多人语音系统中多播树的设计与实现毕业设计论文Word格式文档下载.docx

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应用层多播；

多播树

Abstract

Inrecentyears,astherapiddevelopmentofcomputernetworksandcommunicationtechnology,highnetworkbandwidthrequirementsofstreamingmediatechnologyisalsoadvancingfast,andtheresearchandapplicationofmulti-personphoneticsystemhavebecomeoneofcurrenthotspots.Intraditionalmulti-personphoneticsystem,usuallyadoptsC/S（Client/Server）pattern,namelytheuserclicksthepronunciationservertolisten,thenthepronunciationservergivestheaudiofrequencyclasstotheuserbytheunicastway.Ithasseveralmalpractices:

1）Largeamountsofdatastoresandtransportsonthesever,whichnotonlyhasaveryhighrequesttothecentralserver'

sbandwidthandthehandlingability,alsocausesthemulti-personphoneticsystemtorelyonthecentralserverseriously,andleadstothebadextendibilityandreliabilityofthesystem;

2）Thelatencybetweenthecentralcontrolserverandthenodeisoversizedandimbalanced,whichcausessomeproblems,suchasnotidealoftheaudiofrequencyquality,andthelagofthereceiveofpronunciationpackage.

However,theintroductionofP2Pandthetechnologyoftheapplicationlayerbroadcasts,asthesupporttechnologyofmulti-personphoneticsystem,canbreakthroughthoselimits,andsolvetheaboveproblemseffectively.Itprovidestheuserhighgradeaudiofrequencyservice,whichtransportsaudiodatathroughestablishinganddynamiclymaintainingmulticasttreebasedonP2Papplicationlayer.AfteranalyzingtheP2Ptechnologyandthetechnologyofthebroadcastsoftheapplicationlayerthoroughly,designingtheconstructionandthedynamicmaintenancealgorithmofthebroadcasttreeoftheapplicationlayer,andthenrealizingthephoneticsystembasedontheP2Pmulti-personinthesimulationexperimentplatform.

Thetesthasindicatedthatthefunctionofthemulti-personphoneticsystemhasachieved.Thesystemcanprovidetheuserhighqualityaudiofrequencyservicegenerally,andhasagoodextendibility.However,asaresultoftheinsufficienceofthebalancedload,thestabilityofperformancewaitsforenhancing.

Keyword:

Voiceover;

P2P;

ApplicationLayerMulticast;

Multicasttree

第一章绪论

1.1研究背景

计算机网络和通信技术的飞速发展，深刻地改变了人们的工作、生活和思维方式。

随着计算机处理能力的日益增强和宽带网络的逐渐普及，人们希望互联网不仅仅只提供网页浏览、文件下载等简单业务，并且能提供“边下载边观看音视频”的多媒体服务，这种“边下载边播放"

的应用就是大家所熟悉的流媒体应用。

多人语音系统正是网络流媒体系统的一种，应用于大规模网络中，给用户提供高质量的音频收听服务。

系统的关键在于流媒体直播技术的实现。

流媒体直播不仅数据量大，需要巨大的存储空间，而且对网络传输的实时性要求比较高。

因此，随着客户数目的快速增长，在传统的C/S（Client/Server）模式下，服务器端的资源很快被耗尽，成为系统服务能力的瓶颈所在，同时用户的服务质量也难以得到保证。

面对日益增长的用户数量，如何构建具有可扩展能力的流媒体服务系统成为亟待解决的问题。

近年来，对等网络（P2P）的研究在对等计算、资源共享、应用层组播等方面得到了广泛的关注，P2P技术得到快速的发展。

P2P节点之间关系是平等的、直接联系的。

和传统的C/S模式不同，如图1.1所示，每台主机可以直接连接到其它主机进行数据交换，而不需要通过连接到中间服务器。

基于P2P模式的流媒体系统利用了P2P网络的优点，用户相互共享彼此拥有的流媒体资源，既是播放者，又是流媒体资源提供者，共同参与系统的服务，整个系统的服务能力随着用户数量的增加而增加。

peer之间相互协作，并为其他peer提供服务，将服务器的负载分散到peer中，从而有效地减轻了服务器的负载和减少了网络带宽的消耗，极大地提高了系统的可扩展性。

基于P2P技术的流媒体系统的可扩展能力，为构建大规模流媒体传输系统提供了一种低成本且有效的解决方案。

图1.1传统C/S模式与P2P网络工作模式的比较

而在当前较流行的基于P2P的网络电视、视频点播、视频会议等以流媒体为核心的新业务应用中，随着对等网络和覆盖网等技术的提出，出现了“应用层组播”技术。

对面向Internet流媒体技术，最简单的解决办法是为每个申请者建立一条发送视频流的链接。

但太耗费带宽，又不能支持大量观众实时收看，申请者接收到的将是低质量视频。

IP组播相对而言是一种好的解决方法，但Internet中多数ISP不支持IP组播,造成其发展受限。

应用层组播克服了IP组播的缺陷[1]：

无需更改网络协议和网络设备的配置，在客户机间复制和转发数据，数据报沿逻辑链路转发，数据路由、复制、转发功能均由客户机完成，客户机间建立一个叠加在IP网络上、实现组播业务逻辑功能性网络，要实现这样的功能，就必须建立对应的应用层多播树，如图1.2所示。

现阶段，已经有一些学者开始进行应用层多播树的建立的研究，并取得了一定的成果。

图1.2组播通信方式

总之，随着网络技术的不断发展，流媒体技术必将成为未来网络的一项关键技术。

而引入P2P技术和应用层多播技术，作为流媒体的新研究平台，无疑给流媒体的发展和应用开创了新的道路。

在解决了流媒体的关键技术问题后，流媒体技术的应用必然会在未来的网络中发挥更重要的作用，并在一定程度上改变人们使用网络的方式。

1.2国内外研究现状

目前，P2P技术在国内外已经有了突飞猛进的发展，很多领域己经成功的应用它解决了C/S模式存在的瓶颈，从目前的应用来看，P2P的优势还主要体现在大范围的资源的共享和搜索上[2]。

其中，P2P技术在文件共享方面的应用主要表现为PPLive、Mysee、OICQ网站等。

而PPLive、Mysee网站等主要将媒体播放与P2P技术结合在一起，改善了以前需要高质量服务器为媒体文件服务，并解决了宽带限制的问题，提高了用户观看媒体文件的速度及质量；

OICQ通过目录服务器建立聊天双方点对点的连接，及时发送聊天信息，解决了海量信息存储、转发困难等问题。

由于P2P流媒体传输的优越性，基于P2P的流媒体服务体系己经引起了许多大学、研究机构、商业机构的重视。

美国斯坦福大学、马塞诸塞大学以及微软研究院对单源的P2P流媒体传输展开了研究并取得一定的成绩。

伯克利大学和普度大学则致力于对多源的P2P流媒体传输的研究也取得了一定得成就，此外，也有一些研究机构将传统的流媒体技术运用于P2P系统。

如IBM中国研究院成功的将层次式的流合并技术集成到P2P视频点播系统中，而美国奥利根大学提出的PALS，则利用了媒体流的分层编码技术，各个节点发送不同层的编码流，由接收者根据自身的能力选择接收若干层的编码。

将流媒体技术与P2P技术结合在一起，改善了以前需要高性能服务器为流媒体服务并解决了宽带限制的问题，但是在音视频直播应用中，对等网络方法面临一些问题：

1）由于P2P流媒体系统中节点的行为的动态性，如何在动态的运行环境下保证流媒体的服务质量，需要深入了解流媒体对QoS的要求和网络流量分析等方面的知识，研究高效率、低代价的QoS保障机制。

2）调整并监控网络中节点的动作，降低多层节点转发的延迟，确保节点间可靠通讯，从而保证系统的良好扩展性和系统稳定性。

3）分层流媒体虽然在IP组播中已经得到深入研究，但是在应用层组播中的研究才刚刚起步。

而应用层多播的研究，作为覆盖网络研究的一个方向，是国际上刚刚兴起的研究热点。

很多大学和研究院都在进行这方面的研究。

从2000年6月，卡耐基梅隆大学的Y.HChu在ACMSIGMETRICS上发表了一篇端系统多播的论文开始[1]，标志着应用层多播开始进入了热点研究。

2001年Ratnasamy在ACMSIGCOMM上发表了基于Peer-to-Peer网络的应用层多播论文CANMulticast[3]。

S.Q.Zhang也在NOSSDAV上发表了基于Peer-to-Peer网络的应用层多播的论文Bayeux[4]。

2002年，SumanBanerjee在ACMSIGCOMM上发表了基于NICE应用层多播的论文。

在这些论文中,研究学者都提出了自己的应用层多播实现思路，对应用层多播路由协议中多播树计算算法进行了研究。

这些应用层多播方案具有不同的特点，适用的范围也不相同。

其中对于Peer-to-Peer覆盖网络上的应用层多播研究还处于探索阶段。

目前在Peer-to-Peer网络上实现的应用层多播方案主要有三种：

CANMulticast、Scribe、Bayeux。

它们都是在基于动态哈希路由的Peer-to-Peer网络上实现的，其中CANMulticast是在CAN之上实现的，Scribe是在Pastry上实现的，Bayeux是在Tapestry上实现的。

这几种方案都充分利用了Peer-to-Peer网络的路由机制，因此只需增加少量的模块就可以实现多播功能。

与原先的Peer-to-Peer网络相比，只增加少量的开销就实现了多播功能，同时继承了Peer-to-Peer网络的支持大规模、支持成员动态变化的特性。

可用于分布式仿真、多方实时游戏、大规模协作应用等，但这三种方案对于应用层多播的模型、性能分析、性能优化都没有进行研究。

总之，P2P在流媒体传播方面的应用已有了一定程度的成果，应用层多播则是刚刚起步，要想把它们应用于流媒体传播，性能和效果还不成熟、不理想，值得进一步研究和改善。

1.3本文的研究内容

本文研究了如何利用P2P技术和应用层多播技术来构建一种具有可扩展服务能力的多人语音系统。

主要研究内容是：

在基于P2P的流媒体直播系统中，整个P2P网络的拓扑结构是系统架构的基础。

本文研究并设计了应用层多播树模型，采用单树结构的应用层多播树建立方案，按照一定的算法，构建了一棵满足音频服务要求的单源多播树，实现应用层组播。

该方案完善了网络节点的加入及退出机制，更好地实现了整个网络的动态平衡，提高了音频数据转发的效率和用户接受的服务的质量。

1.4论文的结构

本文在充分的理论和技术研究的基础上，设计并实现了一个P2P多人语音系统。

本文的组织结构如下所示：

第一章绪论中首先介绍了课题的研究背景及现状、传统流媒体直播系统存在的问题，以及采用P2P技术和应用层多播技术构建流媒体直播系统的优势，最后介绍了本文的主要研究内容和组织结构。

第二章介绍多人语音系统中的关键技术。

第三章详细描述基于P2P的应用层组播树的算法设计。

第四章描述仿真平台的设计和仿真系统的体系结构及功能模块，并详细介绍了各个功能模块的功能。

第五章介绍仿真实验的实验平台的设计和仿真实验的设计，并对测试结果进行了客观的分析。

第六章对论文进行了总结，并对未来工作进行展望。

第二章多人语音系统中的关键技术

P2P网络是当代网络发展的趋势，而将P2P技术应用到流媒体服务中能更好地实现其迅速、稳定、高清晰度的特点。

用户对它的要求也将越来越高，因此，必须研究出一种高效的、高质量的P2P流媒体直播系统来满足用户的需求。

本章将重点介绍基于P2P的多人语音系统涉及的关键技术。

设计该系统的主要目标是充分利用现有的网络资源，降低服务器资源和网络带宽的消耗，实现高扩展性和可靠性，提供高质量的流媒体播放效果[5]。

2.1P2P技术

2.1.1相关技术背景

为了解决传统的基于C/S模式的流媒体系统服务能力有限、不能适应大规模流媒体应用的问题，服务器集群方式、CDN（ContentDistributeNetwork，即内容分布网络）、IP组播、P2P等技术被提出。

服务器集群方式[6]是将各自独立的、同构或异构的一组计算机连接起来提供一个高性能的应用平台，来协同完成特定的任务。

它完善了传统的C/S架构，并在一定程度上提高了流媒体服务系统的传输速率和服务质量。

但是其高额的硬件成本和系统的复杂度是一般用户难以承受的，同时也不能满足日益增长的超大用户群。

CDN的英文全称ContentDistributeNetwork，即内容分布网络[7]，是一个建立并覆盖在互联网之上、由分布在不同区域的节点服务器群组成的虚拟网络。

在传统的IP网络中，客户端的请求被直接按照目标的网络地址发送给数据源服务器，而CDN网络为传输服务提供了一个服务“层"

（虚拟网络），这个层可以主动将用户访问比较频繁的网络内容“推”到与发出请求的用户距离最近的服务器上，并将每个客户端发出的请求转发到距离被请求的网络内容而言最近的服务器上。

虽然CDN从一定程度上减轻了主干网络负担，提高用户访问网站的响应速度，并减少了传输延迟，但是高昂硬件成本和部署成本是它最大的缺点。

IP组播技术[8]是对互联网“单播、尽力转发”模型的重要扩充，是一种允许一台或者多台主机发送单一数据包到多台主机的网络技术。

IP组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址主机才能接收到该数据包，在整个网络的任何一条物理链路上只传送单一的数据包。

IP组播技术的主要功能在路由器上实现。

它的主要优点是能够有效地减少了多点通信中的带宽消耗。

但由于一些关键技术，如路由算法、操作系统等未能很好地支持，使得IP组播技术不能得到很好的推广[9]。

2.1.2P2P技术的概念

P2P（PeertoPeer）即对等计算或对等网络[10]，是一种用于不同计算机之间、不经过中继设备直接交换数据或服务的技术。

在P2P网络环境中，成千上万台彼此连接的计算机都处于对等的地位，各节点具有相同的责任和能力，并协同完成特定任务。

每个终端（也称节点）同时具有客户端和服务器功能，即每台计算机既能充当网络服务的请求者，又能对其他计算机的请求做出响应，提供资源与服务。

对等点之间直接互连，共享信息资源、处理器资源、存储资源甚至高速缓存资源，无须依赖中心服务器就可完成，这种模式与传统的C／S模式形成了鲜明的对比。

其主要代表形式是在应用层上基于P2P网络协议的客户端软件[11]。

2.1.3P2P网络中拓扑结构的研究

拓扑结构是指分布式系统中各个节点或计算单元之间的物理或逻辑的互联关系，节点之间的拓扑结构一直是确定系统类型的重要依据。

P2P网络结构，又称为P2P覆盖网结构，是指P2P网络中节点的逻辑组织结构，即节点互联的拓扑结构和节点在与相邻节点保持连接时的行为规范，一般用一个连通的图来表示。

在覆盖网中相邻的节点可能在实际物理网络中位于不同的子网中，中间相隔多个路由器，而在覆盖网中不相邻的节点在实际物理网络中却可能是直接相连的。

P2P系统一般要构造一个拓扑结构，在构造过程中需要解决系统中所包含的大量节点如何命名、组织以及确定节点的加入，离开方式、出错恢复等问题。

根据P2P网络的拓扑结构可以将P2P网络分为四种：

集中式拓扑、完全分布式非结构化拓扑、完全分布式结构化拓扑和混合式拓扑。

（1）集中式拓扑

集中式P2P网络拓扑通过一个中心服务器来记录和索引共享信息以及回答对这些信息的查询。

这种形式具有中心化的特点，但是它不像传统的C／S模式，把所有资源都放在服务器上，它的服务器只存储每个节点的索引信息，而节点的所有具体信息都保存在节点本身。

中心化拓扑最大的优点是维护简单、发现效率高。

由于资源的发现依赖中心化的目录系统，发现算法灵活高效并能够实现复杂查询。

最大的问题是容易造成中心服务器单点故障。

典型代表是Napster[12]。

（2）完全分布式非结构化拓扑[13]

完全分布式非结构拓扑的P2P网络采用了随机图的组织方式来形成一个松散的网络，这种结构对网络动态变化有较好的容错能力。

在完全分布式非结构化拓扑的P2P网络模型中，每个节点都具有相同的功能，因而节点也称对等点。

这种拓扑的优点是网络配置简单，不需要中心服务器支持，在网络规模较小的时候具有很好的查询效率。

但是由于这种拓扑的网络中多采用洪泛方式查询和资源定位，随着网络规模不断增大，将对网络带来了沉重的网络负载。

而且由于没有确定的拓扑，这种形式的网络无法保证查询的确定性。

另一个问题是由于采用TTL、洪泛、随机漫步，这种拓扑的网络直径不可控，可扩展性差[14]。

因此目前对这种结构网络的研究集中在改进发现算法和转发策略上。

（3）完全分布式结构化拓扑

结构化分布式P2P网络是一种纯P2P网络。

这种网络不需要有中心服务器和中心路由器，其上的每个Peer的地位是完全平等的。

每一个Peer既可以作为客户端又可以作为服务器，并且它们与相邻的Peer有相同的能力。

这类网络中的每个节点都被分配一个虚拟地址，同时用一个关键字来表示其可提供的共享内容。

网络中各个节点分别存储自己的虚拟地址路由表进行路由。

关键字存储其虚拟地址与关键字匹配或者相近的节点上。

资源定位的时候，可以通过虚拟地址路由表快速查询到存储关键字的节点，从而获得共享内容的存储位置。

这类网络的代表系统是Chord[15]、Pastry[14]、CAN等。

（4）混合式拓扑

集中式P2P形式有利于网络资源的快速检索，只要服务器的处理能力足够强就可以无限扩展，但是其中心化的模式容易遭到直接攻击，分布式P2P形式解决了攻击问题，但是又缺乏快速搜索和可扩展性。

混合式P2P拓扑结合了集中式和分布式P2P形式的优点，在设计思想和处理能力上都得到了进一步的优化。

这类网络的代表系统是Skype[16]。

2.1.4基于P2P的流媒体技术

P2P实时流媒体技术是P2P技术与流媒体技术的结合，其核心思想就是把P2P技术应用于实时流媒体数据的分发中去，把网络层的组播功能转移到应用层实现，充分有效地利用各个节点的资源。

在基于P2P的流媒体技术中，每个流媒体用户是P2P网络中的一个节点，用户可以根据其他节点的设备能力和网络状态与一个或几个用户建立连接来分享数据，这种连接能减轻服务器的负担和提高每个用户的音视频质量。

P2P技术在流媒体应用中特别适用于一些热门事件，即使是大量的用户同时访问流媒体服务器，也不会使服务器因负载过重而瘫痪。

P2P流媒体技术主要优势在于降低对服务器处理能力和服务器上传带宽的要求，节约了主干网络传输带宽。

2.1.5P2P流媒体直播技术

网络的迅猛发展和普及为P2P流媒体业务发展提供了强大市场动力。

P2P流媒体直播是最新发展起来的一种流媒体广播方式，它利用P2P的原理来建立播放网络，从而达到节省服务端带宽消耗、减轻服务器处理压力的目的。

采用该技术可以使得单一服务器就能轻松负荷起成千上万的用户同时在线观看节目。

不管在线用户数量的多少，服务端的带宽消耗都是基本一样的，那就是提供作为P2P传播的种子所需要的几个流的带宽[17]。

2.2应用层组播技术

2.2.1应用层组播技术的概念

应用层组播技术利用对等网络技术，在底层网络之上构建一个应用层覆盖网络，将组播路由功能从路由器转移到端系统上，然后在端系统的应用层建立发送端和接收端之间的组播转发树。

该技术本质上是用单播来实现组播，将组播的复杂性从网络层转移到端系统。

和IP组播增加网络机制的方法不同，应用层组播的基本思想是保持Internet原有的简单、单播的转发模型，由端系统来实现组播转发的功能。

在应用层组播中，传输分组在端系统主机处进行复制，端系统主机构成了逻辑覆盖网络，并使用应用层定义组播路由协议来构建和维护该组播网络，目的是为了便于进行数据传输，构造并维护可靠、高效