面向QoS的实时流传输机制研究

论文摘要

随着Internet技术和计算机技术的不断发展,实时流应用已经深入到人们的生活。面对日益增加的实时流用户以及海量的实时流数据，现有的实时流传输网络和技术逐渐不能满足实时流应用的QoS要求。随着P2P技术的出现,实时流传输方式发生了改变,实时流传输的QoS问题有了一定的解决。但如何在动态的P2P网络环境中构建高可靠、可扩展、大规模、有QoS保障的实时流系统,这是需要解决的问题,也是近几年来实时流传输的研究热点。本文在对实时流传输技术的最新成果进行系统、全面的学习和总结基础上,分析了实时流传输中的QoS需求,就满足QoS的实时流传输网络结构和传输技术进行了深入细致的研究,本文主要工作如下：(1)针对实时流传输对网络的稳定性和可扩展性要求,构建了分层覆盖网络PSON。PSON覆盖网络通过使用SIP协议来实现实时流会话,解决与现有的实时流会话应用相兼容问题；通过SIP扩展部分进行实时流会话的协商,解决了实时流会话过程中节点的异构性问题；通过采用分层的网络结构,在原有P2P网络的基础上,把节点按能力进行区分,使用稳定的超级节点来维护整个覆盖网络,使原有的P2P网络稳定性大大增强,能够适用于实时性强的实时流应用。(2)为了解决实时流“推送”机制的QoS问题,提出了一种基于PSON覆盖网络用于实时流“推送”的应用层多播树构造算法。该算法综合权衡了延迟、带宽和包丢失率几个实时流传输中的关键要素,满足了实时流传输的带宽要求,并将延迟控制到最小。在应用层多播树构造过程中,充分利用了分层结构中超级节点稳定性好、处理能力强的特点,并加入了冗余节点的设计,加强了多播树的稳定性。使用了MDC编码技术以及容错编码技术,并设计了实时流“推送”的算法,解决了用户终端的异构性问题。(3)在分析实时流“拉取”机制的特征以及QoS要求的基础上,本文设计了一种基于PSON覆盖网络的实时流“拉取”机制。为了满足不同“拉取”者的带宽以及网络延时的要求,本文提出了peer选择算法；为了解决实时流缓冲延时问题,本文设计了改进的分片分配算法用于实时流传输中的带宽分配；为了提高实时流传输过程中的质量,本文设计了实时流“拉取”过程中的差错控制机制,解决了实时流传输中的丢包问题以及系统的可靠性问题。(4)为了减少在实时流“拉取”机制中请求节点搜索实时流文件的响应时间,本文提出了实时流文件副本以及分块缓存的方法。为了使实时流文件及分块合理地分布于覆盖网络中,满足请求者对文件分块的需求,本文通过研究得出了副本缓存的阀值,并提出了副本缓存管理的方法；针对实时流分块分布的特点,提出了实时流分块缓存算法,并提出了分块缓存的分布式管理方法。(5)为了增加实时流“拉取”机制中系统的内容容量,设计了一个基于激励机制的请求节点带宽分配方法。本文针对实时流“拉取”过程中的“搭便车”和“共同悲剧”问题,使用经济学中机制设计的方法,设计了一种实时流“拉取”的激励机制。设计了用户的贡献参数以及效用值,论证了用户带宽分配的原则,并提出了根据用户贡献进行分配带宽的算法,为具有不同连接类型和贡献的节点公平地提供不同服务,避免了“搭便车”和“共同悲剧”问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 实时流应用的QoS要求
• 1.3 实时流应用的网络结构
• 1.4 实时流传输技术现状和面临的挑战
• 1.4.1 实时流"推送"机制
• 1.4.2 实时流"拉取"机制
• 1.5 本文的主要贡献
• 1.6 论文的结构安排
• 第2章 PSON分层覆盖网络结构
• 2.1 引言
• 2.2 系统模型
• 2.3 分层PSON覆盖网络的结构设计
• 2.3.1 PSON覆盖网络结构
• 2.3.2 分层PSON覆盖网络的协议栈结构
• 2.4 节点和资源的注册与查找
• 2.4.1 节点的注册
• 2.4.2 资源注册与查找
• 2.5 SUP点的选取和更新
• 2.6 试验仿真与性能分析
• 2.6.1 系统信息注册和查找的分析与证明
• 2.6.2 节点注册和资源查找的效率的比较
• 2.7 本章小结
• 第3章 面向QOS的实时流"推送"机制
• 3.1 引言
• 3.2 实时流"推送"传输的多播树拓扑结构
• 3.3 实时流"推送"网络模型与问题描述
• 3.4 应用层多播树构造
• 3.5 实时流数据的编码与分配
• 3.5.1 实时流编码与分发算法
• 3.5.2 丢包率增加的调整
• 3.6 仿真结果和分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 面向QoS的实时流"拉取"机制
• 4.1 引言
• 4.1.1 实时流"拉取"机制的QoS需求
• 4.1.2 实时流"拉取"机制应用的现状
• 4.1.3 PSON实时流"拉取"机制
• 4.1.4 本章所要解决的问题
• 4.2 实时流"拉取"的问题描述与网络模型
• 4.2.1 Peer的属性
• 4.2.2 网络模型
• 4.3 实时流"拉取"整体框架
• 4.4 实时流"拉取"中的peer选择
• 4.4.1 节点之间网络参数的测量
• 4.4.2 边加权的确定与候选节点的初选
• 4.4.3 节点最终选择
• 4.5 下载peers的pieces分配
• 4.6 实时流传输的监控与调整
• 4.6.1 实时流的重新分配
• 4.6.2 Peer节点的替换与重新选择
• 4.7 实验仿真与性能分析
• 4.7.1 实验仿真环境的建立
• 4.7.2 Peer选择算法的性能分析
• 4.7.3 Pieces选择与实时速率分配算法的性能分析
• 4.7.4 Peer故障和节点的调整结果
• 4.8 本章小结
• 第5章 实时流"拉取"中的缓存机制
• 5.1 引言
• 5.2 文件及分块的访问模型
• 5.3 副本的选取和放置
• 5.3.1 副本文件的选取
• 5.3.2 缓存副本的存放位置和数量
• 5.3.3 副本的增加与删除
• 5.4 文件块的缓存
• 5.4.1 文件块的缓存效用值
• 5.4.2 实时流分块缓存算法
• 5.4.3 缓存块的分布式管理
• 5.5 实验仿真与分析
• 5.6 本章小节
• 第6章 实时流"拉取"中服务优先级
• 6.1 引言
• 6.2 PSON实时流"拉取"激励模型
• 6.2.1 PSON用户的环境
• 6.2.2 自私者行为描述
• 6.2.3 系统整体目标
• 6.3 激励机制的设计
• 6.3.1 机制设计
• 6.3.2 基于激励机制的带宽分配
• 6.3.3 贡献值的更新
• 6.4 仿真与性能分析
• 6.5 结论
• 第7章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论著及科研情况
• 附录