改善P2P流媒體系統(tǒng)服務(wù)能力的架構(gòu)和機制研究.pdf

1、現(xiàn)如今，視頻直播系統(tǒng)、點播系統(tǒng)等已經(jīng)成為當今互聯(lián)網(wǎng)中最為重要的“殺手級”應(yīng)用。而伴隨著網(wǎng)絡(luò)用戶規(guī)模的增加導(dǎo)致視頻服務(wù)器的帶寬消耗也在激增，基于客戶機/服務(wù)器（C/S）模式的流媒體系統(tǒng)雖然易于集中化管理但流媒體服務(wù)器的帶寬消耗巨大，導(dǎo)致系統(tǒng)擴展性較差。近年來，基于 Peer-to-Peer（P2P）技術(shù)的流媒體分發(fā)系統(tǒng)大量涌現(xiàn)出來，這類系統(tǒng)在應(yīng)用層把用戶節(jié)點組織成一個獨立于底層物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重疊網(wǎng)絡(luò)（Overlay Network），視頻

2、流數(shù)據(jù)的分發(fā)則依照該重疊網(wǎng)構(gòu)成的拓撲實現(xiàn)。P2P流媒體系統(tǒng)以其具有良好的可擴展性、較高的帶寬利用率、較低的服務(wù)器帶寬開銷等優(yōu)勢，已被大量互聯(lián)網(wǎng)流媒體服務(wù)提供商廣泛采用。但不可否認的是目前的P2P流媒體解決方案距離理想的系統(tǒng)仍有一定距離。由于系統(tǒng)中的節(jié)點存在較強的異構(gòu)性和動態(tài)性特征，使得節(jié)點所能夠提供的服務(wù)能力存在較大的不確定性。特別是從2010年以來，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得節(jié)點異構(gòu)性和多樣性更為突出。但視頻流媒體應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、獲取

3、數(shù)據(jù)的延遲等有嚴格的要求，因此采用P2P技術(shù)的視頻流媒體分發(fā)面臨很多挑戰(zhàn)，包括系統(tǒng)中節(jié)點的負載均衡問題、視頻內(nèi)容的高效查找定位問題、如何改善用戶播放質(zhì)量的問題以及在滿足用戶需求前提下進一步降低視頻服務(wù)器帶寬開銷等問題。針對這些與P2P流媒體系統(tǒng)服務(wù)能力相關(guān)的關(guān)鍵問題，本文重點在如下四個方面展開了系統(tǒng)研究：
　　1. P2P流媒體系統(tǒng)中面向負載均衡的帶寬請求分配策略研究。由于節(jié)點在緩存視頻數(shù)據(jù)的多寡及視頻播放位置存在著較大的差異，容

4、易使得節(jié)點帶寬資源負載的不均衡。該情況在重疊網(wǎng)絡(luò)中多處出現(xiàn)則會導(dǎo)致大量視頻流的正常分發(fā)受到限制，進而直接影響到用戶的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service,QoS）。本文通過建立非協(xié)作博弈模型，對多個節(jié)點向鄰居節(jié)點請求視頻流的行為進行分析。本文通過尋求該博弈模型的Nash均衡解的方法得到節(jié)點優(yōu)化的帶寬請求分配策略。另外，基于該均衡解提出了一種易部署的分布式帶寬請求分配策略。通過實驗表明該策略能有效避免P2P流媒體網(wǎng)絡(luò)中過載節(jié)點的

5、形成并降低節(jié)點獲取所需視頻數(shù)據(jù)的延遲，達到改善P2P流媒體服務(wù)能力的目的。
　　2. P2P直播系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)資源的高效查找策略研究。視頻流應(yīng)用屬于一種對延遲敏感的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因此保證P2P流媒體系統(tǒng)的服務(wù)能力需要有效的提高用戶查找和定位視頻數(shù)據(jù)資源的能力。本文提出了一種基于單跳的分布式哈希表（Distribtued Hash Table，DHT）的視頻數(shù)據(jù)查找策略-StreamDHT。為保證節(jié)點進入/退出的事件消息能正確高效地通告

6、給 StreamDHT結(jié)構(gòu)中的各個節(jié)點， StreamDHT采用了一種改進的事件分發(fā)機制EDRA+。更重要的，為了保證視頻數(shù)據(jù)的查找定位成功率，同時有效控制StreamDHT結(jié)構(gòu)維護視頻數(shù)據(jù)對應(yīng)的索引產(chǎn)生的流量開銷。本文提出了一種新的分布式索引映射管理機制。通過理論分析和系統(tǒng)實驗表明StreamDHT結(jié)構(gòu)能夠有效提高視頻數(shù)據(jù)的查找定位效率，并具有較低的維護開銷。
　　3. P2P直播系統(tǒng)中改善用戶視頻播放質(zhì)量的研究。在節(jié)點帶寬資源

7、異構(gòu)性和動態(tài)性都較突出的P2P系統(tǒng)中實現(xiàn)高質(zhì)量的流暢的視頻分發(fā)存在諸多挑戰(zhàn)。本文在“網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)與 DHT混合的重疊網(wǎng)絡(luò)之上提出了一種新的 P2P直播系統(tǒng)架構(gòu)。根據(jù)當前系統(tǒng)中節(jié)點對視頻重定位的需求以及節(jié)點的在線時間優(yōu)選出部分能提供穩(wěn)定視頻服務(wù)的超級節(jié)點（Super Peer）構(gòu)成單跳StreamDHT結(jié)構(gòu)，其余節(jié)點通過自組織的方式同時構(gòu)成一個“網(wǎng)狀”重疊網(wǎng)?；谶@種混合重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文繼續(xù)提出了一種基于視頻數(shù)據(jù)調(diào)度和 DHT重定位相結(jié)合

8、的數(shù)據(jù)獲取策略，該策略能夠使節(jié)點根據(jù)視頻幀數(shù)據(jù)的緊迫性和解碼重要性選擇不同的策略進行獲取。其目的是在節(jié)點播放位置到達之前盡可能避免由于視頻幀數(shù)據(jù)無法獲取導(dǎo)致的播放質(zhì)量受損。通過理論分析和大量實驗表明本文提出的視頻流媒體分發(fā)架構(gòu)能夠在不顯著提高系統(tǒng)額外開銷的基礎(chǔ)上有效的提升節(jié)點的視頻播放質(zhì)量。
　　4. P2P分層視頻點播系統(tǒng)中優(yōu)化的鄰居選擇及帶寬資源分配策略研究。結(jié)合了分層視頻編解碼技術(shù)與P2P技術(shù)的分層P2P點播系統(tǒng)能適應(yīng)不同帶

9、寬資源的用戶對不同的視頻質(zhì)量的差異化點播需求。但P2P點播系統(tǒng)中節(jié)點進入系統(tǒng)的時間點以及觀看視頻的位置都存在較大的差異，若鄰居關(guān)系建立及節(jié)點間帶寬資源分配的不合理很容易導(dǎo)致視頻服務(wù)器帶寬開銷嚴重。本文建立了一個優(yōu)化的視頻服務(wù)器的帶寬資源開銷模型，通過求解該優(yōu)化模型能夠得到服務(wù)器開銷的理論最優(yōu)值。另外，本文提出了一種基于在線時間相似性的鄰居優(yōu)選策略以及同視頻層/跨視頻層的帶寬資源分配策略，該策略易于在實際系統(tǒng)中部署。通過仿真實驗表明，相比