多人语音系统中多播树的设计与实现_毕业设计论文(编辑修改稿)

多人语音系统中多播树的设计与实现_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

P2P 技术的概念 P2P(Peerto Peer)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]。 P2P 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。 这第 7 页 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]。 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。 第 8 页 P2P 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]。 应用层组播技术 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 Inter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、高效的传输覆盖网。 为了达到高效，发送者不需要给每个接收者发送数据，只需要给部分接收者发送数据，这部分接收者再负责把接收到的数据转发给其他接收者，直到所有接收者都收到数据，即把发送者的负担，分配到了其他成员身上。 应用层多播树的建立和动态维护是 P2P树状拓扑结构建立的关键。 P2P网络中节点的具有高度动态性，随时都有可能有节点失效或下线，由于应用层多播系统需要依靠 P2P系统的节点转发信息 , 所以节点的突然失效会导致信息丢失 ,使多播服务中断。 其次，应用层 多播系统通过节点间的相互传递来发送信息 , 节点间全部采用单播连接，因此需要尽量减少信息在网络中的传输路径，以减少信息到达接受者的延迟和网络负荷。 所以如何处理新加入以及离开的节点，是影响构建组播树效率的关键所在，如何高效地建立和维护应用层组播树，克服应用层组播的缺点，是值得深入研究的。 在树状模型的 P2P流媒体直播系统中，首要问题是将服务器和参与服务的节点组织成 ALM(ApplicationLevel Multicast，应用层多播 )树 [18]。 多播树的建立和维护算法的好坏将直接决定流媒体直播系统的连接效率 ，进而影响 P2P的服务质第 9 页 量。 因此，有必要深入研究应用层多播树的建立和维护算法 [19]。 组播节点的组织方法 在应用层组播网中，数据路由、复制、转发功能都由组播成员节点完成，如何构建一个有效的应用层组播架构是在构成应用层组播网络时所必须解决的问题。 目前，组播节点的组织方法主要有两种，即“网”和“树”状逻辑结构。 “网”状逻辑结构可靠性较高，但软件设计复杂、维护开销较大、扩展性较差。 “树”状逻辑结构实现简单、维护开销小、扩展性好，但可靠性较差。 一般在大型组播组中使用树，在中小型组播组中使用网。 本系统 采用“树”状逻辑结构。 组播节点的维护方法 组播节点的维护包括节点的加入、退出、“失效”节点的检测 [20]。 在一个典型的 P2P网络中，网络中的节点来自各个不同域，节点可能在任一时间加入或离开网络，导致网络具有很大的动态性和不可控性。 节点的加入是指新的节点请求加入到组播组的过程。 节点退出是指节点发出退出组播组的请求，需要对节点的组织进行调整。 “失效”节点是指在断电、断网等情况下，节点没有发出退出组播组的请求但又无法正常运行，一般通过定时发送“心跳包”来实现失效节点的检测。 本章小结 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。 本章的主要内容是介绍用于多人语音系统中的关键技术，包括 P2P 技术和应用层多播技术。 第一部分重点介绍 P2P 技术，内容如下： 1）相关技术背景；2） P2P 技术的概念； 3） P2P 网络中拓扑结构的研究； 4）基于 P2P 的流媒体技术； 5） P2P 流媒体直播技术； 6） P2P 直播的特点。 第二部分重点介绍应用层多播技术，主要包括应用层多播技术的概念、组播节点的组织方法 和维护方法。 第 10 页 第三章 多人语音系统的设计 P2P 多人语音系统的方案设计 在整个 P2P多人语音系统的体系结构中， P2P网络的拓扑结构直接决定了该服务系统的响应效率及服务质量。 本系统采用树形拓扑结构，应用层多播树的建立和维护是决定以树形拓扑结构为基础的 P2P网络性能好坏的关键技术，因此，系统的方案设计、应用层多播树的建立和维护是本章研究的重点。 系统的设计原则 多人语音系统是面向普通流媒体用户，构建一个容易使用、简单的、可靠的、集服务器和客户端为一体的软件，使任何人都可以收听 和转播音频，而不必耗费昂贵的服务器或者带宽。 网络中不存在中心服务器，每个用户可以是客户端，也可以是服务器。 通过用户之间相互共享媒体数据、共同参与系统服务，来达到扩展系统服务能力的目的。 具体地说，多人语音系统按照以下原则设计 [17][21]： 1) 能够满足音频播放的要求。 流媒体数据流具有三个特点：连续性、实时性、时序性，即数据流具有严格的前后时序关系，如果一个数据包在播放之后到达，则没有任何意义。 另外，流媒体播放要求数据下载速度必须大于播放速度，否则就会影响播放质量。 2) 不需要一个有庞大带宽和强大处理能力的服务器为 众多用户提供广播服务，所需要的只是一个索引服务器（组织管理客户端节点）和一个音频数据源。 3) 充分利用网络资源。 系统应该能够充分利用网络边缘／客户端用户的资源。 4) 能够在能力不同的节点间均衡负载。 节点在带宽、到音频数据源的延时、在线时长等方面的各不相同，决定了节点参与系统服务的能力也具有差异性，所以 P2P多人语音系统要有均衡负载的能力，在构建和动态维护多播树时要充分考虑节点间的能力差异，使每个节点的服务能力都能得到适度利用，保持多播树的稳定和高性能。 5) 尽可能的为更多用户提供满足基本质量的服务，即构建一颗尽可能庞大的多播树。 第 11 页 基本原理 基于 P2P网络的多人语音系统的基本原理是 [22]：音频数据源存放着实时播放的完整音频文件。 首先， 服务器 S（在这里不区分索引服务器和音频数据源，统一为服务器 S）将音频文件按照一定的格式划分成很多个固定大小的音频数据段，然后将最近的几分钟数据放到自身的缓存区中，为以后前来请求的客户提供服务。 当一个新的客户端节点 C请求 加入 P2P网络时，首先会向服务器 S发出连接请求，服务器查看多播树是否仍具有服务能力，如果有，则响应节点 C的请求，根据一定算法将节点 C加入到树中。 假如整棵多播树不具 有足够服务能力而无法继续服务新节点，则服务器 S会拒绝节点 C的请求，节点 C会隔一段时间后再度发来加入请求，直到成功加入或者用户放弃请求。 若节点 C成功加入多播树，则节点 C从父节点处接受相应的音频数据包，直到接收到能够播放所需的全部音频数据包为止。 然后，节点 C再将收到的音频数据包重新进行排序和封装，组合成能够实时播放的数据流。 上述过程中，节点 C在接收来自父节点的音频数据包的同时，若具有服务新节点的能力，也可接受子节点并向子节点转发所接受的数据包。 这就相当于每个节点既是服务器，也是客户端，这样，不但减轻了服务器 s负 担，而且客户端得到的服务质量也得到了相应地提高。 拓扑结构 在 P2P多人语音系统的体系结构中， P2P网络的拓扑结构直接决定了该服务系统的响应效率及服务质量。 本系统采用单源的 P2P流媒体传输。 单源的 P2P流媒体传输由一个发送者向多个接收者发送数据，接收者有且只有一个数据源。 服务器和所有客户端节点组织成多播树，多播树中的节点接收来自父节点多播的音频数据，同时将数据以多播的方式传送给其它节点。 系统可分为三层，从高到低依次是服务器（包括索引服务器和音频数据源）、转播 Peer、收听 Peer，以下将转播 者和收听者称为普通节点。 整个系统的拓扑结构如图 所示，可见其网络结构是典型的树状结构。 服务器处于网络最高层，是整个网络的根节点，整个系统只有一个，其中索引服务器负责组织和管理 树中各 节点的相关信息，拥有一个完整的节点列表；音频数据源负责实时向下提供多播树中所传播的音频数据包。 转播者处于中间，它的存在体现了。