專利名稱：一種基于svc的p2p流媒體傳輸方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及到數(shù)字信息的傳輸技術(shù)，具體的說涉及到一種基于SVC的P2P
流媒體傳輸技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著寬帶網(wǎng)絡的普及，IPTV、 VOD等多媒體流式服務得到越來越多用戶 的青睞。而用戶對服務質(zhì)量、服務種類也提出了越來越多的要求。傳統(tǒng)的基于服 務器的網(wǎng)絡模型由于受到服務器瓶頸的限制而慢慢的被P2P流式傳播方式所替 代。通過把系統(tǒng)負荷分擔到整個網(wǎng)絡，P2P流式模型具有很強的可擴展性。
目前，P2P流式模型主要分成2類。 一類是建立一個多層的覆蓋樹，并從根 節(jié)點開始將媒體流分發(fā)到樹上的每一臺主機。這類模型考慮的是如何將媒體流更 好更快的分發(fā)到各節(jié)點主機上，因此通常適用于類似IPTV的系統(tǒng)中。而另一類 P2P流式模型，則是使用gossip算法，在各主機間建立一個網(wǎng)格(mesh)。通過網(wǎng) 格內(nèi)主機的協(xié)作，可以實現(xiàn)內(nèi)容的分布式存儲，并比樹形方式具有更好的魯棒性。 利用這點，還可以實現(xiàn)一些用戶操作，譬如拖動，停止等，常用來設計VOD系 統(tǒng)。但是這種P2P模型需要極其復雜的控制策略和維護策略，因此目前這類模 型的研究還在繼續(xù)。
基于樹形P2P的一個優(yōu)秀代表是SIM(Scalable Island Mutilcast)技術(shù)。它提出 了一種完全分布式的多播策略，在ALM (application-layer multicast)的基礎上 整合IP多播用于媒體流式傳播。與傳統(tǒng)的ALM協(xié)議相比較，SIM能很容易的 達到低延時和小負載的目的。
SIM中的主機，會首先加入到一個覆蓋樹中，就像其他大部分的ALM協(xié)議 那樣。接著，新加入的主機會檢測IP多播島的存在，如果可能，則加入到多播 島中，并從多播島中獲取數(shù)據(jù)。
在建立覆蓋樹的過程中，主機使用類似PING的工具來計算節(jié)點間的連通性。 新節(jié)點會從一個當前"最近集合"的節(jié)點及關(guān)聯(lián)節(jié)點的全體中尋找新的"最近集 合"。如此迭代來選擇一個最合適的父節(jié)點。由于最初的"最近集合"以隨機從RP(Rendezvous Point)獲取列表的方式來獲得。因此，這種方式容易達到一個近 似的最優(yōu)效果。
加入到覆蓋樹后，新主機開始檢測多播島的存在。檢測的方式是利用RP記 錄的多播島的兩個D類多播地址來實現(xiàn)的。多播島分成控制組和數(shù)據(jù)組兩類， 其中，控制組中的節(jié)點有一個不屬于多播島的父節(jié)點。多播島有一個唯一的入口 主機，入口主機的選擇采用與數(shù)據(jù)源的距離作為標準。若新節(jié)點加入到多播島中， 且非入口主機，則其只與父節(jié)點保持控制連接，但僅從多播島中接受數(shù)據(jù)。
雖然SIM技術(shù)具有延時低，負載小，建立簡單，維護方便的特性，但是它 卻不具備可分級的特性。所有的節(jié)點主機，只是能同等對待的轉(zhuǎn)發(fā)同樣的數(shù)據(jù)到 下層節(jié)點。同時，在網(wǎng)絡帶寬變化很大，網(wǎng)絡會發(fā)生丟包，節(jié)點無法接收完整數(shù) 據(jù)時，受到影響的不僅僅是節(jié)點本身，更包括節(jié)點下層的子結(jié)點。有時候網(wǎng)絡實 際帶寬比媒體流實際所需要的要小很多。除此之外，由于主機硬件和用戶支付能 力的不同，某一特定主機在可能接受服務之前就需要指定媒體質(zhì)量。這些，都要 求被提供的媒體具有可分級的特性，并自動根據(jù)當前網(wǎng)絡狀況和用戶定義情況來 調(diào)整為最合適的碼流。這些問題SIM沒有提供有效的方案來解決。SVC(Scalable Video Coding)技術(shù)就是應可分級的需求而提出來的。
SVC包含了 3種形式的可分級，時間可分級、空間可分級和信噪比(SNR) 的可分級。
它將視頻信號編碼成為一個基礎層和一個或者多個增強層?；A層保證了視 頻的基本質(zhì)量，而增強層和基礎層的結(jié)合，則會提高視頻的質(zhì)量。用戶接受的增 強層碼流越完善，視頻質(zhì)量越高。
在實際的網(wǎng)絡應用中，通常有3種分布式模型。包括接收驅(qū)動的分層多播模 型；帶MANE的會話整合模型；單播模型。
在SPM中，我們采用的是第一種模型。即每臺主機從多個會話中接收多層 數(shù)據(jù)。在接收主機完成多層數(shù)據(jù)整合的過程。選擇這種模型的原因是第二種模 型需要MANE，同時需要在連接前知道各層媒體流的整合需求，不具有可擴展 性；第三種模型簡單，但是冗余度高消耗大量的網(wǎng)絡帶寬。
同時，在實際的使用中，SVC每層的媒體流都需要被格式化成數(shù)據(jù)包。在 正TF中，給出了一個用于RTP的負載格式和用于SDP的信號特性。在SPM中，也將按照這些格式來打包各層的媒體流。
關(guān)于P2P流媒體傳輸方面的其他一些相關(guān)的方法，都有著很多的缺點。 OverQoS方法減小了包的丟失，優(yōu)先提供包給帶寬比較寬的用戶。但是這種方法 沒有指明怎樣針對不同的服務質(zhì)量來構(gòu)建覆蓋樹。這些將在我們的方法中闡述。 Ahsan Habib等人提出了一個使用一系列"供給者"，作為潛在的父節(jié)點來實現(xiàn)這 種目標的系統(tǒng)，但媒體流的質(zhì)量完全是由父節(jié)點決定。Kan-Leung Cheng等人提
出引入一個代價函數(shù)/(3，茍來做為每一個用戶的代價評估，其中，3是一個n維 向量，表示了各用戶不同的代價參數(shù)，f則為用戶當前接收的服務質(zhì)量?；?此，提出一種分布式，可擴展的協(xié)議，用于建立一棵覆蓋樹來最小化用戶代價(所 有用戶的代價和)。由于用戶參數(shù)和當前質(zhì)量不同，用戶最終也能根據(jù)自己的代 價加入到樹中，從而接收不同質(zhì)量的服務。該方法雖然從整體上使系統(tǒng)依據(jù)用戶 參數(shù)和網(wǎng)絡情況達到最優(yōu)，但是，并不針對用戶個體，即用戶無法指定等級以及 在接收服務時切換該選擇。同時，該方法提及的服務質(zhì)量概念不明確，并只是使 用延時作為質(zhì)量的標準做示例，這與用戶實際需求的媒體碼率，分辨率等不一致。 我們將SVC融入到SIM中，使SIM在原有特性基礎上增加可分級的特點， 并更具有魯棒性。這種策略稱為SPM， SPM能有效的實現(xiàn)媒體服務的可分級效 果以及問題恢復能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出了一種優(yōu)化的P2P流媒體傳 輸方法。
為了實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案 一種基于SVC的P2P流媒體 傳輸方法，該方法包括以下3個步驟
(1) 建立SPM覆蓋樹；
(2) 整合SVC和IP多播；
(3) 應用連續(xù)性優(yōu)先策略。
上述建立SPM覆蓋樹的步驟，該步驟可以通過以下方法得到
(1) 主機指定服務質(zhì)量；
(2) 從RP(RendezvousPoint)獲取主機列表；
(3) Ping所有列表中主機并選擇K個作為最近集中的節(jié)點；(4) Ping所有符合條件的與最近集相關(guān)聯(lián)的主機；
(5) 從所有Ping的主機中選擇新的K個作為最近集的節(jié)點；
(6) 如果未達到一定的閾值，轉(zhuǎn)入步驟(4)，否則轉(zhuǎn)入步驟(7);
(7) 選擇符合條件的節(jié)點作為父節(jié)點，接收自己請求的所有媒體層的數(shù)據(jù)。
上述整合SVC和IP多播的步驟，該步驟可以通過以下方法得到
(1) 記錄下從父節(jié)點到SVC源的距離，并加上父節(jié)點到自身的距離，做為
該節(jié)點到SVC源的距離；
(2) 從RP中獲取多播島的D類IP地址；
(3) 檢測自身是否處于多播島中，如果是則轉(zhuǎn)入步驟(4),如果不是，則 自己形成一個多播島，并做為入口主機。同樣形成l個控制組和n個數(shù)據(jù)組；
(4) 根據(jù)(2)中獲得的D類IP地址，加入到多播島的控制組中。接收入 口主機發(fā)來的keepalive消息；
(5) 檢測自身是否是border主機，如果是，則再檢測是否適合做入口主機。 如果不是border主機，則離開控制數(shù)組。如果是border主機又可以做入口主機， 則轉(zhuǎn)入步驟6，如果是border主機不適合做入口主機，則加入數(shù)據(jù)數(shù)組，停止從 父節(jié)點接收數(shù)據(jù)，開始接收多播數(shù)據(jù)，并保持和父節(jié)點的控制連接；
(6) 從父節(jié)點接收數(shù)據(jù)并多播到各個數(shù)據(jù)組，發(fā)送keepalive消息到控制數(shù)組。
上述應用連續(xù)性優(yōu)先策略，該策略可以通過以下幾種情況來實施
(1) 當某一個節(jié)點的父節(jié)點離開會話節(jié)點主機迅速選擇原父節(jié)點的父節(jié) 點(祖父節(jié)點)作為當前父節(jié)點，并保持和祖父節(jié)點的連接形成一個新的覆蓋樹。
(2) 當某一個節(jié)點的父節(jié)點提高媒體質(zhì)量這種情況下該節(jié)點不執(zhí)行任何操作。
(3) 當某一節(jié)點的父節(jié)點降低媒體質(zhì)量如果父節(jié)點的質(zhì)量高于主機，該
節(jié)點不執(zhí)行任何操作。
(4) 節(jié)點主機提高媒體質(zhì)量如果父節(jié)點能夠提供需要的媒體質(zhì)量，主機
將會保持父節(jié)點的連接，并從父節(jié)點或多播島接收更多層的媒體流(主機可能成 為入口主機，把數(shù)據(jù)加入到多播島中)。
(5) 節(jié)點主機降低媒體質(zhì)量主機從父節(jié)點或多播島接受較少層的媒體流(如果主機是入口主機，可能會變成非入口主機從多播島接收數(shù)據(jù))。
為了實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明的一種基于SVC的P2P流媒體傳輸方法，該方
法包括以下特點
(1) 在SPM中，每個節(jié)點主機都有一個特定的類別。
(2) 在SPM中，選取父節(jié)點優(yōu)先考慮類別。
(3) 多播島的D類IP地址根據(jù)SVC媒體的層次分為n+l個，對應n+l 個多播組，其中n為SVC媒體的層數(shù)。
(4) 選擇多播島的入口主機方式，SPM考慮更多的可分級性。
(5) SPM提供了一種連續(xù)性優(yōu)先的模式。 上述的每個主機都有一個特定的類別，該類別是這樣劃分的 劃分為類0，類l…類n-l。其中，類別的不同表示需要接收的數(shù)據(jù)層數(shù)目和
級別的不同，也就是最終的媒體質(zhì)量的不同。當節(jié)點只需要接收基礎層BL的數(shù) 據(jù)時，其屬于0類，即只接收碼率和質(zhì)量最差的一層。類l對應那些需要同時接 收基礎層BL和增強層EL1的節(jié)點主機。類似的，n-l類對應獲取所有層，并有 最好的質(zhì)量的主機。
上述的選取父節(jié)點優(yōu)先考慮類別，主要是
某一節(jié)點，只會選擇一個同樣處于一個類別或者更高類別的節(jié)點作為父節(jié) 點。譬如，屬于l類的節(jié)點，只能以1類，或者更高的2， 3等類主機作為父節(jié) 點，而不能以O類主機作為父節(jié)點。
上述的選擇多播島的入口主機方式，SPM考慮更多的可分級性，主要是
SPM考慮到整個多播島內(nèi)各層增強層的需要，將以兩個因素來考察所有 border主機， 一個是類別因素，另一個是距離因素。首先，處于類別高的主機優(yōu) 先級高于類別低的主機；其次，同類別中的主機，距離源端近的主機優(yōu)先級大于 距離源端的主機。
上述的SPM提供了一種連續(xù)性優(yōu)先的模式，主要是
當父節(jié)點選擇一種較低質(zhì)量時，子節(jié)點會開始重新選擇新的父節(jié)點，在這個 過程中，父節(jié)點會繼續(xù)發(fā)送他接收的數(shù)據(jù)給子節(jié)點，直到子節(jié)點選擇到新節(jié)點并 脫離。此時，子節(jié)點不會間斷播放，而會恢復到一個較差質(zhì)量的情況，并接著恢 復到需求的情況。同樣的連續(xù)性優(yōu)先發(fā)生在從低質(zhì)量的碼流選擇高質(zhì)量的碼流的過程。


圖1描述了本發(fā)明基于SVC的P2P流媒體傳輸方法的算法流程；
圖2描述了基于SVC的P2P流媒體傳輸方法中的覆蓋樹和隱含覆蓋樹；
圖3描述了建立覆蓋樹步驟中節(jié)點主機加入覆蓋樹的情況；
圖4描述了整合SVC和IP多播步驟中某節(jié)點加入多播島之前的情況；
圖5描述了整合SVC和IP多播步驟中某節(jié)點加入多播島之后的情況。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
參照附圖2， SPM覆蓋樹有三個類別，包含三個隱含覆蓋樹，分別分發(fā)基礎 層(BL)，增強層(EL1)，增強層(EL2)的數(shù)據(jù)。
參照附圖3節(jié)點主機N加入SPM覆蓋樹過程如下
節(jié)點N首先確定自己的類別，即需要接受多少層增強層。然后從RP中隨 機獲取一個滿足作為父節(jié)點的節(jié)點列表，譬如B,C,K,I。 ping所有的節(jié)點，并接 著從中選擇k個節(jié)點加入最近集中，此處假定]^2，假定選擇了B,K作為選中的 最近集。接著ping所有與B,K相連接，并滿足父節(jié)點條件的所有節(jié)點(A,C,D)， 接著從所有這些節(jié)點中選擇新的最近集。多次迭代后，N找到一個最合適的父節(jié) 點，并加入進去。
加入到多播島的整個流程可以用下面的例子來說明。假設節(jié)點A (具有2 層增強層)加入SVC覆蓋樹之后，加入多播島之前的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)參照圖4所示
在圖4中已有的多播島中，雖然同樣具有l(wèi)個控制組，3個數(shù)據(jù)組，但是數(shù) 據(jù)組2并沒有任何節(jié)點。入口主機將自身收到的所有基礎層BL和EL1的數(shù)據(jù)通 過對應的多播地址多播到多播島中。如圖4所示，根據(jù)自身所處的類別，有些節(jié) 點只會接收到基礎層的多播數(shù)據(jù)，而有些節(jié)點則會接收到基礎層和增強層EL1 的數(shù)據(jù)。
A完成加入覆蓋樹的操作之后，從其父節(jié)點接收數(shù)據(jù)，并檢測多播島，完 成之后加入到多播島的控制組，接受入口主機接收的keepalive信息。接著解析 keepalive信息判定自身成為入口主機的優(yōu)先級。此處，A屬于類別2的主機，其 優(yōu)先級比現(xiàn)有入口主機高，因此，A成為新的入口主機，并加入數(shù)據(jù)組0， 1， 2，將自己接收到的BL、 EL1、 EL2數(shù)據(jù)多播到島中。同時發(fā)送keepalive到控制組 中。此時數(shù)據(jù)組2只有A—個節(jié)點。原有的入口主機改成接收多播島中的數(shù)據(jù)， 并只與其父節(jié)點保持控制連接。具體參照圖5。
總之，本發(fā)明適用于在P2P流媒體傳輸中有效的實現(xiàn)媒體服務的可分級效 果，并能保證媒體播放的連續(xù)性。
權(quán)利要求
1. 一種基于SVC(Scalable Video Coding)的P2P流媒體(SPM)傳輸方法，其特征在于該方法包括以下3個步驟(1)建立SPM覆蓋樹；(2)整合SVC和IP多播；(3)應用連續(xù)性優(yōu)先策略；其中，1)建立SPM覆蓋樹，包括以下7個步驟A.主機指定服務質(zhì)量；B.從RP(Rendezvous Point)獲取主機列表；C.Ping所有列表中主機并選擇K個作為最近集中的節(jié)點；D.Ping所有符合條件的與最近集相關(guān)聯(lián)的主機；E.從所有Ping的主機中選擇新的K個作為最近集的節(jié)點；F.如果未達到一定的閾值，轉(zhuǎn)入步驟(4)，否則轉(zhuǎn)入步驟7；G.選擇符合條件的節(jié)點作為父節(jié)點，接收自己請求的所有媒體層的數(shù)據(jù)；2)整合SVC和IP多播，包括以下6個步驟A.記錄下從父節(jié)點到SVC源的距離，并加上父節(jié)點到自身的距離，做為該節(jié)點到SVC源的距離；B.從RP中獲取多播島的D類IP地址；C.檢測自身是否處于多播島中，如果是則轉(zhuǎn)入步驟(4)，如果不是，則自己形成一個多播島，并做為入口主機。同樣形成1個控制組和n個數(shù)據(jù)組；D.根據(jù)(2)中獲得的D類IP地址，加入到多播島的控制組中。接收入口主機發(fā)來的keepalive消息；E.檢測自身是否是border主機，如果是，則再檢測是否適合做入口主機；如果不是border主機，則離開控制數(shù)組；如果是border主機又可以做入口主機，則轉(zhuǎn)入步驟6，如果是border主機不適合做入口主機，則加入數(shù)據(jù)數(shù)組，停止從父節(jié)點接收數(shù)據(jù)，開始接收多播數(shù)據(jù)，并保持和父節(jié)點的控制連接；F.從父節(jié)點接收數(shù)據(jù)并多播到各個數(shù)據(jù)組，發(fā)送keepalive消息到控制數(shù)組；3)應用連續(xù)性優(yōu)先策略，包括以下5種情況A.當某一個節(jié)點的父節(jié)點離開會話節(jié)點主機迅速選擇原父節(jié)點的父節(jié)點(祖父節(jié)點)作為當前父節(jié)點，并保持和祖父節(jié)點的連接形成一個新的覆蓋樹；B.當某一個節(jié)點的父節(jié)點提高媒體質(zhì)量這種情況下該節(jié)點不執(zhí)行任何操作；C.當某一節(jié)點的父節(jié)點降低媒體質(zhì)量如果父節(jié)點的質(zhì)量高于主機，該節(jié)點不執(zhí)行任何操作；D.節(jié)點主機提高媒體質(zhì)量如果父節(jié)點能夠提供需要的媒體質(zhì)量，主機將會保持父節(jié)點的連接，并從父節(jié)點或多播島接收更多層的媒體流(主機可能成為入口主機，把數(shù)據(jù)加入到多播島中)；E.節(jié)點主機降低媒體質(zhì)量主機從父節(jié)點或多播島接受較少層的媒體流(如果主機是入口主機，可能會變成非入口主機從多播島接收數(shù)據(jù))；
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SVC的P2P流媒體傳輸方法，其特征在于，(1) 在SPM中，每個節(jié)點主機都有一個特定的類別；(2) 在SPM中，選取父節(jié)點優(yōu)先考慮類別；(3) 多播島的D類IP地址根據(jù)SVC媒體的層次分為n+l個，對應n+l 個多播組，其中n為SVC媒體的層數(shù)；(4) 選擇多播島的入口主機方式，SPM考慮更多的可分級性；(5) SPM提供了一種連續(xù)性優(yōu)先的模式。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SVC的P2P流媒體傳輸方法，其特征 在于，該類別是這樣劃分的劃分為類0，類l…類n-l;其中，類別的不同表示需要接收的數(shù)據(jù)層數(shù)目和 級別的不同，也就是最終的媒體質(zhì)量的不同；當節(jié)點只需要接收基礎層BL的數(shù) 據(jù)時，其屬于0類，即只接收碼率和質(zhì)量最差的一層；類l對應那些需要同時接 收基礎層BL和增強層EL1的節(jié)點主機；類似的，n-l類對應獲取所有層，并有 最好的質(zhì)量的主機。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SVC的P2P流媒體傳輸方法，其特征在于，某一節(jié)點，只會選擇一個同樣處于一個類別或者更高類別的節(jié)點作為父節(jié)點; 通過這種父節(jié)點選擇限制， 一個節(jié)點不會從一個節(jié)點接收基礎層數(shù)據(jù)，而從另一 個節(jié)點接收增強層數(shù)據(jù)。這一點同步性，對于SVC的可分級作用是至關(guān)重要的。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SVC的P2P流媒體傳輸方法，其特征在 于，SPM考慮到整個多播島內(nèi)各層增強層的需要，將以兩個因素來考察所有 border主機， 一個是類別因素，另一個是距離因素；首先，處于類別高的主機優(yōu) 先級高于類別低的主機；其次，同類別中的主機，距離源端近的主機優(yōu)先級大于 距離源端的主機。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SVC的P2P流媒體傳輸方法，其特征在 于，當父節(jié)點選擇一種較低質(zhì)量，子節(jié)點會開始重新選擇新的父節(jié)點，在這個過 程中，父節(jié)點會繼續(xù)發(fā)送它接收的數(shù)據(jù)給子節(jié)點，直到子節(jié)點選擇到新節(jié)點并脫 離。此時，子節(jié)點不會間斷播放，而會恢復到一個較差質(zhì)量的情況，并接著恢復 到需求的情況；同樣的連續(xù)性優(yōu)先發(fā)生在從低質(zhì)量的碼流選擇高質(zhì)量的碼流的過 程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于SVC的P2P流媒體傳輸方法，在P2P流媒體傳輸過程中，整合SIM(Scalable Island Mutilcast)和SVC(Scalable Video Coding)技術(shù)，我們稱為SPM。主機在SPM中，屬于不同的類別，可以自己指定媒體流質(zhì)量，接收基礎層和一個或多個增強層的數(shù)據(jù)來獲得不同的媒體質(zhì)量。SPM還給出了一系列連續(xù)性優(yōu)先的媒體流不間斷解決方案。
文檔編號H04L29/02GK101304405SQ20081002779
公開日2008年11月12日 申請日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者余奇明, 林凱雄, 羅笑南 申請人:中山大學