范媛

（中國石油大學(xué)（北京）信息技術(shù)中心，北京102249）

校園視頻點(diǎn)播服務(wù)中一種基于DHT節(jié)點(diǎn)組織的原型系統(tǒng)

范媛

（中國石油大學(xué)（北京）信息技術(shù)中心，北京102249）

針對目前校園網(wǎng)內(nèi)流媒體對等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)目資源的快速增長帶來的查詢效率降低的問題，提出了一種適用于流媒體的分布式散列方法，并且基于該方法建立提出了一種對等網(wǎng)絡(luò)視頻點(diǎn)播的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層次的管理和組織，將底層節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一層隔離，不僅減少了隨意節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)的擾動(dòng)性，還可快速的對節(jié)點(diǎn)以及資源進(jìn)行組織查詢和定位，查詢時(shí)間可通過二分查詢控制在log2N的時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)，使流媒體服務(wù)質(zhì)量得到了保障和提升。

校園網(wǎng)；多媒體原型系統(tǒng)；對等網(wǎng)絡(luò)；流媒體；散列算法

伴隨著網(wǎng)絡(luò)的普及以及多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，視頻點(diǎn)播系統(tǒng)在校園網(wǎng)內(nèi)得到了廣泛的利用，越來越多的視頻課程被上傳至校園網(wǎng)上，點(diǎn)播數(shù)量不斷攀升[1]。傳統(tǒng)的基于視頻服務(wù)器的集中式視頻點(diǎn)播系統(tǒng)雖然具有較為便捷的部署管理方式，但是隨著客戶數(shù)量的增加，服務(wù)器的負(fù)載也會(huì)越來越大，系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量無法得到有效保證，用戶體驗(yàn)會(huì)越來越差[2-3]。

近年來，對等網(wǎng)絡(luò)（Peer to peer，P2P）的出現(xiàn)使得文件共享越來越方便快捷，由于對等網(wǎng)絡(luò)有著非常好的擴(kuò)展性以及自適應(yīng)性，校園網(wǎng)內(nèi)更多的視頻服務(wù)也開始采用基于對等網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)播系統(tǒng)[4]。相較于傳統(tǒng)的基于中央視頻服務(wù)器的點(diǎn)播系統(tǒng)，對等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)載均衡的系統(tǒng)，所有的客戶節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)充當(dāng)服務(wù)器的角色，客戶數(shù)量的增加不會(huì)引起系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的降低，相反，會(huì)讓視頻服務(wù)質(zhì)量更有保障[5-6]。

在對等網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)如何進(jìn)行組織和管理是一道難題，多種節(jié)點(diǎn)組織方式被運(yùn)用在對等網(wǎng)絡(luò)中。其中，由于分布式散列表（Distributed Hash Table，DHT）在組織節(jié)點(diǎn)的同時(shí)可提供一定程度的檢索功能，目前已被廣泛運(yùn)用于P2P網(wǎng)絡(luò)中[7-8]，然而隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，通過DHT進(jìn)行查詢和定位的成本將會(huì)越來越高，極大地制約了檢索效率[9]。

文中構(gòu)建了一種采用DHT算法來進(jìn)行資源和節(jié)點(diǎn)信息管理的流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)MDS（Multimedia DHT based streaming System），有效地降低了數(shù)據(jù)查詢和節(jié)點(diǎn)定位的成本，提高了流媒體系統(tǒng)的響應(yīng)。

1 MDS系統(tǒng)的組建

MDS系統(tǒng)是由多個(gè)MDS節(jié)點(diǎn)群構(gòu)成的層次式流媒體系統(tǒng)。

每個(gè)MDS節(jié)點(diǎn)群均由若干個(gè)具有相似資源的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)群中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)在線時(shí)長以及網(wǎng)絡(luò)狀況被系統(tǒng)區(qū)分為兩種類型的節(jié)點(diǎn)：普通節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)。

1.1 MDS系統(tǒng)中的角色定義

節(jié)點(diǎn)群：由若干個(gè)具有相同特性的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這些節(jié)點(diǎn)擁有相近的網(wǎng)段、節(jié)點(diǎn)之間具有比較高效的數(shù)據(jù)傳輸效率、擁有一些類似的節(jié)目資源等。由于節(jié)點(diǎn)群中所有節(jié)點(diǎn)具有相似性，節(jié)點(diǎn)群中節(jié)點(diǎn)大部分的資源查詢以及數(shù)據(jù)傳輸都可以在節(jié)點(diǎn)群中完成。

中心節(jié)點(diǎn)：根據(jù)一些評判標(biāo)準(zhǔn)，例如節(jié)點(diǎn)的在線時(shí)長、節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀況等，遴選出節(jié)點(diǎn)群中比較穩(wěn)定的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中心節(jié)點(diǎn)，用來充當(dāng)局部查詢服務(wù)器的角色，并將節(jié)點(diǎn)群中的節(jié)點(diǎn)組織起來，而其余節(jié)點(diǎn)稱為普通節(jié)點(diǎn)。

流媒體服務(wù)器：提供整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部分的流媒體數(shù)據(jù)服務(wù)以及整個(gè)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)注冊服務(wù)，向新加入的節(jié)點(diǎn)返回最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)群信息，對節(jié)點(diǎn)群中的中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源調(diào)度。

1.2 節(jié)點(diǎn)的組織

在流媒體系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)的加入和離開會(huì)帶來系統(tǒng)的擾動(dòng)，為了避免這樣的擾動(dòng)所引起的網(wǎng)絡(luò)廣播，降低系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)信息的不可靠性，MDS系統(tǒng)會(huì)在相似的節(jié)點(diǎn)中挑選出一些中心節(jié)點(diǎn)，并通過分布式散列表DHT將這些中心節(jié)點(diǎn)組織在一起，由中心節(jié)點(diǎn)對新加入的節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)的離開進(jìn)行管理，然后通過更適用于流媒體查詢的DHT計(jì)算方法，將節(jié)點(diǎn)群中的普通節(jié)點(diǎn)組織在一起，向普通節(jié)點(diǎn)提供流媒體資源的查詢服務(wù)，從而避免了散列表的頻繁更新帶來的查詢效率下降、等問題[10]。

普通節(jié)點(diǎn)只需要保留中心節(jié)點(diǎn)的信息，在查詢時(shí)通過中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢，既有效地降低了流媒體服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，又由于被遴選出的中心節(jié)點(diǎn)具有比較高的穩(wěn)定性，從而能夠保證查詢效率不會(huì)受到影響。

另外，通過DHT算法也能夠?qū)⒅行墓?jié)點(diǎn)自身有效地組織在一起，并維護(hù)一份局部的中心節(jié)點(diǎn)散列表，用于向其他中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)查詢請求。MDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 流媒體散列算法

一般的DHT算法都是將節(jié)點(diǎn)的特征做一個(gè)散列運(yùn)算來避免系統(tǒng)中的散列沖突[11]。然而，在基于對等網(wǎng)絡(luò)的流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中，由于對流媒體資源有時(shí)限性以及順序性的要求，查詢資源時(shí)需要做到查詢結(jié)果能夠快速返回，資源結(jié)果能夠進(jìn)行快速定位[12]。

針對流媒體系統(tǒng)時(shí)限性的特性，我們在設(shè)計(jì)散列算法時(shí)將用戶流媒體資源的標(biāo)識符tvID，流媒體的起始時(shí)間startTime，系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間curTime，IP地址這4個(gè)向量作為散列函數(shù)的參數(shù)，來提高查詢的準(zhǔn)確性。

普通節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的查詢側(cè)重點(diǎn)不同：普通節(jié)點(diǎn)的查詢更多的傾向于同一節(jié)點(diǎn)群中同一流媒體資源在時(shí)間上的查詢，并且由于視頻資源的特性，這種查詢具有時(shí)序性，用戶只會(huì)查詢后續(xù)的媒體資源；而中心節(jié)點(diǎn)的查詢更多的是針對流媒體節(jié)目源以及節(jié)目源所擁有的資源時(shí)序片段，因此，針對這兩種查詢方式的不同要求，我們對這四個(gè)向量采用了不同的組合來實(shí)現(xiàn)查詢結(jié)果的優(yōu)化。

這4個(gè)向量計(jì)算出的散列值，可以在節(jié)點(diǎn)查詢時(shí)通過散列表進(jìn)行二分查找，在時(shí)間復(fù)雜度log2N下就可以快速查詢到資源信息。

1.4 節(jié)點(diǎn)群的散列組織

節(jié)點(diǎn)群里的所有節(jié)點(diǎn)具有相同的節(jié)目資源，并且通過散列算法經(jīng)由中心節(jié)點(diǎn)組織在一起，如表1所示。為了提高系統(tǒng)響應(yīng)以及資源查詢效率，每個(gè)節(jié)點(diǎn)自身需要從中心節(jié)點(diǎn)獲取一部分最鄰近節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息作為一個(gè)查詢緩存池，節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性的和中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，來更新這個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)信息表。

表1 普通節(jié)點(diǎn)散列函數(shù)

通過節(jié)點(diǎn)群自身的節(jié)點(diǎn)信息表，可以快速的查詢資源信息，并且能夠優(yōu)先選擇同網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)，以及從多個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分段、并行傳輸流媒體資源。如果在節(jié)點(diǎn)群自身的節(jié)點(diǎn)信息表中對所需資源無法查詢到結(jié)果，那么節(jié)點(diǎn)可將查詢信息提交到中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)群或流媒體服務(wù)器進(jìn)行查詢轉(zhuǎn)發(fā)。

1.5 中心節(jié)點(diǎn)的散列組織

不同于普通節(jié)點(diǎn)，由于中心節(jié)點(diǎn)需要頻繁的與流媒體服務(wù)器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)組織信息以及查詢信息的交換，所以中心節(jié)點(diǎn)在選取時(shí)需要更多的考慮節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，也就是節(jié)點(diǎn)的在線時(shí)長以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

類似于普通節(jié)點(diǎn)的組織，中心節(jié)點(diǎn)也可以通過散列表組織在一起，如表2所示。流媒體服務(wù)器在為新加入節(jié)點(diǎn)分配中心節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)優(yōu)先考慮節(jié)點(diǎn)所需資源在時(shí)間以及網(wǎng)段上更接近的，也就是endTime、startTime、IP Address更符合節(jié)點(diǎn)要求的中心節(jié)點(diǎn)。

表2 中心節(jié)點(diǎn)散列函數(shù)

每個(gè)中心節(jié)點(diǎn)也會(huì)保存一部分系統(tǒng)中其他中心節(jié)點(diǎn)的信息表，當(dāng)節(jié)點(diǎn)群內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的查詢需求無法獲得滿足時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)需要將查詢請求轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的其他中心節(jié)點(diǎn)或者流媒體服務(wù)器進(jìn)行查詢。

1.6 流媒體服務(wù)器

在MDS系統(tǒng)中，流媒體服務(wù)器需要承擔(dān)下列工作：

1）數(shù)據(jù)傳輸：響應(yīng)不同的客戶請求，傳輸相應(yīng)的流媒體數(shù)據(jù)；

2）新節(jié)點(diǎn)注冊：當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)加入到系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)度者，需要將新加入節(jié)點(diǎn)注冊到最匹配的中心節(jié)點(diǎn)，加入到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)群；

3）節(jié)點(diǎn)調(diào)配：當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要改變點(diǎn)播節(jié)目，此時(shí)需要向流媒體服務(wù)器發(fā)出點(diǎn)播變更需求以進(jìn)行中心節(jié)點(diǎn)切換，流媒體服務(wù)器需要根據(jù)當(dāng)前的點(diǎn)播需求，提供出符合條件的中心節(jié)點(diǎn)信息。

2 MDS原型系統(tǒng)

如上所述的MDS節(jié)點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計(jì)出了MDS原型系統(tǒng)，如圖2所示為MDS原型系統(tǒng)框架。

圖2 MDS原型系統(tǒng)框架

2.1 數(shù)據(jù)模塊

數(shù)據(jù)模塊主要功能如下：

向流媒體服務(wù)器發(fā)起加入MDS系統(tǒng)的請求，接收從流媒體服務(wù)器返回的中心節(jié)點(diǎn)信息，并將中心節(jié)點(diǎn)信息反饋給管理模塊。

2.2 數(shù)據(jù)緩存區(qū)

用于流媒體數(shù)據(jù)的交換，可作為客戶端接收、保存從其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的流媒體數(shù)據(jù)，也可作為服務(wù)節(jié)點(diǎn)將保存的流媒體數(shù)據(jù)發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)；

2.3 管理模塊

管理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸整合以及與中心節(jié)點(diǎn)的通訊。

1）向中心節(jié)點(diǎn)提交數(shù)據(jù)請求，根據(jù)中心節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)信息，向多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)起請求，建立數(shù)據(jù)模塊和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系；

2）和中心節(jié)點(diǎn)周期性的進(jìn)行通信，維持自身的節(jié)點(diǎn)信息資源表；

3）負(fù)責(zé)將接收的流媒體信息進(jìn)行整合、播放；

2.4 流媒體服務(wù)器

流媒體服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)下列功能：

管理新加入節(jié)點(diǎn)的注冊信息；對系統(tǒng)中的中心節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行維護(hù)；接收中心節(jié)點(diǎn)的查詢請求；對流媒體服務(wù)請求進(jìn)行應(yīng)答以及流媒體數(shù)據(jù)傳輸。

3 流媒體數(shù)據(jù)點(diǎn)播流程

3.1 節(jié)點(diǎn)的注冊

新節(jié)點(diǎn)加入系統(tǒng)步驟如下：

1）新節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模塊向流媒體服務(wù)器提交數(shù)據(jù)請求；

2）流媒體服務(wù)器向數(shù)據(jù)模塊返回中心節(jié)點(diǎn)信息；

3）管理模塊與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，向中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注冊；

4）中心節(jié)點(diǎn)返回與新節(jié)點(diǎn)匹配的部分節(jié)點(diǎn)信息表，完成新節(jié)點(diǎn)注冊。

3.2 數(shù)據(jù)的查詢與傳輸

MDS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的查詢與傳輸步驟如下：

1）管理模塊定期與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，對自身保存的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行更新；

2）節(jié)點(diǎn)通過自身的節(jié)點(diǎn)信息表進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，如果無所需信息，將查詢請求提交給中心節(jié)點(diǎn)，等待返回；

3）對返回的查詢結(jié)果中的節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)信息發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求；

4）節(jié)點(diǎn)與流媒體服務(wù)器以及其他節(jié)點(diǎn)建立傳輸連接，接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，完成數(shù)據(jù)傳輸；

5）普通節(jié)點(diǎn)將自身擁有的資源信息更新到中心節(jié)點(diǎn)；

6）節(jié)點(diǎn)響應(yīng)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請求，發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 中心節(jié)點(diǎn)的遴選和建立

當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以設(shè)立中心節(jié)點(diǎn)：

1）在具有相似節(jié)目資源的節(jié)點(diǎn)中，由流媒體服務(wù)器對所有節(jié)點(diǎn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)能力值，并挑選出能力值最大的節(jié)點(diǎn)。能力值的計(jì)算可根據(jù)節(jié)點(diǎn)的在線時(shí)長，網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行加權(quán)計(jì)算；

2）對所有參與能力值計(jì)算的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中心節(jié)點(diǎn)更換通知；

3）節(jié)點(diǎn)在中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注冊。

3.4 中心節(jié)點(diǎn)的更換

當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)退出時(shí)，或者中心節(jié)點(diǎn)由于網(wǎng)絡(luò)帶寬下降導(dǎo)致能力值降低時(shí)，需要進(jìn)行中心節(jié)點(diǎn)的更換，步驟如下：

1）流媒體服務(wù)器對原節(jié)點(diǎn)群中的所有節(jié)點(diǎn)暫時(shí)接管；

2）流媒體服務(wù)器將所有臨時(shí)接管的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)群的重新分配，將符合條件的節(jié)點(diǎn)加入到已有的節(jié)點(diǎn)群中；

3）對剩余的節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行中心節(jié)點(diǎn)的遴選，挑選出新的中心節(jié)點(diǎn)；

4）將新遴選出的中心節(jié)點(diǎn)信息向剩余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播；

5）完成剩余節(jié)點(diǎn)在新中心節(jié)點(diǎn)的注冊。

4 結(jié)束語

MDS系統(tǒng)通過基于DHT算法的節(jié)點(diǎn)群與中心節(jié)點(diǎn)的組織，有效的利用了校園網(wǎng)內(nèi)流媒體客戶端的空閑資源，較好地緩解了流媒體服務(wù)器的壓力，其系統(tǒng)構(gòu)架具有以下特點(diǎn)：

穩(wěn)定性：通過節(jié)點(diǎn)群的組織方式，做到了將節(jié)點(diǎn)注冊系統(tǒng)和退出系統(tǒng)時(shí)的隨意性進(jìn)行了比較好的隔離，避免了單個(gè)節(jié)點(diǎn)對整個(gè)系統(tǒng)的擾動(dòng)，使得節(jié)點(diǎn)信息的可靠性得到了顯著的提升，對于整個(gè)流媒體系統(tǒng)來說，其穩(wěn)定性也得到了充分的保障；

可靠性：所有普通節(jié)點(diǎn)都通過中心節(jié)點(diǎn)聯(lián)系在一起，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)退出時(shí)，流媒體服務(wù)器會(huì)暫時(shí)進(jìn)行接管，并挑選出下一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)或?qū)?jié)點(diǎn)群進(jìn)行分拆合并，保證了系統(tǒng)不會(huì)受到中心節(jié)點(diǎn)退出的影響；

高效性：通過針對于流媒體數(shù)據(jù)查詢設(shè)計(jì)的分布式散列算法，提高了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)查詢操作的效率，節(jié)點(diǎn)的查詢請求可以在log2N的時(shí)間內(nèi)獲得快速響應(yīng)；

可擴(kuò)展性：MDS系統(tǒng)的這種分布式散列的節(jié)點(diǎn)組織方式不僅可以適用于流媒體系統(tǒng)，對于文件共享系統(tǒng)只要選取好相應(yīng)的散列函數(shù)算法，依然可以適用。

綜上所述，MDS系統(tǒng)解決了流媒體系統(tǒng)中組織和查詢這兩個(gè)主要問題。然而，仍然有多個(gè)問題需要進(jìn)行更深入、細(xì)致的研究，例如：如何合理的采用激勵(lì)機(jī)制，讓整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率得到進(jìn)一步的提升，更充分的將用戶的閑置資源利用起來[13-14]；如何保護(hù)版權(quán)數(shù)據(jù)，避免用戶在流媒體數(shù)據(jù)信息未經(jīng)版權(quán)方授權(quán)的情況下，將數(shù)據(jù)資源進(jìn)行保存等[15-16]。

[1]沈時(shí)軍，李三立.基于P2P的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)綜述[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2010（4）:613-624.

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A prototype system based on DHT node organization in campus video on demand service

FAN Yuan
（Information Technology Center，China University of Petroleum?Beijing，Beijing102249，China）

Aiming at the fast growth of media resource and the decrease of query efficiency in peer?topeer network，a distributed hash method built to streaming media is proposed.Based on this method，this system organizes nodes in layers，which not only reduces the perturbation of the random nodes to the system，but also quickens the speed of the system.The query time should be controlled by the binary in the log2Ntime complexity.The streaming media quality of service will be protected and enhanced.

campus network；multimedia system；peer to peer network；streaming media；DHT

TN919.85

A

1674-6236（2017）22-0186-04

2016-11-14稿件編號：201611110

范媛（1980—），女，河北南和人，碩士，工程師。研究方向：高校辦公自動(dòng)化，校園網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)。