（计算机科学与技术专业论文）基于polling的p2p流媒体传输协议的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：- 习函 签字f 1 期：力j o 年6 月i7 日 新签名：粥酝 签字日期：知加年石月7 同 r 中图分类号：t p 3 9 3 1 u d c ：0 0 4 9 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于p o l l i n g 的p 2 p 流媒体传输协议的研究 r e s e a r c ho np 2 p s t r e a m i n gm e d i a t r a n s f e rp r o t o c o lb a s e do np o l l i n g 作者姓名：周正 导师姓名：张晋豫 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 0 5 9 2 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：计算机科学与技术研究方向：宽带网络技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 r 致谢 本论文的工作是在我的导师张晋豫副教授的悉心指导下完成的，张晋豫副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来张晋豫老师对我的关心和指导。 张晋豫教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，并对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此向张晋豫老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，李强、吴建林、沈孟如等同学对我论文中的 校正和修订工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 t 中文摘要 中文摘要 摘要： 近年来，由于p 2 p 技术可以解决流媒体传输中的服务器瓶颈问题，极大提高传 输能力，从而在新媒体业务中得到了广泛应用，成为流媒体传输的关键技术之一。 如何能够在充分利用p 2 p 网络中众多节点资源、处理能力的前提下，保证流媒体传 输的质量、提高播放的性能，成为p 2 p 流媒体技术研究的热点。 论文在深入讨论当前p 2 p 网络和流媒体技术的基础上，提出了一种基于p o l l i n g ( 轮询) 的p 2 p 流媒体传输机制，对比传统的c s 模式和非p o l l i n g ( 轮询) 机制， 这种机制可以使p 2 p 流媒体系统中每一个用户的下载速度随着系统参与者数量的 增加而加快，使系统对每一个s e r v i n gp e e r 的性能要求和依赖度随着参与者的数量 的增加而降低。 同时，论文还提出了一种在p 2 p 流媒体系统中管理内存的方法：环形缓存模型 ( 2 0 个轮询周期) 和三个算法：追赶算法，淘汰算法及同步算法，他们有效地保 证了流媒体系统的传输质量和传输速度，实现了流媒体的流畅播放。本文编程实 现了一个基于p o l l i n g ( 轮询) 的p 2 p 流媒体传输系统，并对系统做了初步的测试 工作，对测试结果进行了的分析和总结。 关键词：p 2 p ，流媒体，传输，追赶算法，p o l l i n g 周期 i a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gr e c e n ty e a r s ，f o rp 2 pc a ns o l v es e r v e rb o t t l e n e c kp r o b l e m si n t h es t r e a m i n g m e d i at r a n s m i s s i o n ，a n de f f e c t i v e l yp r o m o t et h et r a n s m i s s i o na b i l i t y , i ti sw i d e l yu s e di n t h en e wm e d i ao p e r a t i o n ，a n db e c o m e so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fs t r e a m i n gm e d i a t r a n s m i s s i o n i np r e c o n d i t i o no fm a k i n gt h eb e s tu s eo fn u m e r o u sn o d er e s o u r c ea n d d i s p o s a la b i l i t i e s ，h o ww ec a ng u a r a n t e et h et r a n s m i s s i o nq u a l i t yo fs t r e a m i n gm e d i a s y s t e m sa n dt r a n s m i s s i o ns p e e db e c o m e st h eh o t s p o ti nt h ef i e l do fs t r e a m i n gm e d i a t e c h n o l o g yr e s e a r c h t h i sp a p e rb a s e do ni n d e p t hd i s c u s s i n go ft h ec u r r e n tp 2 pn e t w o r ka n ds t r e a m i n g m e d i at e c h n o l o g y , p r e s e n t sap 2 ps t r e a m i n gm e d i at r a n s p o r tm e c h a n i s mb a s e do n p o l l i n g c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lc sm o d ea n dn o n - p o l l i n g ( p o l l i n g ) m e c h a n i s m ， t h i sm e c h a n i s ma l l o w st h ed o w n l o a ds p e e do fe a c hu s e ri np 2 ps t r e a m i n gm e d i as y s t e m t os p e e du pw i t hi n c r e a s i n gi nt h en u m b e ro fp a r t i c i p a n t si nt h es y s t e m ，m a k e se v e r y s e r v i n gp e e rs y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s a n dd e p e n d e n c er e d u c e dw i t ht h e i n c r e a s ei nt h en u m b e ro fp a r t i c i p a n t s a tt h es a m et i m e 。t h ep a p e ra l s op r o p o s e sam e m o r ym a n a g e m e n tm e t h o di nt h ep 2 p s t r e a m i n gm e d i as y s t e m ：r i n gb u f f e rm o d e l ( 2 0p o l l i n gc y c l e ) ，a n dt h r e ea l g o r i t h m s ： c a t c h u pa l g o r i t h m ，e l i m i n a t i o na l g o r i t h m a n ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，w h i c h e f f e c t i v e l yg u a r a n t e e s t h et r a n s m i s s i o nq u a l i t yo fs t r e a m i n gm e d i as y s t e m sa n d t r a n s m i s s i o ns p e e d ，t oa c h i e v es m o o t hp l a y b a c ko fs t r e a m i n gm e d i a i nt h i sp a p e r , a p r o g r a m m i n g - b a s e dp o l l i n g o fp 2 pm e d i as t r e a m i n gs y s t e m s i sr e a l i z e d b y p r o g r a m m i n g ；ap r e l i m i n a r yt e s t i n gi sd o n et o t h es y s t e m ，a n da n a l y s i sa n ds u m m a r y a l eg i v e nt ot h et e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：p 2 p ；s t r e a m i n gm e d i a ；t r a n s m i s s i o n ；c a t c h - u pa l g o r i t h m ；p o l l i n g c y c l e v n 绪论 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i l 绪论1 1 1 课题研究背景及意义一1 1 1 1 课题研究背景l 1 1 2 课题研究意义2 1 2国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状4 1 3论文主要工作及创新点6 1 3 1 论文主要工作6 1 3 2 论文创新点7 1 4论文结构7 2 p 2 p 流媒体技术概述一9 2 1 p 2 p 网络9 2 1 1p 2 p 网络的定义9 2 1 2p 2 p 网络与c s 网络的比较9 2 1 3p 2 p 网络的分类1 0 2 1 4p 2 p 网络的特点1 2 2 1 5p 2 p 网络中数据传输方式1 3 2 2流媒体1 4 2 2 1 流媒体的概念1 4 2 2 2 流媒体的播放方式1 5 2 2 3 流媒体技术原理1 6 2 2 4 流媒体工作过程1 7 2 3基于p 2 p 的流媒体1 7 2 3 1 基于p 2 p 的流媒体传输协议1 7 2 3 2 基于p 2 p 的流媒体主要应用1 9 2 4本章小结2 0 3传输协议的设计21 3 1设计目标2 1 3 2协议关系图2 1 北京交通人学硕+ 学位论文 3 3设计思想2 2 3 3 1 下载机制2 3 3 3 2 缓存管理2 4 3 4 同步机制2 6 3 4 1 流畅性和连续性定义一2 6 3 4 2 理论分析。2 7 3 5 本章小结3l 4 基于传输协议的p 2 p 流媒体系统的设计与实现3 3 4 1 系统设计3 3 4 1 1 系统构架3 3 4 1 2 端口设计3 3 4 1 3 p d u 设计3 4 4 1 4 缓存的数组模型设计3 5 4 2 系统工作流程3 5 4 - 3 丌发环境3 7 4 4 算法介绍及实现3 7 4 4 1 追赶算法3 7 4 4 2 淘汰算法一3 9 4 4 3 更新算法4 1 4 5主要模块介绍及实现4 2 4 5 1 索引节点控制模块4 2 4 5 2 用户请求模块4 3 4 5 3 任务分配模块4 4 4 5 4 下载传输控制模块4 5 4 5 5 上传传输控制模块。4 6 4 6 本章小结。4 7 5 系统测试及性能分析4 9 5 1 测试环境4 9 5 2运行效果4 9 5 2 1 索引节点运行效果4 9 5 2 2 用户运行效果5 0 5 3 测试及分析5 1 5 3 1 传输性能测试5 1 5 3 2 传输性能分析。5 2 绪论 5 4本章小结5 3 6总结及展望5 5 6 1本文总结5 5 6 2进一步的研究工作5 5 参考文献5 7 作者简历6 l 独创性声明6 3 学位论文数据集6 5 北京交通人学硕十学位论文 图目录 图1 1 一论文结构图。7 图2 1 - c s 模式与p 2 p 模式结构图1 0 图2 2 纯分布式p 2 p 模型1 l 图2 3 混合式p 2 p 模型12 图3 1 - p 2 p 流媒体协议关系图2 2 图3 2 基于p o l l i n g 的下载机制2 4 图3 3 环形缓存结构2 4 图4 1 传输系统流程图3 3 图4 2 用户端口示意图3 4 图4 3 p d u 示意图3 5 图4 4 环形缓存数组模型3 5 图4 5 系统工作流程图3 6 图4 6 追赶算法流程图3 8 图4 7 索引节点控制流程图4 3 图4 8 动态监测q o s 过程4 5 图4 9 下载传输控制模块流程图4 6 图5 1 索引节点启动4 9 图5 2 索引节点接受请求5 0 图5 3 用户连接成功5 1 图5 4 新用户加入s e r v i n gp e e r 5 1 图5 5 任务下载速度5 2 表目录 表4 1 一上传传输控制模块方法及其功能4 7 表5 1 一测试环境配置4 9 绪论 1 绪论 1 1课题研究背景及意义 1 1 1课题研究背景 由中国互联网络信息中心( c n n i c ) 发布的最新的第2 4 次中国互联网络发 展状况统计报告( 2 0 0 9 年7 月2 4 日) 统计显示：截至2 0 0 9 年6 月底，中国网民 数量达到3 3 8 亿，网民规模跃居世界第一位，比去年同期增长了9 1 0 0 万人，较 2 0 0 8 年年底增长了1 3 4 ，半年增长了4 0 0 0 万，而宽带网民规模达到3 2 亿，占 网民总数的9 4 3 。【l 】 更生动、直观和形象的视频信息一直受到人民喜爱，在i n t e r n e t 上传递交互式 视频信息一直是人们的渴望和追求的目标。计算机及通信技术的空前发展为流媒 体技术的发展奠定了良好的基础，创造了良好的应用环境，而流媒体技术的进步 又推动和促进了计算机及通信技术向更高的水平跃进。目前以文字和静态信息为 主的i n t e r n e t 悄然超着以流媒体为主的“新媒体”形式演进。在i n t e r n e t 上开展流 媒体直播或点播业务是未来的发展方向。i p t v ( i n t e m e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) ，即交 互式网络电视，它利用宽带网络，采用d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b el i n e ) 或以太网接入方 式，通过p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 或者机顶盒s t b ( s e t t o pb o x ) 向用户提供多 种交互式宽带视频业务。p t v 的出现使机顶盒有了进一步的发展，机顶盒成为口 网络和电视机的桥梁，使宽带网络上丰富多彩的节目能够通过机顶盒在电视机上 展现，为广大普通电视观众带来全新的数字生活新感受。目前中国有三亿台电视， 八亿电视观众，在全世界占第一位。目前全世界都在进行数字电视的双向改造， 通过改造将宽带娱乐市场延伸到十几亿的电视观众。 流媒体对带宽、实时性和高性能提出了很高的要求，如果向用户提供 d v d ( d i 西t a lv i d e od i s c ) 效果的i p t v 业务，使用m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t s g r o u p ) 2 编码，用户至少需要3 - 4 m b i t s 带宽，如果m p e g 4 及以上编码，需要 1 - 2 m b i t s 带宽。用户可以接收1 s 的t v ( t e l e v i s i o n ) 切换时间，及l o s 以下的 v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 切换时间。随着i p t v 业务的不断扩展，用户对服务质量的 要求也不断提高。在c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式下，由于传输媒体占用的带宽大，持续 时间长，而服务器端可利用的网络带宽资源有限，所以即使使用高档服务器，其 系统的容量也不过几百个用户，根本就不具有经济规模性，服务器的性能以及服 北京交通入学硕十学位论文 务器端的带宽往往成为限制系统服务能力的“瓶颈”，导致一些实时性业务( 如语 音、视频等) 无法保证其实时性，传输质量明显下降，极大影响了用户的收看效 果，严重阻碍了容量的扩大。另外，由于i n t e m e t 网不能保证q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，如果客户机距服务器较远，则流媒体传输过程中的延迟、抖动、带宽、 包丢失率等指标也将更加不确定，服务器为每一个客户都要单独发送一次流媒体 内容，从而网络资源的消耗也非常大。 在当前资源有限的条件下，如何满足不断增长的流媒体用户的需求，并在确 保服务质量的同时，降低流媒体的服务门槛，就成为流媒体研究中的重要课题。 1 1 2课题研究意义 在运用p 2 p 技术的流媒体系统中，用户在享受媒体节目的同时，也在利用自 身计算机所空闲的资源，为其它用户服务。p 2 p 流媒体服务系统并不改变现有流媒 体传输协议和流媒体服务系统器系统的构架，甚至可以不必改变现有的系统，而 只需增加新的模块和功能。p 2 p 通过“非中心化”的设计和多点传输机制，实现了 不依赖于服务器而快速交换文件，克服了传统c s 网络构架由于过分依赖服务器 而导致的“瓶颈”和利用率低下等问题，而且扩大了节目源 2 】。p 2 p 技术在网络 传输层面解决了网络拥塞、调度不灵活等问题。p 2 p 的服务能力随需求的增长而自 然增长，具有与生俱来的可扩展性，能够从根本上解决c s 模型的流媒体系统所 固有的不可扩展性、低容错性和低鲁棒性，满足i p t v 实时播放的使用需求。 3 】 p 2 p 构架具有耐攻击、高容错的优点。不同的p 2 p 网络采用不同的拓扑构造， 根据网络带宽、节点数、负载等变化，不断自适应地维护拓扑结构。由于服务是 分散在各个节点之间进行的，部分节点或网络遭到破坏对其它部分的影响很小， 即便是部分节点失效了，p 2 p 网络也能通过自动维护机制重构整体拓扑来保持与其 他节点的连通性。采用p 2 p 网络构架将计算机任务或存储分布到所有节点上，可 以充分利用其中闲置计算能力或存储空间，达到高性能计算和海量存储的目的。 在p 2 p 网络中，由于信息的传输分散在各个节点之间进行，无需经过某个集中环 节，用户的隐私信息被窃听和泄露的可能性大大缩小。因此，p 2 p 技术具备了c d n ( c o n t e n td i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 和组播技术解决拥塞和决瓶颈问题能力，同时能 够克服c d n 和组播技术的能力有限、成本过高、扩展性不足、标准化困难等问题， 而且增加了可靠性和安全性等优点。3 1 p 2 p 网络的优点虽多，但是，在目前单纯依靠p 2 p 网络传输流媒体的机制中， 还存在着很多不足之处，如传输质量无法保证，传输速度没有随着用户的增加而 明显加快，用户对其提供服务他用户的依赖性很大等问题，而且目前的p 2 p 机制 2 绪论 大多停留在理论层面，没有一个完善的系统供大家测试和改进。因此，研究一种 高效的p 2 p 流媒体传输机制，并且用程序加以实现以供其他人参考和修改，对于 p 2 p 流媒体领域的进一步研究有着重要意义。 1 2国内外研究现状 由于p 2 p 网络较好解决了流媒体服务器的“瓶颈 问题，使系统支持的并发 用户数量显著提高，所以近几年，国内外许多学术团体和公司都开展了对多媒体 p 2 p 传输技术的研究，提出了许多优化方案、技术和机制，典型的研究成果和分析 如下： 1 2 1国外研究现状 1 ) a p e e r - t o - p e e rf r a m e w o r kf o rc o s t - e f f e c t i v eo n - d e m a n dm e d i as t r e a m i n g 4 l 加拿大英属哥伦比亚大学的x i nl i u 等人，提出了一个高效率的基于p o l l i n g 的 实时流媒体q o s 传输框架：命名为b i t v a m p i r e ，主要目的是汇聚p e e r 的存储和上行 带宽来实现实时流媒体的q o s 传输。为了达到这个目的，b i t v a m p i r e 把数据分成很 多段，并且把它们分发到不同的p e e r 。当一个p e e r 想观看一个视频的时候，它搜索 相应的段并自主挑选一个最好的供应p e e r 子集，然后以实时的方式从这些父节点并 行下载所需要的媒体内容。 此机制存在的缺点： 1 ) 初始的系统采用一个简单的拉的模式来进行数据传输，n a t 节点和仿火墙 节点被排除在外。 2 ) 它通过交换b u f f e r - m a p 得到的可用的内容信息，每个节点都在全网络范围 内交换内容信息，当网络过大时，这增加了每个块传输的开销，并且更重要的， 它导致了长的时延来还原视频内容。 3 ) 通过周期性发a l i v e 消息来广播自己的存在，不但增加了信令传输的开销， 而且网络规模过大周期过长时，实时性无法保证。 2 ) s e r v i c e d i f f e r e n t i a t e dp e e rs e l e c t i o n ：a ni n c e n t i v em e c h a n i s mf o r p e e r - t o - p e e rm e d i as t r e a m i n g 【5 】 b e r k e l e y 大学猷j a h s a nh a b i b 等提出了一个差分业务p e e r 选择方案，他们相信， p 2 p 流媒体的p e e r 的选择是以协同的方式解决搭便车( f r e e - r i d i n g ) 和q o s h l 题的唯 一方式，因此提出了一个激励机制：基于p e e r 的贡献，在p 2 p 流媒体p e e r 选择中提 北京交通人学硕十学位论文 供差分业务。对系统有贡献的人在p e e 选择中提供更大的灵活性和选项，将产生高 质量的流媒体会话。f r e e - r i d e r 在p e e r s _ 择时，将给有限的选项，因此，产生低质量 的流媒体会话。 此机制存在的缺点： 1 ) 在p e e r z f j 交换等级需要比较大的开销。 2 ) q o s 机制的构架太粗，没有考虑一个节点缓存中的共享内容和用户需求的 之间关系，因此，对流媒体的质量不能作到定量控制，如节点失败后，不知道多 长时间启动被用节点才不会中断流媒体会话。 3 ) p e e 选择机制缺乏考虑本地意识，一个对整体有很大平均贡献的节点，也 许只能给自己提供比较低的质量。 3 ) ag o s s i p - b a s e dm e m b e r s h i pm a n a g e m e n ta l g o r i t h m f o r l a r g e s c a l e p e e r - t o - p e e rm e d i as t r e a m 6 】 澳大利亚r m i t 大学的b i nr o n g 提出一个新的自适应的g o s s i p b a s e d 成员管理 协议，它的自适应属性使它可以把控制开销控制在局部范围，并且适应于一直变 化的业务量环境和组成员关系。算法随机的特性使它可以处理p e e r 随机的失败和提 供前摄的测量以维护业务在某一水平【7 】。 算法使用了几个类似于应用层多播的技术：数据被终端系统复制和转发，同 时避免t i p 组播的开发和部署问题。使用了概率算法来分散成员管理相关的开销。 例如，开销通过g o s s i p 或e p i d e m i c 方式传播。在相同的时间，g o s s i p 算法的参数可 以随着网络的变化而变化。 此机制存在的缺点： 1 ) p e e r 之问的亲近性算法只考虑了p e e r 对之间的剩余能力和距离远近，但 是没有考虑用户的意愿。 2 ) g o s s i p 协议没有和当前p e e r 的q o s 关联，因此，不能实现q o s 的定量维护。 1 2 2国内研究现状 1 ) 父节点搜索算法【8 】 香港理工大学的l e iz h a n g 等提出了一个在流媒体网络中的父节点搜索算法。 当一个新到达的p e e r 进入p 2 p 网络，在为它定义一个父亲节点之前，它不能直接从 流媒体服务器种子处获得媒体流。 l e i z h a n g 等人提出了使用s e r v e r - t o - p e e rp a t hd e l a y ( s 2 p p d ) 作为标准来进行 父节点的搜寻，并且使用p r i m d i j k s t r a t r e e 来构建网络扩展树。使用网络三角不等 4 绪论 式 9 1 1 1 0 1 ，创建了所有节点全搜索法，它可以在减少搜索范围的前提下，为新到达 的节点定义最好的父节点。p r i m d i j k s t r a 算法构建的树界于m s t ( m i n i m u m s p a n n i n g t r e e ) 和s p t ( s h o r t e s tp a t h t r e e ) 之间【1 1 】。算法不仅仅考虑节点到它邻 居之间的连接，而且考虑服务器到节点之间的距离。 此机制存在的缺点： 1 ) 只考虑了距离因素，没有考虑用户节点的服务能力。 2 ) 没有考虑用户的意愿。 3 ) 没有考虑资源的分块、缓存和分配问题，对q o s 考虑不足。 2 ) c o o l s t r e a m i n g ：d e s i g n ，t h e o r y , a n dp r a c t i c e 1 2 】 香港科技大学的s u s ux i e 等人提出了基于p o l l i n g 机制的实时流媒体模型： c o o l s t r e a m i n g 。系统中包括三个基础的组件： 1 ) 成员关系管理者( m e m b e r s h i pm a n a g e r ) ，它维持部分拓扑视图。 2 ) 伙伴关系管理者( p a r t n e r s h i pm a n a g e r ) ，它建立和维护同其它p e e r 的t c p 连接或伙伴关系。它同样同p e e r 节点交换在( b u f f e r m a p ( b m ) ) 中的流数据可用性 信息； 3 ) 流管理者( s t r e a mm a n a g e r ) ，它是数据传输的关键组件，除了提供流数据 到媒体管理者外，也确定怎么获得流数据。 这个系统的核心设计理念是数据驱动，每一个p e e r 节点周期性同伙伴集交换自 己没有的数据，同时，提供自由有的数据给其它人。 此机制存在的缺点： 1 ) 采用随机选择服务节点的方法容易产生拓扑不匹配； 2 ) 节点不但要同父节点交换b m 中的信息并检测内容和性能状态，而且要检 测其它节点交换b m 中的信息并检测内容和性能状态，以便在父节点竞争失败时 寻找一个其它节点替代它，节点处理信令的丌销太大。 3 ) 采用集中式的信令管理模式，如果网络规模太大，拓扑同步节点和业务内 容和性能信息同步调节频率太高，机制丌销过大，系统的扩展性难于保证。 4 ) 父节点的传输能力不降，机制就淘汰父节点，业务传输协议中的追赶算法、 减速算法和淘汰算法没有考虑到调度任务的分配，即让上传速度快的承担部分上 传速度慢的节点任务，同时减少上传速度慢的节点的任务，这样可以维护拓扑的 稳定，防止i n t e m e t 局部业务突发引起的频繁假死现象，同时实现拓扑的收敛，实 现小世界网络。 3 ) a n y s e e ：m u l t i c a s t - b a s e dp e e r - t o - p e e rm e d i as t r e a m i n gs e r v i c es y s t e m 1 3 1 华中科技大学的金海教授等提出了一个基于应用层多播的p 2 p 实时多媒体系 北京交通人学硕士学位论文 统，称为a n y s e e ，它可以在大用户场景提供了可靠的实时多媒体服务。a n y s e e 主要集中在网络中构建具有比较高的本地性和低的维护费用的重叠数据传输树， 企图解决可扩展性问题。 a n y s e e 系统主要包含以下四个组件 1 4 1 1 5 - 1 ) 汇聚点l i p ( r e n d e z v o u sp o i n t ) ： 2 ) 媒体源； 3 ) 监视器： 4 ) 终端系统。 此机制存在的缺点： 1 ) 没有考虑到客户的意愿，对f r e e r i d i n g 和w h i t e w a s h i n g 的防范能力不够。 2 ) 当一个节点离开后，a n y s e e 采用的基本原则是连接到父节点，这显然不是 最优的，而且q o s 也可能得不到保证。如果离开的节点存在很多的儿子节点，则 容易引起系统的动荡。 3 ) 缺乏对q o s 的讨论。 1 3论文主要工作及创新点 1 3 1论文主要工作 在p 2 p 流媒体系统中，媒体数据可以分割成具有可变体积的连续的会话，每 个会话可以分割成具有相同体积的连续的段，用户从多个节点同时下载不同的段， 为了保证流媒体播放的不间断，一个流媒体数据段必须在它计划播出时间之前被 下载完毕，所以一个用户的流媒体会话子集之间存在同步问题。由于不同节点到 用户的距离和服务提供能力不同，造成了客户端和各个节点之间的时延不同。由 于一个用户节点的播放缓存有限，一个流媒体会话播放完成后不久要马上被删除 掉，一个节点一般只能给它的用户共享最后接收的媒体会话，因此，需要一个同 步机制来同步从不同节点下载的不同的数据段。为了防止一个用户盲目请求数据 和贪婪地访问资源，一个用户应采用p o l l i n g ( 轮询) 机制从它的所有可用节点中 下载媒体段，以维护整个p 2 p 媒体系统负载和性能的均衡。 本文将详细阐述这种基于p o l l i n g ( 轮询) 的p 2 p 流媒体传输协议，包括它的 设计思想、同步机制以及核心算法，并根据这个传输协议，用j a v a 语言编程实现 一个p 2 p 流媒体传输系统，使之与传统的c s 模式和非p o l l i n g 机制对比，体现本 协议在p 2 p 流媒体传输方面的优势。 6 绪论 1 3 2论文创新点 1 、本文提出了一种基于p o l l i n g ( 轮询) 的p 2 p 流媒体传输机制。对比传统的 c s 模式和非p o l l i n g ( 轮询) 机制，这种机制可以使p 2 p 流媒体系统中每一个用 户的下载速度随着系统参与者数量的增加而明显加快，使系统对每一个s e r v i n g p e e r 的性能要求和依赖度随参与者的数量的增加而明显减低。 2 、本文提出了一种在p 2 p 流媒体系统中管理内存的方法：环形缓存模型( 2 0 个轮询周期) 和三个核心算法：追赶算法，淘汰算法及同步算法。他们有效地保 证了流媒体系统的传输质量和传输速度，实现了流媒体的流畅播放。 3 、本文提出一个基于t o a 的任务分配机制。利用t o a 作为传输的基本单位 和传输能力的标志，和基于带宽的传输机制相比，可以有效简化系统复杂性，简 化传输检测机制和分析算法，从而减少系统的同步时间，提高了系统的实时性。 1 4论文结构 论文内容共分为六章，结构如图1 1 所示。 北京交通人学硕十学位论文 p 2 p 流媒体的传输协议和主要应用的说明。 第三章在上一章p 2 p 流媒体介绍的基础上，论述了本文提出的基于p o l l i n g 的 p 2 p 流媒体传输协议的设计目标、协议关系图、设计思想，和同步机制，这章是第 四章的系统实现的理论基础。 第四章介绍了基于传输协议的p 2 p 流媒体传输系统的设计与实现。其中包括 系统设计、系统工作流程说明、核心算发，以及主要功能模块的设计和实现。 第五章对基于传输协议的p 2 p 流媒体系统进行了测试和分析。首先展示了服 务器端和客户端的运行效果，之后通过对比分析，证实了该系统在传输性能上的 优势。 第六章总结本论文的主要工作，并对进一步的研究工作提出了展望。 p 2 p 流媒体技术概述 2p 2 p 流媒体技术概述 近年来，流媒体成为是网络视频信息传递的主要格式，流媒体应用在不断增 多，其中对q o s ( h 艮务质量) 的要求也不断提高。目前，结合p 2 p 网络系统具有负载 均衡、自适应、自组织和容错力强等优点，人们提出了把p 2 p 技术应用到流媒体 北京交通人学硕十学位论文 务。从本质上降低了对中心服务器的依赖，能够避免因为过度依赖产生的不良影 响。随着网络中对等节点数量不断的增加，网络所提供的资源也会更加丰富，服 务性能也越来越强。p 2 p 方式使信息数量、成本资源都向互联网络各节点均匀分布， 这样的模式符合彼此相当的社会关系形式，如个人对个人、规模相当的企业之间 等。【1 7 】 c s 模式与p 2 p 模式的通信方式如图2 1 所示： ( a ) e 嫩式( b ) p 2 p 模式 图2 1 - c s 模式与p 2 p 模式结构图 f i g u r e 2 1 - c sm o d ea n dp 2 pm o d e 对于实时音频、视频流数据传输应用作来说，p 2 p 模式大大改善了内容的流量 分布，解决了i n t e r n e t 不能为所传输的流媒体数据提供足够网络带宽的问题，同时 也极大程度缓解了流媒体服务器的压力，相比c s 模式，它具有无可比拟的优势， 因此，p 2 p 模式无疑是流媒体传输应用的一种更好选择。 2 1 3 p 2 p 网络的分类 1 集中式对等网络 第一代对等网络结构是集中目录式的模型。该模型由两类节点构成：一类是 对等节点p e e r ；一类是具有超级服务能力的中心服务器节点s e r v e r 。中心服务器负 责保存用户上传的文件索引信息和存放地址信息。当某个对等节点需要某个文件 时，该节点首先连接到中央服务器获取相关文件的地址信息，然后根据网络流量 和延迟等因素进行选择，并和合适的对等节点建立连接，最后开始传输文件。 n a p s t e r 就属于这种集中式对等网络模型。【1 8 】 这种集中式的对等网络模型优点主要在易实现，缺点主要是当中央服务器失 效时，整个系统会瘫痪，随着网络规模的扩大，中央目录服务器维护更新的费用 将急剧增加，所需成本过高，或者服务性能会急剧下降。基于以上分析可以得出： l o p 2 p 流媒体技术概述 p 2 p 对小型网络而言在管理和控制方面占有一定的优势，但对大型网络并不适合。 2 纯分布式对等网络 网络中没有服务器，节点之间构成一个分散式网络。通过基于对等网络协议 的客户端软件搜索网络中存在的对等节点，节点之i 日j 不必通过服务器，可直接建 立连接。这种p 2 p 网络模型优点在于允许用户设定自己的规则和建立自己的网络 环境；为与i n t e r n e t 合作，提供近似的即用特性；不仅能够在i n t e r a c t 下有效地工 作，而且对于l a n 和i n t r a n e t 也非常有用。存在的问题是：由于没有中心管理者， 网络节点难以发现；不易管理且安全性较差。此种类型的p 2 p 网络如：g n u t e l l a ， f r e e n e t 等。 纯分布式的p 2 p 模型没有中心化的问题，扩展性和容错性较好。但是也因此 没有一个对等节点知道整个网络的结构，而且网络中的搜索算法以泛滥的方式进 行，控制信息的泛滥消耗了大量带宽，并造成网络拥塞甚至网络的不稳定而导致 整个网络的可用性较差，另外，这类系统更容易收到垃圾信息，甚至是步毒的恶 意攻击。 p e e rb p e e ra 图2 2 一纯分布式p 2 p 模型 f i g u r e2 2 - p u r ed i s t r i b u t e dp 2 pm o d e l p e e re 北京交通人学硕十学位论文 p e e rb p e e r a 图2 3 一混合式p 2 p 模型 f i g u r e2 3 - h y b f i dp 2 pm o d e l p e e re 3 混合式对等网络 实际的p 2 p 系统大多使用混合式的方式。混合式的p 2 p 网络各节点之间可以 直接建立连接，但网络的构建需要服务器，通过集中认证，建立索引机制。然