【文章內(nèi)容簡介】 絡，導致網(wǎng)絡具有很大的動態(tài)性和不可控性。節(jié)點的加入是指新的節(jié)點請求加入到組播組的過程。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(diào)整?！笆А惫?jié)點是指在斷電、斷網(wǎng)等情況下，節(jié)點沒有發(fā)出退出組播組的請求但又無法正常運行，一般通過定時發(fā)送“心跳包”來實現(xiàn)失效節(jié)點的檢測。 本章小結(jié)隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，流媒體技術必將成為未來網(wǎng)絡的一項關鍵技術。而引入P2P技術和應用層多播技術，作為流媒體的新研究平臺，無疑給流媒體的發(fā)展和應用開創(chuàng)了新的道路。本章的主要內(nèi)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。第一部分重點介紹P2P技術，內(nèi)容如下：1）相關技術背景；2）P2P技術的概念；3）P2P網(wǎng)絡中拓撲結(jié)構(gòu)的研究；4）基于P2P的流媒體技術；5）P2P流媒體直播技術；6）P2P直播的特點。第二部分重點介紹應用層多播技術，主要包括應用層多播技術的概念、組播節(jié)點的組織方法和維護方法。第三章 多人語音系統(tǒng)的設計 P2P多人語音系統(tǒng)的方案設計在整個P2P多人語音系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，P2P網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)直接決定了該服務系統(tǒng)的響應效率及服務質(zhì)量。本系統(tǒng)采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)，應用層多播樹的建立和維護是決定以樹形拓撲結(jié)構(gòu)為基礎的P2P網(wǎng)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。 系統(tǒng)的設計原則多人語音系統(tǒng)是面向普通流媒體用戶，構(gòu)建一個容易使用、簡單的、可靠的、集服務器和客戶端為一體的軟件，使任何人都可以收聽和轉(zhuǎn)播音頻，而不必耗費昂貴的服務器或者帶寬。網(wǎng)絡中不存在中心服務器，每個用戶可以是客戶端，也可以是服務器。通過用戶之間相互共享媒體數(shù)據(jù)、共同參與系統(tǒng)服務，來達到擴展系統(tǒng)服務能力的目的。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。流媒體數(shù)據(jù)流具有三個特點：連續(xù)性、實時性、時序性，即數(shù)據(jù)流具有嚴格的前后時序關系，如果一個數(shù)據(jù)包在播放之后到達，則沒有任何意義。另外，流媒體播放要求數(shù)據(jù)下載速度必須大于播放速度，否則就會影響播放質(zhì)量。2) 不需要一個有龐大帶寬和強大處理能力的服務器為眾多用戶提供廣播服務，所需要的只是一個索引服務器（組織管理客戶端節(jié)點）和一個音頻數(shù)據(jù)源。3) 充分利用網(wǎng)絡資源。系統(tǒng)應該能夠充分利用網(wǎng)絡邊緣／客戶端用戶的資源。4) 能夠在能力不同的節(jié)點間均衡負載。節(jié)點在帶寬、到音頻數(shù)據(jù)源的延時、在線時長等方面的各不相同，決定了節(jié)點參與系統(tǒng)服務的能力也具有差異性，所以P2P多人語音系統(tǒng)要有均衡負載的能力，在構(gòu)建和動態(tài)維護多播樹時要充分考慮節(jié)點間的能力差異，使每個節(jié)點的服務能力都能得到適度利用，保持多播樹的穩(wěn)定和高性能。5) 盡可能的為更多用戶提供滿足基本質(zhì)量的服務，即構(gòu)建一顆盡可能龐大的多播樹。 基本原理基于P2P網(wǎng)絡的多人語音系統(tǒng)的基本原理是[22]：音頻數(shù)據(jù)源存放著實時播放的完整音頻文件。首先，服務器S（在這里不區(qū)分索引服務器和音頻數(shù)據(jù)源，統(tǒng)一為服務器S）將音頻文件按照一定的格式劃分成很多個固定大小的音頻數(shù)據(jù)段，然后將最近的幾分鐘數(shù)據(jù)放到自身的緩存區(qū)中，為以后前來請求的客戶提供服務。當一個新的客戶端節(jié)點C請求加入P2P網(wǎng)絡時，首先會向服務器S發(fā)出連接請求，服務器查看多播樹是否仍具有服務能力，如果有，則響應節(jié)點C的請求，根據(jù)一定算法將節(jié)點C加入到樹中。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。若節(jié)點C成功加入多播樹，則節(jié)點C從父節(jié)點處接受相應的音頻數(shù)據(jù)包，直到接收到能夠播放所需的全部音頻數(shù)據(jù)包為止。然后，節(jié)點C再將收到的音頻數(shù)據(jù)包重新進行排序和封裝，組合成能夠?qū)崟r播放的數(shù)據(jù)流。上述過程中，節(jié)點C在接收來自父節(jié)點的音頻數(shù)據(jù)包的同時，若具有服務新節(jié)點的能力，也可接受子節(jié)點并向子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)所接受的數(shù)據(jù)包。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(zhì)量也得到了相應地提高。 拓撲結(jié)構(gòu)在P2P多人語音系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，P2P網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)直接決定了該服務系統(tǒng)的響應效率及服務質(zhì)量。本系統(tǒng)采用單源的P2P流媒體傳輸。單源的P2P流媒體傳輸由一個發(fā)送者向多個接收者發(fā)送數(shù)據(jù)，接收者有且只有一個數(shù)據(jù)源。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(jù)，同時將數(shù)據(jù)以多播的方式傳送給其它節(jié)點。系統(tǒng)可分為三層，從高到低依次是服務器（包括索引服務器和音頻數(shù)據(jù)源）、轉(zhuǎn)播Peer、收聽Peer，以下將轉(zhuǎn)播者和收聽者稱為普通節(jié)點。，可見其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是典型的樹狀結(jié)構(gòu)。服務器處于網(wǎng)絡最高層，是整個網(wǎng)絡的根節(jié)點，整個系統(tǒng)只有一個，其中索引服務器負責組織和管理樹中各節(jié)點的相關信息，擁有一個完整的節(jié)點列表；音頻數(shù)據(jù)源負責實時向下提供多播樹中所傳播的音頻數(shù)據(jù)包。轉(zhuǎn)播者處于中間，它的存在體現(xiàn)了P2P網(wǎng)絡的基本特征：即節(jié)點不僅接收數(shù)據(jù)，還要進行轉(zhuǎn)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(jù)而不提供上傳。服務器S轉(zhuǎn)播者轉(zhuǎn)播者轉(zhuǎn)播者轉(zhuǎn)播者轉(zhuǎn)播者收聽者收聽者收聽者收聽者 整個系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu) 基于P2P的應用層多播樹的算法設計 多播樹中節(jié)點維護的信息多播樹以服務器為根節(jié)點，服務器包括索引服務器和音頻數(shù)據(jù)源。根節(jié)點維護著一張包含所有節(jié)點的列表，包括每個節(jié)點的相關信息和多播樹整體結(jié)構(gòu)的信息。多播樹中的普通節(jié)點包括轉(zhuǎn)播peer和收聽peer，它們維護的信息描述如下：①網(wǎng)絡地址。節(jié)點在網(wǎng)絡中的唯一標識，通過網(wǎng)絡地址來定位節(jié)點，與之通信。② 請求帶寬R。節(jié)點接受音頻數(shù)據(jù)包所需要的帶寬。③上行帶寬Bi。節(jié)點i在網(wǎng)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)點至少需要R的上行帶寬才具有服務其它節(jié)點的能力。④子節(jié)點數(shù)目Ci以及子節(jié)點的列表。Ci為節(jié)點i已經(jīng)擁有的子節(jié)點數(shù)目，列表包含子節(jié)點的地址信息。⑤可用帶寬Fi。決定了節(jié)點i還能服務的節(jié)點數(shù)目，即還可連接多少個新的子節(jié)點。Fi=BiCi*R。⑥父節(jié)點的信息。節(jié)點需要知道自己的父節(jié)點是誰。⑦在線時長Ti。節(jié)點i在該收聽頻道中的累積在線時間，用以推斷該節(jié)點在樹中的可靠性，在線時長越大，說明該節(jié)點立即離開的可能性越小，即越可靠?？煽啃愿叩墓?jié)點應該盡量處在離根近的地方，以保證整棵樹的穩(wěn)定。⑧到根的延時Di。節(jié)點i到服務器的延時，即數(shù)據(jù)從服務器傳輸至該節(jié)點所用的時間。等于父節(jié)點到服務器的延時加上節(jié)點到父節(jié)點之間的延時。由于多播樹通過節(jié)點間的相互傳遞來發(fā)送信息, 節(jié)點間全部采用單播連接，所以延時越低，在保證服務質(zhì)量的前提下，節(jié)點所能擁有的子樹越深。 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(gòu)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(jù)這N個節(jié)點的特性構(gòu)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。由于在一個典型的P2P網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡中的節(jié)點來自各個不同域，節(jié)點可能在任一時間加入或離開網(wǎng)絡，導致網(wǎng)絡具有很大的動態(tài)性和不可控性，所以應采取后者，生成多播樹的過程即加入節(jié)點的過程。 節(jié)點加入算法設計節(jié)點加入算法描述了一個節(jié)點如何加入一個P2P多播網(wǎng)絡，即如何在多播樹上選擇合適的父節(jié)點，以加入多播樹獲取服務。在對節(jié)點的選擇時，可以根據(jù)不同服務質(zhì)量的需求采用不同的策略。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(jié)構(gòu)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。如果希望音頻服務的延遲小，則可以以延時為主要考慮因素選擇父節(jié)點；如果希望得到高質(zhì)量的音頻服務，則可選擇能夠提供高帶寬的父節(jié)點，這樣就不會發(fā)生丟包等情況。一般情況下，節(jié)點的選擇是多種策略的折中。(1)引入多播樹中節(jié)點對新節(jié)點的服務能力參數(shù)當有新節(jié)點請求加入時，從上至下、從左到右地遍歷多播樹中的每一個節(jié)點，計算這些節(jié)點對新節(jié)點的服務能力PSC(Peer Service Capability)，然后從中選出能力最強的一個節(jié)點來作為新節(jié)點的父節(jié)點，從而將新節(jié)點接入多播樹中。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。PSC越高，說明服務能力越強，提供給新節(jié)點的服務也就越好。其中可用帶寬為樹中結(jié)點的可用帶寬，請求帶寬為傳輸音頻包所需的基本帶寬；綜合時延為新節(jié)點到樹中結(jié)點的延時和樹中結(jié)點到根節(jié)點的延時之和，最小時延為保證基本服務質(zhì)量的時延；在線時長為樹中結(jié)點的累積在線時長。α、β、γ根據(jù)策略需求為上下限范圍為[0,1]之間的數(shù)值。可用帶寬決定了接受到的音頻的質(zhì)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(zhì)量不會產(chǎn)生顯著影響；綜合延時是影響服務質(zhì)量最重要的因素，綜合延時越小，用戶所得到的服務質(zhì)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(jié)構(gòu)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?？紤]到這些，取α=，β=，γ=。需要說明的是，該參數(shù)具有參考意義的兩個前提為：可用帶寬必須大于請求帶寬；綜合時延必須小于保證基本服務所需的最小時延。若樹中某結(jié)點的可用帶寬小于請求帶寬，或它到根節(jié)點的時延等于保證基本服務所需的最小時延，則認為該節(jié)點不具有服務任何新節(jié)點的能力，可將PSC恒置為1，遍歷時不予以考慮，直至該節(jié)點的相關信息發(fā)生變化需要重置PSC；若樹中某節(jié)點可用帶寬足夠，到根節(jié)點的時延也小于保證基本服務所需的最小時延，但綜合時延要大于保證基本服務所需的最小時延，則認為該節(jié)點不具有服務當前請求加入的節(jié)點的能力，將相應的PSC置為0。(2)對處于NAT后的節(jié)點的特殊處理NAT即“網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換”，是一種把內(nèi)部私有網(wǎng)絡IP地址映射成公網(wǎng)IP地址的技術，它允許一個機構(gòu)以一個公用IP地址出現(xiàn)在Internet上。NAT設備允許私網(wǎng)主機主動向公網(wǎng)主機發(fā)送連接請求，但拒絕公網(wǎng)主機主動與私網(wǎng)主機進行直接連接。因此處于NAT后的節(jié)點，即內(nèi)網(wǎng)節(jié)點，只能從外部節(jié)點接受數(shù)據(jù)而不能向外傳送數(shù)據(jù)，也就是說處于NAT后的節(jié)點可用帶寬為0，不具有服務其它節(jié)點的能力，在多播樹中只能為葉子。雖然在P2P網(wǎng)絡中各節(jié)點地位都是平等的，可以互相之間建立連接，實現(xiàn)信息共享，而處于NAT后的節(jié)點打破了這種平等，但是NAT使得內(nèi)部網(wǎng)絡具有高安全性。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。通過查詢索引服務器可以獲取一張記錄了多播樹中所有NAT節(jié)點的列表。若有具有一定上行帶寬（不小于請求帶寬）的新節(jié)點F請求加入，當多播樹不具有能力服務F節(jié)點而樹中又存在NAT節(jié)點時，做如下處理：從索引服務器獲取NAT節(jié)點的列表，按照NAT節(jié)點到服務器的延時從小到大的順序遍歷所有NAT節(jié)點，嘗試將F節(jié)點接在當前NAT節(jié)點和其父節(jié)點之間。如果F節(jié)點和NAT節(jié)點都能獲得滿足基本要求的服務，那么將F節(jié)點接在當前NAT節(jié)點和其父節(jié)點之間，此時F節(jié)點成功加入樹中，結(jié)束遍歷。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。NATNATNATNATFF節(jié)點請求加入F 對NAT節(jié)點的特殊處理(3)節(jié)點加入算法節(jié)點加入多播樹的過程：1) 節(jié)點F向服務器S發(fā)送請求, 要求加入P2P多人語音系統(tǒng)對應的多播樹中。2) 服務器S收到節(jié)點F的請求之后,取得該節(jié)點的網(wǎng)絡地址，然后根據(jù)索引服務器中的節(jié)點列表從上至下、從左到右地遍歷多播樹中的節(jié)點，一一計算樹中結(jié)點對節(jié)點F的服務能力，找出對該節(jié)點服務最好的節(jié)點，把該節(jié)點作為F節(jié)點的父節(jié)點，轉(zhuǎn)5）。如果樹中所有節(jié)點都無法給F節(jié)點提供滿足基本要求的服務，若F節(jié)點的上行帶寬小于請求帶寬，轉(zhuǎn)4）；若F節(jié)點的上行帶寬大于請求帶寬，則查詢索引服務器看是否存在NAT后的節(jié)點，若存在，轉(zhuǎn)3）；否則轉(zhuǎn)4）。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(zhuǎn)5）；若所有NAT節(jié)點處都不滿足F節(jié)點的插入，則轉(zhuǎn)4）。4)拒絕F節(jié)點的加入請求，算法結(jié)束。5)子節(jié)點F成功加入多播樹，服務器S將F節(jié)點加入到節(jié)點列表中，并更新其它相關節(jié)點的信息和樹的結(jié)構(gòu)信息, F節(jié)點的父節(jié)點更新自身的信息。6) 父節(jié)點開始向F節(jié)點發(fā)送音頻數(shù)據(jù)包，F(xiàn)節(jié)點啟動媒體播放器, 對音頻數(shù)據(jù)包進行下載, 緩存, 排序, 組包, 播放。若F節(jié)點有NAT子節(jié)點，則轉(zhuǎn)發(fā)音頻數(shù)據(jù)包給子節(jié)點。算法結(jié)束。 節(jié)點離開算法設計由于網(wǎng)絡的動態(tài)性，正在提供服務的節(jié)點可能會離開P2P網(wǎng)絡，傳輸鏈路也可能因擁塞而失效，為了保證服務的質(zhì)量，必須采取一些機制使系統(tǒng)服務能力不受影響或盡快恢復。節(jié)點的退出方式可以分為兩種：正常退出和非正常退出