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1、华中科技大学 硕士学位论文 对等直播系统多码率自适应策略研究 姓名：廖光贤 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：邹德清 20080606 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 P2P 流媒体直播系统通常采用单一码率的方式传输数据，由于网络环境、终端设 备的差异以及 P2P 本身拓扑结构的动态变化，往往导致无法缓冲到足够的数据，另 一方面，也可能无法给高带宽用户提供更高质量的流媒体服务。在现有的流媒体技 术基础上，如何应对网络环境参差不齐，P2P 拓扑变化给直播带来的不利影响，还缺 少相应的解决方案。 为
2、了应对网络环境及终端变化的复杂情况，提出了网络环境动态变化下 P2P 直 播系统码率自适应机制。对已有混合网络 P2P 直播系统 MoSee 进行了改进，实现了 可变码率的 P2P 直播系统。能够根据具体的网络环境，动态地改变缓冲和播放的流 媒体码率。 网络环境动态变化下 P2P 直播系统码率自适应机制的基本思想是：在一个节目 流中，发布多个子流，用户根据自己的网络状况，缓冲全部或者一部分流，并根据 网络环境和拓扑的变化，动态的改变自己缓冲和播放的流。在可变码率的机制下， 虽然同一个节目的用户处于统一的拓扑中，但是缓冲播放的流可能不同，我们将根 据用户缓冲播放的流的不同来管理拓扑结构。通过计算
3、权值和优先级的方式，来选 择合适的邻居节点，并根据每个流的槽计算优先级来调度数据。 最后，通过实验，分析比较基于码率自适应机制和单一码率机制的运行数据和 性能指标。在码率自适应机制下，缓冲填充度能够在网络带宽变化的情况下，保持 正常水平，不影响用户的观看，证明了这一机制的正确性和有效性。 关键词：对等计算，流媒体直播，多码率，自适应 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract General peer-to-peer live streaming systems have a single rate of stream
4、 for one channel. Network environment and topological structure will change at any time. If the rate of stream is very high, this may result that the system cannot get enough data from the network Otherwise system cannot make full use of the bandwidth and users cannot enjoy high-quality video progra
5、m. To solve above problems, we proposed a new method called self-adaptive scheduling mechanism for peer-to-peer live streaming system under dynamic network environment based on the live streaming system “MoSee”. Users can change the bit rate of the program they watch using this system. Our system ca
6、n also dynamically adjust the bit rate when the network environment changed. The idea of the new mechanism is that we publish a number of streams in one program. These streams are synchronized. System will choose one stream or all of the streams to buffer according to the network environment. When t
7、he network environment or the topological structure changed, the system may switch to another stream to buffer. Under the new mechanism, all the users who watch the same program are in one topological structure. But they may buffer different streams. So we must choose our neighbor nodes according to
8、 the streams they buffer. Besides, we calculate the priority for any data we want. According to the priority of the data, we send request to our neighbor nodes. Key words: peer-to-peer, live streaming, multi-rate, self-adaptive 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文
9、不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”
10、学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 本章首先简要地概述了对等网络流媒体直播系统的概念，接着分析了国内外在 对等网络流媒体和可变码率流媒体方面的研究现状，在这些基础上，提出了将可变 码率流媒体直播和对等网络结合在一起的新设计，以及基于这种设计的对等网络直 播系统 MoSee，并介绍了论文的研究工作，最后介绍全文的组织结构。 1.1 课题背景课题背景 随着对等计算技术的不断成熟发展和广泛运用，对等网络流媒体直播系统也有 很大的进步。近年来
11、，对等网络的研究在文件共享等方面得到了广泛的关注，P2P 技术得以快速地发展，如由第一代的 P2P 网络 Gnutella1-4和 FreeNet5,6发展到第二 代的 Chord7,8、CAN9、Pastry10以至第三代的 Viceroy11。 对等网络流媒体直播系统解决了传统直播系统对服务器端网络的带宽、服务器 性能要求过高的问题，一改传统的分布式多媒体系统主要使用的客户端服务器这 种集中模式。在分散式的对等网络中，每个对等节点既是资源的提供者，又是资源 的享用者。节点为系统提供有限的计算或存储资源，节点之间协作为其它节点提供 服务，将服务器的负载分散到节点中。加入系统的节点越多，节点为
12、系统贡献的资 源也越多，整个系统总的服务能力也就越强，从而有效地减轻了服务器的负载，极 大地提高了系统的可扩展性。 然而在对等网络流媒体技术流行的今天，如何让系统适应不同的网络环境，如 何能够保证网络拓扑变化下的播放流畅性，这些还没有很好的解决方案。 但是传统的对等网络流媒体直播都采用单一码率的设计，也就是说每个节目都 有固定码率的流，流的码率过大，就不能让带宽较小的用户使用。流的码率小的话， 提供的流媒体质量也不能让所有用户满意。虽然现在的计算机网络大多都是基于 IP 协议，硬件的不同往往被系统软件所屏蔽，提供给应用软件开发者的是简单统一的 网络视图和开发环境。但是对于直播系统这样的依赖带宽
13、的系统来说，同样的应用 在不同的网络环境下，表现的往往不一样。C/S 模式下的直播系统依赖的就是客户端 和服务器端两点间的传输速度，如果速度达不到流媒体数据的要求，那么播放是无 法进行下去的。 由于在对等网络流媒体直播系统中，任意的节点都可能非常依赖拓扑结构中的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 某些节点给它提供数据，当给它提供数据的节点离开网络的时候，可能使节点能够 获得的数据量变少。如果数据量少到一定程度，播放器无法获得足够的数据，就会 导致直播无法正常进行下去。 在采用单一码率的情况下，仅仅依赖调整调度算法，是无法解决问题
14、的，相对 于以前的单一码率对等网络流媒体直播系统，文章引入一套新的对等网络直播机制， 用以解决网络环境适应性的问题，同时在拓扑结构波动变化下也能够保持正常播放， 这样不仅提高了软件的使用效果，也使得对等网络直播软件适应性得到提高。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 对等网络直播系统研究现状对等网络直播系统研究现状 随着技术的不断发展和进步，目前已经有许多对等网络流媒体直播系统的原型 与实例，下面分别介绍国内外已研究出的部分应用层组播技术和相关的 P2P 流媒体 直播系统。 1小规模的多源组播方案 代表算法包括 ESM13-15（End System Multicast）和 AL
15、MI16。这两个算法都是 针对小规模和多个数据源的情况。它的一个典型应用是视频会议系统。但它们在解 决方案上存在区别。 ESM 是由美国 CMU 大学开发的一个基于对等网络的视频直播系统，可以直播 一段实时视频或音频节目，应用于中小型规模的会议或者虚拟教室。ESM 将组播组 的成员组织成一个网(mesh)，再以每个数据源为根各构造一个生成树。组播组的每个 成员维护一个包括所有成员的列表，提高了系统的可靠性，但同时增加了系统的开 销，降低了系统的可扩展性，使这个方案只能在小规模组播组的情况下使用。 ALMI 的方案是在组播成员之间维护一个最小生成树， 减小了维护开销， 但是其 生成树的维护开销也
16、限制了组播组的规模。 2大规模的单源组播方案 代表是 NICE17和 ZigZag18,19， 他们要解决的是同一个问题： 如何在只有一个组 播源的情况下，构造大规模的组播树。为了解决扩展性问题，都使用了分层和分群 的思路。NICE 和 Zigzag 的主要区别是：在一个 Cluster 内部，在 ZigZag 中 Cluster 管理和数据分发是由不同节点完成的，而在 NICE 中这两个功能统一在一个节点上， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 这样可以进一步提高系统的可靠性。 NICE 是 Maryland 大学计算科学系的一个 P2P 流媒体项目，其主要目标是支持 低带宽、软实时、对数据丢失有可容错性的广播应用。这个系统的优点是较低的控 制开销和数据传输过程中的低延迟。在该系统中，节点按照层次进行组织，每一层 有若干个群。每个不是叶子的节点只需要维护有限数量的临近节点的状态
