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文档简介

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘、篓 流媒体正在成为推动未来宽带应用的主动力。但流媒体对带宽资源要求高目月睫务时 润长,在传统的c ,s 模式下服务器缀容易成为系统瓶颈,如 可在i n t e 批e t 网络上提供大 规模的流媒体内容分发一赢是过去十多年里流媒体研究领域的核心问题。i p 组播通过让 多个节点共享一条流,从两能减轻服务器和网络的负载,但众多原因使其短期内难以在 i n t e m e t 上得到广泛实施;c d n 通过在i n t e m e t 上部署大量节点著把服务和内容“推” 向网络的“边缘”,从而减轻服务器和蚓络的负载,但其昂贵的费用使得一般的i c p 内 容提供商难驭承援。p 2 p 流媒体逶过利用营遴节点的资源为其它节点提供歉务,在不改 变现有网络配置的前提下具有良好的性价比,是一种具有广泛应用前景的流媒体分发方 法。 由于p e e r 节点服务能力有限且其有异构性,此外p e e r 节点还可能随时加入或退出 系统,而流媒体对数据播放具有较严格的时序要求,因此对p 2 p 流媒体内容分发研究也 褥临诸多挑战,毽括p e e r 服务节点的搜索选择、p e e r 节点离开或失效的处理、q o s 服 务质量保证、p e e r 节点异构性处理等,这些挑战实际上也构成了p 2 p 流媒体分发中的关 键闻题。本文工作露绕上述几个挑战展开了深入磷究,并提出了有效的解决办法。 首先针对大规模v o d 应用环境需求,本文提出了一种基于单棵组播树的p 2 pv o d l 获务体系p e e r v o d ,它在每个p c c f 节点上分配圉定长度豹f i f 0 缓存麸歹采操存其 最近所接收到的数据,并为后续到达的节点提供服务。p e e r v o d 采用一种分布式组播树 构造协议,通过在每个p e e r 节点上维护有限个其它p e e r 节点的状态信息,使褥新节点 猩加入时能够快速找到父节点,而当节点离开或失效对子节点能够根据其所维护的状态 信息快速准确地找到新的父节点。p e e r v o d 中节点的离开或失效行为一般不涉及中心服 务器,从颡整得系统具有囊好的可扩展牲;叠强服务被中断的节点在避行中断恢复时, 还考虑了节点对目标节目数据接收的完整性。 由于p e e r 节点的服务能力有限,在实际应用中往往需要多个节点才能为蕈个节点提 供流媒体数据服务。此外考虑p e e r 节点的异构性,即它们在上行下行带宽资源、可提 供的数据内容等方面具有羲异。分层流媒体能够适应p e e f 节点的异构性。本文在多对单 传输模式下,以分层编码为肇镏,以数据层为调度粒度,研究了在多个p e e r 服务节点之 间对将要传输的数据层进行优化分配的问题,其目标是最大化p e e r 接收节点服务质量的 润时,最小化占用黻务器苇点的带宽资源。本文按服务器是否参与数据分配对主述河题 分两种情形进行了讨论,在每种情形下分析了目标问题的复杂性,并提出了相应的算法。 协真实验也表明本文所提算法比相关算法有更好的性能。 同样在多对单传输模式下,以分层编码为基础,考虑数据包存传输过程中会出现丢 包、延迟等现象,而数据包本身存解码时也存在解码依赖关系、解码期限要求,且一i 同 第l 页 困舫科学技术大学研究生院学位论文 数据包对解码失真的贡献并不圄。本文在娃接收方为鞭韵且允诲数据包重传的调度框架 下,提出了一种基于期望失真的数据包溯度算法,它用期望失真来表示每个待调度数据 包的重要程度,并在数据调度过程中优先请求那些期撮失真值较大的数据包,从而在接 收节点上维持较高的播放质量水平。在对期望失真表达式进行推导计算的过程中考虑了 潮络豹特性以及数攥包解磷本身的特性。仿真实验表明在多种实验参数条 孛下本文质提 出的基于期望失真的调度算法均具有较好豹性能。 与传统口组播中的路由器节点不同的是,p 2 p 网络中的p e e r 节点不仅对流缀它们 的数据其有存储转发糍力,还可以瓣它们先进行编秘计算再进行转发,这种发生在p e e f 节点上对特传输数据进行计算编码的操作被称之为网络编码。本文基于p e e r 节点闻的随 机拓扑,研究了如何利用网络编码来增强p 2 p 直播系统的性能,提出了一种基予网络编 码的p 2 p 流媒体直播方案,该方案中包括了在源服务器端对节目数据所采取的分组方 法、在每令节点土所采用的网络编码网络解码的策略以及在多对单转辕模式下对数蕹豹 调度算法等。仿真实验表明,本文所提方案与相关不采用网络编码的方案比较,在同等 实验条件下能减少p e e r 节点的平均播放启动延迟,或在固定播放启动延迟条件下能提高 p e e r 节点的平均播放质量。 p 2 p 流媒体作为一种新溅的流媒体内容分发方法,对服务提供商和用户都具有较强 的吸引力。本文的研究工作为推动p 2 p 流媒体的应用发展提供了良好的理论和实践基 础。 关键字:p 2 p ,流媒体,内容分发,分层编码,失真,服务体系,调度算法,服务 策略,网络编码,v o d 点播,流媒体直播 第 l 褒 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t m e d i as 打e a m i n gi sb e c o m i n gt h em a i n l yd r i v i n gf o r c ef o rf h t i l r eb r o a d b a n dn c t 、o r k a p p l i c a t i o n s h lat r a d m o n a lc l i e n t - s e n ,e r 娥撇i 嘴s y s t e m ,t h es e r v e ro f i e nb e c o m e st h e b o t n e n e c 款d u et ot h e 量l i g hb a n d w i d t ha n dl o n gd u r a t i o no fm u l 蛀m e d 主as 垃e a m s ,h o wt o d 主s 拄i b u t cs 扛e 甜n i n gm e d i ac o n t e n tt oal a r g en u 翻b e ro f 抑s t si nas c 盆1 8 b l ew a yh a sb e c o m e m ek e vi s s u eo fm u l t i m e d i ar e s e a r c ha r e ai nt l l el a s td e c a d e 。i pm u l t i c a s tc o u l db em eb e s t w a vt oo v e r c o m et h i s 出a w b a c ks i n c ei tc o u l dl e tm a n yh o s t ss b a r eo n es t r e a m ;h o w e v e r ,i t s 脚论v 嫩c l 武o n 佼ei 麒t e 韩特ti ss t i ll 赫,秘:dd _ u et o v e r a l 最m d a m e n t a e o l l c e r n s e 玲n ( c o n :t e 珏t d e l i v e f yn e t w o r k i n g ) c 觚p u s ht l l ee o n t e 】吐a n ds e w i t o 搬ee d g eo fi n t e m c tb yu 垃l i z i n ga s 烈o fs e n ,i c en o d e sm a th a v eb e e np r c d e p l o y e d ,t h u sa l l e v i a t et l ! i eb l l r d e no nt h es e r v e ra 耐 t l 豫n e 咐o r kb u ti c p sc 粕j 1 0 ta 稍f 0 r dt b ee x p e n s i v ec h a r g eo fc d n p 2 pm e d i as 讹咖i n gc a i l 醛l i z e 跏m d w i d t hf e s o u eo fh o s t | l o d e s op m v i 如s e “i e e 协。出e f 辨e f 魏。曲s 诚糠o u t c h 姐g i n gt h ec u 撒n ld e p l o y m e n to fi n t e m e t ;i ti sc 0 8 t e 髓c t i v ca n d c o m a i l l sg o o da p p l i 僦o n v a l u e i n f u l 搬专 a st h es c r v i c ec a p a b i l i t i e so fp e e rn o d e sa r c1 i m i t e da 1 1 dh e t e f o g e n e o u s ,i na d d m o n s 淑蹿ep e e rn o 如sc a nj o i no rl e a v et h es y s t e 张a ta n yt 浊e ,b u tm e d i as 如a 桶n gi sas p e c i a l 8 卿l i c a t i o nt y p e 诚t hs 拄趣e n tr e q u i r e i n e n t s ,s o 也e r 。e x i s tm a n yc h a l l e n g i n gi s s u e s 也a tn e e d t ob e8 d d r e s s e di np 2 pm e d i as t r e 哪i n g ,i n c l t l d eh o wt os e a r c ha n dc h o o s et h ep e c rs u p p l i e r s , h o wt od e a l 埘t ht h el e a v eo rf a i l l l r eb e h a v i o r so fp e e rn o d e s ,h o wt og u a r a n t e ep e e rn o d e s ( 独sa n dh o wt od e 舔诵氇t h eh e t e f o g e n e t i e so fp e e r d e s 曩n ds oo n ,也e s ee 量l 舔l e n g e s a c t i l a l l yc o n s t i t “c et h ek e yp r o b l e m si np e e r _ t o - p e e rs t 犯a i n i n gm e d i ac o n t e n td i s 峨b u 缸o n f e s e a r c ha f ;e a t h ed i s s e r t a t i o nt l l o r o u g h l ys t u d i e sm e s ep r o b l e m sa n dg i v e ss | 。m ee 舔c i e n t p r o p o s a l 8 f i r s tt o 蕊喈e s c a l ev o da p p l 主c a t i o ne n v i r o 淞e n t ,t h e 文s s e r t a t 王o np r o p o s e s8n e ws 诳誉。 瑚u l t i c a s t 舡e eb a s e dp 2 p1 v o ds e f v i c ea r c h i 托c t u r e 一p e e r v o d ,i n 施c he a c hp e e fn o d eh a sa f i x e d s i z ef n 7 0b u f 梵rt oc a c h et l l em o s tr e c e n tc o n t e n to ft l l e “d e os 恬e a mi tr e c e i v e s ,锄d c 8 np r o v i d es e r v i c et 0s u b s e q u e n tp e e rn o d e s p e e r 、,o da d o p t sad i s t r i b u t e dm u l t i c a s tt r c e e o n s t n l c t i o np r o t o c o l ,t h f o u g hm a i n t a i n i n gal i m i t c dn h m b 娜o fo t h c rp rn o 畦e s s t a t e so a e 8 c hn o d e ,an e wn o d ec a nq u i c k l yf i n di t sp a r e n ti ni t sj o i n i n gp r o c e s s ,a n dw h e n e v e ral e a v e o rf l a 主l u r eo c e u r s ,e a c hc h i l dn o d ec a na l s oq u i c k l y 矗n di t sn e wp a r e n t 也r o u 窑hi 招m a i n l a 至n e d s t a t ei n f o i np e e r v o d ,也el e a v e so rf 甜1 1 ”e so fp e e rn o d e sc 瓤1n o r m a l l yb or e c o v e r e d 、城t b 献 a f c t i n gt h es e r v e r ,a n d 细sc a nr e l i e v e 壕es e r v e r sl o a d 鑫n dm 鑫k et 耋l ea r c h i t e c 加辑、 哇t 垂l g o o ds c a l 幻i l i 姐i na d d i t i o n s , tc o n s i d e r st h ei m e g r i t yo ft h er e c e i v e dp r o g r a mi ns e “i c e l 它c o v e r i n gp r o c e s s e so f n t e r n l p t e dn o d e s a st l l es e r v i c ec a p a b i l i t i e so fp e e rn o d e sa r ei i m i t c d ,t l l e r ed l w a y sn e c dm m t i p l e s h p 站y n gp c 盯n o d e sc o 印e 豫把l os e f v ear e 唾n e s t i n gn o d e f u r 辔e rm o 糟c o 壬l s i d e r 墩e h e t e r o g e n e i t i e so fp e c rn o d e s ,t h a ti s ,t h e yh a v ed i 按啪to u t b o u n 酗n b o u n db a n d 谢d 墩,a n d t h cm e d i ac o n t e n tm e yc a np r o v i d ei sa l s od i 疵r e n t l a y e r e dm e d i as t r e a m i n gc 姐a d a p t 也e 第1 i i 页 。:璺堕:型兰莛查奎茎堑塞生堕耋堡造奎 一。! h e t e r o g e n e o u sa 札r i b u t e so fp e e rn o d e s u n d e rm ep a t t c mo fm u l t i p l es e n d e r sa n ds i n g l e r e c o i v e rt h tl e v e r a g e sl a y e r e d 铋c o 越n g ,t 毡sd i s s e f t a l i o n 量l a si 差l v c s t i g a 溆l 荫e 舯醚e mo f h o w t oo p t i m a l l ya l l o c a t em em e d i as 拄它甜n i n g1 a y e r sa m o n g _ 1 1 1 em u l t i p l es u p p l i e r sw i t h 也e a l l o c a t i o ng r a n u l 撕t i e so fl a y e r s ,i t sg o 雒i st om a x i 戚z em es t r e a 瑚i n gq u a l i t i e so fp e e rn o d e s w h i l em i i l i m i z et kb a l l d w i d t hr e s o u r c ec o n s u m p t i o no ft l l em e d i as e r v e nw bd i s c u s s 协e 曲o v ep r o b l e m 呈n 铆os c 麟撕o s , ne 粒hs c e n a r i ow ea l s oa 拜a l y s i st h ep r o b l e 掇sc o m p l e x 粒 a n d p r o p o s er e l a t e d 甜g o f i m m s s i m u l a t i o ns t u d i e ss h o wt h a to u rp r o p o s e da l g 耐t 蛆sh a v e i m p r o v e dp e 娃i o 舯a n c e 也a 芏lf e l a t 舔a l 窖州蚰。 u n d e rm es a m ep a f t e mo fm 洲p l es e n d e r sa n ds i n g l er c c e i v e r 协a tl e v e r a g e sl a y e r e d e 那o 粥,c o n s i ( 1 e f 儇ef o l l o w i n gi s s h o st h a tp a c k e sm a y 醅l o s t 如l a y 址地el 潮翳p o 雌 p r o c e s s e s ,t h e f ee x i s td e c o d i n gi n t e r d e p e n d e l l c e sa m n n gp a c k e t s ,e a c hp a c k e ta l s oh 髂i t s d e c o 嫩摊gd e a 撒妇,8 r 蘧i na d d i t i o n sd i 爱色r e n tp a c k e t sh 晶v ed i 镬奄r e n tc o 嫩r i b u 畦o n st o h e d e c o d m gd i s t o n i o n ,w ep r o p o s ea ne x p e c t e dd i s t o n i o l lb a s e dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mi na f e c e i v e r - 妊v e na n dr e t 渤湘 s s i o n p 娃s s i 明如m e 、v o 呔。i th s e se x p e c t 舔d i 蠡o n i o 拄协 d e n o t eap a c k e t si m p o r t a n c e ,a n di nt h cs c h e d u l i n gp f o c e s shs e 王e c t st h em o s t 鼍m p o 期n t , p a c k e t st ob er u e s t e d 戤ag i v e 琏i m e ,a n dt h u s 幻m a x 两i z e 搬op l a 两a c kq u a l i 锄稼黯 “i 埘【p o r t a n c ov a l u e ”o fap a c k e ti se v a l 咖db yt a k i n gi n t oa c c o u md a t ai n t e l d e p e n d e n c e s , n e t w o f kc o n d i t i o n s8 i i ds oo n 。s i m 棚a 芏i o ns 抛d i e ss h o w 国皱。獬p f o 炉s e da i g o 打重l 强量l a s i m p r o v e d 艘f f b m a n c em l d e rd i 蛀 e r e n te x p e r i m e n t 啦c o n d i t i o n s c o m p a r et or o u 钕苫i n 订a d t i o n 雒撙m 落t i c a 瓯p e e rn o d e sc a i ln o to l l l ye x e c u t ea g t o r e a n d f o 黼a r do p e r a t i o nt ot h ep a s s e dd a t a ,b u tt h e yc 蛐a l s oc o h u n “s o m ec o m p u t i n go r c o 封v e 娃i n go p c 峨i o nk 酗色f b r 啪俺i n g 掘e 辩d 8 攮,溅sc o m 斛t 耋n go rc 。n v c 幽g 印e r a t 至o n t 圭l a to c c u r so np e c rn o d e si nd a t a 饿m s p o n 主n gp r o c e s si sc a l l c dn e 协慨r kc o d i n g s u p p o s et h e l o g i c 番t o p o l o g ya l l l n n gp e e fn o d e s 运翔m 嘟,伪ed i s s e n a f i o ni n v e s t g a t e sh o wt ou t i l i z e n 乩v o r kc o d i n gt o i m p m v et h ep e r f 跚n a n c eo fp 2 pl i v em e d i as 仃e a m i n gs y s t e m ,a n d p p o s e san e w s c h e m ef o rp e e 卜圭o m p e e rl i v em e d i as t r e 釉i n gm a ti sb 鑫s e do nn e t w o 戎e o d i i l g 。 t h i ss c h e m ei n c l u d e s 也eg r o i l p i n gm e 也o do fm e d i ad a t ao n 协es e r v e rs i d e ,t h en e t w o r k e o d i n ga n dd e c o d i 鹳p o l i c e so ne 粒hp e e rn o d ea n dt h cp a c b ts c h e 曲l i n g 垂g o r i t l l l 芏l 诫斑 m l l l t i p l es u p p l i e r s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rs a m en e t w o r kc o n d i t i o n ,o l l rp m p o s e d s c h e m ec a nd e e r e a s e 也ea v e f a g op l a y b a c ks 啪d e l a y so fp e c r d e s ,o ri m p r o v e 搬e a v e r a g ep l a y b a c kq u 毡l i t i e so f p c e rn o d e sw i 也p r e d c f i 腿dc o n 嗽嘛p i a y b a c ks 协n u pd c l a y a s8 艄ws t r e 锄i n gm e d i ac o n 钯呲击s 仃i b u t o nm e t l 戚,p e e r - 1 玲p e c rm e d i as 咖a i i l i f 堰量l a s a 慨t e dal a r g cn 岫b e ro fs e r v i c ep r o v i d e r sa j l du s e r s t h ew o r kr e s u l t so ft h i sd i s s e n a t i o n w 主呈lp f o v i d eag dt h e o f e i c a l 黜d 弘t i c 越f o u 蘸出畦o nf o fp 2 pm e d 谂s t 煳融g8 p p l i c 8 t i o n s j n n e x ts t e p 黜y w o r d s :p e e r _ t o 巾e e r ,m e d i as 骶a n l i n g ,c o n t e n t 搬r i b u t i o n ,l a y e 舱de n c o d 咄 硅i s t o r t i o n , s e r v i c e a r c 垂l i t e c t l 王f e ,s c h e 如l i n g 醴g o r i t ,s e f 啊c ep o l i c e ,n e t w o r kc 甜i n 舀 v i d e o * o n d e m a 芏l d ,h v em e d i am 翻戚n g 第l v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表目录 图1 1 现有基于应用层组播的流媒体分发方案分类5 图1 2n i c e 协议中的分层簇构造6 图1 3z i g z a g 协议中组播树的构建方式一7 图1 4p 2 v o d 在时刻3 6 的系统快照1 0 图1 5o m n 的体系结构图1 l 图2 1p e e r v o d 在时刻2 2 的运行快照19 图2 2 节点状态转换图2 3 图2 3 不同工作负载下服务器的理论负载2 8 图2 4 服务器负载对比( p = 1 0 ) 3 0 图2 5 节点加入失败概率( p = 1 0 ) 3 0 图2 6 网络资源利用率3 1 图2 7 数据完整率比较3 2 图3 1 分层编码概念结构示例3 3 图3 2 数据层分配多叉树3 6 图3 3s c a w o r 算法框架3 7 图3 4h a w o r 算法框架3 8 图3 5g ( 矿,e ) 中相关弧上的流值调整4 l 图3 6 不同缓冲区时长下的节点平均质量满意度4 5 图3 7 不同缓冲区时长下的服务器带宽占用4 6 图3 8 不同上行下行带宽比率下的节点平均质量满意度4 7 图3 9 不同上行下行带宽比率下的服务器带宽资源占用4 8 图3 一1 0 不同z 下的节点平均质量满意度4 9 图3 1 1 不同2 下的服务器带宽资源占用5 0 图4 1p a l s 采取的调度策略5 5 图4 2 数据包解码依赖关系示例5 6 图4 3m p e g 4f g s 中数据包的失真值5 7 图4 4 调度框架及组成5 8 图4 5 滑动窗口的移动过程6 l 图4 6 滑动窗口相关参数的关系及其数据包的状态示例6 2 图4 7 调度算法框架6 5 第i v 页 圈防科学技术大学研究生院学位论文 图4 ,8 仿真实验的网络拓扑结构及参数6 6 图4 9l ;同播放宿动延迟下p o e f 接 | 芟节点播赦凌量豹魄较( 4 = 5 聊s ) 6 7 图4 1 0 不同滑动步长下p e e r 接收节点播放质缀的比较( d p 切o = 4 s ) 6 8 图4 1 l 不同撵放启动延迟下p e 钉接收节点平均播放震鳖的跑较6 8 图4 1 2 插入t c p 流情况下p e e r 接收节点播放质量的比较一6 9 图幸,1 3 有p e e r 服务节点离开情援下p e 骰接收繁点播放覆量豹 b 较7 0 图4 1 4p e e r 服务节点所缓存数据异构情况下p e e r 接收节点播放质量的比较7 0 图5 1 不采孀采用网络编玛所得组播最大速率值的比较7 6 图5 2 通过网络编码减少共享瓶颈链路影响的示例7 7 图5 3 逶过瓣络编码提高系绞容错性和数据鲁棒性的示倒7 7 图5 4p e e r 节点软件体系结构示意图7 9 图5 5 采用网络编码时数据块的格式7 9 图5 6 流数据在节点问的编码及传输过程示例8 0 图5 。7 数据调度算法8 2 图5 墙对a c t i v e 消怠的处理流程8 4 图5 9 不同播放启动延迟下p e e r 节点播放质量的比较8 6 圈5 1 0 不阔播放启动延迟下p e e r 节点缓冲区填充率的比较8 7 图5 1 l 不同邻居数情况下p e c r 节点播放质量的比较8 8 圈5 1 2 不同邻居数情况下e f 节点缓冲区壤充率的比较8 9 图5 1 3 不同流速率情况下p e e r 节点播放质量的比较9 0 图5 1 4 不同流速率情况下部节点缓i 孛医壤充率鹣比较9 0 表2 + l 重薪加入算法中所用到的消息 表4 1 部分变量及其意义 :1 4 f ;o 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及数得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含 其他入己疑发表和撰写过豹研究成果,也不包含为获得国防科学技求大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题昏:婺里速握签盘查金塞差鐾撞苤盈塞 学位论文作者始封珠魄加似7 月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了熊瀚防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档,免许论文被查阅和借阕;可以将学位论文的全部或都分内容编入有关数据 瘁遗行捡京,可以采阕影印、缩印或扫描等复制手莰保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目:至望遗搓焦盘窒金塞差壁撞盛叠究 学位论文作者签名:j 驾至、蠢 作者指删- 麟:蜜羔革一 日襄:声”。,年? 并哕鞋 日期湖年尸月哆。 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 计算机技术特潮是稠络技术的飞速发展,深刻地改变麓人锕豹工作、生活秽思维。 随着单机处理能力的增强和宽带网络的营及,人们不再满足于传统的网页浏览、文件下 载、聊天等因特网呆板的表现形式,流媒体以其特有的娱乐性和交互性正在成为推动来 来宽带应用的主动力。尽箭满足流媒体敝务的基础环节如服务器性能、网络带宽、褫频 编码及传簸技术等己取褥飞速发展,但由于滚媒体本身对带宽资源要求蠢且服务时阏 长,菪对每个溥求均采取在照务器土为冀单独分瓤一条数据流豹i p 革播方式,则不仅 无法满足大规模的流媒体应用部署需求,同时会使得服务器成本届高不下,并且很容易 导致局部网络发生拥塞,从而也无法保证客户端的服务质鬃。i p 组播技术以其多路复用 的方式能够减轻服务器和网络的负载,佩其在实现方面的复杂性以及在拥塞控制、可靠 性管理方蘑豹不怒使其在近几年内难以广泛实施【”。蔼擐新兴起的c d n 嘲( c o n t 雠t d c l i v c r y n e t w o 嫩) 架构服务透过在瓤把r n e l 上广泛部署服务节点( 如a k 瓣a i p l 爵在全球 部署了1 0 ,0 0 0 + 个节点) ,把服务内容“推”向网络的“边缘”,并把客户请求路由到 据客户最近的服务节点,从而减轻对服务器的压力和对骨干网络的带宽消耗,但c d n 按字节收费的方式使一般流媒体内容提供商( i c p ) 无法承担其租赁费用。因此,在有 限的资铩条 牛下,如簿满足挟逮增长豹飚户需求,并在满足一定服务质量承平豹同聪, 降低单条流的服务成本,成为流媒体分发技术研究中个具有挑战性的课题! 1 1 课题研究的背景及面临的挑战 随着互联隧茁全世界的普及,越来葱多的机嚣获褥了弼络连接,并登冀连接方式正 邋速由拨号为主匈宽带为圭的方式发震。几年前,使用拨号方式上阏还是一种韪贵丽酲 缓慢的事情,今天,4 ;仅大的机构迅速普及了专线网络连接,很多家庭用户也开始享受 高速的a d s l 等上网方式带来驰便利。对于个人用户,可以刹趣的带宽已经从几年前的 1 0 k b p s 级提高到了1 m b p s 级。骨干网的带宽也在爿i 断提高。网络连接情况的改善使得 掰络应用情况也发生了变亿。在低速网络时代,网络瘦霜阻客户梳封臣务器模式为主,大 型服务器处于网络应用韵核心魂位:它拥有稽对充裕的计算瓷源和黼络带宽资源,可以 同时为诲多用户服务;个人矮户只能作为访阀蚓终的终端,不霹能为他人提供服务。但 是在高速弼终时代,随着网络带宽的迅速提离和宽带爝户的迅速增长,尽管服务器的鄂 署方式也已从传统的单一服务器发展到集群服务器、并行服务器以及分布服务器等方 式,偿其面滴豹服务压力穗日趋增大,并在很多领域也难以满足不断增长的应用需求; 另一方面,个人计算杌的性能在迅速提商的同时其价格也在不断下降,现在豹台普通 个人计算机,其计算糍力刹存糖能力缀可超过二十年前豹大型虮,计算姿源和网络诺 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 会被与p e e r 节点状态维护相关的信息所淹没:二是中心索弓l 服务器将成为系统的单点失 效节点,从而会削弱系统的鲁棒性。因此在大规模的p 2 p 流媒体应用环境下如何建立谢 效豹p e e r 节点搜索定位棍制,藏失p 2 p 流媒体分发技术研究中所程l 陶篱第一个魏酸; 2 ) p e e r 节点退出行为的检测与处理 p 2 p 网络中鲍p e e r 节点不象传统的服务器那样具有较为稳定的状态,它们w 随时离 开系统,也可因发生故障而失效,从而导致系统中其它部分节点数据传输服务的中断, 并影响这些节点的播放质量。由予p e e f 节点翡离矛嚣为不西避免且频繁发生,因此如何 从数据分发体系设计的角度来避免或减少节点离开或失效行为的影响,或者建立何种类 型的快速反应机制来减少其它节点服务被中断的时间,成为p 2 p 流媒体分发技术研究中 所面临的又一挑战; 3 ) q o s 服务质量保证 现行的各种视频压缩标准产生的视频流码率都比较高,如m p e g _ l 的码率为 1 5 m b p s ,m p e o - 2 的码率为2 1 0 m b p s ,m p e g 4 的码率约为几十k b p s 到几m b p s ,超 过或低于此码枣都会导致解玛时的缓漳区上溢或下溢,影响搔放效聚,嚣北奁流数据豹 分发过程中必须保证数据传输的实时性。此外数据包在网络传输过程中所发生的丢包、 延迟等现象都可能会影晌接收方的q o s 服务质量。由于c r 节点之间的网络带宽资源 有限,数据包程p e e r 节点之间传输时也同样具有丢包、延迟等特征,此外p c e f 还可能 随时离开或失效,上述这些因素将导致p 2 p 网络环境下的q o s 服务质量问题更加突出。 函此在p 2 p 网络环境下如何对p e e f 节点| l 孽服务震曩提供保障已成为p 2 p 流媒体分发技 术研究中的核心问题; 4 ) p e e r 节点异构性鲍处理 对p 2 p 网络中的p e e r 节点而言,它们所具备的跚络带宽资源、主机处理能力实际 上是有蓑具的,不圄p e e r 节点对搅频播放的矮量等级有巧i 箍的需求,这秘质量等级哥体 现在视频的分辨率、帧率等方面。除了对数据的接收处理能力不同外,不同p e e r 节点在 对外服务能力以及可提供的数据范围等方飚也存在异构性,因此,在p 2 p 流媒体数据分 发过程中,摇辩满足p e e r 节点对鹜标节酹笄构性的质量需求,同时如何适应弗乖j 用p e e f 节点异构的资源能力,也是p 2 p 流媒体分发技术研究中的挑战之一; 5 ) 激励搬制及羹它 在p 2 p 网络环境中需要参与服务的p e e r 节点尽量贡献自己的资源,以提高网络上 豹资源誊i 蘑率,恢速壤长系统黻务能力,从甭提高系统中节点的整髂虢务质煮水平。馁 在实际应用中许多用户更倾向于以“搭便车”( f r c e 一d i n g ) 的形式参与系统h ”,即只愿 意从其它节点获取服务谣不愿意贡献出其本身的空闲资源为其它节点提供服务,这一点 也在文献f 4 8 中得到了实验论证:a d a r 等人通过对著名p 2 p 文件共享系统g n u t e l l a 【5 1 的运 行活动进行了2 4 小时的跟踪记录,发现系统中7 0 的用户节点根本没有共事出本身的 第3 页 鬯堕型兰垫查盔差堕塑生堕兰堡丝苎。 一 资源,其中1 的用户节点承担了系统4 7 盼下载负载,而2 5 的用户节点承担了系统 9 9 的下载负载。p 2 p 网络环境中p e e r 节点这种“搭便车”的行为并不能够充分利用 i n t e 翻e t 上的空阕资源,也不稠予充分发挥p 2 p 模式的优势。因此如嚣建立一套有效的 激励机制,使得p e e r 节点在行使消费者角色的同时,主动承担为其它节点提供服务的职 责,也是p 2 p 滚媒体内容分发孛一项值彳导研究的课题。此外,如何验证流数据肉容的正 确性与合法性、如果有效地检测并抵御恶意p e e r 节点所实施的攻击或欺骗等行为,也是 p 2 p 流媒体内容分发技术研究中逐步需要解决的问题。 本课题的研究主要针对上述挑战中的前四点,并在研究过程中假设p e e r 节点都是无 私的( a l 仃1 l i s t i c ) 的,即并不涉及对激励机制及其它方面的研究。本谍题的研究计划得 翻了国家自然科学基金重点顼层“难等计算及广域网虚拟平台”和国家鑫然秘学基金硬 目“下一代网络体系结构模型及超高速网络交换与路由研究”以及国家9 7 3 重点基础研 究项强“新一代互联嘲路幽与交换理论”等的资助。 1 。2 相关研究现状 如何在大规模的应用环境中对流媒体内容进行分发是过去十几年里多媒体领域的 研究热点。最初人们提出了以l p 组搔豹方式对漉媒体内容遴行分发,以便让多个请求 用户共享条数据流频道,从而减轻服务器和网络的负载;此外针对v o d 服务人们提 出了b a t c h 协议簇【4 4 4 ”、p a t c h 协议簇h 7 。1 以及分段广播协议簇8 】,以适应v o d 中异步 的服务请求。僵南于l p 组撩在今后的若干年随还难以在i h t c m e t 上得到广泛配嚣和部署, 而最近提出的应用层组播可以在不改变i n t e m e t 现有配置的前提下实现多路复用,人们 也因j 毙在应爝层缎搐豹基础上提出了多种滚媒体内容分发方案戳遥斑疯播鄢v 国点播 的应用需求。 对蒸于应用层组援的各种流媒体内容分发方案,我们按是否震要在瞬绔上颁外部署 服务节点把这些方案划分为三类:基于p 2 p 的流媒体分发、基于架构的流媒体分发以及 基于混合结构的流媒体分发,其中第一类方案小需要在网络上额外地部署服务节点,而 后两类均需要,第三类方案是对前磁类方案的综合。在基于p 2 p 盼流媒体分发方案串我 们又把现有研究划分两类:基于p 2 p 的流媒体直播和基于p 2 p 的v o d 点播;而在p 2 p 流媒体壹搐中我艇又按p e e r 节点掰构成的 娜络逻辑接羚把现有方褰进

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