網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模與分析研究.pdf

1、本世紀(jì)初，隨著對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(peer-to-peer, P2P)技術(shù)在因特網(wǎng)上廣泛應(yīng)用，其良好的擴(kuò)展性以及較高的資源利用率等優(yōu)點(diǎn)影響著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)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(shí)通信、社交網(wǎng)絡(luò)以及在線視頻點(diǎn)播等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)遍布網(wǎng)絡(luò)，影響著人們的生活、工作以及學(xué)習(xí)等各個(gè)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(diǎn)的帶寬資源、存儲(chǔ)空間來實(shí)現(xiàn)文件的共享，而以在線視頻點(diǎn)播

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

3、素進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，建立其動(dòng)力學(xué)模型，描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化過程，并進(jìn)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(guān)系以及對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)提供理論支持。
　　本文首先分析了BitTorrent和流媒體服務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、主要流程以及影響它們動(dòng)態(tài)演化的主要因素，然后分別對(duì)這兩種系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，并在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)流媒體服務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行討論。本文的主要工作與創(chuàng)新性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:<

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

5、系統(tǒng)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)演化過程進(jìn)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(jìn)行數(shù)學(xué)描述，建立其動(dòng)力學(xué)微分方程模型。該模型能夠準(zhǔn)確描述各因素對(duì)于BitTorrent系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間交互過程的影響，同時(shí)也反映了各因素之間的相互影響關(guān)系。
　　第二，建立了流媒體服務(wù)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。傳統(tǒng)的針對(duì)流媒體服務(wù)系統(tǒng)的研究側(cè)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(duì)流媒體服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象化描述，用虛擬服務(wù)節(jié)點(diǎn)代表流媒體服務(wù)系統(tǒng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的邊緣服務(wù)子系統(tǒng)，進(jìn)而將流媒體服務(wù)系統(tǒng)抽象成一個(gè)由虛擬服務(wù)節(jié)點(diǎn)組成的邏輯網(wǎng)絡(luò);然后分析影響虛擬服務(wù)節(jié)點(diǎn)與用戶以及與其他虛擬服務(wù)節(jié)點(diǎn)交互過程中的影響因素，主要包括硬件條件、用戶行為、服務(wù)屬性以及算法策略等因素，并將這些影響因素進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，建立流媒體服務(wù)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)微分方程模型。該模型能夠準(zhǔn)確刻畫用戶接入到服務(wù)系統(tǒng)，以及服務(wù)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(guān)系以及他們對(duì)于系統(tǒng)整體性能的影響。
　　第三，提出了流媒體服務(wù)系統(tǒng)中邊緣服務(wù)子系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)。邊緣服務(wù)子系統(tǒng)距離用戶僅有“一跳”之遙，是直接面向用戶的服務(wù)提供者，其穩(wěn)定性將直接影響用戶的體驗(yàn)。本文從邊緣服務(wù)子系統(tǒng)的整體性以及其運(yùn)行實(shí)際意義出發(fā)，定義了邊緣服務(wù)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性狀態(tài)，并在邊緣服務(wù)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析得到了邊緣服務(wù)子系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性判據(jù)。
　　第四，提出了一種基于