【正文】 由于本人學(xué)識有限，加之時間倉促，文中不免有錯誤和待改進(jìn)之處，真誠歡迎各位師長、同行能提出寶貴意見。最后也要感謝陪我走過四年的大學(xué)生活的同學(xué)和老師們，你們給予我的幫助和歡樂我永遠(yuǎn)也不會忘記的。在這要感謝我的學(xué)校華中科技大學(xué)，正是因為她提供了美麗的校園才能讓我茁壯的吸取著知識的養(yǎng)分，其人文氛圍也深深的影響我的品質(zhì)。大學(xué)四年的生活即將過去，回想起來充滿了苦與樂。三個多月來畢業(yè)設(shè)計過程，讓我深深體會到做好一件事要以系統(tǒng)謹(jǐn)慎的思維去對待，并且要善于自我學(xué)習(xí)，不能怕去求助他人，保持一個樂觀自信的心態(tài)是非常重要的。致 謝在論文完成之際，我要首先感謝廖小飛老師對我畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)，還要感謝實驗室學(xué)長學(xué)姐的幫助，他們?yōu)槲抑笇?dǎo)了課題的研究方法、解決辦法，并為我提供了許多參考資料，幫助我克服了畢設(shè)中遇到的許多困難。單多播樹結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)發(fā)能力較小的內(nèi)部節(jié)點可能需承擔(dān)很大轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)載，而葉節(jié)點卻無需承擔(dān)。由于參與服務(wù)的各個客戶之間毫無關(guān)系，要在互不信任的客戶之間互相提供服務(wù)無疑需要一個有效的認(rèn)證或或其它安全機(jī)制。這需要對節(jié)點在P2P系統(tǒng)中的行為和興趣進(jìn)行統(tǒng)計建模，理解激勵機(jī)制和節(jié)點行為之間的關(guān)系，以建立適當(dāng)?shù)募顧C(jī)制。但前提條件是P2P流媒體系統(tǒng)中的節(jié)點之間需要充分的相互協(xié)作，共享彼此擁有的資源，如磁盤空間、上傳帶寬等。3) 沒能建立一個合理的激勵機(jī)制。帶寬、時延、在線時長等各不相同的節(jié)點隨機(jī)地加入多播樹中，若讓一些服務(wù)能力很差的節(jié)點占據(jù)了多播樹的上游，它們無法承擔(dān)起服務(wù)其它節(jié)點的責(zé)任，這時整棵樹的效率和性能將大幅降低。 展望本文雖然取得了一定的成果，但是由于本人水平和時間的限制，有以下不足之處有待完善，總結(jié)如下：1) 沒有深入研究流媒體技術(shù)本身，以設(shè)計出更適用的流媒體數(shù)據(jù)調(diào)度和傳輸?shù)姆桨福瓜到y(tǒng)能夠?qū)Χ喾N音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能地分片發(fā)送和傳輸。本文在深入分析了P2P技術(shù)和應(yīng)用層多播技術(shù)后，設(shè)計了適用于流媒體直播系統(tǒng)的應(yīng)用層多播樹的構(gòu)建和動態(tài)維護(hù)方案。雖然P2P技術(shù)和應(yīng)用層多播在流媒體傳播方面的應(yīng)用已有了一定程度的成果，但要想把它們應(yīng)用于流媒體傳播，性能和效果還不成熟、不理想，值得進(jìn)一步研究和改善。在解決了流媒體的關(guān)鍵技術(shù)問題后，流媒體技術(shù)的應(yīng)用必然會在未來的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮更重要的作用，并在一定程度上改變?nèi)藗兪褂镁W(wǎng)絡(luò)的方式。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(wù)器端的資源很快被耗盡，成為系統(tǒng)服務(wù)能力的瓶頸所在，同時用戶的服務(wù)質(zhì)量也難以得到保證。實驗結(jié)果表明，從功能上看，系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)；從性能上看，系統(tǒng)在一般情況下具有較好的服務(wù)質(zhì)量，但由于均衡負(fù)載的能力不夠，性能的穩(wěn)定性有待提高。分析可知系統(tǒng)的算法與不同能力節(jié)點的加入次序有關(guān)：若比較多的服務(wù)能力差的節(jié)點先請求加入，然后占據(jù)了多播樹的上游，那么整棵多播樹的效率和性能將會很低；若比較多的服務(wù)能力強(qiáng)的節(jié)點先請求加入，占據(jù)多播樹的上游，那么整棵多播樹的效率和性能將會顯著提高。C. 當(dāng)節(jié)點數(shù)到達(dá)80左右時，時而會出現(xiàn)有節(jié)點無法連入多播樹的情況。B. 剛開始時隨著節(jié)點數(shù)的增加平均時延逐步變大，而后隨著節(jié)點數(shù)的繼續(xù)增多，平均時延增大的速度變慢。3) 結(jié)果分析A. 從節(jié)點到根節(jié)點的平均延時來看，大多數(shù)節(jié)點都獲得了較好的服務(wù)質(zhì)量。設(shè)定B=1Mbps，Tin取0s~1000s之間的隨機(jī)值，Tout取Tin~1000s之間的隨機(jī)值， N取值分別為50、60、70、80、90、100，對每一個N值做20次試驗，記錄不同N值下所有節(jié)點接受服務(wù)時延的平均值。：服務(wù)器ED服務(wù)器BCED30s時刻A服務(wù)器BCED40s時刻60s時刻 30s,40s,60s時刻的多播樹3) 結(jié)果分析實驗結(jié)果達(dá)到預(yù)期估計，說明基于P2P的多人語音仿真系統(tǒng)能夠正常運行，實現(xiàn)了基本功能。觀察系統(tǒng)是否能夠生成多播樹，并進(jìn)行動態(tài)維護(hù)。 功能仿真1) 仿真實驗的設(shè)計設(shè)定N=5，B=400Kbps，Bi取200Kbps~400Kbps之間的隨機(jī)值。 仿真參數(shù)說明仿真參數(shù)，：表 符號表示具體含義取值方法N網(wǎng)絡(luò)中總的節(jié)點數(shù)事先設(shè)定R請求帶寬事先設(shè)定B服務(wù)器（根節(jié)點）的上行帶寬事先設(shè)定Bi節(jié)點的上行帶寬隨機(jī)生成Ti節(jié)點的在線時長隨機(jī)生成Di節(jié)點到服務(wù)器（根節(jié)點）的延時計算得到Delayij節(jié)點之間的延時隨機(jī)生成Dmax保證基本服務(wù)質(zhì)量的最大延時事先設(shè)定Tin節(jié)點加入系統(tǒng)的時間隨機(jī)生成Tout檢測到的節(jié)點離開系統(tǒng)的時間隨機(jī)生成網(wǎng)絡(luò)中總的節(jié)點數(shù)為N，表示請求加入系統(tǒng)的用戶數(shù)；請求帶寬R為節(jié)點接受音頻數(shù)據(jù)包所需要的帶寬；上行帶寬Bi表示節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中本地上傳的帶寬，決定了節(jié)點能夠服務(wù)的節(jié)點數(shù)；在線時長Ti是指節(jié)點在該系統(tǒng)中的累積在線時間，為歷史遺留信息，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；節(jié)點到根節(jié)點的延時Di等于節(jié)點到根節(jié)點之間的各路徑段延時Delayij之和，Di決定了節(jié)點所接受服務(wù)的質(zhì)量，延時越低，說明服務(wù)質(zhì)量越高，若大于Dmax則不能保證基本服務(wù)質(zhì)量，多播樹中不應(yīng)該存在這樣的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)與媒體數(shù)據(jù)傳輸管理模塊有兩個作用，一是索引服務(wù)器對多播樹的結(jié)構(gòu)信息和節(jié)點列表進(jìn)行維護(hù)，二是管理媒體數(shù)據(jù)的傳輸；節(jié)點組織與管理模塊對節(jié)點的加入和退出進(jìn)行處理，以構(gòu)建和動態(tài)維護(hù)多播樹；基于“心跳”的通信管理模塊主要用于管理網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的定時通信，以保證網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)地實時更新，并可檢測網(wǎng)絡(luò)的異常；音頻管理模塊則作用于客戶端，處理接收到的音頻數(shù)據(jù)包，供用戶播放，并向子節(jié)點復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)音頻數(shù)據(jù)包。緩沖區(qū)子模塊主要負(fù)責(zé)對接收到的音頻數(shù)據(jù)包進(jìn)行下載，緩存，排序，組包，然后啟動媒體播放器進(jìn)行播放；復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)子模塊則是復(fù)制接收到的音頻數(shù)據(jù)包，直接送到端口處，向子節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。，心跳包內(nèi)容如下：A） 發(fā)送方的網(wǎng)絡(luò)IP地址；B） 目的方的網(wǎng)絡(luò)IP地址；C）往返時延RTT；D）上行帶寬Bi，可用帶寬Fi，請求帶寬R；E）節(jié)點的在線時長Ti。可以通過基于“心跳”的通信管理模塊來處理這個問題，它的主要內(nèi)容就是心跳檢測機(jī)制：節(jié)點定時（例如每隔5秒）向多播網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點、所有子節(jié)點以及索引服務(wù)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”。F節(jié)點從父節(jié)點處接受音頻數(shù)據(jù)包，進(jìn)行處理播放，并轉(zhuǎn)發(fā)包給子節(jié)點索引服務(wù)器查詢接收到的消息是否有節(jié)點的加入請求否是請求加入的節(jié)點為F節(jié)點，服務(wù)器獲取其信息否F節(jié)點從中選擇對自己服務(wù)能力最強(qiáng)的節(jié)點作為父節(jié)點開 始服務(wù)器接受請求，查詢節(jié)點列表，遍歷多播樹中的節(jié)點，計算各節(jié)點對F節(jié)點的服務(wù)能力樹中是否有節(jié)點有能力提供服務(wù)對F節(jié)點做對于NAT節(jié)點的特殊處理，請求插入到某NAT節(jié)點與其父節(jié)點之間是否F節(jié)點的上行帶寬大于請求帶寬且樹中有NAT節(jié)點？是是否找到合適的位置插入服務(wù)器拒絕F節(jié)點的加入請求節(jié)點F成功加入多播樹，服務(wù)器更新相關(guān)信息，F(xiàn)節(jié)點的父節(jié)點更新相關(guān)信息結(jié)束，等待下一次調(diào)度否是 節(jié)點加入的過程 節(jié)點的離開節(jié)點離開的算法在第三章已經(jīng)詳細(xì)描述。 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(jìn)節(jié)點的加入模塊）、節(jié)點的退出等模塊。該模塊并不需要知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，只需要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點即可。節(jié)點接入應(yīng)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(guān)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(guān)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。接受節(jié)點發(fā)來的加入和離開請求，接受節(jié)點發(fā)來的心跳包，向節(jié)點發(fā)送指令包、信息包以及心跳包。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(hù)多播樹中與節(jié)點相連的節(jié)點的相關(guān)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。網(wǎng)絡(luò)與媒體數(shù)據(jù)傳輸管理模塊節(jié)點組織與管理模塊基于“心跳”的通信管理模塊音頻管理模塊 多人語音仿真系統(tǒng)的功能模塊圖 網(wǎng)絡(luò)與媒體數(shù)據(jù)傳輸管理模塊網(wǎng)絡(luò)管理模塊包含索引管理子模塊和媒體數(shù)據(jù)傳輸子模塊。 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(wǎng)絡(luò)與媒體數(shù)據(jù)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。I）定時器（Timmer）為了方便一些算法的實現(xiàn)，特別是一些需要周期性運行的算法，每個節(jié)點都與一個定時器。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。節(jié)點在每個時間片內(nèi)得到運行機(jī)會時，就會對消息隊列進(jìn)行處理，直到處理完所有processingTime小于或等于當(dāng)前系統(tǒng)時間的消息為止。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。MessageDispatcher的工作過程是這樣的，首先根據(jù)消息中的src和dest屬性查找延時表，獲取消息發(fā)送者和接收者之間的延時，將延時信息填入消息的delay屬性中，同時還將當(dāng)前的時間填入消息的dispatchTime屬性中；然后，根據(jù)消息的dest屬性查找哈希表，將消息添加到nodeID為dest的節(jié)點的消息隊列中。E）消息（Message）：表 消息的結(jié)構(gòu)Src發(fā)送消息的源節(jié)點的nodeIDDest消息發(fā)送的目的節(jié)點nodeIDBody消息體dispatchTime消息的發(fā)送時間（系統(tǒng)定義的時間而非正真的時間）Dealy消息在傳輸過程中的延時F）發(fā)送消息系統(tǒng)中一個專門負(fù)責(zé)發(fā)送消息的模塊，稱為MessageDispatcher。D）節(jié)點延時（Delay）任意兩個節(jié)點之間的延時是介于系統(tǒng)定義的最大延時（max delay）和最小延時（min delay）之間的一個隨機(jī)值。每個節(jié)點都有一個消息隊列，用來保存其它節(jié)點發(fā)過來的但還沒有處理的消息。C）節(jié)點（Node）每個節(jié)點都有一個全局標(biāo)識的標(biāo)識，稱為nodeID，通過nodeID可以唯一確定一個節(jié)點。每個單位時間稱為一個時間片，在每個時間片上，仿真系統(tǒng)對每個節(jié)點進(jìn)行一次處理，也就是說每個節(jié)點在每個時間片上都得到一次運行的機(jī)會。仿真系統(tǒng)內(nèi)部的所有的時間包括系統(tǒng)時間和延時都以該單位時間來衡量。下面對仿真平臺作詳細(xì)的介紹。 仿真實驗平臺的設(shè)計為了方便對算法進(jìn)行測試，用JAVA語言實現(xiàn)了一基于輪詢機(jī)制的仿真系統(tǒng)作為仿真平臺。第二部分重點描述基于P2P的應(yīng)用層組播樹的相關(guān)算法： (1)初始多播樹的生成算法；（2）節(jié)點的加入算法，其中引入了“多播樹中節(jié)點對新節(jié)點的服務(wù)能力參數(shù)”，增加了對特殊節(jié)點——NAT后的節(jié)點的處理說明；（3）節(jié)點的退出算法，包括節(jié)點的正常退出和異常退出，其中引入了“心跳檢測機(jī)制”。本章主要介紹多人語音系統(tǒng)的方案設(shè)計和基于P2P的應(yīng)用層多播樹的算法設(shè)計。多播樹的建立和維護(hù)算法的好壞將直接決定流媒體直播系統(tǒng)的連接效率，進(jìn)而影響P2P的服務(wù)質(zhì)量。(3)節(jié)點的非正常退出節(jié)點的異常退出就是最主要的一種變故，應(yīng)用心跳檢測機(jī)制來輪詢這種故障，某節(jié)點超過規(guī)定時間沒有收到從其父節(jié)點處轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，就給父節(jié)點發(fā)送檢測信息，看父節(jié)點是否斷開了連接，若該父節(jié)點由于異常退出了網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)就會啟動處理正常退出的重構(gòu)算法，并通知服務(wù)器節(jié)點的離開。可以采取心跳檢測機(jī)制來檢測這樣的一些變故，節(jié)點定時（例如每隔5秒）向多播網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點、所有子節(jié)點以及索引服務(wù)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”。例如在基于P2P的應(yīng)用層多播網(wǎng)絡(luò)中，部分區(qū)域突然變得堵塞，導(dǎo)致某些peer之間的延時增大，以至于末端節(jié)點由于到服務(wù)器的延時過大而無法得到滿意的音頻服務(wù)；某個轉(zhuǎn)播者由于一些原因，自身的可用帶寬變小，導(dǎo)致它無法繼續(xù)給所有的兒子提供音頻服務(wù)；某個節(jié)點由于斷電、網(wǎng)絡(luò)故障等原因，在沒有發(fā)送正常退出請求的情況下離開了多播樹，導(dǎo)致多播樹的結(jié)構(gòu)受損等等。最后，更新索引服務(wù)器和相關(guān)節(jié)點中的信息即可。需要注意的是，在加入過程中計算節(jié)點到服務(wù)器的延時時，這里要求所有子樹的所有葉子到服務(wù)器的延時均小于保證基本服務(wù)的最小延時，方算成功重構(gòu)了多播樹。(1)節(jié)點正常退出若收聽者向服務(wù)器發(fā)出退出請求，即葉子節(jié)點退出，那么葉子節(jié)點可直接離開多播樹，而不需要對多播樹進(jìn)行重構(gòu)，然后更新索引服務(wù)器和其父節(jié)點中的信息即可。無論節(jié)點是哪種方式退出，都會影響到多播樹的結(jié)構(gòu)。 節(jié)點離開算法設(shè)計由于網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性，正在提供服務(wù)的節(jié)點可能會離開P2P網(wǎng)絡(luò)，傳輸鏈路也可能因擁塞而失效，為了保證服務(wù)的質(zhì)量，必須采取一些機(jī)制使系統(tǒng)服務(wù)能力不受影響或盡快恢復(fù)。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。5)子節(jié)點F成功加入多播樹，服務(wù)器S將F節(jié)點加入到節(jié)點列表中，并更新其它相關(guān)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