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可控P2P流媒体分发关键技术研究

作　者: 郑伟平
导　师: 齐德昱
学　校: 华南理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 流媒体分发可控P2P 缓存替换帮手复本放置
分类号: TP393.02
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,P2P凭借可扩展性、低成本、易部署等优势,迅速成为流媒体应用的主要分发手段。本文在全面分析和总结流媒体分发研究现状的基础上,以可控环境下P2P流媒体分发为切入点,对该环境下流媒体分发的几个关键技术进行研究,提出了相关的新算法和新机制,并通过仿真进行性能验证,取得了若干成果和结论。本论文的主要创新和贡献包括:(1)研究流媒体分发的体系结构演化路线,提出了可控P2P的概念。揭示了流媒体分发技术的演变路线,扼要介绍各种流媒体分发体系结构的关键技术和研究现状。在总结一类新兴的流媒体分发系统的基础上,提出了“可控P2P”的概念。可控P2P是可控网络的对等分发技术。所谓可控网络是指网络运营商可控制设备(例如机顶盒、家庭网关)参与P2P计算的网络环境。从本质上来看,可控P2P将应用层组播能力从普通用户节点拓展到网络边缘设备上,这有助于克服P2P技术的扰动缺陷,并带来了众多的优秀特性。利用可控P2P的优势来提升流媒体分发性能是一个有价值的研究课题。(2)在可控P2P框架下,提出了一个帮手节点协助的P2P流媒体利他协作方案,对节点组织、邻居发现、数据调度等多方面问题和算法进行研究。与现有方案相比,提出的利他协作机制不需对流媒体数据进行额外编码,与目前流行的数据驱动模式兼容,可以很容易地融合进已有的分发框架。实验表明,该机制能够减轻流媒体服务器的访问压力,提高节点播放的流畅程度,具有可扩充、可靠、透明等特点。(3)提出了基于全局和局部供求模式的流媒体数据缓存替换模型。该模型提出全局供求模式和局部供求模式的概念,并引入分布式一致性算法作为供求模式的求解手段。在评估数据供应能力时充分考虑对等节点的带宽异构性和服务竞争因素,能更准确地反映实际供应能力。模型在区域网络内部使用基于局部供求模式的缓存替换算法,在缓存服务节点上结合全局和局部供求模式进行缓存放置和替换。实验结果表明,在较大节点规模的情况下,该缓存替换机制能够提高区域内部数据共享效率,减少区域间数据流量,减轻流媒体服务器负荷。(4)研究流媒体文件内部流行度模型。在分析真实系统日志文件的基础上,提出了“双指数型”流媒体内部流行度模型,拟合结果表明,该模型能够更为准确地预测内部流行度,优于目前其它文献提出的指数模型、Zipf模型以及广延指数模型等。(5)提出了可控P2P环境下的树型代理透明服务模型,并研究该模型的数据复本放置问题。实例分析发现,前缀放置在树型拓扑下难以达到最优的放置效果。在双指数内部流行度模型的支持下,以数据段为放置粒度,提出了树型拓扑上考虑代理存储容量和服务吞吐量特性的非定长、非连续复本放置模型,并基于贪婪策略给出了HGPA和GGPA放置算法。仿真实验表明,本文提出的放置算法能够提高数据访问命中率,有效减少数据访问成本。在树型拓扑下,非连续放置算法优于前缀放置算法。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-21
  1.1 研究背景与意义  13-14
  1.2 国内外研究现状与存在问题  14-19
    1.2.1 国内研究现状  14-15
    1.2.2 国外研究新动向  15-17
    1.2.3 P2P流媒体分发研究面临的挑战  17-19
  1.3 研究内容与成果  19-20
  1.4 本论文组织结构  20-21
第二章流媒体分发体系结构演化与可控P2P分发  21-41
  2.1 流媒体分发体系结构演化  21-26
    2.1.1 C/S分发体系  22-23
    2.1.2 CDN分发体系  23-24
    2.1.3 P2P分发体系  24-25
    2.1.4 CDN+P2P混合式分发体系  25-26
  2.2 P2P流媒体分发系统  26-35
    2.2.1 P2P分发拓扑结构  27-30
      2.2.1.1 树型拓扑  27-29
      2.2.1.2 网状拓扑  29-30
      2.2.1.3 混合拓扑  30
    2.2.2 BitTorrent类型P2P流媒体系统  30-35
      2.2.2.1 BT类型流媒体系统分类  32-33
        2.2.2.1.1 混合式类型  32-33
        2.2.2.1.2 纯P2P类型  33
      2.2.2.2 面向流媒体传输的BT算法改进  33-35
        2.2.2.2.1 数据块选择算法改进  33-34
        2.2.2.2.2 对等点选择算法改进  34-35
  2.3 可控P2P流媒体分发  35-40
    2.3.1 可控网络环境下的P2P分发  36-38
    2.3.2 可控P2P流媒体分发相关研究  38-40
  2.4 本章小结  40-41
第三章可控P2P流媒体分发的利他协作机制  41-63
  3.1 P2P节点协作模式  41-44
    3.1.1 自私协作  41-42
    3.1.2 互惠协作  42-43
    3.1.3 利他协作  43-44
  3.2 利他协作研究现状  44-47
    3.2.1 文件共享系统的利他协作  44-45
    3.2.2 流媒体系统的利他协作  45-46
    3.2.3 现有机制的不足之处  46-47
  3.3 可控P2P流媒体点播的利他协作研究  47-57
    3.3.1 系统模型  48-49
    3.3.2 帮手节点的加入  49-50
    3.3.3 帮手节点簇内邻居选择  50-51
    3.3.4 段内节点的发现与选择  51-52
    3.3.5 帮手节点的协作过程  52-57
      3.3.5.1 数据下载过程  53-55
      3.3.5.2 数据上传过程  55-57
      3.3.5.3 数据传播过程  57
  3.4 实验结果与性能分析  57-62
    3.4.1 实验配置  57-58
    3.4.2 帮手节点对播放质量的改善  58-59
    3.4.3 帮手节点对流媒体服务器负载的减轻  59-60
    3.4.4 可推窗口参数的确定  60-61
    3.4.5 帮手节点数据下载算法的评价  61-62
    3.4.6 帮手节点上传带宽的利用率  62
  3.5 本章小结  62-63
第四章面向区域网络的流媒体缓存管理机制  63-87
  4.1 前言  63-65
  4.2 基于供求关系的缓存模型  65-68
  4.3 数据供求模式  68-75
    4.3.1 分布式一致性算法与数据供求模式的计算  69-72
      4.3.1.1 分布式一致性算法  69-70
      4.3.1.2 数据需求模式的计算  70-71
      4.3.1.3 数据供应模式的计算  71-72
    4.3.2 局部和全局数据供求模式  72-75
      4.3.2.1 局部供求模式的计算  73-74
      4.3.2.2 全局供求模式的计算  74-75
  4.4 考虑供求关系的缓存管理策略  75-79
    4.4.1 基于局部供求模式的缓存替换算法  75-77
    4.4.2 缓存服务节点的缓存管理策略  77-79
  4.5 相关工作  79-81
    4.5.1 优化模型  79-80
    4.5.2 拓扑一致性  80
    4.5.3 分布式一致性算法  80-81
  4.6 实验与性能分析  81-86
    4.6.1 局部需求模式的差异性  81-82
    4.6.2 仿真方案  82-83
    4.6.3 实验结果  83-86
  4.7 本章小结  86-87
第五章树型透明代理的流媒体非连续复本放置研究  87-108
  5.1 概述  87-90
  5.2 流媒体非连续复本放置模型  90-95
    5.2.1 代理透明服务模型  90-91
    5.2.2 代理服务能力  91-92
    5.2.3 流媒体对象流行度模型  92-93
    5.2.4 问题描述  93-95
  5.3 贪婪式复本放置算法  95-99
    5.3.1 层次型贪婪式复本放置算法  96-97
    5.3.2 全局贪婪式复本放置算法  97-99
  5.4 算法分析  99-101
    5.4.1 适用性  99-100
    5.4.2 时间复杂度  100-101
    5.4.3 消息复杂度  101
  5.5 仿真与实验结果  101-107
    5.5.1 双指数内部流行度模型的有效性验证  101-104
    5.5.2 实验方案  104
    5.5.3 性能分析  104-107
      5.5.3.1 HGPA算法性能分析  106
      5.5.3.2 HGPA算法与PPA算法的性能比较  106
      5.5.3.3 HGPA算法与GGPA算法的性能比较  106-107
  5.6 本章小结  107-108
结论与展望  108-111
  结论  108-109
  展望  109-111
参考文献  111-122
攻读博士学位期间取得的研究成果  122-124
致谢  124

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