基于P2P的VOD的若干关键技术研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 871.6KB 58 页 15积分

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摘要

近年来，随着大规模存储、高性能工作站以及宽带网络等技术突飞猛进的进

步，基于互联网的应用也不断涌现。其中流媒体服务所占的比重也越来越大。传

统的流媒体服务都是基于 C/S 结构的，这对于带宽要求高、持续时间长的流媒体

应用来说很难满足大量用户的并发需求，往往数量不多的服务请求就能耗光服务

器有限的带宽资源。要在这种结构上实现较高的扩展性，其投资是相当巨大的，

之后出现的 CDN 和IP 组播也都有各自的不足。因此如何在 Internet 上提供大规模

的流媒体服务成为了流媒体研究领域的核心问题。

P2P 技术的基本思想是基于充分利用网络中的资源，让每个节点既充当服务的

消费者，同时也为其它节点提供服务，把集中的负载分散到网络中各个节点上，

从而能很好地解决中央服务器的性能瓶颈问题。它具有成本低、可扩展性高、可

靠性好的特点，因此正逐步成为在 Internet 上实现流媒体服务的一个热门选择。

本文在研究了现有的一些 P2P 技术的基础上，分析了多种结构的优势和缺点，

提出了基于分层的 P2P 基础覆盖网络。在此基础上以应用层广播来实现数据的共

享，从而能够以较小的服务器代价来实现大规模的 VoD 应用。

在基于随机图的非结构化覆盖网络基础上，本系统通过对节点的能力和网络

条件进行评估，将网络分为超级节点和普通节点两个层次。这种模式具有以下优

势：首先，能够解决完全随机图中能力较低的节点处于关键路由路径上从而制约

了整个系统性能的问题；其次，降低覆盖网络与物理网络出现失配情况的几率；

最后，仅在超级节点间进行洪泛广播查询的方式可以有效地减少网络中的消息数

量。

对原型系统的试验表明，本系统的性能良好，在 VoD 动态性较高的环境下覆

盖网络表现稳定，为提供优质的 VoD 服务提供了可靠的解决方法。

关键词：P2P 流媒体 VoD 拓扑优化并发访问线程同步

Abstract

In recent few years, along with the rapid development of massive storage, high

performance workstation and networking, more and more application over internet are

coming in. The percentage of streaming media application among them is also

increasing significantly. Traditionally, streaming media applications are implemented

with C/S modal, which is hard to serve large amount of concurrent requests on Internet

due to the following natures of VoD: high bandwidth requirement and long lasting.

Usually, it’s not difficult for several clients to consume most of the bandwidth of the

server. And it always requires a huge number of investments if we need to increase it

scalability of the server. Then people try to address the issue with IP multicasting and

CDN technologies, but both of them have specific requirements on hardware which

heavily limits their usage. So, it’s now an essential question about how to solve it based

on current condition.

The basic idea of P2P technology is try to make full use of resources in network. A

node in a P2P system is both consumer and provider of service. Besides getting data

from other nodes, it also supplies data to some nodes. The burden which is too heavy for

a single server can be distributed to many nodes within the network. As a result, the

bottleneck on the hotspot can be eliminated. P2P system has the advantages of low cost,

scalable and reliable which make it a good choice for providing streaming media over

internet.

This paper first studies some existing P2P technologies and analysis advantages

and disadvantages of them. Then it proposes a multi-layered P2P overlay infrastructure

and implements an application layer multicast above it to realize large scale VoD

application over internet.

Based on the random mesh unstructured overlay, we carefully evaluate the

capability and networking status of nodes and divide them into two layers: super node

and normal node. This modal has below benefits: 1. the situation that a week node lays

on the key route path can be avoided; 2. the possibility of mismatch between P2P

overlay and physical network can be reduced; 3. the number of message can be

minimized since flooding only happens between super nodes.

Our test on the prototype shows that the performance is great, and the reliability

increases even in the extreme dynamic environment which is the nature of most VoD

applications. So, it can be considered to be a reliable solution for providing high quality

over internet.

Keywords: P2P, Streaming Media, VoD, Topology Optimization,

Concurrent Access, Thread synchronism

摘要

Abstract

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 课题研究的目的与意义 ................................................................................................1

§1.2 P2P 模式流媒体系统的技术挑战 .................................................................................... 2

§1.3 研究内容与组织结构 ....................................................................................................3

第二章研究背景 .................................................... 4

§2.1 流媒体技术基础 ............................................................................................................4

§2.1.1 流媒体技术概述 ....................................................................................................4

§2.1.2 流媒体应用领域 ....................................................................................................5

§2.1.3 VoD 相关协议与应用技术 ................................................................................... 6

§2.2 P2P 技术综述 .................................................................................................................... 6

§2.2.1 研究现状 ................................................................................................................7

§2.2.2 覆盖网络结构 ........................................................................................................7

§2.2.3 覆盖网络的分类 ....................................................................................................8

§2.2.4 P2P 搜索算法 ........................................................................................................ 9

§2.3 P2P 环境下的流媒体应用 .............................................................................................. 10

§2.4 基于 P2P 的VoD 系统的关键技术 ............................................................................12

第三章基础覆盖网络设计 ........................................... 14

§3.1 分层的非结构化覆盖网络 ..........................................................................................14

§3.1.1 普通节点层 ..........................................................................................................16

§3.1.2 超级节点层 ..........................................................................................................16

§3.1.3 物理网络层 ..........................................................................................................19

§3.2 覆盖网络中的消息 ......................................................................................................20

§3.3 节点的标准处理流程 ..................................................................................................21

§3.4 分层的非结构化覆盖网络中的基本操作 ................................................................. 24

§3.4.1 加入网络 ..............................................................................................................24

§3.4.2 离开网络 ..............................................................................................................26

§3.4.3 查询 ......................................................................................................................27

§3.4.4 更新节点信息 ......................................................................................................29

§3.5 分层的非结构化覆盖网络中的消息广播 ................................................................. 30

§3.6 本章小结 ......................................................................................................................31

第四章点播系统设计 ............................................... 33

§4.1 DirectShow 简介 ..............................................................................................................33

§4.2 系统结构 ......................................................................................................................35

§4.3 通讯模块 ......................................................................................................................36

§4.4 基础覆盖网络模块 ......................................................................................................37

§4.4.1 维护拓扑信息 ......................................................................................................37

§4.4.2 维护数据分布信息 ..............................................................................................40

§4.4.3 查询数据 ..............................................................................................................40

§4.4.4 线程调度策略 ......................................................................................................40

§4.5 数据缓存区 ..................................................................................................................40

§4.5.1 数据结构 ..............................................................................................................41

§4.5.2 锁机制 ..................................................................................................................41

§4.6 缓存数据管理模块 ......................................................................................................42

§4.6.1 双重缓存策略 ......................................................................................................43

§4.7 本章小结 ......................................................................................................................46

第五章性能分析 ................................................... 47

§5.1 试验内容 ......................................................................................................................47

§5.2 试验环境和设置 ..........................................................................................................47

§5.3 试验结果 ......................................................................................................................48

第六章结论 ....................................................... 50

参考文献 ........................................................... 51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................54

致谢 ........................................................... 55

第一章绪论

§1.1 课题研究的目的与意义

近年来，随着大规模存储、高性能工作站以及宽带网络等技术突飞猛进的进

步，互联网上传输的信息不再只是文本、图像，各种各样的多媒体通信（Multimedia

Communication）服务从技术上和经济上成为可能。多媒体通信可以集成视频、音

频、文本及图像为一体，为用户提供更为丰富的使用体验，因此得到了越来越为

广泛的应用。然而这些多媒体文件的体积通常都比较大，传统多媒体技术要求将

整个文件下载后才能播放的方式则使得用户体验大大下降。在这种背景下，流媒

体技术应运而生。

流媒体（Streaming Media）是指视频、声音和数据通过实时传输协议以连续流

方式顺序从源向目的地传输，目的地只需接收到一定数据缓存后就可以立即播放

的多媒体应用。在采用流式传输的系统中,用户不必等到整个多媒体文件全部下载

完毕，而只须经过几秒或十数秒的启动延时，即可进行观看。当声音等时基媒体

在客户机上播放时,文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。与传统的“先

下载、再播放”机制相比,流媒体技术不仅使启动延时成十倍、百倍地缩短，而且

不需要很大的缓存容量。但是这种方式的缺点在于服务器所承受的负载较大，其

所能承受的用户数量有限，从而成为大规模服务的瓶颈。

由于视频流服务对带宽资源的要求高、服务时间长，使得在 Internet 上提供

视频点播极具挑战性，特别是当某个节目趋向流行时，系统会在短时间内收到大

量异步服务请求，而传统的在服务器端为每个请求单独分配一条流的 C/S 模式无

法容纳大规模的点播请求。因此，如何使系统具有高可扩展性也就成为其核心问

题。

P2P 流媒体是基于 P2P 技术的一种应用，使用户在看视频流媒体时，可以与

同时在观看该视频的用户之间进行资源利用，用户可以同时从这些用户中下载该

视频，在 P2P 传输下，越多人看越流畅。它与 P2P 文件交换和下载共享的应用区

别在于，流媒体应用不必一个完整文件全部下载完成，就可一边下载一边播放，

而P2P 文件交换则必须将一个完整文件下载完成，才能使用。P2P 流媒体将传统

的视频直播、点播业务以 P2P 技术的全新实施展现，通过对等网络的特性，加以

用户的集中性，使其在带宽有限的情况下，更好的为用户实现视频业务的播放和

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摘要近年来，随着大规模存储、高性能工作站以及宽带网络等技术突飞猛进的进步，基于互联网的应用也不断涌现。其中流媒体服务所占的比重也越来越大。传统的流媒体服务都是基于C/S结构的，这对于带宽要求高、持续时间长的流媒体应用来说很难满足大量用户的并发需求，往往数量不多的服务请求就能耗光服务器有限的带宽资源。要在这种结构上实现较高的扩展性，其投资是相当巨大的，之后出现的CDN和IP组播也都有各自的不足。因此如何在Internet上提供大规模的流媒体服务成为了流媒体研究领域的核心问题。P2P技术的基本思想是基于充分利用网络中的资源，让每个节点既充当服务的消费者，同时也为其它节点提供服务，把集中的负载分散到...

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