網絡服務系統(tǒng)的動力學建模與分析研究.pdf

1、本世紀初，隨著對等網絡(peer-to-peer, P2P)技術在因特網上廣泛應用，其良好的擴展性以及較高的資源利用率等優(yōu)點影響著網絡技術的發(fā)展，網絡發(fā)展的趨勢也從集中式系統(tǒng)逐步向分布式系統(tǒng)過渡。如今，文件共享、即時通信、社交網絡以及在線視頻點播等網絡服務系統(tǒng)遍布網絡，影響著人們的生活、工作以及學習等各個方面。以BitTorrent為代表的P2P文件共享系統(tǒng)通過充分利用其中各用戶節(jié)點的帶寬資源、存儲空間來實現(xiàn)文件的共享，而以在線視頻點播

2、（如優(yōu)酷、土豆以及愛奇藝等）為代表的流媒體服務系統(tǒng)通過采用內容分發(fā)網絡(Content Distribution Network, CDN)技術將服務部署到距離用戶僅有“一跳”的網絡邊緣，并通過采用P2P技術加強邊緣服務器之間的交互，從而可以提高服務質量、增大系統(tǒng)吞吐量和降低服務提供商部署成本。本文將著重研究網絡服務系統(tǒng)中兩種典型系統(tǒng):BitTorrent和流媒體服務系統(tǒng)。通過分析研究這兩種系統(tǒng)的結構、主要流程以及主要影響因素，并將各因

3、素進行數(shù)學描述，建立其動力學模型，描述系統(tǒng)的動態(tài)演化過程，并進行具體的模型分析以揭示影響系統(tǒng)演化的各因素之間的相互關系以及對系統(tǒng)整體性能的影響，為網絡服務系統(tǒng)的研究、設計以及實現(xiàn)提供理論支持。
　　本文首先分析了BitTorrent和流媒體服務系統(tǒng)的結構、主要流程以及影響它們動態(tài)演化的主要因素，然后分別對這兩種系統(tǒng)進行動力學建模，并在動力學模型的基礎上，對流媒體服務系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行討論。本文的主要工作與創(chuàng)新性表現(xiàn)在以下幾個方面:<

4、br>　　第一，建立了BitTorrent文件共享系統(tǒng)的動力學模型。BitTorrent文件共享系統(tǒng)是P2P系統(tǒng)的典型應用，用戶在享受下載的同時還向其他用戶提供上傳，充分體現(xiàn)P2P系統(tǒng)的對等性和交互性。以往針對BitTorrent的建模研究著重于全系統(tǒng)范圍內的節(jié)點數(shù)目的變化，將影響系統(tǒng)變化（尤其是節(jié)點數(shù)目的變化）的主要因素歸結于帶寬資源的限制，忽略了其他因素對于BitTorrent系統(tǒng)的影響，本文采用在較小尺度上針對BitTorrent

5、系統(tǒng)中單個節(jié)點的動態(tài)演化過程進行建模分析，將影響B(tài)itTorrent用戶之間交互演化過程的硬件條件、文件屬性、用戶行為以及算法策略等因素進行數(shù)學描述，建立其動力學微分方程模型。該模型能夠準確描述各因素對于BitTorrent系統(tǒng)中節(jié)點間交互過程的影響，同時也反映了各因素之間的相互影響關系。
　　第二，建立了流媒體服務系統(tǒng)的動力學模型。傳統(tǒng)的針對流媒體服務系統(tǒng)的研究側重于單純算法策略的研究，而忽略了系統(tǒng)自身的演化過程以及這些算法策略

6、之間的相互影響。本文首先對流媒體服務系統(tǒng)結構進行抽象化描述，用虛擬服務節(jié)點代表流媒體服務系統(tǒng)覆蓋網絡中的邊緣服務子系統(tǒng)，進而將流媒體服務系統(tǒng)抽象成一個由虛擬服務節(jié)點組成的邏輯網絡;然后分析影響虛擬服務節(jié)點與用戶以及與其他虛擬服務節(jié)點交互過程中的影響因素，主要包括硬件條件、用戶行為、服務屬性以及算法策略等因素，并將這些影響因素進行數(shù)學描述，建立流媒體服務系統(tǒng)的動力學微分方程模型。該模型能夠準確刻畫用戶接入到服務系統(tǒng)，以及服務子系統(tǒng)之間的交

7、互過程，并能夠反映各因素之間的相互關系以及他們對于系統(tǒng)整體性能的影響。
　　第三，提出了流媒體服務系統(tǒng)中邊緣服務子系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定性判據。邊緣服務子系統(tǒng)距離用戶僅有“一跳”之遙，是直接面向用戶的服務提供者，其穩(wěn)定性將直接影響用戶的體驗。本文從邊緣服務子系統(tǒng)的整體性以及其運行實際意義出發(fā)，定義了邊緣服務子系統(tǒng)的穩(wěn)定性狀態(tài)，并在邊緣服務子系統(tǒng)的動力學模型的基礎上，分析得到了邊緣服務子系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性判據。
　　第四，提出了一種基于