对等视频点播数据分发关键技术研究

论文摘要

近年来,宽带互联网基础设施建设的不断发展带来了网络应用的迅猛增长和不断丰富。其中,视频点播业务以其内容丰富、获取便捷等特征得到飞速发展并吸引了广大用户,已成为互联网上的“杀手级”应用。然而庞大的用户规模,海量的业务数据以及用户对服务质量追求的不断提高使得以较低成本构建高效的分发系统成为视频点播业务发展过程中最迫切的需求之一。对等网络技术的发展为视频点播服务带来了新的契机。研究如何利用对等网络的灵活性、高可扩展性等优势构建低成本、高效率的视频点播系统的具有重要的理论和实际意义。然而在点播系统中,用户行为不同步,影片连续播放对数据到达时间有严格的时序要求,用户动态性以及系统对交互式操作等因素给上述问题带来了很大挑战。本文针对对等网络点播系统中的数据分发策略展开深入研究,旨在通过协调和利用终端节点间的相互协作来提高数据分发效率和服务质量。从服务的角度出发,研究当用户产生数据需求时,如何帮助其快速、准确的定位能够提供服务的节点；研究点播同一部影片的用户应如何以较小代价来优化服务容量供给进而提高相互共享的效率；研究如何借助于系统中空闲节点帮助并通过高效管理来提升系统服务容量减少对媒体服务器的需求。本文工作主要包括如下三个方面：对等网络点播系统中,用户行为不同步以及系统对交互式应用的支持使得传统的结构化和非结构化的服务定位策略不能很好的满足需求。为此,本文第三章中提出了一种半结构化的索引结构来帮助用户提高服务定位的效率。索引结构的骨干部分由系统中自适应选择出的稳定性相对较好的用户参与构建和维护,其他用户选择连接到骨干部分参与索引机制的构建并共享定位服务。同时,基于对服务定位效率、准确性以及鲁棒性等因素的考虑,一种简洁高效的管理策略被提出,用于维护上述结构中的索引关系。仿真实验表明,得益于相对稳定节点间的协作及高效索引关系的组织,提出的索引结构能够高效帮助用户进行快速服务定位。对等网络的核心思想在于充分提升各用户的服务容量从而为彼此的请求提供高效服务。然而点播系统中用户行为不同步,影片连续播放的需求以及对交互式应用的影响使得各用户对影片片段的需求(或兴趣)仅依赖于其当前的播放位置并且同一时刻的用户需求分散,现有点播系统调度策略的研究缺乏对该特征的有效支持。为此,本文第四章中深入分析了点播系统中服务容量需求和供给间的关系,提出分析了如何以最小代价进行服务容量优化的问题并给出了该问题的精确算法以及多项式时间近似算法。进一步实现了一个面向服务容量优化的数据调度策略,在优先满足用户连续播放需求的前提下,通过下载小部分合适的片段对其服务容量进行优化,提升相互共享的效率。仿真实验表明,相对于广泛部署于现有点播系统中的调度策略,提出的策略能够实现用户上行带宽更高效的利用。当点播系统中的用户受接入方式限制或者其他网络应用的影响导致相互间共享已不能满足他们对服务容量的需求时,点播系统的扩展性将受到严重影响。本文第五章中针对该条件下应如何提高系统可扩展性的问题展开研究。在点播系统中,常见的用户行为模式是：一个用户加入系统,选择观看某个影片,完成后退出系统。若通过一个合理的机制激励那些观看完影片的用户在系统中作更长的时间停留,或者即使不观看任何影片也能加入系统,则可充分利用这些空闲节点的上行带宽来提升系统的服务容量：通过合理调度策略,让这部分空闲节点适当下载小部分影片片段,然后利用上行带宽来提供服务。基于上述考虑,文中首先对有空闲节点帮助的对等网络点播系统进行了建模分析,分析了系统各参数间关系及调整准则。同时考虑到空闲节点的不稳定性及其资源的稀缺性,设计了一个帮助节点控制策略对加入的帮助节点进行控制和管理并同时实现了一个服务容量分配和数据调度策略来进行数据分发调度,以达到提升系统可扩展性的目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词
• 1 绪论
• 1.1 视频点播服务的发展历程
• 1.2 对等技术的发展历程
• 1.3 基于P2P技术的视频点播应用中存在的主要挑战
• 1.4 选题背景与课题意义
• 1.5 研究内容与组织结构
• 1.6 本章小结
• 2 对等网络视频点播系统综述
• 2.1 本章引言
• 2.2 基于P2P的视频点播系统概述
• 2.3 缓存管理策略
• 2.4 覆盖网络及服务定位策略
• 2.5 数据调度策略
• 2.6 传输策略
• 2.7 激励机制
• 2.8 本章小结
• 3 一种面向快速服务定位的分布式索引结构
• 3.1 本章引言
• 3.2 SNDIS的模型
• 3.3 SNDIS的构建和维护
• 3.4 仿真实验与性能分析
• 3.5 本章小结
• 4 一种面向服务容量优化的调度策略
• 4.1 引言
• 4.2 分布式服务容量优化问题提出
• 4.3 服务容量优化问题分析
• 4.4 面向服务容量优化的调度策略:设计与实现
• 4.5 仿真实验与性能分析
• 4.6 本章小结
• 5 一种提升系统服务容量的帮助机制研究
• 5.1 引言
• 5.2 引入帮助节点的点播系统模型
• 5.3 帮助节点的管理策略
• 5.4 服务容量分配及数据调度策略
• 5.5 仿真实验与性能分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间相关专利及论文目录