（计算机应用技术专业论文）p2p环境下获取实时多媒体资源性能的研究.pdf

摘要 随着网络和多媒体技术的发展，实时多媒体通信成为非常重要的研究领域。 目前，对如何在网络上获取实时多媒体资源有了很多重要的研究成果，然而将多 媒体技术与p 2 p 技术进行结合，能大大拓展这一领域研究的深度和广度。 本文通过对p 2 p 技术和多媒体技术的介绍，并分析相关领域的研究成果，提 出了一套p 2 p 环境下获取应用层实时多媒体资源的模型。这一模型的设计重点在 于其独特的网络叠加树生成机制及节点失效恢复机制。通过对模型进行理论上的 详细分析，我们将会发现模型在很多方面的优良特性。 与此同时，我们还通过在n s 模拟环境下对模型进行的测试，进一步比较了 本文所提出的模型与同类研究模型之间的优劣之处。测试的结果表明，新模型相 较于旧有模型而言，在绝大多数性能指标上都有显著提高。 网络多媒体传输是个新兴的研究领域，而在这一方面的研究有着很多的实际 意义。我们希望能通过我们的研究，带动实际问题的解决，使我们的生活变得更 加丰富多彩。 关键词：p 2 p ，实时，多媒体，应用层多播，叠加树，失效恢复 复旦大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，t h er e s e a r c ho fr e a l t i m em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h e r ea r em a n y r e s e a r c h e sa b o u th o wt og e tr e a lt i m em u l t i m e d i ar e s o u r c ef r o mn e t w o r ki nt h e s ed a y s h o w e v e r ，t h ec o m b i n a t i o no fp 2 pa n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g yw i l lb r o a d e nt h ed e p t h a n ds c o p eo ft h i sr e s e a r c hf i e l dg r e a t l y w i t ht h ei n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so ft h ep 2 pa n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，w e p r o p o s e dam o d e lo fa p p l i c a t i o nl e v e lr e a lt i m em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ni np 2 p e n v i r o n m e n t t h em o s ti m p o r t a n tp a r to fo u rw o r ki st op r o p o s et h en e t w o r kb u i l d i n g a n df a i l u r er e c o v e r ym e c h a n i s m w ec a nf i n dt h eg o o dp e r f o r m a n c eo fo u rm o d e lb y t h o r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i so fi t w ea l s ot e s t e do u rm o d e li nn ss i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t w i t ht h es i m u l a t i o nt e s t ， w ec o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eo fo u rm o d e la n do l dm o d e l t h et e s tr e s u l t s h o w st h a tt h en e wm o d e li sb e t t e rt h a nt h eo l dm o d e li nm o s ta s p e c t s n e t w o r km u l t i m e d i at r a n s a c t i o ni san e wr e s e a r c hf i e l da n dt h er e s e a r c hi nt i l i s f i e l dh a sm o r ep r a c t i c a lv a l u e w eh o p et h a tt h er e s o l v eo fp r a c t i c a lp r o b l e m sc a nb e p r o m o t e db yo u rw o r k w i t ht h es e t t l eo ft h ep r a c t i c a lp r o b l e m s ，w ec a nm a k eo u rl i f e m o r ec o l o r f u l k e y w o r d s ：p o i n tt op o i n t ，r e a lt i m e ，m u l t i m e d i a ，a p p l i c a t i o nl e v e l m u l t i c a s t ，o v e r l a yt r e e ，f a i l u r er e c o v e r y 复旦大学硕上论文v 第一章绪论 1 1 问题的提出及本文的贡献 为了提供实时的信息，许多电子媒体纷纷采用实况转播这一方式来将第一手 资料以最快速的方式呈现到观众面前。随着多媒体技术特别是流媒体技术的迅速 发展，相信在不久的将来，媒体工作者可以不再需要负担昂贵的卫星通信费用， 只需利用相对便宜的互联网络就可以实现实时多媒体信息的传输了。为了应对这 样一个发展趋势，我们希望能结合国内外相关研究成果，设计出一套支持实时多 媒体通信的网络模型。通过这套模型，媒体工作者可以更好地将最新信息通过网 络传送给广大用户。 p 2 p 网络是运行在互联网上的动态变化的逻辑网络，它是由一批运行同一个 网络程序的客户端彼此互连而构成的，客户端之间可以互相访问存储在对方驱动 器上的文件。p 2 p 网络有着结构灵活、负载分散等优良特性，因而使得在这一网 络环境下的信息的共享和交流变得更加方便。针对这些特性，我们的设想是在 p 2 p 的网络环境中来设计我们的实时多媒体通信模型，这样才能充分发挥p 2 p 网 络的优势，使系统的性能达到预期的水平。 由于网络传输的是实时多媒体资源，如何更好地保证传播的实时性和连续性 就成了另一个需要解决的重要问题。过去的网络多媒体转播一般都采用口层多 播技术，但由于i p 层多播主要是基于传统的c s 架构模式，在客户端数量不断 增加的情况下，服务器将成为系统性能的瓶颈。不少研究为此而提出了应用层多 播的解决方案：即通过在应用层的特定设置来使多媒体传播系统与p 2 p 系统进行 结合，这样的结合能够极大地拓展多媒体应用的深度和广度，使在网络环境下进 行多媒体实时资源的交流成为了可能。 我们可以发现，实时多媒体网络在信息传播上的最大特点在于它的实时性和 连续性。因此，这一网络通信技术发展的关键点也就在于能否解决诸如新节点加 入时间过长、系统节点失效恢复成功率和效率过低等问题。在本文中，作者通过 对系统进行了分层和集群化的建构，在此基础上提出了诸如节点加入和失效恢复 等一系列关键机制，这些机制不但能有效地解决上述问题，还可以通过简单的参 数修改来使其能够应用于不同的网络环境之中。 为了对本文提出的模型的相关性能进行验证，我们在n s 网络仿真环境下对 这些机制进行了模拟，并将模拟结果同传统的模型进行了对比。通过模拟，我们 复旦大学硕士论文 对模型进行了深入的分析研究，对于模型的某些不足之处，我们也提出了相应的 改进建议。 1 2 章节内容安排 下面的内容共分为五个部分 第二章主要论述了p 2 p 网络技术的特点、结构和应用。 第三章主要论述了实时多媒体系统和应用层多播，并对p 2 p 环境下的实时多 媒体系统的相关应用进行了探讨。 第四章详细阐述了本文提出的实时多媒体通信网络模型，从模型的基本概念 入手，对p 2 p 叠加树的生成、节点失效恢复等方面提出了一系列解决方案，并进 行了简要分析。 第五章是在n s 环境下的模型仿真，对第四章提出的机制的可行性进行了验 证和分析，并提出了意见和建议。 第六章是总结与展望。 复旦大学硕士论文 2 第二章p 2 p 网络技术 近几年来，p 2 p 网络( 也叫对等网络) 逐渐成为国际计算机网络研究的一大热 点，被财富等著名杂志誉为将改变互联网未来的四大新技术之一。目前，很 多著名的公司和研究机构都投入了对p 2 p 技术的研究之中。 2 1p 2 p 技术基础 p 2 p 是p e e r t o p e e r 的缩写。p e e r 在英语里有“( 地位、能力等) 同等者”、 “同事”和“伙伴”等意义。因此，p 2 p 也就可以理解为“伙伴对伙伴”的意思， 或称为对等联网。 目前，业界对p 2 p 的定义还没有一个标准的说法，i n t e l 将p 2 p 技术定义为 “通过系统间的直接交换达成计算机资源与信息的共享”，这些资源与服务包括 信息交换、处理器时钟、缓存和磁盘空间等。i b m 则对p 2 p 赋予了更广阔的定义， 把它看成是由若干互联协作的计算机构成的系统并具备如下若干特性之一：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：系统中成员同时扮演服务器与客户端的角色；系统 应用的用户能够意识到彼此的存在而构成一个虚拟或实际的群体 1 。 简单地说，p 2 p 技术是一种用于不同p c 用户之间、不经过中继设备直接交 换数据或服务的技术，它包含下面两个基本含义： p 2 p 通信模式 这种模式区别于传统的客户机服务器( c 1 i e n t s e r v e r ) 或者主从 ( m a s t e r s l a v e ) 模式，每个通信方都具有相同的能力，并且每个通信方都 可以发起一个通信过程。图2 1 分别显示了传统的c s 模式与p 2 p 模式架构。 c e n u s e w 甜m o d e ip z pm o d e l 图2lc s 模式架构与p 2 p 模式架构 复旦大学硕士论文 p 2 p 网络 p 2 p 网络是运行在互联网上的动态变化的逻辑网络。这个网络是由一些运行 同一个网络程序的客户端彼此互连而构成的，客户端彼此间可以直接访问存 储在对方驱动器上的文件。 p 2 p 的出现使得网络上的沟通变得更容易、用户可以直接共享和交互而不必 借助中间商，不用像过去那样必须连接到服务器才能浏览与下载。p 2 p 另一个重 要特点是改变了互联网以大网站为中心的格局、重返“非中心化”，并把权力交 还给用户 2 2 。 p 2 p 看起来似乎很新，但是正如b 2 c 、b 2 b 是将现实世界中很平常的东西移 植到互联网上一样，p 2 p 的理念也是来源于生活在现实生活中我们每天都按 照p 2 p 模式面对面地或者通过电话交流和沟通。 2 2p g p 技术的产生与发展 2 2 1p 2 p 技术的产生 p 2 p 并非一种全新的技术，虽然p 2 p 这个术语是最近才发明的，但早在2 0 世纪七十年代，p 2 p 就已出现。那时，互联网刚刚出现，p 2 p 技术是当时互联网 上应用最广泛的技术之一，因为那个时候并没有中心服务器、门户站点这样的概 念，每一个网络用户都同时担当了服务器和客户机的角色，这恰恰体现了p 2 p 网 络的基本特征。在形形色色的应用中，最具代表性的就是u s e n e t 和f i d o n e t 这 两种非常成功的分布式对等网络。 u s e n e t 产生于1 9 7 9 年，能够为各个地方提供新闻组。u s e n e t 最早的雏形由 是两名研究生t o mt r u s c o t t 和j i me 1 1 i s 实现的。当时并没有任何类似于互 联网上“随选”信息 1 的概念，文件只能通过电话线批量传送，且常常选在长 途费用比较低的夜间进行。因此，当时的u s e n e t 若还是采用集中式的控制管理 方法将使网络的效率低下，所以自然而然地就提出了一种分散、分布式的管理方 法，这种分布的结构一直沿用到今天。 随之不久，p 2 p 网络的另一早期代表f i d o n e t 也被提出并建立起来。在1 9 8 4 年，t o mj e n n i n g s 创建了f i d o n e t 系统，可以让不同b b s 系统中的用户们互相 交换信息。f i d o n e t 和u s e r n e t 类似，也是一种分散、分布的信息交换系统。这 种技术因其符合人们的需求而得以迅速成长，并一直沿用到今天。 u s e n e t 和f i d o n e t 都是值得探究的系统，因为它们在多年前就遇到并解决 复旦大学硕士论文 d 了许多当今p 2 p 技术所嘲临的同样问题，同时也还存在着安全性以及其他一贱 问题，可以激是现在p 2 p 技术的早期雏形。然而，遗蝗技术并没有得到真正意义 上熬广迂庭麓，p 2 p 技术瓣犬褒攘痤藤怒添于文 孛交换系统n a p s t e r 靛窭现。 2 2 2p 2 p 技术的发展 在滚寂了多年| 奠矗，n a p s t e r 谴p 2 p 耋薪目到了久销静裁鹭中。n a p s t e r 狻 术是在1 9 9 9 年由仍在美翻东北大学就读的s h a w n f a n n i n g 开发成功的，它是一种 音乐共享软件，开创性地谯互联网上推出了音乐交换服务，利用它，用户可以搜 索、下载缎鼗诗算瓤里存键瓣m p 3 文黪。除藏之步 ，n a p s t e r 还掩供了谤魏实瓣 消息交互、聊天室等其它鼹型的p 2 p 特性应用 3 4 。 n a p s t e r 使得参与网络的各个主机都能够提供服务，同时也可以享受到来自 掰有其他主糗掰提供的臌努。由于这季【 方式免费丽且方便，所以在缎短的时闽内， n a p s t e r 藏产生了巨大的影响力；刭2 0 0 1 年，它藏融经拥有了5 0 0 0 万静登记会 员。但由于纯费下载歌曲涉及到版权问题，很快，n a p s t e r 就被多家唱片公司街 上了法庭。 毽这一甥并没有疆搂p 2 p 技寒继续羯蔻发震，嚣淹p 2 p 这耱耀缮应楚模式隧 着n a p s t e r 的推广已经深入人心。在n p a p s t e r 之焉，各种各样的p 2 p 软件层 矗 不穷：e m u l e 、k a z a a 、e z p e e r 、s h a r e a z a 、e d o n k e y 、b t 等文件交换软件；i c q ， 姻，m s n m e s s e n g e r ，y a h o o 通等即时通信软传；以及以s k y p e 为代波的语音通信 较件。正是这么多软彳串形成了p 2 p 应用西花齐效的稀甏，也让我们看餮了p 2 p 瓣 光明的未来。 从p 2 p 技术的发展轨迹来看，它与互联网技术的发展是一致的，那就是从技 零导恿逐澎转淘枣场导囊，麸专| 霪矮户遴渗转交碧逶建户。这毽意猿着，这些技 术的影响力将从纯技术层蕊转向经济、文化与社会艨面。 作为一种越来越具有普遍应用价值的技术，p 2 p 对于未来的网络传播特性的 影响虽然还一对漆以做出全露捶述，假跫影嚷正在开始嚣且会继续，这正缘w 嬲 技术一样。w 瓣豹普及，程很大程度上键避了网络佟为“集中式”的大众媒体黥 属性的形成，在这一大众媒体中，某些网站充当了储息传播的主导者，这与传统 媒体的特权地位是一脉栩承的。而p 2 p 技术则有可能会使网络成为一种更趋向 “分毒式”豹大众攥荟，在暴套太众媒体懿嚣萌力瓣鏊疆土，蘸终豹信意筵攥缮 构会发生较大的变化，这跑就意味着信息的来源与流向会产生较大变化。 复旦大学顿士论文 2 2 3p 2 p 技术的研究方向 p 2 p 是一种基于网络环境的新的应用型技术，主要为软件技术，它涵盖了以 下这些基本层面： 通信基础 对于互联网上众多计算机，p 2 p 应用比其他应用要更多考虑那些低端p c 的互 联，它们不具备服务器那样强的联网能力。同时对于以往的p 2 p 应用技术， 现在的硬件环境已经更为复杂，这样在通信基础方面，p 2 p 必须提供在现有 硬件逻辑和底层通信协议上的端到端定位( 寻址) 和握手技术，建立稳定的 连接。它涉及的相关技术包括i p 地址解析、n a t 路由及防火墙等。 应用 如果两个p e e r 分别代表两家不同的公司，而且它们已经通过互联网建立连 接，那么一方的信息就必须为另一方所识别，所以当前互联网上关于数据描 述和交换的协议，如x m l 、s o a p 、u d d i 等都是一个完善的p 2 p 软件所要考虑 的。 安全保障 有通信就要有安全保障，加密技术是必须要考虑的。 其他方面 其他方面需要考虑的还有诸如如何设置中心服务器，如何控制网络规模等。 目前，正式的p 2 p 组织尚未成立。2 0 0 0 年8 月间成立的p 2 p 工作组，成员 包括i n t e l 、i b m 、h p 等大企业，目标集中在p 2 p 技术的标准、安全性及可靠性 等等。但由于p 2 p 技术本身发展迅速，p 2 p 技术涵盖的范围也尚未确定，目前尚 未有统一的规范 1 。 2 3p 2 p 网络的基础模式结构 总体来说，p 2 p 模式的变化经历了集中式、分布式和混合式3 个阶段。p 2 p 技术起源于文件交换技术，在p 2 p 的发展过程中，文件交换技术的演变最具代表 性。下面，我们就这几种不同形式的p 2 p 网络模式结构进行探讨，并给出相关的 实际案例。 复旦大学硕士论文 2 3 1 集中式p 2 p 网络 集中式p 2 p 模式通过一个中心服务器来负责记录共享信息以及这些信息查 询的反馈信息。在这种模式下，每个对等实体必须对它所共享的信息以及正在进 行的通信负责，并可根据自身需要来下载其他对等实体上的信息，如图2 2 。 这种网络模式具有中心化的特点，但是它不同于传统意义上的 c 1 i e n t s e r v e r 模式。因为传统意义上的c s 模式采用的是一种垄断的手段，所 有资料都存放在服务器上，客户机只能被动地从服务器上读取信息，客户机之间 也不具备交互能力。而集中式p 2 p 模式则是将所有网上提供的资料都存放在提供 该资料的客户机上，服务器只保留索引信息，服务器与对等实体以及对等实体之 间都具有交互能力。n a p s t e r 提供m p 3 下载服务的模式就是一种集中式对等网络 模式。 2 2 s e r v e r p e e r 图2 2 集中式p 2 p 网络 集中式p 2 p 模式存在着很多问题，主要表现为： 中央服务器的瘫痪容易导致整个网络的崩溃，可靠性和安全性较低。 随着网络规模的扩大，中央目录服务器维护和更新的费用将急剧增加，所需 成本过高。 中央服务器的存在引起共享资源在版权问题上的纠纷 缺乏有效的强制共享机制，资源可用性差。 总体来看，集中式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。 复旦人学硕士论文 2 3 2 分布式p 2 p 网络 在分布式p 2 p 中，对等机通过与相邻对等机之间的连接遍历整个网络体系。 每个对等机在功能上都是相似的，并没有专门的服务器，而对等机必须依靠它们 所在的分布网络来查找文件和定位其他对等机。g n u t e l l a 、e d o n k e y 和e m u l e 就 是分布式p 2 p 的典型代表。分布式p 2 p 网络结构如图2 - 3 。 2 2 霪：儡。p ，e 扛、 、，y ? 惫一嘉 寨撼：意套 、岔：二二汽”“ 以g n u t e l l a 网络为例，一台新对等机首先通过访问某特殊站点提供的“主 机缓存服务”( h o s tc a c h es e r v i e e s ) 机制来得到一台活动对等机地址，通过 与它建立一个连接将自己接入g n u t e l l a 网络；接着，该新对等机主动探查网络 中的其它对等机，找到与之相邻的对等机节点，在进行文件查找时，该对等机首 先向与之相邻的所有活动对等点发送一个查询描述符q u e r y ，在其他对等机接收 到该查询描述符后，检查本地是否有符合查询请求的文件内容，如果有，则按查 询描述符的发送路径返回一个查询响应描述符q u e r y h it ，无论本地是否存在符 合查询请求的文件内容，其他对等机都会将该查询包通过扩散方式继续在网络中 传递，直至查询包中t t l ( t i m eo fl i f e ) 属性值递减为0 时才停止继续转发。 一旦定位了响应查询文件的对等机之后，就与响应对等机建立t c p 连接，通过 h t t p 协议从响应对等机中下载自己查询的文件。文件的传输不再经过g n u t e l l a 网络进行。 分布式对等网络模型也存在很多弊端，主要表现在： 响应时间长 搜索请求要经过整个网络或者至少是一个很大的范围才能得到结果，因此， 复旦大学硕士论文 8 这种模式占用很多带宽，而且需要花费很长时间才能有返回结果。 网络流量大 随着网络规模的扩大，通过扩散方式定位对等点及查询信息的方法将会造成 网络流量急剧增加，从而导致网络拥塞，最终使g n u t e l l a 网络被分片，使 得查询访问只能在网络很小的范围内进行，因此，网络的可扩展性不好，不 适合大型网络。 应用范围窄 纯分布式的p 2 p 模式很难被企业所利用，因为它缺少对网络上的用户节点数 以及对他们提供的资源的一个总体把握。 安全性差 网络容易遭受恶意攻击。例如攻击者发送垃圾查询信息，可造成网络拥塞。 分布式p 2 p 网络不再是简单的点对点通信网络了，而是更高效、更复杂的网 络通信系统。它引入了强制共享机制，在一定程度上避免了第一代p 2 p 纯个人服 务器管理所带来的随意性和低效率。 2 3 3 混合式p 2 p 网络 集中式p 2 p 有利于网络资源的快速检索，并且只要服务器能力足够强大就可 以无限扩展，但是其中心化的模式容易遭到直接的攻击；分布式p 2 p 解决了抗攻 击问题，但是又缺乏快速搜索和可扩展性。混合式p 2 p 结合了集中式和分布式 p 2 p 的优点，在设计思想和处理能力上都得到了进一步的优化。它在分布式模式 的基础上，将用户节点按能力进行分类，使某些节点担任特殊的任务。 这些节点共分为3 种： 用户节点 普通节点，它不具有任何特殊的功能。 搜索节点 处理搜索请求，从它们的“孩子”节点中搜索文件列表，这些节点必须有1 2 8 k b i t sr a m 的网络连接速度，建议使用高性能的处理器。 索引节点 连接速度快、内存充足的节点可以作为索引节点。索引节点用于保存可以利 用的搜索节点信息，并搜集状态信息，维护网络结构信息。 图24 即为混合式p 2 p 网络模式。这种模式的关键之一是引入了索引节点， 索引节点不会直接连接到有版权的资料上，它就像搜索引擎一样，只是搜索和所 复旦大学硕士论曼 9 需资料相关的地址，至于用户到底连接下载了什么内容则和它无关。这种模式的 关键之二是引入搜索节点，搜索节点管理着所属用户的文件列表。 用户节点通过索引节点获得搜索节点信息，之后用户节点就与获得的搜索节 点相连，每一次查询都通过该搜索节点进行。当用户发出搜索请求后，如果和用 户节点直接相连的搜索节点查询结果达到1 0 0 个( 这里的1 0 0 个搜索结果，可以 由用户自己来设定) 就停止；如果不足1 0 0 个，就向相邻的搜索节点发出请求， 如果查询结果还不够，就继续向外快速发散，直到所有的搜索节点都被搜索到为 止。若所有的搜索节点都被访问过，就意味着整个网络上的节点都被搜索到了， 这种搜索模式的速度要比纯p 2 p 模式快得多。b t 是第三代混合式p 2 p 网络的典 型代表。 1 曰 图2 - 4 混合式p 2 p 网络 2 4p 2 p 网络技术的应用及与现有互联网技术的比较 2 4 1p 2 p 技术的应用 p 2 p 给互联网的分布、共享精神带来了无限的遐想，与此同时，p 2 p 是一种 思想，它指引了一种技术方向，其应用方式是多种多样的，它的开发广度，直接 影响着它的应用深度。 从目前的应用来看，p 2 p 技术的主要应用方向可分为： 文件和其他内容共享 例如n a p s t e r 、g n u e l l a 、c a n 、e d o n k e y 、b t ( b i t t o r r e n t ) 等是这方面的 应用实例。 复旦大学硕士论文1 0 对等计算能力和存储共享能力 例如s e t i h o m e 、a v a k i 、p o p u l a rp o w e r 等应用。 协同处理与服务共享平台 例如j x t a 、m a g i 、g r o o v e 、n e tm ys e r v i c e 等。 即时通讯交流 例如i c q 、o i c 0 、y a h o om e s s e n g e r 、m s n 等。 通讯与信息共享 例如c 1 i q u e n e t 、c r o w d s 、o n i o nr o u t i n g 等。 从上面这些应用方式来分析，p 2 p 应用中包含了几个关键特点，即：“信息”、 “通信”、“存储能力”和“计算能力”。 首先是信息和通信，p 2 p 本质上是一种信息通信模式，只是它与传统的信息 交流模式存在着结构上的差别，研究和应用p 2 p ，我们的着眼点应当放在如何提 高p 2 p 信息通信的效率、稳定性、安全性等相关问题上。 其次则是存储能力和计算能力，这涉及到了现实问题。在现有的网络环境下， 网络的存储能力和计算能力这些资源都是有限的，p 2 p 正是为了如何更好地利用 和发挥这些有限资源而不断向前发展的。 虽然随着计算机硬件设施能力的提高，计算机在存储和计算能力上一直在取 得进步，但人类对计算机网络应用方面的需求也在同步增长，应用方面增长的需 求必将对计算机的存储和计算能力提出更高的要求。所以说，计算机的存储和计 算能力与现实需求相比永远是一对矛盾，这也从另一方面道出了p 2 p 应用技术在 可预见的将来还将有着极大的发展潜力。 2 4 2p 2 p 技术与现有互联网技术的比较 目前互联网主要技术模式是c s 方式，这一方式需要在互联网上设置拥有强 大处理能力和大带宽的高性能计算机，配合高档的服务器软件，再将大量的数据 集中存放在上面。还要安装多样化的服务软件，在集中处理数据的同时可以对互 联网上其他p c 进行服务，提供或接收数据，提供处理能力及其他应用。 对于一台与服务器联机并接受服务的p c 机来说，这台p c 机就是客户机，其 性能可以相对弱小。而p 2 p 技术的特征之一就是弱化了服务器的作用，甚至取消 服务器，任意两台p c 互为服务器，同时又是客户机，即对等 1 。 下面是p 2 p 网络与传统c s 模式在一些特性方面的介绍： c s 方式造成互联网络上的集中，无论信息资源还是成本资源均向同一方向 集中，这样的模式符合一对多、强对弱的社会关系形式，如政府对个人、对 复旦大学硕上论文 企业，大企业对小企业，学校对学生，企业对职工等等关系。所以c s 方式 是符合市场需求的。 p 2 p 方式将导致信息数量、成本资源都向互联网各点均匀分布，也就是所谓 “边缘化“的趋势。此模式符合“一对一”的特点，以及彼此相当的社会关 系形式，如个人对个人，规模相当的企业之间，等等，这也是符合市场需求 的( 如i c q ) 。 从上面这些地方可以发现，在可预见的将来，这两种通信会长期共存，有关 p 2 p 即将替代c s 模式的说法是不成立的。但从长期来看，p 2 p 凭借其优良的特 性，是现有互联网技术的发展方向之一，这一点是毫无疑问的。 复日大学硕十论文 第三章实时多媒体通信与p 2 p 架构的应用 在这一章中，我们主要谈谈实时多媒体通信技术及其在p 2 p 架构下的应用等 方面，实时多媒体通信技术和p 2 p 技术的结合将给很多问题的解决带来广阔前 景。 3 1 多媒体技术研究 3 1 1 多媒体技术简介 1 ) 媒体 说到多媒体，就不可避免地要谈到媒体。在日常生活中，我们经常接触到形 形色色的媒体资源，那什么是媒体呢? 简单地说，媒体是信息表示、传播和存储 的载体。国际电报电话咨询委员会( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo fi n t e r n a t i o n a l t e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e ，c c i t t ) 曾给出了一个媒体的分类，他们将媒体分为： 感觉媒体、表示媒体、显示媒体、存储媒体和传输媒体这五类 3 0 。 感觉媒体 直接作用于人的感官，能使人产生直接感觉的媒体。 表示媒体 为传输对感觉媒体所做的各种编码。 显示媒体 为了信息通信而把电信号和感觉媒体互相转换的媒体，它又分为输入显示媒 体和输出显示媒体两类。 存储媒体 为了用于存放表示媒体，以便随时可以调用的介质。 传输媒体 用于传输表示媒体的物理实体。 2 ) 多媒体 在信息社会，人们迫切希望计算机能以人类习惯的方式提供信息服务，因而 多媒体技术应运而生。它的出现，使得用户不仅可以通过文字信息，还可以通过 直接看到的影像和听到的声音，来了解感兴趣的对象。我们将从下面几个方面对 多媒体做一些探讨。 多媒体是一种全面的综合性的信息资源，人们很难为多媒体给出一个精确定 复旦大学顾士论文 义。综合大多数的观点，我们大体可以认为：多媒体是结合了文字、资料、图形、 影像、动画、视讯、声音、特殊效果，再通过计算机数字化处理综合为一体，并 用在信息传播过程中的媒体资源；而多媒体技术则是把声音、文字、图形、图象 等多媒体信息通过计算机进行数字化处理和通信技术相接合开展各种应用而形 成的一种综合技术。 3 ) 多媒体技术的发展历程 1 9 7 2 年，以第一款8 位处理器i n t e l 8 0 0 8 问世作为标志的第四代计算机出 现了，虽然简陋但却具备了发展多媒体技术的前提，使其成为多媒体技术发展的 开端 3 9 。 多媒体技术初露端倪是x 8 6 时代的事情。显示芯片的出现标志着电脑已初具 处理图像的能力，但是这不能说明当时的电脑可以发展多媒体技术，因为多媒体 技术的关键之一声音处理技术还没有出现。 直到8 0 年代末期，多媒体技术才得到了进一步的发展：1 9 8 7 年8 月，创新 音乐系统( c m s ) 问世。这张声卡的出现，不仅标志着电脑具备了音频处理能力， 也标志着电脑的发展终于开始进入一个崭新的阶段：多媒体技术发展阶段。自此 以后，多媒体技术发展之速让人惊叹不已。但无论在技术上多么复杂，在发展上 多么混乱，似乎有两条主线可循：一条是视频技术的发展，一条是音频技术的发 展。 从a v i 出现开始，视频技术进入蓬勃发展时期。这个时期的三次高潮分别是 a v i 、s t r e a m ( 流格式) 以及m p e g ：a v i 的出现为计算机视频存储奠定了一个标准； s t r e a m 使网络传播视频成为了非常轻松的事情；m p e g 则是将计算机视频应用进 行了最大化的普及。音频技术的发展大致经历了两个阶段：一个是以单机为主的 w a v 和m i d i ；一个就是网络音乐压缩技术的发展。可以说，多媒体技术的发展和 数字化技术的发展密不可分。 多媒体正迅速地改变我们生活的方方面面，由此也产生出了诸多研究领域， 下面我们将对多媒体技术的特点和研究方向作基本介绍。 4 ) 多媒体技术的特点 多媒体技术概括起来有以下这些基本特点： 集成性 多媒体技术的集成性是指将多种媒体有机地组织在一起，共同表达一个完整 的多媒体信息。 交互性 复旦人学硕士论文 交互性是指人和计算机能“对话”，以便进行人工干预控制。 数字化 数字化是指多媒体中的各个单媒体都是以数字形式存放在计算机中。 实时性 多媒体中的一些资源( 如声音和图像) 是与时间密切相关的，这就决定了多 媒体技术必须要支持实时处理。 5 ) 多媒体技术的研究方向 多媒体技术是基于计算机技术的综合技术，从目前来看，多媒体技术的主要 研究方向可分为六大类，分别是：多媒体技术基础；人机交互；多媒体文档和数 据管理；通信技术支持：分布式多媒体和多媒体应用 3 3 。 每一类还包含有一些具体的分支。 多媒体技术基础包含有编码、数字水印、虚拟现实、同步模拟等分支。 人机交互包含有交互界面与多模态接口、可穿戴计算机、生物特征的身份识 别等分支。 多媒体文档及数据管理包含有超媒体和超文本、多媒体数据库、基于内容的 多媒体检索等分支。 通信支持技术包含有q o s 、组播、实时传输控制等分支。 分布式多媒体包含有c s c w 、会议系统、流化技术、系统设计等分支。 多媒体应用包含有远程教育、g i s 与数字地球、远程监控、其它应用与实现 技术等分支。 3 1 2 多媒体通信及其特点 作为多媒体技术的一个分支，多媒体通信有其独特的地方。 数据量大 多媒体的最大特点是信息量比较大，特别是音频和视频数据。如对于视频若 采用3 0 帧秒，每幅7 2 0 x 4 8 6 像素，每个点8 位y ，u ，v 值的彩色空间，一分钟 的视频数据量就高达6 3 0 m b ，对于如此大的多媒体数据在存储和传输时必须要进 行压缩，但即便如此，在网络传输时对网络带宽的压力仍然很大。 实时性强 多媒体数据中音频和视频数据是对时间敏感的连续媒体，这些信息只有在它 特定的时间范围内才有效。因此这些信息的传送需要保证其时间约束，在某一特 定的时间范围内，必须发送一个特定的数据，这样就要求网络为这些信息传送分 配相应的同步带宽。 墓旦大学硕士诒文1 5 但这种实时又不同于一般我们所指的强实时( h a r dr e a lt i m e ，h r t ) ，它允 许出现一定的传输错误及数据丢失，这一点降低了对网络中错误校验和可靠性控 制的要求。 对传输延迟和抖动性的要求高 多媒体信息是连续性的媒体，在视频中，只有每秒连续传送大于3 0 帧，才 使人感觉到是连续的动态图象。这就在视频传输过程中要求每一帧的采集、压缩、 传输、解压缩、播放整个过程必须在很短的时间内完成。延时抖动( d e l a yj i t t e r ) 是要求视频数据以常数时间间隔播放每一帧，时延抖动越大，失帧数和缓存就越 大，因此视频数据传输中一定要控制它的延时抖动。 媒体间要严格同步 音频和视频的多媒体数据是一种连续性和时问相关的媒体数据，如果音频视 频不同步，送到用户就毫无意义。在传输过程中，不管是统一的系统流还是分离 的媒体流，都要求有严格的同步关系才行。 3 1 3 多媒体通信的网络支持 多媒体网络是在现有网络的基础上，随着多媒体技术应用而出现的，目前的 绝大多数多媒体通信业务都是在现有的各种网络的基础上发展而来的。通过对现 有网络进行改造，现在的很多网络都在向提供多媒体通信业务的方向发展。 下面我们将分别对当前的计算机通信网络在对多媒体通信服务上的支持能 力进行一下简要分析： 局域网( l a n ) 、广域网( w a n ) 、城域网( m a n ) 在各类局域网中，在当今世界上应用最广泛的应当数以太网和令牌环网了。 它们采用共享信道、多路复用和交换技术来实现在一定区域内相互通信和共享资 源。但由于历史原因，以太网系列一直采用i e e e 的8 0 2 3 标准中的载波监听多 路存取冲突检测机制( c a r r i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s s c 0 1 l i s i o n d e t e c t i o n ，c s 雌c d ) 3 9 ，这使得网络在重负载的情况下，不能保证时延和延迟 抖动，更不能提供优先级服务，很难支持多媒体实时通信。而令牌环网则可以通 过建立一种可行的通信平台来支持有限的多媒体流和多媒体应用。 光纤骨干网( f d d i ) 光纤骨干网( f d d i ) 是2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术和光电子技术的发展而 发展起来的网络接口技术。f d d i 具备高速数据传输速率，高抗电磁干扰以及信 号传输衰减小等特点，还具有地理覆盖范围大，允许高数据负荷，具有实时优先 访问等性能。但f d d l 支持多媒体通信需要额外带宽管理机制，这将降低f d d i 的 有效带宽。 复且大学硕士论文 1 6 分组交换( x 2 5 ) 和帧中继网( f r n ) 分组交换网是以c c i t t 的x 2 5 为基础，因此也叫x 2 5 网。x 2 5 的处理要 求及窗口机制使x 2 5 只能支持2 m b s 的带宽，无法保证时延及时延波动要求， 因此不适合多媒体通信。 为了克服x 2 5 的这些缺陷，开发了帧中继( f r a m er e l a y ，f r ) 技术。帧中继 将用于保证数据传输安全和可靠性的任务交由用户端来完成，其带宽可以达到 4 5 m b s 。但由于不支持多地址广播，而且在负载重时时延不可预测，故只能有限 地支持多媒体通信。 基于异步转移模式( a i m ) 技术的综合业务数字网( i s d n ) i s d n 是以支持多媒体通信为主的综合业务数字网，分为窄带i s d n ( n i s d n ) 和宽带i s d n ( b - i s d n ) 。宽带综合业务数字网的各种传输性能非常优秀，它可以 与异步转移模式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，a i m ) 相结合来实现高速传输综 合业务信息的能力。 a i m 具备了很多优点：提供高速带宽；灵活性强；具有良好的可缩放性和集 成性；提供了点对点和点对多点的连接结构：对用户信元透明：互通性好：已被 标准化。所以，基于a t m 的i s d n 是一种非常适合多媒体通信的网络。 3 2 实时多媒体通信解决方案探讨 3 2 1i p 层多播和应用层多播 随着互联网应用的逐步深入，网络多媒体实时通信技术得到了迅速发展。目 前的网络多媒体实时通信架构主要是传统的c s 架构模式，在这种模式下，随着 客户端数目的不断增加，服务器成为了系统进一步扩张的瓶颈所在。为了应对这 一问题的解决，i p 层多播( i pl e v e lm u l t i c a s t ，i p l m ) 受到了越来越多的研究 人员的注意 1 1 。 i p 层多播( 也称多址广播或组播) 技术，是一种允许一台或多台主机( 多 播源) 发送单一数据包到多台主机( 一次的，同时的) 的t c p i p 网络技术。i p 多播在节省网络带宽，保持网络结构的有序性和可控性方面有着很好的表现。 但i p 多播技术至今还无法得到大规模普遍应用，这主要是因为还有以下这 些因素的存在： 扩展性不佳 多播路由器需要记录每个多播组群的状态，使其成为网络瓶颈之所在。 对传输层以上层功能的支援性不够 复旦大学硕士论文 如可靠多播，拥塞控制等方面，目前还没有具体有效的解决方法。 网络服务提供者不支持i p 多播 由于无法普遍应用目前的网络，且在收费机制方面的技术无法得到突破，目 前只有少数网络服务提供者支持i p 多播。 为了解决这些问题，很多研究着提出了应用层多播( a p p l i c a t i o nl e v e l m u l t i c a s t ，a l m ) 的概念 2 ，希望将原来的多播服务由原来的网络层改为应用层 来提供。随着相关架构技术的日益成熟，应用层多播技术目前已经成为解决网络 多媒体实时通信的主要研究方向之一。 3 2 2 应用层多媒体多播研究概述 为了使多播服务能在当今网络架构下得到普遍应用，提出了应用层多播的技 术解决方案。在应用层多播网络中，数据是通过同一多播组群中节点间建立单播 ( u n i c a s t ) 联系所形成的树状叠加网络( o v e r l a yn e t w o r k ) 来传输的，这样的网络 结构也被称为叠加树( o v e r l a yt r e e ) 。 使用应用层多播架构的优点在于：一、应用容易。应用层多播与现今网络架 构相符，不许要对现有的网络协议及软件进行改变。二、扩展性好。应用层多播 不需要所有的网络路由器都支持i p 层多播功能，包转发功能主要由群组成员或 特定的服务器来负责，路由器不需要记录多播群组的状态，也不会再成为网络的 瓶颈。i p 多播和应用层多播之间的比较如图3 1 。 1 1 a ) p e e r t o - p e e rc o m m u n i c a t i o n s u s i n ga p p l i c a t i o nm u h i c a s t f b ) p e e r t o p e e rc o m m u n i e a t i o n s u s i n gi pm u l t i c a s t i n g 图3 - 1i p 层多播和应用层多播 目前有关应用层多播的研究主要针对以下两个方面： 叠加树的建立 主要探讨在不同网络环境下( 如高带宽，低传输延迟等) ，新节点如何加入叠 复旦大学硕上论文 加树的问题。 叠加树的维护 主要探讨网络节点离开移动的网络恢复，叠加树路径最佳化等问题。 从叠加树的建立方式对叠加树