背景知識 - 基於同儕式網路隨選視訊串流的高強度區塊作種與排程演算法

同儕式網路影音串流傳輸，是目前最受重視的研究方向。因為同儕式網路的機制能夠有效地節省伺服器端頻寬與計算能力，非常適合在網際網路上提供影音服務並節省營運成本。BitTorrent 是一種基於同儕網路的檔案傳輸分享協定，因為特殊的獎勵（Incentive）

機制設計，在網際網路上被廣大的使用者下載做為檔案分享的媒介，而且也證明了其同儕式網路之優異性。對於流量日益劇增的網路影音串流，有許多類BitTorrent 的同儕網路串流設計（如BASS、CoolStreaming、BiToS）；另針對隨選視訊系統亦有許多相關研究。

2.1 BitTorrent

BitTorrent 是一個熱門的 P2P 的檔案分享架構，於 2001 年由 Bram Cohen 發明，它將檔案提供者發佈出來分享的檔案切成許多的檔案片段（Piece），下載者下載部份片段並互相分享彼此的片段，將上傳的負荷分配給下載者。

根據BitTorrent 協議，檔案發佈者會根據要分享的檔案產生一個種子檔案文件，也簡稱為 Torrent；Torrent 檔描述了原始檔案的一些特性，以及想要下載這個檔案的同儕們必需知道的基本資訊與同儕列表記錄者（Tracker）資訊，Tracker 是一個集中式的伺服器，並不負責實際檔案的傳輸，而是幫助這些要下載檔案的同儕可以找到彼此，主要工作內容是負責紀錄有哪些同儕正在下載或分享該檔案，而每個同儕也會定時向Tracker 通知自己的最新下載狀況。

當使用者想要透過BitTorrent 網路去下載某個檔案的時候，他必須要先取得此檔案的種子檔，而種子檔一般可透過HTTP 協定向網頁伺服器取得，接著使用者根據種子檔提供的Tracker 的 IP 位址連到 Tracker 之後，Tracker 回傳給下載者同樣在下載這個檔案的同儕列表清單。下載者即根據這個清單直接與其它同儕交換檔案片段，進而下載完整檔案。

2.1.1 Piece Selection

由於同儕常與多個檔案提供者請求下載服務，故會產生向哪位同儕請求下載哪一個片段會較有效率的問題，因此在BitTorrent 的架構中，片段選擇（Piece Selection）就成為一個重要的議題。片段選擇的主要目的就是希望儘快將不同的片段散佈到不同的同儕中，以增加同儕彼此之間的分享效率，主要的片段選擇法可以分為下面四種：（1）Strict Priority（2）Rarest First（3）Random First Piece（4）Endgame Mode。

2.1.2 Peer Selection

由於BitTorrent技術不是集中式的資源分配，每一個同儕都有責任讓自己的下載速率最大化。當同儕下載時，會根據對方同儕提供我們的下傳速度給予適當的回報，對於有貢獻的同儕則對它提供上傳服務，對於沒有貢獻的同儕就給予阻塞（Choking）。Choking 是暫時拒絕上傳給檔案對方，但仍可以下載，而當Choking暫停時，連線不需要重新建立。Choking不是BitTorrent的主要技術，但它對於BitTorrent整體的效能表現來講是很重要的機制。它讓所有可用資源的使用分享最大化，並且提供每個人合理的下載速度，主要分為：（1）Pareto Efficiency（Tit-For-Tat）（2）Choking Algorithm（3）Optimistic Unchoking¹

（4）Anti-Snubbing（5）Upload Only。

2.2 CoolStreaming／DONet

在2004 年，由香港科技大學的Bo Li團隊發表，並實作了DONet（Data-driven Overlay Network）這個架構成為CoolStreaming。CoolStreaming使用Gossip協定來散播同儕列表清單，類似於BitTorrent的點對點的傳輸協定，可在用戶（Partner）之間互相傳送多媒體資料封包，並使用隨機的Peer Selection（Tit-For-Tat），在傳遞多媒體內容時也使用「混合式pull and push」策略，系統主要包含三種模組，分別為Membership Manger、Partnership

1 Tit-For-Tat 的行為模式是先將過 20 秒內上傳給自己的速度大於 256 Bytes/sec 的該 Peers，根據其上傳速度由快至慢做排序後並依序提供它們下載自己的檔案片段。

Manager與Stream Manager，他們彼此分工，使得系統更加易於佈建、更有效率，也更加強韌與可靠。由於CoolStreaming的成功，使得後期出現的PPLive[11]、PPStream[12]等 P2P視訊串流技術也大多沿用了CoolStreaming的運作模式。圖 1 為DONet的系統示意圖。

圖1：DONet 系統圖

2.3 BASS

BitTorrent Assisted Streaming System（BASS），為設計於大規模的隨選視訊系統服務，

對BitTorrent 作了少許的修改，並加上外部的多媒體串流伺服器（Media Server），使點對點傳播技術融合主從式架構(如圖 2)，不僅降低多媒體串流伺服器的頻寬負擔，亦減少了串流播放的等待時間。

由於需仰賴串流「依序」地傳送才能正常播放影音，因此BitTorrent 的最稀有優先策略（Rarest First）不適合作為串流傳播之用，為處理這個問題，BASS 對 BitTorrent 做了些許修改：在下載「目前播放片段點」前不會下載任何資料。

圖2：BASS 系統架構圖

另外當綜合了多媒體串流伺服器與同儕的連線時，為使BASS 能依序下載串流的片段，BASS 提供如下圖 3 的 Client Model 運作方式：首先，同儕們先各自下載所需的片段並存於本地儲存設備直到這些片段被使用；再來，為使同儕們能「依序」地接收影片串流片段，同儕們會根據以下三種狀況來「放棄」從多媒體串流伺服器下載影音串流片段：

I. 同儕們已從BitTorrent 同儕網路部分下載該影音片段，此時略過多媒體串流伺服器。

II. 「正在」從同儕網路中下載片段時，不向多媒體串流伺服器要求串流傳送。

III. 在預計播放的時間抵達前結束收看，此時後段的串流也不需向多媒體串流伺服器接收。

圖3：BASS Client 模組圖

2.4 BiToS

BitTorrent Streaming（BiToS），屬於 BitTorrent 的一種擴充網路協定，其特色在於 BiToS 為支援串流設計了專用的片段選擇策略。由於 BitTorrent 的 Rarest First 機制並不像影音串流技術需考慮到時間是否過期，故BiToS 對時間敏感度有較佳之考量，其想法是將需要下載的檔案片段分成Received Pieces、High Priority Set、Remaining Pieces Set 三個階段，並透過可動態調整的機率變數 p 來控制下載 High Priority Set、Remaining Pieces Set 的比例，以影響其運作策略。

圖4：BiToS 替 BitTorrent 支援串流之示意圖

2.5 Cache Replacement in Peer-Assisted VoD Systems

運作在同儕網路下的隨選視訊系統，往往需要一塊快取空間（Cache），供下載完成後預備播放與播放後分享他人之用。此篇[13]即探討何種快取替換演算法為較佳之選擇，

經過數學推算出最佳化之演算法，與最簡單之基本演算法如LRU、LFU比較後，雖然最佳化演算法的效能較佳，但大多數狀況中仍推薦使用之演算法越簡單越好。

在文檔中基於同儕式網路隨選視訊串流的高強度區塊作種與排程演算法 (頁 12-17)