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基于P2P和无线实时数据通信的对等网络设计摘要：随着移动通信与计算机网络的融合，在互联网领域飞速发展的P2P技术，进入了人们的视野，基于移动通信网络的P2P流媒体共享系统，就能实现网络中任意用户可以搜索到并且快速共享其所需要的流媒体资源，这对于网络信息交流和高效合理地利用网络资源有着重要的意义。本文提出了一种基于移动通信网络的对等流媒体覆盖网络方案，阐述了对等流媒体覆盖网络的可实现性和有效运行的一些必要条件，最后提出了基于提高服务质量的系统优化思路。关键词：P2P移动流媒体网络构架Anewtypeofreal-timewirelessdatacommunicationsframeworkforpeer-to-peerprogrambasedonP2PtechnologyWangJianLiuYihe（SchoolofComputerandInformationScience,NeijiangNormalUniversity;NeiJiang641112,China）Abstract:Withthemobilecommunicationsandcomputernetworks,theInternet'srapiddevelopmentinthefieldofP2Ptechnology,accesstotheoutlookofpeople,basedonthemobilecommunicationnetworkofP2Pstreamingmediasharingsystem,willbeabletoachieveanynetworkuserstosearchandQuicktosharetheirresourcestotheneedsofstreamingmedia,networkfortheexchangeofinformationandrationalandefficientuseofnetworkresourcesisofimportantsignificance.Inthispaper,anoverlaynetworkschemebasedonmobilenetworkisproposed.WeanalyzethefeasibilityofthistypeofP2Poverlaynetworkandproposesomenecessaryconditionsofthescheme.Abandwidthallocationschedulerisproposedforendpointsinoverlaynetworkinfrastructure.Moreover，asystemoptimizationisalsoproposedtoupgradequalityofservice.Keywords:P2P;mobilestreaming;networkframework进入21世纪，随着互联网的飞速发展，P2P(Peer-to-Peer)技术在互联网中日益重要。在“全球一体”的网络化时代，传统的C/S(Clien/Server)模式己不再足以满足用户对各种信息资源的需求。网络规模的扩大，网络资源的丰富，用户需求的增长，使得网络用户之间的资源共享和信息交流越来越普遍，而流媒体业务，随着宽带接入的普及，逐渐成为网络传输的主流内容为人们所接受。通过实验和数据分析，移动P2P构架是可行的，并且随着无线网络不断升级，其网络性能会大大提升。和固定对等网络一样，多源下载无线移动对等网络的性能远远高于单源网络构架的性能。我们根据现时国内移动互联网构架特点提出一种无线实时数据通信对等网络构架方案。一、基本流媒体网络构架的分析当前，互联网上的流媒体服务越来越普及，而且逐渐成为了互联网上的一个杀手业务。同样，随着移动运营网络的不断升级，从GSM拨号到GPRS(过去)、从EDGE到3G(现在)、从3G到HSDPA(不远的未来)，以手机电视为标杆的流媒体业务正在逐步成为运营商的基础数据业务，并且被广泛认为将会成为3G/B3G时代的一项重要的杀手业务。互联网上的流媒体服务一般分为视频点播(VOD)、视频直播(Livevideo)和视频播客(PodCast)等，其中以前两种类别为主流，而视频播客含义更接近面向业务性范畴。与互联网上的流媒体服务情况雷同，但是手机流媒体服务与互联网上的流媒体服务的不同点在于：l)流媒体格式不同，系统所需带宽要小；2)Qos更难保证；3)单次会话时长比较短。一般手机流媒体服务使用的流媒体编解码是(15fpsQCIF)H.263或者H.264，其传输带宽需求一般小于l00kb/s；而互联网上的流媒体服务所使用的流媒体编解码一般是(30fpsCIF)MPEG-2、MpEG-4或者WMV9等多种类型，其传输带宽需求一般为256kb/s~lmb/s。通常手机流媒体服务器对于出口带宽需求要小于互联网上的流媒体服务器。对等网络构架在无线网络中的可行性结论，我们提出在无线流媒体服务网络中使用类似于互联网中的对等流媒体网络构架。其网络拓扑如图1所示，是一种基于移动运营网络之上的覆盖网(OveriayNetwork)。在这种拓扑结构下，作为流媒体服务器或者内容服务器的S端点只需要服务部分用户，然后实时数据通信便由客户端自主组成的对等网络来完成。这样作为内容源的S端点的服务压力大大降低。但是客户端自主组成的类似于网格结构(MeshNetwork)的对等网络很难具备很高的可量测性和可控制性，这样客户端彼此之间维持Qos的自适应性策略是十分有必要的。图1流媒体对等网络拓扑结构图这种流媒体系统是面向数据传输实时性系统，也就是用户一边下载数据，一边播放。在对等网络流媒体系统中，内容服务器(S端点)拥有完整的媒体文件，它实时地把媒体数据流传输给一部分客户端，然后他们再将这些数据流传输给请求客户端。另外一方面，请求客户端在一个流传输会话(streamingSession)中，存储并且播放流媒体数据，然后在这次流传输会话结束后，这些请求客户端又成为流媒体数据的提供客户端。以图1为例，请求客户端D建立了一个流传输会话，从提供客户端A和H接收并播放流媒体数据；然后，当D接收完这部分媒体数据之后，即当前流传输会话结束，D的角色成为提供客户端，分别与请求客户端C和E建立新的流传输会话，向它们流传输相应的流媒体数据。二、移动流媒体对等网络的内部带宽分配分析移动流媒体对等网络中的每一个节点(客户端)既是请求客户端，同时也是共享客户端。当一个流传输会话结束时，请求客户端的角色也就转换成为共享客户端了。共享客户端在任何一次的流传输会话中只服务一个请求客户端，这样可以维持网格网络结构。在这种构架下，任何一个客户端是否可以得到足够的带宽来播放流媒体数据是我们值得分析的一个问题。1、共享性会话分析首先，我们分析任意一个共享客户端Ui在并行流传输会话的带宽分配情况。图2中描述了一个共享客户端同时和三个请求客户端分别进行流传输会话的情况。图2共享客户端U，在并行流传输会话的带宽分配图在图2的例子中，我们假设每个客户端使用了全部带宽用于上传(共享和下载(请求)数据传输，而且每个客户端的上行带宽和下行带宽相同。如果我们忽略无线网络接入所带来的附加协议开销，那么在一个流传输会话中的两个客户端有着相同的带宽，如方程式（1）所示。其中Bin(i)是指请求客户端在这个流传输会话中所得到的下行带宽，而且在请求客户端中，这个会话是第i个接收数据会话；Bout(j)是指共享客户端在这个流传输会话中所分配的上行带宽，而且在共享客户端中，这个会话是第j个共享数据会话。)()(jBiBoutin（1）njoutoutjBB1)(（2）对于共享客户端而言，其上行带宽为所有用于共享流传输会话的带宽总和，如方程式(2)所示。2、下载性会话分析我们现在分析任意一个请求客户端Di在并行流传输会话的带宽分配情况。例如一个请求客户端同时和四个共享客户端分别进行流传输会话的情况。我们使用和图2一样的假设。这样的话，其流传输会话中的两个客户端也有着相同的带宽，即Bin＝Bout，如方程式(l)所示。对于请求客户端而言，其下行带宽为所有用于下载流传输会话的带宽总和，如方程式(3)所示。miininiBB1)(（3）结合上面的共享性会话分析和下载性会话分析，我们可以直接看出只要流媒体数据所需带宽小于Bout或者Bin，就可以满足任意一个客户端流畅播放该媒体数据了。3、网络实际情况我们来考虑这种对等网络构架是否可以满足实际移动网络中客户端连续播放流媒体数据和这个构架下的系统需要满足的相关条件。研究结果我们得出结论：在无服务器流媒体对等网络构架中，只要流媒体数据所需播放的带宽满足一定的条件，实际移动网络中客户端就完全具备连续播放流媒体数据的能力。针对现实网络环境，我们可以使用在QCIF下基于H.264或者H.263＋＋编码的64kbt/s、15FPs流媒体数据作为这种对等网络系统中的传输媒体。在下面将要阐述的带宽分配策略部分中，我们也会提到一种针对移动运营网络的非典型对等网络构架方式，来提高系统服务质量。三、移动流媒体对等网络构架的设计和优化方案在这种流媒体对等网络中的每一个客户端都包括三个重要的组成部分：(l)组成员管理；(2)会话调度管理；(3)带宽自适应控制。系统中唯一不同的就是角色类似于流媒体服务器的源点(图1中的S端点)。1、移动流媒体对等网络构架的设计每一个端点都有一个唯一标识符(ID)，比如IP地址，而且每个端点都存储和维护一个组成员关系表，这个表是系统中活动的全部端点标识的子集。在基本的端点进入网络系统的算法中，一个即将进入网络系统的端点需要首先连接源点(s端点)，S端点随机从全部活动端点标识列表中选择一个联系端点，并且通知新端点重定向连接至这个联系端点。这个新端点可以从联系端点获得一个候选组成员列表。新端点可以和这些候选成员联系在覆盖网络(Overiay)中建立自己的子网络。由于源端点(S端点)在整个流媒体服务的生命周期中一直公开自己的公网IP地址并且持续向新进入端点提供上述的服务流程，这样新进入端点可以通过源点的重定向服务更加均衡地选择组成员，而且S端点的负载也大大减少了。每个端点会周期性的更新成员列表。列表中每一条信息包括4项:信息序列号(SN)、端点标识符(ID)、组成员个数(NOP)和剩余有效期(TTL)。我们使用可量化Gossip成员关系管理协议(SCAM)在覆盖网端点中传递成员信息来维持对等网络的逻辑构架。当一个端点收到一条具有新序列号的信息时，它会检查整个列表中是否有自己相关信息存在，如果有，则更新其对应的端点标识符(由于IP地址的动态性)；如果没有，则生成相应的信息条目。这个信息条目有五项:信息序列号(SN)、端点标识符(ID)、组成员个数(NOP)、剩余有效期(TTL)和更新时间戳(LUT)。其中前四项是从收到的成员信息中复制出来的，第五项是信息条目更新的本地时间。成员信息传递给其它端点，这样信息在传递中就不停地被相应的端点更新。另外，作为S端点指定的联系端点，它的信息也存在于候选组成员列表中。信息中的剩余有效期是通过端点中的当前本地时间(CLT)更新的(TTL＝CLT一LUT)。如果TTL小于或者等于零时，相应的信息条目会被移除。一个视频流分成了很多等长度的数据片。每个端点使用缓冲数据表(BM)存储每一个数据片的可用性。每一个端点不停地和它的组成员交换其缓冲数据表，然后安排和调度下一个数据片从哪一个组成员中获取。每一个数据片包含一秒钟的视频数据，这样我们使用一个偏移120数据片的滑动窗来表示一个端点的缓冲数据表，这是因为该端点的组员并不需要滑动窗外的数据片。这样，我们使用120个位来记录缓冲数据表，其中“1”代表可用，“0”代表不可用。对于实时通信会话调度管理而言，调度算法可以根据端点及其组成员的缓冲数据表来引导端点从组成员中获取需要的数据片，而一个有效的调度算法需要考虑两个因素:每个数据片的播放有效期；组成员之间变化的通信带宽。如果第一个条件不能够满足的话，即须获取的