网络友好的P2P应用及其性能优化的研究

P2P (Peer-to-Peer)技术和应用是目前Internet的一个研究热点。从理论上来讲,P2P技术几乎可以实现现存的所有Internet业务,包括文件共享业务、IPTV视频流媒体业务、目录服务、网格计算、WEB服务和网络游戏等等。与传统的基于客户端/服务器(C/S)架构的Internet应用(简称传统Internet业务)相比较,P2P业务挖掘了PC终端的空闲的强大计算能力、本地存储资源以及网络带宽资源,采用了应用层的拓扑管理、快速的节点查找服务、多点同时下载和上传的快速传输机制,能够为客户提供更便捷、更快速的服务。但同时大大增加了网络流量,抢占瓶颈链路的大部分带宽,从而导致网络服务提供商(ISP)网络(尤其是接入网)性能下降,发生拥塞。当前业界研究者寻求P2P流量和互联网络以及传统Internet流量友好相容的解决方案,期望实现P2P流量的优化管理。本文首先归纳阐述了当前的友好P2P解决方案。其次,针对P2P文件共享业务和视频流媒体业务,通过对P2P系统的改进,在提高其服务性能的同时,使其更好地融合到Internet网络和传统应用中。本文具体工作包括以下几个方面： (1)首先,根据P2P技术的特性,提出一种P2P流量和传统Internet业务流量的集成模型。通过这一模型来量化分析P2P业务流对传统Internet业务流的影响。量化的结果将为网络运营商进行P2P流量控制、优化网络瓶颈点P2P连接数提供依据,为P2P应用软件调整其与对等节点之间的连接数提供参考,以优化和控制P2P流量并使其更好地融合到Internet网络和传统的Internet应用中。 (2)其次,针对P2P文件共享业务,基于上述的量化集成模型的分析结论,提出一种新的友好P2P系统。通过友好的应用层的拥塞检测和避免算法,在提高网络利用率的同时,可以保持网络资源分配的公平性。友好P2P系统从P2P终端的角度出发,在文件传输过程中,通过P2P连接的吞吐量测量来感知当前网络状况：当探测到网络空闲时,其尽可能利用网络带宽资源,以达到吞吐量的最大化；当感知到网络拥塞时,通过优化和调整P2P连接数来控制P2P流量对网络和其他互联网业务的影响。实验床测试和NS2仿真结果验证了友好P2P系统的有效性。 (3)再次,针对P2P IPTV直播业务,通过测量和分析了PPlive直播系统的Bootstrap过程,明确指出当前系统中频道切换的问题所在,进一步对现存的频道切换问题进行数学建模。在此基础之上,提出一个简单有效的分布式频道切换算法OAZE,显著地减小了频道切换时延,从而提高业务服务质量。仿真结果验证了该算法的有效性。我们进一步将分布式频道切换算法OAZE与基于自治域偏好系统的Gossip网络拓扑管理机制相结合,进行了更为深入地仿真验证。仿真结果表明,在基于自治域偏好系统的配合下,使得OAZE算法的效用得以充分发挥,在改善频道切换业务性能的同时,实现了P2P直播流媒体系统的网络友好性。 (4)最后,针对新兴的P2P时移电视业务,本文提出一个区间图网络模型。该区间图模型有效地刻画出P2P视频点播业务和P2P时移电视的业务特性以及其用户的行为特性。并通过PeerSim实现了基于区间图模型的P2P时移电视系统PACUS。根据区间图现有的定理和算法,PACUS可以大幅度改善Tracker服务器的有效性和扩展性,以及实现对等节点间的有效数据查询。最后,仿真实验表明PACUS的可行性和有效性,且通过对Tracker服务器的简单的网络友好机制的实现,可改善P2P时移电视业务性能及减轻对ISP网络的影响。