JP4887316B2 - Data parallel delivery method, system and program - Google Patents
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Description
本発明は、ネットワークを介して動画ストリーミング等のデータを配信する技術に係り、特に、一つの配信要求に対して、要求されたデータが保存されている複数のサーバから、当該データを並列にダウンロードするデータ並列配信形態において、平均リンク負荷の増加を抑えながらリンク負荷の偏りを効果的に低減するのに好適な技術に関するものである。 The present invention relates to technology for distributing data such as video streaming over a network, and in particular, downloads the data in parallel from a plurality of servers storing the requested data in response to a single distribution request. The present invention relates to a technique suitable for effectively reducing the bias of the link load while suppressing an increase in the average link load in the data parallel distribution mode.
近年、Youtube等の動画ストリーミングサービスをインターネット上で利用するユーザ数の数が急増している。高品質な動画ストリーミング配信に対する要求は強く、近い将来、約25Mbpsのビットレートを有するHDTV(high definition TV)の視聴がインターネット上でも可能になると思われる。 In recent years, the number of users who use video streaming services such as YouTube is increasing rapidly. There is a strong demand for high-quality video streaming distribution, and it is expected that HDTV (high definition TV) having a bit rate of about 25 Mbps will be available on the Internet in the near future.
さらに、NHKによって、より品質を向上させたUHDV(Ultra High Definition Video)が提案されている。このUHDVの画像の非圧縮時のビットレートは24Gbpsであり、圧縮後も180から600Mbpsの高いレートを有する。 Furthermore, UHDV (Ultra High Definition Video) with improved quality has been proposed by NHK. The uncompressed bit rate of this UHDV image is 24 Gbps, and has a high rate of 180 to 600 Mbps even after compression.
このようなHDTVやUHDVの高い画像品質での動画ストリーミングサービスは、インターネットにおける重要なサービスの一つになると思われるが、これらのサービスによって生成されるトラヒックフローの伝送レートは非常に高く、サーバやリンクの輻輳を招く要因となることが予想される。そのためこれらサービスの提供に際しては、サーバやリンクの負荷を分散させることを検討する必要がある。 Such video streaming services with high image quality such as HDTV and UHDV are considered to be one of the important services on the Internet, but the transmission rate of traffic flows generated by these services is very high, This is expected to cause link congestion. Therefore, when providing these services, it is necessary to consider distributing the load of servers and links.
サーバの負荷分散を図る効率的な技術として、例えば非特許文献1等に記載のCDN(Contents Delivery Network)が広く知られている。このCDNは、ネットワーク上に複数のサーバを用意し、ユーザの各配信要求に対して1つのサーバを選択する。その結果、複数のサーバ間で負荷が分散される。
A CDN (Contents Delivery Network) described in
しかし、このCDNは、各配信要求に対して常に1つのサーバのみを選択するため、HDTVやUHDVのストリーミング配信によって生成されるフローがネットワークに与える影響を緩和することはできない。 However, since this CDN always selects only one server for each distribution request, it is not possible to mitigate the influence of the flow generated by HDTV or UHDV streaming distribution on the network.
これらフローの転送レートを抑えるためには、1人のユーザに対する1本のストリーミングセッションに対して、複数のサーバを用いる必要がある。例えば、2つのサーバを1本の配信セッションに用いることにより、このセッションによって生成される各フローの転送レートを半分に抑えることができる。 In order to suppress the transfer rate of these flows, it is necessary to use a plurality of servers for one streaming session for one user. For example, by using two servers for one distribution session, the transfer rate of each flow generated by this session can be reduced to half.
また、HDTVやUHDVの動画ストリーミングサービスによって生じる高レートフローのネットワークに与える影響を、並列配信によって低減させることが可能となる。 In addition, it is possible to reduce the influence on the high-rate flow network caused by the HDTV or UHDV video streaming service by parallel distribution.
このような並列配信技術は、例えば、P2Pファイル共有サービスとして有名なBitTorrentにおいても用いている。 Such parallel distribution technology is also used in, for example, BitTorrent, which is famous as a P2P file sharing service.
しかし、このBitTorrentでは、各ユーザは、他のユーザやオリジナルサーバからデータをダウンロードする間、他のユーザにデータセグメントをアップロードする必要がある。そのため、BitTorrentの性能は、ユーザの行動や上り方向のアクセス回線レートに大きく依存する。 However, with this BitTorrent, each user needs to upload data segments to other users while downloading data from other users or the original server. Therefore, the performance of BitTorrent greatly depends on the user's behavior and the uplink access line rate.
また、配信中のユーザの数が増加するほど、コンテンツを提供するサーバが増加することになるため、データをダウンロードするスループットは、ユーザ数の増加に伴い増加する。 In addition, as the number of users being distributed increases, the number of servers that provide content increases. Therefore, the throughput for downloading data increases as the number of users increases.
HDTVやUHDVの動画配信の転送ビットレートは極めて大きいので、大容量の上りアクセスリンクを有する多数のユーザが、これら超高画質の配信サービスを利用することを期待することは困難である。 Since the transfer bit rate of HDTV and UHDV video distribution is extremely high, it is difficult for a large number of users having a large-capacity uplink access link to expect to use these super-high-quality distribution services.
そのため、BitTorrent等のP2Pファイル共有システム上で、HDTVやUHDVの動画ストリーミング配信を提供することは困難である。 Therefore, it is difficult to provide HDTV or UHDV video streaming distribution on a P2P file sharing system such as BitTorrent.
これらサービスのフローがネットワークに与える影響を緩和するためには、CDN事業者、ISP(Internet Service Provider)、ネットワークキャリアなどが運用する複数のサーバから並列配信を行う必要がある。 In order to mitigate the influence of these service flows on the network, it is necessary to perform parallel distribution from a plurality of servers operated by CDN operators, ISPs (Internet Service Providers), network carriers, and the like.
解決しようとする問題点は、従来の技術では、複数のサーバを用いたデータの並列配信を効率的に行うことができない点である。 The problem to be solved is that the conventional technology cannot efficiently perform parallel distribution of data using a plurality of servers.
本発明の目的は、これら従来技術の課題を解決し、HDTVやUHDV等の超高画質の動画ストリーミングのネットワーク配信サービスの実現を可能とすることである。 An object of the present invention is to solve these problems of the prior art and to realize a network delivery service for streaming video with high image quality such as HDTV and UHDV.
上記目的を達成するため、本発明では、例えば、動画ストリーミング配信において、1つの配信要求に対して、要求された動画コンテンツが保存されている複数のサーバを用いて動画データを並列にダウンロードする配信形態において、配信フローの平均ホップ長が短くなるよう、他のノードへの平均ホップ長が小さいノードに優先的にサーバを配置することを特徴とする。また、各配信要求に対して、ホップ長の最も短い最近接サーバに加えて、そのホップ数からプラスBホップ以内の位置に存在するサーバをも配信サーバとして選択する。また、並列配信の効果を高めるために、他の大部分のノードと接続するスーパーハブノードを複数ネットワーク内に配置し、それらスーパーハブノードにサーバを設置する。 In order to achieve the above object, in the present invention, for example, in streaming streaming distribution, for a single distribution request, distribution in which moving image data is downloaded in parallel using a plurality of servers storing the requested moving image content In the embodiment, the server is preferentially arranged in a node having a small average hop length to other nodes so that the average hop length of the distribution flow is shortened. For each distribution request, in addition to the nearest server with the shortest hop length, a server existing within a position within plus B hops from the number of hops is also selected as the distribution server. In order to enhance the effect of parallel distribution, super hub nodes connected to most other nodes are arranged in a plurality of networks, and servers are installed in these super hub nodes.
本発明によれば、データの並列配信における配信フローの平均ホップ長を抑えつつ、リンク負荷の偏りを低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the bias | inclination of link load can be reduced, suppressing the average hop length of the delivery flow in the parallel delivery of data.
以下、図を用いて本発明を実施するための最良の形態例を説明する。図1は、本発明に係るデータ並列配信システムの構成例を示すブロック図であり、図2は、図1におけるデータ並列配信システムを適用するバックボーンネットワークを構成する各ネットワークの一覧を示す説明図、図3は、図2における各ネットワークの分類例を示す説明図、図4は、本発明を適用するネットワークの第1のトポロジ例を示す説明図、図5は、本発明を適用するStar型ネットワークの特性例を示す説明図、図6は、本発明を適用するH&S型ネットワークの特性例を示す説明図、図7は、本発明を適用するLadder型ネットワークの特性例を示す説明図、図8は、本発明を適用するネットワークの第2のトポロジ例を示す説明図、図9は、本発明の作用結果を示す説明図、図10は、本発明に係るデータ並列配信方法の処理手順例を示すフローチャートである。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a data parallel delivery system according to the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing a list of networks constituting a backbone network to which the data parallel delivery system in FIG. 1 is applied. 3 is an explanatory diagram showing an example of classification of each network in FIG. 2, FIG. 4 is an explanatory diagram showing a first topology example of a network to which the present invention is applied, and FIG. 5 is a Star type network to which the present invention is applied. FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of characteristics of an H & S network to which the present invention is applied, and FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of characteristics of a Ladder network to which the present invention is applied. FIG. 9 is an explanatory diagram showing a second topology example of a network to which the present invention is applied, FIG. 9 is an explanatory diagram showing an operation result of the present invention, and FIG. 10 is a data parallel distribution according to the present invention. It is a flowchart illustrating a processing procedure example of the law.
図1におけるデータ並列配信システムは、ネットワークトポロジ設計装置101、サーバ配置設計装置102、ビデオサーバ103、サーバ選択装置104からなり、それぞれ、CPU(Central Processing Unit)や主メモリ、表示装置、入力装置、外部記憶装置等を具備したコンピュータ構成からなり、光ディスク駆動装置等を介してCD−ROM等の記憶媒体に記録されたプログラムやデータを外部記憶装置内にインストールした後、この外部記憶装置から主メモリに読み込みCPUで処理することにより、本発明に係る処理を実行する。
The data parallel distribution system in FIG. 1 includes a network
すなわち、動画ストリーミングを配信する際、一つの配信要求に対して、要求された動画コンテンツが保存されている複数のサーバを用いて動画データを並列にダウンロードする配信形態をとり、さらに、配信フローの平均ホップ長が短くなるよう、他のノードへの平均ホップ長が小さいノードに優先的にサーバを配置する。 That is, when distributing video streaming, in response to one distribution request, a distribution mode is used in which the video data is downloaded in parallel using a plurality of servers in which the requested video content is stored. A server is preferentially allocated to a node having a small average hop length to other nodes so that the average hop length is shortened.
本例では、プログラムされたコンピュータの処理実行手順として、ネットワークトポロジ設計装置101は、並列配信の有効性が向上するようネットワークのトポロジを設計し、サーバ配置設計装置102は、平均リンク負荷が抑えられるようサーバの配置ノードを選択し、サーバ選択装置104は、ユーザ端末105からの動画ストリーミング配信要求を受信すると、平均リンク負荷を抑えながらリンク負荷の偏りが低減するよう配信に用いるサーバ(ビデオサーバ103)を選択する。
In this example, as a process execution procedure of a programmed computer, the network
具体的には、ネットワークにおいてデータの並列配信用サーバ機能を設置するノードを選択する際、ネットワークトポロジ設計装置101は、ネットワークを構成する各ノードの接続関係を示すトポロジ情報を生成し記憶装置に格納する手順を実行し、サーバ配置設計装置102は、トポロジ情報を記憶装置から読み出して参照し、各ノード間の平均ホップ長を算出する手順を実行すると共に、算出した平均ホップ長が小さいノードを優先して、サーバ機能を設置するサーバノードとして選択する手順を実行する。
Specifically, when selecting a node on which a server function for parallel data distribution is installed in the network, the network
尚、サーバ配置設計装置102は、サーバ機能を設置するサーバノードとして、予め定められた個数だけ選択する。
The server
また、サーバ選択装置104は、ユーザ端末105からのデータの配信要求に対して当該データを配信するサーバノードを選択する際に、ホップ長の最も短い最近接のサーバノードを選択する手順を実行すると共に、最近接サーバノードのホップ数に予め定められたホップ数を加えたホップ長以内のサーバノードも加えて選択する手順も実行する。
Further, when the
また、サーバ配置設計装置102は、予め定められた割合以上で他のノードと接続されているスーパーハブノードを抽出する手順と、抽出したスーパーハブノードにサーバ機能を設置する手順とを実行する。
Further, the server
また、ネットワークトポロジ設計装置101は、トポロジ情報を記憶装置から読み出して参照し、当該ネットワークをスター型(Star)、ハブ&スポーク型(H&S)、ラダー型(Ladder;梯子)のいずれかとして分類する手順を実行し、サーバ配置設計装置102は、Star型およびH&S型に分類したネットワークであれば、当該ネットワークを構成する各ノードの内、最も次数の高いノードを上記サーバノードとして選択する手順を実行する。
Further, the network
また、サーバ設置設計装置102は、平均ホップ長が小さく、かつ、当該ネットワークの中心に位置するノードをサーバノードとして選択する。
Further, the server
その際、サーバ設置設計装置102は、ネットワークの中心に位置するノードとして、全ノード数Nと、ノードiからノードjへの最短ホップ経路上のホップ数hijとを用いた式「Hi=(N−1)÷(ΣN j=1,j≠ihij)」で定義される中心性を表す尺度Hiが最も大きいノードを選択する。
At that time, the server
以下、このような構成からなる本例のデータ並列配信システムによる、動画ストリーミング配信における並列配信芸術について、詳細を説明する。 Hereinafter, the details of the parallel distribution art in moving picture streaming distribution by the data parallel distribution system of this example having such a configuration will be described.
まず、図2と図3および図4を用いて、ネットワークトポロジ設計装置101による、ネットワークトポロジの設計技術に関して説明する。
First, a network topology design technique by the network
本例では、公開されている商用ISPのバックボーンネットワークの実際のトポロジを評価に用いる。実際には「39」のトポロジが公開されているが、本例では、ノード数が20以上ある「23」のトポロジを評価対象とする。 In this example, the actual topology of a public ISP backbone network is used for evaluation. Although the topology “39” is actually disclosed, in this example, the topology “23” having 20 or more nodes is an evaluation target.
図2においては、これら23のネットワークの名称、ノード数N、リンク数M、高次数ノード比率Rh、最大ノード次数Dをまとめている。尚、高次数ノード比率Rhは、ノード次数dが平均次数E(d)を越えているノード数の全ノード数Nに対する比率で定義する。 In FIG. 2, the names of these 23 networks, the number of nodes N, the number of links M, the high-order node ratio Rh, and the maximum node order D are summarized. The high-order node ratio Rh is defined as the ratio of the number of nodes whose node order d exceeds the average order E (d) to the total number of nodes N.
また、図3においては、これらの23個の各ネットワークに対して、高次数ノード比率Rhと最大ノード次数Dの散布状態を示す。そして、本図3に基づき、23のネットワークを、Star型、H&S型、Ladder型の三つのグループに分類する。 Further, FIG. 3 shows a distribution state of the high-order node ratio Rh and the maximum node order D for each of these 23 networks. Then, based on FIG. 3, the 23 networks are classified into three groups: Star type, H & S type, and Ladder type.
Star型は、図4(a)に示すように、非常に少数のハブノードが、他のほとんど全てのノードと接続しており、高次数ノード比率Rhが小さく、最大ノード次数Dが大きな特徴がある。ここでは、D≧10かつRh<0.2のネットワークをStar型と定義し、図3に示すように、5つのネットワークがStar型となる。 As shown in FIG. 4A, the Star type is characterized in that a very small number of hub nodes are connected to almost all other nodes, the high-order node ratio Rh is small, and the maximum node order D is large. . Here, a network of D ≧ 10 and Rh <0.2 is defined as a Star type, and as shown in FIG. 3, five networks are of a Star type.
H&S型は、図4(b)に示すように、相互接続された数個のハブノードが存在する。他のノードは、一つ以上のハブノードに接続しているため、本構造はハブ&スポーク型を呼ばれる。航空路線網が本形態となることが知られている。 In the H & S type, as shown in FIG. 4B, there are several interconnected hub nodes. Since other nodes are connected to one or more hub nodes, this structure is called a hub and spoke type. It is known that an air route network is in this form.
H&S型では、ハブノードを介して少ないホップ数で他のノードに到達することができるため、ノード間のホップ距離(ホップ長)が小さくなる傾向がある。ここでは、D≧10かつRh≧0.2のネットワークをH&S型と定義し、図3に示すように、6つのネットワークが本形状となる。 In the H & S type, other nodes can be reached with a small number of hops via the hub node, so that the hop distance (hop length) between the nodes tends to be small. Here, the network of D ≧ 10 and Rh ≧ 0.2 is defined as the H & S type, and as shown in FIG. 3, six networks have the main shape.
Ladder型では、図4(c)に示すように、ハブノードが存在せず、いくつかのループを組み合わせたトポロジ構造となる。総リンク長を抑えることができる反面、ノード間ホップ距離(ホップ長)が長くなる傾向がある。高速道路網が本形態となることが知られている。 In the Ladder type, as shown in FIG. 4C, there is no hub node, and the topology structure is a combination of several loops. While the total link length can be suppressed, the inter-node hop distance (hop length) tends to increase. It is known that the highway network is in this form.
ここでは、D<10のネットワークをLadder型と定義し、図3に示すように、12のネットワークが本形態となる。 Here, a network of D <10 is defined as a Ladder type, and as shown in FIG. 3, 12 networks are in this embodiment.
図3において、これら三つのトポロジ例で示されるネットワークは、全て米国に存在するが、ネットワーク種別に応じて大きく形状が異なることが確認できる。 In FIG. 3, the networks shown in these three topology examples all exist in the United States, but it can be confirmed that the shapes are greatly different depending on the network type.
インターネットのAS(Autonomous System)内ルーティングプロトコル(OSPF:Open Shortest Path First)は、各ノード間に最小コストの経路を設定するため、各サーバとユーザ間に対してダイクストラの最短ホップ経路が選択されることを想定する。 In the Internet AS (Autonomous System) Routing Protocol (OSPF), the shortest hop path of Dijkstra is selected between each server and user because a path with the lowest cost is set between each node. Assume that.
次に、サーバ配置設計装置102による、サーバの配置技術に関して説明する。ここでは、サーバが設置されたノードをサーバノード、サーバが設置されていないノードをユーザノードと表記する。
Next, server placement technology by the server
サーバノード数の全ノード数Nに対する比率をsと定義し、サーバノード数をSとする。すなわち、サーバノード数Sは、「s×N」の小数点以下を切り上げした値となる。 The ratio of the number of server nodes to the total number N of nodes is defined as s, and the number of server nodes is defined as S. That is, the number S of server nodes is a value obtained by rounding up the decimal part of “s × N”.
サーバノードiに収容されているユーザに対しては、サーバノードiに設置されたサーバから、動画データの全体を配信するのが最も効率がよいので、以後の評価では、サーバノードに収容されたユーザは評価対象外とする。 For users accommodated in server node i, it is most efficient to distribute the entire video data from the server installed in server node i. The user is not subject to evaluation.
ユーザノードに収容されたユーザに対しては、他のノードに設置されたサーバから動画データを転送する必要がある。この際、リンクに加わるトラヒック負荷を最小化するためには、最もユーザからのホップ距離(ホップ長)が近いサーバから動画データを転送するのが望ましい。 For a user accommodated in a user node, it is necessary to transfer moving image data from a server installed in another node. At this time, in order to minimize the traffic load applied to the link, it is desirable to transfer the moving image data from the server having the shortest hop distance (hop length) from the user.
従って、他のノードへの平均ホップ距離(ホップ長)が小さく、ネットワークの中心に位置するノードにサーバを設置するのが望ましい。 Therefore, it is desirable to install a server at a node located at the center of the network with a small average hop distance (hop length) to other nodes.
ここで、ノードiからノードjへの最短ホップ経路上のホップ数(経由するルータ等の数)をhijとする。さらにHiを、ノードiの中心性を表す尺度として、「Hi=(N−1)÷(ΣN j=1,j≠ihij)」と定義し、そして、中心性を表す尺度Hiが最も大きいS個のノードにサーバを配置する。 Here, the number of hops on the shortest hop route from the node i to the node j (the number of routers or the like passing through) is assumed to be hij . Further Hi, as a measure representing the center of the node i, is defined as "Hi = (N-1) ÷ (Σ N j = 1, j ≠ i h ij) ", and a measure Hi representing the center of Servers are placed on the largest S nodes.
s=0.1とした場合の、Star型ネットワークであるNW14(MindSpring)と、H&S型ネットワークであるNW3(Allegiance Telecom)のサーバ配置ノードを確認したところ、全てのサーバ(NW14では5つ、NW3では6つ)は、最も次数の高いノードに配置された。 When s = 0.1, NW14 (MindSpring), which is a Star type network, and NW3 (Allegiance Telecom), which is an H & S type network, are confirmed. As a result, all servers (NW14, NW3, NW3) 6) are arranged at the highest order node.
Star型ネットワークやH&S型ネットワークでは、ハブノードの中心性(Hi)が高く、上述の条件でサーバを配置すると、ハブノードにサーバが配置される。 In the Star type network and the H & S type network, the centrality (Hi) of the hub node is high, and if the server is arranged under the above-described conditions, the server is arranged in the hub node.
Ladder型のネットワークであるNW7(CAIS Internet)に対しても、サーバ配置ノードを確認したところ、図4(c)において矢印で示した4つのノードに配置された。 When the server placement node was also confirmed with respect to NW7 (CAIS Internet) which is a Ladder type network, it was placed on four nodes indicated by arrows in FIG. 4C.
このように、Ladder型ネットワークでは、高次数ノードにサーバが配置されるとは限らない。 As described above, in a Ladder type network, a server is not always arranged in a high-order node.
次に、サーバ選択装置104の処理内容として、サーバの選択技術について説明する。
Next, as a processing content of the
平均リンク負荷を最小化するためには、ホップ距離の小さいサーバを選択することが望ましい。 In order to minimize the average link load, it is desirable to select a server with a small hop distance.
従って、従来のCDNにおける単一フロー配信技術においては、各配信要求に対して、ホップ距離の最も近いサーバを一つ選択する。そのようなサーバが複数存在する場合には、シミュレーションの開始時において、それらの中から一つをランダムに選択する。 Therefore, in the conventional single flow distribution technique in CDN, one server with the closest hop distance is selected for each distribution request. When there are a plurality of such servers, one of them is selected at random at the start of the simulation.
一方、本例のデータ並列配信システムの場合は、ユーザノードiの配信要求に対して、ユーザノードiからのホップ距離が「bi+B」以下のサーバを全て選択する。ただし、「bi」は、ユーザノードiから最もホップ距離の近いサーバノードへのホップ距離、「B」は任意に与えられる整数パラメタである。 On the other hand, in the case of the data parallel distribution system of this example, in response to a distribution request from the user node i, all servers having a hop distance from the user node i of “bi + B” or less are selected. However, “bi” is a hop distance from the user node i to the server node with the shortest hop distance, and “B” is an arbitrarily given integer parameter.
このように、本例では、最近接ノードに加えて、「B」ホップまでホップ数の長いサーバも選択対象に含める。 As described above, in this example, in addition to the closest node, a server having a long hop number up to “B” hop is also included in the selection target.
しかし、この場合、「B」の増加に伴い、一つの動画ストリーミングセッションに用いられるサーバ数が増加して並列度が向上する反面、フローの平均ホップ長が増加する。そのため、平均リンク負荷が増加する。 However, in this case, with the increase in “B”, the number of servers used in one video streaming session increases and the parallelism improves, but the average hop length of the flow increases. This increases the average link load.
以下、以上の本例のシステムによる処理の評価結果を説明する。 Hereinafter, the evaluation result of the process by the system of this example will be described.
転送レートがc(bps)で時間長がT(秒)の単一種の動画コンテンツを考える。「N−S」個の各ユーザノードに対して、発生レートがλのポアソン過程により配信要求を発生させる。リンク負荷をcで正規化し、λは、式「λ=ρ×M÷{H×(N−S)×T}」で定義する。 Consider a single type of moving image content with a transfer rate of c (bps) and a time length of T (seconds). For each of the “N−S” user nodes, a distribution request is generated through a Poisson process with a generation rate of λ. The link load is normalized by c, and λ is defined by the equation “λ = ρ × M ÷ {H × (NS) × T}”.
尚、上記式における「ρ」は単一フロー配信における各リンクの平均ふかであり、Mはリンク数である。また、「H」は、最近接サーバへの平均ホップ距離であり、式「H=Σi∈Z{bi÷(N−S)}」で定義される。この式において、「Z」はユーザノード集合である。 Note that “ρ” in the above formula is the average of each link in a single flow distribution, and M is the number of links. “H” is an average hop distance to the nearest server, and is defined by an expression “H = Σ iεZ {bi ÷ (N−S)}”. In this equation, “Z” is a user node set.
以後の評価では、ρ=1、T=1200秒とする。 In the subsequent evaluation, ρ = 1 and T = 1200 seconds.
選択したサーバに対して最短ホップ経路が複数存在する場合には、各配信要求に対して一つの経路がランダムに選択される。 If there are a plurality of shortest hop routes for the selected server, one route is randomly selected for each distribution request.
図5(a),(b)においては、5つのStar型ネットワークを対象に、各ストリーミング配信セッションにおける平均フロー数(各配信要求に対して選択されるサーバ数の平均値)を「B」に対して示す。 In FIGS. 5A and 5B, the average number of flows in each streaming distribution session (the average value of the number of servers selected for each distribution request) is set to “B” for five Star type networks. It shows.
図5(a)では「s=0.1」、図5(b)では「s=0.3」と設定した。ただし、結果を、「0≦B≦Bmax」の範囲で示している(「Bmax」は任意のユーザノードに対して全てのサーバが選択されるBの最小の値)。 In FIG. 5A, “s = 0.1” is set, and in FIG. 5B, “s = 0.3” is set. However, the results are shown in a range of “0 ≦ B ≦ B max ” (“B max ” is the minimum value of B from which all servers are selected for an arbitrary user node).
Star型ネットワークでは、ハブノードと他のノード間のホップ距離が短いため、全てのユーザノードは、2ホップ以内で全てのサーバノードに到達できる。 In the Star type network, since the hop distance between the hub node and other nodes is short, all user nodes can reach all the server nodes within two hops.
図8(a)において矢印で示すように、NW12(GoodNet)では、3つのハブノードの次数が極めて大きい。これらハブノード(スーパーハブノード)は、他の58%〜69%のノードと接続しており、多数のユーザノードは、2つか3つのスーパーハブノードと接続している。従って、NW12では、各配信セッションの平均並列フロー数が大きい。 As indicated by arrows in FIG. 8A, the order of the three hub nodes is extremely large in NW12 (GoodNet). These hub nodes (super hub nodes) are connected to other 58% to 69% nodes, and many user nodes are connected to two or three super hub nodes. Therefore, in NW12, the average number of parallel flows of each distribution session is large.
図5(c),(d)においては、スター型ネットワークを対象に、正規化平均リンク負荷を示す。ただし、この正規化平均リンク負荷は、並列フロー配信システム(PDS: Parallel Download System)における平均リンク負荷を、単一フロー配信システム(SDS:Single Download System)における平均リンク負荷で除したものと定義する。 5C and 5D show normalized average link loads for a star network. However, this normalized average link load is defined as the average link load in a parallel flow distribution system (PDS) divided by the average link load in a single flow distribution system (SDS). .
配信要求の発生レートは固定されているため、平均リンク負荷はフローの平均ホップ長に比例する。SDSでは最近接サーバが常に選択されるため、SDSにおける平均リンク負荷は、与えられた網トポロジとサーバ配置位置に対して最小となる。よって正規化平均リンク負荷は常に1以上の値をとる。 Since the delivery request generation rate is fixed, the average link load is proportional to the average hop length of the flow. Since the closest server is always selected in SDS, the average link load in SDS is minimal for a given network topology and server location. Therefore, the normalized average link load always takes a value of 1 or more.
「B」の増加に伴い、PDSにおけるフローの平均ホップ長が増加するため、平均リンク負荷も増加する。 As “B” increases, the average hop length of the flow in the PDS increases, so the average link load also increases.
さらに、リンク負荷のCVの正規化値(PDSのリンク負荷のCVをSDSのリンク負荷のCVで除した値)を図5(e),(f)に示す。 Further, a normalized value of the link load CV (a value obtained by dividing the link load CV of the PDS by the CV of the link load of the SDS) is shown in FIGS.
この値が「1」より小さい場合に、PDSがSDSと比較してリンク負荷のCVが低減することを意味する。 When this value is smaller than “1”, it means that the CV of the link load is reduced compared to the SDS of the SDS.
NW12を除いた4つのStar型ネットワークでは、少数のハブノードが存在し、他の多くのノードはこれらハブノードの1つと接続している。
In the four Star type networks excluding the
図5(e)に示すように、s=0.1のとき、サーバはこれら少数のハブノードにのみ設置され、「B」を1以上に設定すると、多くのフローは、ハブノード間に設置されたリンクを経由する結果、PDSにおいてリンク負荷のCVが増加する。 As shown in FIG. 5E, when s = 0.1, the server is installed only in these few hub nodes, and when “B” is set to 1 or more, many flows are installed between the hub nodes. As a result of passing through the link, the CV of the link load increases in the PDS.
それに対してNW12では、多くのノードは2つか3つのスーパーハブノードと接続しており、スーパーハブノード間に設置されたリンクへの負荷の集中が回避される。
On the other hand, in the
図6においては、6つのH&S型ネットワークに対する三つの特性について同様に示す。 In FIG. 6, three characteristics for six H & S networks are shown in the same way.
H&S型ネットワークにおいても、多数のノードはサーバノード(ハブノード)に短いホップ距離で到達できるため、「B」を2以下に設定した場合でも配信時の並列フロー数を高めることが可能である。 Even in an H & S network, a large number of nodes can reach a server node (hub node) with a short hop distance, so that the number of parallel flows during distribution can be increased even when “B” is set to 2 or less.
さらに、H&S型ネットワークではハブノードが多数存在し、それらは相互接続している傾向がある。そのため、「B」を1以上に設定した場合でも、ハブノード間の特定のリンクへの負荷集中は回避され、リンク負荷のCVは低減する。 In addition, there are many hub nodes in an H & S network, which tend to be interconnected. Therefore, even when “B” is set to 1 or more, load concentration on a specific link between hub nodes is avoided, and the CV of the link load is reduced.
総ノード数Nの大きなネットワークほど、「B」を1以上に設定した場合の並列フロー数がより大きくなり、リンク負荷のCVの低減度合いも大きくなる。 The larger the total number of nodes N, the larger the number of parallel flows when “B” is set to 1 or more, and the degree of CV reduction of the link load also increases.
図7においては、12のLadder型ネットワークに対してこれら三つの特性を同様に示す。 In FIG. 7, these three characteristics are similarly shown for 12 Ladder type networks.
Ladder型ネットワークではノード間の平均距離が大きいため、各ストリーミング配信の並列フロー数を十分に高めるためには「B」を大きな値に設定する必要がある。 Since the average distance between nodes is large in the Ladder type network, it is necessary to set “B” to a large value in order to sufficiently increase the number of parallel flows of each streaming distribution.
「B」を大きくしたときのLadder型ネットワークのフローの平均ホップ長の増加度合いは大きいため、Ladder型ネットワークの正規化平均リンク負荷はStar型やH&S型のそれに比べて大きい。尚、Ladder型ネットワークにおいても、リンク負荷のCVはPDSにより低減する。 Since the increase degree of the average hop length of the flow of the Ladder type network when “B” is increased is large, the normalized average link load of the Ladder type network is larger than that of the Star type and the H & S type. Even in the Ladder type network, the CV of the link load is reduced by the PDS.
以上の説明をまとめると、NW12を除き、Star型ネットワークにおいて少数のサーバのみを設置した場合、PDSを用いるメリットはない。
To summarize the above description, except for the
Star型ネットワークにおいて3割程度のノードにサーバを設置した場合や、H&S型やLadder型ネットワークにおいては、PDSを用い、さらに最近接ノード以外にホップ数の長いサーバも配信に用いた場合、リンク負荷のCVは低減する反面、平均リンク負荷が増加する。 Link load when a server is installed in about 30% of nodes in a Star type network, or in a H & S type or a Ladder type network, a PDS is used, and a server with a long hop number is also used for distribution in addition to the nearest node. However, the average link load increases.
よって、PDSにおいて最近接サーバ以外のサーバも含めて並列配信を行う明確なメリットは見出せない。 Therefore, a clear merit of performing parallel distribution including servers other than the nearest server in the PDS cannot be found.
ただし、「B=0」に設定し、最近接サーバのみを並列配信に用いる場合には、平均リンク負荷の増加を避けながらリンク負荷のCVを低減させることが可能であり、PDSを用いる明確なメリットが見出せる。 However, when “B = 0” is set and only the nearest server is used for parallel delivery, it is possible to reduce the CV of the link load while avoiding an increase in the average link load, and it is clear that the PDS is used. Benefits can be found.
しかし、この場合、PDSの効果は各ユーザノードに対して最近接サーバがいくつ存在するかに依存する。このことを確認するため、図9に、「B=0」と設定したときのリンク負荷のCVの正規化値を最近接サーバ数比率ηに対して示す。 However, in this case, the effect of PDS depends on how many closest servers exist for each user node. In order to confirm this, FIG. 9 shows the CV normalized value of the link load when “B = 0” is set with respect to the nearest server number ratio η.
ただしηは、式「η={Σi∈Zxi(bi)}÷{(N−S)×S}」で定義する。この式における「xi(bi)」は、ユーザノードiにおける最近接サーバ(ノードiからのホップ距離がbiのサーバノード)の数である。 However, η is defined by the equation “η = { ΣiεZ xi (bi)} ÷ {(N−S) × S}”. In this equation, “xi (bi)” is the number of closest servers in the user node i (server nodes whose hop distance from the node i is bi).
これら二つの尺度間には負の相関が確認できる。すなわち、ηが大きなネットワークほどPDSが有効となる。 A negative correlation can be confirmed between these two scales. That is, PDS is more effective for networks with a larger η.
ηに関して、Star型、H&S型、Ladder型といったネットワーク種別による明確な違いは見られない。 Regarding η, there is no clear difference depending on the network type such as Star type, H & S type, and Ladder type.
NW12(GoodNet)はηが大きく、最近接サーバのみを用いて並列配信を行ってもリンク負荷のCVの低減効果が顕著に見られる。これは前述したように、NW12では、多数のユーザノードが2つか3つのスーパーハブノードと接続していることが原因である。
NW12 (GoodNet) has a large η, and even if parallel distribution is performed using only the nearest server, the effect of reducing the CV of the link load is noticeable. As described above, this is because, in the
NW17(Savvis Communications)とNW19(Sprint)もηが大きいが、リンク負荷のCVの低減効果は限定的である。 NW17 (Savivis Communications) and NW19 (Sprint) also have large η, but the effect of reducing the CV of the link load is limited.
NW17とNW19では最大ノード次数が各々10と8であり、ハブノードは40%程度以下の他のノードと接続しているのみである。 In NW17 and NW19, the maximum node orders are 10 and 8, respectively, and the hub node is only connected to other nodes of about 40% or less.
これらネットワークでは、NW12で見られたようなスーパーハブノードが存在せず、リンク負荷のCVの低減効果は限定的となっている。図8(b),(c)に、これら二つのネットワーク(NW17とNW19)を示す。
In these networks, there is no super hub node as seen in the
よって、NW17のように、ほとんどのノードを接続するスーパーハブノードが2つ以上存在し、かつ、そのようなスーパーハブノードにサーバが設置された場合には、動画ストリーミングサービスを並列配信で提供することにより平均リンク負荷の増加を避けながらリンク負荷の偏りを大きく低減することが可能となる。 Therefore, when there are two or more super hub nodes that connect most nodes, such as NW17, and a server is installed in such a super hub node, a video streaming service is provided by parallel distribution. It is possible to greatly reduce the link load bias while avoiding an increase in the average link load.
次に、図10を用いて、図1におけるデータ並列配信システムによる本発明に係る処理動作例を説明する。 Next, a processing operation example according to the present invention by the data parallel distribution system in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
まず、ネットワークトポロジ設計装置101により、ネットワークを構成する各ノードの接続関係を示すトポロジ情報を生成し記憶装置に格納する手順を実行する(ステップS1001)。
First, the network
次に、サーバ配置設計装置102により、トポロジ情報を記憶装置から読み出して参照し、各ノード間の平均ホップ長を算出する手順と、算出した平均ホップ長が小さいノードを優先して、データを並列配信するサーバ機能を設置するサーバノードとして選択する手順とを実行する(ステップS1002)。尚、この際、サーバ機能を設置するサーバノードとして、予め定められた個数だけ選択する。
Next, the server
そして、サーバ選択装置104により、データの配信要求に対して当該データを配信するサーバノードを選択する際、ホップ長の最も短い最近接のサーバノードを選択する手順と、この最近接サーバのホップ数に予め定められたホップ数を加えたホップ長以内のサーバノードも加えて選択する手順とを実行する(ステップS1003)。
Then, when the
以上、図1〜図10を用いて説明したように、本例では、ネットワークにおけるデータの並列配信を行う際、ネットワークトポロジ設計装置101により、ネットワークを構成する各ノードの接続関係を示すトポロジ情報を生成し、サーバ配置設計装置102により、このトポロジ情報を参照して各ノード間の平均ホップ長を算出し、算出した平均ホップ長が小さいノードを優先して、データを並列配信するサーバ機能を設置する。
As described above with reference to FIGS. 1 to 10, in this example, when parallel distribution of data in the network is performed, the topology information indicating the connection relationship between the nodes constituting the network is displayed by the network
その際、サーバ配置設計装置102は、サーバ機能を設置するサーバノードとして、予め定められた個数だけ選択する。
At that time, the server
また、サーバ選択装置104において、ユーザ端末105からのネットワークを介してのデータの配信要求に対して当該データを配信するサーバノードを選択する際、ホップ長の最も短い最近接のサーバノードを選択すると共に、この最近接サーバのホップ数に予め定められたホップ数を加えたホップ長以内のサーバノードも加えて選択する。
Further, when the
また、サーバ配置設計装置102は、予め定められた割合以上で他のノードと接続されているスーパーハブノードを抽出し、抽出したスーパーハブノードにサーバ機能を設置する。
Further, the server
また、ネットワークトポロジ設計装置101は、トポロジ情報を記憶装置から読み出して参照し、当該ネットワークをStar型、H&S型、Ladder型のいずれかとして分類し、サーバ配置設計装置102は、Star型およびH&S型に分類したネットワークであれば、当該ネットワークを構成する各ノードの内、最も次数の高いノードをサーバノードとして選択する。
Further, the network
また、サーバ配置設計装置102は、平均ホップ長が小さく、かつ、当該ネットワークの中心に位置するノードをサーバノードとして選択する。
The server
また、サーバ配置設計装置102は、ネットワークの中心に位置するノードとして、全ノード数Nと、ノードiからノードjへの最短ホップ経路上のホップ数hijとを用いた式「Hi=(N−1)÷(ΣN j=1,j≠ihij)」で定義される中心性を表す尺度Hiが最も大きいノードを選択する。
The server
このことにより、本例によれば、動画ストリーミング配信において、1つの配信要求に対して、要求された動画コンテンツが保存されている複数のサーバを用いて動画データを並列にダウンロードする配信形態において、配信フローの平均ホップ長を抑えつつ、リンク負荷の偏りを低減する効果を得ることができる。これにより、複数のサーバを用いたデータの並列配信を効率的に行うことができ、HDTVやUHDV等の超高画質の動画ストリーミングのネットワーク配信サービスの実現が可能となる。 Thus, according to the present example, in the streaming mode, in the streaming mode, in the streaming mode in which the moving image data is downloaded in parallel using a plurality of servers in which the requested moving image content is stored in response to one distribution request, The effect of reducing the bias of the link load can be obtained while suppressing the average hop length of the distribution flow. As a result, parallel distribution of data using a plurality of servers can be performed efficiently, and it is possible to realize a network distribution service for streaming video with high image quality such as HDTV and UHDV.
尚、本発明は、図1〜図10を用いて説明した例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、本例では、本発明に係る処理手順を実行するコンピュータ装置として、ネットワークトポロジ設計装置101、サーバ配置設計装置102、ビデオサーバ103、サーバ選択装置104のそれぞれを個別に設けた構成としているが、各々の機能を1つのコンピュータ装置内に設けた構成としても良い。
In addition, this invention is not limited to the example demonstrated using FIGS. 1-10, In the range which does not deviate from the summary, various changes are possible. For example, in this example, the network
また、本例のコンピュータ装置の構成としては、キーボードや光ディスクの駆動装置の無いコンピュータ構成としても良い。また、本例では、光ディスクを記録媒体として用いているが、FD(Flexible Disk)等を記録媒体として用いることでも良い。また、プログラムのインストールに関しても、通信装置を介してネットワーク経由でプログラムをダウンロードしてインストールすることでも良い。 Further, the configuration of the computer device of this example may be a computer configuration without a keyboard or optical disk drive. In this example, an optical disk is used as a recording medium. However, an FD (Flexible Disk) or the like may be used as a recording medium. As for the program installation, the program may be downloaded and installed via a network via a communication device.
101:ネットワークトポロジ設計装置、102:サーバ配置設計装置、103:ビデオサーバ、104:サーバ選択装置、105:ユーザ端末。 101: Network topology design device, 102: Server arrangement design device, 103: Video server, 104: Server selection device, 105: User terminal.
Claims (8)
プログラムされたコンピュータの処理実行手順として、
ネットワークを構成する各ノードの接続関係を示すトポロジ情報を生成し記憶装置に格納する手順と、
上記トポロジ情報を記憶装置から読み出して参照し、各ノード間の平均ホップ長を算出する手順と、
算出した平均ホップ長が小さいノードを優先して、データを並列配信するサーバ機能を設置するサーバノードとして選択する手順と
を含むことを特徴とするデータ並列配信方法。 A method of performing parallel distribution of data in a network by programmed computer processing,
As a process execution procedure of the programmed computer,
A procedure for generating topology information indicating the connection relationship of each node constituting the network and storing it in a storage device;
A procedure for reading out and referring to the topology information from the storage device and calculating an average hop length between the nodes,
And a procedure for selecting a server node having a server function for distributing data in parallel by giving priority to a node having a small calculated average hop length.
プログラムされたコンピュータの処理実行手順として、
上記サーバ機能を設置するサーバノードとして、予め定められた個数だけ選択する手順を含むことを特徴とするデータ並列配信方法。 The data parallel delivery method according to claim 1,
As a process execution procedure of the programmed computer,
A data parallel distribution method comprising a procedure of selecting a predetermined number of server nodes for installing the server function.
プログラムされたコンピュータの処理実行手順として、
データの配信要求に対して当該データを配信するサーバノードを選択する際に、
ホップ長の最も短い最近接のサーバノードを選択する手順と、
該最近接サーバのホップ数に予め定められたホップ数を加えたホップ長以内のサーバノードも加えて選択する手順と
を含むことを特徴とするデータ並列配信方法。 A data parallel distribution method according to claim 1 or 2, wherein:
As a process execution procedure of the programmed computer,
When selecting a server node to distribute the data in response to a data distribution request,
Selecting the nearest server node with the shortest hop length;
And a procedure for selecting a server node within a hop length obtained by adding a predetermined number of hops to the number of hops of the closest server.
プログラムされたコンピュータの処理実行手順として、
全ノード数に対する接続されているノードの数の割合が予め定められた割合以上であるスーパーハブノードを抽出する手順と、
抽出したスーパーハブノードに上記サーバ機能を設置する手順と
を含むことを特徴とするデータ並列配信方法。 The data parallel delivery method according to any one of claims 1 to 3,
As a process execution procedure of the programmed computer,
A procedure for extracting a super hub node in which the ratio of the number of connected nodes to the total number of nodes is equal to or greater than a predetermined ratio;
And a procedure for installing the server function in the extracted super hub node.
プログラムされたコンピュータの処理実行手順として、
上記トポロジ情報を記憶装置から読み出して参照し、当該ネットワークをStar型、H&S型、Ladder型のいずれかとして分類する手順と、
Star型およびH&S型に分類したネットワークであれば、当該ネットワークを構成する各ノードの内、最も次数の高いノードを上記サーバノードとして選択する手順と
を含むことを特徴とするデータ並列配信方法。 A data parallel delivery method according to any one of claims 1 to 4,
As a process execution procedure of the programmed computer,
A procedure for reading the topology information from the storage device and referring to the network, and classifying the network as one of a Star type, an H & S type, and a Ladder type;
If the network is classified into the Star type and the H & S type, the data parallel delivery method includes a procedure of selecting the highest-order node among the nodes constituting the network as the server node.
プログラムされたコンピュータの処理実行手順として、
上記サーバノードとして、全ノード数Nと、ノードiからノードjへの最短ホップ経路上のホップ数hijとを用いた式「Hi=(N−1)÷(ΣN j=1,j≠ihij)」で定義される中心性を表す尺度Hiが大きなノードから優先的に選択する手順
を含むことを特徴とするデータ並列配信方法。 A data parallel delivery method according to any one of claims 1 to 5,
As a process execution procedure of the programmed computer,
As the server node, and the number N all nodes, the expression "Hi = (N-1) using the number of hops h ij on the shortest hop path from node i to node j ÷ (Σ N j = 1 , j ≠ i h ij ) ”includes a procedure for preferentially selecting from nodes having a high scale Hi representing the centrality defined by“ i h ij ) ”.
プログラムされたコンピュータ処理実行手段として、
請求項1から請求項6のいずれかに記載のデータ並列配信方法における各手順を実行する手段を具備したことを特徴とするデータ並列配信システム。 A system that performs parallel distribution of data in a network by programmed computer processing,
As programmed computer processing execution means
A data parallel delivery system comprising means for executing each procedure in the data parallel delivery method according to any one of claims 1 to 6 .
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