IPTV CDN內(nèi)容調(diào)度策略研究

摘 要：論文分析了現(xiàn)有IPTV系統(tǒng)中CDN存在的問題，在同一層級CDN節(jié)點內(nèi)引入P2P技術(shù)，對媒體內(nèi)容進(jìn)行分塊和分片處理，在內(nèi)容下推和下拉的調(diào)度算法上進(jìn)行了重新設(shè)計。下推時根據(jù)優(yōu)先級推送第一個分片的模式，加快了推送時間并節(jié)約了服務(wù)節(jié)點的存儲空間。內(nèi)容下拉策略是當(dāng)播放時對塊進(jìn)行搜索決策拉下一個塊，提高了調(diào)度的有效性。經(jīng)測試驗證，新設(shè)計的CDN在內(nèi)容調(diào)度上的可服務(wù)性和效率上得到了很大的提高，證明采用分塊分片的P2P的CDN設(shè)計是可行的。

關(guān)鍵詞：IPTV；P2P；CDN；內(nèi)容調(diào)度

中圖分類號：TP393

隨著高速寬帶的發(fā)展，IPTV（Internet Protocol TV）對CDN的調(diào)度效率和服務(wù)能力也提出了更高的要求，傳統(tǒng)CDN[1-2] （Content Delivery Network）遇到如下問題：（1）內(nèi)容調(diào)度按照媒體內(nèi)容熱度進(jìn)行調(diào)度[3-4]具有滯后性；（2）內(nèi)容采用完整文件的調(diào)度和存儲，造成內(nèi)容分發(fā)時間長，可靠性降低；（3）邊緣節(jié)點采用完整的文件存儲，對存儲的容量要求比較高。

為了解決傳統(tǒng)CDN在內(nèi)容分發(fā)中的問題，本文對傳統(tǒng)CDN進(jìn)行改造，在CDN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)引入P2P[5]Peer-to-Peer）技術(shù)，如圖1。在原來分層架構(gòu)的基礎(chǔ)上，在CDN組網(wǎng)內(nèi)引入超級節(jié)點和P2P自治網(wǎng)絡(luò)。其中超級節(jié)點完成圖1系統(tǒng)架構(gòu)中的P2P管理模塊的功能。

在這個P2P自治網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的邊緣節(jié)點都是對等的，當(dāng)用戶請求在本邊緣節(jié)點不能滿足時，與傳統(tǒng)CDN向上級節(jié)點或中心節(jié)點請求內(nèi)容不同，改進(jìn)后的系統(tǒng)優(yōu)先向超級節(jié)點查詢本P2P自治網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點是否可以滿足用戶的請求，如果不能滿足，再向上級節(jié)點或中心節(jié)點請求。

圖1 CDN中的混合式P2P模型

1 內(nèi)容分片方法和存儲設(shè)計

為了適應(yīng)P2P的調(diào)度，把媒體內(nèi)容分成大小相近的塊，在塊的基礎(chǔ)上分為多個大小相近的片。塊是內(nèi)容分發(fā)的基本單位，分片是播放時搜索和調(diào)度的基本單位。在CDN節(jié)點中，由于節(jié)點的存儲空間有限，每個文件的全部塊并不完整的存儲于同一節(jié)點中，有可能一個文件的不同塊存儲于不同的CDN節(jié)點中，如圖2所示。

圖2 塊在節(jié)點中的存儲格式

2 內(nèi)容調(diào)度方法設(shè)計

2.1 內(nèi)容下推策略

系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)容數(shù)和邊緣節(jié)點的存儲狀況，設(shè)定優(yōu)先級的比例，如優(yōu)先級比例為10%，當(dāng)訪問熱度在10%的內(nèi)容優(yōu)先級不是最高時調(diào)整為最高，執(zhí)行優(yōu)先級調(diào)度策略；如果原優(yōu)先級為最高，在熱度統(tǒng)計范圍內(nèi)熱度排名不在10%內(nèi)，則優(yōu)先級降級。

當(dāng)內(nèi)容熱度觸發(fā)內(nèi)容調(diào)度策略時，系統(tǒng)會產(chǎn)生內(nèi)容下推任務(wù)。為了能夠及時的下推內(nèi)容，改進(jìn)后的系統(tǒng)采用以塊為單位的下推方式。下推的次序按照優(yōu)先級進(jìn)行排序，對于相同優(yōu)先級的內(nèi)容則按照第1個塊下推完成，再下推第2個塊的策略。

設(shè)有相同優(yōu)先級的5個文件，每個文件有6個塊，編號如表1所示，則下推順序如圖3所示。

表1 塊在節(jié)點中的存儲

文件塊1塊2塊3塊4塊5

文件1B11B12B13B14B15

文件2B21B22B23B24B25

文件3B31B32B33B34B35

文件4B41B42B43B44B45

文件5B51B52B53B54B55

圖3 文件調(diào)度順序

采用這樣的調(diào)度策略，可以保證文件的第一個分片盡可能先調(diào)度到目的節(jié)點，且能夠及時的提供服務(wù)。

2.2 內(nèi)容下拉策略

即當(dāng)本節(jié)點收到播放請求時候，發(fā)現(xiàn)本節(jié)點沒有對應(yīng)的塊則觸發(fā)媒體下拉策略，向超級節(jié)點搜索，超級節(jié)點在P2P自治族里查找哪些節(jié)點有這些塊，并返回這些節(jié)點相應(yīng)的優(yōu)先級。內(nèi)容下拉策略如圖4所示。

圖4 內(nèi)容下拉策略

（1）當(dāng)節(jié)點A接收用戶的請求時，發(fā)現(xiàn)沒有該內(nèi)容的塊，就向超級節(jié)點S請求塊的分布信息。

（2）超級節(jié)點S查找內(nèi)容存在的節(jié)點列表，如果本P2P自治族不存在這個內(nèi)容，則向上一級的節(jié)點請求，上一級節(jié)點再向超級節(jié)點請求塊信息。如果在P2P自治族里面存在這些內(nèi)容，則返回含有塊的節(jié)點列表。

（3）圖中S節(jié)點里面返回含有第一個塊的節(jié)點為B，則A向B請求第一個塊。

（4）B節(jié)點將第一個塊的內(nèi)容傳輸給A。當(dāng)A播放第2塊時，再繼續(xù)向超級節(jié)點請求，以此類推。

3 模擬測試驗證

3.1 測試環(huán)境

模擬測試環(huán)境設(shè)置一個中心節(jié)點，一個區(qū)域中心節(jié)點，在區(qū)域中心下有5個邊緣節(jié)點。其中區(qū)域中心和5個邊緣節(jié)點組成一個P2P自治族，區(qū)域中心為超級節(jié)點。論文將在內(nèi)容調(diào)度和服務(wù)延遲等方面進(jìn)行驗證。

3.2 內(nèi)容下推可服務(wù)時間驗證

測試文件為5個碼率為每秒1024kb，時長為60分鐘的媒體文件，分塊長度為10分鐘，每個文件大小為450MB，且已存放在區(qū)域中心節(jié)點里。區(qū)域中心的節(jié)點輸出可用帶寬為10Mbps，從區(qū)域中心節(jié)點調(diào)度到各個邊緣節(jié)點，各個邊緣節(jié)點開始可以服務(wù)的平均延遲如圖5所示?？梢钥闯?，由于改進(jìn)前CDN系統(tǒng)需要完整的文件調(diào)度后才能提供服務(wù)，所以平均響應(yīng)時延隨著節(jié)點的增加而增長較快。改進(jìn)后的CDN，由于采用了文件分塊分片的處理，調(diào)度時，首先調(diào)度第一個塊，只要提供第一個塊后，節(jié)點就可以向用戶提供服務(wù)，所以平均下推可服務(wù)時間明顯縮短。

圖5 內(nèi)容下推服務(wù)時間測試

3.3 內(nèi)容下拉策略驗證

測試文件60分鐘時長，碼率大小為1024kbps，分塊大小為10分鐘一個塊，總共6個塊，塊的分布如表2所示。節(jié)點間的傳輸帶寬為10Mbps。

表2 塊在節(jié)點的分布

塊塊1塊2塊3塊4塊5塊6

節(jié)點123451

當(dāng)客戶端向節(jié)點1請求文件時，節(jié)點1會向超級節(jié)點請求塊2的數(shù)據(jù)，播放塊2時，請求塊3的數(shù)據(jù)，依次類推，測試塊2、3、4、5調(diào)度到節(jié)點1的時間如圖6所示。測試結(jié)果顯示，播放當(dāng)前塊時，再請求下一塊的調(diào)度。如果播放到塊3時停止播放，則不需要塊5的調(diào)度。

圖6 內(nèi)容播放下拉測試驗證

4 結(jié)束語

論文引入P2P思想，對內(nèi)容調(diào)度算法進(jìn)行了新設(shè)計，使得改進(jìn)后的CDN在服務(wù)能力上有較大的提升。但是CDN的成本依然較高，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。作者認(rèn)為可以把P2P思想引入到用戶和邊緣節(jié)點的服務(wù)中。

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作者簡介：李娜（1985-），女，江蘇南京人，研究方向：通信與信息工程。

作者單位：南京工程學(xué)院 信息化建設(shè)與管理辦公室，南京 211167