一种对等网络自适应流媒体点播系统及服务质量保证方法技术方案

本发明专利技术公开了一种对等网络自适应流媒体点播系统及服务质量保证方法；该系统包括对等网络多码率覆盖网结构和客户端节点功能模块结构，支持HTTP自适应流媒体技术与对等网络技术的融合，从而利用HTTP自适应流媒体技术部署简单、自适应码率调整特性与对等网络技术高可扩展、低成本特性；该系统的服务质量保证方法，包括基于斐‑幂环状结构的邻居节点搜索方法和自适应码率控制方法；基于斐‑幂环状结构的邻居节点搜索方法，支持客户端节点拖动播放点时高效查找邻居节点，获取所需流媒体资源；自适应码率控制方法，支持客户端节点根据相关服务质量指标自适应调整码率，保障用户观看体验。

A peer-to-peer network adaptive streaming media on demand system and quality of service guarantee method

【技术实现步骤摘要】
一种对等网络自适应流媒体点播系统及服务质量保证方法
本专利技术涉及计算机网络、对等网络技术、流媒体
，具体是一种对等网络自适应流媒体点播系统及服务质量保证方法，它属于互联网上流媒体点播服务应用领域。
技术介绍
流媒体点播服务已成为互联网的主要应用之一。在实现流媒体点播系统时，HTTP自适应流媒体技术得到了广泛应用，商业部署的代表性产品，包括微软的平滑流技术(SmoothStreaming，SS)、苹果公司的HTTP直播流(HTTPLiveStreaming，HLS)、Adobe的HTTP动态流(HTTPDynamicStreaming，HDS)。HTTP自适应流媒体技术具备以下优点：部署简单(不存在NAT转换和防火墙问题)；能随着网络带宽变化自适应调整视频播放码率(简称码率)，保障用户观看体验；能像其他的HTTP内容一样重用HTTP服务器、内容分发网络(ContentDeliveryNetwork，CDN)、Cache基础设施。然而，商业应用的HTTP自适应流媒体技术均采用客户-服务器架构，服务器带宽开销与网络规模成正比。虽然CDN技术近年来发展很快，而且服务价格降低，但是随着网络规模的扩大，服务器带宽开销还是会变得非常昂贵，甚至超出CDN网络的服务能力。因此，基于HTTP自适应流媒体的流媒体点播系统，虽然具有部署简单、自适应码率调整等优点，但是也面临随着网络规模的增长，服务器带宽开销巨大且不断增长的挑战。另一方面，对等网络技术应用于流媒体点播服务已被证明是一种高可扩展、低成本的技术，能够很好地降低服务器带宽开销，以及能够支持很大的网络规模。对等网络技术能够利用每个客户端节点提供的资源(计算资源、存储资源、带宽资源)，提升整个系统的服务能力。每个客户端节点既是客户端，又是服务器端。作为客户端，每个客户端节点请求自己所需的视频资源。作为服务端，每个客户端节点向系统提供缓存的流媒体视频资源。因此，随着客户端节点的加入，整个系统的资源也会随之增加，体现出高扩展性。在对等网络中，由于每个节点提供的资源被系统免费使用，所以基于对等网络的系统能很好地降低服务器带宽开销，体现出低成本。因此，如果HTTP自适应流媒体技术与对等网络技术结合，就能解决HTTP自适应流媒体技术遇到的服务器带宽开销巨大其不断增长的问题，从而实现部署简单、自适应码率调整、高可扩展、低成本的流媒体点播服务。然而，HTTP自适应流媒体技术与对等网络技术的结合面临着一些挑战。首先，在流媒体点播服务中，播放同一视频的客户端节点会根据带宽选择不同码率进行播放，而且会播放视频的不同部分，如何构建多码率的覆盖网是两个技术结合要考虑第一个问题。其次，客户端节点的功能设计应如何兼顾HTTP自适应流媒体部署简单、自适应码率调整的优点与对等网络技术能利用客户端节点资源的优点。目前，对等网络技术与流媒体点播服务结合，主要应用的是RTSP/RTP(RealTimeStreamingProtocol/RealTimeStreaming)流媒体协议。基于该协议，客户端向服务器端发出流媒体数据请求，服务器端通过UDP端口将流媒体数据传输给客户端。然而，在HTTP自适应流媒体技术中，流媒体传输是建立在HTTP协议上的，而HTTP协议是建立在TCP协议之上的。因此，客户端节点在功能设计时，为了利用HTTP自适应流媒体部署简单、自适应调整码率的优点，如何既能采用HTTP协议进行传输，又能兼顾支持对等网络，是要考虑的一个关键问题。然后，在流媒体点播服务中，客户端节点有可能发生拖动，为了在对等网络中快速查找邻居节点，如何设计一种覆盖网结构支持高效查找邻居节点，是要考虑的一个重点问题。最后，基于所设计的对等网络覆盖网结构，如何设计一种自适应码率控制方法，在不同码率之间进行切换，也是要考虑的一个重要问题。目前，如何将HTTP自适应流媒体技术与对等网络技术结合实现流媒体点播服务，而解决上述问题，尚无公开的技术实现和参考。
技术实现思路
本法的目的在于上述
技术介绍
中的不足，而提供一种对等网络自适应流媒体点播系统及服务质量保证方法。本专利技术涉及自适应流媒体点播网络、流媒体分片，描述如下：一、自适应流媒体点播网络自适应流媒体点播网络，包括流媒体服务器、注册与辅助服务器、Web服务器、客户端节点。流媒体服务器：负责为web服务器提供流媒体分片分块资源。Web分发服务器：用于接收流媒体服务器的流媒体分片分块资源，将分片分块文件和索引文件基于HTTP协议分发给客户端节点。注册与辅助服务器：负责记录和维护自适应流媒体点播网络中客户端节点的信息，并根据需要周期性统计相关信息，如在线时长、在各个不同码率覆盖网中的节点数、覆盖网服务质量指标、覆盖网潜在服务质量指标等信息，向客户端节点周期性地广播覆盖网服务质量指标、覆盖网潜在服务质量指标等信息。客户端节点：客户端节点分为两类：一类是具有较大计算能力和存储能力的电脑端节点，包括PC机、笔记本电脑、智能电视等；一类是计算能力和存储能力有限的移动端节点，包括平板电脑、智能手机等。两类节点均可通过有线网络或WIFI连接互联网，它们的区别在于缓存空间大小不同，电脑端节点的缓存空间更大。客户端节点可随时加入或离开自适应流媒体点播网络，或者在播放过程中拖动播放点。二、流媒体分片流媒体分片按分片-小块二级组织，每个分片的时间长度为10秒，可分为10个小块，每个小块的时间长度为1秒，流媒体服务器中含有一个流分割器，该流分割器将一个流媒体资源按时间长度等长地分为多片，再对每个分片划分为小块。一个流媒体资源最后一个分片的时间长度为该流媒体资源的时长对10取余。每个流媒体分片的字节长度不同，客户端节点在不同码率进行切换时，可根据时间点请求不同码率的流媒体分块。在分片及分块后，流分割器还会产生一个索引文件来索引这些分片和分块。索引文件中的索引信息包括分片号、分块号(分片号与分块号均从1开始编号，即1，2，3，…)、长度、对应URL。实现本专利技术目的的技术方案是：一种对等网络自适应流媒体点播系统，包括对等网络多码率覆盖网结构和客户端节点功能模块结构；所述的对等网络多码率覆盖网结构，是播放同一视频的所有客户端节点，根据播放码率从低到高依次分布到不同的覆盖网，同码率覆盖网的所有客户端节点按斐-幂环状结构组织在一起共享流媒体数据和交换控制信息，相邻码率覆盖网的客户端节点根据播放分片号相同，即播放点所对应的流媒体分片号，构成跨码率邻居节点关系，跨码率邻居节点之间以交换控制信息为主，也能共享流媒体分片；不相邻码率覆盖网的客户端节点之间无信息交互。所述的斐-幂环状结构，是一种集成斐波那契环与2的幂次环的环状结构，在斐-幂环状结构中，一个客户端节点根据其同码率邻居节点的播放分片号与自身播放分片号的差值的绝对值，将其邻居节点组织在零环上或斐波那契序列值前六项(1、2、3、5、8、13)为半径的同心圆环上或以2的幂次序列值(从24开始，16、32、64、128、256、…)为半径的同心圆环上；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对等网络自适应流媒体点播系统，其特征在于，包括对等网络多码率覆盖网结构和客户端节点功能模块结构；/n所述的对等网络多码率覆盖网结构，是播放同一视频的所有客户端节点，根据播放码率从低到高依次分布到不同的覆盖网，同码率覆盖网的所有客户端节点按斐-幂环状结构组织在一起共享流媒体数据和交换控制信息，相邻码率覆盖网的客户端节点根据播放分片号相同，即播放点所对应的流媒体分片号，构成跨码率邻居节点关系，跨码率邻居节点之间以交换控制信息为主，也能共享流媒体分片；不相邻码率覆盖网的客户端节点之间无信息交互；/n所述的客户端节点功能模块结构，包括支持视频播放和拖动操作的播放器模块，还包括覆盖网模块、数据调度模块、缓存模块和web分发模块；/n所述的覆盖网模块，包括邻居节点信息管理子模块和邻居节点通信管理子模块；/n所述的邻居节点信息管理子模块，用于一个客户端节点管理与维护四个邻居节点列表，四个邻居节点列表包括伙伴节点列表、同码率邻居节点列表、跨码率邻居节点列表、备选邻居节点列表；/n所述的邻居节点通信管理子模块，用于管理每个客户端节点与自己的邻居节点进行周期性通信，采用UDP协议进行通信；在第一次相互通信时，每个客户端节点与邻居节点之间交换IP地址、端口、URL地址、带宽；在后续周期性通信中，每个客户端节点根据IP地址、端口，基于UDP协议与自己邻居节点进行通信，针对邻居节点类别不同，分别进行处理；针对伙伴节点，每个客户端节点周期性发送自己的缓存窗口位图信息、播放点信息给伙伴节点列表中的每个伙伴节点；针对同码率邻居节点、跨码率邻居节点、候选邻居节点，每个客户端节点周期发送自己的播放点信息给邻居节点；邻居节点根据接收到的信息，更新自己的邻居节点列表信息；/n所述的数据调度模块，数据调度模块首先执行自适应码率控制算法，决定客户端节点的播放码率，再执行对等网络流媒体点播的数据调度算法，若客户端节点播放码率发生变化，则数据调度模块通知覆盖网模块搜寻新的邻居节点；当覆盖网模块执行完更新，加入到新的覆盖网之后，覆盖网模块将伙伴节点的信息发送至数据调度模块，数据调度模块根据数据需求以及伙伴节点的信息，执行数据调度算法，确定请求的流媒体分块与伙伴节点的对应关系，该种对应关系提供给web分发模块进一步处理；/n所述的缓存模块，用于向播放器模块提供流媒体数据，当web分发模块接收到伙伴节点返回的HTTP响应后，web分发模块取出HTTP响应中的流媒体分块及其索引信息，传递至缓存模块；/n所述的web分发模块，用于处理HTTP请求的发送、HTTP请求的响应与HTTP响应的接收；HTTP请求的发送是指当数据调度模块确定请求的流媒体分块与伙伴节点的对应关系后，这些调度决策信息传输至web分发模块，web分发模块组装调度决策信息与伙伴节点的URL地址，向伙伴节点发出HTTP请求；HTTP请求的响应，是指当一个客户端节点的伙伴节点发送HTTP请求给自己时，该节点的web分发模块解析HTTP请求，从缓存模块中取出对应的流媒体分块，封装成HTTP响应，返回给伙伴节点；HTTP响应的接收，是指当一个客户端节点发出HTTP请求给其伙伴节点后，其伙伴节点返回一个HTTP响应，web分发模块解析HTTP响应，取出流媒体分块、以及对应的索引信息，传输至缓存模块。/n...

【技术特征摘要】
1.一种对等网络自适应流媒体点播系统，其特征在于，包括对等网络多码率覆盖网结构和客户端节点功能模块结构；
所述的对等网络多码率覆盖网结构，是播放同一视频的所有客户端节点，根据播放码率从低到高依次分布到不同的覆盖网，同码率覆盖网的所有客户端节点按斐-幂环状结构组织在一起共享流媒体数据和交换控制信息，相邻码率覆盖网的客户端节点根据播放分片号相同，即播放点所对应的流媒体分片号，构成跨码率邻居节点关系，跨码率邻居节点之间以交换控制信息为主，也能共享流媒体分片；不相邻码率覆盖网的客户端节点之间无信息交互；
所述的客户端节点功能模块结构，包括支持视频播放和拖动操作的播放器模块，还包括覆盖网模块、数据调度模块、缓存模块和web分发模块；
所述的覆盖网模块，包括邻居节点信息管理子模块和邻居节点通信管理子模块；
所述的邻居节点信息管理子模块，用于一个客户端节点管理与维护四个邻居节点列表，四个邻居节点列表包括伙伴节点列表、同码率邻居节点列表、跨码率邻居节点列表、备选邻居节点列表；
所述的邻居节点通信管理子模块，用于管理每个客户端节点与自己的邻居节点进行周期性通信，采用UDP协议进行通信；在第一次相互通信时，每个客户端节点与邻居节点之间交换IP地址、端口、URL地址、带宽；在后续周期性通信中，每个客户端节点根据IP地址、端口，基于UDP协议与自己邻居节点进行通信，针对邻居节点类别不同，分别进行处理；针对伙伴节点，每个客户端节点周期性发送自己的缓存窗口位图信息、播放点信息给伙伴节点列表中的每个伙伴节点；针对同码率邻居节点、跨码率邻居节点、候选邻居节点，每个客户端节点周期发送自己的播放点信息给邻居节点；邻居节点根据接收到的信息，更新自己的邻居节点列表信息；
所述的数据调度模块，数据调度模块首先执行自适应码率控制算法，决定客户端节点的播放码率，再执行对等网络流媒体点播的数据调度算法，若客户端节点播放码率发生变化，则数据调度模块通知覆盖网模块搜寻新的邻居节点；当覆盖网模块执行完更新，加入到新的覆盖网之后，覆盖网模块将伙伴节点的信息发送至数据调度模块，数据调度模块根据数据需求以及伙伴节点的信息，执行数据调度算法，确定请求的流媒体分块与伙伴节点的对应关系，该种对应关系提供给web分发模块进一步处理；
所述的缓存模块，用于向播放器模块提供流媒体数据，当web分发模块接收到伙伴节点返回的HTTP响应后，web分发模块取出HTTP响应中的流媒体分块及其索引信息，传递至缓存模块；
所述的web分发模块，用于处理HTTP请求的发送、HTTP请求的响应与HTTP响应的接收；HTTP请求的发送是指当数据调度模块确定请求的流媒体分块与伙伴节点的对应关系后，这些调度决策信息传输至web分发模块，web分发模块组装调度决策信息与伙伴节点的URL地址，向伙伴节点发出HTTP请求；HTTP请求的响应，是指当一个客户端节点的伙伴节点发送HTTP请求给自己时，该节点的web分发模块解析HTTP请求，从缓存模块中取出对应的流媒体分块，封装成HTTP响应，返回给伙伴节点；HTTP响应的接收，是指当一个客户端节点发出HTTP请求给其伙伴节点后，其伙伴节点返回一个HTTP响应，web分发模块解析HTTP响应，取出流媒体分块、以及对应的索引信息，传输至缓存模块。


2.根据权利要求1所述的一种对等网络自适应流媒体点播系统，其特征在于，所述的斐-幂环状结构，是一种集成斐波那契环与2的幂次环的环状结构，在斐-幂环状结构中，一个客户端节点根据其同码率邻居节点的播放分片号与自身播放分片号的差值的绝对值，将其邻居节点组织在零环上或斐波那契序列值前六项为半径的同心圆环上或以2的幂次序列值为半径的同心圆环上；当差值为零时，其邻居节点称为伙伴节点，位于零环上；当差值的绝对值为斐波那契序列值前六项时，其邻居节点在斐波那契环上；当差值的绝对值为2的幂次时，其邻居节点在幂次环上；幂次环半径的最大值取决于视频的长度，两个同码率客户端节点的播放分片号差值的绝对值不为上述值时，不在斐-幂环状结构上。


3.根据权利要求1所述的一种对等网络自适应流媒体点播系统，其特征在于，所述的伙伴节点列表管理同码率覆盖网中具有相同播放分片号的其他客户端节点，伙伴节点数为6-12个，处于斐-幂环状结构的零环上；所述的同码率邻居节点列表管理斐-幂环状结构上的邻居节点，在每个非零环的环上保存2-3个邻居节点；所述的跨码率邻居节点列表管理相邻码率覆盖网层播放分片号相同的客户端节点，每个相邻码率覆盖网层选取2-3个跨码率邻居节点；备选邻居节点列表管理与自己具有邻居节点关系的其他客户端节点，当伙伴邻居节点、同码率邻居节点、跨码率邻居节点数量不够时，客户端节点从备选邻居节点列表中选取相应的邻居节点进入斐-幂环状结构，如果备选邻居节点列表中节点数量也不足，则该客户端节点周期性向自己的邻居节点请求新的邻居节点，或向注册与辅助服务器请求新的邻居节点；所述的伙伴邻居节点列表管理的节点信息包括：邻居节点的IP地址、端口、URL地址、带宽、缓存窗口位图、播放点；同码率邻居节点列表、跨码率邻居节点列表、备选邻居节点列表管理的节点信息包括：邻居节点的IP地址、端口号、URL地址、带宽、播放点。


4.根据权利要求1所述的一种对等网络自适应流媒体点播系统，其特征在于，所述的缓存模块，包括分片数据管理子模块、缓存位图管理子模块；分片数据管理子模块将接收到的流媒体分块组装成分片，并根据需要将流媒体数据提供给播放器模块和web分发模块；缓存位图管理子模块根据索引信息更新缓存位图信息，并根据索引信息构建和维护三个位图，三个位图包括分片位图、分块位图、缓存窗口位图；
分片位图是指每个流媒体分片按顺序对应一个比特位，分片已被缓存用1表示，未被缓存用0表示；
分块位图是指每个流媒体分块按顺序对应一个比特位，分块已被缓存用1表示，未被缓存用0表示，分块位图的构建依赖于分片位图，当分片位图中分块所在分片对应的比特位为1时，该分片对应的分块位图分配10个比特；当分片位图中分块所在分片对应的比特位为1时，该分片对应的分块位图分配1个比特，其比特位用0表示；
缓存窗口位图，是指以播放分片号为中心，向前、向后两个分片与播放分片构成的5个分片的分块位图，由50个比特构成，分块已被缓存用1表示，未被缓存用0表示。


5.一种对等网络自适应流媒体点播系统的服务质量保证方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘平山，刘韶星，范雅晴，黄桂敏，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45