【正文】 新自身的信息。3）執(zhí)行對于NAT節(jié)點(diǎn)的特殊處理，若F節(jié)點(diǎn)成功插入到某NAT節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)之間，則轉(zhuǎn)5）；若所有NAT節(jié)點(diǎn)處都不滿足F節(jié)點(diǎn)的插入，則轉(zhuǎn)4）。2) 服務(wù)器S收到節(jié)點(diǎn)F的請求之后,取得該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，然后根據(jù)索引服務(wù)器中的節(jié)點(diǎn)列表從上至下、從左到右地遍歷多播樹中的節(jié)點(diǎn)，一一計算樹中結(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)F的服務(wù)能力，找出對該節(jié)點(diǎn)服務(wù)最好的節(jié)點(diǎn)，把該節(jié)點(diǎn)作為F節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)5）。若所有NAT節(jié)點(diǎn)處都不能滿足F節(jié)點(diǎn)的插入，則拒絕F節(jié)點(diǎn)的加入請求。若有具有一定上行帶寬（不小于請求帶寬）的新節(jié)點(diǎn)F請求加入，當(dāng)多播樹不具有能力服務(wù)F節(jié)點(diǎn)而樹中又存在NAT節(jié)點(diǎn)時，做如下處理：從索引服務(wù)器獲取NAT節(jié)點(diǎn)的列表，按照NAT節(jié)點(diǎn)到服務(wù)器的延時從小到大的順序遍歷所有NAT節(jié)點(diǎn)，嘗試將F節(jié)點(diǎn)接在當(dāng)前NAT節(jié)點(diǎn)和其父節(jié)點(diǎn)之間。所以考慮到安全問題以及算法的復(fù)雜性，不考慮NAT的穿透[23]，將NAT后的節(jié)點(diǎn)的服務(wù)能力PSC設(shè)置為1，并在多播樹不具有能力服務(wù)新節(jié)點(diǎn)而樹中又存在NAT后的節(jié)點(diǎn)時，做一定的處理，使多播樹服務(wù)盡可能更多的節(jié)點(diǎn)。因此處于NAT后的節(jié)點(diǎn)，即內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，只能從外部節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可用帶寬為0，不具有服務(wù)其它節(jié)點(diǎn)的能力，在多播樹中只能為葉子。(2)對處于NAT后的節(jié)點(diǎn)的特殊處理NAT即“網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換”，是一種把內(nèi)部私有網(wǎng)絡(luò)IP地址映射成公網(wǎng)IP地址的技術(shù)，它允許一個機(jī)構(gòu)以一個公用IP地址出現(xiàn)在Internet上。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(wù)所需的最小時延?？捎脦挍Q定了接受到的音頻的質(zhì)量，當(dāng)其大于請求帶寬時即可保證基本的服務(wù)，到一定程度即可保證流暢完整的服務(wù)，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(wù)質(zhì)量最重要的因素，綜合延時越小，用戶所得到的服務(wù)質(zhì)量和感受就越好；在線時長決定了節(jié)點(diǎn)在樹中的穩(wěn)定性，進(jìn)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(diǎn)就越穩(wěn)定，在多播樹中擔(dān)當(dāng)?shù)呢?zé)任就越大，該服務(wù)更多的節(jié)點(diǎn)。其中可用帶寬為樹中結(jié)點(diǎn)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(diǎn)到樹中結(jié)點(diǎn)的延時和樹中結(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的延時之和，最小時延為保證基本服務(wù)質(zhì)量的時延；在線時長為樹中結(jié)點(diǎn)的累積在線時長。綜合考慮帶寬、可靠性、延時三個要素，定義樹中節(jié)點(diǎn)對新節(jié)點(diǎn)的服務(wù)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。一般情況下，節(jié)點(diǎn)的選擇是多種策略的折中。如果希望得到比較穩(wěn)定的音頻服務(wù)，則應(yīng)選擇相對穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)。 節(jié)點(diǎn)加入算法設(shè)計節(jié)點(diǎn)加入算法描述了一個節(jié)點(diǎn)如何加入一個P2P多播網(wǎng)絡(luò)，即如何在多播樹上選擇合適的父節(jié)點(diǎn)，以加入多播樹獲取服務(wù)。 多播樹生成算法設(shè)計當(dāng)一個語音服務(wù)器新開放時，只有一個服務(wù)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(diǎn)的加入請求，根據(jù)這N個節(jié)點(diǎn)的特性構(gòu)建一顆高性能高效率的多播樹，然后再依到達(dá)順序一個一個地處理后來節(jié)點(diǎn)的加入和樹中節(jié)點(diǎn)的離開；第二種是采取貪心算法，即邊加入邊生成，把當(dāng)前請求加入的節(jié)點(diǎn)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(dāng)前看來是最好的位置。等于父節(jié)點(diǎn)到服務(wù)器的延時加上節(jié)點(diǎn)到父節(jié)點(diǎn)之間的延時。⑧到根的延時Di。節(jié)點(diǎn)i在該收聽頻道中的累積在線時間，用以推斷該節(jié)點(diǎn)在樹中的可靠性，在線時長越大，說明該節(jié)點(diǎn)立即離開的可能性越小，即越可靠。節(jié)點(diǎn)需要知道自己的父節(jié)點(diǎn)是誰。Fi=BiCi*R。⑤可用帶寬Fi。④子節(jié)點(diǎn)數(shù)目Ci以及子節(jié)點(diǎn)的列表。節(jié)點(diǎn)i在網(wǎng)絡(luò)中本地上傳的帶寬，決定了節(jié)點(diǎn)能夠服務(wù)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)。節(jié)點(diǎn)接受音頻數(shù)據(jù)包所需要的帶寬。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的唯一標(biāo)識，通過網(wǎng)絡(luò)地址來定位節(jié)點(diǎn)，與之通信。根節(jié)點(diǎn)維護(hù)著一張包含所有節(jié)點(diǎn)的列表，包括每個節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息和多播樹整體結(jié)構(gòu)的信息。轉(zhuǎn)播者處于中間，它的存在體現(xiàn)了P2P網(wǎng)絡(luò)的基本特征：即節(jié)點(diǎn)不僅接收數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；收聽者處于最低層，是多播樹的葉子節(jié)點(diǎn)，只下載數(shù)據(jù)而不提供上傳?？梢娖渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是典型的樹狀結(jié)構(gòu)。服務(wù)器和所有客戶端節(jié)點(diǎn)組織成多播樹，多播樹中的節(jié)點(diǎn)接收來自父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。本系統(tǒng)采用單源的P2P流媒體傳輸。這就相當(dāng)于每個節(jié)點(diǎn)既是服務(wù)器，也是客戶端，這樣，不但減輕了服務(wù)器s負(fù)擔(dān)，而且客戶端得到的服務(wù)質(zhì)量也得到了相應(yīng)地提高。然后，節(jié)點(diǎn)C再將收到的音頻數(shù)據(jù)包重新進(jìn)行排序和封裝，組合成能夠?qū)崟r播放的數(shù)據(jù)流。假如整棵多播樹不具有足夠服務(wù)能力而無法繼續(xù)服務(wù)新節(jié)點(diǎn)，則服務(wù)器S會拒絕節(jié)點(diǎn)C的請求，節(jié)點(diǎn)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。首先，服務(wù)器S（在這里不區(qū)分索引服務(wù)器和音頻數(shù)據(jù)源，統(tǒng)一為服務(wù)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(wù)。5) 盡可能的為更多用戶提供滿足基本質(zhì)量的服務(wù)，即構(gòu)建一顆盡可能龐大的多播樹。4) 能夠在能力不同的節(jié)點(diǎn)間均衡負(fù)載。3) 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。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。具體地說，多人語音系統(tǒng)按照以下原則設(shè)計[17][21]：1) 能夠滿足音頻播放的要求。網(wǎng)絡(luò)中不存在中心服務(wù)器，每個用戶可以是客戶端，也可以是服務(wù)器。本系統(tǒng)采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用層多播樹的建立和維護(hù)是決定以樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的P2P網(wǎng)絡(luò)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)，因此，系統(tǒng)的方案設(shè)計、應(yīng)用層多播樹的建立和維護(hù)是本章研究的重點(diǎn)。第二部分重點(diǎn)介紹應(yīng)用層多播技術(shù)，主要包括應(yīng)用層多播技術(shù)的概念、組播節(jié)點(diǎn)的組織方法和維護(hù)方法。本章的主要內(nèi)容是介紹用于多人語音系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，包括P2P技術(shù)和應(yīng)用層多播技術(shù)。 本章小結(jié)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，流媒體技術(shù)必將成為未來網(wǎng)絡(luò)的一項關(guān)鍵技術(shù)。節(jié)點(diǎn)退出是指節(jié)點(diǎn)發(fā)出退出組播組的請求，需要對節(jié)點(diǎn)的組織進(jìn)行調(diào)整。在一個典型的P2P網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來自各個不同域，節(jié)點(diǎn)可能在任一時間加入或離開網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)具有很大的動態(tài)性和不可控性。本系統(tǒng)采用“樹”狀邏輯結(jié)構(gòu)?！皹洹睜钸壿嫿Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單、維護(hù)開銷小、擴(kuò)展性好，但可靠性較差。目前，組播節(jié)點(diǎn)的組織方法主要有兩種，即“網(wǎng)”和“樹”狀邏輯結(jié)構(gòu)。因此，有必要深入研究應(yīng)用層多播樹的建立和維護(hù)算法[19]。在樹狀模型的P2P流媒體直播系統(tǒng)中，首要問題是將服務(wù)器和參與服務(wù)的節(jié)點(diǎn)組織成ALM(ApplicationLevel Multicast，應(yīng)用層多播)樹[18]。其次，應(yīng)用層多播系統(tǒng)通過節(jié)點(diǎn)間的相互傳遞來發(fā)送信息, 節(jié)點(diǎn)間全部采用單播連接，因此需要盡量減少信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑，以減少信息到達(dá)接受者的延遲和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。應(yīng)用層多播樹的建立和動態(tài)維護(hù)是P2P樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立的關(guān)鍵。在應(yīng)用層組播中，傳輸分組在端系統(tǒng)主機(jī)處進(jìn)行復(fù)制，端系統(tǒng)主機(jī)構(gòu)成了邏輯覆蓋網(wǎng)絡(luò)，并使用應(yīng)用層定義組播路由協(xié)議來構(gòu)建和維護(hù)該組播網(wǎng)絡(luò)，目的是為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)造并維護(hù)可靠、高效的傳輸覆蓋網(wǎng)。該技術(shù)本質(zhì)上是用單播來實現(xiàn)組播，將組播的復(fù)雜性從網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)移到端系統(tǒng)。不管在線用戶數(shù)量的多少，服務(wù)端的帶寬消耗都是基本一樣的，那就是提供作為P2P傳播的種子所需要的幾個流的帶寬[17]。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(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到節(jié)省服務(wù)端帶寬消耗、減輕服務(wù)器處理壓力的目的。P2P流媒體技術(shù)主要優(yōu)勢在于降低對服務(wù)器處理能力和服務(wù)器上傳帶寬的要求，節(jié)約了主干網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。在基于P2P的流媒體技術(shù)中，每個流媒體用戶是P2P網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)，用戶可以根據(jù)其他節(jié)點(diǎn)的設(shè)備能力和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)與一個或幾個用戶建立連接來分享數(shù)據(jù)，這種連接能減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)和提高每個用戶的音視頻質(zhì)量。這類網(wǎng)絡(luò)的代表系統(tǒng)是Skype[16]。(4)混合式拓?fù)浼惺絇2P形式有利于網(wǎng)絡(luò)資源的快速檢索，只要服務(wù)器的處理能力足夠強(qiáng)就可以無限擴(kuò)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(kuò)展性。資源定位的時候，可以通過虛擬地址路由表快速查詢到存儲關(guān)鍵字的節(jié)點(diǎn)，從而獲得共享內(nèi)容的存儲位置。網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)分別存儲自己的虛擬地址路由表進(jìn)行路由。每一個Peer既可以作為客戶端又可以作為服務(wù)器，并且它們與相鄰的Peer有相同的能力。(3)完全分布式結(jié)構(gòu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)化分布式P2P網(wǎng)絡(luò)是一種純P2P網(wǎng)絡(luò)。另一個問題是由于采用TTL、洪泛、隨機(jī)漫步，這種拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)直徑不可控，可擴(kuò)展性差[14]。但是由于這種拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)中多采用洪泛方式查詢和資源定位，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷增大，將對網(wǎng)絡(luò)帶來了沉重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。在完全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)涞腜2P網(wǎng)絡(luò)模型中，每個節(jié)點(diǎn)都具有相同的功能，因而節(jié)點(diǎn)也稱對等點(diǎn)。典型代表是Napster[12]。由于資源的發(fā)現(xiàn)依賴中心化的目錄系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)算法靈活高效并能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜查詢。這種形式具有中心化的特點(diǎn)，但是它不像傳統(tǒng)的C／S模式，把所有資源都放在服務(wù)器上，它的服務(wù)器只存儲每個節(jié)點(diǎn)的索引信息，而節(jié)點(diǎn)的所有具體信息都保存在節(jié)點(diǎn)本身。根據(jù)P2P網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以將P2P網(wǎng)絡(luò)分為四種：集中式拓?fù)?、完全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)?、完全分布式結(jié)構(gòu)化拓?fù)浜突旌鲜酵負(fù)?。在覆蓋網(wǎng)中相鄰的節(jié)點(diǎn)可能在實際物理網(wǎng)絡(luò)中位于不同的子網(wǎng)中，中間相隔多個路由器，而在覆蓋網(wǎng)中不相鄰的節(jié)點(diǎn)在實際物理網(wǎng)絡(luò)中卻可能是直接相連的。 P2P網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指分布式系統(tǒng)中各個節(jié)點(diǎn)或計算單元之間的物理或邏輯的互聯(lián)關(guān)系，節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直是確定系統(tǒng)類型的重要依據(jù)。對等點(diǎn)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(wù)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。在P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，成千上萬臺彼此連接的計算機(jī)都處于對等的地位，各節(jié)點(diǎn)具有相同的責(zé)任和能力，并協(xié)同完成特定任務(wù)。但由于一些關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)不能得到很好的推廣[9]。IP組播技術(shù)的主要功能在路由器上實現(xiàn)。IP組播技術(shù)[8]是對互聯(lián)網(wǎng)“單播、盡力轉(zhuǎn)發(fā)”模型的重要擴(kuò)充，是一種允許一臺或者多臺主機(jī)發(fā)送單一數(shù)據(jù)包到多臺主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中，客戶端的請求被直接按照目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給數(shù)據(jù)源服務(wù)器，而CDN網(wǎng)絡(luò)為傳輸服務(wù)提供了一個服務(wù)“層(虛擬網(wǎng)絡(luò))，這個層可以主動將用戶訪問比較頻繁的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容“推”到與發(fā)出請求的用戶距離最近的服務(wù)器上，并將每個客戶端發(fā)出的請求轉(zhuǎn)發(fā)到距離被請求的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容而言最近的服務(wù)器上。但是其高額的硬件成本和系統(tǒng)的復(fù)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。服務(wù)器集群方式[6]是將各自獨(dú)立的、同構(gòu)或異構(gòu)的一組計算機(jī)連接起來提供一個高性能的應(yīng)用平臺，來協(xié)同完成特定的任務(wù)。設(shè)計該系統(tǒng)的主要目標(biāo)是充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，降低服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗，實現(xiàn)高擴(kuò)展性和可靠性，提供高質(zhì)量的流媒體播放效果[5]。用戶對它的要求也將越來越高，因此，必須研究出一種高效的、高質(zhì)量的P2P流媒體直播系統(tǒng)來滿足用戶的需求。第六章對論文進(jìn)行了總結(jié)，并對未來工作進(jìn)行展望。第四章描述仿真平臺的設(shè)計和仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及功能模塊，并詳細(xì)介紹了各個功能模塊的功能。第二章介紹多人語音系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。 論文的結(jié)構(gòu)本文在充分的理論和技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了一個P2P多人語音系統(tǒng)。本文研究并設(shè)計了應(yīng)用層多播樹模型，采用單樹結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層多播樹建立方案，按照一定的算法，構(gòu)建了一棵滿足音頻服務(wù)要求的單源多播樹，實現(xiàn)應(yīng)用層組播。 本文的研究內(nèi)容本文研究了如何利用P2P技術(shù)和應(yīng)用層多播技術(shù)來構(gòu)建一種具有可擴(kuò)展服務(wù)能力的多人語音系統(tǒng)?？捎糜诜植际椒抡?、多方實時游戲、大規(guī)模協(xié)作應(yīng)用等，但這三種方案對于應(yīng)用層多播的模型、性能分析、性能優(yōu)化都沒有進(jìn)行研究。這幾種方案都充分利用了Peer to Peer 網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制，因此只需增加少量的模塊就可以實現(xiàn)多播功能。目前在Peer to Peer 網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的應(yīng)用層多播方案主要有三種：CAN Multicast、Scribe、Bayeux。這些應(yīng)用層多播方案具有不同的特點(diǎn)，適用的范圍也不相同。2002年，Suman Banerjee 在ACM SIGCOMM上發(fā)表了基于NICE 應(yīng)用層多播的論文。2001年Ratnasamy 在ACM SIGCOMM上發(fā)表了基于Peer to Peer 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層多播論文CAN Multicast[3]。很多大學(xué)和研究院都在進(jìn)行這方面的研究。3）分層流媒體雖然在IP組播中已經(jīng)得到深入研究，但是在應(yīng)用層組播中的研究才剛剛起步。將流媒體技術(shù)與P2P技術(shù)結(jié)合在一起，改善了以前需要高性能服務(wù)器為流媒體服務(wù)并解決了寬帶限制的問題，但是在音視頻直播應(yīng)用中，對等網(wǎng)絡(luò)方法面臨一些問題：1）由于P2P流媒體系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的行為的動態(tài)性，如何在動態(tài)的運(yùn)行環(huán)境下保證流媒體的服務(wù)質(zhì)量，需要深入了解流媒體對QoS的要求和網(wǎng)絡(luò)流量分析等方面的知識，研究高效率、低代價的QoS保障機(jī)制。伯克利大學(xué)和普度大學(xué)則致力于對多源的P2P流媒體傳輸?shù)难芯恳踩〉昧艘欢ǖ贸删?，此外，也有一些研究機(jī)構(gòu)將傳統(tǒng)的流媒體技術(shù)運(yùn)用于P2P系統(tǒng)。由于P