基于P2P的3G流媒體代理緩存策略

摘要:3G時代已經到來，伴隨著3G的快速發展，移動流媒體服務的需求迅速增長。由于移動網絡帶寬遠達不到互聯網的帶寬，流媒體業務的增長將增加網絡延遲，影響流媒體的觀看質量，因此提出了一種新的基于P2P的3G流媒體緩存代理結構PSPA，配合PSPA設計了代理緩存置換策略SCOP，該設計能有效降低對移動核心網帶寬的占用。最后，仿真實驗和實驗結果分析表明，PSPA體系與代理緩存置換策略SCOP的結合，能有效提高移動流媒體的服務質量，對3G流媒體的應用具有一定的參考價值。

關鍵詞:移動流媒體;P2P;緩存置換;緩存代理

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)11-2757-03

The P2P-based Proxy Caching for Streaming Media in 3G Network

YU Liang， GUO Yu-zhen， GAO Feng-yan

(Liaocheng University， Liaocheng 252059， China)

Abstract: The age of 3G had dawned. With the fast development of 3G network， the requirement of multimedia service in mobile grid has been growing significantly in recent years. As the mobile network bandwidth far below that of the Internet， streaming media growth will increase the network delay， affecting the quality of streaming media viewing. Accordingly， a new P2P-based 3G streaming media proxy cache architecture (PSPA)is introduced， with PSPA designed a proxy cache replacement strategy (SCOP)， the design can effectively reduce the core network transmission cost. Finally， the experiment results and related analysis shows， combining with SCOP streaming schedule policy， PSPA architecture can effectively improve the quality of services， and it is valuable for 3G streaming service application system.

Key words: mobile streaming media system; P2P; cache replacement; cache proxy

移動流媒體技術被認為是移動增值業務的一個熱點，它開創了無線通信與互聯網、視頻融合的新時代。然而在二代移動網絡中，由于網絡數據傳輸速率的瓶頸，盡管對流媒體數據進行了高度的壓縮，但是效果仍然不夠理想。隨著國家3G牌照的發放，移動流媒體的瓶頸被打破，最高2MB的數據傳輸速率將使移動流媒體的服務品質有質的飛躍，移動流媒體應用的時代已經到來。

互聯網的流媒體技術已經發展的相當完善，但是3G移動流媒體技術還存在很多問題，把互聯網流媒體技術完美的整合到3G網絡是移動流媒體快速發展的一個有效途徑，并且現在已經取得了一些進展。文獻[1]提出邊緣流媒體服務器集群(CESS)設計，同時提出MCLBS緩存替換算法來使CESS能夠達到自適應的負載均衡，提高了緩存命中率。文獻[2]提出采用中心緩存代理和用戶邊界緩存代理的兩級代理設計，縮短了數據傳輸時延。但是目前的研究對減小移動核心網絡負擔的考慮較少。

移動網絡一般都采用蜂窩結構，每個無線終端首先利用無線信道與無線蜂窩的中心基站通信，然后通過基站連接到Internet上的服務資源，當前認為較好的方法是在基站內通過設置代理服務器來提高整個系統的性能，但是每個代理服務器只負責一個蜂窩內的用戶，緩存的分片利用率太低，代理的計算、網絡資源等都沒有得到充分利用。因此，文中引入P2P資源共享思想，并通過有效的緩存置換算法，提高每個代理服務器的利用率，減小網絡延遲，從而提高移動流媒體業務的服務質量。

1 基于P2P的3G流媒體代理結構PSPA

由于移動用戶獲取流媒體服務主要通過訪問Internet中的多媒體資源，這需要在無線網絡和Internet的交界邊緣上建立有效的傳輸機制和服務，同時流媒體在傳輸過程中會大量占用移動核心網的網絡資源，因此文中提出了適用于3G網絡的P2P流媒體代理結構(P2P-based 3G streaming proxy architecture， PSPA)如圖1 所示，結合第3部分給出的緩存共享模型SCOP，能夠有效降低流媒體對核心網資源的占用，提高流媒體服務質量。從整體上PSPA采用兩層代理結構，中心緩存代理(central cache proxy， CCP)為一層代理，位于Internet的邊緣，距離移動核心網較近，提供緩沖代理服務，加快用戶訪問流媒體資源，通過Gi接口與GGSN通信。一層代理有兩個主要功能:一是提供流媒體緩存代理，減小由于Internet網絡擁塞造成的網絡延遲，減小流媒體服務器的負載，使其同時為互聯網提供服務影響。二是流媒體調度，主要進行P2P分片信息的定位和維護。客戶邊界緩存代理(client edge cache proxy， CECP)為二層代理，架專線連接到覆蓋若干個無線蜂窩區域代理服務器的路由器上，然后通過lups接口鏈接到SGSN。每個CECP可以根據數據流量的大小選擇覆蓋一個或多個無線蜂窩區域，達到最大的覆蓋范圍和最小的數據延遲。對于3G流媒體業務流量很大的區域，可以考慮每個無線蜂窩區域的中心基站都設置一個客戶邊界緩存代理，以保證流媒體的服務質量。距離較近的幾個客戶邊界緩存代理通過內部高速網連接在一起，方便流媒體分片的共享。

基于P2P的3G流媒體代理結構PSPA的優點:1)使用中心緩存代理規避了Internet網絡造成的網絡延遲;2)通過CECP的緩存代理，減少對二層流媒體代理的訪問，降低流媒體對無線核心網的網絡資源占用;3)由于大多數節點位于無線蜂窩的中心基站，通過內部高速網共享節目分片，基本無需通過核心網，避免了流媒體業務對核心網承載的其他業務的沖擊;4)中心代理的設置使流媒體服務器在為移動網絡提供服務的同時，不影響其在互聯網的服務;5)實施成本低，具有較強的可行性。

2 PSPA的緩存置換策略SCOP及工作流程

緩存技術是控制網絡延遲、抖動最常用的方法。互聯網中P2P文件共享模式研究較多，已經取得豐碩的成果，例如以Napster[3]為典型代表的集中目錄式;以Gnutella[4]為代表的純P2P模式和以KaZaa[5]為代表的混合模式，這些都已經在互聯網中得到了很好的應用。但是移動網絡不同于Internet網絡，移動核心網的復雜程度較低，負載能力也遠不如Internet網絡，因此不能照搬Internet網絡上的P2P模型。

文中結合3G流媒體代理結構PSPA，借鑒互聯網P2P文件共享模型，建立了一種適合PSPA網絡的流媒體P2P策略(Shared cache of PSPA，SCOP)，如圖2所示。PSPA結構中的客戶邊界代理將作為P2P模型中的普通節點，相鄰的幾個普通節點組成一個簇，同一個簇中的節點通過高速網連接到一起，各個簇通過移動核心網與中心緩存代理CCP通信。本文中把中心緩存代理稱為中心節點。由于每個簇中的節點不多，因此簇中采用純P2P模型，采用泛洪算法共享分片，而中心節點可以看作是各個簇的超級節點。互聯網中的流媒體服務器作為根節點，只提供分片下載。

當移動流媒體客戶請求CECP節點提供分片時，CECP將依次查詢以下位置是否存在分片:1)結點本地緩存;2)通過泛洪算法查詢本簇內其他節點緩存;3)利用中心節點記錄的分片信息查詢其他簇節點緩存;4)中心節點緩存;如果以上都不命中，則訪問流媒體服務器獲取需要的數據。

3 緩存置換算法

因為用戶的點播規律滿足Zipf分布規律[6]，如果能把點播率較高的影片分片盡量多的存放在客戶邊界代理和中心代理，將很大程度上提高流媒體分片的共享速度，這需要高效的緩存置換算法。PSPA總體上是兩級代理結構，兩級代理緩存將采用不同的置換算法。中心代理緩存采用LRU緩存置換算法，客戶邊界緩存代理采用基于媒體數量的置換算法，本文重點分析客戶邊界緩存的置換，并對基于媒體數量的置換算法進行了優化。

基于媒體數量的置換算法的原理是:把一個媒體文件劃分成若干長度相同的分片，隨著系統的運行， 分片在各節點的數量將發生變化，最理想狀態下，客戶完整觀看一部影片無須從根節點獲取任何分片，而只從其他節點獲取即可，并且從其他節點獲取分片遠比從根節點獲取分片占用的網絡資源少，同時網絡延遲也小的多。這就意味著如果分片副本數量越少，影片的數量就越多，分片置換的時候首先把副本數量多的置換[7]。

結合本文的緩存模型，對該算法進行了優化。在中心節點中以簇為單位保存各個分片在簇中的副本數量λi，當某節點下載分片i時，λi增加，同時中心節點更新分片信息，當節點分片需要置換時，則置換λ最大的分片，對應的λ減小并更新分片信息，當兩個分片的λ相同時，按照先進先出原則置換。

4 仿真實驗

本文對訪問不同緩存所使用的時間、PSPA系統總緩存空間與影片庫總空間不同比值情況下的緩存命中率以及中心節點帶寬開銷進行了測試，測試環境由9個節點和一個服務器構成，其中一個為中心節點，其他節點設置為兩個簇。考慮到實際網絡中節點的差異，各節點采用不同配置，所有數據為多次測試數據的平均值，測試結果如圖3-圖5所示。表1為各符號的含義。

圖3 緩存訪問處理時間圖 圖4 PSPA系統緩存命中率圖5 PSPA系統與C/S模式下中心緩存代理的帶寬開銷比較

由圖示數據可以看出，在簇內和簇間，由于高速網的存在，訪問的數據不太大時，Tnc和Tmc相差不大，能夠提供流媒體分片的快速共享。對中心節點訪問，當數據小于30KB時，處理時間Tcc在400μm以內，而直接通過流媒體服務器提供數據，處理時間一般遠大于Tnc、Tmc、Tcc，說明PSPA系統能夠有效提高流媒體的播放質量。同時，PSPA系統對帶寬的占用也比較小，實驗數據顯示在系統的啟動的初期，由于分片較少，對帶寬的占用還較多，但隨著系統中分片的增加，系統對帶寬的占用成下降趨勢，最終趨于平穩。當出現集中點播時，PSPA系統對帶寬占用基本不變，相對應的C/S模式帶寬占用則出現很大波動。

5 結論

本文提出了一種新的3G流媒體緩存代理PSPA設計，并在其基礎上提出了基于P2P的緩存置換策略。通過仿真實驗可以看出，PSPA與SCOP的結合可以有效減小數據傳輸的延遲，優化代理的儲存空間，使代理負載均衡，降低了對網絡帶寬特別是對移動核心網帶寬的占用。但是實驗也反映出了一些問題，將在后續進一步研究:當兩個簇距離較遠時，數據訪問時間將會延長;當點播冷門節目時，延遲較大，并且緩存命中率降低;中心緩存代理負擔相對較重等。

參考文獻:

[1] Chai Yunpeng，Gu Lei，Li Sanli.Cluster-Based Edge Streaming Server with Adaptive Load Balance in Mobile Grid[J].JOURNAL OF COMPUTER RESEARCH AND DEVELOPMENT，2007，44(12):2136-2146.

[2] YANG Bo，LIAO Jianxin，LV Xinrong，et al.Design and Implementation of Streaming Media Cache System in 3G Network[J].COMPUTER ENGINEERING，2007，33(13):213-215.

[3] Napster[EB/OL].http://www.napster.com/.

[4] Gnutella[EB/OL].http://gnutella.wego.com/.

[5] kazaa[EB/OL].www.kazaa.com.

[6] Cai Qingsong，Li Zimu，Hu Jianping.Study on characterizing streaming media and user access to media on the internet[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2005，31(1):25-30.

[7] Chen Gang，Zhang Weiwen，Wu Guoxin.Replacement Solutions for Streaming Cache on P2P Network[J].JOURNAL OF COMPUTER RESEARCH AND DEVELOPMENT，2007，44(11):1857-1865.