行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告 點對點網路中多點來源串流技術研究 研究成果報告(精簡版) 計 計 執 執 畫 畫 行 行 類 編 期 單 別 號 間 位 ： 個別型 ： NSC 95-2218-E-152-001： 95 年 11 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 ： 國立臺北教育大學資訊科學系(所) 計 畫 主 持 人 ： 游象甫 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：簡聚毅、陳彥儒 大學生-兼任助理：林聖雄 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢 中 華 民 國 96 年 11 月 11 日 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告 □期中進度報告 點對點網路中多點來源串流技術研究 計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 95－2218－E－152－001－ 執行期間：95 年 11 月 1 日至 96 年 7 月 31 日 計畫主持人：游象甫 共同主持人： 計畫參與人員： 簡聚毅, 陳彥儒, 林聖雄 成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告 本成果報告包括以下應繳交之附件： □赴國外出差或研習心得報告一份 □赴大陸地區出差或研習心得報告一份 □出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份 □國際合作研究計畫國外研究報告書一份 處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計 畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢 □涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢 執行單位：國立台北教育大學 中 華 民 國 96 年 10 月 31 日 點對點網路中多點來源串流技術研究 計畫編號：NSC 95-2218-E-152-001執行期限：95 年 11 月 1 日至 96 年 7 月 31 日 主持人：游象甫 國立台北教育大學資訊科學系 計畫參與人員：簡聚毅, 陳彥儒, 林聖雄 摘要 隨著科技的進步, 隨選視訊已經非常普及. 同時很 多研究也投注於利用 peer-to-peer 的技術提供隨 選視服務. 因為多數的 peer 沒有足夠的頻寬獨立 提供服務, 所以由多個 peer 合力提供視訊服務成 為主要的策略. 本計畫提出一個方法讓使用者可 以從多個 peer 取得下載頻寬, 藉此縮短等待時間, 同時我們方法的等待時間遠小於 OTS. Abstract With the advanced technologies, video-streaming service becomes very popular on Internet. Many research efforts have demonstrated the promising potential of building cost-effective video streaming systems on top of peer-to-peer (P2P) networks. Since most peers have limited bandwidth, a video streaming session may involve multiple supplying peers. In this project, we proposed a novel approach to allow a client to retrieve a video from multiple peers with restricted upstream bandwidth such that clients’ waiting time is minimized. In comparison with the algorithm of OTS, our strategy has far smaller waiting time. 1 導論 通常一個 peer-to-peer (P2P)影片串流 系統有下列特徴 [1][2]: (1) peers 的能力 有限限, 例如: CPU 速度或頻寬; (2) peers 彼此的能力不同, 有的 peer 可能頻寬較 大, 有的可能較小. 因此一個串流服務可 能包含多個 peers, Xu [2] 首先提出如何 安排影片資料給多個 server-peers 在一個 串流影音服務中, 使得發出需求的 peer 可 以 快 速 的 得 到 服 務 . 然 而 Xu 假 設 server-peers 的頻寬必須互為 2 的倍數, 假 設有 4 個 server-peers Ps1 、 Ps2 、 Ps3 、 Ps4 傳送資料給 client-peer， Ps1 、 Ps2 的頻寬 是 Ps3、Ps4 的 2 倍及 4 倍, 此限制在網際 網路的異質環境中不太實際. 為了解決這 個問題, 本文提出一個新的策略, 與 Xu 的 研究比較, 我們的方法能夠大幅改善等待 時間. 例如, 在提供給 peer 的下載頻寬分 別是 b/2, b/4, b/8, 與 b/8 時, 我們的方 法能夠節省 67%的等待時間. S1 S2 S3 S4 S5 S6 S 7 ... ... ... b waiting time 0 2 b/2 S1 b/4 4 S3 Begin playback S4 S2 S8 S7 b/8 b/8 Time S9 S11 S12 S10 S6 S5 S16 S15 S14 S13 圖 1. Xu 研究的影片資料分配. 2 Real-Time Assignment Video Streaming Data 2.1 背景 我們首先回顧 Xu 的研究 [2]. 假設 供應 peer 所提供的下載頻寬依據下列 的值: b/2, b/4, b/8… b/2m, b 是影片播放 率且 m 是一個整數.如果有 n 個供應 peers, 根據它們的下載頻寬由大到小排 列, 且最小的是 b/2m.然後計算前 2m 個 片段, 且剩下的影片每 2m 個片段重複. begin playback b begin receive w x waiting time bi 圖 2. 我們方法的基本原理. 片 段 的 分 配 以 相 反 的 順 序 , 如 2m, 2m-1, …, 1.它的分配策略是從上到下, 從 右到左. 最小等待時間將會是 n * 片段 長度. 如圖 1 所示, 有 4 個供應 peers, 下載頻寬分別是 b/2, b/4, b/8, b/8, 影片 播放時間如上方所描述. 2.2 Our Strategy 本節假設所需影片的長度是 L, 單位 是秒. 影片播放率是 b, 單位是位元/每秒. 假設 n 個供應 peers 的總下載頻寬等於 影片播放率.供應 peers 的下載頻寬以 bi 為代表, i = 1, 2, 3, …, n, 單位是位元/每秒. 問題是: 如果我們想將整部影片分成 m 個片段(不用等長). 如何分割影片資料與 分配片段給每個供應 peer, 使得等待時間 w 最小. 換言之, 保證等待時間是 w, 如 何分割影片資料與分配片段給每ㄧ個供應 peer, 使得片段數 m 最小. 也就是, 每個片 段長度必須儘可能的長. 參考圖 2, 為了保證能夠持續播放, 取 得剩下部份的時間 x 不能大於整個片段的 播放時間. 換言之 b ( w x) x i b (1). 因此藉由滿足條件 (1), 我們保證在 begin playback begin receive b x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 w waiting time b1 b2 b3 b4 S1 S5 S2 S6 S3 S7 S4 S8 圖 3. An example of the video retrieval strategy. bx1 b1 ( w x1 ) bx 2 b2 ( w x1 x 2 ) bx3 b3 ( w x1 x 2 x3 ) => bx n bn ( w x1 x 2 ... x n ) 任何時間, 所取得的剩餘部份不會對連續 播放造成影響.因此, 當 b ( w x) xi b => bx bi ( w x) (2) b 最長的片段長度將會是 x i w . b bi b1 x1 b b w 1 b2 x 2 (b b )(b b ) wb 1 2 b3 wb 2 x3 ( b b )( b b )( b b ) 1 2 3 bn x wb n 1 n n (b bi ) i 1 2.3 The design and analysis of video retrieval strategy 本節更詳細提出取得的策略並決定需 求 peer 的最小等待時間 w, 從所有 n 個供應 peer 取得 m 個片段, 根據它們 的下載頻寬由大到小排列. 根據方程式 (2), 如果供應 peer p1 的 下載頻寬是 b1, 且等待時間是 w, 片段 S1 最 大 的 長 度 x1 必 須 滿 足 方 程 式 bx1 b1 ( w x1 ) . 現在, 播放片段 S2 等 待時間會等於 w x1 . 當供應 peer p2 的下載頻寬是 b2 時, 片段 S2 的最大長 度 x2 必 須 滿 足 方 程 式 bx 2 b2 ( w x1 x 2 ) . 圖 3 描述當 m=8 且 n=4 時的影片取得策略.我們根據遞 迴方程式, 片段從 1 到 n 如果片段 m 的編號大於供應 peers n 的編號, 我們能更進ㄧ步根據片段 n+1 到 n+n 的 n 遞迴方程式. bx n 1 b1 ( x 2 x3 ... x n 1 ) bx n 2 b2 ( x3 x 4 ... x n 2 ) bx n n bn ( x n 1 x n 2 ... x nn 1 ) => b x n i i ( xi 1 xi 2 ... xi n 1 ) , b bi 3 分析和模擬結果 i=1~n 依據 n 遞迴方程式, 片段 2n+1 到 2n+n. bx 2 n1 b1 ( x n2 x n3 ... x n n 1 ) bx 2 n2 b2 ( x n3 x n 4 ... x n n2 ) bx 2 nn bn ( x nn 1 x nn 2 ... x n n n 1 ) bx 2 n1 b1 ( x n2 x n3 ... x n n 1 ) bx 2 n2 b2 ( x n3 x n 4 ... x n n2 ) bx 2 nn bn ( x nn 1 x nn 2 ... x n n n 1 ) 4 結論 許多研究者已證明可在 peer-to-peer (P2P) 網路上端建立符合成本效率的影片 串流系統. 由於大多數 peers 有限的下載 => b x 2 n i i ( xi n 1 xi n2 ... xi 2 n 1 ) b bi i=1~n 比較觀眾的等待時間與 Xu 的研究 [2]. 假設片段 m 的編號從 100 到 1000. 兩個供應 peers 下載頻寬分別是 b/2, b/4, b/8, b/8 與 b/4, b/4, b/8, b/8, b/8, b/16, b/16 的例子. 圖 4 顯示我們的方法可以大 幅降低觀眾 67%的等待時間. , 最後, 我們可以簡化下述遞迴公式以 決定最小等待時間 w. bp wb p 1 , p n x p p (b bi ) i 1 b( p 1) mod n 1 ( x p n 1 x p n 2 ... x p 1 ), n p m x p b b( p 1) mod n 1 m xi L i 1 頻寬, 每ㄧ個串流期可能包含多個供應 peers. 本計畫提出ㄧ個新的方法, 允許使 用者在有限制頻寬的情況下從多個 peers 取得影片, 使得等待時間最小. 與 Xu 的 研究 [2] 比較, 我們的方法大幅改善等待 時間. 參考文獻 [1] Mohamed M. Hefeeda, Bharat K. Bhargava and David K. Y. Yau, “ A Hybrid Architecture for Cost-Effective On-Demand Media Streaming, ”Computer 350 Our Strategy Waiting time 300 Xu's Strategy 250 200 150 100 50 0 100 200 300 400 500 600 700 Number of Segments 800 圖 4. 與 Xu 研究的觀眾等待時間比較. 900 1000 Networks, vol. 44, pp. 353-382, 2004. [2] Dongyan Xu, Mohamed Hefeeda, Susanne Hambrusch and Bharat Bhargava, “ On Peer-to-Peer Media Streaming, ” IEEE ICDCS, July 2002. 計畫成果自評 本計畫研究成果與計畫申請書相符, 未來應可擴充後發表於學術期刊. 同時本 成果亦可實際用於 peer-to-peer 的視訊服 務系統.