毕业论文-基于P2P流媒体数据调度算法改进的研究

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1、分类号 密 级 U D C 编 号XXXX 大学毕业设计（论文）题目： 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 教师职称： 校外导师： 导师职称： 年月日摘要随着互联网的飞速发展以及用户的增加，用户对网络视频、音频等质量的要 求越来越高，流媒体在互联网中的应用也越来越广。但是传统的 C/S 服务器模式 逐渐不能满足用户的需求，同时也对服务器提出了更高的要求。为了进一步提高 网络视频的质量，降低服务器负载，减少视频、音频数据的启动延迟和满足客户 的及时性需求，P2P 技术在流媒体中的应用已经成为不可替代的趋势。P2P（Peer-to-Peer）对等网络在流媒体中的应用减轻了传统服

2、务器的负载压力，网络拓扑结构中的每个节点即可以作为服务器端又可以作为客户端，客户端 节点发出请求后，满足条件的节点既可以作为服务器为其他节点提供服务。考虑 到网络延时、网络带宽、启动延迟、网络数据传输质量保证等等因素，可以优先 选择网络带宽较高的节点作为服务器节点，通过这种周围节点作为服务器提供服 务的请求模式，减少了总服务器的压力，又能及时满足客户端的需求。基于 P2P 网络拓扑结构系统流媒体传输过程中，由于节点中的服务接受能力参差不齐，节 点的动态的加入或离开网络，所以网络拓扑结构的变化、文件的选择、服务质量 的保证 QoS、数据调度策略的选择等等都成为关键性因素，尤其选择何种数据调 度策

3、略对传输速度，音视频传输质量起着关键性的作用。关键词：P2P流媒体网络异构基于反馈自适应数据调度目录第 1 章 引 言. 11.1 研究的背景和意义 . 11.1.1 研究的背景. 11.1.2 意义 . 11.2 国内外研究现状. 21.3 论文的主要研究内容和组织结构. 21.3.1 论文的主要研究内容. 21.3.2 论文的组织结构 . 2第 2 章 P2P 流媒体相关理论基础. 32.1 P2P 流媒体 . 32.2 P2P 流媒体的结构. 32.2.1 系统结构. 32.2.2 拓扑结构. 42.3 传输过程及性能评价指标 . 52.3.1 传输过程. 52.3.2 关键技术及性能指

4、标. 72.4 数据调度模式 . 72.4.1 树型数据覆盖模式. 72.4.2 网状数据覆盖模式. 8第 3 章 实验仿真及结果分析 . 93.1 综合分析. 93.2 性能分析. 93.2.1 服务器负载情况分析. 93.2.2 缓存流媒体数据所用时间分析. 10结论. 11 致谢. 12 参考文献 . 13 图表目录 . 14第1章引言目前，为了解决互联网上流媒体音视频尽可能充分地传输，通常将这些文件 先下载到本地，再播放。在这个过程中同时也会带来几个问题。首先，流媒体必 须下载下来才能观看，而数据量通常比较大，下载过程要考虑带宽，系统吞吐量， 网络拥塞等出会出现延时、中断等问题。其次，

5、庞大的多媒体信息下载到本地计 算机会占用很大的存储资源。11.1研究的背景和意义1.1.1 研究的背景一个 1 分钟的 MPEG-1 视频节目所需要的存储空间为 12MB，如果用户使用28.8Kb/s 的 Modem 接入，那么要下载这个节目至少需要 50 分钟。这样用户既想 快速、清晰、连续的观看音视频媒体与超长的等待下载时间形成冲突，不得不寻 求使多媒体快速播放的方式。为了解决这些问题，“流式传输”应运而生。“流式 传输”借鉴了计算机处理文件时的方式。众所周知，硬盘中的数据不能直接被调 用，CPU 处理的数据是先从硬盘读取到内存中。但是为了提高 CPU 处理的速度， 一般会设有缓存 Cac

6、he，存储经常调用的页面、内容或是从硬盘里读取的数据， CPU 在运行时先要到缓存中请求数据是否存在。这种 CPU 缓存机制有效地加速 了计算机的处理速度。11.1.2 意义通过研究传统流媒体数据调度法发现传统的数据调度算法存在缺陷越来越 难满足日益增大的网络用户对网络的请求，同时网络服务器所提供的服务会出现 各种问题，比如音视频的启动，服务延时，抖动，中断停止，及播放质量不流畅。 尤其对于目前加入和退出网络的随机性比较大，网络节点的服务功能各异，对于 这样动态性活跃性较大的网络自适应数据调度策略占据了尤为重要的地位。这种 自适应数据调度根据网路结构的变化，能够做出适当调整，随时选择带宽功能较

7、 强的节点作为服务节点为客户提供服务。通过自适应数据调度减少服务延时，传 输过程中的抖动，利用高带宽保证给用户提供更加流畅的画面，提供满意的音视频服务。1基于 P2P 流媒体数据调度算法改进的研究31.2国内外研究现状截止到 1999 年，早期的流媒体应用逐渐展开，但由于网路带宽条件的限制， 我们也只能观看到邮票大小的音视频窗口，此时的播放画面模糊不清，抖动较多 不稳定，延迟较大并没有做到真正同步。22000 年下半年，随着互联网络的广泛 应用，越来越多的用户群，传统的流媒体技术已经满足不了广大用户的需求。流 媒体技术行业领导者 Real Networks，Microsoft 和 Apple

8、等各大公司都发布了相 应的流媒体新技术的解决方案，引发了流媒体传输方式，使用的发展。到 2005 年，流媒体技术带给广大用户的效果是有目共睹的，网络用户可以随时随地选在 喜欢的音视频文件播放，正式由于这些便利互联网成为生活中不可替代的一部分。 现在，流媒体技术的发展更是达到了鼎盛时期，相应的媒体播放系统，播放软件 等都应运而生。1.3论文的主要研究内容和组织结构1.3.1 论文的主要研究内容本论文的主要研究内容是首先介绍了 P2P 流媒体相关的理论基础，在理论基 础的研究之上提出了一种基于反馈的自适应的数据调度算法（FBSA），详细介绍 了算法背景、思路，流程及实现。最后通过仿真实验模拟 FB

9、SA,并通过与以存在 的数据调度算法在服务器负载压力、吞吐量、播放连续性、缓存数据所需要时间 及启动延迟方面进行了详细的对比分析。最后总结分析新提出的算法性能优劣， 从而得出了 FBSA 算法在音视频质量，流畅、延迟方面都得到较大的提高。31.3.2 论文的组织结构本论文总共分为 3 个章节，每个章节的具体安排如下描述：第 1 章 引言：主要介绍了论文研究的背景和意义，分析了国内外的研究现 状，最后提出了本论文的主要研究内容和组织结构。第 2 章 P2P 流媒体的相关技术：该章是全文的理论基础支撑。介绍了流媒 体概念；P2P 流媒体相关概念及 P2P 流媒体系统结构和网络拓扑结构；介绍了 P2

10、P 流媒体传输过程及评价指标；介绍了常见几种的数据调度模式和仿真系统模 型的介绍。为以后研究节点自适应网络动态变化数据调度做好铺垫。第2章P2P 流媒体相关理论基础随着用户对音视频播放质量要求的提高，近些年来 P2P 技术的飞速发展经历 了从 Gnutella 到 chrd7 再到 viceroy。P2P 技术在网络中得到了广泛地应用，以此 产生的 P2P 网络在应用层组播和文件共享方面也成为研究的热点，得到广泛关注。 在 P2P 网络拓扑模式下，每一个对等实体节点既可以作为服务的提供者，又可以 是服务的享用者。对等计算或存储系统提供有限的资源给其他同等地位的节点， 服务器负载均衡分散到对等节

11、点，从而有效减轻服务器负载和网络带宽的使用， 大大提高了系统的可伸缩性和潜在应用性。2.1P2P 流媒体顾名思义，流媒体是指媒体文件封装成满足流传输格式在网络中以流的形式 传输的。一般过程为首先音视频文件按照相关的协议规范在不损坏媒体质量和内 容的前提下通过编码压缩将大量的流媒体文件压缩为适合流传输的文件格式，形 成多个小的压缩数据包。其次，通过服务器或代理服务器向客户端实时、连续的 发送请求的数据包。再次，客户端通过缓存接收数据并解码，解码后的流媒体数 据可供用户观看，直到播放完成用户所需的数据。用户在观看的同时，媒体数据 不断到来，及时解码缓存，从而为用户有更好的体验做好准备。这样既减少了

12、用 户等待时间又能有更加流畅的播放画面。随着网络高速覆盖到家庭，视频流的数 量将会越来越多，由此也将会在不久的将来带来流媒体网络流的拥塞。2.2P2P 流媒体的结构2.2.1 系统结构服务器：系统服务器向用户提供门户服务以访问需要信息。根据所提供的资 料类别，我们可以把它们分为几种类型。通道信息服务器：对用户提供视频内容的描述和信息。 跟踪：维护观看同一视频的用户列表：一个用户可以通过跟踪跟踪检索其他观看同一视频用户的部分清单，然后与他们建立合作伙伴关系，交换内容。 视频：拥有整个视频或生成实况视频流的副本。 终端用户：终端用户是网络中接收内容的节点。他们在基础网络顶部形成覆盖网络以此来交流内

13、容。在本文中，我们称之为“节点”和“节点”更换。 助手：助手可以是最近提出的混合式 P2P 系统解决方案的服务器或无私同行。它们对视频内容不感兴趣，但辅助系统来促进分配过程。如图 2. 1 所示。第 2 章P2P 流媒体相关理论基础图 2. 1 通道和节点加入2.2.2 拓扑结构P2P 流媒体系统是自然分布系统。具有各种功能的网络实体一起合作按时向 终端用户发送视频内容。总结一下，有如下几种网络拓扑结构：（1）星型式的 P2P 拓扑结构 此种拓扑结构的网络中有满足网络的服务器，每个服务器管理一定数目的节点，这些节点定时向服务器发送本节点存储器上的资源内容，而服务器则根据 规则为这些资源设置索引

14、，以方便资源合理有效的利用率。当节点请求数据时， 服务器将拥有节点请求数据的节点的信息和数据所引发的发送给请求节点，客户 节点则根据传输延时，带宽等因素选择适合的节点作为服务器端，从而快速获得 所需要资源。在这种数据传递过程中，并不通过中心索引服务器，同时能够充 分利用网络资源，增加节点资源的利用率，但是增加了服务器的负载压力。如图2. 2 所示。图 2. 2 星型式的 P2P 拓扑结构（2）基于洪泛式资源请求的 P2P 网络拓扑结构在此 P2P 网络拓扑结构中，没有中心服务器，各个节点的地位是平等的，资7源都是存在自己的缓存中。每个节点都维护着一张存储邻居节点的 IP 等地址信息的链表，邻居

15、节点定时检查网络中是否有新增加或离开节点，更新自己的邻居 节点的地址链表，以保证数据传递的准确及时。2.3 传输过程及性能评价指标2.3.1 传输过程目前，多媒体音频、视频、3D 媒体数据庞大，传统的传输方式由于收到带 宽等的限制不能更好的满足用户的需求，流式传输营运而生。流媒体传输的实现 原理简单描述为基于减少流媒体文件质量损失和不降低文件的大小的前提下，采 用有效的数据压缩算法，使原本庞大的多媒体文件数据经过预处理后形成满足流 传输的文件，然后通过架设流媒体服务器，或是代理服务器，修改设置 MIME 标志，在多种实时媒体传输协议的规范下向客户端传输。最终在客户端通过解码 播放媒体数据。如图

16、 2. 3 所示。图 2. 3 传输过程1预处理 由于目前网络带宽的局限性，直接处理庞大的多媒体数据是远远达不到预期的效果的。图 2. 4 流媒体协议栈2流媒体传输协议（1）实时传输协议（Realtime Transport Protoc01，RTP）：这是 Internet 网上 针对多媒体数据流的一种传输协议。RTP 被定义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。版本号（V）：占 2 位，用来标志使用的 RTP 版本。填充位（P）：占 1 位，如果该位置位，则该 RTP 包的尾部就包含附加的填 充字节。扩展位（X）：占 1 位，如果该位置位的话，RTP 固定头

17、部后面就跟有一个 扩展头部。CSRC 计数器（CC）：占 4 位，含有固定头部后面跟着的 CSRC 的数目。 标记位（M）：占 1 位,该位的解释由配置文档（Profile）来承担。 载荷类型（PT）：占 7 位，标识了 RTP 载荷的类型。RTCP 也是用 UDP 来传送的，但 RTCP 封装的仅仅是一些控制信息，因而 分组很短，所以可以将多个 RTCP 分组封装在一个 UDP 包中。RTCP 有如表 2-1 五种分组类型。08162431V=2PXCCMPTSequence NumberTimestampsynchronization source （SSRC） identifiercon

18、tributing source （CSRC） identifiers图 2. 5 RTP 的头部格式（3）实时流协议（Real-time Streaming Protoc01，RTSP）：定义了一对多的 应用程序如何有效的通过 IP 网络传送多媒体数据。表 2. 1 RTP 的物种分组类型类型缩写表示用途200SR（Sender Report）发送端报告201RR（Receiver Report）接收端报告202SDES（Source Description Items）源点描述203BYE结束传输204APP特定应用（4）资源预订协议（Resource Reserve Protocol，R

19、SVP）：由于音频、视频数据比传统数据对网络的延时更加敏感，要在网络中传输高质量的音视频信息， 除了带宽要求之外，还需要其他更多的条件。RSVP 是正在发的 Internet 上的资 源预订协议，为了在流媒体传输过程中提供可靠地 QoS，可以使用 RSVP 预留部 分网络资源（即带宽）。2.3.2 关键技术及性能指标1流媒体资源文件定位机制 流媒体文件在传输的过程中很重要的一个特点就是实时性强，要求节点发出的请求能够快速的经过服务器节点的响应，传输给客户节点，在传输的过程中对 资源文件快速的定位占据越来越重要的地位。在传统的客户机服务器流媒体模式 下，资源文件的定位一般都是有服务器来实现，由集

20、中的服务器负责查询定位传 输资源文件，这种定位方式能够快速的查询定位到文件资源，实时性强，但是对 服务器要求较高，服务器容易成为整个系统的瓶颈，扩展性较差，存在单点失效 等缺点。2Qos 保障机制目前，在 P2P 的流媒体系统结构中，由于节点加入或离开网络都是随机的。 具有较高的不稳定性和动态性。所以，为了提供可靠地 QoS 流媒体服务质量保 证，一般都是采用端到端的路由功能。Qos 的保障机制主要是能够使网络中的节 点充分利用网络中的有利资源条件，尽可能为用户提供最好的音视频体验，让网 络真正满足用户的需求。2.4 数据调度模式当前对 P2P 流媒体系统的研究主要涉及两个方面。一是节点之间的

21、拓扑构成 管理维护；二是在节点请求的过程中，资源文件划分为多个大小不等的模块，节 点如何对这些模块进行数据调度（Data Scheduling）成为关键技术。2.4.1 树型数据覆盖模式所以，单棵树数据分发模式只适合规模较小的应用层组播场景。图 2. 6 单棵树数据分发但是较大的网络中多棵树数据分发的开销也是较高的，所以不能应用与实际的系统中。如图所示为多棵树数据分发：图 2. 7 多棵树数据分发2.4.2 网状数据覆盖模式网状数据覆盖与树型数据覆盖方式不同的是树型完全是由根节点向其他节 点按照一层层的关系向下推送数据。而网状数据覆盖机制则是各个节点先与其他 节点建立连接，并彼此交换缓存的内容

22、，然后根据自己对数据的需求和其他节点 最资源的拥有情况进行请求。满足客户端节点向服务器节点拉取需要的数据，网 络中的节点的地位是等同的，这种数据调度方案使得各个节点形成了网状结构。图 2. 8 网状数据覆盖结构网状数据覆盖主要有以下几个优点：（1）不同节点可以相互请求传送获取数据，充分利用了带宽；（2）节点可以根据自己的需要从多个邻居节点获取数据，既提高了对动态 性的鲁棒性，又避免了重复数据快的可能性第3章实验仿真及结果分析3.1 综合分析在上文所示：每一个节点根据数据传输的实际状态选择适当的数据提供节点， 这种方式对于特别异构的网络是非常有效地。在本节中，我们提供了一个例子来 直观的展示 F

23、BSA 是如何工作的。图 3. 1 对等节点数据调度描述3.2 性能分析3.2.1 服务器负载情况分析三种数据调度算法的服务器负载情况如下图所示。其中 p 是服务器的平均负 载（单位为数据块，t 为时间）。随着用户数量的增加，基于 P2P 拓扑结构的节 点可以向其它节点请求服务，这些节点负担了部分服务器的负载流量，会使服务 器的平均负载降低。11!-通用格式!-通用格式!-通用格式q!-通用格式!-通用格式!-通用格式1!-通用格式2!-通用格式3!-通用格式t/s图 3. 2 三种算法下服务器的负载情况3.2.2 缓存流媒体数据所用时间分析在缓存流媒体数据所用时间性能上与之前的两种 P2P

24、数据调度算法进行性 能比较。分别为最少优先调度算法和轮询算法进行分析。我们画出了 FBSA 和其他两种算法的曲线水平轴表示，垂直轴表示实际缓冲 时间，横轴表示对数据缓冲的实际数量。!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式时间（s）!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式!-通用格式缓存（s）FBSA Rarest first Round Robin图 3. 3 缓存流媒体数据所用时间图结论结论单独作为一章排写，但不加章号。致谢对导师和给予指导或协助完成学位论文工作的组织和个人表示感谢。对课题 给予资助者应予

25、感谢。13参考文献1 广西壮族自治区林业厅.广西自然保护区M.北京：中国林业出版社，1993.2 蒋有绪，郭泉水，马 娟，等.中国森林部落分类及其群落学特征M.北京：科学出 版社，1998.3 赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程：力学M.北京：高等教育出版社，1995.4 CRAWFPRD W ， GORMAN M.Futuer Libraries ： dreams ， madness ， &realityM.Chcago:American Library Association,1995.5 International Federation of library Association and

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28、 国家标准局信息分类编码研究所 GB/T 2659-1986 世界各国和地区名称代码S/全 国文献工作标准 化技术委员会.文献工作国家标准汇编:3.北京:中国标准出版社，1988:59-9214 刘加林.多功能一次性压舌板：中国，92214985.2P. 1993-04-14图表目录图 2. 1 通道和节点加入. 4 图 2. 2 星型式的 P2P 拓扑结构. 4 图 2. 3 传输过程. 5 图 2. 4 流媒体协议栈. 5 图 2. 5 RTP 的头部格式. 6 图 2. 6 单棵树数据分发. 7 图 2. 7 多棵树数据分发. 8 图 2. 8 网状数据覆盖结构. 8 图 3. 1 对等节点数据调度描述. 9 图 3. 2 三种算法下服务器的负载情况. 10 图 3. 3 缓存流媒体数据所用时间图. 10 表 2. 1 RTP 的物种分组类型. 6