（通信与信息系统专业论文）基于大数据量的实时流媒体p2p树算法研究.pdf

硬上学位论文 摘要 随着科学技术的飞速发展，人们对相互之间交流信息与方式有了更为苛刻的 需求。这些信息不再局限于文字、声音、静态图像和低质量的动态图像。虽然提 供高质量动态图像的方法有很多种，但大多需要昂贵的通信费用或以牺牲其实时 性为代价今天，人们更需要一种高质量，高实时性，低费用的通信方式。l r s t ( 大数据量实时流媒体传输) 技术正是应这一需求应运而生的。跨国公司的分支 机构，相距较远的分校区，只要有网络的地方就可以将现场采集的高质量信号通 过一台连接到网络的计算机进行远距离p 2 p 传输。通信的目标是实现数据可靠、 安全、及时、低成本的传递，本系统正是基于这一理念而设计的，因此，它具有 十分广泛的用途和前景，如远程教学，电视会议，家庭娱乐，新闻报道，赛事直 播等。 l r s l p 2 p 技术是基于下一代互联网协议构建的，因此首先它得益于m v 6 技术对 其流媒体的良好支持，由于i p v 6 地址的无穷性，可以忽略目前i m e r n e t 上n a t 对 用户的隔离；由于本系统传输的信号是高质量的大数据量信号，所以极大地提高 了视频质量和实时性；在父选择策略上，经过与现有方法的比较，本文使用了部 分最小树深算法和m u l t i - s e n d e rt os i n g l e - r e c e i v e r 模式。并通过距离矢量的方法对 父节点进行了分类，引入了新颖的主一补通信模式，所以加快了用户节点加入网 络的速度，增加了网络的可靠性，提高了视频质量，使q o s 控制机制得到了保障； 由于i p v 6 对组播技术的良好支持，所以我们引入了组播技术，组播技术使网络加 强了网络的分布式特点，提高了网络的自治能力和错误恢复能力，降低了因节点 意外退出而发生的通信中断和延迟时间。 最后本文在c e r n e ti i 和校园网环境中对l r s t p 2 p 技术进行了可行性分析和测 试。测试的结果显示l r s t p 2 p 技术是一种可行的技术，它改进了现有技术的不足之 处，降低了通信成本，让轻松传输大数据量的实时流媒体成为可能。但是这项技 术要得到实际应用还有很长的路要走。 关键词：大数据量实时流媒体；p 2 p ；l r s t p 2 p , r t p ；r t c p ：组播 v n 基于大教据量的实时流媒体p 2 p 树算法研究 a b s 仃a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h em o d e m s c i e n c e ，s p e c i a lc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , m a nn e e dm o r ea d v a n c e da n dm o r ec o n v e n i e n tm o t h o d st oe x c h a n g ee a c ho t h e r t h e m e d i a , f o ri n s t a n c et e x t , o n l ya u d i o ，s t a t i c ：p i c t u r ea n dl o wq u a l i t yv i d e o ，c a n tb e s a t i s f i e dw i t ho u rr e q u i r e m e n t i n t e m e tn e e dam o e f f e c t i v em e t h o dt ot r a n s p o r tt h e h i g hq u a l i t yv i d e oa n da u d i os t g e a r l lt h o u g haf e wk i n d so f t e c h n o l o g yh a v eb e e nh e r e , t h e yo f t e nn e e de x p e n s i v ec o m m u n i c a t i o nc o s to rt a k em o t et i m et oc o m p l e t ee n c o d i n g , d e c o d i n ga n dc o m p r e s s i n ga l g o r i t h m s ot h el r s t ( l a r g e - v o l u m er e a l t i m es t r e a r a i n gm e d i at r a n s p o r t ) i ss e a r c h e da n d i n t r o d u c e d b yt h et e c h n o l o g y , t h e 缸b r a n c ho r g a n i z a t i o n sa n di n s t i t u t e sc a nb e c o n n e c t e dt om m s p o r th i g hq u a l i t yv i d e ot ot a k ev i d e oc o n f e r e n c e ，r e m o t ec l a s s ，g a m e r e p l a y , n e w sr e p o r ta n d o n v i aac o n s u l l l e rd vs e t , ac o m p u t e rw i t hi n t e r f a c e1 3 9 4 a n dai n t e m e tp o r t t h el r s ti sb a s e do nn e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t , s oi tt a k ea d v a n t a g e so fm a n y m e r i t so fl p v 6 , s u c ha st h ee x c e l l e n ts u p p o r tf o rs t r e a m , t h es e c u r i t ya n de n o r l l l o u $ a d d r e s ss p a c et h a tc a ni g n o r et h en a t d u et ot h et r a n s m i t t e dl a r g e v o l u m ea n dh i g h q u a l i t ys i g n a ls t r e a m , s ot h el r s tg u a r a n t e e st h es i g n a lq u a l i t ya n dr e d u c e sd e l a y i n l r s t , t h ef a t h e rc h o i c es w a t e g yi sm i n i m u md e p t ha l g o r i t h m , a n dt h em u l t i - s e n d e rt o s i n g l e - r e c e i v e rt r a n s p o r tm o d ei si n 廿o d u c e d t h ed i s t a n c ev e c t o ri su s e dt od i v i d ef a t h e r n o d e si n t om a i n - f a t h e rn o d eg r o u pa n dc o m p e n s a t o r y - f a t h e rn o d eg r o u p s ot h en o v e l m a i n - c o m p e n s a t o r yc o m m u n i c a t i o nm o d ei si n t r o d u c e dt ob o o s tt h e s t l e f l 咀lm e d i a q u a l i t y t h en l i n i l n u md e p t ha l g o r i t h mi m p m v e st h es p e e do ff i n d i n gf a t h e rn o d e sa n d t h et r a n s p o r tm o d ee n h a n e 泓3t h es e l f - a d m i n i s t r a t i o na n df a u l tr e s i l i e n c ec a p a b i f i t y t h e m u i t i c a s tm e c h a n i s mw a su s e dt oo r g a n i z e t h e 珥i m a r ys e n d e r - r e c e i v e rg r o u pa n d l e d i l 删o nm u l t i c a s tg r o u p i tb u i l d st h eb a s i ct h f 一l 锣n e t w o r ks t r u c t u r ea n dc a l l r e i n f o r c et h ec h 卸阳c 缸o f a u t o n o m yo f d i s t r i b u t e dn e t w o r k f i n a l l y , t h el r s ti se v a l u a t e da n dt e s t e do i lc e m e t a n dc u m p n sn e t w o r k c i m a n s t a n c e t h r o u g ha n a l y s i s ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h et e c h n o l o g yi sf e a s i b l e , m o r e a d v a n c e da n dl o w e rc o m m u n i c a t i o nc o s tt h a nt h ee 】【i g t i n g 髓b u ti ti sf 缸f t o mt h e p r a c t i c a lp r o d u c ta n dn e e dm o r es e a r c ha n dw o r k k e yw o r d s ：l r s t ：p 2 p ；l r s t p 2 p ；r t p ；r t c p ；m u l f i c a s t v i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：芎长丘、起日期：沙9 7 年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：弓地3 芝日期：渺7 年多月j 日 翩样。嘲易醐。7 引月乡日 i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着i n t e m e t 宽带接入技术的普及和计算机计算能力的大大提高，实时流媒体 技术由于良好的交互性、实时性和对知识产权的保护等特点日益得到人们的青睐。 例如在当前以i p v 4 为版本的i n t e r n e t 上，以r e a l n e t w o r k 、m e d i a p l a y e r 和q u i c k t i m e 为构架的视频点播系统，以p 2 p 【1 1 1 2 3 1 1 4 1 协议为基础的实时流媒体技术已经十分成 熟和普及。近几年来，p p l i v e ，p p s t r e a m , c o o l s t r e a m 这样的网络电视软件在网络中 的空前盛行，引发了人们对流媒体新技术的极大关注。剖析这些软件所采用的技 术，发现它们有一个共同的特征，都是基于p 2 p 技术的流媒体直播软件，能够为 宽带用户提供稳定和流畅的视频直播节目。可见，p 2 p 流媒体技术的引进创造了一 种全新的商业模式，在互联网的世界引入了一场风暴。 但是这些技术的一个主要缺点就是需要专业的服务器或十分复杂的视频编码 和路由算法。对于普通的用户来说如果能把现场内容用d v 或其它摄录像设备得 到的信号透明地、不需要任何处理地、实时地通过互联网进行通信，那么互联网 技术将得到更为广泛的发展，实时流媒体也将具有更为广阔的前景。 我们把这种通过p 2 p 技术传输未经压缩算法处理的音视频信号技术称之为基 于大数据量的实时流媒体p 2 p 传输嘲，这种在传输的过程中所需带宽大于2 5 m b i t s 音视频信号称之为大数据量信号，这种p 2 p 路由结构称之为p 2 p 树。 我们所提出的大数据量的实时流媒体p 2 p 传输技术与目前广泛应用的p 2 p 实 时流媒体技术既有相同点也有不同点，主要体现在以下几个方面：相同点是它们 都是p 2 p 技术的典型应用，通信的内容都是实时的但是对于大数据量的信号而 言所传输的信号要占用较大的带宽，其信号直接由d v 等摄录设备提供，最大的 好处在于用户可以在任何一个地方通过一部d v 机和一台已接入i n t e r n e t 的具有 1 3 9 4 接口的计算机把现场录制的高质量信号以点到点或点到多点的方式传输到任 何地方，而可能相距千里之外的接收方将会得到高质量的视频和音频信号。在i p v 4 网络上我们主要以丢帧的方式来应对带宽变化引起的速率匹配问题，这样同样会 降低系统的传输质量。随着v 6 技术的发展，我们将结合国外的先进研究成果， 引入流媒体的q o s 可控机制，优化p 2 p 树的路由方法，大大改善流媒体的传输质 量。众所周知，由于i p v 4 本身存在的诸如i p 地址空间面临耗尽、缺乏服务质量 q o s 控制及安全性差等原因，i p v 4 必将被1 p v 6 所取代。因此本文所研究的内容是 依托i p v 6 技术的，但最终的成果可以应用在i p v 4 i p v 6 网络上。目前我国已建成 了世界最大的i p v 6 网络一- - c e r n e ti i ，其现实意义对于提升我国科技水平和综 基于丈数据量的实时流媒体p 2 p 树算法研究 合实力具有不可估量的作用。因此在此基础上该技术具有一定的现实意义和广泛 的应用前景，如远程教学，电视会议，家庭娱乐，新闻报道，赛事直播等。由于 其方便性和简单性，必将得到普通大众的青睐。 本课题来源于我校网络学院与日本k e i o 大学的合作项目。其目的主要是研究 通过p 2 p 网络模型对无损信号的可靠、实时传输，提高流媒体的q o s ，降低通信 成本，支持大量用户同时在线收看。 通过本课题的研究，增进了对p 2 p 网络模型，i p v 6 网络，组播技术和流媒体 技术的理解。将p 2 p 技术引入i p v 6 网络，为提高流媒的q o s 提供了必要的协议支 持，为组播技术的广泛使用提供了良好的支持：组播技术的引入进一步提高了q o s ； 而p 2 p 技术则充分利用了网络上的空闲资源，降低了服务器端负载，扩大了流媒 体信息的传播范围。 1 2 相关技术的研究与应用 p 2 p 作为一种应用技术是上世纪9 0 年代末提出的，它能利用i n t e m e t 中的各 个节点进行对等计算，充分挖掘了i n t e r n e t 上空闲资源，在利用率、扩展性、容错 等方面具有潜在的巨大优势，并在文件共享、分布式计算、协同工作、i n t e r a c t 存 储等方面己经取得了初步的良好应用。而基于p 2 p 技术的流媒体服务也有了广泛 的应用。但是正如前文所述，目前的服务基本上是针对小数据量的流媒体而言的， 也就是说这些流媒体信号是经过压缩算法处理过的。正因为如此，当前广泛使用 和流行的基于p 2 p 的实时流媒体技术与本文所要所要研究的内容具有很大的不同： 由于流媒体数据是未经高压缩率算法压缩，所以数据量庞大，需要占据很大的带 宽；由于往往要通过很远的距离，所以网络的异构性决定了p 2 p 树结构需要改进： 由于p 2 p 网络用户参与的随机性，所以需要其它的机制来提高网络的稳定性和可 靠性。对大数据量的研究，国内外都有了一定的研究。 1 2 1p 2 p 流媒体技术的研究 近年来，基于p 2 p 网络的流媒体服务体系己经引起了许多大学( 女1 ：s t a n f o r d u n i v e r s i t y _ 1 6 l ，p u r d u eu n i v e r s i t y t t j ，m a r y l a n du n i v c r s i 一， c e n t r a l f l o r i d a u n i v e r s i t y l 9 1 ，c h i n 雠u n i v e r s i t yo f h o n gk o n g l l 0 1 ，研究机构f 如m i c r o s o f tr e s e a h 1 1 l 】 等) 以及公司( 如v t r a i l s ，a l l c a s t t l 2 j 等) 的重视并纷纷开展研究。 一般的p 2 p 系统与p 2 p 流媒体系统之间的主要区别在于节点问的数据共享模 式：前者使用“下载后打开”的模式，而后者使用“边下载边播放”的模式。特 别是在p 2 p 流媒体系统中，节点的一个子集拥有某个媒体文件，它们将媒体文件 流传送到请求节点。另一方面，请求节点在流会话期间回放并存储媒体数据，在 硕 学位论文 流会话结束后，它们也成为媒体文件的供应节点。p 2 p 流媒体系统应具有的特性： 第一，p 2 p 流媒体系统是自增长的。随着请求节点后来成为供应节点，系统 的总容量将扩大，系统服务的节点越多，它的容量将更大。 第二，计算能力的共享加入对等网络的结点除了可以共享存储能力之外， 还可以共享c p u 处理能力。目前已经有了一些基于对等网络的计算能力共享系统， 比如s e t i h o m e 但s e t i h o m e 采用的仍然是集中式目录策略。 第三，p 2 p 应用层组播。应用层组播，就是在应用层实现组播功能而不需要 网络层的支持。这样就可以避免出现由于网络层迟迟不能部署对组播的支持而使 组播应用难以进行的情况。应用层组播需要在参加的应用结点之间实现一个可扩 展的，支持容错能力的重叠网络。 第四，i n t e m e t 间接访问基础结构。为了使i n t e r n e t 更好地支持组播、单播和 移动等特性，i n t e m e t 间接访问基础结构( i n t e m e ti n d i r e c t i o ni n f i a s t r u c t u r e ) 提出了基 于汇聚点的通信抽象。在这一结构中，并不把分组直接发向目的结点，而是给每 个分组分配一个标识符，而目的结点则根据标识符接收相应的分组。标识符实际 上表示的是信息的汇聚点。目的结点把自己想接收的分组的标识符预先通过一个 触发器告诉汇聚点，当汇聚点收到分组时，将会根据触发器把分组转发该相应的 目的结点。i n t e m e t 间接访问基础结构实际上在i n t e r n e t 上构成了一个重叠网络， 它需要对等网络的路由系统对它提供相应的支持。 1 2 2 基于大数据量实时流媒体网络传输的研究 当前，基于大数据量实时流媒体网络传输已获得到一定程度的研究。如日本 的d v t s 1 3 | 系统已实现了基于i p v 4 网络的点对点跨洲传输和基于i p v 6 网络的实 验。此外还有韩国对m ) 1 v 信号传输等。但是目前的这种大数据量实时流媒体传 输缺乏q o s 可控机制，没有建立有效的p 2 p 树路由方法，由于网络本身对组播的 限制不能很好的提高带宽利用率等。总体来说基于大数据量的流媒体传输研究正 处于一个起步阶段。国内对大数据量流媒体传输的研究有清华大学信息网络工程 研究中心，其研究实现了非压缩高清视频传输系统【1 4 1 的部署，完成了北京到韩国 的跨国点到点传输。 1 3 作者的主要工作 本文的目的是要在c e r n e ti i 网络上实现基于大数据量的实时流媒体p 2 p 传 输。通过对现有p 2 p 网络模型的改进使得在基于i p v 6 的网络上传输大数据量的实 时流媒体成为可能。通过改进，充分利用了互联网上的空闲资源，大大降低了流 媒体远程通信的通信成本，提高了视频传输的质量，增强了流媒体q o s 可控机制 基于大数据量的实时流媒体p 2 p 树算法研究 等。 在研究过程中作者阅读了大量文献资料，并对已有的技术进行了再现实验， 比较了正在研究的几种大数据量流媒体传输技术和现有的p 2 p 树模型。并根据项 目的实际要求傲了以下几项工作： ( 1 ) 收集和阅读了大量相关资料和文献。通过对相关资料的学习和吸收了解了 流媒体技术，音视频传输技术，l p v 6 技术，p 2 p 技术，相关的网络技术和组播技 术；、 ( 2 ) 对已实现的大数据量时实流媒体技术如d v t s 进行了重复性实验，实现了 其基于i p v 4 网络的局域网和广域网的点对点传输，得到了一系列相关数据； ( 3 ) 结合p 2 p 技术、组播技术，构建了适宜大数据量流媒体实时传输的p 2 p 网 络模型。通过该模型实现了多用户同时在线观看高质量流媒体的要求，达到了实 时传输现场信号的目的； ( 4 ) 对本模型进行量化分析。并通过i p e f f 软件对本文所构建的基本模型进行 了仿真。 1 4 论文的组织 本文是根据作者所做的工作进行组织安排的，具体如下： 第l 章介绍了课题的研究背景、目的和意义，介绍了当前p 2 p 网络和流媒体 应用的研究现状以及作者的工作内容和论文的组织。 第2 章主要是对当前流媒体和p 2 p 网络的相关技术进行了阐述，其中，流媒 体的相关技术包括了流媒体的定义、传输技术、播放方式、常见的几种流媒体文 件格式，p 2 p 的相关技术则包括了p 2 p 的定义、p 2 p 技术常见的两种形式以及p 2 p 技术的广泛应用。 第3 章详细定义了大数据量的含义，构造了新的l r s t p 2 p 树，在本章中提出 了带宽匹配方法，父选择策略，描述了l r s t p 2 p 树算法和其中的关键问题。 第4 章主要为节点管理引入了组播域机制。依据组播流的传输方式为节点确 立了上、下层组播域；为重定向建立了重定向组播域。 第5 章对设计的流媒体系统进行系统测试和结果分析。 最后，作者对所做的研究工作加以总结，并提出了有待改进的问题。 硬上学位论文 第2 章流媒体和相关的p 2 p 技术 流媒体和p 2 p 技术都是当前i n t e m e t 上最流行的技术。p 2 p 技术和流媒体技术 的结合同样引发了网络应用的巨大变革。p 2 p 技术的引进，导致传统c s 结构不再 占据绝对统治地位，对等网的兴起减轻了c s 架构中服务器的负担以及由此引起 的带宽瓶颈问题。p 2 p 技术模糊了知识版权问题，这是引起p 2 p 技术兴起的另一 个原因。 2 1 流媒体的定义 所谓流媒体是指采用流式传输的方式在i n t e m e t i n t r a n e t 播放的媒体格式，如 音频、视频或多媒体文件。一般说来，流媒体包括两种含义【1 习：广义上的流媒体 是指音频、视频等多媒体内容稳定、连续的传输流和回放流的一系列技术、方法、 协议的总称，习惯上称之为流媒体系统；狭义上的流媒体是相对于传统的下载一 一回放模式而言的一种新的媒体播放模式，在这种模式中，用户不用等待漫长的 下载时间，就能快速的从网络上获取音频、视频等连续的多媒体内容，边下载边 播放。 2 2 流媒体的传输技术研究 2 2 1 流媒体的传输基础 流媒体实现的关键技术就是流式传输。流式传输的过程一般是这样的：用户选 择某一流媒体服务后，w 曲浏览器与w e b 服务器之间使用h 丌p 们p 交换控制信 息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的w e b 浏 览器启动视频、音频播放程序，使用h t t p 从w e b 检索相关参数对播放程序初始 化。其基本原理如图2 1 所示。 图2 1 流式传输的基本原理 基于大数据量的实时流媒体p 2 p 树算法研究 流式传输定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒体( 如视频、音频) 的技术总 称。其特定含义为通过i n t e m e t 将影视节目传送到p c 机。实现流式传输主要有两 种方法：实时流式传输( r e a l - t i m es t r e a m i n g ) f r 0 顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 。 2 2 2 1 顺序流式传输 顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在给定 时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的部分。顺序流式传 输和实时流式传输不同，在传输期间不会根据用户的连接速度做调整。由于标准 的h t i v 服务器可发送这种形式的文件，并不需要其他特殊协议，它经常被称作 h t r p 流式传输。顺序流式传输比较适合高质量的短片段，如片头、片尾和广告， 由于该文件在播放前的部分是无损下载的，这种方法保证了电影播放的最终质量。 这意味着用户在观看前，必须经历延迟，对较慢的连接尤其如此。 顺序流式文件放在标准的h t l t 或f t p 服务器中，易于管理。顺序流式传输 不适合长片段和有随机访问要求的视频，如：讲座、演说与演示。 2 2 1 2 实时流式传输 实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时观看到。 实时流与h t t p 流传输方式不同，它需要专用的流媒体服务器与传输协议。实时 流式传输一般是实时传送，特别适合现场事件，如现场转播、实时授课等。理论 上，实时流一经播放就可不停止，但实际上，如果带宽不够则可能发生暂停。 实时流式传输必须匹配连接带宽，这意味着在以调制解调器速度连接时图像 质量较差。而且，由于出错丢失的信息被忽略掉，网络拥挤或出现问题时，视频 质量很差。如欲保证视频质量，顺序流式传输也许更好。实时流式传输需要特定 服务器，如w i n d o w sm e d i as e r v e r , r e a ls e r v e r 与q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 。这些 服务器可以用来对媒体发送进行更多级别的控制，因而系统设置、管理比标准 h 兀p 服务器更复杂。 实时流式传输还需要特殊的网络协议，如实时传输协议r t p 与r t c p ，实时 流协议r t s p ( r e a l t n n es t r e a m i n g p r o t o c 0 1 ) 及常用的应用层协议h r m 等。r t p 是 针对网络上传输多媒体数据流的传输协议，适用于在一对一或一对多的传输情况 下工作，可以提供时间信息并实现流同步；实时传输控制协议r t c p 和r t p 配合 工作，提供流量控制和拥塞控制服务；r t s p 是由r e a ln e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同 提出的，r t s p 定义了一对多应用程序如何应用i p 网络传输多媒体数据，r t s p 在 协议体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，与h t l t 相比，r t s p 是双向的，使用 r t s p 时，客户端和服务器都可以发出请求 硕上学位论文 2 2 2 流媒体的传输协议 2 2 2 1 实时传输协议瑚曙 r 1 1 p 1 1 6 1 1 7 l 【1 耵1 1 明限l 劬mt r a n s p o f tp r o t o c 0 1 ) 是用于i n t e m e t 上针对多媒体数据 流的一种传输协议。r t p 被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的 是提供时间信息和实现流同步。r t p 通常使用u d p 2 0 来传送数据，如图2 2 ，但 r t p 也可以在t c p 或a i m 等其他协议之上工作。当应用程序开始一个r t p 会话 时将使用两个端口：一个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数 据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这 些服务。通常r t p 算法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代 码的一部分。 vpx i c c 一 盱 腰序号 时问硪 同步源标识 分布源标识 。、。? 、? _ 1 、，、k j 一 一一。一一一一_ 。一一一一一 u d p 报头砌咐r 头数据 |一一- - 一 源端口目的端口长度校验和 图2 2u d p 数据据的封装 r t p 提供端对端网络传输功能，适合通过组播和点播传送实时数据，如视频、 音频和仿真数据。r t p 没有涉及资源预留和质量保证等实时服务，r 1 r c p 扩充数据 传输以允许监控数据传送，提供最小的控制和识别功能。r t p 与r 1 r c p 设计成独 立传输和网络层。 2 2 2 2 实时传输控制协议r t c p r t c p l 2 l j ( r e a i - t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和r t p 一起提供流量控制和拥塞 控制服务。在r t p 会话期间，各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含有己 发送的数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用 这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合使用， 它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传送网上的 实时数据。 甚于大数据量的实时流媒体p 2 p 树算法研究 2 2 2 3 实时流协议r t s p 实时流协议r t s p = ( r c = a lt i m es t r e a m i n gp r 砷啪d 是由n 啦糯p e 和 r e a l n e t w o r k s 共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过i p 网络 传送多媒体数据。r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用t c p 或r t p 完成数据传输。h i t p 与r t s p 相比，本质差别就在于数据发送以不同协议进行。 h t i p 是不对称协议，用户发出请求，服务器做出响应。而r t s p 中，媒体用户和 服务器都可发出请求，且其请求都是无状态的，在请求确认后很长时间内，仍可 设置参数来控制媒体流。r t s p 提供了一个可扩展框架，使实时数据如音频与视频 的受控、点播成为可能。数据源包括现场数据与存储在剪辑中数据。该协议目的 在于控制多个数据发送连接，为选择发送通道，如u d p 、组播u d p 与t c p 提供 途径，并为选择基于r t p 上发送机制提供方法。 2 2 2 4 资源预留协议r s 、，p 由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网络中传输高 质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需其他更多的条件。 r s v p p 3 l l u l l 2 s ( r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c 0 1 ) 是正在开发的i n t o n e t 上的资源预留协议， 使用r s v p 预留一部分网络资源，能在一定程度上为流媒体的传输提供q o s 。 在r s v p 中，数据流是一系列信息，有着相同的源、目的( 可有多个) 和服务质 量，q o s 要求通过网络以流说明形式通信。流说明是互连网主机用来请求特殊服 务的数据结构，保证互连网处理主机传输。r s v p 支持三种传输类型：尽最大努力 ( b e s t - - e f f o r t ) 、速率敏感( r a t e - s e n s i t i v e ) 和延迟敏感( d e l a y - s e n s i t i v e ) 2 2 3 流媒体播放方式 2 2 3 1 单播 在客户端与媒体服务器之问需要建立一个单独的数据通道，从一台服务器送 出的每个数据包只能传送给一个客户机，这种传送方式称为单播。每个用户必须 分别对媒体服务器发送单独的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的 数据包拷贝。这种巨大冗余首先造成服务器沉重的负担，响应需要很长时间，甚 至停止播放，管理人员也被迫购买硬件和带宽来保证一定的服务质量。 2 2 3 2 点播与广播 点播连接是客户端与服务器之间的主动连接。在点播连接中，用户通过选择 内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、停止、后退、快进或暂停流。点 播连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自连接服务器，会 迅速用完网络带宽 硕士学位论文 广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制流。 例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中数据包的单独一个拷贝将发 送给网络上的所有用户，虽然服务器只需要发送一次数据，效率很高，但如果多 媒体通信采用广播发送方式，则大量的数据将造成“广播风暴”，使网络处于瘫痪 2 2 3 3 组播 使用单播发送时，需要将数据包复制多个拷贝，以多个点对点的方式分别发 送到需要它的那些用户，随着用户的增多，这种传输方式会非常浪费网络带宽。 而使用广播方式发送，数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，而不 管用户是否需要，上述两种传输方式都存在一定的弊端组播吸收了上述两种发 送方式的长处，克服了上述两种发送方式的弱点，将数据包的单独一个拷贝发送 给需要的那些客户。组播不会复制数据包的多个拷贝传输到网络上，也不会将数 据包发送给不需要它的那些客户，这样就保证了网络上多媒体应用占用网络的最 小带宽。但技术实现也相应复杂些。 组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制到多 个通道上。采用组播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续数据 流而无延时。媒体服务器只需要发送一个信息包，而不是多个；所有发出请求的 客户端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机上，减少网络上传输 的信息包的总量。这样网络利用效率会大大提高，并且成本大为下降。 组播传输可在数据链路层( 第二层) 和网络层( 第三层) 实现，支持的网络类型包 括以太网、f d d i 和a t m ，大多数路由器提供商支持组播。 2 4 p 2 p 技术简介 2 4 1p 2 p 技术的概念 p 2 p 技术称为对等网络技术，它是一种用于不同p c 客户之间，不经过中间设 备直接交换信息的技术，实质上是一种网络结构思想。p 2 p 技术并不是一个全新的 网络技术，早在几年前，互联网出现的时候p 2 p 技术就应运而生。它与目前网络 中占据主导地位的客户端，服务器( c l i e 州s e r v 砷结构的本质区别是整个网络结构中 不存在中心节点( 或中心服务器) 。p 2 p 节点之间关系是平等的、直接联系的，具 有处理信息和提供信息等功能。即每台p c 可以直接连接到其它p c ，并进行文件 交换，而不需要连接到服务器上再进行浏览与下载。p 2 p 技术弱化了服务器的作用， 甚至取消服务器，任意两台p c 互为服务器，同时又是客户机。p 2 p 技术的目的就 是希望能够充分利用i n t e r n e t 中所蕴含的潜在的计算资源，通过系统中各个节点之 间直接的数据通信引导网络计算从中心走向边缘，充分利用终端设备的处理能力， 每个节点主动地加入网络中共享资源。随着p 2 p 技术的发展，它逐步应用到视频 基卜人数据量的实时流媒体p 2 p 树算法研究 技术领域，使p 2 p 技术与流媒体技术的结合应用成为必然。 传统的流媒体播放方式是基于c s 集中式网络模式，面临网络带宽受限的问 题，表现在媒体服务器负担过重，支持客户数目有限，节目播放效果较差；而p 2 p 技术采用分布式网络模式，很好地解决了网络带宽瓶颈问题。如果在流媒体技术 中融入p 2 p 技术，用户可根据他们的网络状态和设备能力与一个或几个用户建立 连接来分享节目，这种连接能减少服务器的负担，合理使用网络带宽，提高每个 用户的节目播放质量，即使是大量的用户同时访闯流媒体服务器，也不会造成服 务器因负载过重而瘫痪。 2 4 2p 2 p 的两种形式 p 2 p 改变了网络“内容”所在的位置，使其从“中心”走向“边缘”，也就是 说内容不再存在于主要的服务器上，而是存在于所有用户的p c 机上。p 2 p 使得p c 重新焕发活力，不再是被动的客户端，而成为具有服务器和客户端双重特征的设 备。 实际上，p 2 p 模式也不一定是完全无中心的。它可分为纯粹的p 2 p 和混合的 p 2 p 两类。纯粹的p 2 p 是指所有参与的计算机都是对等点，各对等点之间直接通 信，自始至终都没有中心服务器对对等点之问的信息交换进行控制、协调或处理。 混合式p 2 p 则依赖中心服务器执行一些功能 2 4 2 1 纯p 2 p 网络 纯p 2 p 网络 2 6 1 是指网络中没有服务器，网络中的节点动态的发现其它连接的 节点，节点之间不必通过服务器，可直接建立连接。这种p 2 p 网络模式的优点在 于允许用户设定自己的规则和建立自己的网络环境：不仅能够在i n t e m e t 下工作，而 且对于l a b 和i n t r a n e t 也很有用。 纯p 2 p 网络存在的问题为：由于没有中心管理者，网络节点难以发现；不易 管理且安全性较差。此种类型的网络如：g n u t e l l a 【2 刀、f r e e n e t 2 8 1 等。 2 4 2 2 混合式p 2 p 网络 混合式p 2 p 网络是指各节点之间可以直接建立连接，但网络的构建需要服务 器，通过集中认证，建立索引机制。然而这里的服务器仅用于辅助对等节点之间 建立连接，一旦连接成功，服务器不再起作用，对等节点之间直接进行通信。这 不同于c ，s 模式中的服务器，也可以认为是弱化了服务器的作用。这种p 2 p 网络 模式和纯分散式p 2 p 网络相比，易于发现网络节点，易于管理且安全性较好，但 也有类似c s 模式的缺陷，如容错性较差等。较为典型的有n a p s t e r 等。 简单的纯p 2 p 网络和混合式p 2 p 网络图如图2 3 和图2 4 所示。 硕士学位论文 图2 3 纯p 2 p 网络图2 a 混合p 2 p 网络 2 4 3 已有的几种p 2 p 树 p 2 p 树算法在对保证流媒体传输的q o s 具有十分重要的作用。通常认为对于 基于p 2 p 的流媒体传输的单源单树结构，如果树距越短就会得到越低的延迟和越 高的可靠性。但对于一个实际的网络，我们必须考虑到三个问题： ( 1 ) 用户( p e e r ) 随机加入和离开对网络性能的影响； ( 2 ) 减少端到端的延迟； ( 3 ) 维持合理的协议开销。 基于这样的考虑，p 2 p 树管理成为关键，而p 2 p 树管理的主要内容是父端选择策 略，目前已存在的几种算法如下： 2 4 3 1 随机算法 这种方法是对于父选择来说是最简单的一种。新加入的用户随机地寻找一个 节点利用节点的剩余带宽，这种算法是最迅速的，但在其它方面性能很低。 2 4 3 2 带宽优先算法 用户在加入网络时要按照源端到底层带宽不增加的原则进行，也就是说任意 一个低层用户的带宽要少于高层的所占用的带宽，如图2 5 左图。这种方法允许 新到达的用户以最小的带宽来抢占已有用户的位置，这样可以减小树深，但是必 须通过很大的协议开销在全局范围内协调用户不断的接入与断开，以此来减少因 为断开和重新连接而带来的通信中断。 2 4 3 3 最小树深算法 这种方法折衷了简单性和协议开销的问题，要加入的新用户在整个网络中寻 找具有剩余带宽的父节点，如果有多个选择，用户就在底层中选择一个最近的。 即：新用户首先在整个网络中随机地选择一组父节点，而后运用最小树深算法选 择一个节点 2 4 3 4 最长时间算法 这种算法的目的是尽可能减小用户中断的可能性。用户选择连接时间最长的 用户作为父节点，但这种方法不能保证新用户总能找到这样一个节点。 基于大数据量的实时流媒体p 2 p 辩算法研究 2 5 i p v 6 对流媒体的应用 图2 5 p 2 p 树算法 能否在i n t e r n e t 上传输高质量的流媒体取决于三个方面的因素： 一是网络带宽的提高，一些高校或公司已经启动了光纤到桌面f f t t d ) 的网络 改造工程； 二是压缩技术的发展； 三是适用于实时传输的更优化的新技术和新协议的出现。 所以，九十年代中期i e t f 在讨论i p v 6 1 2 9 3 0 协议时，在i p v 6 中定义了流的概 念，通过采用流标签的办法为更加效地处理数据分组提供了一种机制，这种办法 对于实时应用尤其有用，有们逐渐把目光转向基于i p v 6 的流媒体技术。 2 5 1i p v 6 特有的流特性 i p v 6 定义了流的抽象概念，所谓流就是互联网络上从一个特定源站到一个特 定目的站( 单