P2P-VoIP (Peer-to-Peer Voice over IP)是一种在互联网中通过P2P网络实现VoIP的新技术。相比传统C/S (Client/Server)架构的VoIP, P2P-VoIP具有部署成本低、维护成本低、易部署、易扩展、高可靠等优点,在10年左右的时间中逐渐成为Internet中一种最具影响力、颠覆性技术和最热门的应用。典型的P2P-VoIP系统有Skype、谷歌GTalk、腾讯QQ等。P2P-VoIP系统的一个关键需求是网络域的若干关键技术研究。其中包括：(1)互联网时延空间特点,P2P-VoIP系统作为对时延非常敏感的业务需要掌握互联网时延空间的特点,并根据互联网时延空间的特点设计网络架构,以解决应用层(Overlay)拓扑和网络层(underlay)拓扑不一致的问题,同时掌握互联网时延空间的特点对解决网络域中的其他关键技术问题也是非常重要的；(2)节点距离预测,P2P-VoIP系统需要拥有节点距离预测能力,以协助解决网络域中的邻近节点选择、超级节点选择、中继节点选择、负载均衡、备份等关键技术问题；(3)超级节点选择,P2P-VoIP系统需要拥有超级节点选择能力,选出一些性能较高的节点作为超级节点,以提高P2P-VoIP系统的性能；(4)中继节点选择,P2P-VoIP系统需要拥有中继节点选择能力,以提高P2P-VoIP的语音质量。目前学术界对网络域若干关键技术的研究主要有以下4个方面：(1)在互联网时延空间方而,主要集中于TIV (Triangle Inequality Violation)反三角研究,致力于分析TIV的特点,并根据TIV特点优化网络坐标系统,以减少网络坐标系统的误差；(2)在节点距离预测方面,主要集中于网络坐标系统研究,致力于通过有限的测量来预测互联网中任意节点之间的距离,以解决邻近节点选择等问题；(3)在超级节点方面,主要集中于超级节点网络架构研究,致力于普通节点和超级节点的2级P2P网络架构研究,以提高P2P系统的性能；(4)在中继节点选择方面,力图在P2P网络中选择低时延中继链路来中继VoIP业务,以提高P2P-VoIP的语音质量。然而,当前针对上述网络域若干关键技术的研究还存在一些问题：大多数研究通常关注于网络域的某一个方面,而没有针对网络域若干关键技术提出一个系统的解决方案,例如互联网时延空间的研究通常关注TIV反三角的研究,而没有研究AS (Autonomous System)和AS之间的链路时延特点等；TIV反三角研究在减少网络坐标系统误差的同时,却没有根据TIV反三角特点设计P2P-VoIP网络架构、超级节点选择算法、中继节点选择算法等；节点距离预测的研究通常适用于邻近节点选择,而不适用于中继节点选择；超级节点的研究通常关注于网络架构研究,却很少提出具体的超级节点选择算法；中继节点选择的研究更多的是方法方面的研究,很少有相应的算法可以应用到实际的P2P-VoIP系统中,也没有将上述网络域的关键技术结合提出一个系统的解决方案。本文在充分分析P2P-VoIP系统网络域若干关键技术研究需求的基础上,提出一个系统的解决方案,以提高P2P-VoIP系统的性能和可用性。本文将对P2P-VoIP系统网络域的4个关键技术进行研究：(1) Internet时延空间特点测量研究；(2)节点距离预测方案；(3)超级节点选择算法；(4)中继节点选择算法。相比之前的研究工作,本文致力于提供一套有效、高性能和可实用的P2P-VoIP系统解决方案,并且本文提出的网络域关键技术解决方案不仅对P2P-VoIP系统具有重要意义,而且在P2P的其他应用领域也有较好的应用前景。本文的主要贡献如下：(1)对中国Internet时延空间进行大量的测量研究,分析归纳出中国互联网时延空间的特点,为解决P2P-VoIP系统中网络架构设计、节点距离预测、超级节点选择算法和中继节点选择算法等关键技术问题提供依据。与目前大多数研究只使用一个时延矩阵不同,本文通过在不同时段测量得到的多个时延矩阵数据来分析中国Internet时延空间的特点。例如中国Internet存在大量的TIV反三角现象；链路时延呈现周期性变化规律,其周期为24小时；TIV中长边通常为大AS之间的链路；TIV呈现周期性变化规律,周期为24小时；AS内部的时延一般小于150ms; AS之间的时延变化较大,部分链路时延会超过300ms,不能满足VoIP通话的质量要求；网络拥塞多出现在大AS之间的链路。互联网时延空间特点的测量研究对解决P2P-VoIP系统中网络架构设计、节点距离预测、超级节点选择算法和中继节点选择算法等关键技术问题是至关重要的。(2)提出基于互联网时延空间的节点距离预测方案IDMS。IDMS的网络架构不仅可以作为P2P-VoIP系统的网络架构,而且为解决P2P-VoIP系统中超级节点选择和中继节点选择等关键技术问题提供依据。IDMS采用AS之间的时延矩阵进行节点距离预测。在IDMS中,节点存储2种时延矩阵：实时测量的时延矩阵和历史测量的时延矩阵,IDMS弥补了网络坐标系统不能有效地描绘TIV的缺陷。相比Phoenix的网络坐标系统,采用历史测量时延矩阵的IDMS,在网络忙时和闲时的节点距离预测相对误差的第90百分位分别减少53%和76.56%；短链路(时延小于50ms)预测相对误差的第90百分位分别减少85.80%和87.06%；TIV_V(TIV描绘正确)第90百分位分别提高70.56%和51.9l%；TIV_F(TIV描绘错误)第90百分位分别降低53.71%和57.26%；并且消息开销也大幅降低。IDMS的网络架构不仅可以作为P2P-VoIP系统的网络架构,而且为解决P2P-VoIP系统中超级节点选择和中继节点选择等关键技术问题提供依据。(3)提出基于IDMS和区域划分的超级节点选择算法,以优化P2P-VoIP系统的性能。为了在大规模且高动态的P2P网络中选择性能较高的节点作为超级节点,本文提出超级节点选择的一些指标要求,如普通节点访问超级节点的时延小、超级节点分布均匀、保持超级节点的比例、负载均衡、收敛时间小、抗扰动性强。根据上述指标要求,设计基于IDMS和区域划分的超级节点选择算法。节点根据AS进行聚类,同一个AS内的节点聚成一个簇,然后在每个簇中单独运行超级节点选择算法。为加速算法运行并减轻节点负载,在每个簇中进行区域划分,采用两级选举机制,并给出节点数量估计、区域划分参数估计、负载均衡机制、超级节点选择算法模型。理论分析和仿真实验表明本文设计的超级节点选择算法能够满足所述指标要求。(4)提出基于IDMS的中继节点选择算法,以提高P2P-VoIP业务的QoS。对中国Internet时延空间特点的分析表明中国Internet也存在大量的TIV(反三角)现象,并且部分链路的RTT大于300ms,该链路不能满足VoIP的QoS要求。TIV现象表明可以通过中继链路来提高VoIP的语音质量。中继节点选择算法基于IDMS和超级节点选择算法来设计。超级节点存储2种时延矩阵：实时测量的时延矩阵和历史测量的时延矩阵,普通节点向超级节点查询能够满足VoIP要求的中继节点,超级节点通过查询其存储的2种时延矩阵,寻找中继AS,进而在中继AS中找到中继节点。通过理论分析和基于测量数据的仿真实验,相比ASAP,本文的中继节点选择算法计算开销较小,只与时延矩阵的大小相关,选择的准确率能够达到ASAP的上限,并且系统开销在AS数量较小时,优于ASAP方案。