异构环境下的P2P流媒体传输策略研究

论文摘要

流媒体视频直播服务需要强有力的网络带宽支持,但是传统的客户/服务器模式存在服务器端的单点瓶颈问题,因此无法满足大规模的流媒体应用需求。使用P2P（Peer-to-Peer）传输机制分发流媒体视频数据的P2P流媒体系统是解决这一问题的有效途径。在不依赖于网络基础设施的前提下,P2P流媒体系统可以充分利用网络边缘节点的上传带宽,为大规模的用户节点提供高质量的视频服务。与P2P文件共享系统不同,P2P流媒体系统对数据传输的时效性要求非常严格,过高的传输延时会严重降低系统的整体性能和服务质量。在传统的P2P传输模型研究中,每个网络节点都是对等的,他们在网络拓扑中的重要性都是无差异的。然而,真实的互联网是一个异构网络,网络终端的物理层接入方式是多样化的,并且网络终端的类型也不尽相同。在网络层及更高的协议层研究互联网应用时,这种用户节点之间的异构特性主要表现为每个用户节点的接入带宽和服务能力能力等因素具有差异性。本文将针对异构环境下P2P流媒体系统的数据传输关系构建、节点间数据调度以及无线多跳网络中传输质量优化等问题展开深入研究和讨论。论文主要贡献如下:P2P流媒体系统中用户节点之间通过单播方式复制和转发视频数据,因此要减小数据分发的传播延时,提高流媒体系统的整体性能,关键在于优化节点之间的数据传输关系,在应用层引导构建高效合理的P2P网络拓扑。本文提出了一种自适应的基于节点双向选择机制的拓扑优化算法。针对异构环境下节点接入带宽和服务能力的差异性,系统根据新加入网络的用户节点的服务能力和对流媒体系统的贡献等因素进行接入决策和拓扑调整,引导其接入到网络拓扑中合适的位置,从而优化网络整体性能;同时本方案充分考虑了用户节点自身利益,在发起服务请求时优先选择传输延时较小的父节点,保障网络拓扑中单跳的传输质量。仿真结果表明本方案能有效的引导应用层组播网络构建高效的数据传输关系,减小用户节点到视频源节点的跳数和传播延时。异构环境下用户节点之间的传输延时是随机分布的,经过P2P网络拓扑的多跳中继传输后,不同用户节点的下载缓冲区状态会出现不同步的现象。如何确定多个父节点与请求节点之间的数据块调度关系,直接影响到用户体验的两大因素——播放延时和稳定性。针对这一问题,本文提出了一种基于请求窗口自适应调整的用户体验优化机制。本方案结合上层视频服务对实时性的需求,采用不同的请求策略,自适应的调整初始的请求窗口位置,有侧重性的优化用户体验的主要组成部分。对于侧重于播放延时的节目类型,系统将在保证流媒体视频服务稳定性的前提下,尽量缩减播放延时;对侧重于稳定性的节目类型,则将优化服务稳定性以及P2P网络中数据交换的活跃程度。仿真实验表明,相对于现有方案,所提方案具有良好的自适应特性,并且差异化的传输策略能很好的平衡播放延时与稳定性的关系。现有的无线多跳自组织网络的传输质量优化机制研究,主要集中于高效的路由算法。然而对于既有的无线多跳自组织网络,要求所有网络节点统一更换路由模块是不现实的;并且作为一种应用系统,在部署P2P流媒体系统到无线多跳网络中时不应对底层的物理网络有特定要求。通过分析无线多跳网络的相关传输模型,本文提出了一种网络无关的P2P流媒体视频传输优化机制。该方案不依赖于特定的路由机制,是一种数据拓扑层面的传输优化方案。结合H.264视频编码的特性,该方案在发送视频数据时对不同类型的视频分片进行优先级划分,优先保障重要性大的视频分片的传输质量,并且通过控制UDP数据报的数量减少传输过程中引入的控制消息开销。仿真结果表明相对于传统方案,本文所提方案可以明显提高接收端解码重建的视频质量。在此基础之上,本文进一步提出了一种不依赖于具体的P2P流媒体系统实现的吞吐量优化框架。该方案根据不同父节点所对应的传输路径的数据传输质量,动态调整上层P2P流媒体系统分配给各个父节点的数据下载任务,充分利用传输路径上的空闲带宽。仿真实验表明,相对于传统的视频数据块设置方案,该方案可以在少量增加控制消息开销的情况下有效改善流媒体视频的播放连续性。最后,以理论知识为依托,本文详细介绍了实验室研究小组所开发的基于网状拓扑的支持异构和动态网络环境的P2P流媒体系统InfoTV。该系统的设计和实现对于本论文及其他的P2P流媒体系统研究人员都具有较高的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 表格索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 流媒体数据分发的相关技术
• 1.2.1 通信网的通信模式分类及简介
• 1.2.2 传统的流媒体视频分发方案
• 1.2.3 基于 P2P 技术的流媒体视频分发方案
• 1.3 P2P 流媒体系统的背景知识
• 1.3.1 P2P 流媒体系统的工作原理
• 1.3.2 P2P 流媒体系统的分类
• 1.3.3 相关的数据编码技术简介
• 1.4 P2P 流媒体相关研究方向介绍
• 1.4.1 异构网络环境下的拓扑构建与维护
• 1.4.2 视频数据的调度算法
• 1.4.3 用户激励机制
• 1.4.4 P2P 流媒体系统建模
• 1.4.5 无线环境下的流媒体传输优化
• 1.5 论文结构及主要创新点
• 第2章 异构环境下 P2P 流媒体系统的拓扑优化方案
• 2.1 引言
• 2.2 异构环境对 P2P 流媒体系统性能的影响
• 2.3 基于节点双向选择的自适应拓扑优化算法
• 2.3.1 系统参数
• 2.3.2 双向节点选择算法
• 2.4 仿真与分析
• 2.4.1 组播树的深度
• 2.4.2 用户节点到视频源节点跳数的累积分布
• 2.4.3 系统的带宽利用率
• 2.5 本章小结
• 第3章 异构环境下 P2P 流媒体系统的用户体验优化方案
• 3.1 引言
• 3.2 自适应的请求窗口位置调整算法
• 3.2.1 系统模型
• 3.2.2 计算请求窗口的初始化位置
• 3.2.3 节点选择和拓扑修复
• 3.3 仿真与分析
• 3.3.1 性能评估的参数
• 3.3.2 侧重于播放间隔的场景
• 3.3.3 侧重于稳定性的场景
• 3.3.4 请求窗口调整的自适应性
• 3.4 本章小结
• 第4章 无线多跳网络中 P2P 流媒体系统的传输质量优化方案
• 4.1 引言
• 4.1.1 无线与有线网络环境的差异
• 4.1.2 已有研究介绍
• 4.1.3 无线网络环境中 P2P 流媒体视频数据的传输模型
• 4.2 网络无关的 P2P 流媒体优化传输方案 NIStreaming
• 4.2.1 系统模型与优化目标
• 4.2.2 NIStreaming 方案描述
• 4.2.3 仿真与分析
• 4.2.4 方案小结
• 4.3 不依赖于 P2P 流媒体系统实现的吞吐量优化框架 T-BUFF
• 4.3.1 系统模型与评价参数
• 4.3.2 T-BUFF 方案描述
• 4.3.3 仿真与分析
• 4.3.4 方案小结
• 4.4 本章小结
• 第5章 异构和动态环境下的 P2P 流媒体系统开发
• 5.1 引言
• 5.2 系统开发内容和设计目标
• 5.2.1 可扩展的网络拓扑构建和管理模块
• 5.2.2 基于分层编码的流媒体视频数据传输策略
• 5.3 系统设计与实现
• 5.3.1 整体结构
• 5.3.2 网络拓扑构建和管理模块
• 5.3.3 基于分层编码的流媒体视频数据调度模块
• 5.4 系统测试
• 5.4.1 测试环境
• 5.4.2 DHT 自动组网模块构建和维护网络拓扑的有效性
• 5.4.3 网状拓扑中多个父节点同时传输数据的有效性
• 5.4.4 分层编码视频数据调度机制的有效性
• 5.5 本章小结
• 第6章 结束语
• 6.1 本文总结
• 6.2 进一步工作
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 攻读博士学位期间的科研和项目经历
• 致谢