基于CDN与P2P技术的IPTV系统平台的设计与实现

一、引言

随着互联网宽带在中国的普及，人们对Internet提出了多样化的应用需求。现在存在的各种形式，如网络游戏、在线影视和电子邮件等都极大地丰富了人们的生活。随着数字多媒体技术和计算机网络技术与家电产品的结合，融合多媒体内容和宽带网络平台的IPTV将成为全球下一个极具前景的、全新的宽带服务模式。
    
　　二、IPTV基本概念
    
　　IPTV(Internet Protocol TV或Interactive Personal TV)意思是互联网协议电视，也叫交互式网络电视，是一种基于互联网的多媒体通信技术。IPTV利用宽带网的基础设施，以家用电视机或计算机作为主要终端设备，通过互联网络协议(IP)传送电视信号，向家庭用户提供包括电视节目在内的多种交互式数字媒体服务。
    
　　IPTV的工作原理是把源端的电视信号数据进行编码处理，转化成适合IP网络传输的数据形式，然后通过IP网络传送，最后在接收端进行解码，再通过电脑或是电视播放。由于数据的传输速度要求比较高，所以要采用最新的高效视频压缩技术，例如H.264，MPEG4等。其主要特点在于交互性和实时性。
    
　　三、CDN技术
    
　　CDN的英文全称是Content Delivery Network，即内容分发网络，也称为内容传输网络。这个概念于1996年由麻省理工学院一个小组提出的，并开始对CDN技术进行研究，他们在1999年成立了一个专业CDN服务公司，为Yahoo提供了专业服务。如今在国内外已经有很多的企业和服务商开始使用内容传送网络CDN技术来提高网络服务质量，以满足用户的需求。
   
　　CDN是建立在现有IP网络基础结构之上的一种增值网络，是在应用层部署的一层网络架构。CDN的核心是利用智能化策略技术，将中心的内容和服务推送到网络边缘，使得用户可以在最近的和服务质量最佳的地方获取服务，其关键技术包括高速缓存、负载均衡、内容路由、内容分发、内容存储和内容管理等。CDN的技术优点包括：(1) 全局负载平衡，访问速度快，让用户连接到最近的服务器上去。(2) 热点内容主动传送，自动跟踪，自动更新。(3) 无缝集成、高可靠、可用性以及扩展性。(4) 减少对网络带宽资源的占用，具有智能的管理控制能力。(5) 发送的内容受到保护，而且内容提供商可在本地自己决定服务的内容。
    
　　基于上述的优点，CDN技术能提高宽带资源的利用率，增加流媒体在互联网上的应用普及，这些应用包括在线播放、音乐点播、电视直播、互动游戏等，大大促进Internet应用和服务的发展。
   
　　但是，现有CDN网络都只是针对传统互联网的网络结构、内容传送和业务开展方式建设起来的，如果直接用来为IPTV业务提供服务，还存在一些不足。如，对视频编码格式支持不足、时延太大、无法提供广播级的视频服务、系统结构过于简单、随着服务能力的扩展，需要不断的投资等。为了能够承担起IPTV业务的存储、分发、传送，需要对现有CDN技术进行优化改造。
    
　　四、P2P技术
   
　　P2P是对等连接peer to peer模式的简称。目前，业界对P2P的定义还没有一个标准的说法，简单地说，P2P技术是一种用于不同PC用户之间、不经过中继设备直接交换数据或服务的技术。它打破了传统的Client/Server模式，在对等网络中，每个节点的地位都是相同的，具备客户端和服务器双重特性，可以同时作为服务使用者和服务提供者。
   
　　P2P是采用一种与CDN完全不同的内容传递方式。P2P的核心是利用用户资源，通过对等方式进行文件传输，这完全不同于传统的客户服务器计算模型。P2P通过"非中心化"的设计和多点传输机制，实现了不依赖服务器而快速的交换文件。基于P2P的IPTV体系结构可以使得IPTV业务的广播和转播等门槛得到降低，可以让更多用户参与并提供自制的多媒体内容得到基于全球覆盖的共享和分发，同时还可以节约电信运营商之间的对接流量，减少网络建设成本。
  
　　然而，P2P系统也存在明显的缺点，就是可用性问题，尽管从整个系统而言，P2P是可靠的，但是对于单个内容或者单个任务而言，P2P是不稳定的，每个Peer可以随时终止服务，甚至退出系统，即交换的内容随时可能被删除或者被终止共享。
  
　　迄今为止，P2P网络已经历了集中目录式P2P网络模型、纯P2P网络模型、混合式P2P网络模型和结构化网络模型等几个时代，各种模型各有优缺点，有的还存在着本身难以克服的缺陷，因此，在目前P2P技术应用的阶段，各种网络结构依然能够共存，甚至呈现相互借鉴的形式。
    
　　五、CDN和P2P技术的融合
    
　　CDN和P2P被用于不同的领域，CDN主要用于可靠的Web和流媒体内容分发，而P2P则主要用于内容交换。两种技术各有优缺点。
    
　　显然，CDN和P2P技术的优缺点在应用上具有一定的互补性。如果能够结合P2P的扩展能力和CDN的可靠性、可管理性，就可以构建一个可管理的、能够承载电信级内容应用的IPTV系统平台。 
 
　　从融合方式来看，CDN和P2P融合有两种形式，一种是将CDN的Cache设备以P2P的方式组织，利用P2P的目录服务和多点传输能力，实现CDN Cache设备之间的内容交换，提升CDN的内容分发能力；另外一种是将CDN的管理机制和服务能力引入P2P网络，形成以CDN为可靠的内容核心，以P2P为服务边缘的架构，通过这种架构，可以在不增加CDN成本的同时有效提升CDN服务能力，更有效地避免了P2P应用的诸多弊端，这种架构下，用户需要通过P2P的客户端来获取服务。
    
　　相比较而言，第一种方式对于提高系统的扩展性帮助不大，仅仅是从管理和控制平面提高了CDN的内容分发能力。第二种方式应用前途更加广泛，是在当前运营商网络状况下最理想的媒体业务承载平台方案。
   
　　我们的CDN和P2P融合的优化方案是建立在CDN基础之上，在骨干网层次保留了原有的CDN系统的架构和功能，在边缘节点引入了P2P技术来进行文件及流媒体的共享，实现了CDN技术与P2P传输的结合。具体技术架构如图1所示。

六、IPTV系统架构
   
　　本文设计的IPTV系统平台采用分布式架构部署，基于上述CDN和P2P相融合的技术，提供一个端到端的解决方案。
   
　　由于流媒体具有松耦合，高扩展性的特点，从IPTV体系结构的垂直控制功能上来讲，一个典型的IPTV系统架构采用分层的模式，使得平台系统上的应用开发能够根据不断变化的业务应用需求而快速扩展，具体IPTV系统平台的业务与功能组成包含Web门户业务层、业务服务层、系统支撑层、流媒体传输层、承载网络层和终端层。具体结构见图2所示。

图2 基于CDN和P2P技术的IPTV系统平台功能分层架构图

(1) Web门户业务层

以WEB网站的形式面向用户提供各种应用和服务。如，视频点播、视频直播、视频会议、远程教育、可视聊天等。采用WEB模式，客户端只要使用浏览器即可实现视频点播及其它视频互动活动，无需安装其它任何软件，无需做任何设置，做到了客户端的免维护。
    
　　(2) 业务服务层
    
　　业务服务层承担了IPTV业务运营的所有基本功能，包括频道管理、媒资管理、流媒体编码、内容存储管理、内容审核等。
    
　　(3) 系统支撑层
    
　　系统支撑层是IPTV业务运营的综合管理及运营支撑系统，包括用户管理、认证计费、数字版权保护（DRM）、系统实时监控、网络配置管理等多个子系统。
    
　　(4) 流媒体传输层
    
　　采用CDN和P2P相融合的优化技术来进行流媒体的分发和传输，避免了骨干网上的流量对冲。通过这种集中的分布式架构（见图1），将P2P的流量严格限制在同一边缘节点的区域内。
    
　　(5) 承载网络层
    
　　IPTV是一种实时性的流媒体业务，其对端到端带宽、时延、抖动和误码率有较高的要求。承载网络层采用IP网络作为视频承载网络，支持广播型的传输技术，而且核心网和城域网支持IP组播技术。
    
　　(6) 终端层
   
　　通过IPTV系统平台观看视频节目的方法有两种：一种是通过PC机来观看，这是目前广泛采用的一种形式；第二种方法是用电视机连接STB（数字电视机顶盒）来观看。这种形式更能体现IPTV的魅力。

七、系统平台的优点
    
(1) 用户间可实现点对点信息流通：可实现用户间互动，彻底从集中控制的传统流媒体中解放出来，降低了技术应用门槛，实现了传统流媒体运营平台难以实现的互动直播和互动点播；
(2) 强大的音视频文件操作功能：支持针对音视频节目的文件操作，如预览、修改、剪切、合并、删除等；
(3) 数字版权保护（DRM）管理功能：可实现对数字节目的版权保护，非法用户即使将内容下载到本地也无法正常播放，有效保护内容供应商的知识产权；
(4) 完善的用户认证管理：完善的用户管理和认证机制，实现多级别的用户管理；
图2 基于CDN和P2P技术的IPTV系统平台功能分层架构图
(5) 负载均衡管理，有效保证运营效率:系统提供完善的负载均衡功能，真正的基于服务器CPU、内存监测与Web任务实时监控的动态任务分配，准确地将用户点播请求均衡到集群服务器中的流媒体服务器端，使负载真正能够均衡，让服务器集群中的每台服务器都能发挥最大的效率，提高整体网络性能，提高自愈性，确保网络视频点播平台的关键性应用；
(6) 良好的扩容性:采用分布式结构体系，方便添加视频服务器，在后台管理系统中做简单设置，即可实现视频域集群组的扩容，轻松满足系统扩容需求；
(7) 强大的计费管理功能:系统提供多种途径进行用户认证和计费，可按用户类型定义收费标准，灵活定制多种计费类型、优惠政策、套餐组合。

参考文献:
    
[1] 许永明 谢质文 欧阳春：IPTV—技术与应用实践， 电子工业出版社，2006
[2] 金纯 齐岩松 于鸿洋 陈前斌：IPTV及其解决方案， 国防工业出版社，2006