CN101873233B - 一种与PeerCast网络兼容的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种与PeerCast网络兼容的仿真方法。该方法使用分布式仿真技术实现了一个PeerCast仿真系统，通过维护仿真节点与PeerCast节点的网络连接映射表，以及PeerCast仿真协议与真实协议的相互转换等机制，构造出一个与PeerCast网络兼容的大规模仿真网络，仿真节点与PeerCast网络中的节点之间能够相互获取数据并播放流媒体。该方法可低代价高效率地实现对PeerCast网络基本特征的测量和分析，从而为深层研究PeerCast协议提供了有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种与PeerCast网络兼容的仿真方法。该方法使用分布式仿真技术实现了一个PeerCast仿真系统，利用该系统可构造一个与真实网络兼容的大规模PeerCast仿真网络，仿真节点与真实网络中的PeerCast节点之间能够相互获取数据并播放流媒体，可实现对PeerCast网络基本特征的测量和分析，从而为深层研究PeerCast协议提供了有效途径。
背景技术
本发明涉及的PeerCast特指www.peercast.org发布的开源P2P直播流媒体软件PeerCast，这是一个简单易用的、实验性质的非营利性项目。
PeerCast网络可分为四层，从高到低依次是Yellow Page(简称YP)、广播者、转播者和收听者，网络结构如图1所示，属于典型的树状结构。YP处于网络最高层，是整个网络的根节点；下面几层中，传输同一个频道的所有节点构成一棵广播树，其中广播者是频道广播树的根节点，从流媒体编码器(图中未画出)获取原始数据，向上提供频道信息，以便YP进行索引，向下提供流媒体数据；转播者处于中间，它的存在体现了P2P网络的基本特征：即节点不仅接收数据，还要进行转发；收听者处于最低层，是广播树的叶子节点，只下载而不提供上传。下面简要说明转播者和收听者这两种PeerCast节点的基本工作原理。
1.节点加入
(1)连接YP：用户首先访问YP的Web页面，该页面中显示了一份完整的频道列表。在手动选取想要收听的频道后，YP根据请求的频道ID返回该频道的广播者信息。
(2)连接广播者：节点先向广播者发送HTTP协议格式的频道请求，收到回复后发送握手消息，握手成功后可能有两种情况：第一，若广播者转播数未达到设置上限，握手成功后即开始向节点连续传输流媒体数据，并将本节点加入其子节点列表；第二，若广播者转播数已达到设置上限，无法为本节点提供服务，则握手成功后，广播者将根据一定算法从自己的所有子节点中为本节点选取最多8个备选父节点，本节点收到这些节点信息后将其加入邻居列表，从中选取一个节点进行连接，如此循环至成功接收流媒体数据为止。
如连接的节点位于防火墙或NAT后，需要通过YP中转连接请求。
2.节点正常退出
节点正常退出时，先向所有直接子节点(即邻接子节点)发送退出消息，再向父节点最后广播一次本机信息，并断开频道数据流，父节点检测到流断开后将向本节点发送退出消息，最后节点断开所有连接，退出网络。节点正常退出前没有帮助其子节点重定向到新的父节点，连接断开后，其直接子节点需要自行重新加入广播树。
3.节点异常退出
节点异常退出时，其父节点及直接子节点均立即检测到数据流断开，父节点回收其占用的资源，直接子节点重新加入广播树。不管节点是正常退出还是异常退出，父节点都没有立即从其子节点列表删除本节点的信息，需要经过若干个广播包发送周期后才会删除已退出的节点信息，这可能造成后加入的节点获得无效的备用父节点信息。另外PeerCast节点之间没有维持连接的心跳包，是通过检测连接是否断开来发现有节点异常退出的。
4.数据传输
广播树中的数据传输采用纯推机制(push)，即数据是由父节点主动发送的，无需子节点请求。节点加入网络后，即开始连续接收父节点发来的流媒体数据，通常接收的第一个数据包为流媒体头，随后的都是普通流数据。数据传输过程中父节点不会向本节点发送任何额外的消息。
5.与播放器通信
节点将接收到的数据保存到自己的流媒体缓冲区中，该缓冲区由一个循环队列实现，当缓冲数据足够多时，节点将调用本地媒体播放器。节点与播放器之间的通信采用HTTP 1.0协议，流媒体数据被映射为一个HTTP服务器上的文件，播放器访问该文件地址，从节点获取数据后解码播放。节点只是完成了数据的传输，不涉及任何流媒体的编解码操作。
6.广播节点信息
节点会定时向上层节点广播本机信息，广播包首先发给父节点，然后被层层向上转发，最终到达广播者。其经过途中的所有节点都将根据广播包内容更新自己的子节点列表。可以看出这属于汇聚式的消息转发(区别于洪泛式转发)。广播包中含有两个重要的数值：
hops：表示广播包源节点与收到包的当前节点之间的跳数，初始值为0，每经过一跳加1；
ttl：表示广播包的剩余生存时间，初始值通常为11，每经过一跳减1，值减为0时广播包将不再向上转发。
通过这样的广播机制，节点可以得到比较完整的子节点列表(ttl的限制使距离过远的广播包无法到达上层)。但由于广播包中不含路由信息，因此节点只能知道所有子节点的层次关系，而无法得知其详细的拓扑结构。
发明内容
本发明的目的是与真实PeerCast网络兼容的仿真实现。该方法使用分布式仿真技术实现了一个PeerCast仿真系统，利用该系统可构造一个与网络兼容的大规模PeerCast仿真网络。
PeerCast协议仿真的框架如图2所示，可分为两大部分：
一是分布式结构的仿真系统，由一个仿真服务器和若干个仿真平台组成。仿真服务器的功能是分配与调度仿真任务、处理仿真时间同步、配置仿真参数、统计并图形化显示仿真结果等；仿真平台则承担具体的仿真任务。每个仿真平台均与仿真服务器以C/S模式建立连接，用以传输仿真子网拓扑、仿真任务指令等；仿真平台间则两两之间建立P2P连接，用以传输仿真节点间的通信消息。这样的体系结构结合了C/S模式和P2P模式的分布式仿真网络环境体系结构的优点，网络通信直接、高效，可扩展性好，有利于大规模仿真网络的实现。
二是若干个真实网络中的PeerCast节点，根据实现兼容性功能的不同，这些节点既可作为PeerCast网络的YP和广播者，充当仿真网络的根节点，负责为所有仿真节点提供数据；也可作为普通的转播者或收听者，从仿真节点处获取数据。每个仿真平台均与PeerCast节点建立连接，用以实现仿真节点和真实节点间互传数据的功能，体现与真实网络的兼容性。
如图2所示，仿真平台中的仿真节点分为两种：一是外连节点，它是各仿真平台中唯一与真实节点直接相连的节点；二是普通节点，它通过外连节点加入仿真网络。即外连节点相当于平移到仿真平台内部的广播者。之所以要这样设计，是由于PeerCast客户端存在一定缺陷，若短时间内大量节点并发连接，将导致广播者的转播数统计错误，甚至拒绝向后加入的节点提供邻居列表。所以需要人为控制仿真网络的结构，不能任仿真节点自由外连。此外，该方法在不影响仿真兼容性的同时，有效降低了仿真的复杂度，也利于仿真规模的扩展。
为保证与PeerCast网络的兼容，需要严格根据标准的PeerCast协议原理设计仿真协议，据此还原出PeerCast节点在生存周期内的主要行为，进而构造出完整的可达数千个节点的大规模仿真网络。协议原理包括：PeerCast网络中节点的加入和退出机制、节点间的通信与组播树的维护机制、直播流媒体数据的传输机制，以及上述各机制所需要的P2P通信消息的类型、格式、功能等细节内容。
为实现仿真节点与外界网络中的PeerCast节点之间的兼容，即能够相互获取数据并播放流媒体，仿真平台中存在以下两种机制：
(1)创建一张网络连接映射表用于网络连接的维护和管理。当仿真节点需要与PeerCast节点进行通信时，仿真平台会创建为此一个TCP套接字，并将此连接关系记录到网络连接映射表中；当网络通信结束后，该套接字会被仿真平台撤销，并将连接关系从网络连接映射表中删除。
(2)维护一份PeerCast网络的协议通信规则。仿真节点向PeerCast节点发送消息时，消息附加真实节点的IP地址、端口号等地址信息后被投递到发送队列中，仿真平台读取预先存储的PeerCast网络的协议通信规则，据此对消息作必要的数据格式转换和封装，使之符合在网络中传输的条件，然后根据网络连接映射表中的对应连接关系，经由TCP套接字把消息发送给真实节点。同理，PeerCast节点向仿真节点发送消息的流程与上述流程正好相反，不再赘述。
仿真节点与真实网络的兼容性体现在两个方面：一是仿真节点可以通过作为组播树根节点的真实节点加入PeerCast网络，获取并播放直播流媒体数据；二是真实节点可以通过组播树中的任意仿真节点加入PeerCast网络，获取并播放直播流媒体数据。
利用仿真节点与真实网络的兼容性，以及仿真网络的大规模特性，可实现对PeerCast网络基本特征的测量和分析，从而为深层研究PeerCast协议提供了有效途径。网络基本特征包括：组播树的网络结构、节点的邻居列表状态、数据的传输时延等。
附图说明
图1PeerCast网络结构图；
图2PeerCast协议仿真框架图；
图3PeerCast仿真协议模块设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明。
本发明的方案部署结构如图2所示。
首先需要在真实网络中部署一个PeerCast节点，它的作用是充当整个仿真网络的YP和广播者，即PeerCast组播树的根节点。由该节点负责从流媒体编码器获取直播流媒体数据，并分发到整个仿真网络中，同时它还负责整棵组播树的结构维护。
然后需要在仿真系统上实现PeerCast仿真协议，该仿真协议的模块设计如图3所示。PeerCast仿真协议采用模块化设计，由于仿真系统核心分为仿真引擎和网络引擎两部分，按其各自的接口要求，把PeerCast仿真协议组织为如图3所示的6个包，除信息包外，每个包中的类均实现相应的接口：初始化包中所有类实现仿真引擎的modify接口；动态包中所有类实现仿真引擎的modify接口；协议包中所有类实现仿真引擎的nextCycle接口；观察包中所有类实现仿真引擎的analyze接口；工具包中各类调用网络引擎的发送消息队列及接收消息队列接口。
在上述工作的基础上，即可部署PeerCast仿真系统，系统结构如图2所示。仿真服务器负责完成整个仿真系统和仿真运行的控制管理功能，包括时间同步管理、仿真任务规划、仿真运行控制、仿真数据收集分析等操作；仿真平台负责完成本地仿真节点的仿真运行功能，主要包括仿真节点的创建、仿真节点连接关系的建立、PeerCast仿真协议的执行、信息的交互、本地数据的统计等。
仿真系统开始时，先在仿真服务端配置子网拓扑信息和系统仿真参数，包括仿真平台数、仿真节点数、仿真协议、用于仿真平台同步的仿真标准时间、仿真调度时间等信息，并把仿真参数、子网拓扑信息及其仿真命令下放到各仿真平台。
仿真平台接收服务器传送的仿真参数配置，进行初始化设置，在接收子网拓扑信息后，完成三项操作：确定本地的仿真节点数目，构建相应的仿真节点，同时给每个仿真节点分配一个全局唯一标识；确定本地仿真节点间的连接关系；确定本地仿真节点与其他仿真平台上的仿真节点间的连接关系。通过以上操作，仿真节点和彼此间的连接关系构建完毕，这样才能进行仿真节点的调度管理。同时，仿真平台还要负责实时记录由于网络抖动而造成的仿真节点状态以及彼此间连接关系的动态变化，并将信息发送到仿真服务器端进行汇总处理。
当仿真平台初始化设置完毕后，向仿真服务器发送等待仿真运行消息，进行仿真就绪状态。然后仿真平台接收服务器端发送的仿真时间消息，决定是否继续推进仿真还是暂停仿真以待所有的仿真平台进行时间同步。如果整个仿真没有结束，则仿真平台运行当前时间的仿真程序，然后向服务器端发送当前时间仿真结束消息和当前时间的仿真统计数据。如果接收到仿真结束消息，则结束当前仿真平台的仿真运行，并发送当前仿真平台仿真结束消息。
仿真平台根据仿真参数配置仿真节点信息并执行仿真命令，开始仿真。在仿真的过程中，每个仿真节点均执行预先分配好的PeerCast仿真协议，具体步骤如下：
1.仿真节点读取预置参数中真实节点的网络地址信息和直播频道ID，然后按节点序号依次启动并加入PeerCast仿真网络，其中外连节点以真实节点作为广播者，普通节点以外连节点作为广播者。只有当外连节点加入网络后，普通节点才能启动并尝试连接外连节点；
2.仿真节点成功加入网络后，即按标准PeerCast协议开始工作：持续从直接父节点下载处理当前播放位置的直播流媒体数据，并转发给各直接子节点，同时还负责定时发送或转发维护组播树结构所需的广播消息。
3.所有仿真节点的即时运行状态及仿真网络的即时构造情况都会由各仿真平台定时上报给仿真服务器，仿真服务器显示出仿真网络拓扑图，并等待用户的手动操作指令。此时用户可根据实验需要，通过仿真服务器手动完成对指定仿真节点的启动、关闭及流媒体播放操作；
4.仿真运行过程中，用户可根据实验需要，手动运行更多的真实PeerCast节点，使其通过任意仿真节点加入到网络中，实现与真实网络中相同的流媒体播放功能；
5.仿真运行过程中，还将执行预置PeerCast仿真协议中包含的动态自动操作，例如仿真节点的自动关闭、播放，或仿真信息的定时输出等；
6.仿真完成时，外连节点将断开与真实节点的连接，而普通节点间的连接也将断开，待仿真平台向仿真服务器上传完毕仿真运行日志及仿真结果数据后，所有运行中使用到的数据结构全部清空。
PeerCast仿真协议的上述功能清晰地体现出了与真实网络兼容的特性，作为广播者的真实节点可以获取到数以千计的仿真节点信息，通过测量其网络分层结构可以分析PeerCast网络的基本特性；而仿真平台可以统计出仿真节点的邻居列表状态以及流媒体数据的传输时延，为评价PeerCast网络的稳定性及数据传输效率提供了重要依据。这些工作在传统条件下是很难开展的，而借助仿真网络的兼容性与大规模特性，可以相对容易地获取到大量具有重要参考价值的实验数据，从而为深层研究PeerCast协议及其网络特征提供了一种有效的方法。
Claims (5)
1.一种与真实网络兼容的PeerCast协议仿真方法，其特征在于：
(1)根据标准PeerCast协议原理构建一个完整的仿真系统，包括在真实网络中部署一个真实的PeerCast节点作为整个仿真系统的根节点和若干个仿真平台，以及各个仿真平台分别构建一定数量的PeerCast仿真节点；仿真节点加入仿真系统，并作为根节点或其他仿真节点的子节点；
(2)实现仿真节点与真实网络中的PeerCast节点的兼容，包括在仿真系统中创建一张网络连接映射表用于网络连接的维护和管理，以及在仿真系统中维护一份真实PeerCast网络的协议通信规则；
(3)在仿真过程中，仿真节点持续从根节点下载真实的流媒体数据，并转发给自己的所有子节点；仿真系统记录仿真系统的关键统计信息，实现对PeerCast网络基本特征的测量和分析。
2.如权利要求1所述的与真实网络兼容的PeerCast协议仿真方法，仿真系统由一个仿真服务器和若干个仿真平台组成；仿真服务器的功能是分配与调度仿真任务、处理仿真时间同步、配置仿真参数以及统计并图形化显示仿真结果；仿真平台承担具体的仿真任务；每个仿真平台均与仿真服务器以C/S模式建立连接，用以传输仿真子网拓扑和仿真任务指令；仿真平台间则两两之间建立P2P连接，用以传输仿真节点间的通信消息。
3.如权利要求1所述的与真实网络兼容的PeerCast协议仿真方法，为保证与真实PeerCast网络的兼容，需要严格根据标准的PeerCast协议原理设计仿真协议，据此还原出PeerCast节点在生存周期内的主要行为，进而构造出完整的可达数千个节点的大规模仿真系统；协议原理包括：PeerCast网络中节点的加入和退出机制、节点间的通信与组播树的维护机制、直播流媒体数据的传输机制，以及上述各机制所需要的P2P通信消息的类型、格式和功能。
4.如权利要求1或3所述的与真实网络兼容的PeerCast协议仿真方法，为实现仿真节点与真实网络中的PeerCast节点的兼容，能够相互获取数据并播放流媒体，仿真系统制定以下网络管理机制：
(1)创建一张网络连接映射表用于网络连接的维护和管理：当仿真节点需要与真实PeerCast节点进行通信时，仿真系统会为此创建一个TCP套接字，并将此连接关系记录到网络连接映射表中；当网络通信结束后，该套接字被仿真系统撤销，并将连接关系从网络连接映射表中删除；
(2)维护一份真实PeerCast网络的协议通信规则：仿真节点向真实PeerCast节点发送消息时，消息附加真实节点的IP地址和端口号后插入发送队列，仿真系统读取预先存储的真实PeerCast网络的协议通信规则，据此对消息作必要的数据格式转换和封装，使之符合在真实网络中传输的条件，然后根据网络连接映射表中的对应连接关系，经由TCP套接字把消息发送给真实节点；同理，真实PeerCast节点向仿真节点发送消息的流程与上述流程正好相反。
5.如权利要求1或3所述的与真实网络兼容的PeerCast协议仿真方法，利用仿真节点与真实的PeerCast节点的兼容性，以及仿真系统的大规模特性，可实现对PeerCast网络基本特征的测量和分析，从而为深入研究PeerCast协议提供了有效途径；网络基本特征包括：组播树的网络结构、节点的邻居列表状态、数据的传输时延。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: WUXI UEST SCIENCE + TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LT Free format text: FORMER OWNER: UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA Effective date: 20131029 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 610054 CHENGDU, SICHUAN PROVINCE TO: 214135 WUXI, JIANGSU PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20131029 Address after: 214135 Jiangsu New District of Wuxi City Branch Park University Chinese sensor network science and Technology Park building A room 402 business district Patentee after: WUXI UESTC TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Address before: 610054 No. two, Jianshe North Road, Chengdu, Sichuan, four Patentee before: University of Electronic Science and Technology of China |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210107 Address after: No.2006 Xiyuan Avenue, Chengdu, Sichuan 611731 Patentee after: University of Electronic Science and technology of Sichuan foundation for education development Address before: Room 402, area a, Liye building, science and Technology Park, China sensor network university, Taike Park, New District, Wuxi City, Jiangsu Province, 214135 Patentee before: WUXI UESTC TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121226 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |