基于SVC分層匹配度的異構網絡節點選擇算法

唐朝偉，時 豪，周 旭，白 帆，趙志峰，嚴 鳴

(1. 重慶大學通信工程學院，重慶 40004 4；2. 中國科學院聲學研究所高性能網絡實驗室，北京 100190；3. 華數傳媒網絡有限公司，杭州 31000 7)

基于SVC分層匹配度的異構網絡節點選擇算法

唐朝偉1，時 豪1，周 旭2，白 帆2，趙志峰3，嚴 鳴1

(1. 重慶大學通信工程學院，重慶 40004 4；2. 中國科學院聲學研究所高性能網絡實驗室，北京 100190；3. 華數傳媒網絡有限公司，杭州 31000 7)

隨著移動互聯網和三網融合的興起，網絡帶寬及終端異構性造成所選節點視頻和請求節點的終端能力不匹配。為此，提出一種基于可擴展視頻編碼(SVC)分層匹配度的節點選擇算法。在異構網絡背景下，綜合考慮節點帶寬和鏈路往返時延，將SVC分層層數和網絡接入類型相結合。實驗結果表明，與隨機選擇算法相比，該算法使得所選節點的SVC視頻分層數與請求節點終端處理能力有較高的匹配度(固網、無線、3G接入網絡類型所對應的匹配度分別為77.8，72.2，88.9)，并且具有較高的終端平均服務能力(PC為110、筆記本為78.3、手機為38.3)。

節點選擇；對等網絡；可擴展視頻編碼；異構網絡；可擴展視頻編碼分層匹配

1 概述

隨著移動互聯網的普及，異構網絡得到了長足的發展。所謂異構網絡包括網絡的異構和終端的異構2個方面，網絡的異構體現在接入網絡帶寬、時延和丟包率等方面的不同，而終端的異構則是指分辨率、CPU速度、碼率等方面的不同，終端主要是指筆記本、智能手機或者其他智能終端、PC等。

目前，對異構網絡提供流媒體服務的傳統做法是對同一內容多次編碼，產生具有不同碼率的多個視頻，根據用戶的接入網帶寬、用戶的碼率接受不同的視頻。這種做法降低了數據的共享率。為了解決該問題，出現了可擴展視頻編碼(Scalable Video Coding, SVC)[1]技術與P2P的結合。SVC的視頻數據分為一個基礎層和若干個增強層，基礎層提供最基本的觀看質量，增強層在時間、空間和質量3個維度上擴展視頻的質量。在解碼視頻流時，基礎層要遠比增強層重要[2]。

傳統的peer選擇策略多集中在固網或者3G網絡中的peer選擇策略上，針對忽略節點上傳帶寬異構性，低上傳帶寬節點和高上傳帶寬節點具有同樣數目的鄰居節點，選擇上傳帶寬低的節點將造成帶寬瓶頸[3]，隨機選擇會造成2個鄰居節點相距較遠。在進行peer選擇時，以選擇地理位置上最近距離的peer為最優[4]，僅考慮地理位置上的peer選擇算法顯然不適合異構網絡。在基于固網的peer選擇方面，目前的研究集中在流量本地化方面[5-8]，即選擇peer時，盡量將同一個ISP內的peer返回給請求peer，以減少P2P的網間流量。在3G蜂窩網絡的移動P2P網絡中[9-10]，傳統的peer選擇策略不適合3G蜂窩網絡的結構特征，由此不僅把peer的上行帶寬考慮進去，而且將蜂窩的流量負載也考慮進去。然而考慮到異構網絡時，同一個ISP服務商可能提供多個不同類型的接入網類型，不能在某一類型的接入網絡中將流量進行簡單的本地化。

考慮到SVC視頻數據，基礎層的數據重要性要高于增強層數據，因此，為重要性較高的分片選擇上傳能力較強的peer可以更好地保障視頻的播放質量。文獻[11]和文獻[2]都是優先保證重要性高的基礎層數據的下載，文獻[12]提出客戶端測量到各鄰居節點的RTT，并選擇RTT值小、且緩存的增強層數目比自身請求分層數目多的節點進行數據共享。但此類策略只是考慮單一指標，如數據傳輸率、RTT值，就有可能造成有的節點數據傳輸率大，但是RTT也大，或者RTT小，數據傳輸率也小，這樣不能更好地保障重要性高的基礎層優先傳輸。

本文綜合考慮節點帶寬和鏈路往返時延，并結合SVC分片與請求peer自身服務能力，提出了一種異構P2P網絡中基于SVC匹配度的節點選擇算法。

2 基于SVC分層匹配度的peer選擇算法

首先給出異構網絡的結構如圖1所示，然后根據異構接入網能力(帶寬，時延)將peer分類：將連接到相同類型接入網的peer歸為一類，有些peer雖然不通過同一接入網但是具有相似的能力(如帶寬和時延)，將這樣的peer也歸為一類，本文借鑒分類方法將peer按照接入網類型分為

3類[7]，分別是Class3(有線用戶)、Class2(WLAN用戶)、Class1(3G用戶)，并且將節點的服務能力進行排序[13]，對不同終端用戶上部署與終端自身CPU處理能力、解碼能力、屏幕尺寸相適應的SVC分層，比如有線用戶的CPU處理能力相對比較高，則假定有線用戶上除了部署有基礎層外，還有與其能力相適應的增強層1及增強層2，WLAN用戶相對有線用戶只有基礎層和增強層1，3G網絡用戶由于CPU處理能力、解碼能力、屏幕尺寸的原因則僅有基礎層。

圖1 基于P2P系統的異構網絡結構

2.1 基于SVC的視頻數據傳輸框架

在優先選擇同一接入網類型的前提下，根據P2P網絡選擇不同的peer發送SVC的不同層，見圖2，能力強的節點為能力次之的節點提供基礎層及較低增強層的上傳。

圖2 基于SVC的P2P視頻點播數據傳輸框架

假設用戶的SVC數據類型分布為：有線用戶(基礎層、增強層1、增強層2)，WLAN用戶(基礎層、增強層1)，3G網絡用戶(僅基礎層)。這樣在peer向Tracker發送下載SVC數據請求時，優先選擇同一接入網類型的peer。例如：當WLAN用戶向Tracker請求SVC視頻數據時，優先選擇(選擇占總返回數目比例為β)WLAN網絡，這樣就能得到與WLAN用戶相適應的基礎層、增強層1，當WLAN類型peer數量不足時，再返回有線網絡接入類型的peer返回給該WLAN用戶，使得WLAN用戶可以獲得WLAN用戶和有線用戶提供的基礎層及適合自己能力的增強層1。

2.2 備選peer的SVC分層匹配度

設含有請求客戶端所請求視頻數據的節點為備選節點pi，接入網類型有3種選擇，請求節點的接入類型為m＞0，同時與該類型能力相匹配SVC分層數目為m，即按照異構終端的視頻播放和解碼能力將節點的SVC分層層數與接入類型相對應，設置接入類型和分層數目都是m。返回節點的類型為n＞0，與該類型能力相匹配SVC分層數目為n，這樣返回節點時，SVC能力因子為n/m，當備選pi和請求pj是同一接入網類型的節點時，令SVC分層匹配度pij=1，否則為0：

請求節點需要返回n(n＞0)個peer為請求peer提供下載服務，服務準則為L：

顯然，L值越大，則表明在Tracker返回給請求客戶端的n個peer中，這些peer中所包含的SVC分片與請求客戶端自身能力匹配度越高。

2.3 節點的性能指標評定

為了考察節點帶寬和鏈路時延的異構性，以Bp表示為節點p所能提供給請求節點的最大上傳帶寬，Dp為節點p到請求節點的鏈路時延，這樣節點p的服務能力就可以描述為：

其中，α為常量(0＜α＜1)，表示鏈路時延Dp在節點性能中所占的權重，可以根據需要進行修改。高性能的節點表示這些節點能提供較高的上傳帶寬，且有相對比較低的鏈路時延。

若某一類型的終端數目為k，每個終端的服務能力為Aj(1≤j≤k)，對每種終端請求SVC視頻數據時，用平均Ap值來評估所返回終端的平均服務能力，終端的平均服務能力如下所示：

結合接入網類型和節點上傳帶寬，提出一種基于上傳帶寬的接入網優先的peer選擇策略。在Tracker服務器端，節點在加入網絡的同時將自己的上傳帶寬報告至Tracker，Tracker服務器根據請求peer的上傳帶寬對服務器中所有peer按照Ap值排序[13]，如圖3所示。

圖3 Ap值排序

2.4 Trac ker端peer選擇算法

傳統異構網絡解決方案是對同一內容多次編碼，產生具有不同碼率的多個視頻，根據用戶接入網的帶寬、用戶的碼率接受不同的視頻。這種做法降低了數據的共享率。引入SVC到P2P網絡后，Tracker的返回策略不同于BitTorrent協議中的隨機選擇策略，而是應該優先選取與請求節點屬于同一網絡類型，以便使SVC分層匹配度最高。若該類型中的peer數量不能滿足請求節點所需的數量，則從緩存的增強層數目比自身請求分層數目多的peer中選擇，即將接入網類型高于請求peer類型的peer作為補充peer，然后在這些補充peer中選擇peer能力比較高的peer作為上傳節點。

基于異構網絡處理SVC不同層的特性，結合peer選擇策略，給出Tracker端的peer選擇策略。

從m個peer中選擇k個(0＜k＜m)peer返回給請求peer：

(1)將節點按照性能指標值Ap由小到大排序(見圖3)。

(2)當有peer向Tracker請求SVC視頻數據時，由Tracker判別該Peer的接入網類型。

(3)選擇在Ap值排序中排在前k(0＜k)個節點，且這些節點的接入網類型和請求節點的接入網絡類型相同，以保證SVC分層匹配度L的最大。

(4)若同一類型中符合條件的節點數目不足k個，則從緩存的增強層數目比自身請求分層數目多的peer中選擇，即在接入網類型高于請求peer類型中選取。

(5)若依然不足，則從接入網類型低于請求peer類型中選擇peer。

3 實驗結果與分析

針對基于SVC的異構網絡，搭建了一套客戶端-服務器仿真平臺，在仿真環境中，實驗環境包括3種接入類型的終端用戶。3種接入網分別為有線、WLAN、3G。其網絡參數配置見表1。實驗中3種類型的終端數目相等，比例為3:1:2，在表1中給出3個類，以及它們所對應的網絡，并給出帶寬。

表1 3類接入網的底層參數配置

對不同終端用戶上部署與終端自身CPU處理能力、解碼能力、屏幕尺寸相適應的SVC分層，比如有線用戶的CPU處理能力相對比較高，則假定有線用戶上除了部署有基礎層外，還有與其能力相適應的增強層1及增強層2，WLAN用戶相對有線用戶只有基礎層和增強層1，3G網絡用戶由于CPU處理能力、解碼能力、屏幕尺寸的原因則僅有基礎層。這樣有線用戶、WLAN用戶、3G用戶上的SVC分層層數分別為3層、2層、1層，為了處理方便，假設客戶端的3種接入類型分別為Class3(有線用戶)、Class2(WLAN用戶)、Class1(3G用戶)。

為保證質量自適應，PC機上有3種分層，分別為基礎層(B0)、增強層E1、增強層E2；大屏幕的筆記本有2層，即基礎層(B0)、增強層E1，小屏幕尺寸的手機只能選擇接收與自己能力相適應的基礎層(B0)，為實驗簡單處理，假設PC只通過有線網絡接入，筆記本電腦通過WLAN接入，手機對應的接入類型為3G，終端的具體信息如表2所示。

表2 終端的接入方式及SVC分層信息

在實驗中，請求節點類型分別為有線、WLAN、3G，對于每種類型的請求節點分別做測試，并和隨機選擇算法作對比，2類節點選擇模型的實驗結果對比如表3所示，Random-Select表示隨機選擇算法，SVC-Match-Select表示本文算法。

表3 S VC匹配度對比 %

在對2類節點選擇模型的實驗過程中，當請求終端分別為PC、筆記本、手機時，對每種終端請求SVC視頻數據，用平均Ap值來評估Tracker所返回終端的平均服務能力，終端的平均服務能力如式(4)所示，實驗結果對比如表4所示。

表4 T racker返回終端平均服務能力對比

表4 T racker返回終端平均服務能力對比

類別 PC 筆記本 手機Random-Select 15 37.0 46.6 SVC-Match-Select 110 78.3 38.3

由圖4可以看出，本文節點選擇算法SVC匹配度比隨機節點選擇算法的匹配度高，這樣針對不同類型的客戶端，其Tracker將返回與其自身能力更加相適應的分層，造成這一現象的原因在于匹配度節點返回策略考慮到了節點的接入類型，并將節點的SVC分層層數與接入類型相對應；而隨機策略則沒有考慮，使得用戶所獲得的SVC分層與用戶自身能力不相匹配。并且從圖5中可以看出，只有在請求客戶端為手機終端時，隨機選擇算法Tracker返回的終端平均服務能力才比SVC-Match算法的終端平均服務能力高，這是由于Random-Select算法的隨機性決定的，而對于PC終端和筆記本終端來說，SVC-Match算法的Tracker所返回終端的平均服務能力要遠比Random-Select平均服務能力高，綜合評定來看，本文算法使得SVC分層數與peer終端處理能力具有較好的質量適應性及較高的終端服務能力。

圖4 S VC分層匹配度對比

圖5 終端平均服務能力對比

4 結束語

本文提出一種基于SVC分層匹配度優先的異構網絡節點選擇算法。為保障異構網絡環境中Tracker返回給請求節點的SVC分層與其自身能力有更好的適應性，利用SVC分層匹配度，對請求節點的接入網絡類型和資源節點的SVC分層數目進行匹配，該策略分為優先選擇與請求peer同一網絡類型中的peer及節點性能排序2個階段。最后通過本文搭建的客戶端-服務器仿真平臺進行測試。實驗結果表明，相比傳統的Random-Select，本文算法使得SVC分層數與peer終端處理能力有較高的匹配度，且終端具有較高的平均服務能力。下一步工作重點是研究如何更加全面地評估終端節點服務能力的指標，如電池容量參數、屏幕大小、節點的逗留時間等，優化異構環境節點選擇算法，提高資源管理效率。

[1] Schwarz H, Marpe D, Wiegand T. Overview of the Scalable Video Coding Extension of the H.264/AVC Standard[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for V ideo Technology, 2007, 17(9): 1103-1119.

[2] Mushtaq M, Ahmed T. Smooth Video Delivery for SVC Based Media S treaming over P2 P Networks[C]//Proc. of the 5th IEEE Consumer Communications and Networking Conference. Las Vegas, USA: [s. n.], 2008: 447-451.

[3] Maghareia N, Rejaie R. PRIME: Peer-to-Peer Receiver-driven Mesh-based Streaming[C]//Proc. of IEEE International Conference on Com puter Communic ations. Anchora ge, USA: [s. n.], 2007: 1415-1423.

[4] Q ureshi A. Exploring Proxi mity B ased Peer Selection in a BitTorrent-like Protocol[EB/OL]. (2004-05-0 6). http://pdos. csail.mit.edu/6.824-2004/reports/asfa-ndyar.pdf.

[5] Ouyang Rong, Cao Hui. A Novel Peer Selection Algorithm to Reduce BitTorrent-like P2P T raffic B etween Netw orks[C]// Proc. of International Conference on Information Technology and Computer Science. Kiev, Ukraine: [s. n.], 2009: 397-401.

[6] Wang Chaojiong, Wang Ning, Howarth M. An Adaptive Peer Selection Scheme with Dynamic Network Condition Awareness[C]//Proc. of IEEE In ternational Conf erence o n Communications. Dresden, Germany: [s. n.], 2009: 1-5.

[7] Lin Feng, Liu Qinju, Zheng Lina. An Effective Network-aware Peer Selection Algorithm in B itTorrent[C]//Proc. of the 5th International C onference on Intelligent Informati on Hiding and Multimedia Signal Processing. Kyoto, Japan: [s. n.], 2009: 418-421.

[8] 陳興蜀, 林大云, 王文賢. P 2P節點智能選擇機制的研究與實現[J]. 計算機應用, 2011, 31(2): 293-297.

[9] Zhang Yan, Zhou Xu. Pe er Selection in M obile P2P Systems over 3G Cellular Networks[C]//Proc. of IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops. Seattle, USA: [s. n.], 2011: 467-470.

[10] 張 棪, 周 旭, 劉書浩. 基于3G網絡的P2P系統中基于模糊認知圖的小區優先節點選擇算法[J]. 電信科學, 20 11, 22(1): 63-69.

[11] Asioli S. Efficient Scalable Video S treaming over P2P Network[C]//Proc. of the 1st International Confe rence on UCMedia. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 2010: 153-160.

[12] Zhang Gui, Yuan Chun. Self-adaptive Peer-to-Peer Streaming for Heterogeneous Networks Using Scalable Video Coding[C]//Proc. of International Conferenc e on Communication Technology. Nanjing, China: [s. n.], 2010: 1390-1393.

[13] Zhang Jianwei, Xing W ei, Lu Dongming. Tracker Algorithm Based on Upload Capacity in BitTorrent Network[C]//Proc. of International Co nference o n Computer Science and S ervice System. Nanjing, China: [s. n.], 2011: 3792-3795.

編輯 任吉慧

Peer Selection Algorithm of Heterogeneous Network Based on SVC Layering Matching Degree

TANG Chao-wei1, SHI Hao1, ZHOU Xu2, BAI Fan2, ZHAO Zhi-feng3, YAN Ming1

(1. College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. High Performance Network Lab, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 3. WaSu Media Network Limited Company, Hangzhou 310007, China)

The rise of the mobile Internet and tri-ne tworks integration brings a huge challenge to select resource peer for the requesting peer services in the Peer to Peer(P2P) streaming system. The video of the selected peer does not match terminal capabilities of the requesting peer b ecause of network band width and terminal hete rogeneity. To solve this problem, a peer selection algorithm based on Scalable Video Coding(SVC) la yering matching degree is propos ed. Under the b ackground of heterogeneous n etwork, this algorithm combines the S VC layering lay ers and network access types, with a comprehensive consideration of p eer bandwidth and link round-trip delay. Experimental results show that compared with the ran dom selection algorithm, this algorithm contributes to a higher degree of matching SVC v ideo layer of the selected peer with the termin al handling capacity of the requesting peer(the corresponding matc hing degrees of fixed network, wireless, 3G access network are 77.8, 72.2, and 88.9) and a higher terminal average service(PC is 110, notebook is 78.3, and mobile is 38.3).

peer selection; Peer to Peer(P2P) ne twork; Scalable Video Coding(SVC); heterogeneous network; Scalable Video Coding (SVC) layering matching

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.05.012

國家自然科學基金資助項目“異構環境下基于可擴展視頻編碼P2P流媒體關鍵技術研究”(61102076/F010201)；國家發改委云計算示范工程基金資助項目“面向三網融合的媒體云綜合運營系統建設”。

唐朝偉(1966－)，男，研究員、博士后，主研方向：移動互聯網，互聯網應用支撐技術，異構網絡；時 豪，碩士研究生；周 旭，副研究員、博士；白 帆，助理研究員、碩士研究生；趙志峰，博士；嚴 鳴，碩士研究生。

2013-02-22

2013-04-22E-mail：haoruifly@163.com

1000-3428(2014)05-0054-05

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TP393.02

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