张鑫宇　何广庆　赵笑驰　丛家爽

[摘要]在视频点播系统中,缓存管理是极其重要的一个部分。但现有的缓存管理机制,存在消息发送量过大、缓存命中率低、分布均匀度不均匀等很多不足。通过现有的缓存机制的不足,使用预测缓存和静态缓存技术,提出一种消息发送量少、命中率高、分布均匀的新型缓存机制。通过仿真试验可以证明,该缓存机制能有效地提升系统整体性能,减低对服务器的压力。

[关键词]P2PVOD视频点播缓存

中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0710072-01

近年来,随着P2P技术的广泛应用,基于P2P的视频点播软件逐渐热门起来,引起了社会的广泛关注。但是,现有的视频点播系统由于缓冲区管理机制的不完善,仍然会出现播放视频不连续等诸多问题。所以,设计出一种合理的缓存机制就尤为重要了。

本文在研究现有的缓存技术的基础上,采用静态缓冲区技术,由区域服务器指定该节点要缓存的数据块,使数据分布更加均匀。在动态缓存区中引入了预测机制,通过伙伴节点的播放位置,预测其伙伴节点所缓存的数据块。从而避免了向伙伴节点查询所带来的消息通信次数,降低了消息发送量。

一、缓冲区的组成

本文将缓冲区分为三部分。静态缓冲区(Static-Cache):缓存内容由区域服务器指定,在点播过程中固定上传影片的指定数据块。动态缓冲区(Dynamic-Cache):为正常的下载、播放所使用的缓冲区。随着视频的播放,缓冲区的内容动态地发生改变。硬盘缓冲区(Hard-Cache):是内存缓冲的扩展,将观看后的数据块采用一定的置换策略,置换到硬盘区上。当节点需要硬盘上的数据时,可将硬盘上的数据调回到动态缓冲区中。为了研究的方便,初始时设定每个节点缓存的SC和DC的大小相等,HC等于整个视频影片的大小。

二、静态缓冲区

每个Peer的静态缓存区所缓存的数据是由所在的区域服务器指定。也由这个区域服务器统一管理。区域服务器上维护一个缓存状态图,用于维护每个Peer的SC中缓存的状态。SC是固定不变的,只有节点加入和离开时,才更新状态图。

(一)数据分配策略。在传统的视频点播系统中,因为影片的点播率不同,当系统运行一段时间后,热门影片的数据块副本远高于冷门影片的数据块副本。导致了冷热数据块分布的不均匀。所以,在新的缓冲机制中,考虑让热门影片小组里,有剩余缓存能力的节点缓存服务器负载较重的冷门影片数据。当有新节点加入系统时,区域服务器判断这个节点是否有剩余缓存的能力并查看缓存状态图,如果新节点所点播的影片副本充足且节点有剩余缓存能力的话,区域服务器将挑选系统中副本较小的冷门影片的数据块,拷贝在新Peer的SC上。

(二)数据查找策略。对于静态缓冲区,每个节点通过与伙伴节点进行信息交互,获得其伙伴节点的静态缓冲区的数据信息。建立一个伙伴节点矩阵,用来描述伙伴节点的SC中有哪些数据块。当用户进行数据块下载时,首先通过这个矩阵查找伙伴节点在SC中所缓存的数据块。

三、动态缓冲区(基于预测的数据查找)

在传统的缓存状态传递方式中,需要近乎与实时的将本节点现有的缓存状态发送给伙伴节点。这是因为,如果在发送消息后缓存的状态发生改变的话,之前发送的状态消息就失去了意义。所以消息的发送周期短。且发送的消息是该Peer的完整缓存状态。即发送的内容较大。可见,传统的消息传递通信量是巨大的。

视频点播是规律性很强的行为。在系统中,大部分人是点播后,从头到尾欣赏的。即在大部分情况下,影片的播放过程是可以预测的。故本文在新缓存机制的动态缓冲区中,引入预测机制。

Peer之间需要每隔周期T传递一次消息,这个信息就包括其该节点正在播放的状态信息。Peer收到这个信息后,将其存放在伙伴节点矩阵中。其他Peer通过这个播放状态信息可以预测这个Peer当前的播放状态。从而预测这个Peer当前的缓存状态。在动态缓存区的数据块查找中引入预测机制后,因发消息送周期长,消息内容短,从而使节点间通信量大大减小。

Peer之间发送的播放状态信息,即是一个加上时间戳的数据块号。Peer通过这个时间戳和当前的系统时间,就可以预测这个节点现在的播放状态,现在播放的数据块号。从而预测他将会有哪些数据块。预测之后,直接向这些节点要他自己所需的数据块,减少了消息通信的时间。

四、实验

测试环境。测试节点的网络带宽为10-100Mbyte,每个节点内存的最大数据缓存量设置为90M,磁盘缓存空间大小为200Mbyte。测试节目的文件格式是RM,流媒体源码率为300K,节目数据为160M。

图1给出了测试期间每分钟区域服务器上的数据请求次数。可以观察到,在初期,大量的Peer同时加入系统,相对于传统策略,新型策略由于SC的内容由服务器指定,故初始阶段大量Peer同时向服务器的请求以确定SC所缓存的内容,以至于请求次数有小幅度的增加。

当P2P网络构建稳定后,由于新策略中点播热门影片的节点的SC中缓存了冷门影片的数据,提升了网络规模和缓存能力,故新策略的对数据源服务器的请求大幅降低。可以看到,虽然在网络构建的初期新策略会增加对数据源服务器的请求,但是整个系统运行期间,新策略能够大幅降低对数据源服务器的请求,其系统性能提升是可观的。

参考文献:

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[3]Ganesh A,Kermarrwc A,Massoulie L.Peer-to-Peer Mem-bership Management for Gossip-Based Protocols[J].IEEE Trans on Computers,2003,52(2):139-149.

作者简介:

张鑫宇(1983-),男,硕士研究生,研究方向:流媒体,分布式系统;何广庆(1982-),男,硕士研究生,研究方向:流媒体,分布式系统;赵笑驰(1983-),女,硕士研究生,信任管理,分布式系统;丛家爽(1982-),男,硕士研究生,研究方向:Web服务,分布式系统。