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P2P网络内容分发关键技术研究

作　者: 张建伟
导　师: 鲁东明; 邢卫
学　校: 浙江大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: P2P BitTorrent 内容分发文件共享流媒体直播区分服务带宽分配最终完成时间播放延迟播放概率
分类号: TP393.02
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 24次
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内容摘要

P2P(Peer-to-Peer)内容分发技术已发展成为当今互联网上最具影响力的技术之一。相较于传统的C/S架构及CDN架构的内容分发技术,P2P技术具有性能优越、扩展性强、易于部署等优势。其中,BitTorrent已成为应用最为广泛的P2P系统,基于P2P技术的文件共享与实时流媒体服务均已成为互联网流量占用最大的应用类型之一然而,由于P2P网络中节点上传带宽有限且各不相同,不同类型的应用或终端用户对带宽、延迟、业务持续时长等有不同的要求,如何为终端用户提供较高的服务质量仍面临着诸多挑战和难题。基于上述原因,本文围绕如何分析和优化P2P网络中一点到多点的内容分发效率这一问题,针对BitTorrent系统以及文件共享与流媒体直播应用中所涉及的重叠网络拓扑构建、带宽分配、数据调度等关键技术展开了研究,主要工作和研究成果体现在以下三个方面：首先,以节点的上传带宽信息为基础,推导出片段扩散模型及上传带宽利用率模型,并提出了改进的拓扑构建机制和激励机制。推导出的模型有助于更深刻理解BitTorrent系统中TFT周期、最大并行上传数、片段大小等重要参数的作用；提出的基于上传带宽的拓扑构建机制UC-track算法有利于提高BitTorrent网络的拓扑特性和传输效率；提出的包含带宽限制策略与带宽分配策略的激励机制PU算法不仅提高了BitTorrent系统的公平性,同时也大幅度减小了源服务器的负载。其次,将BitTorrent系统泛化为一般的P2P系统。针对文件共享应用,以最终完成时间为系统性能优化目标,在节点带宽异质的情况下,研究了如何合理利用辅助节点的空闲带宽及数据资源以提高系统性能,为任意给定的目标节点集合提供最优的下载服务。针对文件共享的区分服务问题,在节点带宽完全异质的情况下,对P2P网络中的文件传输机制建立了扩展的均等服务模型和区分服务模型,得出了最终完成时间的最优值,并且提出了达到此最优值的优化算法。另外,从分析和仿真两方面对比了基于流的传输模型与基于块的传输模型应用于P2P文件传输中的主要区别,得出了扩展模型的适用条件。利用得出的扩展模型,可实现在P2P网络中对任意划分的节点集合进行任意等级的文件共享区分服务。最后,针对实时性要求更高的流媒体直播应用,以播放延迟与播放概率为系统性能优化目标,在节点带宽同质的Mesh形拓扑条件下,将传输方案分为片段优先方案、节点优先方案与Epidemic方案三类,建立了基于Pull方式的流媒体传输方案分析框架,提出了片段选择策略、节点选择策略、请求选择策略精确的模型；通过改进的分段选片策略与随机推送策略,提出一种基于Push方式的流媒体直播优化策略LR2,使得流媒体直播与文件共享可以在同一框架下优化。本文的结论有着重要的理论和应用价值,一方面可以对P2P网络内容分发问题中带宽分配及数据调度技术提供深入的认识,另一方面可以对提高P2P系统的性能提供有价值的参考。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-24
  1.1 背景  15-19
  1.2 主要研究内容  19-21
  1.3 主要创新点  21-22
  1.4 论文的组织  22-24
第2章 P2P网络内容分发技术研究综述  24-41
  2.1 BitTorrent系统  24-31
    2.1.1 BitTorrent系统简介  24-28
    2.1.2 重叠网拓扑  28-29
    2.1.3 节点选择、带宽分配与片段选择  29-31
  2.2 文件共享  31-34
    2.2.1 带宽同质的文件共享  31-32
    2.2.2 带宽异质的文件共享  32-34
  2.3 流媒体直播  34-41
    2.3.1 流媒体系统  34-35
    2.3.2 流媒体直播基本理论  35-36
    2.3.3 流媒体直播分析模型与仿真  36-41
第3章基于上传带宽对BitTorrent系统的研究与改进  41-62
  3.1 引言  41
  3.2 上传带宽利用率模型  41-45
    3.2.1 最大并行上传数  42
    3.2.2 文件大小与节点数量  42-43
    3.2.3 片段扩散模型  43-44
    3.2.4 上传带宽利用率模型  44-45
  3.3 基于上传带宽的拓扑构建策略  45-47
    3.3.1 BitTorrent网络拓扑存在的问题  45-46
    3.3.2 UC-track算法  46-47
  3.4 基于上传带宽的激励机制  47-50
    3.4.1 评价指标  47-49
    3.4.2 PU算法  49-50
  3.5 仿真实验  50-60
    3.5.1 上传带宽利用率模型仿真  50-52
    3.5.2 UC-track算法仿真  52-56
    3.5.3 PU算法仿真  56-60
  3.6 本章小结  60-62
第4章 P2P文件共享中的辅助节点性能分析  62-75
  4.1 引言  62
  4.2 问题描述  62-63
  4.3 辅助节点作用分析  63-69
  4.4 PA算法  69-71
  4.5 仿真实验  71-74
    4.5.1 F_α的作用分析  71-73
    4.5.2 C_α的作用分析  73-74
  4.6 本章小结  74-75
第5章 P2P文件共享中的区分服务策略  75-96
  5.1 引言  75
  5.2 无初始数据时的区分服务模型  75-76
  5.3 均等服务与区分服务模型的扩展  76-86
    5.3.1 数据分布  76-78
    5.3.2 均等服务  78-79
    5.3.3 区分服务  79-86
  5.4 递归区分服务策略  86-90
  5.5 仿真实验  90-95
    5.5.1 模型与仿真对比  90-91
    5.5.2 模型的适用性分析  91-94
    5.5.3 区分服务策略  94-95
  5.6 本章小结  95-96
第6章 Pull方式的P2P流媒体直播模型与性能分析  96-113
  6.1 引言  96
  6.2 场景设定  96-97
  6.3 单片段传输  97-98
    6.3.1 随机有用节点选择  97-98
    6.3.2 随机节点选择  98
  6.4 多片段传输  98-105
    6.4.1 片段选择模式与片段选择策略  98-100
    6.4.2 直播策略的描述  100-101
    6.4.3 直播策略的分析模型  101-104
    6.4.4 Push-pull方案  104-105
  6.5 仿真实验  105-111
    6.5.1 模型验证  105-107
    6.5.2 节点优先方案与片段优先方案  107-110
    6.5.3 Epidemic方案  110-111
  6.6 本章小结  111-113
第7章 Push方式的P2P流媒体直播模型改进与扩展  113-123
  7.1 引言  113
  7.2 场景设定  113-114
  7.3 流媒体直播与文件共享  114-115
  7.4 分析模型  115-118
    7.4.1 流阶段  115-118
    7.4.2 结束阶段  118
  7.5 仿真实验  118-122
    7.5.1 流阶段  118-121
    7.5.2 结束阶段  121-122
  7.6 本章小结  122-123
第8章总结与展望  123-126
  8.1 研究总结  123-124
  8.2 研究展望  124-126
参考文献  126-137
攻读博士学位期间主要的研究成果  137-139
致谢  139

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