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当今世界，互联网在一对一模式的应用上取得了巨大成功，点对点的可靠文件传输和即时消息服务大量涌现并为广大用户所青睐。近些年来，人们对流媒体数据的共享需求日益增加，这些需求迫切需要本质上属于一对多模式的应用来满足，而多播技术目前正是在多用户间共享数据的最好方法。另一方面，一些缺点和不足导致IP多播不能被广泛地部署，因而不能作为一种便捷的服务被用户使用。这个矛盾导致研究人员转向另一种多播机制：应用层多播。由于树结构和基于树结构的数据转发网络具有易实现、网络资源利用率高等优点，因而在应用层多播协议中被广泛使用。但是，这些数据转发网络具有健壮性较差、节点失效恢复代价较高和存在影响吞吐率的瓶颈节点等问题。
为了在应用层上建立一个健壮的、可快速失效恢复的、充分利用节点带宽的数据转发网络，本文给出了一种基于蜂窝结构覆盖网络的应用层多播协议，该协议针对互联网上中小规模的单源视频或音频多播服务。在该协议中，所有的网络节点通过本文给给出节点加入算法映射到应用层上一个基于蜂窝结构的数据转发网络中，利用蜂窝结构的自然稳定性可以使得节点失效只影响局部少量节点，受影响的节点在不需要多播服务器干预的情况下可以从失效状态快速恢复。在此基础上，本文还给出了一种数据转发网络吞吐率的改善算法，该算法通过根据指定的规则调换节点在蜂窝结构网络中的位置，让节点更加有效地利用上行和下行带宽，从而增强整个应用层多播系统的数据转发能力。
此外，本文还给出了一种基于NS2和BRITE的应用层多播协议仿真方法，在该仿真方法的基础上，为了评价数据转发网络的健壮性，在仿真实验中将本文给出的协议和另外一种稳定的应用层多播协议K树进行了比较；为了评价失效恢复代价，将基于蜂窝结构的数据转发网络和度受限的最短路径树、度受限的最小生成树这两种普遍使用的数据转发网络进行了比较。为了证实本文给出的改善数据转发网络带宽利用率算法的有效性，在另外一项仿真实验中评价了该算法对于整个应用层多播系统数据转发能力的改善情况。
最后，本文给出了一个基于蜂窝结构覆盖网络应用层多播平台的设计和实现，利用这个平台提供的应用编程接口可以实现多种单源多播应用。作为研究项目的一部分，该多播平台被应用到了NTT未来网络研究所的i-Visto项目中，为该项目实现了一个单源多播系统的原型，在应用中证实了该应用层多播协议的可靠性和有效性。