（计算机软件与理论专业论文）p2p系统结构与数据传输策略研究与实现.pdf

摘要 摘要 自二十世纪九十年代互联网向公众开放以来，计算机网络发展日新月异， 各种新的系统层出不穷。因特网( i n t e m e t ) 的结构随着上层应用程序对网络需 求的变化，经历了从对等网络模式( p e e r - t o p e e ro rp 2 p ) 向客户端朋及务器模式 ( c l i e n 吣e r v e r ) ，再返回到p 2 p 模式的发展历程。随着计算机终端设备和网络设备 的快速发展，伴随网络处理和传输数据能力的提升，p 2 p 系统的应用范围愈发广 泛，这其中就包括了文件共享系统，视频点播系统，以及实时语音和视频电话系 统等。 然而，最近几年p 2 p 应用程序的发展远远超过了网络传输能力和网络协议 的发展速度，造成网络的严重拥塞。由于i p v 4 没有提供数据的分级传输机制，而 能提供分级传输机制的i p v 6 协议又迟迟无法推广，造成p 2 p 数据流占用了绝大 多数网络带宽，严重影响到其它网络应用程序的性能。网络服务提供商花费重金 扩展网络容量也无法满足庞大的用户需求，因此只好使用多种手段限制、甚至 阻断p 2 p 应用程序的数据传输。同时，随着各种无线网络技术的发展，越来越多 的p 2 p 系统开始尝试部署于无线网络上。而无线网络所能提供的数据传输速率 和稳定性又远远不及有线网络，这更加重了大规模p 2 p 系统的部署难度。本文提 出一系列平衡网络流量，缓解矛盾的方法，以应对p 2 p 应用系统与网络发展不平 衡所带来的矛盾。在当前p 2 p 系统的无线化大背景下，本文着重研究w i m a x 、 、i f i 、3 g 等无线网络的特点，在a n y s e r v e r 平台的支持下，提出了在这些网络 上高效部署p 2 p 文件共享系统和视频电话系统的方法。 本文的主要内容与创新点如下： 首先，本文提出了一种在包含有线结点和无线结点的混合p 2 p 文件共享系 统下，保护无线结点能量，以延长其服务时间的方法。通过实验我们发现，在拥 有较大数量无线结点的p 2 p 文件共享系统中，如果不考虑无线结点的能量和通 信能力，会导致无线结点过早能量耗尽，令系统中结点数量显著减少，从而反过 来严重影响系统的覆盖率和文件共享功能的效率。实验证明，在8 0 的结点是无 线结点的系统中，我们的资源结点选择算法可以使无线结点的失效率降低5 0 以上，并令资源文件传输总时间降低超过5 0 ，从而有效改善混合p 2 p 网络中无 线结点的生存环境。 第二，本文提出了一个基于w i m a x 和w i f i 网络的p 2 p 文件共享系统的应 摘要 用层网络拓扑结构优化模型。考虑到无线城域网w i m a x 即将产品化，如果能充 分利用成熟的无线局域网技术w i f i 的特性，城际无线网络上数据共享系统拥有 广阔的应用前景。在这样的混合无线网络中，如果不考虑无线网络空中接口资源 紧张的特点，随意搭建应用层拓扑结构，会导致大量宝贵带宽被浪费。因此本文 提出层次化p 2 p 共享系统，根据w i m a xm e s h 网络的特点，在w i m a x 基站骨 干网络层和客户站所组成的m e s h 网络层中建立层次化分布式查找结构。模拟实 验证明，对于拥有率超过2 5 的资源，本文提出的查找算法在本地m e s h 网络发 现该资源的概率超过9 0 ，从而有效节省了网络空中接口资源，提高了资源查找 效率。 第三，本文提出了一个基于会话初始化协议( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o lo r s i p ) 的自适应视频m 电话( v o i c ea n d d e oo v e r i p o r v v o i p ) 系统。由于i p v 4 网 络中地址不足，且网络安全问题比较突出，目前网络中大量部署了防火墙和网络 地址转换器( n e t w o r ka d d r e s st r a n s i a t o ro rm 玎) 由于s i p s d p 协议族对m 虹穿 越方面没有作具体规定，使得两个v v o i p 客户端实现点到点传输会遇到问题。 i c e ( i n t e r a c t i v ec o n n e c t i v i t ye s t a b l i s h m e n t ) 协议的出现填补了n a t 穿透的空白， 但就v v o i p 应用来说，i c e 显得比较复杂，所消耗的资源也较大。而本文提出的 基于a n v s e n ，c r 平台的自适应s i pv 、b i p 系统能够保证v v o i p 客户端之间的p 2 p 实时通信。实验证明，本系统能够减轻流媒体服务器的压力，降低实时会话的网 络时延。 第四，本文提出了一组基于s i p 的v v o i p 系统中音频视频数据的协作传输 算法。音频电话v o i p 向视频电话v v o i p 的转变，大大缩短了人与人之间的空间 距离。然而，v v 0 口中视频流数据的规模远大于音频流数据，无序的视频音频流 传输会使得v v o i p 客户端的话音效果受到较大影响，尤其是在无线网络接入设 备上运行的v v o i p 客户端上，话音质量的下降现象尤为明显。本文提出了一组协 作传输算法( v o i c ea n d d e ot r a n s m i s s i o ns t r a t e g i e so rv s ) ，能够有效减小数 据传输速率的波动，在尽量不降低视频质量的前提下，提高话音质量。 最后，本文介绍了支持本文实验的a n v s e r v e r 平台的总体架构，以及各个子 系统的框架和实现细节，并对v v o i p 系统今后的发展方向进行了讨论。 关键词：对等网络，文件共享，w i m a x ，v o i p ，v v o i p ，s ) s d p 协议族，传输 策略，a n y s e r v e r ，多网融合，跨平台互操作 a b s l r a c t s i n c et h eo p e n i n go ft h en e t w o r k st op u b l i ci n t e r e s t si n t h e19 9 0 s ，t h ei n t e m e t i sb o o m i n 舀w i t ht h o u s a n d so fa p p l i c a t i o n sa n ds e r v i c e s 衄o u 曲o u tn l eg l o b e a c 。 c o r d i n gt om ee v o l u t i o no ft h ea p p l i c a t i o nr e q u 确n e n t s ，t h es t m c t u r e o ft h e1 1 1 t e m e t c h a n g e df r o mp e e r t 0 巾e e r ( p 2 p ) n l o d ct oc l i e n t s e n r e rm o d e ，a n d t h e nb a c kt op 2 p m o d e t h r o u g ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fe n d h o s te q u i p m e n t sa n dn e t w o r kf ：a c i l l t l e s ， t h ed a t ap r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t yo ft h e i n t e m e ti sa l s o 鲈o w l n g ，m a k m g t h ep r o s p e r o u sp 2 pa p p l i c a t i o n se v e nm o r ep r o s p e r o u s n e wa p p l i c 豳n s1 n c l u d e n l e s h a r i n gs y s t e m s ，v i d e oo nd e m a n ds y s t e m sa n dv i d e o o v e ri ps y s t e m s h o w e v e r t h ed e v e l o p m e n to fp 2 pa p p l i c a t i o n so v e 刑h e l m st h ei n c r e m e n t mt n e i n t e m e tt r a n s m i s s i o na b i l i t i e si nr e c e n ty e a r s ，c a u s i n gs e r i o u sn e t w o r k c o n g e s t l o n s 礤v 4d o e sn o tp r o v i d eq u a l i 哆o fs e r v i c e ( q o s ) a s s u r e d t r a l l s m i s s i o nm e c h a n l 8 m ；w n l l e i p v 6d o e sp r o v i d et h eq o sm e c h a n i s m ，幽em a s s i 、，ed e p l o y m e n t o f 口v 6h a 8b e e np 0 8 t 。 p o n e df o ry e a r s w i 也o u tt h eq o s m e c h a n i s m ，p 2 pt r a 佑co c c u p i e sm o s to ft h eb a n d w i d t h ，s e v e r e l yd o w n 莎a d e st h ep e r f o r m a n c e o fo t h e rn e t w o r ks e r v i c e s i n t e m e ts e r v l c e p r o v i d e r s ( i s p ) s p e n tv a s ts u m so fm o n e y o ne n h a n c i n gt h en e t w o r k l i t i e s ，b u “a l l e d t of u l 丘1t h ee n o 肌o u sr e q u i r e m e n t t h e r e f o r e ，i s p sh a v e n oc h o i c eb u tt o1 l n u t ，o re v e n b l o c km et r a f & cc a u s e db yp 2 pa p p l i c a t 沁r 塔t h es p r e a do fp 2 p s y s t e m st ow 1 e l e s s n e c w o r bd e t e r i o r a t e st h es i t u a t i o n ，b e c a u s et h ew i r e l e s sn e t w o r k sh a v e l e s sd a t ap r o 。 c e s s i n gc a p a b i l i i e sm a i lw i r e l i n en e t w o r k s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep r o p 0 8 e h l e t h o d st o b a l a n c et h en e t w o r kt r a 伯c ，i no r d e rt or e l i e v e t h et e n s i o n sc a u s e db yp 2 pa p p l i c a t l o n s w ea l s om a k ee f f o r tt ob u i l dp 2 p f i l es h a r i n ga p p l i c a t i o n sa n dav v o i pa p p i i c a i o n o n 柚s e r v e r ，ac r o s sn e t w o r kp l a t f o 仰f o r s e a m l e s sd a t ai n t e r o p e r a b n i t y 。i 。h e n a l n c o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e ： f i r s t l y ，w ep r o p o s eas c o r i n gm e c h a n i s m t op r o t e c tw i r e l e s sp e e r smh y b n d p z p f l l es h a r i n gs t r u c t u r e i nap 2 pf i l es h a r i n gs y s t e mw i t hv a s tw i r e i e s sp e e r s ，1 f w ed o n o ts e r i o u s l vc o n s i d e rt h ec a p a b i l i t yo f w i r e l e s sp e e r s ，t h c ym a yb eo u to fs e r v l c e8 0 0 n w h i c hi nt u r ns e v e r e l yd o w n g r a d e st h ee 腼c i e n c y o f t h es y s t e m i nah y b r i dp 2 ps y s t e m w h e r e8 0 o ft h ep e e r sa r ew i r e l e s sp e e r s ，t h es o u r c ep e e rs e l e c t i o n a l g o n h mw ep u t f o r t hc a nr e d u c et h eo u t - o f - s e r v i c er a t eo f w i r e l e s sp e e r sb y5 0 ，a n ds a v et h et o t a l 厅l e i ；i a bs t r a c t t r a n s m i s s i o nt i m eb y5 0 ，e f f 色c t i v e l yi m p r o v i n gm eo v e r a np e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i d p 2 p s y s t e m s e c o n d l y ；w ep r o v i d ea no p t i m i z e dm o d e lo fp 2 p i i l es h a r i n gs y s t e mb a s e do n w i m a xa n dw i f i w i m a xa n dw i - f ia r eh i g h l yc o m p l e m e n t a 艰h e n c e ，i ti sv e r y p r o f i t a b l et ob u i l du pp 2 ps y s c e m so v e r 、矾m a xa 1 1 dw i f in e t w o r k ss i m t l l a n e o u s l y i f l t h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep r o p o s ea 1 a y e r e dd i s t r i b u t e dp 2 p s t n l c t u r ef o rt h ea p p l i c a t i o n1 a y e r o v e r l a yn e t w o r k ，mo r d e rt os a v em ea i ri n t e a c eo ft h ew i r e l e s sn e t w o r k s ，a i l ds h o r t e n t h ei o o k u pt i m e b ys i m u l a t i o n s ，w ec l a i m e dt h a tt t l er e q u e s t e df i l ec a nb ef o u n di nt h e l o c a ls u b s c r i b es t a t i o nm e s hn e t w o r ki n9 0 o ft h et i m e ，i ft h a tf i l e sp o p u l a r i t yr a t ei s o v e r2 5 。 t h i r d l y ，w ep r o p o s ea na d a p t i v es m _ b a s e dv v o i ps y s t e m b e c a u s eo ft h es h o r t n e s s0 fi pa d d r e s s e si ni p v 4 ，n a ta r em a s s i v e l yd e p l o y e di nt h en e t w o r k s i p s d p p r o t o c o ls t a c kd o e sn o td e f i n et h eb e h a v i o ro fs i pc l i e n tw i mn a t i c ei sag o o ds o l u t i o nf o rn p 正b u tq u i t ec o m p l i c a t i n gf o rv v o i pa p p l i c a t i o n s t h es 口- b a s e da d a p t i v e v v o i ps y s t e mw ei m p l e m e n t e dc a ng u a r a n t e ep 2 pc o n n e c t i o nb e t w e e nt w oc l i e n t s t h r o u g has e r i e so fe x p e r i m e n t s ，w ep r o v e dt h a tt h es y s t e mc a nr e l i e v et h ep r e s s u r eo f m u l t i m e d i as e r v e r a n dr e d u c et h ed e l a yt i r n eo ft h es e s s i o n f b u r t h l y w 色p r e s e n ta s e r i e so fc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ns t r a t e g i e sf o rs i p b a s e d v v o i ps y s t e mo v e ra n y s e n ，e r t h ee m e 略e n c eo fv v o i pr e a l l yr e d u c e st h es i z eo f t h ew o r l d h o w e v e r i nav v o i ps y s t e m ，m ed a t as i z eo ft h ev i d e os t r e a mo v e n v h e l m s t h ed a t as i z eo ft h ev o i c ed a t a i fv i d e 0d a t aa r et r a n s m i t t e dw i t h o u tc o n s i d e r a t i o no f e h ev o i c ed a t a ，s e r i o u sj i c t e r sm a yo c c u li nt h i sd i s s e r l a t i o n ，w ep r o v i d eas e r i e so f t r a n s m i s s i o ns t r a t e g i e sc a l l e dv v t s ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c em ef l u c t u a t i o no f d a t at r a n s i t l i s s i o n ，a n di m p r o v et h ev o i c eq u a l i t yo ft h es y s c e m f i n a l l y ，w ed e s c r i b et h ew h o l es t r u c t u r eo fa n y s e r v e ri nd e t a i l ，a n dd i s c u s st h e d e v e l o p m e n tt r e n d so fp 2 pv 、，0 i ps y s t e m si nt l l en e a rf u c u r e k e y w o r d s ：p e e r - t o - p e e r p 2 只f i l es h a 血g ， c 0 1s u i t e ，i r a n s m i s s i o ns t r a t e g y a n y s e r v e r i n t e r o p e r a b i l i t y w j m a x ，v r o 瑕v v 。1 只s 删s d pp r o t o - m u l t i n e t 、v o r kf u s i o n 。c r o s s p l a t f o r m 插图目录 插图目录 1 1 本论文总体结构 6 2 1 典型s i p 消息交互过程1 6 2 2s i pi n v i t e 消息举例1 6 2 3s i p 协议部署举例1 7 2 4 w i m a x 架构 1 8 2 5 w i m a x 中的m e s h 模式 1 9 3 1 混合p 2 p 文件共享系统应用背景2 2 3 2 本章提出的混合文件共享系统结构2 4 3 3 能量耗尽无线结点百分比2 9 3 4 文件传输速度实验。3 0 4 1 本文提出的分层文件共享系统3 5 4 2 分层文件共享系统资源发布3 6 4 3 分层文件共享系统资源查找3 7 4 4 变体动态资源路由协议3 7 4 5 本系统查找进程的流程图3 8 4 6 层次化文件共享系统资源传输3 9 4 7 请求资源所在网络位置概率。4 0 4 8 底层网络中资源查找消息的数量4 l 5 1 同时包含公网及私网地址，端口信息的s i p 请求过程4 7 5 2 会话建立4 8 5 3 通过超级结点转发的媒体传输4 8 5 4 本s i p 客户端的整体架构5 0 5 5 客户端位于不同盯后面时的系统结构5 2 5 6 实验一中e t h e r e a l 捕获的s d p 请求消息5 3 x 插图目录 5 7 实验一中e t h e r e a l 捕获的s d p 回答消息。 5 4 5 8 实验一中客户端发出的r 1 限数据包5 4 5 9 客户端位于相同玎后面时的系统结构5 5 5 1 0 实验二中用私网i p 进行通信的r 1 ： p 包。5 6 5 “两种机制下流媒体传输数据包的时延比较5 7 6 1 v v t s 客户端结构图6 2 6 2 策略产生模块流程图6 4 6 3 音频，视频流分开传输策略6 6 6 4 音频视频流从属传输策略。6 7 6 5 未使用v v t s 算法时传输方式6 7 6 6 使用v v t s 算法时传输方式，6 8 7 1 a n y s e r v e r 平台总体结构7 2 7 2 应用场景7 2 7 3 w 色e c a u 客户端登陆界面，7 4 7 4w r e e c a l l 的用户界面。，。7 4 7 5 w e e c a l l 客户端结构7 5 7 63 g 3 2 4 m 协议栈7 6 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本 研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 鲱。 签字日期： 塑芏幽兰 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科 学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日公开口保密( 年) 作者签名：筠些 签字日期：尘2 堕 塑 导师签名： 签字日期：轴文f 菇c 孙 第1 章绪论 第1 章绪论 互联网的高速扩张使得资源消耗量较大的应用系统得到了极好的发展机会。 目前p 2 p 文件共享系统、网络电话( v o i p ) 和网上视频点播( v o d ) 等应用程序如 雨后春笋般大量涌现。然而，最近几年网络底层平台由于受到物理材料性质上的 制约，发展速度显著放缓，而上层应用的发展仍然在不断提速，这就造成了互联 网络日益严重的拥塞现象。本论文针对这一现象，提出了优化p 2 p 系统的策略， 特别是针对目前无线网络的发展特点，提出有效利用无线网络资源，增加p 2 p 系 统的覆盖范围的方法。 本章首先介绍了论文的研究背景以及意义，而后介绍了当前国内外的研究现 状。在提出了本文的研究内容与创新点之后，给出了论文的整体组织结构。 1 1论文研究背景和意义 自从1 9 9 4 年以来，i n t e m e t 高速发展，据中国互联网络信息中心统计，截至 2 0 0 7 年6 月3 0 日，全球网民总量达到1 ，1 7 3 ，1 0 9 ，9 2 5 人( 中国互联网络信息中 心，2 0 0 7 ) 。而在中国方面，截至2 0 0 8 年6 月，中国网民数量达到2 5 3 亿，比去年 同期增长了9 1 0 0 万，跃居世界第一位( 中国互联网络信息中心，2 0 0 8 ) 。相应的， 围绕i n t e r n e t 的相关应用也同时蓬勃发展起来，新型应用不断涌现：从电子邮件 到门户网站，从网络视频电视到电子商务。可以说，互联网已成为现代社会不可 缺少的基本元素，极大改变了人们的生活方式。 而i n t e r n e t 相关产业的发展又反过来促进了i n t e r n e t 基础设施的建设。在海 量资金的支持下，新技术层出不穷，i n t 咖e t 网络的接入速度快速发展，稳定性 不断提高。在接入网络方面，宽带上网取代了拨号上网；而骨干网络的带宽也得 到了飞速发展。这为海量数据传输和共享应用软件的发展提供了平台。 总的来说，互联网络有以下两大发展方向：首先，伴随着网络能力的提高， 最近几年，成功的p 2 p 系统不断出现：成功的文件共享系统包括b i t l b r r e n t 、电 驴等；网络电视直播点播系统如p p l i v e 、p p s 仃e a m 等；以及成功的视频实时通 信软件如s k y p e 、x l i t e 等。成功的p 2 p 应用领域包括了海量并行计算( c h e n ， 2 0 0 3 ) ，团队协作学习( v e d u l a 和h a n ，2 0 0 3 ) ，以及资源共享等等。虽然文件共享 系统最近正面临一系列版权等法律问题( k a r a g i a n n i s 和f a l o u t s o s ，2 0 0 4 ) ，但其流 1 第l 章绪论 量所占网络的总流量的比重却在逐年上升。根据邬贺铨的研究表明，p 2 p 流量己 占到了网络总流量的5 0 以上( 邬贺铨，2 0 0 7 ) 。 其次，网络的形式也在不断发生变化。网络运营商的最终目标是网络的无处 不在，也就是说无论何时、无论何地都可以轻松上网。而发展无线网络技术就是 达成这一目标的最显而易见的方法。目前无线终端接入方法以w i f i 为主，但是 这种技术在传输距离方面存在先天不足，不可能大范围部署。香港和新加坡正在 大力推广全城w i f i 接入，不过这两个案例都是在入口高度密集地区的特殊情 况，无法作为一般方法铺开实施。因此、m f i 与即将产品化的w i m a x 等无线城 域网技术，以及与3 g 网络的跨网络融合，目前得到了足够的重视，发展前景十 分光明。 互联网络的这两大发展趋势可以令到互联网的功能更加多样复杂，可以更 加深刻地改变现代人类的生活方式。然而，这两者之间也是有矛盾的。一方面， p 2 p 应用的发展导致网络传输数据量的急剧膨胀，其增长速度已经超过了网络技 术的发展速度，导致网络变得异常拥塞。而且，由于脚4 协议的先天不足，我们 无法在高度拥塞的网络中保证诸如远程医疗等高精度远程传输协议的可靠性，这 又限制了i n t e m e t 的全面发展。另一方面，网络在接入技术上的无线化，以及正 在发展中的城域网络的无线化，又使一部分接入网络的数据传输受到限制，例如 香港的全城w i f i 网络就因牌照问题造成运营困难、用户数量不高等问题。如何 才能有效缓和p 2 p 应用程序的海量数据与无线网络传输能力不匹配所造成的矛 盾昵? 1 2 国内外研究现状 随着支持b l u e t o o m ( r a t h i ，2 0 0 0 ；m c d e r m o t t w e l l s ，2 0 0 5 ) 、w i f i ( 8 0 2 1 l n w b r k i n gg r o u p ，2 0 0 6 ；o h a r a 和p e t r i c k ，2 0 0 5 ) 终端设备的普及，以及w i m a x ( w i m a xs t a n d a r d ，2 0 0 4 ) 和各种3 g 无线网络技术的成熟，p 2 p 系统的无线化已是 大势所趋。在如何使引入无线技术的p 2 p 系统高效运行的问题方面，世界上多个 研究小组作出了杰出的贡献。l e u n g 和k w o k ( 2 0 0 5 ，2 0 0 8 ) 提出了一个无线p 2 p 文件共享系统上的应用层拓扑控制方法，在考虑到无线结点能量、公平和激励的 条件下，最大化提升系统的总体性能。z h u a n g 等人( 2 0 0 8 ) 的工作更进一步：考 虑到无线移动结点的自身性质，实现了一个无线p 2 p 客户端，能够在完全兼容 有线b i t t o r r e n t ( c o h e n ，2 0 0 9 ) 协议的前提下，实现对无线移动p 2 p 结点的特殊处 理。而h u a n g 等人( 2 0 0 5 ) 则关注于包含移动结点的无线p 2 p 文件共享系统中， 2 第l 章绪论 移动结点对资源发布和查找流程所造成的影响，提出了一套系统结构以优化文件 查找的效率。 无线网络中另一大研究热点是多网融合技术，又有人称为跨网络平台互操 作。互联网络之所以能够如此成功，从根本上说是因为其提供的稳定、高效和廉 价的互联互通服务。而当前多种有线、无线网络技术标准并存，且各有各自的特 殊应用背景和稳定的用户群体，这实际上限制了互联网络的进一步发展，同时也 增加了上层应用程序开发者的负担。目前国际上有多个工业界和学术界研究小 组致力于解决不同网络用户之间跨网数据交换操作问题。j r a d 等人( 2 0 0 5 ) 提出 了一个灾难环境下，利用有线网络和无线网络的冗余性，实现在网络拥堵和部分 损毁的情况下，数据传输在不同网络环境下的互操作方法。j i a ( 2 0 0 6 ) 提出了跨 网络平台a n y s e r v e r ，实现了从有线i p 网络、w i f i 接入网络向传统p s t n 电话 网络和3 g 电话网络之间的互联互通。j i a 等人( 2 0 0 8 ) 在a n y s e e r 平台的基础 上，进一步提出了跨网数据传输的安全性问题并给出了初步分析结论。 目前计算机网络上另一大应用热点是v o i p ( w a l l i n g f o r d ，2 0 0 5 ) 系统。s k y p e ( 2 0 0 8 ) 是用户量最大的v o i p 系统，目前在全世界用户过亿。学术界和工业界对 s k y p e 都有浓厚的兴趣，b a s e t 和s c h u l z r i n n e ( 2 0 0 6 ) 对s k y p e 的主要功能进行了 分析，并使用逆向工程方法部分破解了s k y p e 的体系结构。g u h a 等人( 2 0 0 6 ) 针 对s k y p e 的网络数据流向，设计了一系列实验，揭示了s l ( ) r p e 的多个具体实现 细节。另外，c h e n 等人( 2 0 0 6 ) 提出一个非常简单的用户满意度指数以客观地度 量媒体流的质量，并在s k y p e 上实验证明了其高效性。然而，s k y p e 是一个完全 私有化，并且广泛使用加密手段的封闭性v o i p 系统，外人仍然无法完全了解其 具体的实现细节，对个人隐私以及安全性要求较高的用户不可能完全放心使用。 因此众多基于公开的s i p ( r o s e n b e r g 等人，2 0 0 2 ) 协议的v o i p 系统的研究，得到 了学者的重视。z h a n g ( 2 0 0 2 ) 比较了s i p 与h 3 2 3 信令协议的异同，并对s i p 与 p s t n 的交互展开了讨论。而f a t h i 等人( 2 0 0 6 ) 则关注于s i p 在3 g 网络上的网络 时延优化问题。 随v v o i p 的成熟和普及( “等人，2 0 0 8 ) ，最近较为集中出现了关于v v 0 i p 方 面的研究成果。由于视频数据量远大于音频数据量，将v o i p 应用系统的体系结 构直接应用到v v o i p 系统中会产生一系列问题。其中如何减少甚至取消服务器 的转发步骤，平衡网络数据流量是最核心问题，在这方面目前有以下几个代表性 的研究成果。s o v o i p ( a r i f 等人，2 0 0 7 ) 以一个基于互联网服务( w 曲s e r v i c e ) 方 式的p 2 p 结构，通过互联网服务的汇聚行为，提供电路交换网络和包交换网络的 3 第1 章绪论 互操作机制。b a s e t 和s c h u l z 血n e ( 2 0 0 6 ) 探索并分析了s k y p e 的数据发送机制， 介绍了s k y p e 中打散网络流量的超级结点转发机制。而b 巧a n 等人( 2 0 0 5 ) 、s i n 曲 和s c h u l z r i n n e ( 2 0 0 5 ) 则将p 2 p 文件共享系统c h o r d 中的d m 结构引入网络电话 系统中，其目的是为了减轻服务器的压力，增强v o i p 系统或v v o i p 系统的可扩 展性。 1 3 本文研究内容及创新 本文致力于研究将p 2 p 应用程序扩展到各种有线和无线网络中，实现各种 网络上p 2 p 应用程序的无缝互操作。在互操作平台a n y s e n ，e r 的基础上，本文从 p 2 p 跨网络文件共享系统入手，逐渐拓展到视频电话系统v v o i p ，较全面地给出 了p 2 p 应用系统在混合有线和无线网络基础设施平台上的发展过程与发展前景。 本文的研究内容如下： 首先，从较为简单的p 2 p 文件共享系统入手，本文考虑有线网络结点与无线 网络结点共存的情况下，尽量避免无线结点过早耗尽能量，从而退出服务的方 法。客观上，无线结点与有线结点在能量、计算能力和数据传输能力上存在差距。 在拥有较大数量无线结点的p 2 p 文件共享系统中，如果不考虑这一差距，则会出 现大量无线结点因能量问题退出服务，令系统中结点总数量快速减少，从而反过 来拖累系统的整体效率。因此本文在资源结点选择算法方面展开研究，力争有效 改善混合p 2 p 文件共享系统中无线结点的生存环境，以提高混合p 2 p 的性能。 其次，本文研究在跨越多种无线网络技术的纯无线p 2 p 文件共享系统上，应 用层拓扑结构的优化方法。考虑到无线城域网接入技术w i m a x 即将产品化，以 及w i m a x 和w i f i 技术的互补性，本文考虑以w i m a x 和、矾f i 所构建的跨网 平台为基础，搭建p 2 p 文件共享系统的可行性，思考如何合理安排p 2 p 共享系统 的应用层拓扑结构，以避免浪费无线网络稀少的空中接口资源，并提高资源的查 找和下载速率。 再次，本文思考比文件共享系统更为复杂的p 2 pv o i p 系统在复杂网络环境 中的自适应能力。由于i p v 4 网络中地址不足，且网络安全闯题比较突出，网络防 火墙n a t 在网络中被大量部署。由于s i p s d p 协议族对m 虹穿越方面没有作具 体规定，使得两个v o i p 客户端实现p 2 p 传输会遇到问题。i c e 协议的出现填补 了n j a t 穿透的空白，但就v o i p 应用来说，显得比较复杂，所消耗的资源也较大。 因此本文关注基于s i p 的v o i p 终端的自适应算法研究，希望能够保证v o i p 客户 端之间的无障碍p 2 p 实时通信，从而为接下来的v v o i p 系统研究中，寻找减轻流 4 第1 章绪论 媒体服务器压力的方法，提供有价值的参考。 最后，音频电话v o p 向视频电话v v o i p 的转变，大大缩小了人与人之间的 空间距离，本文也因此将研究工作延伸到v v o 口系统。由于视频电话系统中视 频的数据量远大于音频的数据量，无序的视频音频流传输使得v v o 婵客户端中 的话音效果受到严重影响。根据对a n v s e n ，e r 平台上基于s i p 的v v o i p 系统中音 频视频数据混合传输的观察，本文研究提出一系列协作传输算法，期望在尽量不 降低视频质量的前提下，提高话音质量。 在以上研究内容中，本文的主要贡献与创新之处如下： 提出了混合p 2 p 文件共享系统上一个高效的资源结点选择算法。该算法能 够在包含有线结点和无线结点的混合p 2 p 文件共享系统中，将能量耗尽的 无线结点个数减少约5 0 提出了w i m a x 和w i f i 网络上一个p 2 p 文件共享系统应用层拓扑结构。 对于覆盖率超过2 5 的热门资源，在该应用层拓扑结构上建立起来的文件 共享系统上的查找操作在本地m e s h 网络发现资源的概率超过9 0 ，从而 有效节省了无线网络带宽资源。 提出了一种v o i p 系统中高效穿越m 订的方法。该方法取消了维护m 叮地 址对的心跳消息，同时能够尽量保证v o 口客户端之间的p 2 p 通信。 提出了一系列音频视频流的协作传输算法。该组算法考虑语音会话的规 律，动态调整视频数据的分包与传输策略，提高了v v o i p 的语音质量。 1 4 本文组织结构 本文的整体结构如图1 1 所示。第l 章是绪论，首先概要介绍了p 2 p 应用程 序的发展大背景，以及无线网络技术的现状。随后讨论了在有线以及无线网络的 大背景下，p 2 p 文件共享系统和基于p 2 p 的v v o i p 系统的当前研究现状。在介 绍了本文研究