● 摘要
P2P流媒体融合了多媒体技术、网络传输技术和P2P技术，通过端系统之间的协同合作，充分利用Internet中大量闲置的带宽、存储和计算资源，为用户提供大规模高质量的流媒体服务。P2P流媒体系统可以灵活部署，显著降低对服务器硬件设备和网络带宽的投入，同时可提供更好的Qos保障，因此吸引了学术界和工业界等不同领域的大量研究人员，成为研究的热点。由于P2P系统中参与节点具有较强的动态性、异构性和分散性，并且流媒体数据具有数据量大、持续时间长等特点以及严格的实时性和时序性要求，所以P2P流媒体系统服务质量的进一步提高仍需解决很多挑战性问题，归纳起来，基本可分为传输延迟优化问题、数据包丢失处理问题和节点异构性处理问题。本文围绕如何利用P2P网络提供灵活、可扩展和高质量的大规模流媒体服务，深入研究了P2P流媒体系统的关键技术，包括覆盖网网络感知技术、P2P网络拓扑结构和视频直播系统模型，在不同层次解决P2P流媒体服务中的延迟、丢包和异构性等问题，并取得下列主要研究成果：1、提出了一种覆盖网络节点自组织聚类算法Polar。Polar具有分布式、自组织的特点，每个Polar节点分别使用自身掌握的网络局部视图，通过邻近节点查找机制独立地完成聚类操作，为覆盖网构造算法提供支持，具有良好的可扩展性和鲁棒性。为提高邻近节点查找效率，Polar节点根据小世界模型在聚类区域外采用半径指数递增且互不重叠的多重环结构组织远距离节点，增加捷径连接，减小节点间平均距离；在邻近节点查找过程中，Polar首先使用分布式的网络坐标机制预测网络距离，缩小目标节点范围，然后通过直接测量找出最邻近节点，这种策略在保证准确度的同时有效地降低了系统开销。2、抽象了一个最小延迟应用层组播生成树问题，并提出一种启发式算法CNNF。本文使用节点度约束刻画节点在接入带宽和处理能力等方面的异构性，描述了度约束最小根直径应用层组播生成树问题（DCMRDST），并证明了该问题属于NP-hard问题。随后提出一种集中控制的启发式算法CNNF，CNNF采用邻近节点优先的思想，综合考虑底层网络拓扑和节点度约束等因素，采取贪婪策略构造延迟优化的组播树。3、提出了一种应用层组播分布式协议DNNF。分布式算法具有良好的可扩展性和动态适应性，在大规模应用环境中更具有实用价值。本文提出一种分布式的应用层组播协议DNNF，DNNF通过使用网络感知技术辅助构造与底层网络拓扑结构相匹配的控制拓扑，并在数据传输拓扑构造和优化过程中采用邻近方式和贪婪方式相结合的策略为节点选择组播树中父节点，在个体优化的同时有效地避免了贪婪问题，达到组播树整体最优化的效果。4、提出了基于多棵组播树的P2P流媒体系统模型TeamCast。TeamCast结合多描述编码技术和信道分集技术，通过构建多棵中间节点不相交组播树在一对多的群组通信中实现信道分集，利用多条差错相关性小的组播路径传输多个相互独立的MDC描述流，有效地提高了在各种丢包环境中客户端的视频播放质量；同时，灵活的分组机制使TeamCast可采用成熟的应用层组播构造算法和协议优化每棵组播树的延迟性能，使系统具有良好的实时性。5、提出了基于网络编码的P2P流媒体系统模型TeamCast_NC。根据网络编码技术体现的参与节点协同工作的思想，本文提出了一种基于网络编码的P2P流媒体系统模型TeamCast_NC，TeamCast_NC节点除了传统的存储转发操作之外，还对传输的视频数据进行随机线性编码，通过这种协同的方式使数据快速均匀地分布在覆盖网络中，扩大了节点请求的范围，提高了请求命中率，在保证系统较高的鲁棒性的同时，进一步减小了客户端的视频播放延迟和对缓冲区的需求。