流媒体覆盖网络组播模型研究

论文摘要

覆盖网络组播是利用用户节点端到端传输功能,在应用层转发数据的组播方式,相对网络层组播因协议复杂、可扩展性及部署维护费用等问题未能广泛部署,覆盖网络组播则由于不需要改变网络基础设施、易于实现和结构灵活等特点而受到重视,是大规模流媒体分发的重要方案。对于流媒体覆盖组播分发网络,需要考虑拓扑感知、容量/带宽约束及树深度、延迟、负载均衡等性能优化问题。本文针对覆盖网络组播关键问题,提出基于分层聚类的覆盖网络模型,覆盖网络在总体结构上根据节点位置分布进行分层位置聚类,以实现拓扑感知与提高网络效率;通过对聚类的分层管理与分层构建,简化构建算法和降低管理开销,提高结构可扩展性。在位置聚类方法方面,本文采用了以网络坐标计算网络距离为基础的位置聚类算法,并通过实验验证了该算法的有效性。通过对聚类覆盖网络组播树生长特点的分析,本文提出了基于节点适应度搜索父节点实现性能优化的聚类覆盖网络构建方法,并通过定义组合适应度函数实现兼顾负载均衡与树深度性能的多目标优化。理论分析和实验仿真表明,通过调节组合系数,能够在树深度和负载均衡性能优化之间取得适当的折衷,尤其相对于单目标优化,能够以一项性能的小幅降低换来另一性能较大提高,从而取得更好的综合性能。在约束条件处理方面,通过采用分步处理的二步法以较小的测量开销实现容量和带宽约束判断。为了降低构建算法开销,本文基于随机游走理论提出了基于预期适应度有偏游走（eP-RW）搜索父节点的构建算法,实验与仿真结果表明,在异质网络中构建多目标优化聚类覆盖网络时,基于有偏游走搜索的算法能以O（<dp（g）>）的游走步长取得接近全局搜索的性能;其中<dp（g）>（平均树深度）与网络规模存在对数关系并受网络异质性与组合系数影响;网络异质性和组合系数越大,平均树深度越小,同等性能所需游走步长越短。本文实现了流媒体覆盖网络组播分发的原型系统,并通过原型系统实验验证了聚类覆盖网络模型和构建算法是有效和可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 覆盖网络组播与IP 组播的对比分析
• 1.3 流媒体覆盖组播网络的关键问题分析
• 1.3.1 拓扑感知及延迟问题
• 1.3.2 容量与带宽约束问题
• 1.3.3 结构稳定性与树深度问题
• 1.3.4 负载均衡问题
• 1.3.5 构建与维护开销的可扩展性问题
• 1.4 研究现状与相关工作
• 1.4.1 流媒体覆盖网络分发模型分类
• 1.4.2 典型覆盖网络组播模型分析与比较
• 1.4.3 覆盖组播网络中的拓扑感知与负载均衡
• 1.5 论文的研究内容和主要贡献
• 1.5.1 针对的问题和研究内容
• 1.5.2 论文的主要贡献
• 1.5.3 论文的章节介绍
• 1.6 本章小结
• 第2章 覆盖网络组播的聚类分层构架与位置聚类算法
• 2.1 覆盖网络组播模型目标与总体构架概述
• 2.2 基于位置聚类的分层构架
• 2.2.1 基于位置聚类的分层构架描述
• 2.2.2 分层聚类的形成与管理
• 2.2.3 分层位置聚类的作用与意义
• 2.3 位置聚类过程与位置聚类算法
• 2.3.1 新节点的加入与位置聚类过程
• 2.3.2 位置聚类方法比较与选择
• 2.3.3 基于网络坐标的位置聚类算法
• 2.4 基于网络坐标的位置聚类实验
• 2.4.1 实验方法与实验过程描述
• 2.4.2 位置聚类实验举例
• 2.4.3 基于网络坐标的聚类方法效果讨论
• 2.5 本章小结
• 第3章 聚类覆盖网络模型与构建算法
• 3.1 聚类覆盖网络的数学描述与构建目标
• 3.1.1 聚类覆盖网络特点与构建目标分析
• 3.1.2 聚类覆盖网络的数学描述与模型参数定义
• 3.1.3 约束条件与性能指标描述
• 3.1.4 聚类覆盖网络构建目标描述
• 3.2 聚类覆盖网络组播树生长与构建算法分析
• 3.2.1 组播树生长与路径搜索问题的转化
• 3.2.2 容量与带宽约束的处理方法（二步法）
• 3.2.3 优化目标的实现方法与节点适应度函数
• 3.3 构建方法概述与构建步骤
• 3.3.1 加入请求与启动构建过程
• 3.3.2 父节点搜索
• 3.3.3 链路带宽约束判断与父节点选择
• 3.3.4 新连接的建立与节点参数更新
• 3.4 全局搜索与有偏游走搜索
• 3.4.1 基于全局优化选择的全局搜索
• 3.4.2 基于节点适应度的有偏游走搜索
• 3.5 基于有偏游走搜索的聚类覆盖网络构建算法
• 3.5.1 随机游走理论介绍
• 3.5.2 基于有偏游走搜索的网络构建过程概述
• 3.5.3 基于适应度函数的有偏游走与父节点搜索
• 3.5.4 多步游走与父节点选择
• 3.5.5 连接的建立与参数更新
• 3.6 异质网络中负载均衡目标的组播树构建与性能分析
• 3.6.1 负载均衡目标的适应度定义与网络构建
• 3.6.2 预期适应度与基于预期适应度的有偏游走（eP-RW）
• 3.6.3 异质网络环境下eP-RW构建负载均衡覆盖网络的性能分析
• 3.7 多目标优化的组播树构建与性能分析
• 3.7.1 同时考虑负载均衡与树深度性能的多目标优化与适应度定义
• 3.7.2 组合系数定理
• 和δ（rld） 的影响与多目标优化'>3.7.3 组合系数对和δ（rld） 的影响与多目标优化
• 与N,α及r的关系'>3.7.4 多目标优化中与N,α及r的关系
• 3.7.5 多目标优化中eP-RW 与全局搜索的性能对比
• 3.8 局部结构更新的覆盖组播树生长算法
• 3.8.1 问题的提出
• 3.8.2 局部结构更新的组播树生长的原则与目标
• 3.8.3 基于父节点位置交换的局部结构更新算法
• 3.9 聚类网络结构管理与维护
• 3.9.1 网络连接关系的记录与维护
• 3.9.2 节点退出与网络结构修复
• 3.9.3 备份连接维护与更新
• 3.9.4 节点的加入退出模型与备份节点列表更新周期估计
• 3.10 本章小结
• 第4章 流媒体覆盖网络分发系统的实现
• 4.1 上层网络功能实现与数据分发
• 4.1.1 会话元组与频道参数定义
• 4.1.2 上层网络数据分发
• 4.1.3 超节点选择、分层聚类的形成和管理
• 4.1.4 上层网络连接的建立
• 4.1.5 用户节点的接入管理与位置聚类
• 4.2 聚类覆盖网络的构建与数据分发
• 4.2.1 Peer 节点功能
• 4.2.2 聚类覆盖网络的构建
• 4.2.3 用户节点的 P2P 数据转发与本地播放
• 4.3 聚类覆盖网络的管理与维护
• 4.3.1 网络连接关系的维护与信息交换
• 4.3.2 数据拓扑连接关系的维护
• 4.3.3 冗余虚连接的维护和更新
• 4.3.4 节点退出与数据拓扑连接的修复
• 4.3.5 数据连接的数据传输状态检测与处理
• 4.4 聚类覆盖网络原型系统实验
• 4.4.1 实验设计与参数设置
• 4.4.2 实验结果与性能分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 与网络层组播及其它覆盖网络的比较
• 5.1 与网络层组播的比较
• 5.1.1 IP 组播与覆盖网络组播的优劣比较
• 5.1.2 聚类覆盖网络组播模型与IP组播的比较
• 5.1.3 组播技术的发展前景与建议
• 5.2 模型的特点及与其它覆盖分发网络的比较
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果