对等网络流媒体关键技术及激励机制研究

摘要

随着宽带互联网的普及和多媒体技术的发展，向大规模用户提供流媒体服务(例如网络电视)已经成为互联网，特别是下一代互联网的关键应用之一。大规模网络流媒体应用面临着可扩展性和服务质量两个关键技术需求，由于客户机/服务器(C/S)模式存在可扩展性问题、IP组播面临发展困境的制约以及内容分发网络(CDN)受制于昂贵的投资和维护成本，P2P流媒体技术已经成为互联网上大规模流媒体应用最流行的实现方案。近十年来P2P流媒体技术发展迅速，诸如PPLive、PPStream、UUSee和SopCast等许多P2P流媒体系统不断出现并得到了广泛应用。2005年，英国BBC使用iPlayer进行了基于P2P流媒体技术直播电视节目的实验；2009年，中国网络电视台CNTV也通过CBox客户端基于P2P流媒体技术来提供大规模网络电视服务。对PPLive的测量结果表明，2006年初超过20万用户以400-800Kbps的速率同时收看4小时的春晚直播，网络总聚合带宽达到100Gbps，而据报道同期整个Akamai网络的总聚合带宽仅为300Gbps。对国内互联网流量的测量发现，以PPLive为代表的P2P流媒体应用约占主干网流量的10％，已经超越BitTorrent的流量份额(8％)，成为占用互联网流量最高的网络应用，这进一步表明P2P流媒体技术所取得的巨大成功。毋庸置疑，P2P流媒体技术给解决当前大规模网络流媒体应用的问题带来了新的机遇，具有广阔的应用前景和市场潜力，因而对其开展的研究具有非常重要的现实经济意义和社会意义。
　　 P2P流媒体技术已经得到了学术界和产业界的广泛关注，研究者从系统建模与理论分析、覆盖网络构建以及数据调度策略、网络性能测量等多个方面对P2P流媒体技术进行了广泛而又深入的研究和分析，取得了一些重要的创新性研究成果。虽然相关研究已经为现有的P2P流媒体系统提供了良好的技术支持，然而，不同的网络性能测量结果显示，现有PP网络流媒体系统的服务质量仍然不高，影响其推广应用，主要表现在：(1)视频质量普遍不高，大多仅支持流速率为450-700Kbps电视质量的视频直播，而且频繁遭遇“停顿”、“跳帧”等现象；(2)播放启动延时偏长，结点从程序启动到可以观看视频的延时一般在20秒至1分钟之间；(3)相比具有服务质量保证的基于组播的IPTV技术，在播放启动延时、视频播放质量、健壮性等方面均处于劣势。
　　 可见，P2P流媒体技术研究仍面临着许多开放性的问题和挑战，主要包括：(1)覆盖网络的影响。对Joost的测量结果显示P2P结点仅提供了1/3所需的网络带宽，而其余2/3的带宽仍由服务器结点来提供，因此，仅使用P2P网络技术来提供流媒体服务，并不能满足对服务质量、网络管理等方面的要求，需要设计一种基于混合结构的P2P流媒体覆盖网络；(2)网络异构性的影响。P2P网络结点的带宽存在着明显的异构性，因此，如何克服网络异构性的影响是P2P流媒体系统需要解决的关键问题之一。目前，P2P流媒体系统一般采用与新型视频编码技术相结合的方式来降低结点异构性的影响。由于现有的P2P流媒体系统大多是基于网状结构，需要进一步研究网状结构P2P流媒体系统与新型视频编码技术相结合的问题；(3)搭便车问题的影响。P2P网络结点具有自治、理性以至自私的特点，由此产生了搭便车问题，即结点仅使用其它结点的网络资源而不作任何贡献。搭便车问题一直是P2P网络技术面临的重要挑战之一，由于流媒体数据对实时性和顺序性具有更加严格的要求，相比P2P文件共享应用，搭便车问题对P2P流媒体系统服务质量的影响更为严重。因此，有必要对搭便车问题对P2P流媒体系统性能的影响作进一步的研究，而且，需要设计提出相应的激励机制，以降低搭便车问题的影响，提高系统的服务质量。
　　 因此，针对上述的问题和挑战，本文侧重于对P2P流媒体关键技术及激励机制开展进一步的研究，并提出相应的解决方案，包括基于混合结构的覆盖网络构建、基于可伸缩视频编码的P2P流媒体技术、搭便车问题数学建模与理论分析、信任和激励机制等方面。本文的主要贡献简要总结如下：
　　 (1)提出了一个基于混合结构的P2P流媒体覆盖网络构建方法HybridStream。HybridStream综合利用了P2P、CDN和IP组播技术的优点，其中，P2P和CDN技术相结合可以大幅度地增加系统带宽，提高结点的服务质量，为有效地降低CDN网关的部署成本，提出了一种CDN网关选举算法来产生新的CDN网关；P2P与IP组播技术相结合可以提高密集用户模式下的数据转发效率，降低对主干网流量的影响。对网络性能改进和控制开销的计算分析表明了该方法的有效性和可行性。
　　 (2)提出了一个基于SVC编码的网状结构P2P流媒体技术方案。首先通过理论分析发现异构互联网中结点下载带宽受限会导致网状结构P2P流媒体系统产生额外的控制开销和数据包冗余，进而提出了一个基于SVC编码的网状结构P2P流媒体系统设计方案，给出了P2P覆盖网络的构建方法和数据调度策略，并设计了一个自适应视频层选择算法。仿真结果表明SVC编码可以有效地降低网络异构性对网状结构P2P流媒体系统性能的影响。
　　 (3)基于概率模型对P2P流媒体系统的搭便车问题作了建模研究。通过一个概率模型分析了搭便车问题对系统效率、播放连续度、传输延时和鲁棒性等性能参数的影响，讨论了系统参数与搭便车问题对系统性能的影响的关系，并通过一些数值结果，表明了P2P流媒体系统引入激励机制的重要性和必要性。
　　 (4)设计了一个基于内容区分服务策略的激励机制。首先给出了一个P2P流媒体系统中结点的信誉评价方法，根据结点的贡献和节目的流行度两个因素来计算结点的信誉值。进而，基于该信誉评价方法提出了一种基于内容区分服务策略的激励机制，以降低P2P流媒体系统中搭便车问题的影响。仿真结果表明，该激励机制可以有效地提高视频播放质量。