CN101645805B - 一种基于ns2的p2p流媒体系统仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于通用网络仿真器NS2的P2P流媒体仿真平台。其平台框架主体自底向上依次包括：NS2基础层、覆盖网适配层、数据调度适配层、播放器适配层和节点应用层，其NS2基础层的接口包括：节点网络层接口Node、节点传输层接口Agent和节点应用基础层接口Application，另外，本发明的平台还包括有：分组头信息域接口NovaPacket、多线程仿真接口Timer、事件记录器接口Log、覆盖网协议仿真接口OverlayAdapter、数据调度策略接口DataScheduler、播放器数据交互接口PlayAdapter和节点应用接口PeerApp等。由此，本发明针对流媒体系统的功能特点提出五层的设计框架，每层对应系统的一个功能模块，同时针对每个模块提出了接口规范，用户只要实现所有接口后就可在该平台上进行仿真，提高了仿真效率。

Description

一种基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台

技术领域

本发明涉及一种计算机网络流媒体技术领域，更具体地，涉及一种基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台的设计。

背景技术

随着互联网的发展和宽带应用的普及，流媒体业务正在成为网络应用的热点。P2P模式流媒体系统相对于传统客户端/服务器模式的流媒体系统由于具有可扩展性高、鲁棒性强、易于实现负载均衡等特点而得到广泛应用。在P2P流媒体系统中每个节点在接收数据的同时也向其它节点提供数据，有效降低了视频服务器的压力，避免了传统模式中服务器单点失效和系统瓶颈的问题。

另一方面，通常需要对P2P流媒体系统性能进行测试以验证系统的可扩展性和可靠性，同时对系统设计进行改进，优化性能参数。常用性能指标包括流媒体服务器压力、系统网络资源利用率、节目播放连续性、系统控制开销、网络传输端到端延迟、系统播放延迟以及各节点数据流量状况和系统吞吐量等。上述性能指标的测试一般需要对系统中所有节点的运行情况进行实时监控，通过对监控数据的统计获得测试结果。但是由于P2P系统的开放性和分布性，系统中大量节点会动态加入离开系统并引起系统逻辑拓扑的动态变化，导致节点跟踪困难；同时由于节点在存储能力、计算能力和带宽能力上的异构性，较难在多种网络条件下对系统进行测试，如测试系统在节点带宽充裕和节点带宽受限时的工作性能。因此要在实际网络环境下对系统进行测试是比较困难的，在这种情况下网络仿真就成为有效的解决手段。

网络仿真器一般可分为专用仿真器和通用仿真器两种：专用仿真器是针对特定网络协议开发的，如Chord Sim、CAN Sim、Gnutella Sim等，由于它们是仿真特定协议因而通用性较差。通用仿真器一般提供了丰富的网络仿真模型库和高级语言编程接口，具有较好的灵活性和方便性，目前主流的有NS2、OPNET等，其中由美国DARPA支持开发的多协议网络模拟软件NS2作为开源的通用网络仿真器在实际工作中得到了广泛应用。

NS2可以仿真五层网络模型中的任意一层，同时还支持节点动态加入退出和节点异构性的仿真。NS2对网络中的一些通用实体如链路、分组、节点等进行了建模，可以提供详细的底层网络特征，能够真实反映底层网络特性对上层应用的影响。它采用分裂对象模型，每个网络实体同时使用Otcl(Object Tool Command Language)与C++编写。其中Otcl用于模拟行为的解释执行和模拟环境的配置，如设置多种网络情景和配置网络物理拓扑；C++则用于实现实体功能。但由于NS2人机界面不友好，在仿真复杂网络情景时要进行大量脚本配置，使初学者难以快速学习掌握；另外该软件非专用P2P仿真软件，对P2P系统仿真支持不足。

因此人们开始在通用仿真器基础上进行二次开发以仿真各类P2P系统，比较典型的有GnuSim、NDP2Psim等。它们一般将P2P系统中的公共功能(如文件存储与查找等)抽取成模块，提供接口给用户使用。但是这些接口多是针对P2P文件共享或简单应用层组播开发的，对于各类复杂P2P流媒体系统的仿真并没有提出统一框架和明确的功能层次抽象，用户仍然需要根据仿真对象实际情况进行大量二次开发。

发明内容

基于上述情况，本发明的目的在于提供一种基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台，即基于通用网络仿真器NS2的适用于P2P流媒体系统特点的仿真平台——NovaP2PSim，该平台提供了进行流媒体仿真的框架，概括抽象了流媒体系统的功能层次，并针对每个层次提供了接口规范。

由此，本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台采用如下的技术方案：

1)本发明的平台设计框架

NovaP2PSim主体自底向上分为五层，底层为NS2基础层，采用NS2原有组件，包括链路、节点、计时器等。上层根据P2P流媒体系统特点抽象出了四个层次：覆盖网适配层、数据调度适配层、播放器适配层、节点应用层。每层的功能分别为：

NS2基础层，采用NS2原有组件，包括链路、节点以及计时器，所述链路组件用于模拟连接网络节点的传输介质，其特性包括：带宽、时延、丢包、发送接收队列等，所述节点组件用于模拟网络拓扑中的每个节点，具有判断网络分组的目标地址和目标端口的功能，所述计时器组件用于仿真多线程功能的实现；

覆盖网适配层，表示流媒体系统的应用层覆盖网协议拓扑，是单树拓扑、多树拓扑或网状拓扑，用于模拟流媒体系统覆盖网的运行情况，所述覆盖网是系统中节点在通信时建立的逻辑拓扑，该覆盖网的一个顶点代表一个用户节点，该覆盖网两个顶点间的连线代表两个用户节点之间的一次通信；

数据调度适配层，表示节点间数据调度策略，是推模式、拉模式或数据驱动模式，用于模拟流媒体系统采取的数据调度方法，所述数据调度是指如何向邻居节点请求自己没有的数据，以及如何向邻居节点提供自己有的数据；

播放器适配层，表示播放缓冲区与媒体播放器的交互过程，用于模拟流媒体系统客户端将收到的媒体数据发送给播放器的过程；

节点应用层，表示平台与用户间的接口，用户通过该层接口启动仿真过程，用于对平台进行初始化，启动仿真平台的运行。

另外，本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台的系统中还包括多线程仿真模块、数据采集模块、分组头信息域模块等辅助模块。

其中，多线程仿真模块实现流媒体系统中多线程的工作机制。由于NS2并不支持实际的多线程操作，因此通过本模块模拟实际系统中的多线程操作。凡是实际系统中涉及多线程操作的时候都用本模块进行替换。

数据采集模块负责记录系统在仿真过程中发生的事件并记录相关数据到日志文件。相当于记录在整个仿真过程中系统发生的所有行为。

分组头信息域模块实现向NS2中添加新协议分组头的功能。NS2中有很多已经定义好的分组头，如IP包头、UDP包头、RTP包头等。当流媒体系统中要用到新的数据包类型时，利用此模块向NS2中添加。

2)本发明的平台接口规范

本发明的仿真平台用到的NS2基础层类主要有：节点网络层接口Node、节点传输层接口Agent和节点应用基础层接口Application。节点网络层接口Node实现IP协议，负责把分组路由到合适节点；节点传输层接口Agent实现TCP/UDP协议，负责在适当端口发送接收分组；节点应用基础层接口Application为应用层程序的基类，提供了应用层程序一些行为的基本原型，如send()、recv()等。

另外，本发明的仿真平台还包括有：分组头信息域接口NovaPacket、多线程仿真接口Timer、事件记录器接口Log、覆盖网协议仿真接口OverlayAdapter、数据调度策略接口DataScheduler、播放器数据交互接口PlayAdapter和节点应用接口PeerApp等，各接口的主要功能为：

分组头信息域接口NovaPacket：负责分组头信息域模块的实现，在NS2中分组是对象间交互的基本单元，若要仿真新的协议需要定义协议自己的分组头，以保证不会与已有的分组头发生冲突。因此本平台提供统一分组头信息域接口NovaPacket，用户实现此接口并把该域按照NS2规范要求加入到定义好的分组头中就可在NS2中激活并使用相应类型的分组头。

多线程仿真接口Timer：负责多线程仿真模块的实现，它继承自NS2提供的TimerHandler类。由于NS2采用离散事件驱动模型在仿真中不支持多线程，而一般的P2P流媒体系统中都会涉及多线程问题，比如节点的一个线程负责循环发送接收数据，另一个线程负责循环处理数据。通过分析每个线程的工作过程，发现P2P流媒体系统中的每个工作线程一般都是在循环执行相同的处理过程，如对每个收到的媒体数据包进行解析。在NS2中，每当定时器超时后事件调度器都会调用定时器的Handle函数处理超时事件，因此Timer类的设计思想就是把线程函数作为定时器的超时事件，事件处理完后重新设定定时器超时时间就可实现仿真多线程工作机制。

事件记录器接口Log：负责数据采集模块的实现，记录系统在仿真过程中发生的事件生成Log文件。通过分析Log文件即可定量分析仿真对象的系统性能。

覆盖网协议仿真接口OverlayAdapter：负责实现覆盖网适配层功能，它抽象出各类P2P覆盖网协议的公共功能接口。用户只需要把仿真对象的覆盖网协议根据接口标准进行实现，就可把要仿真的协议注册到平台上。

数据调度策略接口DataSchedulerAdapter：负责数据调度适配层的实现。它对常用数据调度策略的公共功能进行抽取，包括向邻居节点发送数据可用性信息、向邻居节点分配数据请求量、数据包超时重传机制等。

播放器数据交互接口PlayAdapter：负责播放器适配层的实现。它仿真数据缓冲区向播放器发送数据包的过程。

节点应用接口PeerApp：负责实现节点应用层，定义仿真节点在开始仿真后采取的动作以及收到媒体数据后的处理过程。

由此，本发明的有益效果在于：利用本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台，用户只要按照接口规范把各类P2P流媒体系统移植到该平台上就可进行仿真实验，不再需要了解NS2原理细节和进行复杂配置，从而大大提高了仿真效率。

附图说明

图1为本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台的总体设计体系结构图。

图2为本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台的详细设计类关系图。

图3为本发明具体实施方式的Transit-Stub结构物理网络拓扑图示例。

图4是利用本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台仿真得到的媒体服务器压力对比图

具体实施方式

下面参照附图对本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台进行详细说明。

图1为本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台的总体设计体系结构图。如图1所示，本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台主体结构模块包括NS2基础层、覆盖网适配层、数据调度适配层、播放器适配层以及节点应用层。另外，还包括多线程仿真模块、数据采集模块、分组头信息域模块等辅助模块。

其中，多线程仿真模块实现流媒体系统中多线程的工作机制。由于NS2并不支持实际的多线程操作，因此通过本模块模拟实际系统中的多线程操作。凡是实际系统中涉及多线程操作的时候都用本模块进行替换。

数据采集模块负责记录系统在仿真过程中发生的事件并记录相关数据到日志文件。相当于记录在整个仿真过程中系统发生的所有行为。

分组头信息域模块实现向NS2中添加新协议分组头的功能。NS2中有很多已经定义好的分组头，如IP包头、UDP包头、RTP包头等。当流媒体系统中要用到新的数据包类型时，利用此模块向NS2中添加。

NS2基础层主要包括NS2提供的节点网络层接口Node、节点传输层接口Agent和节点应用基础层接口Application三个接口，实现数据收发的功能。由于P2P流媒体应用仿真中会有大量的数据包收发过程，因此对包收发过程进行优化可以大大提高仿真效率。在NS2中Agent将收到的数据向上递送给Application进行处理，NS2的原有设计是Agent要对收到的每一个数据包进行预处理，然后将用户数据交给上层。考虑到仿真过程中会有大量的收发包过程，若对每个包都进行类似处理会降低仿真效率。因此将Agent收到的包直接交给上层应用程序，由实现具体P2P协议的应用层对数据包进行处理。

覆盖网适配层主要实现了如下几个功能：(1)节点加入P2P系统，节点通过索引服务器加入系统，并从索引服务器获得邻居节点列表。(2)节点离开系统，节点向自己的邻居发送离开消息。(3)发送数据映像消息，节点与自己的邻居交换各自持有的数据。(4)发送数据请求消息，节点根据得到的数据映像消息向邻居请求需要的数据。

数据调度适配层主要实现数据调度策略的功能：(1)当某个节点请求的数据存在多个节点时可以提供服务时，如何进行调度的合理分配并充分利用这些节点的资源。(2)当请求的数据没有按时到达接收端时，采用怎样的超时紧急调度策略请求数据。

播放器适配层主要实现从本地的数据缓冲区中取出数据，根据码率和每个数据包播放时间戳的要求按照一定速率向媒体播放器不断发送数据。

节点应用层定义了一个start函数，作为仿真开始的入口函数，通过它启动整个仿真过程。

在覆盖网适配层、数据调度适配层和播放器适配层中所有涉及多线程的操作都用多线程仿真模块实现；数据采集模块则嵌入在覆盖网适配层、数据调度适配层、播放器适配层以及节点应用层中，负责记录系统在仿真过程中发生的所有事件；覆盖网适配层中用到的所有新数据包类型都通过分组头信息域模块加入到NS2中。然后通过节点应用层启动平台运行，在平台初始化过程中会依次完成播放器适配层、数据调度适配层、覆盖网适配层的初始化。

仿真开始后，NS2基础层响应覆盖网适配层的收发请求进行控制报文和数据报文的发送接收。覆盖网适配层负责控制报文的处理，将收到的邻居节点数据信息向上传递给数据调度适配层。数据调度适配层则根据此信息决定向哪些邻居节点请求自己没有的数据，同时将自己有的数据提供给需要的邻居节点。当收到邻居节点发送来的媒体数据后，数据调度适配层将媒体数据放到本地缓冲区，并通知播放器适配层从缓冲区中取出数据发送给播放器进行播放。

图2为本发明的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台主体部分的详细设计类关系图。类之间的连线说明了各自的构造关系，其中，节点应用接口继承自节点应用基础层接口，同时组合有节点传输层接口和节点网络层接口的实例。另外，节点应用接口分别与播放器数据交互接口和覆盖网协议仿真接口构成双向组合关系，各自含有对方的实例。同时，播放器数据交互接口和数据调度策略接口之间、数据调度策略接口和覆盖网协议仿真接口之间也构成双向组合关系，互相含有对方的实例。除此之外，凡是涉及多线程操作的模块都组合有多线程仿真接口的实例，而凡是需要记录系统事件的模块都组合有事件记录器接口的实例。

并且，每个类分别按照覆盖网适配层、数据调度适配层、播放器适配层以及节点应用层的功能进行编码实现。另外，事件记录器接口采用写文件的方式实现，用户选择需要记录的事件如服务器收到的数据请求数写到日志中，仿真完毕后据此进行性能分析。

同时，根据实际情况将原系统中的多线程用多线程仿真接口实现，并根据分组头信息域接口NovaPacket定义协议需要的所有数据包类型，主要包括节点加入请求包、数据请求包、数据可用性信息包、媒体数据包、节点离开信息包等。

图3是具体实施例进行仿真时利用拓扑生成器构造的一个底层物理网络拓扑的示例图。该图只是拓扑的一种表示，实际仿真时这个图是可以改变的。它代表实际互联网络拓扑的一种近似，而且拓扑图并不唯一，用户可以根据自己的需要自行生成需要的拓扑结构。生成这个拓扑的目的是在拓扑之上构建流媒体系统仿真的环境，即流媒体系统运行在如上图的网络环境中，图中每个圆点代表一个节点。另外，该图是从拓扑生成器GT-ITM的绘图中拷贝出来的，并非手工绘制而是根据配置脚本由GT-ITM生成的，但该图只是拓扑示例，在实际利用本平台时也可改变。

图3中每个圆圈代表一个节点，每条连线代表节点间一条链路。其中图中间部分间距较大的15个节点代表核心路由层的节点，每5个节点够成一个域，共有3个域构成核心路由层，核心路由节点彼此互联。图周围分布较密集的节点代表边缘路由层节点，每个边缘路由层自组织成一个域集中分布，由图可看出图外围大致有15个密集分布，代表15个边缘路由域，不同边缘路由层的节点之间没有连接，每个密集分布都只与一个核心路由节点相连接入网络。每个密集分布里有7个节点，代表边缘路由节点。普通通信节点在图中并没有标出，而是用户在利用本平台进行仿真时自行根据需要加入到图中，加入的方法就是利用NS2提供的TCL脚本进行配置。

具体地说，首先利用GT-ITM生成Transit-Stub结构的具有两个层次的物理网络拓扑，分别代表核心路由层和边缘路由层。核心路由层由3个域组成，每个域包含5个核心路由节点；边缘路由层由15个域组成，每个域都附属于1个核心路由节点，边缘路由层的每个域平均包含7个边缘路由节点；普通通信节点随机接入网络中的某个边缘路由节点。定义核心路由节点之间以及核心路由节点和边缘路由节点之间的带宽为1000M，边缘路由节点之间的带宽为100M，普通通信节点的接入带宽可在仿真脚本中指定。

完成详细设计中各接口的编码后，就完成了仿真对象向平台的移植。于是可以开始编写TCL脚本在图3生成的拓扑图上对系统进行仿真，并通过仿真得到的日志文件对系统性能进行分析。

图4是利用本平台仿真得到的单位时间内传统CS模式和P2P模式下媒体服务器压力对比图。图中纵轴表示单位时间内服务器接收的数据请求数，横轴表示系统中节点数。传统模式下所有节点都向服务器请求媒体数据，而P2P模式下节点在向邻居节点请求不到数据时才向服务器请求，同时向邻居节点提供自己有的数据，每个节点都担当了服务器与客户端的双重角色。由图4可以定量看到P2P模式流媒体系统服务器压力不随系统中节点数目的增多而增大，具有较好的可扩展性。

此外用户还可以在日志文件中记录需要的数据以得到其它性能指标曲线。

除了上述实施例外，在利用本发明所述的平台进行流媒体系统仿真时，平台体系结构各层功能的实现方法可以采用其它不同的策略，即各接口的实现方法可以不同。如覆盖网适配层可采取中心式网络、无结构化网络、结构化网络以及混合式网络等实现策略；数据调度适配层可采取数据驱动式的数据请求策略，也可以采取主动推送式的数据调度策略。但无论采取何种具体策略实现，仿真对象的结构都是按照本平台的体系结构进行划分的，这样有利于对仿真对象各模块进行清晰划分并进行替换，方便仿真比较各种策略的优劣。

另外仿真时采取的物理拓扑也可以根据实际情况采取不同的形式，如可以是完全随机图网络拓扑，也可以是层状网络拓扑；同时拓扑的各项指标也可以配置，如最大端到端延迟，链路带宽等。通过变化物理拓扑也可以利用本平台测试系统在不同网络环境下的性能，而这在实际网络环境中是很难实现的。

总之，本发明所述的平台对流媒体系统结构进行了清晰划分，并对划分出的每个模块定义了接口规范。无论系统具体的实现策略是怎样的，都适用于本发明所述平台的模块划分，用户只要对应每个模块实现相应策略，就可把实际系统移植到平台上进行仿真。

Claims (5)

1.一种基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台，其特征在于，该系统平台框架主体自底向上依次包括：NS2基础层、覆盖网适配层、数据调度适配层、播放器适配层以及节点应用层，并且，该系统还包括辅助模块：多线程仿真模块、数据采集模块以及分组头信息域模块，其中，

所述NS2基础层，采用NS2原有组件，包括链路组件、节点组件以及计时器组件，所述链路组件用于模拟连接网络节点的传输介质，所述节点组件用于模拟网络拓扑中的每个节点，具有判断网络分组的目标地址和目标端口的功能，所述计时器组件用于仿真多线程功能的实现；

所述覆盖网适配层，表示流媒体系统的应用层覆盖网协议拓扑，是单树拓扑、多树拓扑或网状拓扑，用于模拟流媒体系统覆盖网的运行情况，所述覆盖网是系统中节点在通信时建立的逻辑拓扑，该覆盖网的一个顶点代表一个用户节点，该覆盖网两个顶点间的连线代表两个用户节点之间的一次通信；

所述数据调度适配层，表示节点间数据调度策略，是推模式、拉模式或数据驱动模式，用于模拟流媒体系统采取的数据调度方法，所述数据调度是指如何向邻居节点请求自己没有的数据，以及如何向邻居节点提供自己有的数据；

所述播放器适配层，表示播放缓冲区与媒体播放器的交互过程，用于模拟流媒体系统客户端将收到的媒体数据发送给播放器的过程；

所述节点应用层，表示平台与用户间的接口，用户通过该层接口启动仿真过程，用于对平台进行初始化，启动仿真平台的运行，

所述多线程仿真模块，实现流媒体系统中多线程的工作机制；

所述数据采集模块，负责记录系统在仿真过程中发生的事件并记录相关数据到日志文件；

所述分组头信息域模块，实现向所述NS2中添加新协议分组头的功能；

所述覆盖网适配层、所述数据调度适配层和所述播放器适配层中所有涉及多线程的操作都由所述多线程仿真模块实现，所述数据采集模块嵌入在所述覆盖网适配层、所述数据调度适配层、所述播放器适配层以及所述节点应用层中，负责记录系统在仿真过程中发生的所有事件，所述覆盖网适配层中用到的所有新数据包类型都通过所述分组头信息域模块加入到所述NS2中。

2.如权利要求1所述的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台，其特征在于，所述NS2基础层的接口包括：

节点网络层接口，实现IP协议，负责把分组路由到合适节点；

节点传输层接口，实现TCP/UDP协议，负责在适当端口发送/接收分组；

节点应用基础层接口，是应用层程序的基类，提供应用层程序一些行为的基本原型。

3.如权利要求1或2所述的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台，其特征在于，还包括如下接口：

分组头信息域接口，负责所述分组头信息域模块的实现，用户通过实现此接口并把该域按照NS2规范要求加入到定义好的分组头中就可在NS2中激活并使用相应类型的分组头；

多线程仿真接口，负责所述多线程仿真模块的实现，它继承自NS2提供的TimerHandler类；

事件记录器接口，负责所述数据采集模块的实现，记录系统在仿真过程中发生的事件，并生成Log文件，通过分析该Log文件即可定量分析仿真对象的系统性能；

覆盖网协议仿真接口，负责实现所述覆盖网适配层功能，抽象出各类P2P覆盖网协议的公共功能接口，用户通过把仿真对象的覆盖网协议根据接口标准进行实现，即可把要仿真的协议注册到平台上；

数据调度策略接口，负责所述数据调度适配层的实现，对常用数据调度策略的公共功能进行抽取，包括向邻居节点发送数据可用性信息、向邻居节点分配数据请求量、数据包超时重传机制；

播放器数据交互接口，负责所述播放器适配层的实现，仿真数据缓冲区向播放器发送数据包的过程；

节点应用接口，负责实现所述节点应用接口层，定义仿真节点在开始仿真后采取的动作以及收到媒体数据后的处理过程。

4.如权利要求3所述的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台，其特征在于，所述覆盖网适配层采取中心式网络、无结构化网络、结构化网络或者混合式网络的实现策略来实现其功能；所述数据调度适配层采取数据驱动式的数据请求策略或者主动推送式的数据调度策略。

5.如权利要求1或2所述的基于NS2的P2P流媒体系统仿真平台，其特征在于，所述拓扑是完全随机图网络拓扑或者层状网络拓扑，对所述网络拓扑的各项指标进行包括最大端到端延迟以及链路带宽的配置。 

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