随着分布式多媒体应用业务和宽带接入技术的发展,以多点音视频会议、重大赛事新闻现场直播、互联网点播电视、视频联网监控等为代表的多媒体群组通信应用不断涌现,这些群组通信应用带来了组播技术的大规模应用需求。为了适应这些群组通信的要求,研究人员针对IP组播技术进行了近二十年的研究,终因可扩展性等方面的问题未能在Internet中大规模开放IP组播应用。近年来,基于应用层的覆盖组播服务方案得到了越来越多的研究注意,优点是不需要底层设备的升级和功能扩展,能够随需配置。然而由于端系统的能力局限性使得目前的覆盖网络组播路由技术对于承载大规模多媒体群组通信应用来说仍面临着三大挑战：1)端系统的能力局限性导致整体分发延迟较长的问题；2)端系统的动态性导致整体分发延时较长的问题；3)局部灾难导致整体分发质量下降的问题。本文在武汉市科技攻关项目“车载多媒体通信系统”(No.20033001005-5-1)和湖北省科技攻关项目“光纤到户流媒体接入技术”(No.2006AA101A03)资助下,对覆盖网络组播路由控制技术和多媒体内容分发系统应用技术展开研究。本文针对组播构建时度约束条件下分发延迟大的问题、网络动态变化时延迟优化比例低的问题、以及局部灾难导致整体分发质量下降的问题,首先介绍覆盖服务网络的经典组播树理论模型,在该模型的基础上分别提出度约束最小延迟覆盖组播生成树算法、覆盖组播树子树重排路由算法和前向式覆盖网络组播树重构算法。最后综合以上研究成果,以多媒体内容分发应用为背景,提出一种适用于大规模多媒体内容分发系统的体系模型设计方案,并以此为指导开发和建设了一系列多媒体内容分发项目,在多媒体内容分发领域取得了重大的成效。本文在理论算法、应用方案方面具有如下贡献和创新：(1)度约束优化最小延迟覆盖组播生成树算法覆盖网络组播树生成算法存在度约束条件下分发延迟较大的问题,现有算法中节点选择模型以延时距离长短作为节点加入树的次序选择依据,而未考虑度约束小的节点分发能力较弱的问题,使得延时短但度较小的劣质节点优先加入树的概率较高,从而造成组播树的高度增加,整体分发延迟增大。为此本文研究了度约束条件对分发延迟的影响因素,提出度约束优化最小延迟覆盖组播生成树算法DCMD-D,在DCMD-H算法节点选择模型的基础上,将延时距离度量权值进一步改进为联合度约束和延时距离的混合度量权值。与DCMD-H算法相比,DCMD-D算法的度量权值更加精准,能够减小劣质节点被挑选为树主干节点的概率,从而降低分发延迟。实验证明在度约束低的节点比例超过20%的条件下,所生成的树与DCMD-H算法相比降低2%-6%的平均分发延迟。该成果应用于实时群组多媒体业务的分发系统构建,能够缩短用户等待时间。(2)剩余度无关的覆盖组播树节点置换路由重排优化算法覆盖网络组播树重排路由算法存在剩余度分布稀疏环境下延迟优化比例低的问题,现有算法中重排激活条件模型将剩余度作为必要条件,使得只有具有剩余度的节点可以进行重排优化,从而造成剩余度低的树延迟优化比例较小,分发延迟优化效率低。为此本文提出提出剩余度无关的覆盖组播树节点置换路由重排优化算法,算法在Ye算法的基础之上,去掉剩余度必要条件,采用子树路径排序交换策略代替剩余度迁移策略,使规模较大的子树经过若干次交换能够有效转移到低延迟的分发路径上,降低整体时延。与Ye算法相比,本算法能够适用于无剩余度但有优化空间的节点,提高了延迟优化比例。实验证明当树剩余可用度的总比例小于15%时,本文算法能比Ye算法平均提高5%-10%左右的延迟优化比例。该成果应用于实时群组多媒体业务的分发系统维护,能够对长时用户提供可持续的服务质量。(3)无相关前向式覆盖网络组播树重构算法覆盖网络组播树重构路由算法存在树节点失效概率高环境下容灾备份效率不高的问题,现有算法中备份父节点选择模型无法排除“依赖备份”的情况,使得互相备份的节点及其子树在异常情况下均离开树,从而使得子树分裂,恢复成功率下降。为此本文提出无相关前向式覆盖网络组播树重构算法,在JinHan算法备份父节点选择模型的基础上,在预计算过程中增加了对目标节点和备份父节点之间的备份相关性检测,限制树节点间“依赖备份”情况发生。相较于JinHan算法,本算法能够提高树的恢复成功率。实验证明当树节点失效概率高于10%时,本文算法相对Jinhan算法平均提高4.5%-7.5%的恢复成功率,同时仅升高1%-3%的恢复延时。该成果应用于实时群组多媒体业务的分发系统维护,能够提高系统的容错能力和自恢复能力。(4)多服务覆盖的多媒体内容分发系统体系模型目前传统的多媒体内容分发系统采用专有分发服务框架,往往只能为具有单一特点的多媒体应用提供分发服务,并且无法提供适合于群组多媒体通信的服务质量保障。针对这一问题,本文基于覆盖网络思想设计了一种分层服务的多媒体群组通信体系架构,该架构同时考虑静态图片传输服务、流式视频点播服务以及实时流媒体服务的特点,构建一个多服务覆盖的多媒体内容分发系统。与传统单一系统相比,该系统能够同时实现图片、视频以及实时流等各类分发服务,从而去除了重复开发系统的繁冗,节省了系统维护开销,同时融合本文覆盖组播理论成果,设计了具有服务质量保障的区分群组服务机制,提高了多媒体内容分发系统的性能及稳定性。综上所述,本文研究成果从应用层覆盖网络的角度探索高效可靠的组播分发质量(QoS)控制策略,为大规模多媒体群组通信系统的科学设计提供开创性的指导思想,具有重要的理论意义,对于车载多媒体通信系统、IPTV大型交互式网络数字电视等实用产品的研制与开发具有重要的应用价值。本文的最后还给出对未来研究工作的展望。