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)的體系結構難以滿足業(yè)務要求，對服務提供者提出了挑戰(zhàn)。

    P2P技術有效打破了CDN中代理服務器的C/S模式。網(wǎng)絡中的節(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]在結構化P2P網(wǎng)絡的基礎上，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系。參考文獻[6]通過研究現(xiàn)有P2P網(wǎng)絡上運行的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)的結構中，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)。本地各設備(如機頂盒、計算機和手機等）間通過無結構P2P網(wǎng)絡連接，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（Layered Encoding）和多描述編碼技術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備中。
    本文主要關注時移電視節(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，轉發(fā)該節(jié)點查詢消息的節(jié)點數(shù)量。設網(wǎng)絡中平均連接度為K。當K=1時，節(jié)點Vi接收的查詢消息轉發(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)目的相關數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡中節(jié)點平均連接度為4,設置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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