基于P2P和CDN的混合流媒體分發(fā)模型及分析

摘 要:在CDN和P2P兩種主流的流媒體分發(fā)技術的基礎上，提出了基于系統(tǒng)流量的混合流媒體分發(fā)模型，根據系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量和媒體流量之間的關系，在CDN自治域內實現(xiàn)CDN和P2P的混合式服務，并對上述理論進行了仿真。實驗結果表明，與傳統(tǒng)的CDN和P2P相比，新的混合模型既可以減少主干網絡的流量，又能在不降低流媒體質量的情況下，有效降低CDN服務器壓力，減少系統(tǒng)的響應時間，提高網絡利用率。

關鍵詞:內容分發(fā)網絡; 對等網絡; 流媒體; 混合流媒體分發(fā)模型

中圖分類號:TP393文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)06-2208-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.06.060

Hybrid streaming media distribution model based on P2P and CDN

ZANG Yungang， CHEN Guangxi

(College of Computer Control， Guilin University of Electronic Technology， Guilin Guangxi 541004， China)

Abstract:Based on CDN and P2P， this paper provided a new HSDM. According to the relation of peers and streaming capacity in the system， realized and then simulated the hybrid model. The result shows that compared with traditional CDN and P2P， this new hybrid model obviously reduces the flow of backbone network. And also， with this new method can effectively reduce the pressure of CDN severs and the response time of system without compromising the media quality delivered， and increases the network utilization.

Key words:CDN(content distribution network); P2P(peertopeer); streaming media; hybrid streaming media distribution model (HSDM)

0 引言

隨著網絡技術的進步，人們對所分發(fā)的實時流媒體的質量和分發(fā)速度提出了更高的要求。在實時流媒體分發(fā)領域，最為常用的是CDN和P2P兩種技術。

CDN技術最初用于Web服務。當用戶向Web服務器發(fā)送請求時，利用DNS的重定向機制，將其重定向到離用戶最近或負載最低的CDN服務器上，以加快響應速度和優(yōu)化熱點內容分布，達到平衡Web服務器負載和降低網絡帶寬消耗的目的。這一技術同樣可以應用于網絡流媒體服務。由于流媒體本身的特點，大量用戶對熱點文件的重復請求，使得網絡中存在大量冗余數(shù)據，CDN服務器的處理能力和出口帶寬就成為系統(tǒng)瓶頸;另外，CDN服務器部署和維護的高費用，也增加了服務提供商和客戶的成本。當前相關研究主要從副本放置算法[1]、內容路由[2]、負載均衡和重定向機制[3]等方面對CDN技術進行了改進，使得系統(tǒng)的服務性能和健壯性得到了提高，但是仍未能有效解決網絡流量消耗和系統(tǒng)瓶頸的問題。

與CDN不同，P2P內部所有節(jié)點的地位均等，節(jié)點之間不需要互聯(lián)網路由器和網絡基礎設施的支持，成本低、易于部署;同時，P2P節(jié)點在下載文件時還上傳給其他請求節(jié)點，擴大了用戶組的規(guī)模，提高了系統(tǒng)效率。然而，由于沒用中心服務器，P2P節(jié)點之間的內容交換缺乏統(tǒng)一的管理，內容的安全性無法保證;流媒體分發(fā)時需調動較多的種子節(jié)點，節(jié)點之間的頻繁交互占用了大量帶寬;在節(jié)點數(shù)目太少時，會造成網絡傳輸中斷。目前大量研究分別從文件訪問控制機制[4]、容錯機制和節(jié)點激勵機制[5]角度，對P2P進行了改進，但仍不能有效降低主干網絡流量，流媒體分發(fā)的啟動速度仍然與種子節(jié)點的數(shù)量密切相關。

目前，國內外對于CDN和P2P的混合結構的研究尚處于起步階段。文獻[6]提出了基于泛洪的緊急消息廣播技術，但是不適于大型的流媒體分發(fā)。文獻[7]是側重系統(tǒng)的安全認證，在非結構化的P2P網絡中引入訪問控制機制，對分發(fā)策略進行了分析，卻未涉及系統(tǒng)流量的控制。文獻[8]利用CDN服務器的去中心化，將POP節(jié)點(points of provider)構成一個P2P網絡，實現(xiàn)副本放置，但其側重的是服務器層面的P2P實現(xiàn)和負載均衡，自治域內的資源并未充分利用，CDN處理能力和出口帶寬仍然是系統(tǒng)瓶頸。鑒于此，本文從系統(tǒng)流量控制的角度，提出了基于CDN和P2P的新的混合流媒體服務模型。系統(tǒng)由CDN服務器及P2P網絡組成的自治域構成:在用戶請求較少時，采用傳統(tǒng)的C/S服務模式;而在用戶不斷增加的情況下，由CDN作為索引服務器，將客戶端節(jié)點構成一個中心化的P2P網絡，這樣既能保證流媒體服務的質量，加快P2P的啟動過程，又能將媒體流量控制在自治域范圍內，從而有效降低主干網絡帶寬和服務器部署成本。

1 系統(tǒng)模型

1.1 傳統(tǒng)CDN和P2P服務模式的比較

傳統(tǒng)的CDN服務模式是將遠程的流媒體服務器上的內容緩存到用戶網絡邊緣的cache服務器上，向自治域內的節(jié)點提供高質量的流媒體服務;而P2P模式則是將所有客戶端節(jié)點組成一個對等網絡，節(jié)點之間互通有無，共享所需的數(shù)據。

從圖1(a)中可以看出，傳統(tǒng)的CDN服務模式使得服務器與客戶端的距離變近，避免了由于網間互聯(lián)造成的時間延遲，減少了主干網絡的流量，提高了響應速度，但是其C/S服務模式要面向每一個客戶提供會話，網絡上存在大量重復數(shù)據，系統(tǒng)流量與CDN服務器所面對的客戶端節(jié)點數(shù)有關，因此在節(jié)點數(shù)一定(滿負載)的情況下，系統(tǒng)的流量曲線呈水平狀如圖1(c)，CDN服務器的性能和出口帶寬成為系統(tǒng)瓶頸。而在P2P模式下，節(jié)點之間共享數(shù)據，理論上下載速度只受限于下載帶寬和客戶端性能，但是流媒體的分發(fā)過程需要足夠的節(jié)點來啟動，種子較少時啟動過程緩慢;隨著P2P網絡規(guī)模的增大，網絡流量呈指數(shù)增加如圖1(c)，而且由于節(jié)點間所在地域的差別，導致大量占用了主干網絡帶寬。

通過以上對比，本文提出這樣一種模型:在CDN的自治區(qū)域內，初始分發(fā)階段由CDN向內部節(jié)點提供快速的流媒體響應;后續(xù)分發(fā)中，將自治區(qū)域內的節(jié)點組成一個局部的中心化的P2P網絡。這樣，在充分利用內部網絡資源的同時，可以降低CDN服務器的壓力，同時有效減少流入到主干網絡的帶寬。

1.2 混合服務模型的建立

本混合流媒體分發(fā)模型由流媒體服務器、CDN服務器和客戶端節(jié)點組成的CDN自治域組成。每個流媒體服務器可以向多個CDN服務器發(fā)送媒體副本;同樣，每一個CDN服務器也可以向多個自治域提供流媒體服務，如圖2所示。為了便于描述，將系統(tǒng)簡化，只有一個CDN服務器和一個P2P網絡，所有節(jié)點只請求一個文件，P2P節(jié)點分為兩級，即節(jié)點到CDN的最大距離(跳數(shù))為2。

整個媒體分發(fā)過程可以分為以下三個階段:

a)流媒體初始分發(fā)階段(圖2(a))。客戶端節(jié)點群的一個子集向CDN服務器發(fā)送流媒體請求。由于此時服務請求數(shù)量較少，CDN服務器及其出口帶寬足以提供高質量的流媒體服務，整個服務過程全部由CDN服務器提供;然后將當前獲得服務的節(jié)點加入到支撐節(jié)點集中，這一過程類似于傳統(tǒng)的CDN服務。

b)CDN和P2P混合服務階段(圖2(b))。此時，隨著客戶端數(shù)量的不斷增加，CDN服務器及其網絡負載不斷加大，由于部分節(jié)點已經獲得了部分或者全部數(shù)據，CDN服務器首先監(jiān)測支撐節(jié)點集的總出口(上傳)媒體流是否滿足流媒體播放，如果是，則由支撐節(jié)點提供服務;否則由自己對此請求提供服務。此時CDN服務器承擔著傳統(tǒng)CDN服務器和索引服務器的雙重角色，并加快了P2P的啟動進程。

c)P2P服務階段(圖2(c))。隨著內容分發(fā)的進行，支撐節(jié)點集的規(guī)模越來越大，最終達到一種平衡狀態(tài):自治域中，全部節(jié)點流媒體的總和大于CDN所應分發(fā)的整個文件。這時系統(tǒng)可以完全啟動P2P模式，如果不考慮節(jié)點的失效和退出，僅靠P2P網絡，足以將流媒體文件的分發(fā)過程持續(xù)下去。設此時為切換時間t0，此后，CDN主要充當索引服務器使用。

2 模型描述

在此系統(tǒng)模型中，假設所有節(jié)點均在線，不存在節(jié)點失效或退出，系統(tǒng)瓶頸僅為CDN服務器性能及輸出帶寬，與P2P節(jié)點之間網絡帶寬無關。同時假設每個會話的持續(xù)時間為L，時間間隔以1 min為單位;S(t)表示當前系統(tǒng)內流媒體的總流量;S(t+1)表示下一刻系統(tǒng)中總流量;NCDN為CDN服務器所服務的節(jié)點數(shù);λ為P2P節(jié)點每分鐘所允許的最大上傳流量;ρ表示每個支撐節(jié)點上傳的流量在滿流會話中所占的平均比率;β是節(jié)點請求產生率;M(t)為t時刻系統(tǒng)中保持請求的節(jié)點數(shù)，則M0為分發(fā)初始階段，向CDN發(fā)出請求(注冊)的節(jié)點數(shù)。本文尋求系統(tǒng)從CDN模式轉換到完全的P2P模式所需的切換時間t0，t0越小，表示從CDN模式轉換到完全P2P模式所需要的時間越短，CDN的負載壓力越小，分發(fā)速度越快。

根據圖2所示，可以簡單地將整個分發(fā)過程分為混合服務階段(t≤t0)和P2P階段(t>t0)。

S(t+1)=S(t)+NCDN×λ+S(t)λ×ρ×(λ-1)t≤t0

S(t)+βLM(t)×(λ-1)t>t0(1)

其中:t≤t0時，下一刻系統(tǒng)內流量為當前流媒體流量與CDN提供的流量(NCDN×λ)以及P2P節(jié)點之間的流量(S(t)λ×ρ×(λ-1))之和;而在t>t0時，由于CDN不參與流媒體分發(fā)，系統(tǒng)下一刻流量為當前流媒體流量與P2P節(jié)點之間流量(βLM(t)×(λ-1))之和。

同樣可求得系統(tǒng)中向CDN保持請求的節(jié)點數(shù)為

M(t+1)=M(t)-S(t)λ×ρ-NCDNt≤t0

M(t)-β×L×M(t)t>t0(2)

在t≤t0時，下一刻的保持請求的節(jié)點數(shù)為當前請求節(jié)點數(shù)減去支撐節(jié)點數(shù)和僅從CDN獲取媒體流的請求節(jié)點數(shù)。

求解式(1)(2)可得:

當λ≠1時，

S(t)=NCDNρ×λ2λ-1×1+ρ×λ-1λt-1t≤t0

S(t0)+M(t0)×(β-1)×[1-(1-(β×L)t-t0]t>t0(3)

M(t)=M0+t×NCDN-S(t)λ-1t≤t0

M(t0)×(1-β×L)t-t0t>t0(4)

當λ=1時，

S(t)=t×NCDNt≤t0

S(t0)t>t0

(5)

M(t)=M0-t×NCDN-ρ×NCDN×t×(t+1)2t≤t0

M(t0)×(1-β×L)t-t0t>t0(6)

由于t0為切換時間，意味著從t0時刻開始，系統(tǒng)可以離開CDN服務器而獨立運行。為求得t0，可以假設[t0，t0+1]內CDN所接收的請求數(shù)與系統(tǒng)請求數(shù)的瞬時關系滿足:

β×L×M(t0)=α×ρ×S(t0)λ(α為穩(wěn)定因子)(7)

將式(7)帶入(4)可得，當λ≠1時，

1+ρ×λ-1λt0=

β×L×M0+t0×NCDNλ-1

α×λλ-1×NCDN+β×L×λλ-12×NCDNρ+1(8)

當λ=1時，

β×L[M0-t0×NCDN×(1+ρ×t0+12)]=α×ρ×t0×NCDN(9)

利用Maple軟件計算解方程式(8)和(9)可得λ≠1和λ=1時的切換時間。

3 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)性能主要從CDN服務器的請求響應能力、系統(tǒng)的切換時間以及系統(tǒng)內媒體流量三個方面進行評價，要求系統(tǒng)模型能夠顯著減少CDN的持續(xù)請求數(shù)量，縮短系統(tǒng)的切換時間，并將系統(tǒng)流量控制在自治區(qū)域內。假設兩級P2P節(jié)點各占節(jié)點總數(shù)的50%，c1=2，x1=4，c2=4，x2=8，λ=2，ρ=0.375[9]，NCDN=20，β=0.001，α=1，M0=4 000，L=60 min，由式(8)可得，t0≈10。

3.1 CDN服務器性能分析

傳統(tǒng)模式下，CDN服務器只提供流媒體緩存服務，而混合服務模式下，CDN服務器除提供上述服務外，還具有索引服務器的功能，因此CDN的性能直接影響請求的處理能力和流媒體的分發(fā)速度。由于P2P系統(tǒng)中無中心服務器，故不作比較。

圖3描述的是傳統(tǒng)CDN和混合服務模式下，與CDN保持請求的節(jié)點數(shù)的變化。從圖3中可以看出，在傳統(tǒng)的CDN模式下所有請求都指向CDN服務器，直到節(jié)點接收流媒體完畢，因此請求數(shù)一直保持在較高水平。而在混合模式下，CDN的持續(xù)請求節(jié)點數(shù)在t0后呈現(xiàn)迅速下降的趨勢，這是因為隨著流媒體分發(fā)的進行，有相當一部分的流媒體分發(fā)是在自治區(qū)域中以P2P的方式進行的，減少了向CDN服務器的流媒體請求;t=50之后，CDN的請求數(shù)量變化趨于平緩，此時CDN所處理的請求主要是作為索引服務器對節(jié)點的響應，這些負載比流媒體請求而言要小得多。

圖4展示的是在混合模式和CDN模式下，CDN服務器的請求拒絕率的變化情況。圖4中一個很明顯的特點就是CDN模式下，系統(tǒng)的請求拒絕率始終居高不下，這是因為在大量用戶訪問(M0=4 000)，而服務器的處理能力相對較小(約為40)的情況下，服務器負載很大，絕大多數(shù)請求不能及時響應，導致了大量的請求被拒絕。而在混合模式下，分發(fā)的開始階段類似于CDN模式，但是在切換時間t0后，絕大多數(shù)的媒體分發(fā)都是在自治區(qū)域內部進行，CDN只是充當了索引服務器的功能，相對于流媒體分發(fā)來說，請求數(shù)要少得多，因此系統(tǒng)的請求拒絕率迅速下降至最低。

3.2 系統(tǒng)流量及切換時間的分析

自治域內流媒體的流量對網絡狀況有著重要影響，而切換時間的大小，直接決定了CDN服務器在大量請求的情況下所需要提供流媒體服務的時間，因此系統(tǒng)流量變化和切換時間也是評價系統(tǒng)性能的重要指標。

圖5表示的是在CDN、P2P以及混合模式下系統(tǒng)中媒體流量的變化。在P2P模式下，系統(tǒng)中流量隨著時間的增加呈指數(shù)變化。這是因為不同節(jié)點間同時存在上傳和下載，頻繁的數(shù)據交換，造成自治區(qū)域內流量的急劇上升。在CDN模式下，由于所有節(jié)點的流媒體均來自CDN服務器，系統(tǒng)中的流量只與CDN所服務的節(jié)點數(shù)有關，在響應節(jié)點數(shù)一定的情況下，系統(tǒng)中流量是一個固定值，因此呈一條水平直線。在混合模式下，系統(tǒng)流量不僅與系統(tǒng)中CDN處理的請求節(jié)點數(shù)有關，還與CDN服務器的服務狀態(tài)有關:在開始分發(fā)的最初一段時間內，以傳統(tǒng)的CDN方式進行媒體分發(fā)，此時系統(tǒng)中流量變化緩慢，隨著時間的推移，系統(tǒng)切換到P2P模式，流量急劇上升，當所有節(jié)點均參與分發(fā)后，系統(tǒng)最終達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。對比混合模式與P2P模式，雖然都有流量的增加，但是由于混合模式把所有流量控制在自治區(qū)域的范圍內，并不會對主干網絡性能造成沖擊，相對于傳統(tǒng)P2P而言，混合模式更有優(yōu)勢。

圖6描述的是不同的系統(tǒng)參數(shù)下切換時間t0的變化。

系統(tǒng)的切換時間與CDN分配給流媒體的容量NCDN和節(jié)點的請求產生率β有關。在同樣的節(jié)點請求產生率的情況下，系統(tǒng)分配給某個流媒體的容量NCDN愈大，系統(tǒng)的切換時間越短，說明媒體的分發(fā)速度越快，反之亦然。因此，CDN系統(tǒng)分配給流媒體資源的多少，直接影響媒體的分發(fā)速度:分配越多，系統(tǒng)資源越充分，CDN參與分發(fā)的時間越短，P2P模式的啟動時間越早，CDN服務器的壓力越小;同樣，每個節(jié)點每分鐘產生的請求數(shù)越多，說明本節(jié)點獲取流媒體的能力越強，完成接收的時間越短，那么支撐節(jié)點代替CDN進行P2P分發(fā)的時間也就越短，CDN退出的時間也就越短。

4 結束語

針對大規(guī)模流媒體分發(fā)過程中流媒體服務器和主干網絡負載過大的問題，本文在綜合比較了CDN和P2P兩種當前主流的流媒體分發(fā)技術后，提出了一種綜合CDN和P2P優(yōu)勢的混合流媒體分發(fā)模型，并對此模型下的服務器負載和網絡流量狀況進行了仿真和分析。試驗結果表明，在混合模式下，由于是CDN提供最初的流媒體分發(fā)，故可以得到比傳統(tǒng)P2P更快的啟動速度，與傳統(tǒng)的CDN模式相比，又可以有效降低CDN服務器和主干網絡的負載，減少響應時間，充分利用自治域內的網絡帶寬，加快了流媒體分發(fā)。

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