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

1、現(xiàn)如今，視頻直播系統(tǒng)、點(diǎn)播系統(tǒng)等已經(jīng)成為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)中最為重要的“殺手級(jí)”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(jī)/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(kuò)展性較差。近年來(lái)，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(lái)，這類系統(tǒng)在應(yīng)用層把用戶節(jié)點(diǎn)組織成一個(gè)獨(dú)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?fù)鋵?shí)現(xiàn)。P2P流媒體系統(tǒng)以其具有良好的可擴(kuò)展性、較高的帶寬利用率、較低的服務(wù)器帶寬開(kāi)銷等優(yōu)勢(shì)，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(rèn)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(diǎn)存在較強(qiáng)的異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性特征，使得節(jié)點(diǎn)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(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性和多樣性更為突出。但視頻流媒體應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、獲取

3、數(shù)據(jù)的延遲等有嚴(yán)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(diǎn)的負(fù)載均衡問(wèn)題、視頻內(nèi)容的高效查找定位問(wèn)題、如何改善用戶播放質(zhì)量的問(wèn)題以及在滿足用戶需求前提下進(jìn)一步降低視頻服務(wù)器帶寬開(kāi)銷等問(wèn)題。針對(duì)這些與P2P流媒體系統(tǒng)服務(wù)能力相關(guān)的關(guān)鍵問(wèn)題，本文重點(diǎn)在如下四個(gè)方面展開(kāi)了系統(tǒng)研究：
　　1. P2P流媒體系統(tǒng)中面向負(fù)載均衡的帶寬請(qǐng)求分配策略研究。由于節(jié)點(diǎn)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(diǎn)帶寬資源負(fù)載的不均衡。該情況在重疊網(wǎng)絡(luò)中多處出現(xiàn)則會(huì)導(dǎo)致大量視頻流的正常分發(fā)受到限制，進(jìn)而直接影響到用戶的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service,QoS）。本文通過(guò)建立非協(xié)作博弈模型，對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求視頻流的行為進(jìn)行分析。本文通過(guò)尋求該博弈模型的Nash均衡解的方法得到節(jié)點(diǎn)優(yōu)化的帶寬請(qǐng)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(qǐng)求分配策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明該策略能有效避免P2P流媒體網(wǎng)絡(luò)中過(guò)載節(jié)點(diǎn)的

5、形成并降低節(jié)點(diǎn)獲取所需視頻數(shù)據(jù)的延遲，達(dá)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(duì)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(diǎn)進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)， StreamDHT采用了一種改進(jìn)的事件分發(fā)機(jī)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(shí)有效控制StreamDHT結(jié)構(gòu)維護(hù)視頻數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的索引產(chǎn)生的流量開(kāi)銷。本文提出了一種新的分布式索引映射管理機(jī)制。通過(guò)理論分析和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(hù)開(kāi)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(diǎn)帶寬資源

7、異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性都較突出的P2P系統(tǒng)中實(shí)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(dāng)前系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)對(duì)視頻重定位的需求以及節(jié)點(diǎn)的在線時(shí)間優(yōu)選出部分能提供穩(wěn)定視頻服務(wù)的超級(jí)節(jié)點(diǎn)（Super Peer）構(gòu)成單跳StreamDHT結(jié)構(gòu)，其余節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式同時(shí)構(gòu)成一個(gè)“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(diǎn)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(jìn)行獲取。其目的是在節(jié)點(diǎn)播放位置到達(dá)之前盡可能避免由于視頻幀數(shù)據(jù)無(wú)法獲取導(dǎo)致的播放質(zhì)量受損。通過(guò)理論分析和大量實(shí)驗(yàn)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(kāi)銷的基礎(chǔ)上有效的提升節(jié)點(diǎn)的視頻播放質(zhì)量。
　　4. P2P分層視頻點(diǎn)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(diǎn)播系統(tǒng)能適應(yīng)不同帶

9、寬資源的用戶對(duì)不同的視頻質(zhì)量的差異化點(diǎn)播需求。但P2P點(diǎn)播系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間點(diǎn)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(diǎn)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(kāi)銷嚴(yán)重。本文建立了一個(gè)優(yōu)化的視頻服務(wù)器的帶寬資源開(kāi)銷模型，通過(guò)求解該優(yōu)化模型能夠得到服務(wù)器開(kāi)銷的理論最優(yōu)值。另外，本文提出了一種基于在線時(shí)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(shí)際系統(tǒng)中部署。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，相比