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P2P系统结构与数据传输策略研究与实现

作　者: 李静远
导　师: 黄刘生
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 对等网络 文件共享 WiMAX VoIP VVoIP SIP/SDP协议族 传输策略 AnyServer 多网融合 跨平台互操作
分类号: TP393.02
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 651次
引　用: 2次
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内容摘要


自二十世纪九十年代互联网向公众开放以来,计算机网络发展日新月异,各种新的系统层出不穷。因特网(Internet)的结构随着上层应用程序对网络需求的变化,经历了从对等网络模式(Peer-to-Peer or P2P)向客户端/服务器模式(Client/Server),再返回到P2P模式的发展历程。随着计算机终端设备和网络设备的快速发展,伴随网络处理和传输数据能力的提升,P2P系统的应用范围愈发广泛,这其中就包括了文件共享系统,视频点播系统,以及实时语音和视频电话系统等。然而,最近几年P2P应用程序的发展远远超过了网络传输能力和网络协议的发展速度,造成网络的严重拥塞。由于IPv4没有提供数据的分级传输机制,而能提供分级传输机制的IPv6协议又迟迟无法推广,造成P2P数据流占用了绝大多数网络带宽,严重影响到其它网络应用程序的性能。网络服务提供商花费重金扩展网络容量也无法满足庞大的用户需求,因此只好使用多种手段限制、甚至阻断P2P应用程序的数据传输。同时,随着各种无线网络技术的发展,越来越多的P2P系统开始尝试部署于无线网络上。而无线网络所能提供的数据传输速率和稳定性又远远不及有线网络,这更加重了大规模P2P系统的部署难度。本文提出一系列平衡网络流量,缓解矛盾的方法,以应对P2P应用系统与网络发展不平衡所带来的矛盾。在当前P2P系统的无线化大背景下,本文着重研究WiMAX、Wi-Fi、3G等无线网络的特点,在AnyServer平台的支持下,提出了在这些网络上高效部署P2P文件共享系统和视频电话系统的方法。本文的主要内容与创新点如下:首先,本文提出了一种在包含有线结点和无线结点的混合P2P文件共享系统下,保护无线结点能量,以延长其服务时间的方法。通过实验我们发现,在拥有较大数量无线结点的P2P文件共享系统中,如果不考虑无线结点的能量和通信能力,会导致无线结点过早能量耗尽,令系统中结点数量显著减少,从而反过来严重影响系统的覆盖率和文件共享功能的效率。实验证明,在80%的结点是无线结点的系统中,我们的资源结点选择算法可以使无线结点的失效率降低50%以上,并令资源文件传输总时间降低超过50%,从而有效改善混合P2P网络中无线结点的生存环境。第二,本文提出了一个基于WiMAX和Wi-Fi网络的P2P文件共享系统的应用层网络拓扑结构优化模型。考虑到无线城域网WiMAX即将产品化,如果能充分利用成熟的无线局域网技术Wi-Fi的特性,城际无线网络上数据共享系统拥有广阔的应用前景。在这样的混合无线网络中,如果不考虑无线网络空中接口资源紧张的特点,随意搭建应用层拓扑结构,会导致大量宝贵带宽被浪费。因此本文提出层次化P2P共享系统,根据WiMAX Mesh网络的特点,在WiMAX基站骨干网络层和客户站所组成的Mesh网络层中建立层次化分布式查找结构。模拟实验证明,对于拥有率超过2.5%的资源,本文提出的查找算法在本地Mesh网络发现该资源的概率超过90%,从而有效节省了网络空中接口资源,提高了资源查找效率。第三,本文提出了一个基于会话初始化协议(Session Initiation Protocol orSIP)的自适应视频IP电话(Voice and Video over IP or VVoIP)系统。由于IPv4网络中地址不足,且网络安全问题比较突出,目前网络中大量部署了防火墙和网络地址转换器(Network Address Translator or NAT)。由于SIP/SDP协议族对NAT穿越方面没有作具体规定,使得两个VVoIP客户端实现点到点传输会遇到问题。ICE(Interactive Connectivity Establishment)协议的出现填补了NAT穿透的空白,但就VVoIP应用来说,ICE显得比较复杂,所消耗的资源也较大。而本文提出的基于AnyServer平台的自适应SIP VVoIP系统能够保证VVoIP客户端之间的P2P实时通信。实验证明,本系统能够减轻流媒体服务器的压力,降低实时会话的网络时延。第四,本文提出了一组基于SIP的VVoIP系统中音频/视频数据的协作传输算法。音频电话VoIP向视频电话VVolP的转变,大大缩短了人与人之间的空间距离。然而,VVoIp中视频流数据的规模远大于音频流数据,无序的视频/音频流传输会使得VVoIP客户端的话音效果受到较大影响,尤其是在无线网络接入设备上运行的VVoIP客户端上,话音质量的下降现象尤为明显。本文提出了一组协作传输算法(Voice and Video Transmission Strategies of VVTS),能够有效减小数据传输速率的波动,在尽量不降低视频质量的前提下,提高话音质量。最后,本文介绍了支持本文实验的AnyServer平台的总体架构,以及各个子系统的框架和实现细节,并对VVoIP系统今后的发展方向进行了讨论。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-15
第1章 绪论  15-23
  1.1 论文研究背景和意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-18
  1.3 本文研究内容及创新  18-19
  1.4 本文组织结构  19-23
第2章 背景知识介绍  23-35
  2.1 对等网络介绍  23-25
    2.1.1 信息资源共享  23-24
    2.1.2 实时通信技术  24
    2.1.3 分布式计算  24
    2.1.4 协同工作  24-25
    2.1.5 搜索引擎  25
  2.2 重要的P2P系统算法与结构简介  25-27
    2.2.1 无线非结构化P2P系统路由算法  25-26
    2.2.2 结构化P2P系统  26-27
  2.3 SIP/SDP协议族相关知识介绍  27-31
    2.3.1 SIP协议  27-29
    2.3.2 SDP协议  29
    2.3.3 SIP/SDP协议用例  29-31
  2.4 无线通信协议介绍  31-34
    2.4.1 无线局域网络:Wi-Fi  31-32
    2.4.2 无线城域网络:WiMAX  32-33
    2.4.3 3G网络  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第3章 一种混合模式P2P文件共享系统资源选择算法  35-47
  3.1 概述  35-36
  3.2 相关工作  36-37
  3.3 本章提出的混合P2P文件共享系统资源选择算法  37-42
    3.3.1 算法概述  37-38
    3.3.2 需要考虑的因素  38-40
    3.3.3 决策函数  40-42
    3.3.4 本章提出的资源结点选择算法  42
  3.4 模拟实验  42-45
    3.4.1 模拟环境建立及参数选择  42-44
    3.4.2 模拟实验结果  44-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章 基于WiMAX和Wi-Fi的文件共享系统  47-57
  4.1 概述  47-48
  4.2 相关工作  48
  4.3 本章所提出的文件共享系统  48-52
    4.3.1 系统概览  48-49
    4.3.2 资源发布  49-50
    4.3.3 资源查找  50-52
    4.3.4 资源传输  52
  4.4 系统性能分析  52-54
  4.5 模拟实验  54-55
  4.6 本章小结  55-57
第5章 基于SIP的自适应P2P VoIP系统设计与实现  57-73
  5.1 概述  57-58
  5.2 相关工作  58-59
  5.3 NAT简介  59-60
  5.4 本文提出的系统介绍  60-63
  5.5 系统实现  63-64
  5.6 系统实验描述及数据分析  64-71
    5.6.1 实验环境  64-65
    5.6.2 实验一:媒体客户端处于不同的NAT之后  65-67
    5.6.3 实验二:媒体客户端处于同一NAT之后  67-69
    5.6.4 实验三:传输延迟分析  69-71
    5.6.5 实验四:丢包率分析  71
  5.7 本章小结  71-73
第6章 VVoIP上的视频数据传输策略研究  73-85
  6.1 概述  73-74
  6.2 相关研究  74-75
  6.3 概要介绍  75-76
  6.4 详细介绍  76-80
    6.4.1 VVTS算法详细介绍  77-80
    6.4.2 传输策略介绍  80
  6.5 VVTS算法实际应用场景  80-81
  6.6 本章小结  81-85
第7章 系统实现  85-93
  7.1 SIP客户端实现  87-89
    7.1.1 WeeCall用户接口  87
    7.1.2 WeeCall系统架构  87-89
  7.2 系统其它部分实现简介  89-90
    7.2.1 3G部分概要介绍  89
    7.2.2 无线网络实时切换部分概要介绍  89-90
  7.3 系统待解决的问题  90-93
第8章 流媒体应用的结构化P2P演化  93-97
  8.1 VoIP的发展历史  93-94
  8.2 VoIP系统的发展发展方向预测  94-97
第9章 总结与展望  97-101
  9.1 本文的创新及贡献  98-99
  9.2 下一步的研究工作  99-101
参考文献  101-111
致谢  111-113
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  113-114

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 计算机网络 > 一般性问题 > 计算机网络结构与设计
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