因特网的迅猛发展和数字视频技术的日益成熟为大规模实时音视频媒体流应用提供了难得的发展机遇。然而,因特网是一个基于分组交换技术和TCP/IP协议的全球性互联网络,它的IP层使用尽最大努力交付的、单播通信方式的数据传输服务。对于具有大数据容量、延迟敏感的实时媒体流应用而言,因特网技术上的这些局限会带来服务质量难以保证、服务器可扩展性不高等诸多问题。目前,利用组播技术可以有效解决视频服务器瓶颈问题。通过实现一对多的视频数据传输可有效减少服务器带宽消耗,提高系统的可扩展性。但是因受限于因特网骨干路由器等核心设备大多不支持组播的限制,以及ISP在计费、管理、安全等方面存在的困难,目前组播技术仅能在小范围内实现,还不具备大规模实施的条件。组播覆盖网是网络层组播的一种很好的替代技术,它通过在应用层上构建虚拟网络来实现与网络层组播相似的功能。组播覆盖网的出现使得在因特网上人规模部署组播应用成为现实。组播覆盖网的性能优化需要从两个方面考虑:组播树构造算法优化以及底层拓扑-感知优化。设计与底层物理拓扑相匹配的覆盖拓扑对于提高组播覆盖网的性能非常有效,但是精确的底层拓扑探测会带来大量探测开销并且还需要大量基础设施节点来预测节点坐标,难于在真实网络中广泛实施。另外,因特网在设计之初没有考虑服务质量保证问题。目前IETF所制定的服务质量保证策略都是针对数据流端到端传输链路提出的。要在因特网这样一个复杂的全球性网络中实现全网范围内的服务质量保证在现阶段还很困难。针对上述问题,本文从视频传输网络的三个部分:用户接入网、传输网络和视频服务器,对视频传输系统中存在的关键问题进行了深入研究,致力于解决当前视频传输系统中存在的性价比不高、可扩展性差以及服务质量难以保证等问题。首先,针对标准Patching组播流调度方案不适合于热门视频节目点播的问题,结合服务器推方式常用的视频分段技术设计了一个自适应分段Patching(ASP)算法。APS最大的特点是实现了常规组播流和Patching流的最大化共享,后续对同一视频的Patching请求可以共享前面相邻几条或全部正在传输中的Patching信道数据。仿真实验和分析结果表明,ASP能极大地提高服务器的可扩展能力,尤其对于请求率很高的热门视频节目的点播,该方案可以获得比标准Patching和Double Patching等方案更好的性能。其次,在研究组播覆盖网模型的基础上,设计了一个运行于组播覆盖网之上的Patching流调度策略:范围Patching。首先构造一个具有两级分层结构的覆盖拓扑,然后在覆盖格网之上建立单源组播树。利用覆盖节点的缓存资源对常规组播流和Patching流进行缓存,为后续请求提供Patching服务,从而有效地减少服务器带宽的消耗。仿真结果显示,范围Patching在分段数较小时可以极大的减少服务器带宽消耗,尤其是在分段数小于组播树平均高度时,服务器仅需为每个视频请求分配一条传输信道。当请求率较低时,范围Patching方案可以获得比标准Patching、Double Patching和Batched Patching方案更高的可扩展性。而当请求率较高时,范围Patching方案则依赖于分段数与组播树平均高度间的关系。组播树平均高度越大,该方案的性能就越好。此外,范围Patching与同样采用分段技术的Batched Patching和金字塔广播等方案相比,实现了用户零初始等待延迟的“真”视频点播服务。再次,针对覆盖网性能优化和底层探测问题,提出了一个基于节点融合的底层拓扑探测方案。该方案综合考虑了视频传输系统和因特网结构的特点,在拓扑探测过程中执行节点融合操作,有效地减少了探测的次数。仿真结果表明,该方案在保证探测精度的同时能大大提高探测的效率。最后,针对当前BE网络无法提供有效的服务质量保证问题,设计并实现了一个基于本地接入网的带宽资源管理系统LRM,能够有效解决IntServ/RSVP、DiffSrv等服务质量保证机制的复杂性问题。通过对本地接入网可用带宽资源的有效管理和对用户视频流请求的实时监控,实现了有保证转发服务。测试结果表明LRM能有效满足本地带宽资源管理的要求,同时能为视频流传输服务提供比传统BE网络更好的服务质量保证。