CN102438018A

CN102438018A - 基于自治域的P2P-VoIP 网络中继节点选择方法

Info

Publication number: CN102438018A
Application number: CN2011104218153A
Authority: CN
Inventors: 张春红; 王刚; 纪阳; 裘晓峰; 朱新宁; 魏芳; 马涛; 胡清源
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明公开了一种基于自治域的P2P-VoIP网络中继节点选择方法。为会话源端或目的端提供服务的基于自治域的P2P-VoIP网络的第一超级节点接收到源端或目的端发送的查找中继节点的请求消息；第一超级节点从存储的时延矩阵中，找到最小的和/或次小时延值的中继AS，向中继AS中的第二超级节点发送中继节点的请求消息，所述时延矩阵的行与列均为AS的时延值；中继AS中的第二超级节点从其服务的普通节点中选择至少一个性能高且负载低的普通节点作为中继节点，返回给第一超级节点；第一超级节点将所述至少一个中继节点返回给源端或目的端。本发明选择低时延的中继节点，提高了P2P-VoIP网络的通话质量。

Description

基于自治域的P2P-VoIP 网络中继节点选择方法

技术领域

本发明涉及互联网点对点(P2P)语音业务(VoIP)网络中继节点选择方法，特别适用于当P2P-VoIP网络需要选择中继节点来提高话音质量的情况。

背景技术

对等网络(Peer to Peer，P2P)作为现有互联网(Internet)的覆盖网络(Overlay Network)，通过网络中的节点之间共享资源来实现分布式、可靠、可扩展、健壮的网络应用模式。它与传统大的客户机/服务器(Client/Server，简称C/S)的网络模式有着显著区别，C/S网络模式需要一种中央服务器来处理绝大部分的运算工作，为客户端提供相应的服务。而在对等网络中，每个计算机都会贡献一部分资源，以对等的方式形成网络连接，节点既充当服务器又充当客户端的角色。目前P2P网络已经被广泛的应用于实时多媒体通信，如skype。

VoIP(Voice over Internet Protocol)是指将模拟的声音讯号经过压缩与封包之后，以数据封包的形式在IP网络的环境进行语音讯号的传输，通俗来说也就是互联网电话、网络电话或者简称IP电话的意思。VoIP的基本原理是：通过语音的压缩算法对语音数据编码进行压缩处理，然后把这些语音数据按TCP/IP标准进行打包，经过IP网络把数据包送至接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由互联网传送语音的目的。

尽管P2P网络可以提供一定质量的VoIP业务，但是P2P-VoIP在性能上也存在一个问题。这个问题主要是由目前互联网的现状引起的。由于最初互联网的设计并不是要替代传统的电话网，互联网中的任意两个节点之间并不一定能够建立符合ITU G.114标准的话音通信。在互联网中进行话音通信的主要障碍是通信的时延较大、丢包率较大。

要解决P2P-VoIP网络中这个问题，通常有三个方法：

第一个方法是用户节点需要连接到多个互联网服务提供商(Internet Service Provider，ISP)，这样语音会话的源和目的节点之间就存在多跳不同的路径，而这些路径同时不满足语音通信的质量要求的概率是较低的。但是这个方法的代价较大，同时目前大多数用户通常只连接到一个ISP，如中国电信等，所以这个方法对大多数互联网用户来说并不可行。

第二个方法是P2P-VoIP业务提供商部署专用的服务器来转接某些不满足语音通信的链路语音通信，但是这个方法对P2P-VoIP业务提供商来说，开销较大。

第三个方法是通过在P2P网络中选择一些中继节点，来转接某些不满足语音通信链路的语音通信，但是目前并没有提出非常有效的方法，主要困难在于对一个具有N个节点的P2P-VoIP网络来说，一个语音通信可以选择的潜在中继节点为N-2个，当网络中的节点数量非常大时，选择中继节点的开销就会非常大。

发明内容

鉴于以上，本发明提出了基于自治域的P2P-VoIP网络中继节点选择方法。

本发明提出基于自治域的P2P-VoIP网络中继节点选择方法，包括以下步骤：

为会话源端或目的端提供服务的基于自治域的P2P-VoIP网络的第一超级节点接收到源端或目的端发送的查找中继节点的请求消息；

第一超级节点从存储的时延矩阵中，找到最小的和/或次小时延值的中继AS，向中继AS中的第二超级节点发送中继节点的请求消息，所述时延矩阵的行与列均为AS的时延值；

中继AS中的第二超级节点从其服务的普通节点中选择至少一个性能高且负载低的普通节点作为中继节点，返回给第一超级节点；

第一超级节点将所述至少一个中继节点返回给源端或目的端。

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出一种有效、可行的基于自治域的P2P-VoIP网络中继节点选择方法，能够通过构建自治域之间的时延矩阵、周期性的测量生成最新的时延矩阵，为目前P2P-VoIP网络中会话延时较大的链路，选择低时延的中继节点，来提高P2P-VoIP网络的通话质量。本发明实时测量生成时延矩阵，相比现有技术估算节点间时延的方法，具有更高的准确性。

附图说明

图1是示出本发明基于自治域的P2P-VoIP网络结构；

图2是示出本发明节点的ID生成方法；

图3是示出本发明节点通过方式1加入网络的过程；

图4是示出本发明节点通过方式2加入网络的过程；

图5是示出本发明节点通过方式3加入网络的过程；

图6是示出本发明时延矩阵的测量算法；

图7是示出本发明时延矩阵的广播方法；

图8是示出本发明中继节点选择方法。

具体实施方式

在P2P-VoIP网络中，构建基于自治域的P2P-VoIP网络结构，对P2P-VoIP网络中的节点ID按照自治域进行命名，节点加入到基于自治域的P2P-VoIP网络过程，在P2P-VoIP网络中测量自治域之间的时延矩阵，网络中的超级节点存储该时延矩阵，用户可以通过中继节点选择算法找到合适的中继节点。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。对于所属技术领域的技术人员而言，从对本发明的详细说明中，本发明的上述的特征和优点将显而易见。

如图1所示，本发明提出的根据AS号(Autonomous System，自治域)构建基于自治域的分级P2P-VoIP网络结构，节点分为bootstrap 服务器节点、超级节点和普通节点。

基于自治域的P2P-VoIP网络结构为2级等级结构。节点通过AS号来聚类，所有的超级节点组成超级节点DHT网络(SN-DHT)，超级节点DHT采用one-hop-DHT，作为分级网络的第一级网络，负责互通每个独立的AS自治域中的DHT网络。同一个AS中的普通节点组成普通节点DHT(ON-DHT)，作为第二级网络，通过第一级网络互通。每个自治域中的普通节点和超级节点间的比例基本维持在一个恒定的常数，普通节点的数量要远多于超级节点的数量。

P2P-VoIP网络中的3种节点定义如下：

1)Bootstrap服务器节点：

Bootstrap节点是P2P-VoIP网络中专有的服务器，通常是由P2P-VoIP服务提供商部署的高性能、24小时在线的服务器集群。这些服务器通常用于处理用户的登录和节点的加入请求。还负责构建IP地址前缀到AS号映射表，构建部分超级节点表，管理时延矩阵等。

在一个新的节点(计算机)要加P2P-VoIP网络时，新节点会向bootstrap节点发送加入请求消息，bootstrap节点通过分析该节点的IP地址的AS号，将AS号信息发送给这个新节点。新节点在得到AS号时，就会加入到相应的ON-DHT。如果网络中的节点是NAT节点或是位于防火墙后不能加DHT网络时，这些节点直接连接到普通节点或是超级节点。

在P2P网络中每个节点都会存储IP地址前缀到AS号映射表。AS号和IP地址数据可以从APNIC、CNNIC等权威机构获得，IP地址前缀到AS号的映射表可以由专门部署的bootstrap服务器来完成。当节点已经存储了该映射表时，在以后加入P2P网络时就可以不必向bootstrap节点询问。Bootstrap节点会在每个AS中选择十几个超级节点构建部分超级节点表。部分超级节点表的作用是用于时延矩阵的测量。Bootstrap节点会周期性的运行时延矩阵构建算法，来生成最新的时延矩阵。

2)超级节点：超级节点是从P2P网络中的普通节点选取出来的高性能节点，如计算性能高、存储空间大、在线时间长、带宽大等。在P2P-VoIP网络中，每个自治域单独的选择该自治域中的超级节点。超级节点为普通节点服务：每个超级节点存储其他超级节点的地址信息，周期性的联系bootstrap节点来获取最新的时延矩阵和IP地址前缀到AS号映射表；将IP地址前缀到AS号映射表广播到AS中普通节点；处理来自bootstrap节点关于时延的测量请求；接收他们所服务的普通节点的信息，并存储性能较好的节点作为候选的中继节点；当普通节点查询中继节点时，运行中继节点选择算法。

3)普通节点：每个AS中普通节点组成各自的DHT，如果AS中只有一个节点，那么该节点自动成为超级节点，周期性的将节点的信息发送给与它相关联的超级节点。当有多个节点时，按照节点的能力权值选择一定比例的节点为超级节点。每个普通节点连接至少2个本自治域内的超级节点，以提高系统的可靠性。

P2P-VoIP网络中的3种节点数据结构如下：

1)Bootstrap服务器节点存储IP地址前缀到AS号的映射表、部分超级节点表和时延矩阵的管理模块、AS号到节点ID前缀映射表(可选)。时延矩阵的管理模块负责时延矩阵的测量和广播工作。

2)超级节点：存储IP地址前缀到AS号的映射表、性能较高的普通节点表、时延矩阵、AS号到节点ID前缀映射表(可选)。性能较高的普通节点表由超级节点从他所服务的所有普通节点中选出一些性能较高负载较低的节点。时延矩阵包括最新的时延矩阵，以及历史的时延矩阵。

3)普通节点：存储IP地址前缀到AS号的映射表、AS号到节点ID前缀映射表(可选)。

其中AS号到节点ID前缀映射表为可选项，是否有该映射表要看网络的节点ID的产生方式。

P2P网络中的节点采用AS号进行聚类，即属于同一个AS的节点聚类到同一个ON-DHT中。每个AS内的超级节点为该AS内的普通节点服务。节点通过AS号聚类可以保证，每个ON-DHT只包含一个AS 的节点，通常每个AS内的节点时延是比较小的，并且这些节点与其他AS中任一节点之间的时延比较类似，例如AS1中的a，b节点，AS2中的c，d节点，a-c的时延与a-d时延，以及b-c，b-d的时延大小没有大的差距。通过构建AS之间的时延矩阵，即每个AS中选择1个或多个代表节点，他们之间相互测量得到时延矩阵，可以获得整个P2P-VoIP网络中各ON-DHT间的时延关系，为中继节点的选择提供依据。

节点的ID生成方法如图2所示。在传统的DHT覆盖网中，每个节点都有一个节点ID，该节点的ID通过哈希算法生成。在基于自治域的P2P-VoIP网络中节点的ID采用前缀和后缀的方式生成。每个节点ID包括域名部分和IP地址部分，这两部分分别生成节点的ID前缀和后缀，其中域名部分生成节点ID的前缀，IP地址部分生成节点ID的后缀。每个节点域名与该节点所在的AS号相关联，bootstrap服务器负责建立网络中的AS号到域名的映射表。因此，节点ID的前缀可以由AS号映射得到，映射的方式可以采用固定映射或是哈希的方式。采用固定映射方式，每个节点需要存储AS号到节点ID前缀映射表，该表由bootstrap服务器制定，并将该表广播到网络中的所有节点。如果采用哈希的方式，那么每个节点不用存储AS号到节点ID前缀映射表，每个节点根据AS号直接哈希即可得到节点ID前缀。节点ID的后缀采用直接哈希节点的IP地址的方式生成。

本发明提出的节点加P2P-VoIP网络的方法，包括：如果节点已经存储了IP地址前缀到AS的映射表，节点通过查询该表，判断自己属于哪个自治域的DHT，然后通过标准的DHT算法加入到网络中。如果节点没有存储IP地址前缀到AS的映射表，节点通过bootstrap服务器查询所属的自治域，然后通过bootstrap服务器算法加入到网络中。

下面将结合图3～图5进行详细说明。

图3是示出本发明节点通过方式1加入网络的过程。节点为新节点，P2P-VoIP网络节点ID前缀采用固定映射方式。节点的加入步骤如下：

新节点向bootstrap服务器发送加入请求，通知bootstrap服务器该节点为新节点，bootstrap服务器返回该节点的ID前缀和所属的ON-DHT的超级节点。新节点得到上述信息后采用标准DHT算法加入到ON-DHT中。ON-DHT中的超级节点会将IP地址前缀到AS号的映射表、AS号到节点ID前缀映射表发送给该节点。

图4是示出本发明节点通过方式2加入网络的过程。节点为新节点，P2P-VoIP网络节点ID前缀采用哈希方式。节点的加入步骤如下：

新节点向bootstrap服务器发送加入请求，通知bootstrap服务器该节点为新节点，bootstrap服务器返回该节点的AS号和所属的ON-DHT的超级节点。新节点得到上述信息后采用标准DHT算法加入到ON-DHT中。ON-DHT中的超级节点会将IP地址前缀到AS号的映射表发送给该节点，节点自己哈希得到ID。

图5是示出本发明节点通过方式3加入网络的过程。节点以前加入过P2P-VoIP网络，节点的加入步骤如下：

节点判断节点的IP与上一次加入网络中的IP是否属于同一个AS内，如果属于同一个AS，则节点通过上一次加入P2P-VoIP网络时认知的同一个AS内的IP地址联系，如果有其他节点响应，则按照标准的DHT算法加入网络。如果节点的IP与上一次加入网络中的IP不属于同一个AS，节点通过上一次加入P2P-VoIP网络时认知的同一个AS内的IP地址联系，如果有其他节点响应，则通过响应的节点查找该节点IP所属的AS内的节点，通过查找得到的节点加入到P2P-VoIP网络。

如图6所示，在节点加入到网络之后，时延矩阵的构建方法包括测量、广播，时延矩阵的测量算法是在bootstrap服务器节点上运行的，测量算法步骤如下：

a、Bootstrap服务器节点发送测量请求消息给选中的超级节点；

b、超级节点接收到来自bootstrap服务器节点的测量请求消息，测量它与其他AS号内的超级节点之间的时延值。时延矩阵中的值为AS之间的相互时延值，采用测量的方法得到，可以使用Ping工具等；

c、将测量结果返回给bootstrap服务器节点；

d、当bootstrap服务器节点接收到所有选中的超级节点的测量结果消息，生成时延矩阵，时延矩阵构建算法结束。

其中负责测量的超级节点也可以将它负责的测量任务分配给它所服务的普通节点，以减轻该节点测量的开销。

Bootstrap服务器根据网络中AS数量，构建AS之间的时延矩阵，每个AS中取至少一个节点。每个AS中选择1个或多个代表节点，相互测量得到时延矩阵。时延矩阵的大小与P2P-VoIP网络中的AS数量相关，时延矩阵可以存储在超级节点中或是普通节点中。时延矩阵的行与列均为AS的时延值，每个AS中可以选取几个节点。如果该AS暂时没有节点，则时延矩阵中该AS的时延值是使用以前同一时间段测量的值。

Bootstrap服务器周期性的运行时延矩阵构建算法。

算法运行时bootstrap服务器从存储的部分超级节点表中选取一些超级节点承担时延矩阵的测量任务。

Bootstrap服务器从每个AS中选取几个超级节点构建部分超级节点表，其中每个AS中必须包括在ID空间中的头或尾超级节点，该节点承担时延矩阵的广播任务。

图7为本发明时延矩阵的广播方法。时延矩阵的广播由bootstrap服务器节点完成，时延矩阵的广播算法是在bootstrap服务器上按一定的周期运行的，是在得到最新的时延矩阵后运行该算法。

时延矩阵的广播采用分等级的广播方式，第一级为AS层面，在每个AS中选择一个节点作为AS的头节点，在每个AS中划分成多个块，每个块中选择一个超级节点作为该块的头节点。

AS的头节点和块头节点选择可以按照一定的规律，比如选择ID空间上的头节点或是尾节点，以及其它的选择方法等。

每个AS中超级节点所占的ID空间平均划分成N块，N的大小取决于该AS中超级节点的数量，保证每块中包含数量较少的超级节点。并且在每块中选择一个节点做为该块的块头节点。

时延矩阵由bootstrap服务器负责转发给P2P-VoIP网络中的所有超级节点，广播的步骤如下：

步骤1、Bootstrap服务器将时延矩阵发送给每个AS的头节点；

步骤2、每个AS的头节点继续将时延矩阵广播到该AS中所有块头节点；

步骤3、块头节点将时延矩阵广播到该块中所有其他超级节点。

这种广播方法能保证快速的将时延矩阵广播到P2P-VoIP网络中的所有节点，并且保证bootstrap服务器、AS头节点、块头节点在广播中承担的负载较低。

图8为本发明中继节点选择方法，在P2P-VoIP网络中，如果某一个会话由于时延太高，不能满足通话质量要求时，可以通过选择一条低时延的中继链路，由中继节点来转接话音，以提升话音的质量。本发明的中继节点选择方法步骤如下：

1)中继节点的选择由会话的源和目的端发起。为会话的源或目的端提供服务的超级节点接收到源端或目的端发送的查找中继节点的请求消息。

2)超级节点收到中继节点请求消息后，从他们存储的最新的时延矩阵中，找到最小的和/或次小时延的中继AS。

3)超级节点向中继AS中的超级节点发送中继节点的请求消息。

4)中继AS中的超级节点收到中继节点请求消息后，从其服务的普通节点中选择至少一个性能高且负载低的普通节点，将至少一个普通节点返回给向它请求中继节点的超级节点。优选性能最高且可以提供中继服务的节点，性能可以考虑计算、存储、带宽等因素综合考虑。

5)接收到中继节点消息的超级节点将所述至少一个中继节点返回给向它查询的源或目的节点。

6)会话的源或目的节点与中继节点进行语音通信。

作为对详细描述的结论，应该注意本领域的技术人员将会很清楚可对优选实施例做出许多变化和修改，而实质上不脱离本发明的原理。这种变化和修改包含在所附权利要求书所述的本发明的范围之内。

Claims

1.基于自治域的P2P-VoIP网络中继节点选择方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述中继节点选择方法，还包括生成时延矩阵的步骤：

Bootstrap服务器节点发送测量请求消息给选中的超级节点；

超级节点接收到来自bootstrap服务器节点的测量请求消息，测量它与其他AS号内的超级节点之间的时延值，并将测量结果返回给bootstrap服务器节点；

当bootstrap服务器节点接收到所有选中的超级节点的测量结果消息，生成时延矩阵；

其中，Bootstrap服务器从每个AS中选取至少一个超级节点构建部分超级节点表，从部分超级节点表中选取至少一个超级节点承担时延测量任务。

3.根据权利要求2所述中继节点选择方法，在生成时延矩阵之后，还包括广播时延矩阵的步骤：

Bootstrap服务器将时延矩阵发送给每个AS的头节点，每个AS的头节点继续将时延矩阵广播到该AS中所有块头节点，块头节点继续将时延矩阵广播到该块中所有其他超级节点；

其中，每个AS中包括在ID空间中的头或尾超级节点，该节点承担时延矩阵的广播任务，时延矩阵的广播采用分等级的广播方式，第一级为AS层面，在每个AS中选择一个节点作为AS的头节点，在每个AS中划分成多个块，每个块中选择一个超级节点作为该块的头节点，每个AS中超级节点所占的ID空间平均划分成N块，在每块中选择一个节点做为该块的块头节点。

4.根据权利要求2或3所述中继节点选择方法，超级节点接收到来自bootstrap的测量请求消息，还将其负责的测量任务分配给它所服务的普通节点。

5.根据权利2或3所述中继节点选择方法，当所述中继AS没有节点时，将所述AS之前同一时间段测量的时延值作为该AS的时延矩阵的时延值。

6.根据权利要求1至5中任一所述中继节点选择方法，其中，节点为新节点，基于自治域的P2P-VoIP网络节点ID前缀采用固定映射方式，节点加入到基于自治域的P2P-VoIP网络的步骤如下：

新节点向bootstrap服务器发送加入请求，通知bootstrap服务器该节点为新节点；

bootstrap服务器返回该节点的ID前缀和所属的ON-DHT的超级节点，新节点得到上述信息后采用标准DHT算法加入到ON-DHT中。

7.根据权利要求1至5中任一所述中继节点选择方法，其中，节点为新节点，基于自治域的P2P-VoIP网络节点ID前缀采用哈希方式，节点加入到基于自治域的P2P-VoIP网络的步骤如下：

bootstrap服务器返回该节点的AS号和所属的ON-DHT的超级节点，新节点得到上述信息后采用标准DHT算法加入到ON-DHT中。

8.根据权利要求1至5中任一所述中继节点选择方法，其中，节点以前加入过基于自治域的P2P-VoIP网络，节点加入到基于自治域的P2P-VoIP网络步骤如下：

节点判断节点的IP与上一次加入网络中的IP是否属于同一个AS内，如果属于同一个AS，则节点通过上一次加入P2P-VoIP网络时认知的同一个AS内的IP地址联系，如果有其他节点响应，则按照标准的DHT算法加入网络；

如果节点的IP与上一次加入网络中的IP不属于同一个AS，节点通过上一次加入P2P-VoIP网络时认知的同一个AS内的IP地址联系，如果有其他节点响应，则通过响应的节点查找该节点IP所属的AS内的节点，通过查找得到的节点加入到P2P-VoIP网络。

9.根据权利要求1至8中任一所述中继节点选择方法，其中：

在基于自治域的P2P-VoIP网络中节点的ID采用前缀和后缀的方式生成，每个节点ID包括域名部分和IP地址部分，这两部分分别生成节点的ID前缀和后缀，其中域名部分生成节点ID的前缀，IP地址部分生成节点ID的后缀，每个节点域名与该节点所在的AS号相关联，bootstrap服务器负责建立网络中的AS号到域名的映射表。

10.根据权利要求9所述中继节点选择方法，其中：

节点ID的前缀由AS号映射得到，映射的方式采用固定映射或哈希映射，采用固定映射方式，每个节点需要存储AS号到节点ID前缀映射表，该表由bootstrap服务器制定，并将该表广播到网络中的所有节点；采用哈希映射的方式，每个节点根据AS号直接哈希即可得到节点ID前缀，节点ID的后缀采用直接哈希节点的IP地址的方式生成。

11.根据权利要求1至10中任一所述中继节点选择方法，其中：

P2P网络中的节点采用AS号进行聚类，即属于同一个AS的节点聚类到同一个ON-DHT中。