面向P2P流媒体服务的应用层组播技术研究

论文摘要

网络流媒体应用目前正成为互联网上最为流行的应用之一。为提高系统可扩展性,流媒体服务系统呈现出资源调度范围不断扩大的技术发展趋势。而结合P2P技术和流媒体技术的P2P流媒体服务系统,资源调度的范围扩充到部署在整个网络中、所有参与系统的动态自治资源。在合理的资源调度策略下,P2P流媒体服务系统能够满足大规模海量用户的服务需求。P2P流媒体服务系统的关键是解决资源获取问题,而应用层组播是简单高效的一种资源获取技术。但由于流媒体系统和P2P系统各自的诸多特点,使得构建具有高可扩展性的应用层组播成为极具挑战性的研究问题。应用层组播关键是解决问题的设计与实现、成员管理和自适应性三个关键问题。为解决问题的设计与集中式方式实现的问题,我们针对视频直播延迟和出度受限等约束条件,提出了MSVMT问题模型,证明了该问题的NP完全性,并证明了它与MMDMT问题在一定条件下的等价性。提出了解决MSVMT问题的FindALMTree贪心算法及其采用的综合权衡延迟和出度两项拓扑信息的PPAF启发式评价函数,并分析证明了该贪心算法的近似度。为解决成员管理与分布式方式实现的问题,我们设计了基于树优先的OverStream应用层组播协议,在构建数据传输拓扑时,它利用PPAF启发式评价函数优化组播树中父节点的选择。它的节点加入过程能有效避免组播树负载不平衡的问题,并且它的节点自优化过程能保证树结构的最优性和播放的连续性。模拟表明OverStream协议在负载平衡和可扩展性等方面优于同类协议。在OverStream协议基础上设计了LiveStream应用层组播协议,该协议在控制拓扑和数据传输拓扑之间增加了主干拓扑,通过基于三角法则的主干拓扑构建方法,建立物理网络拓扑感知的覆盖网络,降低了流媒体传输的延迟。为解决自适应性问题,我们提出了基于虚拟节点分层构建应用层组播的方法和基于反超立方体构建应用层组播树的算法,证明了以反超立方体作为虚拟节点具有良好的可靠性、可扩展性和内部延迟一致性,有利于解决组播树结构不稳定造成的流媒体播放停顿和抖动问题。最后,我们设计并实现了的MagicStream流媒体服务系统。系统除了实现应用层组播协议,还采用了多源协同流调度技术。系统中,通过数据分段和索引信息,可以有效解决VCR问题;通过数据分段和本地数据段缓存策略,可以在节点缓冲资源受限的约束条件下有效解决资源放置问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 可调度资源范围受限是传统流媒体服务系统的技术发展瓶颈
• 1.1.2 P2P计算技术是一种很好的技术途径
• 1.1.3 基于 P2P技术架构的P2P系统的特点
• 1.2 关键技术问题
• 1.2.1 应用层组播是一种简单高效的资源获取技术
• 1.2.2 应用层组播算法面临的技术挑战
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 设计的问题和评价的函数
• 1.3.2 覆盖网络中的成员管理机制
• 1.3.3 自适应性、鲁棒性机制
• 1.4 本文工作与创新点
• 1.4.1 MSVMT问题与PPAF启发式评价函数
• 1.4.2 OverStream协议与 LiveSteam协议
• 1.4.3 应用层组播中虚拟节点的构建机制
• 1.4.4 P2P流媒体服务系统原型设计与实现
• 1.4.5 创新点
• 1.5 论文结构
• 第二章 相关研究
• 2.1 应用层组播与IP组播
• 2.2 构建算法分类
• 2.2.1 集中式构建算法
• 2.2.2 分布式构建算法
• 2.3 构建算法的特征和性能比较
• 2.3.1 特征比较
• 2.3.2 性能比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 集中式应用层组播构建算法
• 3.1 研究背景
• 3.2 MSVMT问题
• 3.3 FindALMTree算法及 PPAF启发式
• 3.3.1 FindALMTree算法
• 3.3.2 PPAF启发式
• 3.4 模拟评估
• 3.4.1 实验环境
• 3.4.2 性能评估指标
• 3.4.3 相关启发式
• 3.4.4 性能比较
• 3.5 结束语
• 第四章 分布式应用层组播构建协议
• 4.1 研究背景
• 4.2 OverStream协议思想
• 4.2.1 节点加入
• 4.2.2 节点自优化
• 4.2.3 节点退出
• 4.3 基于三角法则构建的主干拓扑
• 4.3.1 三角法则的定义
• 4.3.2 绝对三角法则的性质
• 4.3.3 相对三角法则的性质
• 4.4 协议实现
• 4.4.1 ICP阶段的协议实现
• 4.4.2 FCP阶段的协议实现
• 4.5 OverStream与LiveStream协议小结
• 4.6 模拟评估
• 4.6.1 实验设置
• 4.6.2 性能评估指标
• 4.6.3 性能比较
• 4.7 结束语
• 第五章 应用层组播中虚拟节点的构建算法
• 5.1 研究背景
• 5.2 n维反超立方体的结构特性
• 5.3 基于反超立方体构建应用层组播的算法
• 5.4 模拟评估
• 5.4.1 实验设置
• 5.4.2 性能评估指标
• 5.4.3 性能比较
• 5.5 结束语
• 第六章 P2P流媒体服务系统原型设计与实现
• 6.1 多源协同服务技术
• 6.2 MagicStream流媒体服务系统设计
• 6.3 MagicStream系统中的关键技术实现
• 6.3.1 速率和块号分配策略
• 6.3.2 本地缓存策略
• 6.3.3 VCR功能的实现
• 6.3.4 数据段和数据块的最优大小问题
• 6.4 系统原型
• 6.4.1 视频点播
• 6.4.2 视频直播
• 6.5 结束语
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果