【正文】 i 取值在 1s~1000s之間隨機生成，其它參數(shù)具體實驗具體說明。 表 五個節(jié)點加入 /離開的時刻表 節(jié)點 A 節(jié)點 B 節(jié)點 C 節(jié)點 D 節(jié)點 E Tin（ s） 5 10 。 設定節(jié)點加入 /離開的時刻表如表 所示，啟動仿真系統(tǒng)。 音 頻 管 理 模 塊 音頻數(shù)據包 緩沖區(qū)子模塊 復制 轉發(fā) 子模塊 用戶觀看 子 節(jié)點 第 28 頁 第五章 仿真實驗 本章在仿真平臺上對多人語音仿真系統(tǒng)進行功能測試和性能測試，并對結果進行分析，對系統(tǒng)作出相應評價。緩沖區(qū)子模塊主要負責對接收到的音頻數(shù)據包進行下載，緩存，排序，組包，然后啟動節(jié) 點 父 節(jié) 點 子 節(jié) 點 索引服務器 子 節(jié) 點 第 27 頁 媒體播放器進行播放；復制轉發(fā)子模塊則是復制接收到的音頻數(shù)據包，直接送到端口處，向子節(jié)點進行轉發(fā)?？梢酝ㄟ^基于“心跳”的通信管理模塊來處理這個問題，它的主要內容就是心跳檢測機制：節(jié)點定時（例如每隔 5 秒）向多播網絡中的父節(jié)點、所有子節(jié)點以及索引服務器發(fā)送“心跳包”來表明自己的狀態(tài)，并接受它們發(fā)給自己的“心跳包”。 索 引 管 理 子 模 塊 節(jié) 點 列 表 自身信息 相連節(jié)點 與 節(jié) 點 通 信 發(fā) 送 接 受 節(jié) 點 節(jié) 點 媒體數(shù)據傳輸子模塊 第 23 頁 節(jié)點組織與管理模塊 節(jié)點組織和管理模塊在 P2P多人語音系統(tǒng)中是一個非常重要的模塊，它主要包括節(jié)點的加入（把多播樹的生成也算進節(jié)點的加入模塊）、節(jié)點的退出等模塊，如圖 。節(jié)點接入應用層多播樹后，將該節(jié)點加入節(jié)點列表，記錄節(jié)點信息，并修改與之相連的節(jié)點的相關信息；節(jié)點在離開多播樹后，將該節(jié)點從節(jié)點列表中刪除，并修改該節(jié)點離開前與之相連的節(jié)點的相關信息；在收到節(jié)點發(fā)來的心跳包時，更新節(jié)點的狀態(tài)信息。記錄節(jié)點的 IP地址、帶寬（帶寬亦可表明其是否為 NAT節(jié)點）、往返時延、在線時長等信息，并維護多播樹中與節(jié)點相連的節(jié)點的相關信 息，即其父節(jié)點和兒子節(jié)點的信息，包括它們的 IP地址、端口號、往返時延等。 多人語音 仿真系統(tǒng)的功能模塊 仿真系統(tǒng)由四個模塊組成，分別為：網絡與媒體數(shù)據傳輸管理模塊，節(jié)點組織與管理模塊，基于“心跳”的通信管理模塊和音頻管理模塊，如圖 所示。通過命令可以執(zhí)行如停止模擬器的運行、監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)等操作。但消息并不會立即得到處理，因為消息在傳輸過程中會有一定的延時，所以消息的正真處理時間 processingTime 為dispatchTime+delay 。要發(fā)送消息的節(jié)點只需要將消息的 src、 dest和 body填入消息中，然后調用 MessageDispatcher提供的 dispatchMessage 方法就可以向任何一個節(jié)點發(fā)送消息。消息隊列按照消息的處理時間從 小到大進行排列。所以從單個節(jié)點的角度來看，節(jié)點是連續(xù)運行的。 A）單位時間 單位時間是仿真系統(tǒng)內部定義的一個時間單位，是仿真系統(tǒng)內部時間的最小時間單位。 第 19 頁 第四章 仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 本章首先介紹仿真實驗平臺的設計，然后介紹了仿真 系統(tǒng)的體系結構以及功能模塊，并 在描述系統(tǒng)各層次結構的同時詳細闡述各功能模塊設計原理， 接著分別論述多人語音系統(tǒng)的各個模塊、子模塊的功能。因此，有必要深入研究應用層多播樹的建立和維護算法。節(jié)點根據接收到的信息更新自己所維護的實時信息，例如到服務器的延時、可用帶寬、在線時長等；索引服務器根據接收到的所有普通節(jié)點的信息，更新自身維護的節(jié)點列表和相關信息 [24]。 第 17 頁 圖 嫁接法 (2)心跳檢測機制 在任何網絡應用中，變故都是不可避免的，有些變故會對系統(tǒng)造成一定影響。需要注意的是，在加入過程中計算節(jié)點到服務器的延時時，這里要求所有子樹的所有葉子到服務器的延時均小于保證基本服務的最小延時，方算成功重構了多播樹。無論節(jié)點是哪種方式退出，都會影響到多播樹的結構。若 F節(jié)點有 NAT子節(jié)點，則轉發(fā)音頻數(shù)據包給子節(jié)點。 3）執(zhí)行對于 NAT節(jié)點的特殊處理，若 F節(jié)點成功插入到某 NAT節(jié)點與其父節(jié)點之間，則轉 5） ；若所有 NAT節(jié)點處都不滿足 F節(jié)點的插入，則轉 4）。若所有 NAT節(jié)點處都不能滿足 F節(jié)點的插入，則拒絕 F節(jié)點的加入請求。所以考慮到安全問題以及算法的復雜性，不考慮 NAT的穿透 [23]，將 NAT后的節(jié)點的服務能力 PSC設置為 1，并在多播樹不具有能力服務新節(jié)點而樹中又存在 NAT后的節(jié)點時，做一定的處理，使多播樹服務盡可能更多的節(jié)點。 (2)對處于 NAT 后的節(jié) 點的特殊處理 NAT即“網絡地址轉換”，是一種把內部私有網絡 IP地址映射成公網 IP地址的技術，它允許一個機構以一個公用 IP地址出現(xiàn)在 Inter上。可用帶寬決定了接受到的音頻的質量，當其大于請求帶寬時即可保證基本的服務，到一定程度即可保證流暢完整的服務，但若再增大，則對音頻質量不會產生顯著影響；綜合延時是影響服務質量最重要的因素，綜合延時越小，用戶所得到的服務質量和感受就越好；在線時長決定了節(jié)點在樹中的穩(wěn)定性，進而影響到整棵多播樹結構的穩(wěn)定，在線時長越長，節(jié)點就越穩(wěn)定，在多播樹中擔當?shù)呢熑尉驮酱?，該服務更多的?jié)點。綜合考慮帶寬、可靠性、延時三個要素，定義樹中節(jié)點對新節(jié)點的服務能力為 PSC=α*（可用帶寬 請求帶寬） +β*（最小時延 綜合時延） +γ*在線時長。如果希望得到比較穩(wěn)定的音頻服務，則應選擇相對穩(wěn)定的節(jié)點作為父節(jié)點，以保證樹結構的穩(wěn)定，如在線時間較長，不會頻繁加入或退出系統(tǒng)的節(jié)點。 多播樹生成算法設計 當一個語音服務器新開放時，只有一個服務器作為多人語音多播樹的根，若有 N個用戶請求收聽，那么構建初始的多播樹有兩種方法：一種是一次綜合考慮前 N個節(jié)點的加入請求，根據這 N個節(jié)點的特性構建一顆高性能高效率的多播樹，然后再依到達順序一個一個地處理后來節(jié)點的加入和樹中節(jié)點的離開；第二種是采取貪心算法，即邊加入邊生成，把當前請求加入的節(jié)點按序組織成隊列，一個一個地加入到多播樹中，每一次加入都選擇 在當前看來是最好的 位置 。 ⑧ 到根的延時 Di。節(jié)點需要知道自己的父節(jié)點 是誰。 ⑤ 可用帶寬 Fi。節(jié)點 i在網絡中本地上傳的帶寬，決定了節(jié)點能夠服務的節(jié)點總數(shù)，上行帶寬除以請求帶寬，所得商即可連接的子節(jié)點數(shù)。節(jié)點在網絡中的唯一標識，通過網絡地址來定位節(jié)點，與之通信。轉播者處于中間，它的存在體現(xiàn)了 P2P網絡的基本特征：即節(jié)點不僅接收數(shù)據，還要進行轉發(fā)；收聽者處于最低層，是多播樹的葉子節(jié)點，只下載數(shù)據而不提供上傳。服務器和所有客戶端節(jié)點組織成多播樹，多播樹中的節(jié)點接收來自父節(jié)點多播的音頻數(shù)據，同時將數(shù)據以多播的方式傳送給其它節(jié)點。這就相當于每個節(jié)點既是服務器，也是客戶端，這樣，不但減輕了服務器 s負 擔，而且客戶端得到的服務質量也得到了相應地提高。假如整棵多播樹不具 有足夠服務能力而無法繼續(xù)服務新節(jié)點，則服務器 S會拒絕節(jié)點 C的請求，節(jié)點 C會隔一段時間后再度發(fā)來加入請求，直到成功加入或者用戶放棄請求。 5) 盡可能的為更多用戶提供滿足基本質量的服務，即構建一顆盡可能龐大的多播樹。 3) 充分利用網絡資源。具體地說，多人語音系統(tǒng)按照以下原則設計 [17][21]： 1) 能夠滿足音頻播放的要求。本系統(tǒng)采用樹形拓撲結構，應用層多播樹的建立和維護是決定以樹形拓撲結構為基礎的 P2P網絡性能好壞的關鍵技術，因此，系統(tǒng)的方案設計、應用層多播樹的建立和維護是本章研究的重點。 本章的主要內容是介紹用于多人語音系統(tǒng)中的關鍵技術，包括 P2P 技術和應用層多播技術。節(jié)點退出是指節(jié)點發(fā)出退出組播組的請求，需要對節(jié)點的組織進行調整。本系統(tǒng) 采用“樹”狀邏輯結構。目前，組播節(jié)點的組織方法主要有兩種，即“網”和“樹”狀邏輯結構。在樹狀模型的 P2P流媒體直播系統(tǒng)中，首要問題是將服務器和參與服務的節(jié)點組織成 ALM(ApplicationLevel Multicast，應用層多播 )樹 [18]。 應用層多播樹的建立和動態(tài)維護是 P2P樹狀拓撲結構建立的關鍵。該技術本質上是用單播來實現(xiàn)組播，將組播的復雜性從網絡層轉移到端系統(tǒng)。 P2P流媒體直播是最新發(fā)展起來的一種流媒體廣播方式，它利用 P2P的原理來建立播放網絡，從而達到節(jié)省服務端帶寬消耗、減輕服務器處理壓力的目的。 在基于 P2P的流媒體技術中，每個流媒體用戶是 P2P網絡中的一個節(jié)點，用戶可以根據其他節(jié)點的設備能力和網絡狀態(tài)與一個或幾個用戶建立連接來分享數(shù)據，這種連接能減輕服務器的負擔和提高每個用戶的音視頻質量。 (4)混合式拓撲 集中式 P2P形式有利于網絡資源的快速檢索，只要服務器的處理能力足夠強就可以無限擴展，但是其中心化的模式容易遭到直接攻擊，分布式 P2P形式解決了攻擊問題，但是又缺乏快速搜索和可擴展性。網絡中各個節(jié)點分別存儲自己的虛擬地址路由表進行路由。 (3)完全分布式結構化拓撲 結構化分布式 P2P網絡是一種純 P2P網絡。但是由于這種拓撲的網絡中多采用洪泛方式查詢和資源定位，隨著網絡規(guī)模不斷增大，將對網絡帶來了沉重的網絡負載。典型代表是 Napster[12]。這種形式具有中心化的特點，但是它不像傳統(tǒng)的 C／ S模式，把所有資源都放在服務器上，它的服務器只存儲每個節(jié)點的索引信息，而節(jié)點的所有具體信息都保存在節(jié)點本身。在覆蓋網中相鄰的節(jié)點可能在實際物理網絡中位于不同的子網中，中間相隔多個路由器，而在覆蓋網中不相鄰的節(jié)點在實際物理網絡中卻可能是直接相連的。對等點之間直接互連，共享信息資源、處理器資源、存儲資源甚至高速緩存資源，無須依賴中心服務器就可完成，這種模式與傳統(tǒng)的 C／ S模式形成了鮮明的對比。但由于一些關鍵技術，如路由算法、操作系統(tǒng)等未能很好地支持，使得 IP組播技術不能得第 6 頁 到很好的推廣 [9]。 IP組播技術 [8]是對互聯(lián)網“單播、盡力轉發(fā) ”模型的重要擴充，是一種允許一臺或者多臺主機發(fā)送單一數(shù)據包到多臺主機的網絡技術。但是其高額的硬件成本和系統(tǒng)的復雜度是一般用戶難以承受的，同時也不能滿足日益增長的超大用戶群。設計該系統(tǒng)的主要目標是充分利用現(xiàn)有的網絡資源，降低服 務器資源和網絡帶寬的消耗，實現(xiàn)高擴展性和可靠性，提供高質量的流媒體播放效果 [5]。 第六章對論文進行了總結，并對未來工作進行展望。 第二章介紹多人語音系統(tǒng)中的關鍵技術。本文研究并設計了應用層多播樹模型，采用單樹結構的應用層多播樹建立方案，按照一定的算法，構建了一棵滿足音頻服務要求的單源多播樹，實現(xiàn)應用層組播。可用于分布式仿真、多方實時游第 4 頁 戲、大規(guī)模協(xié)作應用等，但這三種方案對于應用層多播的模型、性能分析、性能優(yōu)化都沒有進行研究。 目前在 Peer to Peer 網絡上實現(xiàn)的應用層多播方案主要有三種： CAN Multicast、 Scribe、 Bayeux。 20xx年， Suman Banerjee 在 ACM SIGCOMM上發(fā)表了基于 NICE 應用層多播的論文。很多大學和研究院都在進行這方面的研究。 將流媒體技術與 P2P技術結合在一起，改善了以前需要高性能服務器為流媒體服務并解決了寬帶 限制的問題，但是在音視頻直播應用中，對等網絡方法面臨一些問題： 1） 由于 P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點的 行為的動態(tài)性，如何在動態(tài)的運行環(huán)境下保證流媒體的服務質量，需要深入了解流媒體對 QoS的要求和網絡流量分析等方面的知識，研究高效率、低代價的 QoS保障機制。 由于 P2P流媒體傳輸?shù)膬?yōu)越性，基于 P2P的流媒體服務體系己經引起了許多大學、研究機構、商業(yè)機構的重視。在解決了流媒體的關鍵技術問題后，流媒體技術的應用必然會在未來的網絡中發(fā)揮更重要的作用，并在一定程度上改變人們使用網絡的方式。應用層組播克服了 IP 組播的缺陷 [1]：無需更改網絡協(xié)議和網絡設備的配置，在客戶機間復制和轉發(fā)數(shù)據，數(shù)據報沿邏輯鏈路轉發(fā)，數(shù)據路由、復制、轉發(fā)功能均由客戶機完成，客戶機間建立一個疊加在 IP 網絡上、實現(xiàn)組播業(yè)務邏輯功能性網絡，要實現(xiàn)這樣的功能，就必須建立對應的應用層多播樹，如圖 。 圖 傳統(tǒng) C/S模式與 P2P網絡工作模式的比較 而在當前較流行的基于 P2P的網絡電視、視頻點播、視頻會議等以流媒體為中心服 務器 客戶端 客戶端 客戶端 傳統(tǒng) C/S 模式 客戶端 客戶端 客戶端 客戶端 客戶端 P2P 網絡工作模式 第 2 頁 核心的新業(yè)務應用中，隨著對等網絡和覆蓋網等技術的提出，出現(xiàn)了“應用層組播”技術。和傳統(tǒng)的 C/S模式不同，如圖 ，每 臺主機可以直接連接到其它主機進行數(shù)據交換，而不需要通過連接到中間服務器。因此，隨著客戶數(shù)目的快速增長，在傳統(tǒng)的 C/S(Client/Server)模式下，服務器端的資源很快被耗盡，成為系統(tǒng)服務能力的瓶頸所在，同時用戶的服務質量也難以得到保證。隨著計算機處理能力的日益增強和寬帶網絡的逐漸普及，人們希望互聯(lián)網不僅僅只提供網頁瀏覽、文件下載等簡單業(yè)務，并且能提供“邊下載邊觀看音視頻”的多媒體服務，這種“邊下載邊播放 的