P2P流媒体系统的测量分析和建模研究

发布时间：2019-11-18 20:04

【摘要】：随着网络视频业务的迅猛发展,基于C/S(客户端/服务器)模式的传统流媒体系统呈现出以下问题：系统的可扩展性差、可靠性低以及服务器存在带宽瓶颈。而基于内容分布化思想的P2P流媒体系统,由于充分利用了节点的带宽和存储资源,因而具有良好的可扩展性和较低的服务器带宽。但P2P流媒体系统也存在着许多亟待解决的问题：在服务器端,包括如何进一步地降低服务器的带宽消耗,如何优化系统的协议设计；在客户端,包括如何支持大量高清VBR(动态码率)视频的流畅播放；如何根据用户的观看行为来合理规划系统资源以及如何优化系统在移动环境下的应用。针对上述问题,本文进行了大规模的网络测量和深入的理论分析,主要研究成果如下： (1)现有的基于节点P2P下载速率的状态转换策略存在着播放连续性较差,服务器带宽消耗较高且易受P2P速率波动影响的问题。针对这一问题,本文设计了一种基于本地存储量的状态转换机制,并利用布朗运动过程对其建立模型,得到了服务器带宽节省比率与播放码率、下载速率的关系表达式。理论分析、数值评估和实测比较都表明：新的机制能克服P2P下载速率的抖动对服务器带宽节省比率的影响,有效地降低服务器的带宽消耗并提高播放连续性。由该理论模型可得,系统的服务器带宽节省比率主要和播放码率与HTTP下载速率的比值有关,这为进一步地降低系统的服务器带宽消耗提供了重要的理论参考。 (2)针对高码率VBR视频的大量上线使得系统的整体播放质量受到影响的问题,本文利用理论模型建立了节点的下载速率、视频码率和播放流畅度之间的关系表达式,并指出：增加节点的初始预取量能提高节点的播放流畅度。进一步地,本文对比分析了VBR与CBR(固定码率)视频,以及高码率与低码率视频的播放性能和对网络共享环境的要求,从理论上说明了不同类型视频的各参数之间的数学关系,并指出：由于视频码率的动态性,为了达到与同平均码率的CBR视频相同的播放流畅度,VBR视频需要更多的下载带宽。这将为系统控制高码率VBR视频的上线数量,并优化系统性能提供理论参考。 (3)把握当前正在使用的大规模P2P流媒体系统的协议机制是改进现有系统的基础。PPLive和PPStream是国内规模最大的两个P2P流媒体系统,前者的协议机制已得到充分研究,而后者的协议机制缺乏公开性。针对这一问题,本文通过网络测量破解了PPStream直播系统的缓存结构和共享机制,发现：PPStream具有跳跃的共享窗口。进一步地,本文利用“窗口跳跃模型”分析了PPStream直播系统的缓存结构和共享机制对节点间的互惠关系的影响,并与PPLive的协议机制进行了深入比较,指出：与PPLive系统滑动的共享窗口不同,PPStream跳跃的共享窗口机制有效地限制了节点因为过度预取视频块而抢占其他节点的带宽资源的行为,稳定了节点的播放质量。这些研究为进一步优化P2P流媒体系统的协议以及采用新的激励机制来提高系统的服务质量提供了参考。 (4)在P2P流媒体系统中,用户作为服务的享受者和提供者,其观看行为直接影响着系统性能。已有的用户行为研究大多基于采用IP组播的IPTV系统,而较少关注P2P流媒体系统。针对这一问题,本文利用实测数据分析了在不同类型频道中用户的到达离开行为以及在同一频道内用户持续观看节目的行为,发现：(A)由于受到用户的作息规律和节目类型特点的影响,不同频道中用户的到达和离开行为呈现出不同的特征；(B)用户在到达某个节目后的前2—3分钟内相当活跃,一旦用户驻留节目的时间超过10分钟,则会均匀离开；同时,用户连续观看两个相邻节目的行为是无记忆的,其很大程度上受到节目编排的影响。这些分析对系统资源的合理规划以及广告的理性插入具有重要的参考意义。 (5)随着移动互联网的飞速发展,用户对移动流媒体服务的需求越来越强烈。然而,现有的P2P流媒体系统大都基于固定互联网设计,其对终端移动性的支持程度尚不可知。针对这一问题,本文研究了终端的移动性对P2P流媒体系统参数的影响。本文通过周期地改变局域网内节点的IP地址来构造一个虚拟的移动环境,并从移动节点(Mobile Peer-MP)的服务中断时间(MP在服务中断时间内与其他节点之间没有数据交互)、邻居拓扑变化以及播放进度三个方面对比分析了“移动性”对两种P2P流媒体系统造成的影响。这些测量分析结果为移动P2P流媒体系统的设计和优化打下了良好的基础。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP393.02;TN919.8

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