計(jì)算機(jī)博士畢業(yè)生開(kāi)題報(bào)告模板
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一、摘要
論文題目 中文 基于Internet的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)
英文 Research and Implementation of Internet-based Peer-to-Peer VoD system
摘 要 對(duì)等網(wǎng)絡(luò)是提供互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)大規(guī)模視頻應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，它成功地克服了傳統(tǒng)客戶機(jī)-服務(wù)器模式所面臨的可擴(kuò)展性問(wèn)題。本文研究對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)流博士開(kāi)題報(bào)告媒體點(diǎn)播系統(tǒng)，在線視頻應(yīng)用分為直播和點(diǎn)播兩種，在直播系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)之間相互共享數(shù)據(jù)的可能性要比點(diǎn)播大得多。由于固有的數(shù)據(jù)分散性，即海量的視頻資源以及節(jié)點(diǎn)之間觀看視頻的進(jìn)度差異很大，在降低服務(wù)器壓力和保證節(jié)點(diǎn)流暢播放方面，點(diǎn)播比直播面臨更大的挑戰(zhàn)。
對(duì)等網(wǎng)絡(luò)流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為兩個(gè)部分，覆蓋網(wǎng)構(gòu)造和流媒體傳輸調(diào)度。其中覆蓋網(wǎng)構(gòu)造關(guān)注系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)如何發(fā)現(xiàn)其它節(jié)點(diǎn)的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)感興趣節(jié)點(diǎn)后將建立一個(gè)獨(dú)立于物理網(wǎng)絡(luò)的邏輯上的覆蓋網(wǎng)(overly network)，這個(gè)覆蓋網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了該節(jié)點(diǎn)的伙伴節(jié)點(diǎn)。流媒體傳輸調(diào)度主要解決節(jié)點(diǎn)如何從其它節(jié)點(diǎn)以及服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)的問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)一方面從伙伴節(jié)點(diǎn)那里獲取數(shù)據(jù)，另一方面為其它伙伴節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)，這些過(guò)程都需要高效的算法和機(jī)制來(lái)完成。本文中提出的覆蓋網(wǎng)構(gòu)造算法以及流媒體調(diào)度算法為點(diǎn)播系統(tǒng)中存在的這些問(wèn)題提供了很好的解決方案。
本文在分析和研究國(guó)內(nèi)外各種基于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)直播和點(diǎn)播系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器的融合，提出了新的高效的點(diǎn)播算法，為了評(píng)價(jià)算法的有效性，文中通過(guò)仿真與其它著名算法進(jìn)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(gòu)建流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)。本文的主要的工作和貢獻(xiàn)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(wù)質(zhì)量的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
2. 流媒體調(diào)度算法，提出了新的節(jié)點(diǎn)選擇算法，通過(guò)引入“優(yōu)先級(jí)”的指標(biāo)來(lái)從節(jié)點(diǎn)服務(wù)方的角度選擇節(jié)點(diǎn)。
3. 覆蓋網(wǎng)構(gòu)造算法，設(shè)計(jì)出新的基于無(wú)結(jié)構(gòu)覆蓋網(wǎng)的構(gòu)造算法，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該方法具有很好的穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性的特征。
4. 大規(guī)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)與部署，參與設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了騰訊公司QQLive點(diǎn)播服務(wù)的原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前運(yùn)行于互聯(lián)網(wǎng)上，擁有百萬(wàn)級(jí)用戶同時(shí)在線的記錄。
本文所做的工作大部分用于實(shí)現(xiàn)QQLive產(chǎn)品點(diǎn)播服務(wù)的原型系統(tǒng)，該原型系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為一個(gè)可以運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)的百萬(wàn)級(jí)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)后期反復(fù)地測(cè)試和改進(jìn)，對(duì)應(yīng)于該原型系統(tǒng)的商業(yè)實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成功地部署在中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)上，為數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的用戶提供視頻點(diǎn)播服務(wù)。
關(guān)鍵詞 中文 對(duì)等網(wǎng)絡(luò);視頻點(diǎn)播;傳輸調(diào)度;覆蓋網(wǎng)
英文 Peer-to-Peer; VoD; streaming scheduling; overly network
二、立題依據(jù)
1、研究意義
2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
3、主要參考文獻(xiàn)及出處
1. 研究意義
目前，CDN和P2P被用于不同的領(lǐng)域，CDN主要用于可靠的Web和流媒體內(nèi)容分發(fā)，而P2P則主要用于內(nèi)容交換。兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。CDN具有可靠服務(wù)質(zhì)量保證、高可用性、可管理性和節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢(shì)，P2P技術(shù)在低成本、高可擴(kuò)展性、系統(tǒng)級(jí)可靠性和支持突發(fā)訪問(wèn)能力方面表現(xiàn)卓越。同時(shí)他們都存在一些問(wèn)題，CDN投資成本高、可擴(kuò)展性差、大文件分發(fā)效率低等，P2P服務(wù)質(zhì)量難以保證、網(wǎng)絡(luò)資源占用量大、存在安全性、版權(quán)問(wèn)題。因此CDN融合P2P存在強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使之優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。隨著以內(nèi)容為核心的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)快速的、有服務(wù)質(zhì)量保證的內(nèi)容分發(fā)成為核心問(wèn)題。特別是隨著網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢(shì)，不同的終端將通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取內(nèi)容和服務(wù)，構(gòu)建一個(gè)IP之上的、應(yīng)用無(wú)關(guān)的內(nèi)容承載平臺(tái)具有重要的意義。
本課題從分析傳統(tǒng)P2P和CDN技術(shù)的特點(diǎn)以及各自的缺陷和不足出發(fā)，基于新興的P2P技術(shù)，研究新型的基于CDN+P2P架構(gòu)的內(nèi)容分發(fā)服務(wù)解決方案，在新的CDN over P2P模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，著力解決大文件下載中源節(jié)點(diǎn)選擇和片段選擇問(wèn)題，在深入分析現(xiàn)有的源節(jié)點(diǎn)選擇和片段選擇算法的基礎(chǔ)上，提出適合本課題特定需求的算法，降低大文件下載的時(shí)延和服務(wù)器的壓力，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同合作加快文件轉(zhuǎn)移至P2P用戶區(qū)進(jìn)一步降低服務(wù)器的壓力，使之分配更多的.資源用于非熱門(mén)節(jié)目的服務(wù)，這樣不僅可以減少節(jié)點(diǎn)從服務(wù)器下載給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的冗余，而且可以避免網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。
2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
本課題研究來(lái)源于本人所在公司/學(xué)校“數(shù)字音像內(nèi)容集成分發(fā)平臺(tái)”。項(xiàng)目針對(duì)基于CDN+P2P的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，擬建立一種全新架構(gòu)的內(nèi)容分發(fā)平臺(tái)。本課題將P2P和CDN技術(shù)進(jìn)行融合，用于媒體內(nèi)容管理和分發(fā)，具有較大的理論創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用意義。目前，國(guó)內(nèi)外在CDN+P2P混合結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)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(guān)成果發(fā)表。在CDN融合P2P方面，文獻(xiàn)[1]中提出一種新的架構(gòu)，通過(guò)消除CDN中心管理服務(wù)器，使之分散在網(wǎng)絡(luò)邊緣形成集群來(lái)完成內(nèi)容分發(fā)，這樣做的缺點(diǎn)在于核心網(wǎng)中流量并未降低，而且由于內(nèi)容定位得到的邊緣服務(wù)器很可能不在本地而降低了內(nèi)容分發(fā)的速度和增加了核心網(wǎng)的負(fù)載。在文獻(xiàn)[2]中，作者主要考慮改造CDN中邊緣服務(wù)器的結(jié)構(gòu)使在其服務(wù)區(qū)內(nèi)形成P2P社區(qū)來(lái)加速流媒體內(nèi)容分發(fā)，這篇文章把分發(fā)化為服務(wù)器和P2P分發(fā)兩個(gè)階段，并在理論上研究了切換的時(shí)機(jī)，具有一定的理論價(jià)值。文獻(xiàn)[3]提出了解決資源replica的算法，通過(guò)在邊緣服務(wù)器之間直接交換文件來(lái)達(dá)到理論上最優(yōu)的資源replica分布。在節(jié)點(diǎn)選擇方面，[4]提出了在P2P文件共享系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題，主要是使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法預(yù)測(cè)和選擇最合適的單源節(jié)點(diǎn)，有一定的理論價(jià)值，不過(guò)當(dāng)下載連接較多時(shí)，這種方法的資源消耗量可能會(huì)比較大。這方面文獻(xiàn)中的方法主要來(lái)源于測(cè)量和離線數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)量的輕量級(jí)的方法比較高效一些，本課題傾向于開(kāi)發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)工具的測(cè)量方法來(lái)感知節(jié)點(diǎn)之間的距離，另外因?yàn)樾枰Y(jié)合CDN+P2P混合結(jié)構(gòu)來(lái)做節(jié)點(diǎn)選擇，傳統(tǒng)的拓?fù)涓兄?jié)點(diǎn)選擇方法還需進(jìn)一步改進(jìn)以適應(yīng)本課題要求。節(jié)點(diǎn)選擇和片段選擇是內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性問(wèn)題，因此，本課題的研究對(duì)于正在飛速發(fā)展的大規(guī)模海量媒體內(nèi)容分發(fā)技術(shù)具有較大的指導(dǎo)意義和實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。
3. 主要參考文獻(xiàn)及出處
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三、研究方案及工作基礎(chǔ)
1、研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題
2、擬采取的研究方法及技術(shù)路線
3、研究工作基礎(chǔ)
1. 研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題
CDN和P2P是目前兩種實(shí)現(xiàn)大規(guī)模內(nèi)容分發(fā)的方法，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，CDN主要用于流媒體分發(fā)(直播、點(diǎn)播)和web cache, P2P主要用于P2P流媒體(直播)和文件交換，在計(jì)算模型上CDN屬于分布式C/S模型，P2P則是分布式對(duì)等計(jì)算，因此他們?cè)谟?jì)算模型上有很強(qiáng)的互補(bǔ)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(nèi)容承載網(wǎng)絡(luò)中特定網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的分發(fā)方式，第二種是P2P over CDN，其使用P2P作為CDN骨干網(wǎng)中內(nèi)容分發(fā)的方法，消除中央管理服務(wù)器群。我們認(rèn)為前者很好的解決了可管理性和擴(kuò)展性的問(wèn)題，后者存在增加運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)負(fù)載的問(wèn)題，因此本課題著眼于CDN融合P2P網(wǎng)絡(luò)的“最后一跳”，主要關(guān)注如何選擇源節(jié)點(diǎn)和選擇下載片段的問(wèn)題。近年來(lái)P2P領(lǐng)域吸引了大批的研究者關(guān)注，設(shè)計(jì)了大量高效實(shí)用的P2P系統(tǒng)，代表性的系統(tǒng)有基于目錄式查找服務(wù)的Napster和基于無(wú)結(jié)構(gòu)拓?fù)浞汉椴檎曳⻊?wù)的Gnutella以及基于分布式哈希表定位的CAN、Chord、Pastry和Tapestry系統(tǒng)。在本課題中為了可管理和監(jiān)控的要求，我們采用類似于Napster目錄式的服務(wù)為下載peer提供網(wǎng)絡(luò)的全局信息和共享目錄等。我們假設(shè)存在目錄服務(wù)器和CDN邊緣分發(fā)服務(wù)器的情況下，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域內(nèi)，P2SP2P(Peer-to-Server-Peer-to-Peer)方式下載大文件時(shí)所要考慮的源節(jié)點(diǎn)選擇和片段選擇問(wèn)題，旨在開(kāi)發(fā)高效的算法降低下載時(shí)延和服務(wù)器的負(fù)載，并能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化�？杉�(xì)分為以下問(wèn)題或方面。
1. 多源下載時(shí)并行下載的問(wèn)題，包括選擇源節(jié)點(diǎn)避免在物理網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵路徑上發(fā)生擁塞。
2. 動(dòng)態(tài)性的問(wèn)題，選擇算法要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)地改變，這其中存在一個(gè)有效地收集網(wǎng)絡(luò)信息的問(wèn)題，目前大多是建立目錄服務(wù)以記錄本地網(wǎng)絡(luò)的全局信息。
3. 節(jié)點(diǎn)感知拓?fù)涞膯?wèn)題，通過(guò)感知可以獲得peer物理上分布的信息進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)選擇的有效性，避免邏輯上相鄰，物理上相去甚遠(yuǎn)的情況。
4. 選片算法是兩個(gè)問(wèn)題的根本，從一定意義上決定了節(jié)點(diǎn)選擇算法，因?yàn)榉职l(fā)的內(nèi)容分片是最終下載的目標(biāo)，根據(jù)分片和節(jié)點(diǎn)的矩陣信息(哪些節(jié)點(diǎn)擁有哪些片段)以及估計(jì)的節(jié)點(diǎn)物理分布選擇節(jié)點(diǎn)下載相應(yīng)的片段。
5. 多源協(xié)同提供服務(wù)的問(wèn)題，傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)下載算法中節(jié)點(diǎn)之間往往各自為政，獨(dú)立選擇最優(yōu)的策略，這往往對(duì)于網(wǎng)絡(luò)整體或者單個(gè)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)遠(yuǎn)的下載是不利的，因此我們考慮使多個(gè)服務(wù)源協(xié)同配合提供服務(wù)。
6. 為了進(jìn)一步加速內(nèi)容分發(fā)，我們考慮多個(gè)client peer協(xié)同從server peer下載的問(wèn)題，也就是多個(gè)peer協(xié)同下載特定的片段，然后與周?chē)鷓eer分享，避免了peer多次去服務(wù)器下載同一片段的情況，這樣可以加速內(nèi)容轉(zhuǎn)移至P2P社區(qū)，減輕server不必要的服務(wù)，更有效地使用client端的資源包括計(jì)算資源和帶寬資源。
7. 節(jié)點(diǎn)在下載過(guò)程中如有時(shí)間限制，可邀請(qǐng)鄰居節(jié)點(diǎn)幫助下載的問(wèn)題。
8. 各個(gè)peer節(jié)點(diǎn)是需要怎樣的cache策略以提高可靠性和服務(wù)質(zhì)量。
以上小問(wèn)題是相互關(guān)聯(lián)，有內(nèi)在聯(lián)系的，因此在最終設(shè)計(jì)選片算法的過(guò)程中要權(quán)衡各個(gè)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出有效的節(jié)點(diǎn)選擇和選片算法。
2. 擬采取的研究方法及技術(shù)路線
主要技術(shù)路線在于改造CDN網(wǎng)絡(luò)邊緣原有的結(jié)構(gòu)，引入P2P社區(qū)，提供高效的節(jié)點(diǎn)選擇和片段選擇算法，加速在用戶區(qū)的媒體內(nèi)容分發(fā)，提高邊緣服務(wù)的同時(shí)減輕了對(duì)邊緣服務(wù)器的壓力而且減少不同域之間通過(guò)核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量。主要包括一下幾個(gè)方面：
1. 建立兩級(jí)的結(jié)構(gòu)，第一級(jí)保持CDN的中央管理體系不變，內(nèi)容路由算法可能會(huì)做修改。
2. 在CDN內(nèi)容承載網(wǎng)絡(luò)的邊緣融入P2P社區(qū)，好處是避免了在傳統(tǒng)P2P文件共享系統(tǒng)中存在的Peer之間物理網(wǎng)絡(luò)距離過(guò)大，跨不同ISP，跨不同地域等降低效率的問(wèn)題，另一方面，在CDN體系下減輕了邊緣服務(wù)器的壓力使之把更多的服務(wù)時(shí)間分配給非熱門(mén)節(jié)目和內(nèi)容，以加速內(nèi)容分發(fā)，提高可靠性和應(yīng)對(duì)突發(fā)流量的能力并保證服務(wù)質(zhì)量。
3. 在傳統(tǒng)的拓?fù)涓兄惴ɑA(chǔ)上研制更高效輕量級(jí)的感知算法。
4. 利用博弈論的研究成果設(shè)計(jì)協(xié)同機(jī)制，加速文件轉(zhuǎn)移至P2P用戶區(qū)。
5. 研究和設(shè)計(jì)高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于記錄動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)狀況和節(jié)點(diǎn)文件片段信息，減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源使用。
6. 比較分布式?jīng)Q策和集中式?jīng)Q策的優(yōu)缺點(diǎn)，合理選用適合本課題的算法決策方案。
3. 研究工作基礎(chǔ)
本課題依托本人所在公司/學(xué)校“數(shù)字音像內(nèi)容集成分發(fā)平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)一整套實(shí)際系統(tǒng)和測(cè)試仿真環(huán)境，在此基礎(chǔ)上，深入對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型的仿真和實(shí)際的測(cè)試。
算法評(píng)價(jià)一方面通過(guò)仿真模型驗(yàn)證，另一方面在已開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，不斷測(cè)試和迭代改進(jìn)，提高性能及服務(wù)質(zhì)量。
四、論文工作計(jì)劃及預(yù)期成果
論文工作進(jìn)度安排
博士開(kāi)題報(bào)告起止時(shí)間 工作內(nèi)容 備注
2xx-12至2xx-1 深入調(diào)研現(xiàn)有的算法
2xx-2至2xx-7 建立模型研究節(jié)點(diǎn)選擇算法和片段選擇算法
2xx-8至2xx-10
實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)
2xx-11至2xx-12 評(píng)價(jià)算法
22xx-12至2xx-2 撰寫(xiě)論文
預(yù)期成果
預(yù)期成果將表現(xiàn)為相關(guān)算法的論文和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件。
五、開(kāi)題報(bào)告作者承諾及導(dǎo)師意見(jiàn)
我保證上述填報(bào)內(nèi)容的真實(shí)性，并將在導(dǎo)師指導(dǎo)下，嚴(yán)格遵守學(xué)校的有關(guān)規(guī)定，按計(jì)劃認(rèn)真開(kāi)展碩士學(xué)位論文研究工作。
研究生(簽名)：
年 月 日
我已審閱過(guò)開(kāi)題報(bào)告的全部?jī)?nèi)容，同意舉行開(kāi)題報(bào)告會(huì)。
指導(dǎo)教師(簽名)：
年 月 日
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