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基予b i t t o r r o a t 的流媒体v o d 驻务的研究摘要 基于b i t t o r r e n t 的流媒体v o d 服务的研究 计算机软件与理论 硕士生：刘小艳 指导教师：林小拉教授 摘要 据最新的互联阏发展状况统计报告显示哆在中晷2 。l 亿瓣民中约夕成是踺 络音乐和影视的用户。可见，流媒体技术成为当今互联网的一项主流应用。由于 流媒体具有带宽高、时延长等特性，研究高可扩展性和强鲁棒性的流媒体分发系 统已成为一个的挑战性课题。 本文提出了一种新的流媒体分发模型b t v o d 。b t v o d 模型基于b i t t o r r e n t 协议，采用c s 和p 2 p 相结合的混合型结构。b i t t o r r 锄t 协议的“节点越多，速 度越快 特性对于流媒体这样的热点应用有天然的优势，僵其最初设计不适合分 发流媒体数据的。本文对b i t t o r m n t 协议进行改进，使b t v o d 系统成为一个高 q o s ( q u a i l 毋o fs e r v i c e ) 保证的流媒体分发模型。 针对b i t t o r r e n t 协议的最少片段优先和随机策略邻屠节点选择算法分发流媒 体数据的低效性，b t v o d 系统提出了最少片段优先和顺序选择的概率调度算法、 基于阈值的随枧选择和高q o s 邻居节点优先调度算法，拓展了缓冲区的管理以 及加入媒体服务器来增强服务质量。 本文在n s 2 平台的b i t t o r m n t s i m 模拟器上仿真实现了b t v o d 系统，并针 对流媒体的q o s 流畅度、媒体服务器依赖度帮数据传输延时三个主要性能指标 设计了仿真实验，测试了片段选择算法参数p 对系统性能的影响，比较缓冲区热 度算法和f i f o 算法的性能。实验结果分析得出，基于b i t t o r r e n t 协议的流媒体 系统b t v o d 的设计是可靠酶，流媒体服务器依赖度低，与已有的s c r i b e - b a s e d 流媒体系统相比，用户的q o s 满足率高，且系统的鲁棒性和稳定性高。本文的 实验方案及架构设计为p 2 p 流媒体系统性能优化的研究提供有价值的参考方案 和实验数据。 关键词：对等网络，b i t t o r r c n t ，流媒体，服务质量，视频点播 r e s e a r c ho ns t r e a m i n gm e d i av i d e o - o n - d e m a n ds e r v i c eb a s e do nb i t t o r r e n tt e c h n o l o g y a b s t r a c t r e s e a r c ho ns t r e a m i n gm e d i av i d e oo nd e m a n ds e r v i c e b a s e do nb i t t o r r e n tt e c h n o l o g y c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y n a m e ：x i a o y a nl i u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx i a o l al i n a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h el a t e s ts t a t i s t i c so fr e p o r to nd e v e l o p m e n t ，i nc h i n aa b o u t8 0 o f210m i l l i o ni n t e m e tu s e r si n d u l g ei nm e d i aa n dv i d e o i no t h e rw o r d s ，v i d e o s t r e a m i n ga p p l i c a t i o nh a sb e c o m ea m a i n s t r e a mo fi n t e r n e tt e c h n o l o g y o w i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t r e a m i n gm e d i aa p p l i c a t i o ns u c ha sh i g hb a n d w i d t ha n dl o n g - t i m e s p a n ；i ti sac h a l l e n g er e s e a r c ho nm e d i ad i s s e m i n a t e ds y s t e m sw i 也m 曲e x p a n s i b i l i t y a n dr o b u s 缸l e s s t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h et h e o r i e sa n dt e c h n i q u e so fp 2 ps t r e a m i n gm e d i a b r o a d c a s ts e r v i c e a f t e r 也ei n t r o d u c t i o no fb i t t o r r e n tp r o t o c o l ，t h i sd i s s e r t a t i o n m a k e sac o m p a r i s o no fs e v e r a lt y p i c a lp 2 ps t r e a m i n gm e d i ad i s t r i b u t i o nm o d e l si n d e t a i l ，a n df i n a l l yp r o p o s e sav i d e o - o n d e m a n dm o d e lb a s e do nb i t t o r r e n tp r o t o c o l ( b t v o d ) b t v o dm o d e li sak i n do fh y b r i dm o d e lw h i c hc o m b i n e st h ef e a t u r e so fc sa n d p 2 p 谢n 1s t r o n gr o b u s t n e s sa n dh i 曲e x p a n s i b i l i t y h o w e v e r , b i t t o r r e ：n tp r o t o c o li s n o to r i g i n a l l yd e s i g n e df o rt i m e - s e n s i t i v ec o n t e n td i s t r i b u t i o na n di n d e e di sn o t s u i t a b l ef o rt i m e - s e n s i t i v ed a t ad i s t r i b u t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w em a k em o d i f i c a t i o n s t ob i t t o r r e n tp r o t o c o li nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t ，i no r d e rt og u a r a n t e eh i g hq o st ou s e r s ，m e d i as e r v e ri sa d d e di nt h es y s t e m s e c o n d , i n s t e a do ft h eo r i g i n a lr a r e s t - f i r s tc h u n ks e l e c t i o na l g o r i t h m ，w ep r o p o s ea h y h i r ds c h e d u l ea l g o r i t h mo fo r d e r - f i r s ta n dr a r e s t - f i r s tw i mp r o b a b l es e l e c t i o n t h i r d ， d u et ol o we f f i c i e n c yf o rt h eo r i g i n a lr a n d o mn e i g h o u r ss e l e c t i o na l g o r i t h mt om e d i a d i s t r i b u t i o n , an e wa l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do nt h et h r e s h o l do fr a n d o ms e l e c t i o n a n dh i g hq o sn e i g h 0 1 1 1 8 a tl a s t ，o w i n gt oh i 曲b a n d w i d t ho fs t r e a m i n gm e d i a , t h e b t v o ds y s t e me x t e n d st h eb u f f e rm a n a g e m e n ta n dp u t sf o r w a r dt h eb u f f e ra l g o r i t h m b a s e do np r i o r i t yp a r t i t i o nc h u n k p r e s e r v a t i o na n dr e p l a c e m e n t r e s e a r c ho ns t r e a m i n gm e d i av i d e o - o n d e m a n ds e r v i c eb a s e do nb i t t o r m n tt e c h n o l o g ya b s t r a c t i na d d i t i o n ，w em a k ea ne x p e r i m e n to nb t v o ds y s t e ma n dd e s i g nt h e s i m u l a t i o na c c o r d i n gt ot h em a i np e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so fm e d i ad i s t r i b u t i o n 。t h e b t v o ds y s t e mp l a y sag o o dp e r f o r m a n c ei nm e d i ad i s t r i b u t i o na c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h es y s t e mn o to n l yp r e s e n t sl i r l ed e p e n d e n to nt h em e d i a s e r v e r , b u ta l s os h o w sl o wl a t e n c ya n dh i g hm e d i ap l a y b a c kf l u e n c y i no n ew o r d ，t h e d i s s e r t a t i o nm a k e saf o u n d a t i o nt ot h eo p t i m i z a t i o nf o rp 2 ps t r e a m i n gs y s t e m p e r f o r m a n c ea n dp r o v i d e sv a l u a b l er e f e r e n c et ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e s o l u t i o n s k e y w o r d s ：p 2 p ，b i t t o r r e n t ，m e d i as t r e a m i n g ，q u a l i t yo fs e r v i c e ， v i d e o - o n d e m a n d h i 基予b i t t o r r e n t 的流媒体v o d 服务的研究 原俐性明 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导f ，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：耍：lj 、抱 日期：z 口d 7 年p j 月砖日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：刘小艳 日期：2 口吖年口岁月罗日 醐。垆如蜘 基于b i t t o r r e n t 的流媒体v o d 服务的研究第1 牵绪论 第1 章绪论 隧着宽带网络的发展和用户多样化需求的驱动，流媒体( s t r e a m i n g m e d i a ) 应用的发展得到了极大地促进。现如今在多媒体新闻发布、在线直 播、网络广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、 实时视频会议等领域都有涉及到流媒体麴应耀，流媒体的赢带宽、低延迟 等特性正成为推动未来宽带应用的主动力。但是，流媒体传输需要较为严 格的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证，而基于t c p i p 协议的尽力而为的机制 主要是为突发性的数据传输设计的，不能保证流媒体网络服务的q o s ，因 而对流媒体分发的技术的研究具有十分重要的意义。 1 。 研究背景 近年来，随着大规模存储、离性能工作站以及宽带网络等技术突飞猛 进的发展，互联网上传输的信息不再只是文本和图像，使得多媒体透信服 务从技术上和经济上成为可能。 据“第2 3 次中国互联网络发展状况统计报告【1 】显示，截至2 0 0 8 年l _ 2 月 3 1 日，中屠网民规模达到2 9 8 亿人，人口普及率达到2 2 6 ，超过全球平均水 平；网民规模较2 0 0 7 年增长8 8 0 0 万人，年增长率为4 1 9 。中国网民规模保持 快速增长之势，2 0 0 8 年的网络媒体的使用率较2 0 0 7 年提升了近5 个百分点，达 到7 8 5 ，用户群体增长7 9 0 0 万，达到2 3 4 0 0 万人。2 0 0 8 对重大事件的报道， 例如奥运会，使网络媒体跻身于主流媒体行列。 2 0 0 9 年1 月7 吕1 4 ：3 0 ，工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国 联通发放3 张第三代移动通信( 3 g ) 牌照，此举标志着我国正式进入3 g 时代。 3 g 时代的到来，标示着网络带宽在速度上的提升，3 g 网络使得用户在全球 范围内更好地实现无缝漫游，3 g 时代的到来，无疑会促进流媒体技术的发 展。 基予b i t t o r r e n t 夔滚媒体* c o d 濂务戆磷究籀1 章绪论 可见流媒体的应用是当前和可预见的将来的一个主流应用，所谓流媒 体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是指在网络上按时阅先后次序并以源源不断的水流方 式实时传输和播放的连续音频、视频等多媒体数据流。流媒体应用的主要 形式包括视频直播、视频点播和视频会议等。 视频直播以及视频点播丰富了老百姓的文化和娱乐生活，特别是去年 的奥运期间，奥运节目的直播非常受欢迎，p p l i v e 蕊、u u s e e 3 1 等流媒体应 用软件给广大网民带来了很多便利与乐趣。 健是，如何让视频直播与点播应用提供高质量的服务，要解决这个的 问题必须必须确保以下几点，那就是：最稳定的网络连接、最多的可直播、 点播内容、最快的传输速率、最短的网络延迟、最优质的音频视频效果。 所以如何在现有爨络环境合理搭建一个流媒体直播点播系统显得笼为重 要。 传统的分布式多媒体系统主要使用c s 模式，所有的用户都从服务器 处获敷资源。由予流媒体服务具有持续时闻长、带宽高和存德容量大等特 点，在这种模式下，一方面随着客户数目的快速增加，服务器的资源就成 为系统瓶颈；另一方面长距离数量众多的网络连接也可能导致网络的拥塞， 从藤影响流媒体服务的质量，无法满足大范围实时流媒体应用的性能要求， 因此如何提升传统的分布式多媒体系统性引起了人们的关注。 c s 模式下流媒体服务的个变体就是内容分法网络( c o n t e n td e l i v e r y n e t w o r k ，c d n ) ，c d n 技术是近年来兴起并迅速发展起来的一种解决互联霹 性能不佳问题的有效手段。主要思想是在现有的互联网基础之上，通过在 网络各处放置节点服务器而构建一层智能虚拟网络，c d n 系统能够实时地 根据网络流量和各节点的连接、负载状况以及到用户的距离和响应时间等 综合信息将用户的请求重新导向离用户最近的服务节点上。 近年来，新兴的p 2 p 网络是分布式网络应用的范型，p 2 p 网络最基本的 宗爵是鼓励用户充当起客户端和服务器端的双重角色。在p 2 p 网络中，节 点不仅可以从网上下载资源，也可以上载资源给网络其他的节点，终端节 点的带宽有效利用可以缓解服务器端的压力。 基于p 2 p 技术的应用最初主要用于大规模的分布式数据文件分发，特别 2 萋予b i t t o r r e n t 筢流媒体v o d 瓤务酶研究第1 攀绪论 是在b i t t o r r e n t 4 1 、e m u l e 5 】等软件的广泛流行厝。鉴于p 2 p 数据共享的优越 性及流媒体骧务的特殊性，近年来，p 2 p 技术逐步震于漉媒体分发服务，许 多p 2 p 流媒体童播点播系统应运而生，典型的系统有 d o n e t c o o l s t r e a m i n g 6 1 、p p l i v e 2 1 、p p s t r e a r n 。 然丽，p 2 p 技术存在着一些瓣题，首先p 2 p 缺乏集孛管理祝制，不象在 c s 模式中在中心点进行管理；其次p 2 p 网络中数据的安念性难以保证，另 外还存在吞噬网络带宽和版权等阏题。此外，露前还没有制定出一致的p 2 p 标准，这对p 2 p 技术进一步发展也是一个障碍。瑟基于p 2 p 翦流媒体技术 也只是处于起步阶段，值得进一步去研究和推广。 露前，梅建p 2 p 视频点播系统一般采用两种结梅：基于树( t r e e 。b a s e d ) 豹组播结构和基予鬻( m e s h - b a s e d ) 的组撵结褥。基于树翁结构延续了薹p 缀播 的思想，具有明确的父子节点关系，数据调度简单，数据传输效率高。而基予网 的组播结梅不需要在覆盖嬲拓扑中梅建并维护圈定的网络拓扑结构，通过节 点之闻豹数据互换获褥数据交互酶高效性。阕时，协议的开镇低，易于察现， 对于网络的动态变化黑有良好的适应性。 b i t t o r r e n t ( 简称b t ) 是一种多点下载的、源码公开的p 2 p 软件，楚褥嚣 i n t e m e t 土最为流行的p 2 p 文彳孛簸攀系统之，所以在实际应用和学术研究 中都吸引了人们的大量关注。b i t t o r r e n t 是属予网状结构，具有协议简单， 可扩展性强等优点。 在b i t t o r r e n t 文件分发系统中，分配器或文件的持有者将文件发送给其 中一名用户，再由这名用户转发给其它用户，用户之间相强转发自己所拥 有的文律部分，直到每个震户的下载都全部完成。这种方法可敷使下载服 务器同时处理多个大体积文件的下载请求，而无须占用大量带宽。因此， 比特流传输被人们称之为“群集、散布、集中的文件传输协议。 鉴于b i t t o r r e n t 携议静文佟分发静高效健，本文是基于b i t t o r r e n t 协议拓 展，提出一种新型的流媒体分发的模式。 3 基予b i t t o r r e n t 麓漉媒俸v o d 鼹务懿磺究 第1 章绪谂 1 2 p 2 p 流媒体系统面临的挑战 p 2 p 流媒体技术本身具有其特殊性，如有媒体数据的传输持续时间长，带宽 资源占用高，以及接收媒体数据时有较为严格的时限和顺序要求等。经过近几 年豹研究与发展，瑟翦虽然墨经有了一些p 2 p 流媒体肖关骜模型、解决方 案和原形系统，但是p 2 p 领域仍旧是一个有许多待解决的挑战性难题的活 跃研究领域，面临的挑战主要包括如下几点： 节点煞初始加入策路、节点动态注处理、节熹失效时的鼹都修复策略、鬻络 拓扑不匹配的问题、媒体数据段的搜索、服务质量的保证、激励和安全机制、系 统结构豹构建、数据片断的缓存和调度策略、对v c r ( v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r ) 操作的支持策略、e 殓s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ；襁t , 测和不露点播频道之闻的合作策略等 等。 l 。节点动态性处理 p 2 p 流媒体分发网络是赉多个节点组戒的覆盖霜( o v e r l a yn e t w o r k ) ，节点 随时可能加入或退出系统，在p 2 p 流媒体系统中节点一般需要请求从其他节点获 得流媒体数据，因此，薪节点请求麓入系统时首先需要搜索定位能为其提供服务 的节点，而在节点加入系统后，一虽节点系统被关闭或者发生瓣络故障，将导致 该节点与邻居节点的数据传输中断，影响这些带点的播放质量。由于节点的离开 行为不霹避免且频繁发生，医此在大擐摸的p 2 p 流媒体残用环境下，避免或减少 节点离开或失效的影响，或者如何建立有效的带点搜索定位机制减少服务被中断 的时间是p 2 p 流媒体分发技术研究中所面临的一个挑战。 2 。赧务质量( q o s ) 保证 e l l 于视频数据量巨大，而实时视频传输又有严格的实时性要求，需簧在特定的 时润间隔内将特定的数据单元解码显示，这就要求网络必须提供足够的带宽，才 麓缣涯视频鲶黄输凄量。 但是，现有网络的异构性难以满足实时视频传输的要求，主要原因宥以下几 方面：鼷终中通信予鼹的异构性和接收端豹舜橡性、实时视频传输的高带宽、实 时视频传输所要求豹时延、实盼视频传输所要求的丢趣率。 毒 基于b i t t o r r c n t 的流媒体v o d 服务的研究第1 牵绪论 此外，当前流行的各种视频压缩标准产生的视频流码率都比较高，超过或低 予码率都会导致解码时缓冲区发生上溢或下溢，影喃播放质量，节点可麓随时离 开或失效，这些因素将导致p 2 p 网络环境下流媒体分发服务的q o s 服务质量问 题更加突出。因此在p 2 p 流媒体分发服务中如何对节点的q o s 服务质量提供保 障已成为p 2 p 流媒体分发技术研究中的核心闻题。 3 激励和安全机制 在p 2 p 系统中所有节点都是对等的，这种对等计算模式具有自组织以及离可 扩展性等特征。然| 丽由于p 2 p 系统中的节点往往更多地表现臻自兴趣和理性，个 体节点的目标往往是最大化自身的网络效用。节点对自身网络效用的追求导致了 搭便车( f r e e - r i d i n g ) 川问题，即系统中绝大多数节点不奉献资源，整个网络的运 行依赖予少量用户的无私奉献。 a d a r 等人对g n u t c l l a 网络的用户行为做了研究，研究发现，7 0 的g n u t e l l a 用户并不共享任何文件，接近5 0 的查询命中仅来自l 的g n u t e l l a 用户川。 由此可见，p 2 p 网络中节点搭便车的行为使得i n t e r a c t 资源和带宽的浪费，不 能充分发挥节点的服务能力，所以如何建立一套有效的激励机制，使得节点在行 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 流媒体内 容分发中一项值得研究的课题嘲。 4 媒体数据段的缓存 由予流媒体一边下载一边播放，节点不断从本地缓存中读数媒体数据，丑边 下载新媒体数据且以一定策略替换缓存数据，节点缓存中的数据还可供邻居节点 获取。 在流媒体直播系统中，因为节赢行为眈较一致，所醛缓存空闻憋数据重含度 大，节点易从邻居节点处获得数据，缓冲数据处理相对简单。 但在流媒体点播系统，在节点加入系统时间点离散的情况下，各个节点更趋 向于播放不同时闻点上的视频内容，造成节点之闽缓存的数据毅重合度低。如果 点播系统中媒体数据缓存机制性能低下，节点将难以从系统中其它节点下载得到 相应数据，而且会频繁地向服务器发起数据请求，从而加重服务器的负载压力， 造成单点故障等闯题。因此，如俺建立研究高效的媒体数据段缓存机制，逶避增 加节点自身的缓存服务能力共享媒体数据，以降低服务器的负载压力。 s 基予b i t t o r r e n t 戆滚媒体v o d 骚务戆研究 綮1 章缝论 1 3p 2 p 流媒体系统发展现状 由于p 2 p 流媒体技术蕴涵着巨大的技术潜力和商业价值，国内外许多 科研机构和大公司都加入p 2 p 流媒体网络的研究行列中，特别是在欧美等 发达国家在流媒体系统研究中取得了良好的研究成果，推动了p 2 p 流媒体 技术的发展。典型的p 2 p 流媒体系统有s p r e a d l t 粥、p r o m i s e 1 们、c o o p n e t 1 1 】【1 2 】 和s p l i t s t r e a m j 3 。 1 3 1 国内现状 在流媒体直播方面，2 0 0 4 年6 月香港中文大学张欣研研发了国内第个p 2 p 视频流媒体直播软件d o n e t c o o l s t r e a m i n g t 酗，在欧溯杯赛举行期闻，在 p l a n e t l a b e l 4 l 网上试用成功，注册用户迅速积累超过了5 0 万人。 c o o l s t r e a m i n g 是典型的基于g o s s i p 1 5 】协议的d o n e t 模型，是一款基于无结 构网络拓扑的流媒体直播软件。g o s s i p 协议是一种随机可靠多播协议，使用类儆 于b i t t o r r e n t 的多点对多点的数据传播协议在用户之间传送媒体数据包，是一种 有效的分布式消患扩教机制，它使网络内各个节点闻可以交换彼此了鳃的信息并 及时更新，解决了大规模网络上的消息扩散阀题。 在基于g o s s i p 协议模型中，节点将消息发送给邻居的一组节点，邻居节点 接到消息后根据需要再进行转发，这种模型不存在集中控制，每个节点既是数据 的接收者，也是数据的提供者，因此具有非常好的可靠性，是一种非结构化的分 布式模型，c o o l s r e a m i n g 中节点共享媒体数据是基于一种称作“数据驱动”的 枫制。 此外，华中科技大学集群与网格计算湖北省重点实验室所研发的a n y s e e 软 件也是国内研发的一个不错的直播软件。 国内商业界也涌现了很多成功薛p 2 p 流媒体直播产晶，始p p l i v e 、p p s t r e a m 、 沸点和t v a n t s 等，其中以p p l i v e 最为有名。p p l i v e 也是国内一个很有影响力 的崖播软件，是基于应用层的组播技术，使用网状模型有效解决了网络视频点播 服务的带宽和负载青限闻题。在2 0 0 6 年鞋超级女声弦决赛期闻，频道观看人数 6 基于b i t t o r r e n t 的漉媒体v o d 瑕务的研究第1 章绪论 达到十万人，把p 2 p 应用又推向一个新高。 在点播方面，謦前成功推出系统的还不多，典型的有g r i d c a s t 琢l 系统、 p p s t r e a m 点播系统。 g r i d c a s t 是由华中科技大学计算机学院集群与网格实验室的p 2 pe - l e a r n i n g 组开发，予2 0 0 5 年1 2 月份成功研发并投入使用的对等视频点播系统，具有支持 多人共享点播片段、跟踪( t r a c k e r ) 服务器用户引导、环状结构内容组织等特点。 g r i d c a s t 利用p 2 p 的多点传输技术，实现基于时间组织策略的动态o v e r l a y 结构， 使得加入用户可以缀快加入当前的p 2 p 霹络并获墩数据，达到郄点即看的效果。 1 3 2 国外现状 流媒体的研究在囡外起步较早，在1 9 9 8 年，美国东北波士顿大学的学生的 肖恩范宁为在网上找到音乐而编写的一个程序，这个程序能够搜索音乐文件并提 供检索，把所有的音乐文件地址存放在一个集中的服务器中，这样使用者就能够 方便地过滤上百的地址而找到自己需要的m p 3 文件。在最高峰时n a p s t e r t l 7 】网络 有8 0 0 0 万的注册用户，由于版权问题，n a p s t e r 在2 0 0 1 年3 月关闭。但是，n a p s t e r 的发展掀起了p 2 p 流媒体系统发展薪时代的到来。 在n a p s t e r 之后，以g n u t d l a 【埔】为主的p 2 p 系统不断发展壮大，新系统如 k a z 啦【1 9 1 、f r e e n e t 2 0 1 、m o r p h e u s 、b i t t o r r e n t 等不断涌现，p 2 p 用户数量也持续 快速增长。丙挖p 的思想和技术也迅速放文件共事领域拓展至l 诸如分布式计算、 协同工作、分布式存储及应用层组播等领域。 传统的m 组播存在着可扩展性差、组播组管理困难、安全拥塞控制机制弱、 组播缝蛙空闻小和只跨域不跨时等缺点。应用层组播中数据的路由、复制、转发 由成员主机完成，不用改变底层网络架构，有效的弥补了m 组播存在的缺点。 在应用层组播思想提趟后的短短几年内，多个研究机构开展了流媒体技术研 究项善，如：e s m ( e n ds y s t e mm u l t i c a s t ) 、y o i d 、s c a t t e r c a s t 、o v e r c a s t 、a l m i 2 “、 h m ( h o s tm u l t i c a s t ) 等，其中e s m 是c m u ( 卡耐基梅隆大学) 开展的一个端系 统组播研究项目，是懿前为止最成功的一个项目，2 0 0 0 年出现的p 2 p 视频直播 系统e s m 系统就标志着p 2 p 流媒体进入系统发展期。 国外常见的p 2 p 流媒体系统有p a s t r y t 2 2 1 、g n u t e l l a t l 8 1 、s p r e a d l t 、k a z a a 、 7 基予b i t t o r r e n t 酶滚媒体v o d 派务酶掰究繁1 孝绪论 p r o m i s e 、c o o p n e t 、s p l i t s t r e a m 和d i r e c t s t r e a m o d l 。 p a s 搜寻2 刁是微软研究院提出鹣可扩展的分布式对象定位和路由协议，可用于 构建大规模的p 2 p 系统。在p a s t r y 中，每个结点分配一个1 2 8 位的结点标识符号 ( n o d e l d ) ，所有的结点标识符形成了一个环形的n o d e l d 空间，范围从0 到2 1 2 8 1 ， 结点加入系统时通过散列结点撑地址在1 2 8 位n o d e l d 空阆中随机分配。 g n u t e l l a 是一个p 2 p 文件共享系统，它和n a p s t e r 最大的区别在于g n u t e l l a 是纯粹的p 2 p 系统，没有索引服务器，它采用了基于完全随机图的洪泛( f l o o d i n g ) 发现和随机转发( r a n d o mw a l k e r ) 枫制。为了控制搜索消息的传输，透过霸吃 ( t i m et ol i v e ) 的减值来实现。 k a z a a 是现在全世界流行的几款p 2 p 软件之一，根据c a 公司统计，全球 k a z a a 的下载量超过2 。5 亿次。使用k a z a a 软件进行文件传输消耗了互联网4 0 的带宽。之所以它如此的成功，是因为它结合了n a p s t e r 和g n u t e l l a 共同的优点。 这些系统在后面的章节会详细介绍。 此外，也有一些研究视构将传统的流媒体技术运用于p 2 p 系统。丽美量奥利 根大学研究的p a l s 2 4 】自适应分层媒体流框架，利用了媒体流的分层编码技术， 各个节点发送不围层的编码流，由接收者根据其能力接收若干层的编码。 1 4 论文研究内容 b i t t o r r e n t 是b r a i nc o h e n 设计的第二代p 2 p 文件共事协议，并且已经被证明 是p 2 p 内容分发一个非常有效的模式，b i t t o r r e n t 的成功在于能有效地调动p 2 p 网络中所有的节点带宽达到快速分发资源的霸的。 但b i t t o r r e n t 其分发的资源有一个明显的特点是时间不敏感的，本文研 究的基于b i t t o r r e n t 协议的系统对流媒体点播的性能的研究，国内外相关研 究并不是特别多，b a s s 2 司和b i t o s 2 7 1 是基于b i a o r r e n t 协议的s t r e a m i n g 系统。 本文着眼于p 2 p 流媒体网络影响服务质量中的这个主要问题，对p 2 p 流媒体系统q o s 的进行研究，分析如何更有效的发挥系统中对等节点的作 用、有效的提舞p 2 p 流媒体的q o s ，提患了基于b i a o r r e n t 协议的流媒体分 发模型b t v o d 。 基子b i t t o r r e n t 的流媒体v o d 服务的研究 第l 牵绪论 b t v o d 模型改进b i t t o r r e n t 片段选择算法和邻居节点选择算法，扩张 缓冲区设置和弓l 进流媒体缀务器增强服务质量。 本论文的主要工作如下： 1 开展对p 2 p 技术和b i t t o r r e n t 原理的理论研究，重点研究b i t t o r r e n t 的 工作原理、通信协议和常见p 2 p 流媒体系统； 2 研究b i t t o r r e n t 客户端及服务器源代码，重点研究和分析关键的功能类 及关键的核心算法，提出基于b i t t o r r e n t 协议的模型转补内d ； 3 对在已有的b i t t o r r e n t 仿真器b i t t o r r e n t s i m 源码上修改相关协议和 算法，使得b t v o d 成为适合实时性数据的流媒体分发系统。 4 在仿真平台上对p 2 p 流媒体系统性能优化措施中的片段选择算法、 邻居节点选择及媒体服务器性能机制进行有效性验证。根据媒体播 放流畅度、媒体服务器的依赖度和数据传输延时三个方面流媒体系统重 要指标设计仿真实验，收集仿真数据并评估b t v o d 模型。 | l 。5 论文结构 本文共分五章，各章节安排如下： 第l 章为绪论，主要介绍了课题背景、流媒体的雷内外研究现状及面峻的挑 战，以及本人所完成的主要工作。 第2 章为p 2 p 流媒体系统综述，该章详细介绍了p 2 p 技术概念及优缺点， 流媒体技术并介绍了几点典型的p 2 p 流媒体分发系统，并对死种系统进行了性能 比较，最后介绍了当今主流文件分发系统的工作原理和核心算法，并讨论了 b i t t o r r e n t 协议扩展为p 2 p 流媒体系统的可行性。 第3 章为基于b i t t o r r e n t 协议的流媒体v o d 系统设计，提出b t v o d 系统总 体组织架构设计，系统分层结构还有节点加入退出等的管理机制，并通过现有统 计数据分析流媒体点播系统的用户行为分为，介予b i t t o r r e n t 系统的片段选择算 法、邻居选择算法和缓冲区等不适合流媒体分发的各方面的改进策略。 奎 基于b i t t o r r e n t 的流媒体v o d 服务的研究 第1 章绪论 第4 章为b t v o d 系统的原型仿真实现，该章首先介绍主流的p 2 p 仿真工具， 并详细介绍了n s 2 仿真平台，介绍已有的b i t t o r r e n t 协议的n s 2 平台上实现框 架b i t t o r r e n t s i m ，在该仿真器上修改代码，实现本文第三章节设计的系统模型， 得出仿真数据，分析系统性能。 第5 章为总结与展望，该章对课题所做的研究工作进行总结，指出了进一步 研究的方向。 1 0 堆十b i t t o 删t 的* 体v o d m 舞 究第2 幸p 2 p 流姚体系统综述 第2 章p 2 p 流媒体系统分析 本章主要研讨在p 2 p s t r e a m i n g 领域内的相关技术和主要成果，并对基于单 组播树、基于多组播树、基于网状三种拓扑结构各选取一种典型的p 2 p 流媒体分 发系统进行深入的分析和比较，此外，着重分析b i t t o r r e n t 协议的工作原理和核 心机制，并对b i t t o r r e n t 扩展流媒体系统进行了可行 _ ! 的分析。 2 1p 2 p 技术概述 2l1p 2 p 基本概念 对等( p e e r - t o p e e r ，简称p 2 p ) 网络，足相对传统c s 模式提出，自1 9 9 9 年n a s p t e r 的盛行，p 2 p 网络模式j 下在逐渐成为研究和应用的热点，p 2 p 系统产 生的网络流量已经超过h t t p 访问产生的网络流量，成为占据i n t e r n e t 带宽的首 要应用。 客户 g 户 幽2 1c s 模式 客户机 # p 机 在c s 网络中，如图2 - 1 所示服务器是网络的核心，处理能力强的一端，而 客户机是请求服务的一方，客户机通过服务器获得所需要的网络资源，而服务器 为客户机提供网络必须的资源。客户端和服务器是在不对等的地位，一方提供服 务，一方请求服务服务器端对应多个客户端的请求，所以就需要强大处理和高 带宽的服务器，大量数据集中存放在服务器端，整个网络是以服务器为核心，在 艄十b i t t o n e n t 的媒体v o d 服舟研究 第2 辛p 2 pw l 媒体系综述 这种架构下，服务端和客户端存在明显的主从关系。 在c s 架构下，随着请求服务节点的增加，服务器的负荷就成为系统瓶颈， 很容易造成“单点失效”，服务器崩溃就导致整个嘲络的瘫痪，所以，c s 模 式的负载均衡能力比较差，服务器的性能极大限制整个网络的运作。 人们为了解决这个问题，使用过很多办法，比如使用更高级的硬件、镜像技 术等等。但足当客户端数量更多时，服务器还是无法应付，只能更换更高级的硬 件，使用更多的镜像，陷入一个恶性循环。 近年来，随着计算机科学技术的发展，计算机的处理能力极大的增强，如何 提高计算机效率和利用的分散的网络资源做大型分布式计算逐渐成为学术界的 热点问题? w 1 5 幽2 - 2p 2 p 模式 p 2 p 这时就应运而生，如图2 - 2 所示p 2 p 对等网络消除了客户端和服务端的 概念，为未来网络发展提供一个新的思路，财富杂志更将p 2 p 列为影响未来科技 发展的四大技术之一。 p 2 p 模型中不存在单点失效问题。p e e r 在英文中的翻译是伙伴的关系，双方 是平等的，备方都既是客户端又是服务器端，既可以请求服务也可以提供服务。 因为不存在一个服务器，而且所有节点的地位均等，所以，单节点失效不影响 整个网络，其他节点之间还可以继续通信。 不同c s 架构的个很明显的特征是，p 2 p 网络是人多力量大，节点越多， 提供的资源就越多，网络资源和服务是分散在网络的各个节点之中，服务节点越 多，系统可扩展和健壮性方面的能力就越强。 基于b i t t o r r e n t 的流攥体v o d 服务的研究第2 章p 2 p 流媒体系统综述 目前，在学术界、工业界对于p 2 p 并没有一个统一的定义，以下是近年来很 多研究者对p 2 p 技术的基本内涵进行的概簿2 5 】： p 2 p 系统最早的定义是一类利用位于i n t e r n e t 边缘的资源( 包括存储、计算周 期、内容、人) 的应用【2 8 】； 一个平等、自治的自组织网络，它的露标是在网络环境中避免中央服务器丽 去平等地敷享服务资源【2 8 】； 是分散的、自组织的分式布系统，系统中的主要通信是对称的【2 8 l ； 所有参与系统的节点处于完全对等的地位，没有客户机和服务器之分，也可 以说每个结点既是客户机，也是服务器；既向别人提供服务，也享受来自别人的 服务。 p 2 p 是一种基于互联网环境的新的技术应用模式，逐渐成为学术和商业应用 的研究热点，它的技术特点和优势在于： 1 分散性 网络中的资源和服务都分散在各个节点中，p 2 p 系统所有节点的地位都是对 等的，节点间的通信无需通过服务器的中转，更加直接高效地通信，避免的服务 器的单点故障，丽络中的节点通过协调与合作，互相交换资源与服务。 2 动态性 在p 2 p 网络中的节点可以灵活地加入和退