單個組件不滿足服務質量要求時，用多個同類型服務組件，共同提供滿足QoS要求的P2P服務，這是下一步需要解決的問題。

參考文獻：

[1] Stoics I，Morris R，Karger D．et a1．Chord：A scalable P2P lookup service for interact applications[C]//San Diego，California，USA：SIGCOM M’01，2001.

[2] Milojicic D S．P2P computing[R]．HP Laboratories Palo Alto．2O02．

[3] Gu X，Nahrstedt K．Dynamic QoS?aware multimedia service configuration in ubiquitous computing environments[C]．Vienna， Austria:Proc ofthe IEEE 22nd International Conference on Distributed Computing Systems(ICDCS)，2002．

[4] 黃宇，金蓓弘，萬淑超.P2P系統服務質量研究[J].計算機科學，2005，32(5):45-47．

[5] Jin H，ChenJ，KuangP，eta1．Realtime strategyan dpracticein service grid[C]．Hong Kong，China：Proceedings ofthe 28th Annual International Computer Software an d Applications Conference， 2004：161．166．

[6] Xu Dongyan，Klara Nahrstedt，Duangdao Wichadaku1．QoSaware discovery of wide-area distributed services[R]．Department of Computer Science，University of Illinois at Urbana-Champaign，2000．

[7] 金海，陳漢華，呂志鵬，等.CGSP作業管理器合成服務的QoS優化模型及求解[J].計算機學報，2005，28(4):578-587.

[8] 霍耀森，盛大同.Web Caching技術和CDN技術及其比較分析[J].計算機應用研究，2003(50):135-137.

[9] L. Cherkasova J. LeeFastReplica: Efficient Large File Distribution within Content Delivery Networks. Internet Systems and Storage Laboratory HP Laboratories Palo Alto HPL-2003-43，2003，2(27).

[10] W. Stallings High-Speed Networks and Internets Performance and Quality of Service 2nd EditionPrentice Hall2002.

劉煥祥（1962-），男，湖北漢川人，講師，研究方向：計算機軟件與應用。