多方合作对等视频成流.pdf

描述了一种用于传送数据的方法和设备，包括：将数据流划分为多个子流；建立该多个子流在多个发送设备当中的分配；使该多个发送设备能根据该分配同时开始传送该多个子流；以及调整该分配。

1.  一种传送数据的方法，所述方法包括：
将数据流划分为多个子流；
建立所述多个子流在多个发送设备当中的分配；
使所述多个发送设备能根据所述分配同时开始传送所述多个子流；以及
调整所述分配。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述调整动作还包括：
监控所述多个发送设备的传送质量；
基于所述多个发送设备的传送质量，对所述多个发送设备进行排序；以及
在所述多个发送设备中具有较差传送质量的设备与所述多个发送设备中具有较好传送质量的设备之间交换预定数量的子流。

3.  根据权利要求2所述的方法，还包括：
从所述多个发送设备中选择预定数量的所述具有较好传送质量的设备，其中所选的、具有较好传送质量的设备被表示为强发送设备；以及
从所述多个发送设备中选择相等数量的具有较差传送质量的设备，其中所选的、具有较差传送质量的设备被表示为弱发送设备，此外，其中所选强发送设备的所述预定数量小于所述多个发送设备数量的一半。

4.  根据权利要求3所述的方法，其中所述交换动作还包括：
请求所述强发送设备在预定时段中传送先前分配给所述弱发送设备的附加子流；
测量和记录传送所述附加子流的所述强发送设备的传送质量；以及
将所述附加子流从所述弱发送设备移至在所述预定时段后继续具有较好传送质量的所述强发送设备。

5.  根据权利要求3所述的方法，还包括：
使权重与所述强发送设备和所述弱发送设备之间的每条链路相关联，所述权重反映了所述交换动作的增益；以及
基于使所述权重的和最大化，在所述强发送设备与所述弱发送设备之间执行所述交换动作。

6.  根据权利要求1所述的方法，其中所述多个发送设备是对等网络的成员，此外，多个接收设备中的接收设备是所述对等网络的成员。

7.  根据权利要求2所述的方法，其中子流的所述预定数量大于所述多个发送设备的数量。

8.  根据权利要求5所述的方法，其中所述对等网络的带宽是非对称的，所述接收设备具有足够的带宽，以便以大于或等于所述多个发送设备的组合速率的速率接收所述数据流。

9.  根据权利要求1所述的方法，其中所述数据流的所述分组是大小相等的。

10.  根据权利要求1所述的方法，其中每个子流都由每预定数量子流的一个分组组成。

11.  根据权利要求1所述的方法，其中每个发送设备都具有所述数据流，所述数据流在每个发送设备处被存储为大小相等的分组的集合。

12.  根据权利要求1所述的方法，其中所述分组具有指示其在所述数据流中位置的序列编号。

13.  根据权利要求1所述的方法，其中所述内容流是视频数据流。

14.  根据权利要求2所述的方法，其中所述交换动作以预定时间间隔发生，所述预定时间间隔是配置参数。

15.  根据权利要求14所述的方法，其中所述预定时间间隔足够短以捕获带宽变化，且足够长以避免不必要的开销，所述预定时间间隔被表示为出现时间。

16.  根据权利要求5所述的方法，其中与每条链路相关联的所述权重由下式给出：
w ij = [ ( n i s + 1 N q ~ i s + n j w - 1 N q j w ) - ( n i s N q i s + n j w N q j w ) ] + , ]]>
其中，表示第i个强发送设备所携带的子流的数量，表示第j个弱发送设备所携带的子流的数量。

17.  一种用于传送数据的系统，包括：
用于将数据流划分为多个子流的装置；
用于建立所述多个子流在多个发送设备当中的分配的装置；
用于使所述多个发送设备能根据所述分配同时开始传送所述多个子流的装置；以及
用于调整所述分配的装置。

18.  根据权利要求17所述的系统，其中所述用于调整的装置还包括：
用于监控所述多个发送设备的传送质量的装置；
用于基于所述多个发送设备的传送质量对所述多个发送设备进行排序的装置；以及
用于对所述多个发送设备中具有较差传送质量的设备与所述多个发送设备中具有较好传送质量的设备之间的预定数量的子流进行交换的装置。

19.  根据权利要求18所述的系统，还包括：
用于从所述多个发送设备中选择预定数量的所述具有较好传送质量的设备的装置，其中所选的、具有较好传送质量的设备表示为强发送设备；以及
用于从所述多个发送设备中选择相等数量的具有较差传送质量的设备的装置，其中所选的、具有较差传送质量的设备表示为弱发送设备，此外，其中所选强发送设备的所述预定数量小于所述多个发送设备数量的一半。

20.  根据权利要求19所述的系统，其中所述用于交换的装置还包括：
用于请求所述强发送设备在预定时段中传送先前分配给所述弱发送设备的附加子流的装置；
用于测量和记录传送所述附加子流的所述强发送设备的传送质量的装置；以及
用于将所述附加子流从所述弱发送设备移至在所述预定时段后继续具有较好传送质量的所述强发送设备的装置。

21.  根据权利要求19所述的系统，还包括：
用于使权重与所述强发送设备和所述弱发送设备之间的每条链路相关联的装置，所述权重反映了所述交换动作的增益；以及
用于基于使所述权重的和最大化在所述强发送设备与所述弱发送设备之间执行所述交换动作的装置。

22.  根据权利要求17所述的系统，其中所述多个发送设备是对等网络的成员，此外，其中多个接收设备中的接收设备是所述对等网络的成员。

23.  根据权利要求22所述的系统，其中所述发送设备中的每个都还包括：
控制消息监听器；
子流信息数据库；以及
数据泵。

24.  根据权利要求23所述的系统，其中所述控制消息监听器持续监控来自所述接收设备的输入控制消息。

25.  根据权利要求24所述的系统，其中当新控制消息从所述接收设备中的一个到达时，接收所述新控制消息的所述发送设备更新所述子流信息数据库。

26.  根据权利要求23所述的系统，其中所述数据泵基于所述子流信息数据库中的信息来传送所述子流。

27.  根据权利要求22所述的系统，其中所述接收设备还包括：
多个数据接收器，每个数据接收器都专用于从所述发送设备中的一个接收子流数据；
成流协调器；以及
控制消息发送器。

28.  根据权利要求27所述的系统，其中每个数据接收器都收集与其相关联的发送设备的成流质量度量，其中所述成流质量度量是按时到达的所述子流的所述分组的百分比。

29.  根据权利要求28所述的系统，其中所述成流协调器将来自所述发送设备的成流相协调，此外，其中所述成流协调器监控从所述发送设备中的每一个接收到的所述成流质量度量，并动态调整由所述发送设备周期性传送的子流的数量。

30.  根据权利要求27所述的系统，其中所述控制消息发送器基于来自所述成流协调器的输入来创建控制消息，并将所述控制消息传送到所述发送设备。

多方合作对等视频成流
技术领域
本发明总体上涉及联网，具体涉及一种用于视频内容成流(streaming)的对等(P2P)网络。
背景技术
提出了对等(P2P)连网以支持互联网上的视频内容成流业务。用客户端和服务器功能实现每个对等端。该对等端接收内容，对内容进行高速缓存，并将该内容成流传送至其他对等端。由于对等端的贡献，系统总体上可以支持比传统的客户端-服务器业务模型更多的用户。
在当前的互联网中，大量的对等端使用具有非对称上载/下载带宽的ADSL或高速线缆调制解调器。下载带宽通常比上载带宽大得多。因此，虽然对等端可以具有足够的带宽以接收成流的内容，但这些对等端的上载带宽不足以大到支持其他对等端。非对称带宽问题极大地影响了P2P视频内容成流业务的效果。
某些现有技术试图提供来自多个源的成流业务。某些现有技术在分组级执行工作负荷调整。其他现有技术方案将对等端间的连接/链路建模为马尔可夫链。另外的现有技术方案采用概率途径来解决动态子流调整问题。
发明内容
本发明提供了一种机制，允许用户集合(此处表示为发送对等端)向另一用户(表示为接收对等端)合作提供成流业务，即使是在单独发送对等端的上载带宽不足以将内容成流至接收对等端的情况下。本发明的方法和设备可解决对等视频成流业务中遇到的非对称带宽问题。此处所用的对等端包括节点、视频回放设备、个人数字助理(PDA)、包括膝上型计算机在内的计算机、以及任何其他能在对等网络中发送和接收内容的设备。
本发明是一种使具有非对称带宽的对等端能合作贡献带宽的多方合作P2P成流方法。本发明的要点是：允许多个发送对等端合作将内容成流至接收对等端，以使发送对等端的总上载带宽大于所需成流带宽，从而解决了非对称带宽问题。
描述了一种多方合作成流方法和设备，包括：将内容流的分组划分为子流；在发送对等端当中均匀地分配用于传送的子流；发布命令，以使发送对等端同时开始向接收对等端传送子流；以及调整由发送对等端周期性传送的子流的数量。
描述了一种用于传送数据的方法和设备，包括：将数据流划分为多个子流；建立该多个子流在多个发送设备当中的分配；使该多个发送设备能根据该分配同时开始传送该多个子流；以及调整该分配。
附图说明
结合附图来阅读以下详细描述，从中最佳地理解本发明。附图包括以下简要描述的图，其中，附图中的相同数字代表类似的元件：
图1是根据本发明的发送对等端的结构框图；
图2是根据本发明的接收对等端的结构框图；
图3是本发明的方法的流程图；
图4是本发明的最小权完全匹配方案的典型状态图。
具体实施方式
本发明允许对等端集合(发送)合作向另一对等端(接收)提供视频内容成流业务，即使是在单独发送/转发对等端的上载带宽不足以单独地将内容成流至接收对等端的情况下。本发明的方法和设备可解决P2P视频内容成流过程中遇到的非对称带宽问题。本发明主动探测上载带宽，并不断尝试优化视频成流质量。
更具体地，本发明将分组划分为子流。由于子流是分组的集合，所以信令开销降低，动态工作负荷调整策略得以简化。此外，本发明的方法和设备通过在特定路径上注入更多流量来主动探测可用带宽。本发明对变化的网络环境更快速地起作用，这在P2P网络设置中是很关键的。本发明将动态子流调整问题表述为最小权完全匹配(minimumweight perfect matching)问题。
用{s_i}，i＝1，2，...，N表示使内容成流至目的/接收对等端d的N个发送对等端的集合。假定具有预期内容的N个发送对等端已由其他手段识别。将成流视频内容在发送节点处存储为大小相等的分组的集合。识别出的发送节点的每一个都具有内容的拷贝。分组具有指示其在视频内容流中位置的序列编号。将视频内容流分割M个速率相等的子流。每个子流都具有每M个分组中的一个分组。以下描述允许N个对等端共同向d发送M个子流的设备。假定接收对等端d具有足够的下载带宽以便以速率r接收整个流，而发送对等端s_i的上载带宽受限并可能小于流速率r。将子流数M选择为大于发送对等端数N。首先，分别描述发送和接收对等端的结构。其后，描述基于最小权完全匹配(MWPM)的算法，该算法调整由每个发送对等端携带的子流的数量，以优化接收对等端处感知的成流质量。
如图1所示，发送对等端包括三个组件：控制消息监听器105、子流信息数据库110和数据泵115。控制消息监听器105持续监控来自接收对等端的输入控制消息。当控制消息到达时，发送对等端相应地更新子流信息数据库110。控制消息由三部分组成(action、sub_stream_id、time_offset)可以执行两种动作：添加和删除。如果添加动作，则控制消息监听器105将(sub_stream_id、time_offset)对插入子流信息数据库110中，而如果删除动作，则控制消息监听器105删除具有sub_stream_id的子流信息数据库110中的条目。数据泵115负责基于子流信息数据库110来发送/传送子流。
如图2所示，接收对等端具有三种组件：数据接收器205、成流协调器210和控制消息发送器215。一个数据接收器205专用于从一个发送对等端接收数据。数据接收器205接收从对应的发送对等端发送的子流，并收集关联子流的成流质量度量。将成流质量度量定义为按时到达的分组的百分比。成流协调器210将来自多个发送对等端的成流协调起来，以优化接收对等端一侧感知的质量，即，按时到达的分组的百分比。控制消息发送器215基于来自成流协调器210的输入来创建控制消息，并向目标发送对等端发送该控制消息。
成流协调器210监控发送对等端的成流质量，并动态调整分配给每个发送对等端的子流的数量，以优化总体成流质量。图3示出了成流协调器210的工作流程的流程图，该流程图由两个阶段组成——初始化阶段305和动态调整阶段325。成流协调器210所使用的方法将子流动态分配给发送对等端，从而通过适配于浮动的可用带宽来优化成流质量。
由于从发送对等端s_i到接收对等端d的可用上行流带宽是未知的，所以在初始化阶段的310处，成流协调器210在所有发送对等端当中均匀地分发子流。不同发送对等端所携带的子流的数量可能由于舍入规则(round-up error)而相差1。在315处，成流协调器210向发送对等端通知被请求以发送/传送的子流集合。然后，在320处，成流协调器210向发送对等端发布命令以同时启动成流。
在动态调整阶段325，成流协调器210周期性调整每个发送对等端所携带/传送的子流的数量。这就允许发送对等端携带/传送正确反映各自可用上载带宽的子流的数量，从而优化视频的总传送质量。
在330处，成流协调器210监控发送对等端的传送质量。以传送质量的降序来对发送对等端进行排序。本发明的方法对具有较好传送质量的对等端与具有较差传送质量的对等端之间的m个子流进行互换/交换。m的值是配置参数，其应小于N/2。排列在顶部的m个发送对等端表示为强发送对等端，而排列在底部的m个发送对等端表示为弱发送对等端。通过将一些工作负荷从弱对等端移至强对等端来最大化总传送质量。
出现时间(epoch)是对每个对等端传送的子流的数量进行调整的时间间隔。出现时间的长度是配置参数，其应被选择为足够小以迅速捕获连接带宽变化，且足够长避免动态调整过程中引入的不必要开销。出现时间例如是5秒。出现时间内的动态调整过程包括两个步骤：试验步骤和动态调整步骤。在试验步骤期间，在335处，要求强对等端在短时段中再多携带/传送一个子流，并测量和记录每个强对等端(比先前多一个子流)的传送质量。在动态调整阶段的动态调整步骤340期间，将子流从弱对等端移至强对等端。可以将至多一个子流从弱对等端移开，强对等端可以携带至多一个额外的子流。其合理之处在于可使调整过程稳定且流畅地进行。
在实施例中，基于最小权完全匹配(MWPM)的动态子流调整最大化了接收对等端所感知的传送质量。令和分别为再多携带一个子流之前和之后的第i个强对等端的传送质量，令为第j个弱对等端的传送质量。假定弱对等端的传送质量没有因少携带一个子流而发生变化。为了示出该问题，考虑图4中具有三个强对等端和三个弱对等端的示例。强对等端与弱对等端之间的链路代表从弱对等端到强对等端的可能的子流变化。与链路相关联的权重表示这样的交换的增益，具体地，w_ij表示第i个强对等端与第j个弱对等端之间的链路权重。因此，
w ij = [ ( n i s + 1 N q ~ i s + n j w - 1 N q j w ) - ( n i s N q i s + n j w N q j w ) ] + , - - - ( 1 ) ]]>
其中表示第i个强发送对等端所携带的子流的数量，表示第j个弱发送对等端所携带的子流的数量。
方程(1)的方括号内的第一项是：将一个子流从弱对等端切换到强对等端后强和弱对等端的总传送质量。第二项是子流交换前的总传送质量。由于没有子流交换发生，所以如果不能改进传送，则[·]⁺用于表示权重是非负的。在权重等于0的情况下，意味着没有子流交换。最佳子流调整等价于在使权重和最大化的、分成两部分的图中找到完全匹配。分成两部分的图是无向图G＝(V，E)，其中V可被划分为两个集合V1和V2，使得E中的(u，v)指V1中的u和V2中的v，或V2中的u和V1中的v。即，所有边界都处于两个集合V1和V2之间。使用本发明的最小权完全匹配算法来解决该问题。
随着子流调整继续进行，一些发送对等端可以以没有携带子流而结束。这样的发送对等端被称作空闲发送对等端。一种处理这样的空闲发送对等端的方式是简单地将它们排除出发送对等端池。另一种方式是选择具有特定概率的空闲发送对等端作为强对等端并分配给空闲发送对等端一个子流以携带。然后应用上述相同算法。合理之处在于：在这些空闲发送对等端的上载带宽自上一个时间间隔(出现时间)起显著改进的情况下，给这些空闲发送对等端以贡献的机会。
在上述讨论中，并没有考虑链路停歇(outage)的条件。在这种情形下，链路被破坏，发送对等端与接收对等端之间的连接丢失。通过设立阈值并主动将未连接的(或较差连接的)对等端排除出发送对等端池，来处理这样的条件。例如，可以将阈值设置为δ。如果发送对等端的传送质量低于该阈值，则将该发送对等端从发送对等端池中移除，并将该发送对等端的子流均匀地分发给先前时间间隔(出现时间)中选择的强对等端。
应当理解的是，本发明可以以硬件、软件、固件、专用处理器或它们的组合等各种形式来实现。优选地，将本发明实现为硬件和软件的组合。此外，软件优选地实现为程序存储设备上实体体现的应用程序。可以将应用程序上载到包括适当结构的机器，且可以由该机器执行该应用程序。优选地，将该机器实现在具有如下硬件的计算机平台上：一个或多个中央处理单元(CPU)、随机存储器(RAM)和输入/输出(I/O)接口。计算机平台还包括操作系统和微指令代码。此处描述的各种过程和功能可以是微指令代码的一部分或通过操作系统执行的应用程序的一部分(或它们的组合)。此外，各种其他外围设备可以连接到如附加数据存储设备和打印设备之类的计算机平台。
还应当理解的是，由于附图中示出的一些组成系统组件和方法步骤优选地以软件来实现，所以系统组件(或过程步骤)之间的实际连接可能根据对本发明进行编程的方式而有所不同。在给出此处的教导的情况下，相关领域的技术人员将能够想到本发明的这些以及类似的实施方式或配置。