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类型多人语音系统中多播树的设计与实现_毕业设计论文.doc

  • 上传人:无敌
  • 文档编号:638854
  • 上传时间:2018-04-16
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    多人语音系统中多播树的设计与实现_毕业设计论文.doc
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    1、第 I 页毕业设计论文多人语音系统中多播树的设计与实现摘 要近年来,随着计算机网络和通信技术的飞速发展,对网络带宽要求较高的流媒体技术也迅猛地发展起来,多人语音系统的研究和应用已成为当前热点之一。在传统的多人语音系统中,通常采取C/S(Client/Server)模式,即用户从语音服务器点击收听,然后语音服务器以单播的方式把音频流推送给用户。它的弊端在于:1)大量数据集中在服务器上存储和传输,不仅对中央服务器的带宽和处理能力要求很高,而且使得多人语音系统严重依赖于中央服务器,导致系统可扩展性差、可靠性差;2)中央服务器到与会节点时延过大且不均衡,造成音频质量不理想和语音包接收滞后等问题。而引入

    2、P2P和应用层多播技术,作为多人语音系统的支撑技术,则可以突破这些限制,有效地解决上述问题。它通过建立和动态维护基于P2P的应用层多播树来传输音频数据,给用户提供高质量的音频收听服务。在深入分析P2P技术和应用层多播技术后,设计了应用层多播树的构建和动态维护算法,然后根据划分的各功能模块,在仿真实验平台上实现了基于P2P的多人语音系统。测试表明,多人语音系统的功能实现基本达到目标。在一般情况下系统能够向用户提供较高质量的音频服务,具有良好的可扩展性,但由于均衡负载的能力不够,性能的稳定性有待提高。关键词:多人语音; P2P; 应用层多播; 多播树第 II 页AbstractIn recent

    3、years, as the rapid development of computer networks and communication technology, high network bandwidth requirements of streaming media technology is also advancing fast, and the research and application of multi-person phonetic system have become one of current hot spots. In traditional multi-per

    4、son phonetic system, usually adopts C/S(Client/Server) pattern, namely the user clicks the pronunciation server to listen, then the pronunciation server gives the audio frequency class to the user by the unicast way. It has several malpractices: 1) Large amounts of data stores and transports on the

    5、sever, which not only has a very high request to the central servers band width and the handling ability, also causes the multi-person phonetic system to rely on the central server seriously, and leads to the bad extendibility and reliability of the system; 2) The latency between the central control

    6、 server and the node is oversized and imbalanced, which causes some problems, such as not ideal of the audio frequency quality, and the lag of the receive of pronunciation package.However, the introduction of P2P and the technology of the application layer broadcasts, as the support technology of mu

    7、lti-person phonetic system, can breakthrough those limits, and solve the above problems effectively. It provides the user high grade audio frequency service, which transports audio data through establishing and dynamicly maintaining multicast tree based on P2P application layer. After analyzing the

    8、P2P technology and the technology of the broadcasts of the application layer thoroughly, designing the construction and the dynamic maintenance algorithm of the broadcast tree of the application layer, and then realizing the phonetic system based on the P2P multi-person in the simulation experiment

    9、platform. The test has indicated that the function of the multi-person phonetic system has achieved. The system can provide the user high quality audio frequency service generally, and has a good extendibility. However, as a result of the insufficience of the balanced load, the stability of performa

    10、nce waits for enhancing.Keyword: Voice over; P2P; Application Layer Multicast; Multicast tree第 III 页目录摘 要 .IAbstract .II目录 .III第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本文的研究内容 .41.4 论文的结构 .4第二章 多人语音系统中的关键技术 .52.1 P2P 技术 .52.2 应用层组播技术 .82.3 本章小结 .9第三章 多人语音系统的设计 .103.1 P2P 多人语音系统的方案设计 .103.2 基于 P2P 的应用层多

    11、播树的算法设计 .123.3 本章小结 .18第四章 仿真系统设计与实现 .194.1 仿真实验平台的设计 .194.2 多人语音仿真系统的功能模块 .214.3 网络与媒体数据传输管理模块 .214.4 节点组织与管理模块 .234.5 基于“心跳”的通信管理模块 .264.6 音频管理模块 .264.7 本章小结 .27第五章 仿真实验 .285.1 仿真参数说明 .285.2 功能仿真 .285.3 性能仿真 .295.4 本章小结 .30第六章 总结和展望 .316.1 总结 .316.2 展望 .31致 谢 .33第 IV 页参考文献 .34第 1 页第一章 绪论1.1 研究背景计算

    12、机网络和通信技术的飞速发展,深刻地改变了人们的工作、生活和思维方式。随着计算机处理能力的日益增强和宽带网络的逐渐普及,人们希望互联网不仅仅只提供网页浏览、文件下载等简单业务,并且能提供“边下载边观看音视频”的多媒体服务,这种“边下载边播放“ 的应用就是大家所熟悉的流媒体应用。多人语音系统正是网络流媒体系统的一种,应用于大规模网络中,给用户提供高质量的音频收听服务。系统的关键在于流媒体直播技术的实现。流媒体直播不仅数据量大,需要巨大的存储空间,而且对网络传输的实时性要求比较高。因此,随着客户数目的快速增长,在传统的C/S(Client/Server)模式下,服务器端的资源很快被耗尽,成为系统服务

    13、能力的瓶颈所在,同时用户的服务质量也难以得到保证。面对日益增长的用户数量,如何构建具有可扩展能力的流媒体服务系统成为亟待解决的问题。近年来,对等网络(P2P)的研究在对等计算、资源共享、应用层组播等方面得到了广泛的关注,P2P技术得到快速的发展。 P2P节点之间关系是平等的、直接联系的。和传统的C/S模式不同,如图1.1所示,每台主机可以直接连接到其它主机进行数据交换,而不需要通过连接到中间服务器。基于P2P模式的流媒体系统利用了P2P网络的优点,用户相互共享彼此拥有的流媒体资源,既是播放者,又是流媒体资源提供者,共同参与系统的服务,整个系统的服务能力随着用户数量的增加而增加。peer之间相互

    14、协作,并为其他peer 提供服务,将服务器的负载分散到peer中,从而有效地减轻了服务器的负载和减少了网络带宽的消耗,极大地提高了系统的可扩展性。基于P2P 技术的流媒体系统的可扩展能力,为构建大规模流媒体传输系统提供了一种低成本且有效的解决方案。中心服务器客户端客户端 客户端传统 C/S 模式客户端客户端 客户端客户端 客户端P2P 网络工作模式图1.1 传统C/S 模式与P2P网络工作模式的比较而在当前较流行的基于P2P 的网络电视、视频点播、视频会议等以流媒体第 2 页为核心的新业务应用中,随着对等网络和覆盖网等技术的提出,出现了“应用层组播”技术。对面向Internet流媒体技术,最简

    15、单的解决办法是为每个申请者建立一条发送视频流的链接。但太耗费带宽,又不能支持大量观众实时收看,申请者接收到的将是低质量视频。IP组播相对而言是一种好的解决方法,但 Internet中多数ISP不支持 IP 组播, 造成其发展受限。应用层组播克服了IP 组播的缺陷1:无需更改网络协议和网络设备的配置,在客户机间复制和转发数据,数据报沿逻辑链路转发,数据路由、复制、转发功能均由客户机完成,客户机间建立一个叠加在IP 网络上、实现组播业务逻辑功能性网络,要实现这样的功能,就必须建立对应的应用层多播树,如图1.2所示。现阶段,已经有一些学者开始进行应用层多播树的建立的研究,并取得了一定的成果。服务器路

    16、由器路由器 终端路由器路由器路由器终端终端图1.2 组播通信方式总之,随着网络技术的不断发展,流媒体技术必将成为未来网络的一项关键技术。而引入P2P技术和应用层多播技术,作为流媒体的新研究平台,无疑给流媒体的发展和应用开创了新的道路。在解决了流媒体的关键技术问题后,流媒体技术的应用必然会在未来的网络中发挥更重要的作用,并在一定程度上改变人们使用网络的方式。1.2 国内外研究现状目前,P2P技术在国内外已经有了突飞猛进的发展,很多领域己经成功的应用它解决了C/S模式存在的瓶颈,从目前的应用来看,P2P的优势还主要体现在大范围的资源的共享和搜索上2。其中,P2P技术在文件共享方面的应用主要表现为P

    17、PLive、Mysee、OICQ网站等。而PPLive、Mysee网站等主要将媒体播放与 P2P技术结合在一起,改善了以前需要高质量服务器为媒体文件服务,并解决了宽带限制的问题,提高了用户观看媒体文件的速度及质量;OICQ通过目录服务器建立聊天双方点对点的第 3 页连接,及时发送聊天信息,解决了海量信息存储、转发困难等问题。由于P2P流媒体传输的优越性,基于 P2P的流媒体服务体系己经引起了许多大学、研究机构、商业机构的重视。美国斯坦福大学、马塞诸塞大学以及微软研究院对单源的P2P流媒体传输 展开了研究并取得一定的成绩。 伯克利大学和普度大学则致力于对多源的P2P 流媒体传输的研究也取得了一定

    18、得成就,此外,也有一些研究机构将传统的流媒体技术运用于P2P系统。如IBM中国研究院成功的将层次式的流合并技术集成到P2P 视频点播系统中,而美国奥利根大学提出的PALS ,则利用了媒体流的分层编码技术,各个节点发送不同层的编码流,由接收者根据自身的能力选择接收若干层的编码。将流媒体技术与P2P技术结合在一起,改善了以前需要高性能服务器为流媒体服务并解决了宽带限制的问题,但是在音视频直播应用中,对等网络方法面临一些问题:1)由于P2P 流媒体系统中节点的行为的动态性,如何在动态的运行环境下保证流媒体的服务质量,需要深入了解流媒体对QoS的要求和网络流量分析等方面的知识,研究高效率、低代价的Qo

    19、S保障机制。2)调整并监控网络中节点的动作,降低多层节点转发的延迟,确保节点间可靠通讯,从而保证系统的良好扩展性和系统稳定性。3)分层流媒体虽然在IP组播中已经得到深入研究,但是在应用层组播中的研究才刚刚起步。而应用层多播的研究,作为覆盖网络研究的一个方向,是国际上刚刚兴起的研究热点。很多大学和研究院都在进行这方面的研究。从2000年6月,卡耐基梅隆大学的Y.H Chu 在ACM SIGMETRICS 上发表了一篇端系统多播的论文开始1 ,标志着应用层多播开始进入了热点研究。2001年Ratnasamy 在ACM SIGCOMM上发表了基于 Peer- to- Peer 网络的应用层多播论文

    20、CAN Multicast3。S.Q.Zhang 也在 NOSSDAV 上发表了基于Peer-to-Peer 网络的应用层多播的论文Bayeux4。2002 年,Suman Banerjee 在ACM SIGCOMM上发表了基于NICE 应用层多播的论文。在这些论文中, 研究学者都提出了自己的应用层多播实现思路,对应用层多播路由协议中多播树计算算法进行了研究。这些应用层多播方案具有不同的特点,适用的范围也不相同。其中对于Peer- to- Peer 覆盖网络上的应用层多播研究还处于探索阶段。目前在Peer- to- Peer 网络上实现的应用层多播方案主要有三种:CAN Multicast、S

    21、cribe、Bayeux。它们都是在基于动态哈希路由的Peer- to- Peer 网络上实现的,其中CAN Multicast 是在CAN 之上实现的,Scribe 是在Pastry 上实现的,Bayeux 是在Tapestry 上实现的。这几种方案都充分利用了Peer- to- Peer 网络的路由机制,因此只需增加少量的模块就可以实现多播功能。与原先的Peer- to- Peer 网络相比,只增加少量的开销就实现了多播功能,同时继承了Peer- to- Peer 网络的支持大规模、支持成员动态变化的特性。可用于分布式仿第 4 页真、多方实时游戏、大规模协作应用等,但这三种方案对于应用层多

    22、播的模型、性能分析、性能优化都没有进行研究。总之,P2P在流媒体传播方面的应用已有了一定程度的成果,应用层多播则是刚刚起步,要想把它们应用于流媒体传播,性能和效果还不成熟、不理想,值得进一步研究和改善。1.3 本文的研究内容本文研究了如何利用P2P技术和应用层多播技术来构建一种具有可扩展服务能力的多人语音系统。主要研究内容是:在基于P2P的流媒体直播系统中,整个 P2P网络的拓扑结构是系统架构的基础。本文研究并设计了应用层多播树模型,采用单树结构的应用层多播树建立方案,按照一定的算法,构建了一棵满足音频服务要求的单源多播树,实现应用层组播。该方案完善了网络节点的加入及退出机制,更好地实现了整个

    23、网络的动态平衡,提高了音频数据转发的效率和用户接受的服务的质量。1.4 论文的结构本文在充分的理论和技术研究的基础上,设计并实现了一个P2P多人语音系统。本文的组织结构如下所示: 第一章绪论中首先介绍了课题的研究背景及现状、传统流媒体直播系统存在的问题,以及采用P2P技术和应用层多播技术构建流媒体直播系统的优势,最后介绍了本文的主要研究内容和组织结构。第二章介绍多人语音系统中的关键技术。第三章详细描述基于 P2P 的应用层组播树的算法设计。第四章描述仿真平台的设计和仿真系统的体系结构及功能模块,并详细介绍了各个功能模块的功能。第五章介绍仿真实验的实验平台的设计和仿真实验的设计,并对测试结果进行

    24、了客观的分析。第六章对论文进行了总结,并对未来工作进行展望。第 5 页第二章 多人语音系统中的关键技术P2P网络是当代网络发展的趋势,而将 P2P技术应用到流媒体服务中能更好地实现其迅速、稳定、高清晰度的特点。用户对它的要求也将越来越高,因此,必须研究出一种高效的、高质量的P2P 流媒体直播系统来满足用户的需求。本章将重点介绍基于P2P的多人语音系统涉及的关键技术。设计该系统的主要目标是充分利用现有的网络资源,降低服务器资源和网络带宽的消耗,实现高扩展性和可靠性,提供高质量的流媒体播放效果5。2.1 P2P 技术2.1.1 相关技术背景为了解决传统的基于 C/S 模式的流媒体系统服务能力有限、

    25、不能适应大规模流媒体应用的问题,服务器集群方式、CDN(Content Distribute Network,即内容分布网络)、IP 组播、P2P 等技术被提出。服务器集群方式6是将各自独立的、同构或异构的一组计算机连接起来提供一个高性能的应用平台,来协同完成特定的任务。它完善了传统的C/S架构,并在一定程度上提高了流媒体服务系统的传输速率和服务质量。但是其高额的硬件成本和系统的复杂度是一般用户难以承受的,同时也不能满足日益增长的超大用户群。CDN的英文全称Content Distribute Network ,即内容分布网络 7,是一个建立并覆盖在互联网之上、由分布在不同区域的节点服务器群组

    26、成的虚拟网络。在传统的IP网络中,客户端的请求被直接按照目标的网络地址发送给数据源服务器,而CDN网络为传输服务提供了一个服务“层“( 虚拟网络),这个层可以主动将用户访问比较频繁的网络内容“推”到与发出请求的用户距离最近的服务器上,并将每个客户端发出的请求转发到距离被请求的网络内容而言最近的服务器上。虽然CDN从一定程度上减轻了主干网络负担,提高用户访问网站的响应速度,并减少了传输延迟,但是高昂硬件成本和部署成本是它最大的缺点。IP组播技术8 是对互联网“单播、尽力转发”模型的重要扩充,是一种允许一台或者多台主机发送单一数据包到多台主机的网络技术。IP组播源把数据包发送到特定组播组,而只有属

    27、于该组播组的地址主机才能接收到该数据包,在整个网络的任何一条物理链路上只传送单一的数据包。IP组播技术的主要功能在路由器上实现。它的主要优点是能够有效地减少了多点通信中的带宽消耗。但由于一些关键技术,如路由算法、操作系统等未能很好地支持,使得IP组播第 6 页技术不能得到很好的推广9。2.1.2 P2P 技术的概念P2P(Peerto Peer)即对等计算或对等网络10,是一种用于不同计算机之间、不经过中继设备直接交换数据或服务的技术。在P2P网络环境中,成千上万台彼此连接的计算机都处于对等的地位,各节点具有相同的责任和能力,并协同完成特定任务。每个终端(也称节点)同时具有客户端和服务器功能,

    28、即每台计算机既能充当网络服务的请求者,又能对其他计算机的请求做出响应,提供资源与服务。对等点之间直接互连,共享信息资源、处理器资源、存储资源甚至高速缓存资源,无须依赖中心服务器就可完成,这种模式与传统的CS模式形成了鲜明的对比。其主要代表形式是在应用层上基于P2P网络协议的客户端软件11。2.1.3 P2P 网络中拓扑结构的研究拓扑结构是指分布式系统中各个节点或计算单元之间的物理或逻辑的互联关系,节点之间的拓扑结构一直是确定系统类型的重要依据。P2P网络结构,又称为P2P覆盖网结构,是指 P2P网络中节点的逻辑组织结构,即节点互联的拓扑结构和节点在与相邻节点保持连接时的行为规范,一般用一个连通

    29、的图来表示。在覆盖网中相邻的节点可能在实际物理网络中位于不同的子网中,中间相隔多个路由器,而在覆盖网中不相邻的节点在实际物理网络中却可能是直接相连的。P2P系统一般要构造一个拓扑结构,在构造过程中需要解决系统中所包含的大量节点如何命名、组织以及确定节点的加入,离开方式、出错恢复等问题。根据P2P网络的拓扑结构可以将 P2P网络分为四种:集中式拓扑、完全分布式非结构化拓扑、完全分布式结构化拓扑和混合式拓扑。(1)集中式拓扑集中式P2P网络拓扑通过一个中心服务器来记录和索引共享信息以及回答对这些信息的查询。这种形式具有中心化的特点,但是它不像传统的CS模式,把所有资源都放在服务器上,它的服务器只存储每个节点的索引信息,而节点的所有具体信息都保存在节点本身。中心化拓扑最大的优点是维护简单、发现效率高。由于资源的发现依赖中心化的目录系统,发现算法灵活高效并能够实现复杂查询。最大的问题是容易造成中心服务器单点故障。典型代表是Napster12。(2)完全分布式非结构化拓扑13完全分布式非结构拓扑的P2P 网络采用了随机图的组织方式来形成一个松

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