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P2P流媒体分发技术研究

作　者: 段翰聪
导　师: 卢显良
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: 流媒体分发 P2P 覆盖网络缓存管理带宽分配动态规划拓扑匹配
分类号: TP393.02
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着Internet技术的飞速发展，流媒体分发技术取得了长足的进步。同时，日益增加的用户和视频数据，也给大规模流媒体分发服务带来了新的挑战。另一方面，随着P2P技术的兴起、网络带宽的改善和用户端系统计算能力的迅速增强，原先被忽视的用户端系统已成为一种宝贵的资源。如何充分利用这些资源，在动态的P2P网络环境中构建大规模、高可扩展、高可靠、高播放体验的P2P流媒体分发系统，是近年来研究的热点之一。本文在对流媒体分发系统的现状和未来发展趋势进行了系统、全面地分析和总结的基础上，深入细致地研究了基于P2P技术的流媒体分发系统，取得了若干创新和成果。本文的主要贡献包括：1．提出了一种基于P2P的Internet大规模流媒体分发网络—PPMDN。它采用了混合式P2P流媒体分发体系结构，充分利用用户端节点的资源构成一个高扩展性的流媒体分发系统。PPMDN采用高性能的直播骨干分发网络、分布式拓扑匹配机制、服务器带宽分配算法、分布式缓存管理机制，来提供有高QoS保障的大规模流媒体分发服务。2．提出了P2P直播的低延时覆盖组播网络(OMN)的拓扑优化算法—GA-MWPL-DC-ST。针对当前纯P2P流媒体直播过程中的同步丢失延时较大的问题，在混合式直播体系架构的基础之上，采用基于遗传算法的GA-MWPL-DC-ST算法来构建有出度限制的最小带权路径延时生成树。通过优化OMN拓扑来降低骨干传输网络的传输延时，进而降低节点的同步丢失延时。在算法的初始化、杂交和变异阶段采用启发式算法，对变异参数进行适应性调整，加快算法的收敛速度。试验仿真表明GA-MWPL-DC-ST算法在平均路径延时和最大路径延时均优于现有的启发式算法。3．提出一种分布式的拓扑感知节点聚集算法—TANRA。在P2P流媒体应用中，由用户节点组成的上层覆盖传输网络(Overlay Network)存在和下层物理网络拓扑不匹配的问题，造成媒体数据传输延时大、效率低以及骨干网络带宽消耗高等问题。对此，提出了基于网络坐标算法(Vivaldi)和结构化路由算法(Chord)的拓扑感知节点聚集算法TANRA。该算法通过利用二维网络坐标平面和Chord的多层命名空间进行一一映射来保留节点之间的物理邻近关系，并借助Chord的分布式对象索引机制进行邻近节点快速搜索，从而在提供大规模流媒体分发服务时进行快速拓扑匹配。4．提出了一种P2P点播的服务器带宽分配算法。当前P2P点播服务器采用尽量满足用户点播需求的带宽调度方式，不能高效利用服务器带宽资源和快速增大系统整体点播服务能力。本文在分析了P2P点播协作分发模式的理论模型基础之上，提出了基于动态规划的带宽分配算法—DP-BDA和基于启发式爬山的带宽分配算法—CB-BDA。根据视频文件某时刻请求服务容纳率和带宽需求对服务器的带宽输出优化分配，使得同时具有高访问热度和低服务容量视频文件优先得到服务器带宽资源，进而迅速提高系统总体服务容量，改善用户的播放体验。5．提出了一种P2P点播系统的分布式缓存管理机制。由于当前的P2P点播缓存管理机制多采用集中式或层次树形的缓存管理，以及基于访问热度的淘汰算法，不能高效地利用用户节点缓存资源和提高点播系统服务能力。提出了基于结构化路由算法Chord的缓存片段管理和缓存片段淘汰算法—DP-CRA。在Chord的高扩展对象索引管理机制基础之上进行快速缓存管理操作，不仅提高了系统的可扩展性和容错性，而且加速了缓存片段搜索。采用基于动态规划的缓存淘汰算法，搜索最优缓存片段序列来保证被缓存的视频片段的对系统服务容量的有效性，在降低点播服务器ESPV的负载压力同时，改善太热或太冷的视频片段QoS。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-29
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 当前流媒体分发技术面临的挑战  13-16
  1.3 P2P流媒体分发技术现状  16-25
    1.3.1 P2P流媒体分发系统的拓扑结构  17-21
    1.3.2 P2P流媒体的直播和点播  21-24
    1.3.3 基于基础设施的P2P流媒体分发技术  24-25
  1.4 当前研究存在的问题  25-26
  1.5 论文主要内容和贡献  26-28
  1.6 本文结构  28-29
第二章 P2P流媒体分发网络PPMDN  29-46
  2.1 引言  29-30
  2.2 内容分发技术  30-37
    2.2.1 内容分发网络CDN  30-33
    2.2.2 混合式P2P流媒体分发网络  33-37
  2.3 P2P流媒体分发网络PPMDN  37-42
    2.3.1 PPMDN系统原理和架构  37-40
    2.3.2 低延时覆盖组播网络  40
    2.3.3 分布式拓扑感知节点聚集算法  40-41
    2.3.4 P2P点播服务器带宽分配算法  41
    2.3.5 分布式缓存管理机制  41-42
  2.4 试验仿真  42-44
    2.4.1 试验环境及方法  42-43
    2.4.2 PPMDN直播服务容量分析  43
    2.4.3 PPMDN点播服务容量分析  43-44
  2.5 本章小节  44-46
第三章构建低延时覆盖组播网络  46-58
  3.1 引言  46-48
  3.2 OMN的数学模型  48-50
  3.3 利用遗传算法求解MWPL-DC-ST  50-55
    3.3.1 染色体编码方法  50
    3.3.2 启发式初始化算法  50-51
    3.3.3 适应度函数  51-52
    3.3.4 选择方法  52
    3.3.5 启发式杂交变异  52-55
    3.3.6 遗传参数的设定  55
  3.4 试验仿真与结果分析  55-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章分布式拓扑感知节点聚集算法  58-70
  4.1 引言  58
  4.2 相关工作  58-59
  4.3 拓扑感知节点聚集算法TANRA  59-65
    4.3.1 算法设计  59-60
    4.3.2 平面区域划分方法  60-62
    4.3.3 多层命名空间映射  62-64
    4.3.4 新节点加入  64-65
    4.3.5 聚集邻居节点  65
  4.4 性能分析及试验仿真  65-69
  4.5 本章小结  69-70
第五章 P2P点播服务器带宽分配算法  70-86
  5.1 引言  70-71
  5.2 P2P点播系统服务容量模型  71-77
    5.2.1 点播模型描述  71-72
    5.2.2 模型假设与符号定义  72-74
    5.2.3 服务容量数学模型  74-77
  5.3 多视频文件点播  77-78
  5.4 带宽分配算法  78-82
    5.4.1 基于动态规划的带宽分配算法  79-80
    5.4.2 基于爬山的带宽分配算法  80-82
  5.5 试验仿真  82-85
    5.5.1 试验仿真环境  82-83
    5.5.2 P2P点播系统服务容量分析  83-84
    5.5.3 全局服务请求容纳率  84-85
  5.6 本章小结  85-86
第六章 P2P点播缓存管理机制  86-97
  6.1 引言  86-87
  6.2 相关工作  87-88
  6.3 P2P点播缓存管理机制  88-94
    6.3.1 缓存机制框架  88-89
    6.3.2 视频片段淘汰算法  89-92
    6.3.3 分布式缓存管理  92-94
  6.4 仿真试验  94-96
    6.4.1 缓存片段索引搜索性能  95
    6.4.2 缓存服务性能  95-96
  6.5 本章小结  96-97
第七章全文总结  97-100
致谢  100-102
参考文献  102-110
附录  110-113
攻博期间发表论文、科研工作和获奖情况  113-114

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