【正文】 ，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。整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示，可見其網(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(shí)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(gè)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(shí)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(huì)拒絕節(jié)點(diǎn) C的請求，節(jié)點(diǎn) C會(huì)隔一段時(shí)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(gè)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(huì)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(jì) [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(gè)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(jì)、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(xiàng)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(gè)典型的 P2P網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來自各個(gè)不同域，節(jié)點(diǎn)可能在任一時(shí)間加入或離開網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)具有很大的動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)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(gè)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(gè)流媒體用戶是 P2P網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)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(gè)或幾個(gè)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(gè)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)? 集中式 P2P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(shí)候，可以通過虛擬地址路由表快速查詢到存儲(chǔ)關(guān)鍵字的節(jié)點(diǎn)，從 而獲得共享內(nèi)容的存儲(chǔ)位置。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)分別存儲(chǔ)自己的虛擬地址路由表進(jìn)行路由。每一個(gè) 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)? 結(jié)構(gòu)化分布式 P2P網(wǎng)絡(luò)是一種純 P2P網(wǎng)絡(luò)。另一個(gè)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?P2P網(wǎng)絡(luò)模型中，每個(gè)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(chǔ)每個(gè)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(shí)際物理網(wǎng)絡(luò)中位于不同的子網(wǎng)中，中間相隔多個(gè)路由器，而在覆蓋網(wǎng)中不相鄰的節(jié)點(diǎn)在實(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)或計(jì)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(chǔ)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(tái)彼此連接的計(jì)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)不能得第 6 頁 到很好的推廣 [9]。 IP組播技術(shù)的主要功能在路由器上實(shí)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(tái)或者多臺(tái)主機(jī)發(fā)送單一數(shù)據(jù)包到多臺(tái)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(gè)服務(wù)“層 (虛擬網(wǎng)絡(luò) )，這個(gè)層可以主動(dòng)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(gè)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(shí)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(jì)算機(jī)連接起來提供一個(gè)高性能的應(yīng)用平臺(tái)，來協(xié)同完成特定的任務(wù)。設(shè)計(jì)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(shí)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(tái)的設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè) P2P多人語音系統(tǒng)。本文研究并設(shè)計(jì)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(shí)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)?？捎糜诜植际椒抡妗⒍喾綄?shí)時(shí)游第 4 頁 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(shí)現(xiàn)多播功能。 目前在 Peer to Peer 網(wǎng)絡(luò)上實(shí)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。 20xx年， Suman Banerjee 在 ACM SIGCOMM上發(fā)表了基于 NICE 應(yīng)用層多播的論文。 20xx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(dòng)態(tài)性，如何在動(dòng)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(shí)，研究高效率、低代價(jià)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贸删停送?，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 P2P流媒體傳輸?shù)膬?yōu)越性，基于 P2P的流媒體服務(wù)體系己經(jīng)引起了許多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、商業(yè)機(jī)構(gòu)的重視。 其中， P2P技術(shù)在文件共享方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)為 PPLive、 Mysee、 OICQ網(wǎng)站等。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(huì)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。 圖 組播通信方式 總之，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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用層組播克服了 IP 組播的缺陷 [1]：無需更改網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置，在客戶機(jī)間復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)報(bào)沿邏輯鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)路由、復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)功能均由客戶機(jī)完成，客戶機(jī)間建立一個(gè)疊加在 IP 網(wǎng)絡(luò)上、實(shí)現(xiàn)組播業(yè)務(wù)邏輯功能性網(wǎng)絡(luò)，要實(shí)現(xiàn)這樣的功能，就必須建立對應(yīng)的應(yīng)用層多播樹，如圖 。但太耗費(fèi)帶寬，又不能支持大量觀眾實(shí)時(shí)收看，申請者接收到的將是低質(zhì)量視頻。 圖 傳統(tǒng) C/S模式與 P2P網(wǎng)絡(luò)工作模式的比較 而在當(dāng)前較流行的基于 P2P的網(wǎng)絡(luò)電視、視頻點(diǎn)播、視頻會(huì)議等以流媒體為中心服 務(wù)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(wǎng)絡(luò)工作模式 第 2 頁 核心的新業(yè)務(wù)應(yīng)用中，隨著對等網(wǎng)絡(luò)和覆蓋網(wǎng)等技術(shù)的提出，出現(xiàn)了“應(yīng)用層組播”技術(shù)。 peer之間相互協(xié)作，并為其他 peer提供服務(wù)，將服務(wù)器的負(fù)載分散到 peer中，從而有效地減輕了服務(wù)器的負(fù)載和減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗，極大地提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。和傳統(tǒng)的 C/S模式不同，如圖 ，每 臺(tái)主機(jī)可以直接連接到其它主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不需要通過連接到中間服務(wù)器。 近年來，對等網(wǎng)絡(luò) (P2P)的研究在對等計(jì)算、資源共享、應(yīng)用層組播等方面得到了廣泛的關(guān)注， P2P技術(shù)得到快速的發(fā)展。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(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(shí)用戶的服務(wù)質(zhì)量也難以得到保證。系統(tǒng)的關(guān)鍵在于流媒體直播技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)處理能力的日益增強(qiáng)和寬帶網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，人們希望互聯(lián)網(wǎng)不僅僅只提供網(wǎng)頁瀏覽、文件下載等簡單業(yè)務(wù)，并且能提供“邊下載邊觀看音視頻”的多媒體服務(wù)，這種“邊下載邊播放 的應(yīng)用就是大家所熟悉的流媒體應(yīng)用。 Application Layer Multicast。 2) The latency between the central control server and the node is oversized and imbalanced, which causes some problems, such as not ideal of the audio frequency quality, and the lag of the receive of pronunciation package. However, the introduction of P2P and the technology of the application layer broadcasts, as the support technology of multiperson phoic system, can breakthrough those limits, and solve the above problems effectively. It provides the user high grade audio frequency service, which transports audio data through establishing and dynamicly maintaining multicast tree based on P2P ap