時移電視[1](Time-Shifted Television)作為IPTV的一種，允許用戶進行暫停、快進和后退等操作，也可以選擇幾天前的電視節(jié)目，是一種極具吸引力的服務。不同于一般的網(wǎng)絡(luò)電視，時移電視需要對每個用戶分配一個信道，不能通過組播的方式將節(jié)目數(shù)據(jù)推送給用戶。同時，由于電視信道所需帶寬較高[2]，現(xiàn)有內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)CDN(Content Distribution Networks)的體系結(jié)構(gòu)難以滿足業(yè)務要求，對服務提供者提出了挑戰(zhàn)。

    P2P技術(shù)有效打破了CDN中代理服務器的C/S模式。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點既是用戶又是服務器，使用戶能從最近的對等節(jié)點中下載相應流式數(shù)據(jù)，從而有效避免熱點服務器過載,減少電視頻道切換響應時延[3](Zap Response Time)。
     副本放置技術(shù)常用來解決這種熱點問題。通過對熱門副本進行有策略的放置，減輕相關(guān)熱點資源節(jié)點的負載，縮短請求消息搜索路徑，提高消息搜索成功率，降低請求響應時延。P2P網(wǎng)絡(luò)副本放置方法分為三種：服務端副本放置方法、客戶端副本放置方法和路徑放置方法。參考文獻[4]將純P2P網(wǎng)絡(luò)歸納為損失模型（loss network model），將文件按熱、中、冷三種類型放置到各個節(jié)點中，從而實現(xiàn)各節(jié)點上行帶寬使用率的最大化。參考文獻[5]在結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種最優(yōu)副本放置算法,有效平衡了性能與開銷之間的關(guān)系。參考文獻[6]通過研究現(xiàn)有P2P網(wǎng)絡(luò)上運行的IPTV業(yè)務的提高方法，指出了一系列緩存管理和副本放置方法。另外，參考文獻[7]也對P2P上的流媒體業(yè)務進行了分析和建模。但是，現(xiàn)有的研究存在以下問題：首先，現(xiàn)有算法大都是基于P2P存儲系統(tǒng)，以整個文件為基礎(chǔ)進行處理，不符合流式傳輸的數(shù)據(jù)存儲方式；其次，沒有考慮到不同數(shù)據(jù)類型的差別，單純地將數(shù)據(jù)分為熱點數(shù)據(jù)和冰點數(shù)據(jù)，降低了冷門節(jié)目的服務質(zhì)量。
    本文針對時移電視系統(tǒng)中的副本放置問題，提出一種混合副本放置策略。通過分析IPTV編碼方式和流式數(shù)據(jù)傳輸特性,考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲對放置策略的影響，以及負載均衡等要求,自適應地將數(shù)據(jù)片放置在節(jié)點中,就近為用戶提供服務,從而有效提高用戶體驗度和系統(tǒng)性能。
1 問題分析
1.1 系統(tǒng)模型
    本文分析的時移電視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，源服務器RS(Resource Server)通過組播的方式將內(nèi)容推送到各地的代理服務器VHO(Video Hub Office)。本地各設(shè)備(如機頂盒、計算機和手機等）間通過無結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò)連接，分享節(jié)目數(shù)據(jù)。VHO中存儲著所有當前電視節(jié)目內(nèi)容數(shù)據(jù)，并通過分層編碼技術(shù)（Layered Encoding）和多描述編碼技術(shù)MDC(Multi-description Coding)，將不同質(zhì)量的視頻內(nèi)容傳送到不同用戶的設(shè)備中。
    本文主要關(guān)注時移電視節(jié)目數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的放置問題。由于所有電視數(shù)據(jù)都已存儲在VHO中，因此本文的數(shù)據(jù)放置問題可進一步簡化成流式數(shù)據(jù)在P2P網(wǎng)絡(luò)中的管理問題。


    通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，對各個頻道及其節(jié)目的數(shù)據(jù)幀進行合理的復制，進而放置到靠近用戶的位置，是平衡用戶請求的消息搜索成功率和副本放置開銷之間關(guān)系的一種有效途徑。
2.2 混合副本放置策略
    在查詢消息路由算法一定的條件下，節(jié)點Vi收到的查詢消息數(shù)量由其覆蓋的節(jié)點數(shù)決定，即該節(jié)點通過泛洪，在TTL的限制下，轉(zhuǎn)發(fā)該節(jié)點查詢消息的節(jié)點數(shù)量。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中平均連接度為K。當K=1時，節(jié)點Vi接收的查詢消息轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為：

    (2)過期數(shù)據(jù)片的放置。鑒于實時數(shù)據(jù)片已經(jīng)占用了很大一部分緩存空間，過期數(shù)據(jù)片所能提供的緩存空間相對減小，因此選擇其放置策略更要慎重。首先要解決選擇哪一個數(shù)據(jù)片副本需要進行放置，以及緩存空間已滿時應該采取怎樣的緩存管理策略。用戶節(jié)點有兩個選擇查找到需要的過期數(shù)據(jù)片，以實現(xiàn)快進、快退等操作。①通過洪泛的方式進行搜索；②直接到代理服務器中查找相應數(shù)據(jù)片。第一種方法雖然能夠分擔代理服務器的負載，減少請求時延，但是加重了網(wǎng)絡(luò)負擔，且存在消息搜索成功率低的問題。因此，對于過期數(shù)據(jù)片，可通過代理服務器進行查找。若該內(nèi)容在節(jié)點服務器中的并發(fā)數(shù)超過OL，且用戶節(jié)點搜索失敗，則將目標數(shù)據(jù)片放置在沿路連接度最大的路由節(jié)點中。若此節(jié)點緩存空間已滿，則采用LRU為該副本騰出相應空間。
    (3)緩存數(shù)據(jù)管理。在時移IPTV系統(tǒng)中，每一個數(shù)據(jù)在一定時間后可用度就大大減少，需要對這些數(shù)據(jù)進行定期處理，以提高緩存利用率。
     設(shè)置數(shù)據(jù)片生存時間，使各類數(shù)據(jù)片的生存時間各有不同，其中實時數(shù)據(jù)片的生存時間應該大于過期數(shù)據(jù)片的生存時間,以滿足用戶短時間暫停或快退的需要。
3 仿真及結(jié)果分析
3.1 仿真環(huán)境
    仿真采用Power law拓撲作為模擬拓撲。拓撲包括1 000個節(jié)點，其中包括一個代理服務器，100個路由器節(jié)點,其余為用戶節(jié)點。每個路由節(jié)點緩存空間為36 GB，用戶節(jié)點通過洪泛的方式獲取所需節(jié)目的相關(guān)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點平均連接度為4,設(shè)置150套電視節(jié)目，同一節(jié)點不存在同一數(shù)據(jù)片對象。用戶節(jié)點以相同的概率發(fā)起查詢消息獲取隨機的節(jié)目。
3.2 數(shù)據(jù)分析
    圖3顯示了在IPTV系統(tǒng)中節(jié)點通過使用洪泛的查詢消息路由算法進行搜索，各放置策略對數(shù)據(jù)片的搜索命中率的影響的比較。圖中橫坐標為單個路由節(jié)點緩存空間與整個數(shù)據(jù)庫內(nèi)容大小的比值。TTL的值為2。數(shù)據(jù)表明，在同一網(wǎng)絡(luò)條件下，采用混合副本放置策略的消息搜索成功率較高。當緩存空間增加時，隨機放置策略下的消息搜索成功率也有增加，但是由于其副本放置的隨機性，使得性能的提高不是很穩(wěn)定。

    圖4顯示了各策略的路由節(jié)點緩存空間占用情況的比較。可以看到，隨機副本放置策略作為一種貪婪策略，總是隨機地選擇數(shù)據(jù)內(nèi)容將緩存空間填滿。這樣的好處在于，搜索成功率隨著緩存空間的增大而提高。然而，隨機地選擇數(shù)據(jù)內(nèi)容不適合IPTV系統(tǒng)這樣數(shù)據(jù)更新較快的環(huán)境，且這種主動而又周期性地盲目數(shù)據(jù)更新更加重了網(wǎng)絡(luò)開銷。

    時移電視具有數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)更新頻率高等特點。本文針對時移電視系統(tǒng)中的副本放置問題，從IPTV數(shù)據(jù)流格式特點出發(fā)，提出了一種混合副本放置策略。通過分析傳輸時延以及消息搜索成功率與副本放置的關(guān)系，根據(jù)節(jié)點連接度放置數(shù)據(jù)片，達到提高熱點數(shù)據(jù)片搜索成功率的效果。同時，分析IPTV數(shù)據(jù)幀特點，合理分配放置概率，以減小節(jié)目初始化時延以及頻道切換時延。最后給出了混合副本放置策略。仿真表明，該策略能夠在較少的緩存空間下有效提高消息搜索成功率，降低請求時延，提高系統(tǒng)性能。
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