第1章 绪论
视频服务为用户提供丰富可视的内容，并借助无线通信技术快速发展，吸引了海量用户利用移动手持设备接入互联网获取和观看视频内容。视频服务利用移动对等网络（mobile peer-to-peer，MP2P）技术实施高效的视频资源共享，在移动互联网中实现大规模、可扩展、个性化的移动视频服务部署，为用户提供高体验质量的视频内容。
1.1 视频资源共享的研究背景
随着无线通信技术和移动设备的快速发展，通过手持智能终端随时随地获取互联网服务已经成为人们必不可少的生活方式，这标志着移动互联网时代已经到来[1]。移动互联网不仅改变人们传统的生产生活方式，而且培育出的新型服务必将成为推动我国经济转型发展的新增长点。移动视频服务是目前移动互联网中最为流行的应用之一，主要包括视频直播和视频点播等服务，视频直播能够为视频用户提供视频内容推送服务，视频用户根据自身兴趣及需求变更直播的视频内容，但不具备与内容间的交互式操作；视频点播能够为用户提供主动式、交互式和个性化的服务，支持节目即点即放，同时支持视频与用户的互动，甚至支持节目的播放、暂停、倒退、快进和随机跳转等盒式录像机（video cassette recorder，VCR）操作[2-8]。根据2022年11月发布的《爱立信移动市场报告》，2022年底，全球移动数据流量为每月118EB，未来五年将增长4.2倍，全球移动数据流量达到每月约282EB，视频流量占所有移动数据流量的69%，预计到2027年将增加到79%。根据第50次《中国互联网络发展状况统计报告》，截至2022年6月，短视频用户规模为9.62亿，较2021年12月增长2805万，占网民整体的91.5%；网络直播用户规模达7.16亿，较2021年12月增长1290万，占网民整体的68.1%[9-17]。如图1-1所示，移动互联网下视频服务实现了异构网络融合、资源泛在接入，为视频用户提供高服务质量（quality of service，QoS）和体验质量。例如，在车载网络（vehicular ad hoc network，VANET）中部署视频服务能够为乘客提供高体验质量的视频内容、丰富人们的数字生活，而且也可以成为未来无线异构网络环境下视频服务的重要组成部分。
在移动互联网中部署视频服务通常采用对等（peer-to-peer，P2P）网络技术和MP2P网络技术构建视频资源分发模型，其中，MP2P是移动环境下的P2P网络，描述了一种在无线移动网络环境下自治的移动设备以对等方式交互、共享协作处理模式。MP2P支持节点的移动性，在网络带宽资源和终端资源有限的条件下，充分地利用每一个移动节点的资源为其他移动节点提供服务，使系统规模最大化。与传统的客户端/服务器（client/server，C/S）结构不同，P2P/MP2P是一种分布式计算模型，具有分布式、自组织等特征，能够有效地解决分布式环境下视频资源共享的可扩展性差、共享代价高等问题，已经成为国内外学者的研究热点[18-26]。P2P/MP2P网络中的每个节点可以相互分享自身的带宽和存储资源，为其他节点提供所需的视频资源，充分地利用网络中所有节点的带宽和存储资源，大大提高了视频系统的可扩展性。近年来，随着移动视频技术的发展[27-30]，MP2P技术为大规模移动视频服务提供了可行的解决方案，现有研究主要围绕MP2P组网策略、资源管理、分发和查询策略等方面展开研究。例如，文献[26]提出了一种车载网络下基于P2P的多媒体服务解决方案，建立了用户满意度模型，设计了视频资源分发和缓存更新策略，优化了资源共享效率，提高了用户的视觉体验效果。在移动环境下文献[31]～[33]提出了基于Chord结构的P2P模型。文献[32]改进了传统Chord结构中的finger表，增加了三个属性域：查询成功域、失败域及节点状态标志域。通过记录和标识资源查询结果与效率，从而提高资源查询成功率和效率。在Mesh网络中，文献[34]提出了基于Chord结构的P2P文件分享方法，将Mesh路由器的位置坐标进行哈希计算，使Mesh路由器组织成为一个Chord结构，不仅能够实现资源的快速定位，而且能够确保发现的资源供应者与资源请求者在物理位置上保持相近。文献[35]提出了一种车载网络下以用户体验质量为驱动的视频点播（video-on-demand，VoD）系统。该系统包含了两层网络：底层为基于V2V（vehicle-to-vehicle）的车载网络；上层为基于4G（generation）蜂窝网的Chord网络。在Chord结构中，每个节点利用本地的静态缓冲区存储一个或多个视频块，以确保可用资源的稳定性；将节点进行分组聚类，以平衡服务负载；利用Chord结构查询请求的资源，以降低用户启动时延。基于现有移动互联网中视频资源共享方法的研究，在移动互联网中部署视频服务需要解决以下几个问题。
（1）在视频服务特性方面，视频用户对视频内容的兴趣是驱动视频资源请求行为产生与变化的主要原因。当用户对视频内容产生兴趣时，会发送视频资源请求消息，当视频服务器或P2P/MP2P网络中的节点收到请求消息后，将所请求的视频资源发送至请求视频的用户；当请求视频的用户完成对视频内容的观看后，失去了对当前视频内容的兴趣，从而退出视频系统或请求其他感兴趣的视频资源。例如，对于视频直播服务，视频用户可以在不同视频直播间进行切换；视频点播服务除了能够支持视频用户在不同视频内容间进行切换，还允许视频用户异步请求和主动变更播放内容。视频用户不仅可以在任意的视频播放点加入视频系统，也可以在视频播放过程中改变播放点位置，从而形成视频用户在播放时间轴上的异构性。
视频用户对视频内容兴趣的变化导致了其对视频资源需求的不确定性，使得P2P网络中视频资源的供给与需求产生动态的不平衡。例如，当P2P/MP2P网络和视频服务器中存储的视频资源对应的计算与带宽资源小于视频用户请求规模时，视频用户需要等待P2P/MP2P网络和视频服务器提供所需的计算与带宽资源以完成视频数据接收与播放，从而产生等待时延；当P2P/MP2P网络和视频服务器中存储的视频资源对应的计算与带宽资源大于视频用户请求规模时，视频用户无须等待P2P/MP2P网络和视频服务器的计算与带宽资源分配时延，仅需要付出相对小的启动时延即可接收视频数据以完成视频播放，但P2P/MP2P网络和视频服务器中存储的冗余视频资源也会造成存储资源的浪费。因此，动态的播放行为会引起节点频繁地从P2P/MP2P网络中查询携带请求资源的提供者，以获取所需要的视频内容，造成网络中视频资源提供者与接收者间的逻辑连接不断地发生更迭，严重影响视频用户播放体验效果，并且大量的资源请求消息消耗宝贵的无线网络带宽资源。
（2）在视频资源分发体系结构方面，P2P/MP2P技术将网络节点映射到逻辑的覆盖网络中，为节点定义彼此之间的逻辑连接，并将节点进行组织，从而构建P2P网络结构，从而支持视频资源的大规模共享。现有的面向互联网的P2P/MP2P网络主要采用结构化和非结构化的方法组织与维护网络中的节点。结构化的P2P/MP2P网络主要包括分布式哈希表（distributed Hash tables，DHT）、Tree和混合结构（DHT与Tree的混合结构、DHT与链表的混合结构、Tree与链表的混合结构等）。结构化的P2P/MP2P网络能够利用结构中预先定义的节点间逻辑关系实现存储、计算和带宽资源的分配与调度，以支持视频资源的快速查询；然而，节点状态的变化（如改变播放内容、退出视频系统等）会导致预先定义的逻辑关系也产生变化，为了维护结构化的P2P/MP2P网络，网络节点需要不断地共享彼此的状态信息，从而维护彼此间的逻辑关系，产生极高的维护负载（维护负载与节点数量相关）。非结构化的P2P/MP2P网络没有为网络节点定义彼此间的逻辑关系，即网络节点根据视频分发需求动态地维护与其他节点间的逻辑关系，松散的P2P/MP2P网络结构具有较强的可扩展性，不会随着网络节点数量的增加而产生难以承受的维护负载；然而，网络节点查询视频资源依赖于自身维护的邻居节点数量，视频资源查询时延大且易变性高，视频资源查询成功率低，且一旦查询失败，则利用泛洪方法广播视频请求消息，不仅浪费网络带宽资源，而且造成查询时延提升、网络拥塞风险增加。
（3）在视频资源管理与共享方面，视频资源在P2P/MP2P网络中离散分布，P2P/MP2P网络节点在本地存储一定数量的视频资源，为其他网络节点提供视频传输服务。由于网络节点存储能力相对有限，当网络节点存储空间已满且需要请求新的视频资源时，需要删除本地存储的视频资源以存储新的视频资源。事实上，网络节点本地视频资源的替换会引起P2P/MP2P网络视频资源分布的变化。当网络节点本地存储的视频资源众多且替换视频数量较少时，网络节点本地资源的变化对整个P2P/MP2P网络视频资源分布的影响程度较小；当网络节点本地存储的视频资源众多且替换视频数量较大时，网络节点本地资源的变化对整个P2P/MP2P网络视频资源分布的影响程度较大；当网络节点本地存储的视频资源较少时，网络节点本地资源的轻微变化也会对整个P2P/MP2P网络视频资源分布带来较大的影响。视频资源管理应当根据视频用户兴趣变化调节P2P网络视频资源分布，动态平衡视频资源需求与供给，利用有限的存储资源满足视频用户需求，最小化视频请求时延，最大化网络存储资源利用率。
（4）在节点移动性方面，移动互联网中节点根据自身需要在区域内移动，节点的移动导致地理位置不断发生变化，也使得网络拓扑不断变化，对视频资源的分布和视频数据的传输带来严重的负面影响。对于视频资源的分布，网络节点作为视频资源的携带者，视频资源随节点的移动而产生地理位置的变化，导致视频资源在地理位置上的分布发生动态变化。视频请求消息通过有限数量的中继节点转发到视频提供节点，因此，视频资源在地理空间的位移引起的分布变化不仅容易增加视频搜索的时间（视频请求节点与视频提供节点间的地理距离增加导致视频查询路径中继节点数量增加），而且增加视频搜索失败的风险。对于视频数据传输，视频请求节点与视频提供节点间的地理距离随通信双方节点的移动而发生动态变化，以至于视频请求节点与视频提供节点间的视频数据传输路径发生动态变化，从而增加了视频数据传输的风险，而且增大视频数据丢失的风险。
移动互联网中移动节点的带宽、计算、存储和续航能力相对有限，视频资源共享受到用户兴趣变化、节点能力、移动性等方面的影响，应当感知用户兴趣变化，动态调整视频资源分布，满足用户资源需求；感知用户移动性变化，动态调整视频数据传输策略，确保视频传输实时性和可靠性；建立自适应动态网络环境的P2P/MP2P网络结构，优化与平衡网络资源分布和使用，支持节点间协作共享视频资源，降低网络结构维护成本。
国务院发布的《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》、工业和信息化部与国家发展和改革委员会联合发布的《信息产业发展指南》明确指出，适应重点行业融合创新发展需求，完善无线传感网、行业云及大数据平台等新型应用基础设施。实施云计算工程，大力提升公共云服务能力，引导行业信息化应用向云计算平台迁移，加快内容分发网络建设，优化数据中心布局。加强物联网网络架构研究，组织开展国家物联网重大应用示范，鼓励具备条件的企业建设跨行业物联网运营和支撑平台。加强未来网络顶层设计，加强未来网络长期演进的战略布局和技术储备，开展网络体系架构、安全性和标准研究，重点突破软件定义网络（software defined network，SDN）/网络功能虚拟化（network functions virtualization，NFV）、网络操作系统、内容分发等关键技术，推动关键技术试验验证，组织开展规模应用试验。因此，研究视频资源共享机制与方法，使用移动对等网络技术有效地解决在移动互联网中提供大规模和高质量的视频服务时存在的问题，使得移动节点具备协同、感知、学习和自适应的

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 视频资源共享的研究背景 1
1.2 视频资源共享的研究现状 5
1.2.1 用户播放行为预测 6
1.2.2 基于MP2P的资源管理与分发体系结构 7
1.2.3 视频资源调度与分配 10
1.2.4 基于虚拟社区的视频资源管理与共享 11
1.3 视频资源共享面临的挑战与发展趋势 13
1.3.1 面临的挑战 13
1.3.2 发展趋势 15
1.4 视频资源共享的关键技术 16
参考文献 17
第2章 基于需求感知和缓存优化的视频共享方法 22
2.1 引言 22
2.2 相关工作 25
2.3 视频散播模型 26
2.4 基于需求感知的资源分布变化评估 28
2.4.1 用户需求感知 28
2.4.2 视频分布变化程度的感知 31
2.5 视频共享方法 32
2.6 仿真测试与性能评估 35
2.6.1 测试拓扑与仿真环境 35
2.6.2 仿真性能评价 36
2.7 本章小结 44
参考文献 45
第3章 基于用户兴趣感知的视频共享方法 47
3.1 引言 47
3.2 相关工作 49
3.3 用户查询行为分析 51
3.4 基于视频聚类的节点社区构建 54
3.5 视频混合搜索策略 57
3.6 仿真测试与性能评估 61
3.6.1 测试拓扑与仿真环境 61
3.6.2 仿真性能评价 62
3.7 本章小结 68
参考文献 69
第4章 无线网络下基于交互感知和视频社区的内容交付方法 71
4.1 引言 71
4.2 相关工作 74
4.3 IVCCD方法概述 76
4.4 交互行为感知方法 76
4.5 社区角色分配与资源查询方法 81
4.6 社区资源分布优化方法 83
4.7 仿真测试与性能评估 85
4.7.1 测试拓扑与仿真环境 85
4.7.2 仿真性能评价 86
4.8 本章小结 95
参考文献 96
第5章 面向突发密集请求的视频资源散播方法 98
5.1 引言 98
5.2 相关工作 100
5.3 视频流行度度量 101
5.4 视频资源散播方法 104
5.5 仿真测试与性能评估 108
5.5.1 测试拓扑与仿真环境 108
5.5.2 仿真性能评价 109
5.6 本章小结 115
参考文献 115
第6章 基于相似播放模式抽取的视频资源共享方法 118
6.1 引言 118
6.2 相关工作 120
6.3 播放模式抽取方法 121
6.4 节点子集合的视频搜索和维护方法 123
6.5 仿真测试与性能评估 126
6.5.1 测试拓扑与仿真环境 126
6.5.2 仿真性能评价 127
6.6 本章小结 131
参考文献 131
第7章 基于聚类树的视频搜索方法 133
7.1 引言 133
7.2 相关工作 135
7.3 视频块二叉树的构建 136
7.4 节点社区的构建 139
7.5 节点社区的维护 141
7.6 视频块的搜索策略 142
7.7 仿真测试与性能评估 144
7.7.1 测试拓扑与仿真环境 144
7.7.2 仿真性能评价 145
7.8 本章小结 150
参考文献 150
第8章 基于跨层感知和邻居协作的资源共享方法 152
8.1 引言 152
8.2 邻居节点的选择方法 154
8.3 节点簇的构建策略 156
8.4 节点社区的维护 159
8.5 资源提供者切换方法 161
8.6 仿真测试与性能评估 162
8.6.1 测试拓扑与仿真环境 162
8.6.2 仿真性能评价 163
8.7 本章小结 170
参考文献 171
第9章 基于稳定邻居节点的视频资源协作获取方法 173
9.1 引言 173
9.2 邻居节点稳定性评估模型 175
9.2.1 IN节点运动状态变化 177
9.2.2 基于自调节周期的IN节点更新机制 179
9.2.3 稳定性评估模型 180
9.3 通信质量预测模型 181
9.4 协作邻居选择及资源获取 183
9.5 仿真测试与性能评估 185
9.5.1 测试拓扑与仿真环境 185
9.5.2 仿真性能评价 186
9.6 本章小结 197
参考文献 197
第10章 基于车辆移动行为相似性评估的视频共享方法 199
10.1 引言 199
10.2 相关工作 201
10.3 车辆移动轨迹的表示 203
10.4 道路流量评估 208
10.5 基于车辆移动行为相似的视频资源共享策略 213
10.6 仿真测试与性能评估 214
10.6.1 测试拓扑与仿真环境 214
10.6.2 仿真性能评价 217
10.7 本章小结 224
参考文献 225
第11章 移动内容中心网络下基于贡献度感知与节点协同的视频交付方法 227
11.1 引言 227
11.2 相关工作 230
11.3 邻居节点贡献能力评估 231
11.4 逻辑邻居节点资源供给能力的评估 234
11.5 节点间邻居关系的构建与维护 238
11.6 仿真测试与性能评估 241
11.6.1 测试拓扑与仿真环境 241
11.6.2 仿真性能评价 242
11.7 本章小结 247
参考文献 248