近年来IP组播的一些固有缺点限制了其在Internet上的广泛部署。作为IP组播的一种可选方案，应用层组播获得了广泛研究。应用层组播扩展树中发生的拥塞能显著影响应用层组播的性能。此外，网络层路由信息可以用来指导构造面向拓扑优化的覆盖网络，以提高应用层组播的性能。本文主要研究了应用层组播的随机建模和拓扑感知的应用层组播算法，本文还研究了变码率视频服务器的缓存管理策略，主要取得的成果有以下四点： 第一，提出统计链路模型并首次研究了拥塞对应用层组播扩展树稳定性的影响。论文发现相邻应用层链路的拥塞状态具有马尔可夫特性，并且引入相关度概念对统计链路模型进行求解。目前有关应用层组播的工作没做类似报导，论文的工作填补了这一研究领域的空白。模拟结果发现：拥塞更容易发生在较浅的树的节点上；应用层链路的拥塞概率非常显著地影响扩展树的稳定性；比较高的应用层链路的相关程度有利于组播树的稳定。以上工作为研究应用层组播的网络动态行为提供了一种新方法，还为设计应用层组播的拥塞控制、流控制或者可靠性传输等高级功能提供了丰富的信息。 第二，论文提出层间和层内2种冗余链路策略来增强应用层组播的稳定性。论文发现冗余链路引入链路拥塞状态的多重相关性，这导致丢失相邻应用层链路拥塞状态之间的马尔可夫特性。论文进一步引入“虚链路”概念来代替应用层链路，使得相邻虚链路的拥塞状态重新获得马尔可夫特性。因此，论文第一部分工作的结论可以无缝地移植到具有冗余链路的应用层组播环境中。模拟结果发现：2种冗余链路策略都显著地将拥塞的影响平衡到更深链路，因此增强应用层组播扩展树的稳定性；冗余链路策略引入较小的延迟开销(例如：当扩展树深度超过10，链路拥塞概率为0.2，普通应用层组播50％的节点将离开扩展树，而具有层间冗余链路的扩展树只有20％的节点受到拥塞影响，代价仅仅是约0.1单位的切换延迟)；层间冗余链路策略比层内冗余链路更有效地增强扩展树的稳定性，并且具有更低的网络延迟开销。本章的工作为使用统计/随机模型分析应用层组播树的网络动态行为提供了一个范例，结论也为设计基于应用层组播的高级功能提供了丰富信息。 第三，TAG是第一个使用底层路由信息来指导构造面向网络优化的覆盖网络的应用层组播算法，但Internet上广泛存在的匿名路由器却限制TAG获得足够的路径信息，从而降低了TAG的可行性。论文通过考察k维平衡树模型，发现匿名路由器急剧恶化TAG算法的成功率。论文进一步提出改进的TPAG算法，它使用洪泛的方式为新加入节点寻找最佳的父节点，并且设计了一个令牌协议来抑止爆炸性增长的洪泛请求。仿真结果证明TPAG很好地适应具有匿名路由器的真实路由环境，并且TPAG算法的平均链路强度平均仅为TAG算法的50％，因此它更好地将网络流量均衡到各个应用层组播会话节点。 第四，论文利用统计建模的方法研究了变码率视频服务器的缓存管理策略。论文首次为变码率视频服务器提出了确定性和统计的间隔缓存准入策略，并且利用概率论的中心极限定理简化了统计缓存准入策略的海量卷积运算，提出了具有极低算法复杂度的ROC间隔缓存准入策略和相应的缓存替换算法。仿真实验表明ROC策略平均提升30％的系统吞吐量，平均缓存利用率高达95％以上。相比较目前唯一可以有限地应用于变码率视频服务器间隔缓存的STP-L算法，ROC的系统吞吐量要平均高出22％，平均缓存利用率也要多出40％左右。据我们所知，ROC是目前唯一可以实际应用于变码率视频服务器的间隔缓存策略。