（计算机科学与技术专业论文）面向视频会议的p2p流媒体覆盖网络结构研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 传统网络视频会议需使用专用线路或者部署大量的代理服务器，因而成本昂 贵、可扩展性差，而近年来提出的p 2 p 流媒体技术具有低成本、高可扩展性等特 点，从而可以较好地解决上述问题。通过构建合理的覆盖网络结构和采用合适的 数据传输策略，p 2 p 流媒体技术可以满足视频会议对实时性等方面的要求。 本文首先分析了两种典型的p 2 p 流媒体覆盖网络的拓扑结构：树形结构和 m e s h 结构，详细分析了两种结构的工作原理和节点管理机制，并给出了两种结构 优缺点的比较。 本文进一步讨论了混合结构，分析了其节点组织策略、结构优化机制和数据 传输策略，并指出了它的优点和不足。在此基础上，结合视频会议特点和p 2 p 流 媒体覆盖网络结构的研究，本文提出了一种新型的混合覆盖网络结构：核心树边 缘m e s h 结构( m t s m h s ) 。m t s m h s 结构综合了树形结构和m e s h 结构的特性，提 高了数据传输实时性，增加了覆盖网络的动态适应能力，降低了控制开销，较好 地满足了视频会议的应用需求。 本文的主要研究工作有：( 1 ) 基于视频会议特点的分析，给出了m t s m h s 结构 的设计方案，其中详细描述了系统组成和节点功能模块。( 2 ) 给出了基于意愿停留 时间的核心树初始化方案，以及节点行为管理机制，节点行为包括节点的加入、 离开和失效。( 3 ) 提出了四个m t s m h s 结构优化机制：基于冗余链路技术改善核心 树动态自适应能力机制，提高了核心树失效恢复能力；节点在树和m e s h 结构之间 的角色转换机制，将两种结构有机结合为一体，增强了核心树的负载能力；高带 宽优先的节点升级机制，降低了树的平均高度，减少了数据传输延迟；基于i p 解 析技术的节点分布优化机制，考虑节点的物理信息提高了数据传输实时性。( 4 ) 提 出了高效的数据调度策略：宏观带状调度和微观标识组合调度的数据传输策略， 巧妙地结合了p u l l 和p u s h 数据调度方式，降低了数据重复发送，提高了数据传输 效率。模拟实验表明m t s m h s 结构具有良好的实时传输性和较低的控制开销。 最后，根据提出的m t s m h s 结构，本文设计了网络视频会议解决方案，实现 了节点状态转换和m t s m h s 结构的维护流程。总之，p 2 p 流媒体技术应用于视频 会议在一定程度上能够解决存在的一些问题，具有一定的理论意义和应用价值。 结构 主题词：p 2 p 流媒体技术，网络视频会议，覆盖网络结构，数据调度，混合 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a bs t r a c t t h et r a d i t i o n a lv i d e oc o n f e r e n c i n gi si m p l e m e n t e db ym e a n so fe i t h e rs p e c i a lc a b l e l i n eo rd e p l o y m e n to fal o to fp r o x ys e r v e r s ，w h i c hr e s u l t si nb o t hh i g hc o s ta n dp o o r s c a l a b i l i t y t h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v ei ss o l v e db ya d o p t i o no fp 2 ps t r e a m i n g t e c h n o l o g yw i t hl o wc o s ta n dh i g hs c a l a b i l i t y i tc a n m e e tt h er e a l t i m ed e m a n de t c ，b y c o n s t r u c t i n gp r o p e ro v e r l a ys t r u c t u r ea n de m p l o y i n ga p p r o p r i a t ed a t as c h e d u l i n g f i r s t l y ，t r a d i t i o n a lp 2 ps t r e a m i n go v e r l a ys t r u c t u r e sa r es t u d i e d ，n a m e l yt r e e b a s e d a n dm e s h b a s e ds t r u c t u r e t h ew o r k i n gm e c h a n i s ma n dn o d em a n a g e m e n ta r es t u d i e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h et w os t r u c t u r e si sc o m p a r e d ah y b r i ds t r u c t u r ei sd i s c u s s e df u r t h e r t h en o d e o r g a n i z a t i o n ，s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o ns c h e m ea n dd a t ad e l i v e r ym e t h o da r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y ，b o t ht h e a d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e so fi ti sp o i n t e do u t b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d y ，a n o v e lh y b r i ds t r u c t u r ei sp r o p o s e d ：m a i nt r e es k i r tm e s hh y b r i ds t r u c t u r e ( m t s m h s ) m t s m h sc o m b i n e st h eb e s tf e a t u r e so ft r e e b a s e da n dm e s h b a s e ds t r u c t u r e sa n d r e s u l t si ns h o r t e rd e l a y ，b e r e rd y n a m i c sa c c o m m o d a t i n ga b i l i t ya n dl o w e ro v e r h e a d ，s o i tm e e t st h ev i d e oc o n f e r e n c i n ga p p l i c a t i o nd e m a n d s t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ：( 1 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so fv i d e o c o n f e r e n c i n gf e a t u r e s ，m t s m h sd e s i g ni sp r o p o s e d ，d e p i c t i n gm a j o rm o d u l e so ft h e s y s t e ma n do ft h en o d ei nd e t a i l ( 2 ) t h em a i nt r e e i n i t i a l i z a t i o nm e t h o da n dn o d e m a n a g e m e n ts c h e m e sa r ep r o p o s e d ，t h ef o r m e ri s d o n eu s i n gt h ew i l l s t a y t i m e i n f o r m a t i o n ，t h el a t t e rd e a l sw i t hn o d ej o i n ，g r a c e f u ll e a v ea n da c c i d e n t a ll e a v e ( 3 ) f o u r s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e d ：f i r s t l y ，b a c k u pp a r e n t ss c h e m ei m p r o v e s t h er e s i l i e n c e a g a i n s tc h u r ni nm a i nt r e e ；s e c o n d l y ，a p p r o a c ho fn o d e s r o l e s t r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt r e ea n dm e s h ，e n h a n c e st h ec a p a b i l i t yo fm a i nt r e e ；t h i r d l y ， h i g hb a n d w i d t hn o d ep r e e m p t i o ns c h e m ed e c r e a s e st h eh e i g h to fm a i nt r e e ；f o u r t h l y ， n o d ed e p l o y m e n to p t i m i z a t i o ns c h e m eb a s e do ni pr e s o l u t i o nt e c h n i q u em a k e su s eo f t h en o d el a n d m a r ki n f o r m a t i o na c h i e v i n gs h o r t e rd e l a y ；( 4 ) a ne f f i c i e n td a t as c h e d u l i n g s t r a t e g y i sp r o p o s e d ，n a m e l ym a c r oz o n e - d i v i s i o ns c h e d u l i n gt o g e t h e rw i t hm i c r o s c h e d u l i n gb a s e do nc o m b i n a t i o no fn o d e i da n di p i ta v o i d sd u p l i c a t ep a c k e t sa n d a c h i e v e sb e t t e rt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yb yi m p l e m e n t i n gah y b r i dp u l la n dp u s h m e c h a n i s m t h r o u g ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，m t s m h ss h o w sag o o dr e a l - t i m e a n d l o wc o n t r o lo v e r h e a dp e r f o r m a n c e a tl a s t ，b a s e do nm t s m h sav i d e oc o n f e r e n c i n gs y s t e mm o d u l ei sd e s i g n e d ；b o t h t h em a n a g e m e n to fn o d e sa n dt h es y s t e mm a i n t e n a n c ec o d i n gm o d u l e sa r ef i n i s h e d i n c o n c l u s i o n ，p 2 ps t r e a m i n gt e c h n o l o g yu s e di nt h ec o n f e r e n c i n ga p p l i c a t i o nc a ns o l v e 第i i 页 国防科学技术大学研究牛院t 学硕士学位论文 s o m ep r o b l e m si nt h es y s t e mt oac e r t a i ne x t e n t ，h a v i n gs o m et h e o r e t i c a la n da p p l i c a t i o n v a l u e k e yw o r d s ：p 2 ps t r e a m i n g ，v i d e oc o n f e r e n c i n g ，o v e r l a ys t r u c t u r e ，d a d a s c h e d u l i n g ，h y b r i ds t r u c t u r e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 表目录 表3 1 树形结构和m e s h 结构的性能比较2 2 表4 1 节点i d l 的数据分发表4 8 表4 2 节点i d l 的数据接收表4 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图4 i 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图目录 p 2 p 模式和c s 模式原理图7 n a p s t e r 结构示意图9 g n u t e l l a 结构示意图9 k a z a a 结构示意图9 c s 模型中服务器的拥塞示意图1 0 代理服务器模型一1 1 内容发布网络模型一1 1 s p r e a d l t 新节点加入遍历过程示意图【引1 6 s p l i t s t r e a m 中节点组织结构【7 1 1 7 内部节点只作为其他子树的叶子节点示意图一1 8 c o o l s t r e a m i n g 节点组织示意图【1 4 1 2 0 p r i m e 逻辑转发树以及d i f f u s i o ns w a r m i n g 原理示意图【1 2 】2 0 m t r e e b o n e 结构示意图【1 3 】2 2 高度数优先13 1 一2 4 低延迟优先f 1 3 】一2 4 p u s h 和p u l l 紧相邻缓冲区调度策略【1 3 】2 4 控制树结构【1 7 】2 5 数据m e s h 结构【1 7 】2 6 带状缓冲请求策略【1 7 】2 7 系统构成模块2 9 节点内部功能模块图3 0 节点加入过程示意图3 3 非叶子节点离开调整策略原理图3 4 叶子节点离开调整策略原理图3 5 代理父节点选取原理图一4 0 核心树未饱和m e s h 节点演变为叶子节点示意图4 2 核心树己饱和叶子节点退化为m e s h 节点示意图4 2 强节点升级原理图。4 3 基于i p 解析技术的节点分布优化机制示意图4 4 宏观带状调度原理图一4 6 第v 页 国防科学技术人学研究生院t 学硕士学位论文 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 标识组合调度数据块结构示意图4 7 标识组合调度小m e s h 组织示意图4 7 m t s m h s 结构和m e s h 结构延迟性能比较5 0 m t s m h s 结构和一般混合结构延迟性能比较51 控制开销性能比较5 1 基于m t s m h s 的网络视频会议系统解决方案5 3 基于m t s m h s 网络视频会议系统分会场结构图5 4 基于m t s m h s 网络视频会议系统的总体逻辑视图5 5 系统肩动节点状态转换。5 6 参与节点加入m t s m h s 结构的流程图5 7 参与节点退出m t s m h s 结构的流程图5 8 参与节点优化m t s m h s 结构的流程图，5 9 l s 工作流程图6 0 媒体数据的处理流程一6 l 节点的状态转换函数部分代码截图6 2 第v i 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取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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。 学位论文题目： 亘囱塑麴金邀数! 速搓签覆董匿鳖箜掐盟塞 学位论文作者签名：兰煎：鍪盔 日期：2 0 0 了年f2 月q 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国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，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：亘囱塑题金这鲍2 里速搓篮覆董圈终箜捡珏壅 学位论文作者签名：垡毖 作者指导教师签名： 日期：工口口矿年f 2 月互一日 日期：二w 年l 月j c f l 日 国防科学技术大学研究生院t 学硕：仁学位论文 第一章绪论 本章介绍了p 2 p 流媒体技术应用于网络视频会议的研究背景和意义，分析了p 2 p 流媒 体技术应用于网络视频会议的优势和需要解决的问题，总结了p 2 p 流媒体技术的研究现状， 最后给出本文的主要工作以及论文的结构。 1 1 1p 2 p 流媒体技术应用于网络视频会议的研究背景和意义 传统会议需要参会人员长途跋涉赶往会议现场，在同一个场所面对面地交流，听取会 议报告，协商会议议题，往往需要花费参会人员很大的精力，如旅行出差的时间、旅行住 宿的费用、当前的工作要中断等等。会议的组织也需要花费一定的人力和物力成本，如租 用大型会场、准备会议的设施、维护会场的秩序等，都需要统筹管理，增加了召开会议的 代价。 随着网络的普及，网络视频会议系统开始出现并得到了不断地发展。通过在网络虚拟 的环境下，实时地传输音视频数据，实现了传统会议现场交流的效果。人们只需要连接到 网络，约定会议时间，就可以足不出户地参加会议，不会耽误j 下常的工作和生活，无需花 费大量的差旅费用，也不用将厚重而繁多的各种会议资料带到会议现场。 网络视频会议与传统的会议相比有巨大的优势，列举如下： 1 ) 扩大会议规模，增加影响力。大量的会议由于参会人员的缺席不能满员召开，这 种缺席往往是由于参会人员时间冲突的原因产生的。视频会议只需要在约定时间，连接到 网络视频会议就可以听取会议主席的报告，其他的专题报告可以按照会议通知的安排，选 择地参与其中，发表自己的观点，进行讨论。如果采用网络视频会议的方式，则可以令参 会人员尽可能灵活的安排日程计划，避免与会议召开时间的冲突，有机会参与到会议的讨 论中。因为它的便利，使得本来没有时间或者财力与会的人员有了参加会议的机会，扩大 了会议的规模，增加了影响力。 2 ) 提高办事效率。与会人员在会议进行中往往会用到一些不能立即获取的数据资料， 造成会议质量的下降。采用网络视频会议的方式，参会人员就在自己办公地点，可以就近 获得所需的资料，简单方便且有效提高了参会效率。如果在会议中间需要做一些调整或者 采取某些行动，可以不必等到参会人员返回单位再实施，而是可以马上采取措施立即解决。 3 ) 节省会议成本。网络视频会议不需要专门租用会场，也不必安排工作人员协调组 织参会人员的秩序，节约了大量的成本。 第1 页 国防科学技术大学研究生院丁学硕士学位论文 4 ) 有很强的可实施性。现阶段网络已经普及且使用成本不断降低，为视频会议的广 泛应用提供了所需的基础设施。 网络视频会议可以根据会议地点分为集中会议系统和分散会议系统。在集中会议系统 中，人们分别聚集在不同地点的同一个办公室内，通过租赁专用线路传输高质量的视频， 使用大屏幕播放其他地点的会议场面。分散会议系统是指没有专门的会议地点，而是各自 在计算机屏幕前通过网络就可以参加会议。只要在计算机上安装了相应软件，连接了摄像 头、麦克风，在家里足不出户就可以参加会议。集中会议系统成本高，用户有限，不适合 大众化消费和普及。分散会议系统成本低，使用方便，可以预测在将来有着广阔的市场和 发展前景。然而，这种网络视频传输方式需要消耗大量的网络带宽资源，而实时视频的传 输需要专门的高性能中转服务器，使得总成本有所提高，且容易造成服务器的过载。 p 2 p 技术和流媒体技术的结合，有望解决上述视频传输问题。曾经有研究使用p 2 p 技 术以改善网络视频会议的技术，获得了一定的成果【1 1 1 2 儿引，但是因为网络视频会议的需求没 有视频直播点播那么强大，所以还没有成长壮大起来，然而，随着社会的进步和网络技术 以及网络设施的发展，网络视频会议将会影响人们的生活，成为一种流行的新型交流方式。 本文在此基础上对p 2 p 技术进行了研究，结合流媒体应用技术设计网络传输结构，改善网 络视频会议的数据传输效果。 p 2 p 技术与传统的c s 技术不同，p 2 p 技术中每个节点是地位平等的对等体，通过直 接交换来利用计算、存储、信息和带宽等资源。流媒体技术是指在网络上按时间先后次序 实时传输和播放的连续音频、视频等多媒体数据流，用户不必等到文件全部下载完毕，而 只须经过几秒或者数十秒的启动延迟即可观看。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。 结合p 2 p 技术和流媒体技术来设计p 2 p 流媒体服务系统，可以充分利用整个网络中所 有参与节点的计算和带宽等资源。在良好的覆盖网络结构和数据调度的基础上，系统可以 有充足的资源实现视频实时传输。p 2 p 流媒体技术可以很好地解决网络视频会议面临的成 本和扩展性问题。然而，网络视频会议需要实时地交流及时地反馈参会人员的意见，因此 对数据传输的实时性要求比较高。本文在保证一定的视频流畅清晰的基础上，着重于改进 数据实时传输的研究。 总之，一方面网络视频会议需求在增大：跨国公司的国际会议，多区域会谈、学术会 议、大型招聘等等都可以采用网络视频会议；另一方面p 2 p 技术和流媒体技术的迅猛发展 以及互联网络服务质量的改善，为网络实时传输视频提供了技术和物理支持。因此，面向 视频会议的p 2 p 流媒体技术既有重要的学术价值也有广阔的应用前景。 p 2 p 流媒体技术应用于网络视频会议，面临的问题是视频数据传输实时特性需要提高。 第2 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学伉论文 在传统的p 2 p 流媒体应用中，流媒体直播和点播等已经收到比较好的效果，但是视频会议 的实时特性要求更高，还需要专门设计相应的p 2 p 流媒体系统。主要可以通过优化p 2 p 流 媒体覆盖网络结构，结合相应的数据调度算法来提高数据传输的实时性。因此，本文从p 2 p 流媒体覆盖网络结构展开研究，提出了面向视频会议的覆盖网络混合结构m t s m h s 。 1 1 2p 2 p 流媒体技术国外研究现状 近年来，p 2 p 流媒体服务技术已经得到国内外许多大学、研究机构和公司的广泛研究， 推动了p 2 p 流媒体技术的发展。本节将对当前国际上几种典型的p 2 p 流媒体系统进行介绍。 e s m 4 j 系统是第一套p 2 p 视频直播系统的原型，该系统采用用户网状结构互连构造最 优媒体数据组播树的方法，在用户间传播实时的多媒体内容。由于算法限制，这套系统只 能扩展到几千人同时在线，但已经标志着p 2 p 流媒体直播系统进入了系统发展期。2 0 0 1 年，通过在因特网中实际运行基于e s m 的视频会议，验证了e s m 采用的自组织协议可以 在动态的、异构的因特网中支持较小规模的视频应用。该系统在一年多中广播了近2 0 多 次国际性会议，同时用户数目达到4 0 0 多人。 s p r e a d l t l 5 j 是美国s t a n f o r d 大学p 2 p 研究小组的研究成果。它采用一个简单的单棵树结 构，节点s o u r c e 作为源服务器，当有新节点加入时，从s o u r c e 开始搜索，直到发现某个不 饱和节点与其建立连接成为父子节点。它对节点动态性处理效率较低，当有节点失效时节 点的子节点要从根节点进行重新加入，增加了源节点的压力、延长了系统恢复时间。 c o o p n e t 6 】是微软研究院的第一个多树! 氲播视频流媒体网络系统。这个系统的目的是作 为传统服务器的一个补充，减轻服务器在重载情况下的压力。拓扑的构建策略保证树的结 构尽量短而宽。 s p l i t s t r e a m 7 l 是微软研究院提出的第二个方案，它与c o o p n e t 不同的是它旨在提供纯 粹的对等网络服务。s p l i t s t r e a m 构建了一个多棵树结构，它的关键思想是把内容分成k 个 带( s t r i p e ) ，并且每个数据带通过一棵独立的树来广播。每个数据带可以单独解码，也可以 互补解码。多树结构解决了叶子节点上行带宽闲置的问题，提高了网络资源利用率。它规 定一棵树中的内部节点在其他树中只能作为叶子节点，这样可以防止节点失效造成多个数 据带的丢失。 d i r e c t s t r e a m 8 】是马萨诸塞大学研制的一个基于目录的流媒体点播系统，影片索引信息 及组播树中所有p e e r 的信息都由目录服务器进行维护。 n i c e t 9 j 是美国马罩兰大学在2 0 0 2 年提出旨在设计高效的、可扩展、分布式的树构建 协议。协议主要思想是把节点分为层次簇，层次决定了数据的传输路径。 z i g z a g 1 0 】借鉴了n i c e 的层次簇的思想，它是美国佛罗里达大学2 0 0 3 年提出的一种 第3 页 国防科学技术大学研究生院下学硕士学位论文 p 2 p 流媒体技术。它构建了一棵多播树，树中的节点位于不同的层，每层的节点组成节点 簇，簇的规模是一定的，超过了规模就要自动分解为多个簇。簇中节点定义了不同的角色， 将节点的管理和节点的数据分发功能提交给不同的上层节点掌握，提高了系统的稳定程 离 d o c h u n k y s p r e a d t l l l 和p r i m e 1 2 】结合了树形结构和m e s h 结构的优点，组织了一个逻辑树 拓扑、m e s h 数据分发系统。利用s w a r m i n g 的数据分发方式，新产生的数据通过推的方式 向下传输，节点缺失的数据可以向其他节点请求，通过拉的方式获得。 m t r e e b o n e 【1 3 】是加拿大西蒙菲沙大学提出的新颖的结合树和m e s h 结构的混合式设计。 研究人员根据大量实验提出了一种判定节点稳定性的算法，由稳定节点组成骨干树，提高 数据转发效率；稳定节点和其他不稳定节点一起又组成m e s h 结构，缓解节点和网络的动 态特性的压力；通过推拉结合的方式进行数据调度。 1 1 3 国内研究现状 国内的公司和大学研究机构都对p 2 p 流媒体技术展开了较为深入的研究，开发出了 一大批具有国际先进水平的p 2 p 流媒体系统，并在i n t e m e t 上得到了广泛的应用。 c o o l s t r e a m i n g i 4 l 是香港中文大学张欣研开发的，其原型系统在p l a n e t l a b 上试用获得成 功，借着欧洲杯之火，注册用户迅速积累到5 0 万人。c o o l s t r e a m i n g 采用无结构组织覆盖 网络，利用g o s s i p 协议管理节点，数据转发也借鉴了g o s s i p 协议思想。网状结构提高了 系统对节点动态性的适应能力。 p p l i v e l l 5 】是华中科技大学的姚欣开发制作的，2 0 0 4 年底推出了1 0 版，先后在华中科 技大学校园网和教育网上进行了大规模的测试，受到了中国大学生的普遍欢迎。 q q l i v e 1 6 】作为后起之秀，依靠其强人的客户群优势迅速占领了很大一部分市场，其 首创的客户边看节目边聊天的模式大幅提升了软件的可用性。同码率的情况下，q q l i v e 在清晰、流畅、音频尤其是防火墙穿透方面，都具有一定的技术先发优势。 a n y s e e r 7 】是华中科技大学设计研发的视频直播系统，它采用了一对多的服务模式，支 持部分n a t 和防火墙的穿越，提高了视频直播系统的可扩展性；同时，它利用分域调度 的思想，使用l a n d m a r k 路标算法直接建树的方式构建应用层上的组播树，克服了一对多 模式系统由联接图的构造和维护带来的负载影响。后来又推出了升级版本a n y s e e 2 l l 引，采 用了控制树和数据传输m e s h 两层覆盖网络结构，解决单一的树结构或m e s h 结构的问题， 减小了控制开销，提高了流媒体传输质量。 g r i d m e d i a 【1 9 】【2 0 1 是清华大学多媒体实验室g r i d m e d i a 团队研发的具有自主知识产权的 基于网格技术的流媒体系统。g r i d m e d i a 将网格计算与流媒体传输技术有机的结合起来， 第4 页 国防科学技术大学研究牛院= 学硕士学位论文 定位于提供超大规模多媒体业务，致力于基于互联网的宽带娱乐和教育市场，为用户提供 丰富的、高质量的多媒体内容服务。它提出数据调度采用p u s h 和p u l l 即推拉结合的方式， 改进数据传输的实时特性。 m a g i c s t r e a m 流媒体服务系统是国防科学技术大学计算机学院设计研发的基于多源协 同流调度技术的视频点播和视频直播系统，系统解决了数据段和块的划分方式和大小选 择、速率和块号分配策略、本地数据段缓存策略等部分关键技术。通过数据分段和索引信 息，可以有效解决v c r 问题。而通过数据分段和本地数据段缓存策略可以在节点缓冲资 源受限的约束条件下有效解决资源放置问题。 国防科学技术大学计算机学院刘亚杰博士较早的研究了流媒体内容分发的若干关键 技术。提出了基于大规模v o d 应用环境的p 2 p 流媒体服务体系1 2 l 】；研究了分层流媒体数 据调度算法【2 2 】；并在内容分发过程中引入网络编码技术【2 3 j 。 1 2 本文主要工作 传统的网络视频会议成本昂贵、可扩展性差，严重限制了网络视频会议的应用。p 2 p 流媒体技术通过充分利用节点资源，降低系统成本和网络压力，具有很高的可扩展性，可 以解决视频会议面临的问题。p 2 p 流媒体覆盖网络结构对系统性能有决定性的作用，其性 能的优劣直接影响着整个网络中数据的传输质量。本文通过对各种网络结构深入而广泛地 研究，设计了一种新型的混合结构。该系统设计的目标是通过充分利用现有的计算资源和 网络资源，实现实时可靠的视频传输，提供高质量的网络视频会议服务。本文主要工作如 下： 1 ) 在研究传统的p 2 p 流媒体覆盖网络结构基础之上，结合最新的p 2 p 混合结构研究， 设计了一种面向视频会议应用的新型混合结构：核心树边缘m e s h 结构即m t s m h s 。提出 了该结构的节点管理机制和核心树初始化策略。 2 ) 基于视频会议特点的分析，给出了m t s m h s 结构的设计方案，其中包括系统组成 和节点功能模块。 3 ) 给出了基于意愿停留时间的核心树初始化机制和节点行为管理方案，节点行为主要 包括节点的加入、离开和失效。 4 ) 提出了m t s m h s 结构优化机制：基于冗余链路技术的核心树动态适应能力改善机 制，提高了核心树失效恢复能力；节点角色转换机制，充实了核心树构成；高带宽优先的 节点升级机制，降低了树的平均高度；基于i p 解析技术的节点分布优化机制，考虑节点的 物理信息提高了数据传输实时性。 5 ) 提出了宏观带状调度和微观标识组合调度策略，减小了数据重复传输，有效地利 第5 页 国防科学技术大学研究生院 学硕士学位论文 用了节点带宽资源，提高了数据传输实时性。 6 1 用o m n e t + + 对m t s m h s 结构进行了性能模拟，验证了数据传送延迟和控制开销 等性能。 7 ) 提出了基于m t s m h s 结构网络视频会议解决方案，编码实现了网络视频会议参与 节点状态转换流程和m t s m h 结构维护流程。 1 3 论文的结构 本文共分为六章，分别如下文所述： 第一章绪论，介绍课题的研究背景和意义，通过调研国内外p 2 p 流媒体技术研究现 状，指出论文的研究内容和组织结构安排。 第二章介绍p 2 p 流媒体技术，分析了p 2 p 技术和流媒体技术主要采用的传输结构， 论证了p 2 p 技术和流媒体技术结合的优势。 第三章首先研究了两种典型的p 2 p 流媒体传统覆盖网络结构：树形结构和m e s h 结构， 分析了代表模型的工作原理和各自特点，给出了两种结构优缺点的比较；然后，进一步研 究了树和m e s h 的混合结构。最后，在各种结构的对比研究基础之上，设计了一种新颖的、 面向视频会议应用的p 2 p 流媒体覆盖网络混合结构：核心树边缘m e s h 结构即 m t s m h s ( m a i n t r e es k i r tm e s hh y b r i ds t r u c t u r e ) 。给出了m t s m h s 结构的设计方案、核心 树初始化机制和节点行为管理方案。 第四章针对m t s m h s 混合结构，提出性能优化机制和相应的数据调度策略，进行了 性能分析。首先，提出了基于冗余链路技术的核心树动态适应能力改善机制；节点角色转 换机制和高带宽优先的节点升级机制；基于i p 解析技术的节点分布优化机制。然后，提出 了宏观带状调度和微观标识组合调度数据传输策略。最后，用o m n e t + + 对m t s m h s 结 构进行了性能模拟，验证了数据传送延迟和控制开销等性能。 第五章提出了基于m t s m h s 结构网络视频会议解决方案，编码实现了网络视频会议 参与节点状态转换流程和m t s m h s 结构维护流程。 第六章结束语，总结全文内容，并展望后续工作。 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 第二章p 2 p 流媒体技术 本章首先介绍了p 2 p 技术的特点和p 2 p 技术的典型结构，然后介绍了流媒体技术特点 和传统的流媒体技术组网结构，最后分析了p 2 p 技术与流媒体技术结合的优势，阐述了p 2 p 流媒体技术主要的拓扑结构。 2 1p 2 p 技术概述 p 2 p 是一种分布式网络，网络的参与者共享他们所拥有的一部分硬件资源( 计算能力、 网络带宽、存储能力等) ，在对等节点之间直接通信。如图2 1 所示，p 2 p 技术打破了传统 的c l i e n t s e r v e r ( c s ) 模式，在网络中的每个节点都是对等的，兼有客户机和服务器的功能， 不需要专门的中央服务器为所有节点提供服务。p 2 p 技术已经广泛应用于很多领域，引起 了广泛关注，财富杂志曾将p 2 p 列为推动未来i n t e m e t 发展的四项科技之一【2 4 1 。 ( a ) p 2 p 模式 ( b ) c s 模式 2 1 1p 2 p 技术特点 图2 1p 2 p 模式和c s 模式原理图 i b m 对p 2 p 技术的定义指出，p 2 p 至少要具有如下特征之一：一是系统依存于边缘化 ( 非中央式服务器) 设备的主动协作，每个成员直接从其他成员而不是从服务器的参与中受 益；二是系统中成员同时扮演服务器与客户端的角色；三是系统应用的用户能够意识到彼 此的存在，构成一个虚拟或实际的群体。 p 2 p 技术特点体现在以下几个方面： 1 ) 非中心化( d e c e n t r a l i z a t i o n ) ：p 2 p 技术改变了“内容”所在的位置，使其正在从“中心” 走向“边缘”，也就是说内容不再存于主要的服务器上，而是存在所有用户的p c 机上。每 第7 页 围防科学技术大学研究生院丁学硕士学位论文 个用户都有对数据和资源的拥有权和控制权，每个节点是对等的实体。 2 ) 提高了系统容量：p 2 p 技术充分利用了所有节点的各种资源，网络的负荷分布在对 等节点，系统的处理能力随着节点的增加而不断扩大，存储容量不断增加，计算资源不断 丰富，带宽利用率提高，特别是对等节点的上行带宽得到了利用，用于传输数据的带宽不 再局限于服务器的带宽能力。 3 ) 硬件成本、管理丌销大幅降低：分布式的管理、对等节点资源的充分利用代替了 采用强大昂贵的服务器和部署大量边缘服务器的策略，节省了大量的硬件成本；同时节点 的自主性强，负责自身的行为，负责数据存储转发的管理，减轻了服务器繁杂的管理开销。 4 ) 易于实现：p 2 p 技术的应用不需要改变传统的网络结构，只需要在现有网络基础之 上，在应用层构件覆盖网络来实现对节点的管理和数据调度。 5 、) 高容错性：p 2 p 结构具有耐攻击、高容错的特点。p 2 p 网络将服务分布在各个对等 节点，某个节点的失效只需要局部的调整，就可以快速恢复其他节点的正常连接和工作。 网络中采取的节点动态的调整策略，在周期地优化连接的同时避免了节点失效、网络拥塞 等造成的危害。 6 ) 自修复自完善：节点行为很难预测，节点的频繁随机地加入离开，需要建立新的 连接、修复中断的连接，这都需要系统具有高效的自维护和自修复能力。 目前，p 2 p 技术在分布式计算、文件共享、即时通讯、流媒体传输、应用层组播、大 规模联机游戏等各种领域有着广泛的研究与应用【2 5 1 。p 2 p 计算技术兴起的一个标志性事件 是文件共享系统n a p s t e r l 2 6 】的出现。1 9 9 9 年5 月s h a w nf a n n i n g 等发布了n a p s t e r 系统，为 i n t e m e t 上的用户提供m p 3 音乐文件共享和交换服务。随后i n t e m e t 上出现了更多流行的 p 2 p 应用，如g n u t e l l a 2 7 1 ，b i t t o r r e n t t 2 引，s k y p e 2 9 1 ，p p l i v e l l 5 1 等。基于p 2 p 计算技术的新 型分布式系统已成为i n t e m e t 上最流行的应用系统之一。 2 1 2p 2 p 技术典型结构分析 1 ) 中心拓扑结构：节点的管理要通过一个中心服务器，节点要在中心服务器注册， 把资源信息以索引的方式存放在中心服务器。节点需要通过中心服务器来定位它所需要的 数据，然后连接对等节点索要数据。节点管理仍然是集中式的，但是，数据的传输可以直 接在节点之间进行，大幅减轻了服务器的负荷，利用了节点的带宽资源，然而，它的扩展 性受到了中心服务器的限制。第一代p 2 p 网络采用了此结构，如m p 3 共享系统n a p s t e r ， 如图2 2 所示。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图2 2n a p s t e r 结构示意图 2 ) 分布式拓扑结构：它取消了中心服务器，节点按照随机图的组织方式合作。节点 管理由对等节点自主负责，节点的发现和数据的定位机制分为早期的泛洪机制和后来的 d h t 的分布式发现和路由算法，数据的传输通过随机转发等机制到达目标对等节点。例如 文件共享系统g n u t e l l a 采用了这种结构，如图2 3 所示。 图2 3g n u t e i l