試析P2P網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層多播樹的建立及維護(hù)

1、試析P2P網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層多播樹的建立及維護(hù)論文關(guān)鍵詞:p2p應(yīng)用層多播多播樹論文摘要:本文主要研究了p2p網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層多播方案中建立和維護(hù)多播樹的問題。采用單樹構(gòu)造的al建立方案，按照網(wǎng)絡(luò)地址鄰近的原那么，并綜合考慮節(jié)限制和效勞才能的問題來獲取父節(jié)點，構(gòu)建一探低延遲、低連接壓力的單源多播樹，實現(xiàn)應(yīng)用層多播。0、引言應(yīng)用層多播樹的建立和維護(hù)是p2p網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造建立的關(guān)鍵。在pzp流媒體中，首要問題是將效勞器和參與效勞的節(jié)點組織成應(yīng)用層多播(appliatin-layerultiast,al)樹。多播樹的建立算法將直接決定流媒體直播系統(tǒng)的連接效率。因此，有必要深人研究應(yīng)用層多播樹的建立和維護(hù)算法。對面向

2、internet流媒體技術(shù)，最簡單的解決方法是為每個申請者建立一條發(fā)送視頻流的鏈接。但太消耗帶寬，又不能支持大量觀眾實時收看，申請者接收到的將是低質(zhì)量視頻組播相對而言是一種好的解決方法，但internet中多數(shù)isp不支持ip組播，造成其開展受限。應(yīng)用層組播克制了ip組播的缺陷:無需更改網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置，在客戶機間復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)報沿邏輯鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)路由、復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)功能均由客戶機完成，客戶機間建立一個疊加在ip網(wǎng)絡(luò)上、實現(xiàn)組播業(yè)務(wù)邏輯功能性網(wǎng)絡(luò)，要實現(xiàn)這樣的功能，就必須建立對應(yīng)的應(yīng)用層多播樹?，F(xiàn)階段，已經(jīng)有一些學(xué)者開場進(jìn)展應(yīng)用層多播樹的建立的研究，并獲得了一定的成果。本文首先介紹

3、p2f網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用層多播技術(shù)研究的相關(guān)工作，然后在比擬現(xiàn)有多播樹建立方案的根底上，設(shè)計出適用于p2p流媒體直播系統(tǒng)的應(yīng)用層多播樹建立和維護(hù)方案，并分析了其性能。1、相關(guān)工作應(yīng)用層多播的研究，作為覆蓋網(wǎng)絡(luò)研究的一個方向，是國際上剛剛興起的研究熱點。很多大學(xué)和研究院都在進(jìn)展這方面的研究。從2000年6月，卡耐基梅隆大學(xué)的y.hhu在asigetris上發(fā)表了一篇端系統(tǒng)多播的論文開場，標(biāo)志著應(yīng)用層多播開場進(jìn)人了熱點研究。2001年ratnasay在asig上發(fā)表了基于peer-t-peer網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層多播論文anultiastes.q.zhang也在nssdav上發(fā)表了基于peer-t-peer網(wǎng)絡(luò)的

4、應(yīng)用層多播的論文bayeux2002年，suanbanerjee在asig上發(fā)表了基于nie應(yīng)用層多播的論文。在這些論文中，研究學(xué)者都提出了自己的應(yīng)用層多播實現(xiàn)思路，對應(yīng)用層多播路由協(xié)議中多播樹計算算法進(jìn)展了研究。這些應(yīng)用層多播方案具有不同的特點，適用的范圍也不一樣。其中對于peer-t-peer覆蓋網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用層多播研究還處于探究階段。目前在peer-t-peer網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的應(yīng)用層多播方案主要有三種;anultiast,sribebayeux。它們都是在基于動態(tài)哈希路由的peer-t-pee:網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的，其中anultiast是在an之上實現(xiàn)的，sribe是在pastry上實現(xiàn)的，baye

5、ux是在tapestry上實現(xiàn)的。這幾種方案都充分利用了peer-t-pee:網(wǎng)絡(luò)的路由機制，因此只需增加少量的模塊就可以實現(xiàn)多播功能。與原先的peer-t-peer網(wǎng)絡(luò)相比，只增加少量的開銷就實現(xiàn)了多播功能，同時繼承了peer-t-peer網(wǎng)絡(luò)的支持大規(guī)模、支持成員動態(tài)變化的特性?？捎糜诜植际椒抡?、多方實時游戲、大規(guī)模協(xié)作應(yīng)用等，但這三種方案對于應(yīng)用層多播的模型、性能分析、性能優(yōu)化都沒有進(jìn)展研究。2、應(yīng)用層多播樹方案分析2.1單樹構(gòu)造的al方案單樹構(gòu)造的al方案包含小規(guī)模的多源al方案和大規(guī)模的單源組al方案。小規(guī)模的多源al方案多應(yīng)用于視頻會議。將用戶節(jié)點組成一個應(yīng)用層esh，周期性檢查e

6、sh中的連接質(zhì)量，esh上以數(shù)據(jù)源為根，根據(jù)帶寬、時延各自構(gòu)造生成樹。可以針對每個源單獨優(yōu)化，每個成員維護(hù)一個組成員列表，可靠性高，但開銷大，擴展性差。大規(guī)模的單源組al方案中，最具代表性的就是nie,zigzagbal樹構(gòu)建方案。兩者的思路都是分層(hierarhi-al),分群(luster)，成員只和少量固定數(shù)目的節(jié)點聯(lián)絡(luò)。nie(如圖1)的維護(hù)管理具有分布性和自治性，節(jié)點的維護(hù)負(fù)載較輕，且節(jié)點的退出只影響部分節(jié)點，不影響根節(jié)點。缺點是層次越高的節(jié)點負(fù)載越重，如最高層的節(jié)點的度數(shù)到達(dá)(lgn)，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模很大時，這會成為系統(tǒng)的瓶頸。zigzag(如圖2所示)與nie相似，兩者在每個節(jié)點的

7、平均維護(hù)負(fù)載都為。閃，樹的高度都為0(lgn)。但zigzag解決了nie存在的瓶頸問題。其改良點為:zigzag中l(wèi)usfe:的管理和數(shù)據(jù)分發(fā)由不同節(jié)點完成，而nie將兩功能統(tǒng)一在一個節(jié)點上。改良后，多播樹中節(jié)點所帶子節(jié)點數(shù)目最多為0(k2)，與參與多播樹的節(jié)點數(shù)目無關(guān)。、3.2節(jié)點分開和失效恢復(fù)算法由于網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性，每個節(jié)點都處在不穩(wěn)定的狀態(tài)，隨時有可能退出p2p網(wǎng)絡(luò)。在節(jié)點的退出方式上，可以分為正常退出和非正常退出。無論節(jié)點是哪種方式退出，都會影響到p2p網(wǎng)絡(luò)直播。因此，我們需要在節(jié)點退出后進(jìn)展節(jié)點失效恢復(fù)。在本系統(tǒng)中，每個節(jié)點除了保存父節(jié)點和子節(jié)點的信息，同時還保存自己的備用父節(jié)點的

8、信息，當(dāng)父節(jié)點分開時可以便捷的用備用父節(jié)點代替父節(jié)點。對于正常的退出，節(jié)點分開恢復(fù)算法如下:1)節(jié)點向效勞器發(fā)送退出消息，同時，節(jié)點還向所有的直接子節(jié)點發(fā)送退出消息。2)子節(jié)點在接收到該退出消息后，立即搜索其資源信息表，獲取備用父節(jié)點的ip地址及端口號，嘗試與其建立連接。3)假設(shè)備用父節(jié)點仍然存在于網(wǎng)絡(luò)中，并可提供效勞，那么用備用父節(jié)點替代父節(jié)點繼續(xù)提供媒體數(shù)據(jù)效勞，并向效勞器發(fā)送消息，申請新的備用父節(jié)點。4)假設(shè)備用父節(jié)點已經(jīng)分開網(wǎng)絡(luò)或由于直接子節(jié)點數(shù)到達(dá)上限等原因不可提供效勞，那么向效勞器發(fā)送重新連接懇求，由效勞器按照新節(jié)點加人算法提供新的父節(jié)點和備用父節(jié)點信息，重新加人到p2p網(wǎng)絡(luò)中。由

9、于每個節(jié)點都有緩存，提早緩存了一部分流媒體數(shù)據(jù)，因此斷開的短時間內(nèi)，播放器可以繼續(xù)播放。假如能快速恢復(fù)連接，繼續(xù)接收流媒體數(shù)據(jù)，那么不會影響到播放質(zhì)量和效果。假如在短時間不能恢復(fù)連接，那么需要等到恢復(fù)連接后才能繼續(xù)播放。對于非正常的退出，不妨假設(shè)節(jié)點非正常退出。在正常情況下，節(jié)點和節(jié)點b,i),e每隔兩秒發(fā)送消息以確定對方是否還在網(wǎng)絡(luò)中存活。當(dāng)節(jié)點在某個時刻非正常退出，節(jié)點b,d;e最遲在兩秒之后就會發(fā)現(xiàn)節(jié)點已經(jīng)死亡。由于在本系統(tǒng)中，每個節(jié)點都保存著自己的父節(jié)點、備用父節(jié)點和兒子節(jié)點的信息，不妨假定節(jié)點b為節(jié)點d和e的備用父節(jié)點，所以節(jié)點d和e也保存著節(jié)點b的信息。于是節(jié)點d和e在發(fā)現(xiàn)已經(jīng)死亡

10、后，就會向節(jié)點b發(fā)送連接懇求，由b代替繼續(xù)提供效勞。同時，節(jié)點b代替節(jié)點;向效勞器發(fā)送節(jié)點退出的信息。4、系統(tǒng)性能分析在網(wǎng)絡(luò)流媒體播放系統(tǒng)中，對于整個系統(tǒng)具有重要影響的因素主要是時間延遲、網(wǎng)絡(luò)帶寬、效勞器處理才能、部署難易度和擴展才能等。我們就此分析一下基于p2p的流媒體直播系統(tǒng)。1)對于效勞器的處理才能和帶寬的要求。由于本系統(tǒng)中，效勞器只是對外提供兩路單播流媒體，對于300kbp/s的流媒體來說，效勞器只需要具有大于600kbp/s的帶寬即可以滿足需求。對于效勞器的處理才能，當(dāng)前的機器一般都具有足夠的內(nèi)存和處理器才能滿足提供兩路流媒體單播的才能。2)對于部署的情沉。由于在本系統(tǒng)中，各個pee

11、:都具有tp/ip網(wǎng)絡(luò)通信的才能，因此只要節(jié)點能與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)展連接，就可以很方便地加人該系統(tǒng)，不存在部署的問題。3)對于擴展的情況。，由于本系統(tǒng)采用的是p2p形式，流媒體主要是在pee:之間進(jìn)展通信和傳輸，對于效勞器端幾乎沒有什么影響。因此，本系統(tǒng)具有很高的擴展才能。4)關(guān)于時間延遲。由于在本系統(tǒng)中，每個peer在播放之前需要緩存一段時間的流媒體數(shù)據(jù)，這就會導(dǎo)致用戶看到的流媒體不是實時的數(shù)據(jù)，因此實時性稍差。對于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)流媒體播放系統(tǒng)，我們比擬ls形式、ip組播和p2f形式這三種形式下各種因素的影響情況。從上表1可知，p2f網(wǎng)絡(luò)流媒體播放系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬和效勞器處理才能的要求都比擬低，同時還具有容易部署和擴展才能高的特點，但是同時也具有時間長的缺點。對于實時性要求不高的流媒體直播，在綜合考慮各種因素的情況下，該系統(tǒng)是一個具有較高性價比的大規(guī)模流媒體直播解決方案，