基于P2P流媒体服务平台的设计与实现

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3.0 范春蓉 2024-09-25 10 4 14.78MB 58 页 15积分

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大连理工大学专业学位硕士学位论文

摘要

P2P(Peer To Peer，对等网络)是指分布式系统中的各个节点是逻辑对等的。与传

统 C/S 架构模型相比，P2P 架构模型不再区分服务器、客户端，系统中的各节点之间可

以进行直接的数据通讯，不再需要或很少需要服务器节点中转。采用此种架构后，每个

节点既可以是服务的使用者，也可以是服务的提供者，这样就能充分利用各终端设备

的处理能力，使低成本分布式服务成为可能。同时 P2P 网络中各节点的自治性、跨平台、

统一的服务以及访问接口，使得 P2P 模式可以在较传统模式更为广阔的范围内得到应

用。目前此种技术已成为互联网应用研究的热点，并且正应用于互联网的多个方面。

在视频流媒体系统中采用 P2P 技术，可以充分利用客户端计算机空闲能力、客户端

计算机的出口带宽资源，将原有集中于服务器的流媒体服务分散到各个客户端，降低

服务器出口带宽资源、服务器自身性能的限制，使在原有资源基础上为更多的用户提供

服务成为可能，使在原有资源基础上提高应用服务质量成为可能，使在保证现有服务

质量的同时降低系统成本成为可能，这样就大大拓展了网络视频业务的应用范围。

本文对 P2P 模式流媒体系统中若干关键技术展开了研究，并通过课题项目 P2P 多

媒体平台开发，提出了若干技术理论方法，具体如下：

对流媒体和 P2P 流媒体进行概述，针对 P2P 流媒体的关键技术：媒体数据压缩技

术、应用层组播技术、应用层的 QoS 控制、流媒体传输协议、媒体同步技术进行深入研究。

对 P2P 流媒体服务模型进行研究后，按照本课题的模型出发，选择了 P2P 服务原

形，研究了 SSALMP 协议中创建组、加入组、离开组和节点失效处理的过程。同时分析对

比了 IP 多播拥塞控制模型和应用层多播拥塞控制模型，在面向流媒体应用的现实条件

下，提出了一个基于速率的逐跳拥塞控制方案。

研究了 P2P 流媒体软件的体系结构，按照分模块设计的思想，利用 JMF 开发工具

进行详细深入软件实现。最后是对系统进行测试。主要从两个方面，一是系统的功能性

测试，二是对系统中实现的基于流媒体应用的拥塞控制的测试入手。从系统测试环境的

搭建到功能性能的测试，表明本文所设计 P2P 流媒体服务平台能够满足系统运行性能

的要求。

关键词：流媒体; P2P; 组播; JMF

- I -

基于 P2P 流媒体服务平台的设计与实现

The Format Criterion of Master’s Degree Paper of DUT

Abstract

P2P(Peer To Peer) means each pitch point in the distributional system is logically

coordinated. Unlike C/S(client/Server) model, the P2P model no longer distinguishes server

from client, and each pitch point in the system can carry on the data communication directly,

instead of through the middle server, whose essence lies in full uses of the terminal device’s

handling ability. Each pitch point in the system is not only the provider of the service but also

the consumer of the service. There are several factors which made P2P so popular: cheap

computing power, big storage capacities, and network load distribution.

Combination of the techniques will use benefits of patching techniques and p2p

concepts. In such system, every arrived client not only consumes resources, but makes his

contribution, in sense of the staring stream received video. When the arrive rate of the clients

is high ,there are more clients that contribute to resources, which in turn increases the overall

capability of the system and therefore the number of clients that can be served.

This dissertation studies the key technologies of P2P stream media and develops the P2P

stream media, puts forward some technologies means:

Summarizes the technologies of P2P and stream media, aims at the key technologies of

P2P stream media: media data compress technology，application layer multicast technology,

application layer Qos Control，stream media transition protocol and media synchronization

technology in deeply.

Study the P2P stream media model and following this model, choose the P2P original

shape of P2P, study the creating group, join group, leave group and invalidation process of

node of SSALMP protocol. And comparing the IP multicast congestion control and

application layer multicast congestion control, this paper puts forward hop-by-hop congestion

control schema in oriental stream media.

Study the P2P stream media software architecture, codes the software using JMF develop

tools based on model design minds. At last, it tests the whole system including two aspects:

function test and hop-by-hop congestion control test. From the tests, it indicates that the

application layer multicast system can meet the requirements of multicast system.

Key Word: stream media; P2P; Multicast; JMF

- II -

大连理工大学专业学位硕士学位论文
目    录
摘    要.........................................................................................................................................I
Abstract......................................................................................................................................II
1绪论..........................................................................................................................................1
1 课题研究背景...............................................................................................................1
2 国内外研究现状...........................................................................................................2
3 本文的研究内容...........................................................................................................3
P2P 模式流媒体技术概述......................................................................................................4
1 流媒体介绍...................................................................................................................4
2 P2P 流媒体...................................................................................................................5
3 P2P 流媒体技术...........................................................................................................6
3.1 媒体数据压缩技术............................................................................................7
3.2 应用层组播技术................................................................................................8
3.3 应用层 QoS 控制...............................................................................................8
3.4 流媒体传输协议及媒体同步..........................................................................11
4 本章小结.....................................................................................................................13
P2P 流媒体服务模型分析....................................................................................................15
1 P2P 流媒体服务模型概述.........................................................................................15
2 应用层组播协议的选择.............................................................................................15
3 组播原型系统的实现.................................................................................................16
4 单源流媒体组播协议内容.........................................................................................16
4.1 创建组播组......................................................................................................16
4.2 加入组播组......................................................................................................16
4.3 离开组播组......................................................................................................18
4.4 节点失效的处理..............................................................................................19
5 网络拥塞控制.............................................................................................................20
5.1 应用层组播拥塞控制模型..............................................................................20
5.2 面向流媒体的应用层组播逐跳拥塞控制......................................................21
5.3 面向流媒体的逐跳拥塞控制方案..................................................................21
5.4 基于速率的逐跳拥塞控制算法......................................................................22
6 应用层组播协议的实现.............................................................................................24
6.1 组播服务层的结构..........................................................................................24
6.2 Free pastry 模块...............................................................................................25
6.3 组播树管理模块..............................................................................................26
- III -

基于 P2P 流媒体服务平台的设计与实现
6.4 报文处理模块..................................................................................................27
6.5 报文的接收与发送..........................................................................................28
7 本章小结.....................................................................................................................29
P2P 流媒体服务平台的设计................................................................................................30
1 系统结构设计.............................................................................................................30
2 客户端结构.................................................................................................................31
3 服务器端介绍.............................................................................................................32
4 本章小结.....................................................................................................................33
P2P 流媒体平台的关键技术实现........................................................................................34
1 多媒体服务平台结构.................................................................................................34
2 流媒体数据处理模块.................................................................................................35
2.1 流媒体数据处理模块结构..............................................................................35
2.2 媒体编码转换..................................................................................................37
2.3 流媒体发送与接收的实现..............................................................................38
3 用户信息管理模块.....................................................................................................41
4 基于速率的逐跳拥塞控制机制实现.........................................................................42
5 媒体数据传输与控制报文传输.................................................................................46
6系统测试与性能评价............................................................................................................47
1 运行环境的建立.........................................................................................................47
2 系统功能测试.............................................................................................................48
2.1 功能测试流程..................................................................................................48
2.2 建立组播组......................................................................................................49
2.2 加入组播组......................................................................................................50
2.3 退出组播组......................................................................................................51
3 拥塞性能测试.............................................................................................................51
3.1 拥塞控制测试目标..........................................................................................51
3.2 测试环境配置..................................................................................................51
3.3 测试内容..........................................................................................................53
3.4 测试结论..........................................................................................................54
4 本章小结.....................................................................................................................54
总结与展望............................................................................................................................55
1 全文总结.....................................................................................................................55
2 课题展望.....................................................................................................................55
参考文献...................................................................................................................................57
攻读硕士学位期间发表学术论文情况...................................................................................59
- IV -

大连理工大学专业学位硕士学位论文

致谢.......................................................................................................................................60

大连理工大学学位论文版权使用授权书...............................................................................61

- V -

大连理工大学硕士研究生学位论文

1 绪论

1.1 课题研究背景

随着互联网的普及，利用网络传输声音与视频信号的需求也越来越大。广播电视等

媒体上网后，也都希望通过互联网来发布自己的音视频节目。但是，音视频在存贮时文

件的体积一般都十分庞大。在网络带宽还很有限的情况下，花几十分钟甚至更长的时间

等待一个音视频文件的传输，不能不说是一件让人头疼的事。流媒体技术的出现，在一

定程度上使互联网传输音视频难的局面得到改善。

目前的视频流媒体系统如：Windows Media Server, Helix Server 等都采用由中

心服务器群直接为终端宽带用户提供流媒体服务，它们是基于客户机 /服务器(C/S，Cl

ient/Server)模式的流媒体系统。而C/S 模式的系统以服务器为中心，由服务器统筹控

制信息的流向，提供服务和资源，这种模式在过去很长一段时间内很好地解决了互联

网上的有效信息共享的问题，但也存在服务器负载过重，信息数据流向过于依赖于服

务器的问题，由于互联网用户的数量猛增，服务器己经越来越明显地成为网络的瓶颈。

同时一个可靠的服务器，无论从硬件和软件的角度讲都是相当昂贵的，这也增加了互

联网上资源的成本。此外，C/S 模式的覆盖面窄，即使在搜索引擎的帮助下也很难达到

网络的边缘。

与传统 C/S 模式流媒体系统相比较，基于点对点(P2P, Peer-to-Peer)技术的流媒

体系统可有效解决上面问题。C/S 模式流媒体系统只使用服务器的资源为用户提供服务，

因此，其质量和容量受到服务器设备性能和服务端网络资源的限制。基于 P2P 技术的流

媒体系统，其服务器资源和用户计算机资源能同时合理使用，用户在享受流媒体节目

的同时，也在利用自身计算机的空闲资源为其他用户提供服务，整个流媒体系统的资

源不仅是服务器资源，还包括各用户计算机的空闲资源。因此，使用 P2P 技术，使流媒

体系统提供高质量和大容量的流媒体服务能力成为可能。

基于 P2P 技术的流媒体系统，目前其基础理论研究较多，其中 P2P 技术已比较成

熟，出现了很多免费 P2P 系统，如以文件下载为主的免费 P2P 下载，以内容交换为主

的免费 P2P 直播，但在商业应用领域，根据中国电信互联星空、中国网通天天在线的视

频运营服务数据显示，目前在国内使用的主要是基于 C/S 模式的流媒体商业应用服务

系统，还未出现基于 P2P 技术的大型流媒体收费应用服务系统。

把P2P 引入流媒体服务，将打破传统的客户/服务器模式，使服务分散化，从而减

轻服务器负载并支持更大范围流媒体的发布，有着极为美好的应用前景。流媒体业务是

最适合与 P2P 技术相结合的领域，合法的媒体版权+流媒体业务平台+P2P 方式无限的带

宽延伸可以组合出全新的业务模式。研究基于 P2P 技术的流媒体服务平台设计，对拓展

宽带网络增值业务可以大大减少了流媒体服务提供商的网络及服务器硬件投资，降低

了业务进入的门槛。在对现有流媒体平台不做大的变动情况下，极大地提高了服务用户

数量，甚至当有大量用户接入时成为平台优势。有效提升宽带网络了利用率。从长远看

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大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要P2P(PeerToPeer，对等网络)是指分布式系统中的各个节点是逻辑对等的。与传统C/S架构模型相比，P2P架构模型不再区分服务器、客户端，系统中的各节点之间可以进行直接的数据通讯，不再需要或很少需要服务器节点中转。采用此种架构后，每个节点既可以是服务的使用者，也可以是服务的提供者，这样就能充分利用各终端设备的处理能力，使低成本分布式服务成为可能。同时P2P网络中各节点的自治性、跨平台、统一的服务以及访问接口，使得P2P模式可以在较传统模式更为广阔的范围内得到应用。目前此种技术已成为互联网应用研究的热点，并且正应用于互联网的多个方面。在视频流媒体系统中采...

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