基于P2P的可靠流媒体传输技术研究与系统实现

论文摘要

随着互联网络的飞速发展使得流媒体技术得到了更为广泛的应用,并逐步取代传统的VOD。现有的基于VOD模式多媒体点播系统,用户必须先下载视频片段（视频帧）,然后等待一个或几个视频帧下载完毕才可以播放。因此中心服务器将成为系统性能的瓶颈[1-2]。P2P网络结构能够充分利用客户节点处理能力,在提高系统整体负载能力的同时提高了系统的稳定性。P2P网络中,每个终端也称节点同时具有客户端和服务器功能,每个节点将接收的内容缓存并提供给其他请求节点,这充分挖掘了Internet上被忽视的客户机资源,在利用率、扩展性、容错等方面具有巨大潜力。把P2P引入流媒体服务,将打破传统的客户/服务器模式,使服务分散化,从而减轻服务器负载并支持更大范围流媒体发布,具有潜在的应用前景。但是在Internet上用分组传送的流媒体往往有较高的数据丢失现象,在广域网中,这个问题相当突出,同时由于P2P系统高度的动态性、异构性与拓扑结构的复杂性,数据包的路由状况也会变得越来越复杂,传输的可靠性成为流媒体传输的关键问题。为了保证在P2P的环境下进行可靠的流媒体传输,本文提出了一种基于FEC（Forward Error Correction）可靠传输方式。前向纠错（FEC,Forward Error Correction）是一种被广泛应用于通信系统中的纠错技术[45]。在通信系统中前向纠错主要被用于纠正信号在传输过程中出现的误码,而在互联网中,误码是由底层协议来处理的,对上层协议来说丢包是最主要的问题。由于丢失的数据在整个数据流中的位置是已知的,因而,前向纠错技术起的是纠删的作用,它被用于恢复丢失的数据[47]。本文主要贡献以及内容包括:1.对P2P底层网络和流媒体传输技术进行了深入的分析。对常见的P2P底层网络与运行机制进行了介绍和比较;对流媒体传输的关键技术进行了详细介绍和研究。2.提出了一种基于FEC的可靠的流式传输方案。在对流式传输的视频帧的FEC模型研究的基础上,提出了如何在数据包上添加纠错数据并如何正确的在发送帧与FEC数据间分配发送带宽提供了解决方案。3.提出了在底层P2P网络上的FEC流媒体传输的抽象层次结构,并在此平台上进行了相关得模块设计与算法设计与研究,并且在使用FEC编码传输时,可以起到很好地保护重要数据包的好处。4.设计并实现了基于P2P网络的流媒体可靠传输系统,并给出了测试过程及测试结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究内容
• 1.3.1 P2P 系统、核心机制研究
• 1.3.2 流媒体传输技术研究
• 1.3.3 FEC 技术研究
• 1.3.4 基于FEC 技术的流媒体系统实现
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 P2P 系统、核心机制研究
• 2.1 P2P 系统概述
• 2.1.1 P2P 系统的定义
• 2.1.2 常见的P2P 系统拓扑结构及算法
• 2.1.3 P2P 技术的应用研究
• 2.2 P2P 核心机制介绍
• 2.2.1 覆盖网的散列函数
• 2.2.2 路由与定位
• 2.2.3 查询与搜索
• 2.2.4 动态结点算法
• 2.2.5 容错性
• 第三章 流媒体传输技术研究
• 3.1 概述
• 3.2 流媒体技术
• 3.2.1 缓存技术
• 3.2.2 流媒体传输
• 3.2.3 媒体系统结构
• 3.2.4 流媒体传输协议
• 3.2.5 流媒体播放方式
• 3.2.6 流式传输的过程
• 3.3 关键技术问题
• 3.3.1 高效编码/压缩技术
• 3.3.2 流媒体服务器技术
• 3.3.3 媒体流传输的质量控制
• 3.4 流媒体新业务及其发展方向
• 3.5 流媒体新技术
• 第四章 FEC 技术研究
• 4.1 FEC 概述
• 4.2 传输数据包的冗余数据产生策略
• 4.3 流媒体视频帧FEC 模型研究
• 4.3.1 流媒体视频帧模型的结构
• 4.3.2 FEC 信道编码介绍
• 4.3.3 流媒体视频帧解码分析模型
• 4.3.3.1 MPEG 帧解码模型
• 4.3.3.2 可用帧率的计算
• 4.3.4 问题求解
• 第五章 P2P 流媒体可靠传输系统的设计与实现
• 5.1 研究背景与设计需求
• 5.2 系统特点
• 5.3 系统的抽象结构
• 5.4 系统中流媒体传输阶段的划分
• 5.4.1 路由与定位阶段
• 5.4.2 媒体数据分配传输阶段
• 5.4.3 媒体数据缓存阶段
• 5.5 媒体数据处理层的设计
• 5.5.1 FEC 实时差错控制系统的实现
• 5.5.2 FEC 数据与流媒体数据带宽分配设计
• 5.6 底层覆盖网设计
• 5.6.1 系统拓扑结构设计
• 5.6.2 节点异构性/动态性自适应拓扑机制设计
• 5.6.3 节点间的协作机制设计
• 5.7 媒体控制层的设计
• 5.7.1 流式传输系统的关键技术
• 5.7.2 媒体控制层模块的设计
• 5.8 核心算法研究
• 5.8.1 系统中的实体及角色描述
• 5.8.2 查询算法设计
• 5.8.2.1 前缀散列树的组织结构
• 5.8.2.2 前缀散列树的二分查询算法
• 5.8.3 节点选择算法设计
• 5.8.4 数据分配模块设计
• 5.8.4.1 数据分配算法
• 5.8.4.2 算法性能分析
• 5.8.4.3 数据分配控制协议
• 5.8.4.4 数据分配控制协议与提供节点
• 5.8.4.5 数据分配控制协议与请求节点
• 5.8.5 数据缓存算法设计
• 5.8.6 监控模块设计
• 第六章 P2P 流媒体系统仿真实验与功能测试
• 6.1 仿真平台
• 6.1.1 NS 研究
• 6.1.2 支持语言
• 6.1.3 NS 的功能模块
• 6.1.4 NS-2 的安装与配置
• 6.1.4.1 Cygwin 的安装
• 6.1.4.2 NS 的安装
• 6.1.4.3 配置变量
• 6.2 仿真实验
• 6.3 性能测试
• 6.3.1 底层网络性能测试
• 6.3.2 FEC 性能测试
• 6.3.3 系统性能测试
• 第七章：总结与进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果