計算機博士畢業生開題報告

時間：2021-02-12 10:11:30 開題報告我要投稿

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　　一、摘要

　　論文題目中文基于Internet的對等網絡流媒體點播系統的研究與實現

　　英文 Research and Implementation of Internet-based Peer-to-Peer VoD system

　　摘要對等網絡是提供互聯網范圍內大規模視頻應用的關鍵技術，它成功地克服了傳統客戶機-服務器模式所面臨的可擴展性問題。本文研究對等網絡技術流博士開題報告媒體點播系統，在線視頻應用分為直播和點播兩種，在直播系統中，節點之間相互共享數據的可能性要比點播大得多。由于固有的數據分散性，即海量的視頻資源以及節點之間觀看視頻的進度差異很大，在降低服務器壓力和保證節點流暢播放方面，點播比直播面臨更大的挑戰。

　　對等網絡流媒體點播系統從結構上可以分為兩個部分，覆蓋網構造和流媒體傳輸調度。其中覆蓋網構造關注系統中節點如何發現其它節點的過程，發現感興趣節點后將建立一個獨立于物理網絡的邏輯上的覆蓋網(overly network)，這個覆蓋網中的節點構成了該節點的伙伴節點。流媒體傳輸調度主要解決節點如何從其它節點以及服務器獲取數據的問題，節點一方面從伙伴節點那里獲取數據，另一方面為其它伙伴節點提供數據，這些過程都需要高效的算法和機制來完成。本文中提出的覆蓋網構造算法以及流媒體調度算法為點播系統中存在的這些問題提供了很好的解決方案。

　　本文在分析和研究國內外各種基于對等網絡直播和點播系統的基礎上，通過對等網絡與服務器的融合，提出了新的高效的點播算法，為了評價算法的有效性，文中通過仿真與其它著名算法進行了比較，從而證明了本文所提出的算法可以更加有效地構建流媒體點播系統。本文的主要的工作和貢獻如下：

　　1. P2S(Peer-to-Server)與P2P融合，提出了在選片算法中融合P2S和P2P的方法，以支持保證用戶服務質量的設計目標。

　　2. 流媒體調度算法，提出了新的節點選擇算法，通過引入“優先級”的指標來從節點服務方的角度選擇節點。

　　3. 覆蓋網構造算法，設計出新的基于無結構覆蓋網的構造算法，實測數據表明該方法具有很好的穩定性，能夠適應對等網絡動態性的特征。

　　4. 大規模系統設計與部署，參與設計并實現了騰訊公司QQLive點播服務的原型系統，該系統目前運行于互聯網上，擁有百萬級用戶同時在線的記錄。

　　本文所做的工作大部分用于實現QQLive產品點播服務的原型系統，該原型系統被設計為一個可以運行在互聯網范圍內的百萬級對等網絡流媒體點播系統，經過后期反復地測試和改進，對應于該原型系統的商業實現已經成功地部署在中國互聯網上，為數以千萬計的用戶提供視頻點播服務。

　　關鍵詞中文對等網絡;視頻點播;傳輸調度;覆蓋網

　　英文 Peer-to-Peer; VoD; streaming scheduling; overly network

　　二、立題依據

　　1、研究意義

　　2、國內外研究現狀

　　3、主要參考文獻及出處

　　1. 研究意義

　　目前，CDN和P2P被用于不同的領域，CDN主要用于可靠的Web和流媒體內容分發，而P2P則主要用于內容交換。兩種技術各有優缺點。CDN具有可靠服務質量保證、高可用性、可管理性和節省網絡資源的優勢，P2P技術在低成本、高可擴展性、系統級可靠性和支持突發訪問能力方面表現卓越。同時他們都存在一些問題，CDN投資成本高、可擴展性差、大文件分發效率低等，P2P服務質量難以保證、網絡資源占用量大、存在安全性、版權問題。因此CDN融合P2P存在強大的驅動力，取長補短，使之優勢互補。隨著以內容為核心的互聯網應用的發展，如何實現快速的、有服務質量保證的內容分發成為核心問題。特別是隨著網絡融合的趨勢，不同的終端將通過不同的網絡來獲取內容和服務，構建一個IP之上的、應用無關的內容承載平臺具有重要的意義。

　　本課題從分析傳統P2P和CDN技術的特點以及各自的缺陷和不足出發，基于新興的P2P技術，研究新型的基于CDN+P2P架構的內容分發服務解決方案，在新的CDN over P2P模式的網絡架構的基礎上，著力解決大文件下載中源節點選擇和片段選擇問題，在深入分析現有的源節點選擇和片段選擇算法的基礎上，提出適合本課題特定需求的算法，降低大文件下載的時延和服務器的壓力，并通過節點之間的協同合作加快文件轉移至P2P用戶區進一步降低服務器的壓力，使之分配更多的.資源用于非熱門節目的服務，這樣不僅可以減少節點從服務器下載給網絡帶來的冗余，而且可以避免網絡資源的浪費。

　　2. 國內外研究現狀

　　本課題研究來源于本人所在公司/學校“數字音像內容集成分發平臺”。項目針對基于CDN+P2P的內容分發網絡進行研究，擬建立一種全新架構的內容分發平臺。本課題將P2P和CDN技術進行融合，用于媒體內容管理和分發，具有較大的理論創新和實際應用意義。目前，國內外在CDN+P2P混合結構中節點選擇和片段選擇方面尚未有大量較深入的研究性論文和相關成果發表。在CDN融合P2P方面，文獻[1]中提出一種新的架構，通過消除CDN中心管理服務器，使之分散在網絡邊緣形成集群來完成內容分發，這樣做的缺點在于核心網中流量并未降低，而且由于內容定位得到的邊緣服務器很可能不在本地而降低了內容分發的速度和增加了核心網的負載。在文獻[2]中，作者主要考慮改造CDN中邊緣服務器的結構使在其服務區內形成P2P社區來加速流媒體內容分發，這篇文章把分發化為服務器和P2P分發兩個階段，并在理論上研究了切換的時機，具有一定的理論價值。文獻[3]提出了解決資源replica的算法，通過在邊緣服務器之間直接交換文件來達到理論上最優的資源replica分布。在節點選擇方面，[4]提出了在P2P文件共享系統中節點選擇問題，主要是使用機器學習的方法預測和選擇最合適的單源節點，有一定的理論價值，不過當下載連接較多時，這種方法的資源消耗量可能會比較大。這方面文獻中的方法主要來源于測量和離線數據庫，測量的輕量級的方法比較高效一些，本課題傾向于開發基于網絡工具的測量方法來感知節點之間的距離，另外因為需要結合CDN+P2P混合結構來做節點選擇，傳統的拓撲感知節點選擇方法還需進一步改進以適應本課題要求。節點選擇和片段選擇是內容分發網絡中的關鍵性問題，因此，本課題的研究對于正在飛速發展的大規模海量媒體內容分發技術具有較大的指導意義和實際推廣應用價值。

　　3. 主要參考文獻及出處

　　[1] A Distributed Multimedia CDN Model with P2P, Guomin, Zhang; Changyou, Xing; Ming, Chen; Communications and Information Technologies, 2006. ISCIT '06. International Symposium on Oct. 18 2006-Sept. 20 2006 Page(s):152 - 156 Digital Object Identifier 10.1109/ISCIT.2006.339906

　　[2] Hefeeda,Mohamed M.;Bhargav,Bharat K.;Yau,David K.Y..A hybrid architecture for cost-effective on-demand media streaming.Computer Networks,v 44,n 3,Feb 20,2004, p 353-382

　　[3] Distributed replica placement algorithms for peer-to-peer content distribution networks, Wauters, T.; Coppens, J.; Lambrecht, T.; Dhoedt, B.; Demeester, P.; Euromicro Conference, 2003. Proceedings. 29th 1-6 Sept. 2003 Page(s):181 – 188

　　[4] Bernstein, D. S., Feng, Z., Levine, B. N., and Zilberstein, S. Adaptive peer selection. In Proc. 2nd IPTPS (2003).

　　[5] A resource-trading mechanism for efficient distribution of large-volume contents on peer-to-peer networks, Koo, S.G.M.; Lee, C.S.G.; Karthik Kannan; Computer Communications and Networks, 2005. ICCCN 2005. Proceedings. 14th International Conference on 17-19 Oct. 2005 Page(s):428-433 Digital Object Identifier 10.1109/ICCCN.2005.1523902

　　[6] Peer-to-peer direct sales, Wierzbicki, A.; Goworek, K.; Peer-to-Peer Computing, 2005. P2P 2005. Fifth IEEE International Conference on 31 Aug.-2 Sept. 2005 Page(s):106 - 113 Digital Object Identifier 10.1109/P2P.2005.25

　　[7] Xu,Dongyan;Kulkarni,Sunil Suresh;Rosenberg,Catherine;Chai,Heung-Keung. Analysis of a CDN-P2P hybrid architecture for cost-effective streaming media distribution.Multimedia Systems, 2006, 11(4):383-399

　　[8] 葉劍虹,孫世新.基于P2P的CDN網絡研究報告.電子科技大學計算機科學與工程學院,2007

　　[9] Chinacache. CDN技術白皮書

　　[10] Load balancing through efficient distributed content placement, Wauters, T.; Coppens, J.; Dhoedt, B.; Demeester, P.; Next Generation Internet Networks, 2005 18-20 April 2005 Page(s):99 - 105 Digital Object Identifier 10.1109/NGI.2005.1431653

　　[11] A performance comparison of multiple description video streaming in peer-to-peer and content delivery networks, Khan, S.; Schollmeier, R.; Steinbach, E.; Multimedia and Expo, 2004. ICME '04. 2004 IEEE International Conference on Volume 1, 27-30 June 2004 Page(s):503 - 506 Vol.1

　　[12] P2P Middleware for Extending the Reach, Scale and Functionality of Content Delivery Networks Pakkala, Daniel; Koivukoski, Aki; Paaso, Tuomas; Latvakoski, Juhani; Internet and Web Applications and Services, 2007. ICIW '07. Second International Conference on 13-19 May 2007 Page(s):5-5 Digital Object Identifier 10.1109/ICIW.2007.46

　　[13] Policy-driven multifile distribution Rosenberg, C.; Pons, P.; Xu, D.; Quality of Service, 2004. IWQOS 2004. Twelfth IEEE International Workshop on 7-9 June 2004 Page(s):193 - 197 Digital Object Identifier 10.1109/IWQOS.2004.1309379

　　[14] Self-organizing P2P overlay network applying dynamic landmark mechanism for contents delivery network Jung-ll Namgung; Soo-Young Shin; Soo-Hyun Park; Lee-Sub Lee; Dongwon Jeong; Software Engineering Research, Management and Applications, 2005. Third ACIS International Conference on 11-13 Aug. 2005 Page(s):317 - 324 Digital Object Identifier 10.1109/SERA.2005.59

　　[15] Tran,Minh;Tavanapong,Wallapak.On using a CDN's infrastructure to improve file transfer among peers.Lecture Notes in Computer Science,v 3754 LNCS, Management of Multimedia Networks and Services-8th International Conference on Management of Multimedia Networks and Services,MMNS 2005,Proceedings,2005, p 289-301

　　[16] 凌波，王曉宇，周傲英，Wee-Siong.一種基于Peer-to-Pee:技術的Web緩存共享系統研究.計算機學報，28(2):170-178,2005

　　三、研究方案及工作基礎

　　1、研究目標、研究內容及擬解決的關鍵問題

　　2、擬采取的研究方法及技術路線

　　3、研究工作基礎

　　1. 研究目標、研究內容及擬解決的關鍵問題

　　CDN和P2P是目前兩種實現大規模內容分發的方法，他們各有優缺點，CDN主要用于流媒體分發(直播、點播)和web cache, P2P主要用于P2P流媒體(直播)和文件交換，在計算模型上CDN屬于分布式C/S模型，P2P則是分布式對等計算，因此他們在計算模型上有很強的互補性。

　　CDN融合P2P有兩種模式，第一種是CDN over P2P，這種模式使用P2P作為CDN內容承載網絡中特定網絡區域的分發方式，第二種是P2P over CDN，其使用P2P作為CDN骨干網中內容分發的方法，消除中央管理服務器群。我們認為前者很好的解決了可管理性和擴展性的問題，后者存在增加運營商核心網負載的問題，因此本課題著眼于CDN融合P2P網絡的“最后一跳”，主要關注如何選擇源節點和選擇下載片段的問題。近年來P2P領域吸引了大批的研究者關注，設計了大量高效實用的P2P系統，代表性的系統有基于目錄式查找服務的Napster和基于無結構拓撲泛洪查找服務的Gnutella以及基于分布式哈希表定位的CAN、Chord、Pastry和Tapestry系統。在本課題中為了可管理和監控的要求，我們采用類似于Napster目錄式的服務為下載peer提供網絡的全局信息和共享目錄等。我們假設存在目錄服務器和CDN邊緣分發服務器的情況下，在一個網絡服務區域內，P2SP2P(Peer-to-Server-Peer-to-Peer)方式下載大文件時所要考慮的源節點選擇和片段選擇問題，旨在開發高效的算法降低下載時延和服務器的負載，并能適應網絡動態變化。可細分為以下問題或方面。

　　1. 多源下載時并行下載的問題，包括選擇源節點避免在物理網絡關鍵路徑上發生擁塞。

　　2. 動態性的問題，選擇算法要適應網絡動態地改變，這其中存在一個有效地收集網絡信息的問題，目前大多是建立目錄服務以記錄本地網絡的全局信息。

　　3. 節點感知拓撲的問題，通過感知可以獲得peer物理上分布的信息進一步提高節點選擇的有效性，避免邏輯上相鄰，物理上相去甚遠的情況。

　　4. 選片算法是兩個問題的根本，從一定意義上決定了節點選擇算法，因為分發的內容分片是最終下載的目標，根據分片和節點的矩陣信息(哪些節點擁有哪些片段)以及估計的節點物理分布選擇節點下載相應的片段。

　　5. 多源協同提供服務的問題，傳統的節點下載算法中節點之間往往各自為政，獨立選擇最優的策略，這往往對于網絡整體或者單個節點長遠的下載是不利的，因此我們考慮使多個服務源協同配合提供服務。

　　6. 為了進一步加速內容分發，我們考慮多個client peer協同從server peer下載的問題，也就是多個peer協同下載特定的片段，然后與周圍peer分享，避免了peer多次去服務器下載同一片段的情況，這樣可以加速內容轉移至P2P社區，減輕server不必要的服務，更有效地使用client端的資源包括計算資源和帶寬資源。

　　7. 節點在下載過程中如有時間限制，可邀請鄰居節點幫助下載的問題。

　　8. 各個peer節點是需要怎樣的cache策略以提高可靠性和服務質量。

　　以上小問題是相互關聯，有內在聯系的，因此在最終設計選片算法的過程中要權衡各個性能參數，設計出有效的節點選擇和選片算法。

　　2. 擬采取的研究方法及技術路線

　　主要技術路線在于改造CDN網絡邊緣原有的結構，引入P2P社區，提供高效的節點選擇和片段選擇算法，加速在用戶區的媒體內容分發，提高邊緣服務的同時減輕了對邊緣服務器的壓力而且減少不同域之間通過核心網的網絡流量。主要包括一下幾個方面：

　　1. 建立兩級的結構，第一級保持CDN的中央管理體系不變，內容路由算法可能會做修改。

　　2. 在CDN內容承載網絡的邊緣融入P2P社區，好處是避免了在傳統P2P文件共享系統中存在的Peer之間物理網絡距離過大，跨不同ISP，跨不同地域等降低效率的問題，另一方面，在CDN體系下減輕了邊緣服務器的壓力使之把更多的服務時間分配給非熱門節目和內容，以加速內容分發，提高可靠性和應對突發流量的能力并保證服務質量。

　　3. 在傳統的拓撲感知算法基礎上研制更高效輕量級的感知算法。

　　4. 利用博弈論的研究成果設計協同機制，加速文件轉移至P2P用戶區。

　　5. 研究和設計高效的數據結構用于記錄動態網絡狀況和節點文件片段信息，減少對網絡資源使用。

　　6. 比較分布式決策和集中式決策的優缺點，合理選用適合本課題的算法決策方案。

　　3. 研究工作基礎

　　本課題依托本人所在公司/學校“數字音像內容集成分發平臺”，實現一整套實際系統和測試仿真環境，在此基礎上，深入對網絡模型的仿真和實際的測試。

　　算法評價一方面通過仿真模型驗證，另一方面在已開發的網絡系統的基礎上，不斷測試和迭代改進，提高性能及服務質量。

　　四、論文工作計劃及預期成果

　　論文工作進度安排

　　博士開題報告起止時間工作內容備注

　　2xx-12至2xx-1 深入調研現有的算法

　　2xx-2至2xx-7 建立模型研究節點選擇算法和片段選擇算法