【正文】 to Peer 網(wǎng)絡(luò)的支持大規(guī)模、支持成員動態(tài)變化的特性?？傊?，P2P在流媒體傳播方面的應(yīng)用已有了一定程度的成果，應(yīng)用層多播則是剛剛起步，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，值得進一步研究和改善。主要研究內(nèi)容是：在基于P2P的流媒體直播系統(tǒng)中，整個P2P網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)。該方案完善了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的加入及退出機制，更好地實現(xiàn)了整個網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)平衡，提高了音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率和用戶接受的服務(wù)的質(zhì)量。本文的組織結(jié)構(gòu)如下所示： 第一章緒論中首先介紹了課題的研究背景及現(xiàn)狀、傳統(tǒng)流媒體直播系統(tǒng)存在的問題，以及采用P2P技術(shù)和應(yīng)用層多播技術(shù)構(gòu)建流媒體直播系統(tǒng)的優(yōu)勢，最后介紹了本文的主要研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。第三章詳細描述基于P2P的應(yīng)用層組播樹的算法設(shè)計。第五章介紹仿真實驗的實驗平臺的設(shè)計和仿真實驗的設(shè)計，并對測試結(jié)果進行了客觀的分析。第二章 多人語音系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)P2P網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢，而將P2P技術(shù)應(yīng)用到流媒體服務(wù)中能更好地實現(xiàn)其迅速、穩(wěn)定、高清晰度的特點。本章將重點介紹基于P2P的多人語音系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)。 P2P技術(shù) 相關(guān)技術(shù)背景為了解決傳統(tǒng)的基于C/S模式的流媒體系統(tǒng)服務(wù)能力有限、不能適應(yīng)大規(guī)模流媒體應(yīng)用的問題，服務(wù)器集群方式、CDN（Content Distribute Network，即內(nèi)容分布網(wǎng)絡(luò)）、IP組播、P2P等技術(shù)被提出。它完善了傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)，并在一定程度上提高了流媒體服務(wù)系統(tǒng)的傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量。CDN的英文全稱Content Distribute Network，即內(nèi)容分布網(wǎng)絡(luò)[7]，是一個建立并覆蓋在互聯(lián)網(wǎng)之上、由分布在不同區(qū)域的節(jié)點服務(wù)器群組成的虛擬網(wǎng)絡(luò)。雖然CDN從一定程度上減輕了主干網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)，提高用戶訪問網(wǎng)站的響應(yīng)速度，并減少了傳輸延遲，但是高昂硬件成本和部署成本是它最大的缺點。IP組播源把數(shù)據(jù)包發(fā)送到特定組播組，而只有屬于該組播組的地址主機才能接收到該數(shù)據(jù)包，在整個網(wǎng)絡(luò)的任何一條物理鏈路上只傳送單一的數(shù)據(jù)包。它的主要優(yōu)點是能夠有效地減少了多點通信中的帶寬消耗。 P2P技術(shù)的概念P2P(Peerto Peer)即對等計算或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)[10]，是一種用于不同計算機之間、不經(jīng)過中繼設(shè)備直接交換數(shù)據(jù)或服務(wù)的技術(shù)。每個終端(也稱節(jié)點)同時具有客戶端和服務(wù)器功能，即每臺計算機既能充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的請求者，又能對其他計算機的請求做出響應(yīng)，提供資源與服務(wù)。其主要代表形式是在應(yīng)用層上基于P2P網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的客戶端軟件[11]。P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，又稱為P2P覆蓋網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是指P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的邏輯組織結(jié)構(gòu)，即節(jié)點互聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)和節(jié)點在與相鄰節(jié)點保持連接時的行為規(guī)范，一般用一個連通的圖來表示。P2P系統(tǒng)一般要構(gòu)造一個拓撲結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造過程中需要解決系統(tǒng)中所包含的大量節(jié)點如何命名、組織以及確定節(jié)點的加入，離開方式、出錯恢復(fù)等問題。(1)集中式拓撲集中式P2P網(wǎng)絡(luò)拓撲通過一個中心服務(wù)器來記錄和索引共享信息以及回答對這些信息的查詢。中心化拓撲最大的優(yōu)點是維護簡單、發(fā)現(xiàn)效率高。最大的問題是容易造成中心服務(wù)器單點故障。(2)完全分布式非結(jié)構(gòu)化拓撲[13]完全分布式非結(jié)構(gòu)拓撲的P2P網(wǎng)絡(luò)采用了隨機圖的組織方式來形成一個松散的網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化有較好的容錯能力。這種拓撲的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)配置簡單，不需要中心服務(wù)器支持，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的時候具有很好的查詢效率。而且由于沒有確定的拓撲，這種形式的網(wǎng)絡(luò)無法保證查詢的確定性。因此目前對這種結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的研究集中在改進發(fā)現(xiàn)算法和轉(zhuǎn)發(fā)策略上。這種網(wǎng)絡(luò)不需要有中心服務(wù)器和中心路由器，其上的每個Peer的地位是完全平等的。這類網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都被分配一個虛擬地址，同時用一個關(guān)鍵字來表示其可提供的共享內(nèi)容。關(guān)鍵字存儲其虛擬地址與關(guān)鍵字匹配或者相近的節(jié)點上。這類網(wǎng)絡(luò)的代表系統(tǒng)是Chord[15]、Pastry[14]、CAN等?；旌鲜絇2P拓撲結(jié)合了集中式和分布式P2P形式的優(yōu)點，在設(shè)計思想和處理能力上都得到了進一步的優(yōu)化。 基于P2P的流媒體技術(shù)P2P實時流媒體技術(shù)是P2P技術(shù)與流媒體技術(shù)的結(jié)合，其核心思想就是把P2P技術(shù)應(yīng)用于實時流媒體數(shù)據(jù)的分發(fā)中去，把網(wǎng)絡(luò)層的組播功能轉(zhuǎn)移到應(yīng)用層實現(xiàn)，充分有效地利用各個節(jié)點的資源。P2P技術(shù)在流媒體應(yīng)用中特別適用于一些熱門事件，即使是大量的用戶同時訪問流媒體服務(wù)器，也不會使服務(wù)器因負載過重而癱瘓。 P2P流媒體直播技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展和普及為P2P流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展提供了強大市場動力。采用該技術(shù)可以使得單一服務(wù)器就能輕松負荷起成千上萬的用戶同時在線觀看節(jié)目。 應(yīng)用層組播技術(shù) 應(yīng)用層組播技術(shù)的概念應(yīng)用層組播技術(shù)利用對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在底層網(wǎng)絡(luò)之上構(gòu)建一個應(yīng)用層覆蓋網(wǎng)絡(luò)，將組播路由功能從路由器轉(zhuǎn)移到端系統(tǒng)上，然后在端系統(tǒng)的應(yīng)用層建立發(fā)送端和接收端之間的組播轉(zhuǎn)發(fā)樹。和IP組播增加網(wǎng)絡(luò)機制的方法不同，應(yīng)用層組播的基本思想是保持Internet原有的簡單、單播的轉(zhuǎn)發(fā)模型，由端系統(tǒng)來實現(xiàn)組播轉(zhuǎn)發(fā)的功能。為了達到高效，發(fā)送者不需要給每個接收者發(fā)送數(shù)據(jù)，只需要給部分接收者發(fā)送數(shù)據(jù)，這部分接收者再負責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他接收者，直到所有接收者都收到數(shù)據(jù)，即把發(fā)送者的負擔(dān)，分配到了其他成員身上。P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的具有高度動態(tài)性，隨時都有可能有節(jié)點失效或下線，由于應(yīng)用層多播系統(tǒng)需要依靠P2P系統(tǒng)的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息, 所以節(jié)點的突然失效會導(dǎo)致信息丟失,使多播服務(wù)中斷。所以如何處理新加入以及離開的節(jié)點，是影響構(gòu)建組播樹效率的關(guān)鍵所在，如何高效地建立和維護應(yīng)用層組播樹，克服應(yīng)用層組播的缺點，是值得深入研究的。多播樹的建立和維護算法的好壞將直接決定流媒體直播系統(tǒng)的連接效率，進而影響P2P的服務(wù)質(zhì)量。 組播節(jié)點的組織方法在應(yīng)用層組播網(wǎng)中，數(shù)據(jù)路由、復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)功能都由組播成員節(jié)點完成，如何構(gòu)建一個有效的應(yīng)用層組播架構(gòu)是在構(gòu)成應(yīng)用層組播網(wǎng)絡(luò)時所必須解決的問題。“網(wǎng)”狀邏輯結(jié)構(gòu)可靠性較高，但軟件設(shè)計復(fù)雜、維護開銷較大、擴展性較差。一般在大型組播組中使用樹，在中小型組播組中使用網(wǎng)。 組播節(jié)點的維護方法組播節(jié)點的維護包括節(jié)點的加入、退出、“失效”節(jié)點的檢測[20]。節(jié)點的加入是指新的節(jié)點請求加入到組播組的過程?！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。而引入P2P技術(shù)和應(yīng)用層多播技術(shù)，作為流媒體的新研究平臺，無疑給流媒體的發(fā)展和應(yīng)用開創(chuàng)了新的道路。第一部分重點介紹P2P技術(shù)，內(nèi)容如下：1）相關(guān)技術(shù)背景；2）P2P技術(shù)的概念；3）P2P網(wǎng)絡(luò)中拓撲結(jié)構(gòu)的研究；4）基于P2P的流媒體技術(shù)；5）P2P流媒體直播技術(shù)；6）P2P直播的特點。第三章 多人語音系統(tǒng)的設(shè)計 P2P多人語音系統(tǒng)的方案設(shè)計在整個P2P多人語音系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，P2P網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)直接決定了該服務(wù)系統(tǒng)的響應(yīng)效率及服務(wù)質(zhì)量。 系統(tǒng)的設(shè)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(wù)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(wù)器或者帶寬。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(wù)，來達到擴展系統(tǒng)服務(wù)能力的目的。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(yán)格的前后時序關(guān)系，如果一個數(shù)據(jù)包在播放之后到達，則沒有任何意義。2) 不需要一個有龐大帶寬和強大處理能力的服務(wù)器為眾多用戶提供廣播服務(wù)，所需要的只是一個索引服務(wù)器（組織管理客戶端節(jié)點）和一個音頻數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)應(yīng)該能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)邊緣／客戶端用戶的資源。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(wù)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(wù)能力都能得到適度利用，保持多播樹的穩(wěn)定和高性能。 基本原理基于P2P網(wǎng)絡(luò)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。當(dāng)一個新的客戶端節(jié)點C請求加入P2P網(wǎng)絡(luò)時，首先會向服務(wù)器S發(fā)出連接請求，服務(wù)器查看多播樹是否仍具有服務(wù)能力，如果有，則響應(yīng)節(jié)點C的請求，根據(jù)一定算法將節(jié)點C加入到樹中。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(yīng)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。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(wù)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。 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(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)直接決定了該服務(wù)系統(tǒng)的響應(yīng)效率及服務(wù)質(zhì)量。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。系統(tǒng)可分為三層，從高到低依次是服務(wù)器（包括索引服務(wù)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。服務(wù)器處于網(wǎng)絡(luò)最高層，是整個網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點，整個系統(tǒng)只有一個，其中索引服務(wù)器負責(zé)組織和管理樹中各節(jié)點的相關(guān)信息，擁有一個完整的節(jié)點列表；音頻數(shù)據(jù)源負責(zé)實時向下提供多播樹中所傳播的音頻數(shù)據(jù)包。服務(wù)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(yīng)用層多播樹的算法設(shè)計 多播樹中節(jié)點維護的信息多播樹以服務(wù)器為根節(jié)點，服務(wù)器包括索引服務(wù)器和音頻數(shù)據(jù)源。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(luò)地址。② 請求帶寬R。③上行帶寬Bi。節(jié)點至少需要R的上行帶寬才具有服務(wù)其它節(jié)點的能力。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。決定了節(jié)點i還能服務(wù)的節(jié)點數(shù)目，即還可連接多少個新的子節(jié)點。⑥父節(jié)點的信息。⑦在線時長Ti?？煽啃愿叩墓?jié)點應(yīng)該盡量處在離根近的地方，以保證整棵樹的穩(wěn)定。節(jié)點i到服務(wù)器的延時，即數(shù)據(jù)從服務(wù)器傳輸至該節(jié)點所用的時間。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(wù)質(zhì)量的前提下，節(jié)點所能擁有的子樹越深。由于在一個典型的P2P網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)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(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)具有很大的動態(tài)性和不可控性，所以應(yīng)采取后者，生成多播樹的過程即加入節(jié)點的過程。在對節(jié)點的選擇時，可以根據(jù)不同服務(wù)質(zhì)量的需求采用不同的策略。如果希望音頻服務(wù)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(wù)，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。(1)引入多播樹中節(jié)點對新節(jié)點的服務(wù)能力參數(shù)當(dāng)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(wù)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。PSC越高，說明服務(wù)能力越強，提供給新節(jié)點的服務(wù)也就越好。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?？紤]到這些，取α=，β=，γ=。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(wù)所需的最小時延，則認為該節(jié)點不具有服務(wù)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(guān)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(wù)所需的最小時延，但綜合時延要大于保證基本服務(wù)所需的最小時延，則認為該節(jié)點不具有服務(wù)當(dāng)前請求加入的節(jié)點的能力，將相應(yīng)的PSC置為0。NAT設(shè)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。雖然在P2P網(wǎng)絡(luò)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(luò)具有高安全性。通過查詢索引服務(wù)器可以獲取一張記錄了多播樹中所有NAT節(jié)點的列表。如果F節(jié)點和NAT節(jié)點都能獲得滿足基本要求的服務(wù)，那么將F節(jié)點接在當(dāng)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。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(wù)器S發(fā)送請求, 要求加入P2P多人語音系統(tǒng)對應(yīng)的多播樹中。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(wù)，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(wù)器看是否存在NAT后的節(jié)點，若存在，轉(zhuǎn)3）；否則轉(zhuǎn)4）。4)拒絕F節(jié)點的加入請求，算法結(jié)束。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。算法結(jié)束。節(jié)點的退出方式可以分為兩種：正常退出和非正常退出。因此，需要在節(jié)點退出后重構(gòu)多播樹，進行節(jié)點失效恢復(fù)。若是轉(zhuǎn)播者向服務(wù)器發(fā)出退出請求，即中間節(jié)點退出，那么采取“嫁接法”：斷開該中間節(jié)點與其每個兒子的的連接，把每一顆子樹當(dāng)做一個整體，然后每顆子樹的根，即該中間節(jié)點的兒子們，分別向服務(wù)器發(fā)出加入請求，按照節(jié)點加入算法把這些子樹重新接到多播樹中。若有子樹發(fā)出的加入請求被拒絕，即無法以整