随着宽带接入的广泛部署,多媒体服务正在用户中间变得更加流行,并且在因特网中占据了越来越大的数据量。大量正在出现的应用,包括网络电视、体育直播、在线游戏和远程教育等,都要求通过视频组播将视频内容实时传送到大量用户。其中,网络电视打破了传统广播电视的信息分配模式,给人们获取、传播与利用信息的方式和效率带来革命性进步。由于现有边缘网的承载服务能力无法满足网络电视业务可控制、可管理和可运营的综合要求,国家十五?863计划高性能宽带信息网(3Tnet)?重大专项启动了重大课题大规模接入汇聚路由器(ACR, Access and Convergence Router)系统性能和关键技术研究?。ACR作为十一五?国家高科技发展支撑计划中国互动新媒体网络与新业务科技工程?中的重要设备,要求能够支持当前互联网应用最广泛的对等网络(P2P,Peer to Peer)技术,目标之一就是利用低成本的P2P技术提供性价比高、可扩展性强、体验质量好的视频组播服务。此项工作的前提就是要深入研究当前各种视频组播系统及体系结构。故针对ACR的研发需求,本文以适合于大规模网络的混合视频组播体系结构为研究课题,依托ACR项目开展研究工作。本文提出了一种新型的混合视频组播体系结构MTreeTV(Mesh-Tree TV),可以在因特网中提供实时视频组播服务,实现对具有良好体验质量网络电视的支持。重点研究了影响视频组播性能的覆盖网构造和数据段调度问题、数据段扩散问题以及服务器资源配置最优化问题在新体系结构下的解决方案,该方案可以推广应用到其它视频组播系统。本文主要包括如下几个方面的工作:1、总结和分析了当前支持网络电视的各种体系结构及其优缺点。基于网络组播(IP Multicast)的体系结构由于可部署性差未能在因特网上推广。实际部署的分别基于内容分发网络(CDN, Content Delivery Network)和对等网络的体系结构各有优缺点,无法独自提供性价比高、可扩展性强、体验质量好的视频分发服务。混合视频组播体系结构既可以利用对等网络中主机资源的分布性来消除系统中的瓶颈,又可以利用服务器资源来提高网络效率和加强系统功能,是视频组播发展的重要方向。通过对体系结构的分析,总结出所面临的问题,并对混合视频组播体系结构中的覆盖网构造和数据段调度算法、数据段扩散模型以及服务器资源配置最优化算法这3个关键问题进行了研究,这些问题对于保障网络电视的体验质量至关重要。2、根据因特网网络架构以及网络电视业务具有的地域(城域)化特性,提出了一种基于网络位置邻近原则构建的混合视频组播体系结构MTreeTV,支持快速频道切换。在混合视频组播体系结构中,同时使用P2P覆盖网和流服务器两种技术:视频流首先被推送到各个流服务器;然后客户通过P2P覆盖网采用数据驱动的方法从邻近的对等节点(包括流服务器)实时调度数据段并实现视频播放。与只需要端系统支持的覆盖网组播体系结构相比,混合视频组播体系结构MTreeTV能够提供更少的开销、更好的性能、稳定性和适应性。3、针对传统P2P覆盖网的绕路和低效问题,提出一种支持邻近性的P2P覆盖网构造和实时数据段调度算法,能够保障网络电视体验质量。覆盖网构造算法首先构造多棵支持邻近性的树,然后再将多棵树组织成为一个支持邻近性的网状结构覆盖网,该覆盖网同时具有低时延、高效率和健壮性。数据段调度算法是一种具有快速反应时间的启发式调度算法,并综合考虑覆盖网节点间时延、连接节点拥有数据段数量、节点带宽和数据段候选节点数等因素。该调度算法不但可以快速适应高动态的网络环境,而且能够在保证一定播放连续性前提下,降低频道切换时延。理论分析和仿真表明,MTreeTV覆盖网构造和实时数据段调度算法的切换时延只有因特网视频组播系统Coolstreaming的八分之一(<8秒),播放连续性高(>98%),控制开销小(<2%)。4、为了满足视频组播在带宽和延迟方面的严格要求,针对视频数据段扩散问题,提出了一种数据段扩散模型。研究了主机节点带宽、节目编码速率和服务器带宽等关键参数等关键参数对网络电视体验质量的影响。视频组播系统的能力可通过系统贡献带宽(包括服务器和客户的贡献带宽)来衡量,而实现快速切换频道的关键在于系统贡献带宽能否迅速达到峰值。基于混合视频组播体系结构MTreeTV,首先采用量化分析方法评价视频组播系统能力,然后详细仿真各系统参数的影响。数据段扩散模型的研究结果可作为视频组播系统设计的基本依据。5、为了回答最少需要多少个服务器及服务器放置位置的问题,将服务器资源配置最优化问题转换成集合覆盖问题(SCP, Set Covering Problem),并使用0-1规划算法、线性规划算法和贪心算法解决了该问题。仿真试验表明,0-1规划算法能够产生服务器放置最优化结果的下限,线性规划取整算法的结果非常接近下限,贪心算法不但大大降低了计算复杂性而且也提供了很好的性能。并考察了不同服务器放置策略、服务器服务范围和服务器带宽等对体验质量的影响。通过最优化服务器资源配置,并配合客户节点的优化调整,混合视频组播体系结构MTreeTV可以进一步降低频道切换时延(<4秒),从而保障网络电视的体验质量。