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1、上海交通大学硕士学位论文基于P2P网络结构的实时流媒体传输应用层组播技术姓名：王国忠申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：孙军20090101上海交通大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 流媒体传输是近年来互联网上的热门应用之一， 构建在 Peer-to-Peer网络结构之上的应用层组播技术，能够在保持现有互联网架构的前提下，提供高效的流媒体传输服务。这种技术得到了越来越多的人们的关注，研究的重点主要集中在如何保证流媒体传输质量，以及系统的可扩展性和可靠性等方面。本文通过研究 P2P 网络技术原理和拓扑结构，以及各种应用层组播技术与方案，提出了一种分簇的自适应实时流媒体传输应用层组播方案
2、。该方案借鉴了当前 P2P 和应用层组播技术研究的成果，结合实时流媒体传输这一具体应用，主要针对数据传输的实时性、系统的稳定性和可扩展性等方面进行优化。方案中引入了分簇、自适应节点度调整、组播树转移操作等概念，采用了具有度约束的最小生成树算法，使得构建的 P2P 流媒体传输系统具有很高的传输性能和稳定性。基于开源的 NS2 仿真平台，文中设计和实现了一个模块化的 P2P 网络仿真软件系统，并且针对分簇的自适应实时流媒体传输应用层组播方案进行了仿真。通过仿真，验证了这一方案的实用性，整个系统具有低传输时延、低丢包率、高稳定性和可扩展性的特点。 关键词：关键词：P2P，应用层组播，实时流媒体传输，
3、网络拓扑结构，NS2 上海交通大学硕士学位论文 II ABSTRACT Network streaming is one of the most popular internet applications these days. Application layer multicast technology, which is built on top of peer-to-peer network, can provide an efficient streaming service on the premise that no current internet infrastructure
4、has to change. A lot of attention arises from different research centers and schools, with hot topics focusing on how to ensure the quality of streaming and how to build a scalable and stable system, etc. Based on extensive and deep study on the principles of peer-to-peer technology and its topologi
5、es, as well as the different technologies and schemas of application layer multicast, we have proposed a clustered self-adaptive real-time streaming application layer multicast schema in this paper. Our design takes advantage of the current research fruits of peer-to-peer technology and application
6、layer multicast. With a special focus on the real-time streaming, we make optimizations mainly on the quality of real-time streaming and our systems scalability and stability. We introduce the ideas of cluster, self-adaptive adjustment of peer degree and multicast tree transitions and we adopt the d
7、egree-bounded minimum spanning tree algorithm, to make our system more efficient and stable. On the platform of open-source network simulator NS2, we have designed and implemented a peer-to-peer simulation software system, based on which we have done extensive simulation on our proposed real-time ap
8、plication multicast schema. Simulation results show the low transition delay and the stability and scalability of our system, which makes it clear that our system is of real practicability. Keywords: real-time streaming, peer-to-peer, application layer multicast, network topology, NS2 上海交通大学硕士学位论文 上
9、海交通大学 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，同意学校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。本人授权上海交通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。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工
10、作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 随着互联网的迅猛发展，网络用户数量的不断增加，人们对互联网上多媒体应用和服务的需求越来越强烈， 传统的以文字和图像为主的网页应用己经不能满足人们的需要。如今，流媒体服务已经成为互联网上最为流行的应用之一，而且发展迅速，如视频点播、电视电话会议、远程教学等。所谓流媒体（Streaming
11、Media）1是指在网络上按时间先后顺序并以源源不断的水流方式实时传输和播放的连续音频和视频等多媒体数据流。流媒体应用不同于网页上普通的文本、图片的浏览，传送流媒体时需要很高的带宽和网络传输质量的保证，对资源调度的要求比较高。 通过传统的 C/S （Client/Server） 模式传输流媒体时， 对中心服务器的要求比较高，由于服务器处理能力和网络接入带宽的有限，使得当系统规模不断变大以后，中心服务器无法提供对流媒体传输质量的保证，而且容易出现单点故障的问题，系统的可扩展性不能满足大规模海量用户的服务需求。而 P2P（Peer-to-Peer）技术作为一种新型的网络计算技术， 它通过采用分布式
12、的拓扑结构， 充分利用各个节点的资源协作计算，能够极大地缓解传统 C/S 模式中服务器端的压力过大、单点失效等问题。采用 P2P技术构建的系统具有良好的可扩展性，从而能够满足大规模海量用户的服务需求。 从数据传输的角度来看，传统的单点通讯方式，使得同一份流媒体数据多次经过同一条物理信道传输，严重浪费了系统的带宽资源，效率低下。上世纪 90 年代，人们提出了 IP 组播的概念。IP 组播技术在路由器间只传输一路组播数据，通过节点路由器将同一份数据复制给多个用户。这种做法无疑是最为高效和节约带宽资源的，但是由于 IP 组播需要路由器的支持，部署起来比较困难，至今没有得到大规模的应用。出于以上的考虑
13、，国内外一些研究者开始研究新的组播架构，试图绕开 IP 组播的种种难题。结合了 P2P 技术的思想，人们提出了基于应用层的组播协议，即在应用层实现组播的功能，而不再依靠网络层路由器来实现。应用层组播的基本思想是屏蔽底层物理网络的拓扑细节，将组成员节点直接自组织成一个逻辑覆盖网络，并在应用层提供组播路由协议来构建和维护该网络，为数据传输提供高效、可靠的服务。它将转上海交通大学硕士学位论文 2 发树构建在应用层上。两个主机间的实际链路则是底层的单播 IP 路径。这种组播方法不需要任何网络底层架构的改变来实现组播， 从而为组播的大范围开展与应用提出了一种新的途径。 应用层组播技术，其本身就是一种 P
14、2P 技术，它是 P2P 技术与流媒体传输这一具体应用相结合的产物。近年来，应用层组播技术的研究充分利用了人们对于 P2P网络结构，应用层路由等相关方面的研究成果，使得应用层组播技术在系统稳定性，高效性和可扩展性等方面得到了长足的进步。 1.2 研究现状 随着互联网应用的蓬勃发展，出现了各种利用 P2P 技术来传输流媒体的应用，如 PPStream19和 PPlive20等。这些应用大都采用网状结构的数据分发拓扑。当前这方面的研究主要集中在如何提高传输质量， 以及如何提高系统的稳定性和可扩展性等方面。LiveBT23是一种利用相对成熟的 P2P 文件下载技术来传输流媒体的方案。它通过将流媒体数
15、据切割成一定大小的数据块，然后通过类似于 BitTorrent 文件分发的方式来传输。LiveBT 方案具有良好的系统可扩展性，能够支持大规模的用户同时接收流媒体服务。类似的系统还有 PRIME25等。基于网状数据拓扑结构的 P2P 流媒体传输技术，它的数据由父节点主动地推送（Push）到子节点上，数据传输的效率不高53。因此，参考文献18提出了拉和推（Pull-Push）结合的数据传输方式，可以有效地提高网状结构的 P2P 系统的传输效率。 应用层组播技术是一种基于树状结构数据分发拓扑的 P2P 流媒体传输技术，它通过将所有节点有效地组织成一棵或多棵应用层组播树来实现流媒体数据的分发。 相比
16、于网状结构，树状结构能够提供更加高效的流媒体数据传输，而且能够针对具体应用的不同需求做出优化。但是，现有的应用层组播技术还不够成熟，对于系统的可扩展性和稳定性等方面的研究还有待突破，这种技术目前还没能实现大规模的商用。 在应用层组播思想提出后的短短几年内， 多个研究机构开展了应用层组播体系结构的研究项目，如简单的 ESM52，ALMI30和 Yoid26等。 。这些研究借鉴了 P2P 网络拓扑研究的相关成果，将 P2P 流媒体传输系统分成控制拓扑和数据传输拓扑两种网络拓扑，并且采用了网状的控制拓扑来提高系统的可扩展性和稳定性。NICE2和ZigZag3则通过引入分层的概念来简化系统的管理和提高系统的整体效率。随着研究的深入，人们提出了基于结构化 P2P 网络的流媒体传输技术。结构化网络使得整个系统实现了全分布式，节点间完全自治，从而系统具有优良的可扩展性。
