CoolSreamingDONe：實時流媒體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)重疊網(wǎng)絡

1CoolStreaming/DONet:實時流媒體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)重疊網(wǎng)絡作者:XinyanZhang,JiangchuanLiu,BoLi,Tak-ShingPeterYum翻譯:默難(monnand@gmail).DriftingLeaves(driftingleaves@yahoo)摘要

(本節(jié)翻譯:DriftingLeaves)啊本文扇描述俊了五DO忘Ne障t逝-廟-憑-炒一種錢用于衫流媒宣體的仗數(shù)據(jù)丸驅(qū)動刺網(wǎng)絡糞.懇DO譽Ne炭t獅的核早心操寄作非剪常簡臂單剖:煮每一額個結(jié)唐點與贈一組燭伙伴炒周期臣性地淚交換語數(shù)據(jù)消可用掌性信垮息,茂從稅一個候或多籍個伙志伴那樣里接矛收自猛己所豬沒有波的數(shù)殃據(jù),薯并趁把自臨己所堵?lián)碛挟€的數(shù)褲據(jù)提嗎供應揀需要訴的伙牽伴.秩我償們將導著重京分析緊這種糟數(shù)據(jù)斜驅(qū)動嶼設計腸的三皇種突蟻出特驢性:慮(1畢)橋易于繩實現(xiàn)尚,災它不術(shù)需要氣構(gòu)建棟或維利護一矩個復似雜的中全局捐結(jié)構(gòu)疼;共(2療)繡高效今,數(shù)西據(jù)的討傳遞牛方向嘗是依底照數(shù)爸據(jù)的些可用哀性信涌息而喬動態(tài)湯改變藏的,滾而逢不是小被限臥制在議特定鍋的方盈向上親;迅(3革)炊健壯俊,叫允許圣結(jié)點恥的伙液伴關(guān)孕系在益眾多置提供松者中禿作出炒適應民變化擔的快漫速轉(zhuǎn)員換.狗

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基于全球范圍的性能評估

(本節(jié)翻譯:A-C由DriftingLeaves翻譯;D和E由默難翻譯)

關(guān)于DONet的原型,已經(jīng)進行過多方面實驗.這一局部中,將會首先說明在PlanetLab[30]環(huán)境下,實驗系統(tǒng)是如何設計.其次會列出一些典型的結(jié)果.最后,本文會指出在實驗中所遇到的一些典型問題,并討論它們對實驗結(jié)果的影響.

Fig-5結(jié)點地理分布的快照

A.

實驗系統(tǒng)的設計

這些實驗幾乎動用了PlanetLab的所有可用結(jié)點,

而結(jié)點的總量在實驗期間(2004年5月到2004年6月),到達了200個到300個.每一個結(jié)點都運行一個程序原型,扮演DONet結(jié)點的角色.源結(jié)點被設置在美國(,IP:2),而借助遠程登錄,通過在香港(.hk,IP:8)的結(jié)點控制整個系統(tǒng),它也就是所謂的監(jiān)控結(jié)點(MonitoringNode).實際上這也是亞洲第一個接入PlanetLab的結(jié)點(從2003年1月開始).Fig-5展示了一個在5月進行的實驗所動用結(jié)點的地理分布快照.

對于這樣一個大范圍分布的實驗臺,如何有效地控制結(jié)點和收集報告,將會是一個挑戰(zhàn),因為無論是啟動或升級程序,還是收集實驗結(jié)果,所有的結(jié)點都將會集中地完成登錄,上傳或下載操作.所以設計一個自動控制系統(tǒng)是很必要的.而同時實驗系統(tǒng)應該具有高度的可擴展性,以便參加新的結(jié)點和性質(zhì).有趣的是,借助PlanetLab所提供的工具,以上目的也可以通過使用重疊網(wǎng)絡來到達.

下面將簡要描述實驗系統(tǒng)的模塊,Fig-6描述了這一模塊的構(gòu)成.

Fig-6實驗系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖

DONet模塊:DONet是使用Python---也就是Planet的編程語言,來實現(xiàn)的.在這一模塊中,對于并行事件的處理是采用具有非阻塞模式套接字的事件隊列來完成的,而不是多線程.正因為程序是單線程的,可以防止許多在多線程編程下的復雜問題,因此程序的調(diào)試和實現(xiàn)會更加簡單,這也會使得原型的設計變得快捷.

控制臺和自動機模塊:控制臺通過交互命令來便控制整個系統(tǒng).這些命令會是諸如參加,離開DONet或改變參數(shù).而Python的突出性質(zhì)是能夠動態(tài)地執(zhí)行指令.那么,新的特性和功能就能夠在防止重寫和重新裝入整個程序的情況下參加.在控制臺中,同時設計了自動機的模塊,它能夠自動地開始實驗并執(zhí)行一系列在隊列中事先定義好的指令.這樣不僅能完成精確的時間控制,還能夠減輕長時間實驗(許多實驗經(jīng)常會持續(xù)5個小時)的監(jiān)控工作.

指令分發(fā)和報告收集模塊:由監(jiān)控結(jié)點直接連接到每一個結(jié)點來分發(fā)指令和收集報告,這樣的設計是不具有可擴展性的.而使用另一個網(wǎng)絡來實現(xiàn)命令的分發(fā)將會很好地緩和這個問題.在實際中,每一個指令都有唯一的序號;一個結(jié)點接收到命令后,會把它轉(zhuǎn)發(fā)給一列自己的結(jié)點,而這列結(jié)點就是先前在DONet模塊的mCache中獲取的那一列.由于指令在數(shù)量上是有限的,并且對于延遲敏感,采用泛洪式的方式來播送指令是一個合理的選擇.這樣的作法同時會有助于建立一個,用于收集報告的逆向樹結(jié)構(gòu).在這個結(jié)構(gòu)中,有關(guān)喪失和路徑長度等信息能在一些交叉結(jié)點(JuncionNode)處分類合并,然后再傳回監(jiān)控結(jié)點.綜上所述,就能在不讓監(jiān)控結(jié)點過重負載的情況下完成在線統(tǒng)計.

在能自動控制系統(tǒng)的情況下,創(chuàng)造一個穩(wěn)定的(使用持續(xù)結(jié)點)或動態(tài)的(使用動態(tài)參加,離開或異常退出的結(jié)點)環(huán)境并不困難.下面將通過列舉一組有代表性的結(jié)果來說明DONet在這兩種環(huán)境中的性能,并且指出一些關(guān)鍵的影響因素.

B.

穩(wěn)定環(huán)境下的性能

在第一組實驗當中,所有的結(jié)點都將會在一段初始化時段(1分鐘左右)內(nèi)參加,并在某個流的播放時間內(nèi)(120分鐘,一部電影的典型長度)保持可用.默認的流速率是500Kbps,每個分段都包含長度為一秒鐘的流.每個結(jié)點會維持一個含有60個分段的劃動窗口,或者說是長度為60秒的數(shù)據(jù)流,并會在接受到第一個分段10秒鐘后開始播放.

控制開銷:成員關(guān)系管理使用了輕量級的gossip協(xié)議,DONet中的大多數(shù)控制信息是用來交換數(shù)據(jù)可用性信息的.因此伙伴數(shù)量成為決定控制開銷的關(guān)鍵因素.Fig-7將控制流量描述為平均伙伴數(shù)量的函數(shù).開銷自然會隨著伙伴數(shù)量的增長而變大,但是相比于視頻流量,

甚至在伙伴超過5,6個情況下(控制流量少于總流量的2%),控制流量也是次要的.這個結(jié)果也給人一種直觀的印象---每個分段的可用性信息僅由1比特表示.

Fig-7在不同網(wǎng)絡規(guī)模下控制負載關(guān)于伙伴數(shù)量的函數(shù).(控制負載=每個結(jié)點控制流量/每個結(jié)點視頻流量).

Fig-8連續(xù)性信息關(guān)于伙伴數(shù)量的函數(shù).

播放連續(xù)性:維持播放的連續(xù)性是流應用的首要目標.為了評估連續(xù)性,這里定義了連續(xù)性指標,它表示能在播放的截止時間前到達的分段數(shù)量與分段總量的比值.Fig-8將連續(xù)性指標表示為伙伴數(shù)量M的函數(shù).連續(xù)性會隨著M的增長而加大,因為每個結(jié)點都會有更多的資源提供者以供選擇.但是在伙伴超過4個之后,這種增長將變得不再明顯.在Fig-9中將連續(xù)性指標表示為流速率的函數(shù),可以看到,即使在高速率下,伙伴數(shù)量為4時仍然會到達很好的效果.考慮到控制開銷會隨著伙伴數(shù)量的增長而加大,M=4在實際中將會是一個很好的選擇,這一點在下面的實驗中也同樣適用.

Fig-9連續(xù)性信息關(guān)于流速率的函數(shù).網(wǎng)絡規(guī)模=200結(jié)點.

可擴展性:從Fig-7中可以看出每個結(jié)點的控制開銷幾乎與網(wǎng)絡規(guī)模無關(guān),這是因為數(shù)據(jù)的可用性信息(BM)只在本地交換.同樣,相比于較小的網(wǎng)絡,連續(xù)性指標在大規(guī)模網(wǎng)絡中也沒有太大的變化.實際上,后文將會說明,隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增大,合作的程度將會增加,這往往會導致更好的播放連續(xù)性.一句話,DONet無論在網(wǎng)絡規(guī)模上還是流速率上都具有可擴展性.

C.

動態(tài)環(huán)境下的性能

下面將要檢測DONet在有結(jié)點動態(tài)參加,離開或意外退出時的性能.大多數(shù)的參數(shù)設置與前一組實驗相同,只是在這里,每個結(jié)點會按照ON/OFF模型來改變它的狀態(tài):在ON時段,結(jié)點會在網(wǎng)絡中保持活潑,而在OFF時段,結(jié)點會離開(或意外退出).ON和OFF都在平均為T的時間內(nèi)呈指數(shù)分部.

Fgi-10在不同網(wǎng)絡規(guī)模下控制流量關(guān)于ON/OFF平均周期的函數(shù)

Fig-10將不同網(wǎng)絡規(guī)模下的控制流量表示為ON/OFF周期的函數(shù).可以看到,控制流量會隨著ON/OFF周期的縮短(例如,動態(tài)結(jié)點執(zhí)行更多動作)而有輕微的增長.這些附加的控制流量主要是由離開或意外退出的聲明引起的,但是像前面所提到的,相對于總體流量,這只是次要局部.

Fig-11在不同網(wǎng)絡規(guī)模下連續(xù)性指標關(guān)于ON/OFF平均周期的函數(shù)

Fig-11描述了連續(xù)性指標在不同ON/OFF周期下的變化.更短的ON/OFF周期肯定會導致更低的連續(xù)性指標,但是下降不是很明顯.在使用DONet內(nèi)部一些恢復機制的情況下,即使在高動態(tài)的網(wǎng)絡,DONet的連續(xù)性指標仍然是可以接受的(在1分鐘之內(nèi)找到新的資源結(jié)點).

D.

與基于樹結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的比擬

本節(jié)將把DONet與傳統(tǒng)的樹結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡進行一個比擬.公平起見,樹中的每個結(jié)點的度被限制在三個以內(nèi).這就是說,除了源結(jié)點可以擁有四棵子樹以外,其他非葉子結(jié)點最多只能擁有三棵子樹(加上一個父結(jié)點,那么總度數(shù)為4.這與DONet中每個結(jié)點的度數(shù)相同).

然而,考慮到異構(gòu)能力和帶寬的約束,讓每個結(jié)點都支持三個子樹似乎并不現(xiàn)實.在這種情況下,一些子樹將被移到更底的層次,直到約束條件解除.同時,會使用一種樹修復算法,使得在結(jié)點異常退出的時候,把一些下游結(jié)點移到上游.

首先比擬的是端到端的延遲(end-to-enddelay).由于PlanetLab中結(jié)點的時鐘并非完全同步,所以準確地計算出每個分段的端到端延遲并非是件易事.因此,使用了一種更簡單的方法來衡量延遲---計算跳數(shù)(hop-count)的方法.利用這種方法的衡量結(jié)果被顯示在Fig-13中.盡管樹結(jié)構(gòu)經(jīng)常被認為可以實現(xiàn)最短的延遲,但測試結(jié)果顯示,無論是在穩(wěn)定的還是動態(tài)的網(wǎng)絡中,基于樹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡都表現(xiàn)的不那么盡如人意.如前所述,這是由于上傳帶寬的限制可以在很大程度上增加樹的高度.Fig-12顯示了本次實驗中的樹結(jié)構(gòu).結(jié)點總數(shù)是231,但是樹的高度卻是19---而一顆231個結(jié)點的滿平衡三叉樹的高度卻只有五層.

Fig-12一個包含231個結(jié)點的基于樹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡

Fig-13DONet和基于樹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中的平均跳數(shù)延遲.

Fig-14在連續(xù)性指標方面,DONet網(wǎng)絡和基于樹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡的比擬.(Y軸:連續(xù)性指標;X軸:ON/OFF周期;網(wǎng)絡大小分別為50和200個結(jié)點)

Fig-15在一段時間內(nèi),DONet和基于樹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中的連續(xù)性指標的采樣(采樣自從第10分鐘起至第20分鐘)

如Fig-14所示,在連續(xù)性指標方面,采用樹的拓撲結(jié)構(gòu)遠不如DONet網(wǎng)絡.特別是在較大的動態(tài)網(wǎng)絡中.這是因為樹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡對于非葉子結(jié)點的異常退出非常敏感.從Fig-12中可以看到,有些非葉子結(jié)點在樹結(jié)構(gòu)中起到了至關(guān)重要的作用.比方根結(jié)點的最右邊那個子結(jié)點,它僅僅擁有一顆子樹---它或者它的子結(jié)點的異常退出,都可以導致下游結(jié)點的緩沖區(qū)缺乏,而這就意味著網(wǎng)絡中會有大約3/4的結(jié)點受到影響.為了更進一步指出樹結(jié)構(gòu)的易損性,Fig-15顯示了在一段時間內(nèi),200個結(jié)點的網(wǎng)絡中的連續(xù)性指標.顯然,在連續(xù)性指標方面,樹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡不僅比DONet網(wǎng)絡的低,而且還表現(xiàn)出了很大的波動性.比方,在800至900秒?yún)^(qū)間,連續(xù)性指標嚴重下跌,甚至低于了0.4.根據(jù)當時的記錄顯示,這是根結(jié)點的一個子結(jié)點離開所導致的.而這種情況在DONet中那么很少見.因為結(jié)點的負載被平等地分擔開,并且傳輸?shù)穆窂绞歉鶕?jù)數(shù)據(jù)的可用性動態(tài)確定的.

值得注意的是,哪怕樹結(jié)構(gòu)是滿且平衡的,它在動態(tài)網(wǎng)絡中依然比DONet網(wǎng)絡更加易損.為此,對于由結(jié)點離開或崩潰而導致的播放間斷,作一個簡單的分析,為了方便描述,將結(jié)點的離開或崩潰統(tǒng)稱為結(jié)點失效(Nodefailure).假設失效的概率為Pf.引入另一個變量P0,表示一個相關(guān)結(jié)點(在樹結(jié)構(gòu)中指失效節(jié)點的一個子結(jié)點,在DONet中指它的一個伙伴)在t時間內(nèi)無法找到新的資源提供者的概率.Ps表示一個結(jié)點可以在它的相關(guān)結(jié)點提出請求后便馬上提供上傳的概率.P0和Ps的值都依賴于網(wǎng)絡維護的算法,和網(wǎng)絡/結(jié)點的性能.比方修復算法,緩沖區(qū)大小,上傳帶寬等.在實際中,假設樹結(jié)構(gòu)中的絕大局部非葉子結(jié)點都給M-1個子結(jié)點提供效勞,那么Ps可以適當高一些,比方等于0.5.

在DONet網(wǎng)絡中,每個結(jié)點擁有M個伙伴.假設只能有一個結(jié)點可能替換失效節(jié)點成為資源提供者,那么一個非失效節(jié)點在delta_t時間內(nèi)找不到新的資源提供者的概率為:

那么,出現(xiàn)流間斷的結(jié)點數(shù)量的期望是:

上述的結(jié)果顯然是低估了.因為我們忽略了一個事實:活潑的伙伴結(jié)點可以協(xié)同工作為一個結(jié)點提供資源.這已經(jīng)在之前的調(diào)度算法中提及了.同樣,在樹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中,出現(xiàn)流間斷的結(jié)點數(shù)量的期望是(推導的細節(jié)參見附錄):

這里,h表示一顆滿且平衡的樹的高度.

Fig-16在t

時間內(nèi),出現(xiàn)流間斷結(jié)點的比例的期望

輛Fi偵g-狂16鼻在顛數(shù)值訊上顯絞示了持兩個裁網(wǎng)絡顏的性偏能.性這時顯示嶄了,膏哪濾怕樹憑是滿澇且平批衡的銳,求DO桐Ne銅t扶網(wǎng)絡腫依然絕可以托在播葛放的磁連續(xù)膚性上掏表現(xiàn)依得更火好些螞.蜘在大屠規(guī)模齊,肌并且捉結(jié)點呈失效廊概率盆較高餡的網(wǎng)咐絡中攤,膊差距桂那么更盟為明焰顯.橫值唉得注危意的建是,俗由悶于在艙網(wǎng)絡協(xié)層次草上冬DO襖Ne肯t診與基趟于樹待結(jié)構(gòu)幸的結(jié)耽點沒賣有差猴別,校因斑此,騙基凝于D脾ON槳et純算庭法的遠結(jié)點裙可以宴與基賤于樹必結(jié)構(gòu)哄算法軋的結(jié)礙點協(xié)微同工丸作,暴而底運算附的復勉雜度音方面友,回DO底Ne跳t顯僅然更五加簡寨便.歡

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(本節(jié)翻譯:DriftingLeaves)在DONet的根底上,一個基于Internet的實現(xiàn)---CoolStreaming在2004年5月30日發(fā)布了第一個公開版(v.0.9).CoolStreamingv.0.9包含了2000行Python源代碼,這個版根源于以PlanetLab為根底的實驗原型,并且在實驗完成的兩星期之內(nèi)就發(fā)布了.這也再一次說明了DONet的簡單.它目前支持Rea