基于BitTorrent的内容分发网络系统技术研究

摘要

随着网络应用服务的丰富和基础设施的完善，用户数量的大幅增长和由此带来的海量访问对网络系统架构提出了更高的要求。内容分发网络(CDN)和以BitTorrent为代表的对等网络(P2P)技术作为大规模网络环境中数据分发的重要手段，得到了快速的发展和广泛的应用，两种传输方案已成为提高用户网络体验的研究热点。CDN在提高用户访问速度和服务质量的同时却由于高昂的建设成本限制了在流媒体等网络系统中的应用，P2P具有良好的扩展能力却也存在异构网络下性能不稳定的劣势。如何在现有网络架构下，改进和融合两种传输方式为海量用户提供高质量的稳定服务是当前网络基础结构亟待解决的问题。
　　 针对以上问题，本文在CDN结构中引入BitTorrent并提出了一种兼具可靠服务质量和扩展性的混合传输网络，同时对BitTorrent算法优化和P2P流媒体调度算法进行研究，提高了数据分发和流媒体应用的质量与效率，具体工作如下:
　　 (1)基于BitTorrent技术完成层级内容分发网络的设计，对系统负载均衡、规模扩展和稳定性等问题进行了探讨。
　　 (2)针对内容提供方与分发网络运营商分离的问题，扩展出实时数据源BT协议，克服了原始BT协议初始种子必须提供完整文件的缺点，使原始数据分片可逐步加入分发网络，加速了CDN中文件部署效率。
　　 (3) BitTorrent最初是为节点动态变化的网络环境设计的，在以系统完成时间为重要指标的内容分发网络中存在性能提升空间。本文基于贪心思想提出全局下载加速的权重片段选择算法，并对节点选择的乐观疏通算法进行了改进。仿真实验表明，上述两种算法缩短了文件分发过程的平均下载时间和整体完成时间。
　　 (4)本文对P2P流媒体的数据传输问题进行了建模和研究，针对目前流媒体数据调度算法未能考虑节点带宽和服务能力的差异，从而造成对系统资源利用不充分的问题，提出了CBA调度算法。算法通过定义贡献度考虑了节点的带宽与服务情况，并结合数据块优先级和带宽估计，合理地分配服务器与节点和节点相互间的数据传输调度。仿真结果表明CBA算法在服务器负载均衡、节点吞吐率和启动延迟等方面均有改善，提高了资源利用效率和P2P流媒体系统性能。
　　 目前本文的内容分发网络系统已完成开发并得到应用，文章的工作可对大规模网络系统基础架构研究提供借鉴。

目录

声明

摘要

表格

插图

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要工作

1．4 论文组织架构

第2章 相关技术

2．1 内容分发网络

2．1．1 内容分发网络原理

2．1．2 请求路由

2．2 对等网络

2．2．1 P2P流媒体覆盖网传输模型

2．2．2 P2P流媒体数据调度算法

2．3 BitTorrent

2．3．1 BitTorrent网络概述

2．3．2 BitTorrent协议原理

2．3．3 BitTorrent核心算法

第3章 基于BitTorrent的CDN传输系统设计

3．1 系统架构

3．2 控制中心子系统

3．3 核心分发集群子系统

3．3．1 层级分发BitTorrent网络

3．3．2 实时数据源BitTorrent协议

3．4 边缘分发集群子系统

3．4．1 P2P流媒体分发

第4章 针对CDN的BitTorrent算法优化研究

4．1 基于全局下载加速的权重片段选择算法

4．1．1 数据片选择模型与LRF算法分析

4．1．2 WPS算法描述

4．1．3 仿真实验与结果

4．2 基于关键节点的乐观疏通算法的优化改进

4．2．1 原始BitTorrent中乐观疏通算法的分析

4．2．2 改进的乐观疏通算法描述

4．2．3 仿真实验与结果

4．3 两种优化算法的综合仿真实验

第5章 基于贡献度的P2P流媒体数据传输调度算法

5．1 系统模型

5．1．1 贡献度定义

5．1．2 数据调度模型

5．2 CBA数据调度算法

5．2．1 预缓存传输策略

5．2．2 节点间数据调度算法

5．3 仿真评估与分析

5．3．1 服务器负载

5．3．2 节点吞吐率

5．3．3 启动延迟

第6章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果