基于CDN與P2P技術(shù)IPTV系統(tǒng)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

標(biāo)簽：CDP  P2P  IPTV

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)寬帶在中國的普及，人們對Internet提出了多樣化的應(yīng)用需求?，F(xiàn)在存在的各種形式，如網(wǎng)絡(luò)游戲、在線影視和電子郵件等都極大地豐富了人們的生活。隨著數(shù)字多媒體技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與家電產(chǎn)品的結(jié)合，融合多媒體內(nèi)容和寬帶網(wǎng)絡(luò)平臺的IPTV將成為全球下一個極具前景的、全新的寬帶服務(wù)模式。

二、IPTV基本概念

IPTV(InternetProtocolTV或InteractivePersonal TV)意思是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議電視，也叫交互式網(wǎng)絡(luò)電視，是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的多媒體通信技術(shù)。IPTV利用寬帶網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，以家用電視機(jī)或計算機(jī)作為主要終端設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP)傳送電視信號，向家庭用戶提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種交互式數(shù)字媒體服務(wù)。

IPTV的工作原理是把源端的電視信號數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，轉(zhuǎn)化成適合IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式，然后通過IP網(wǎng)絡(luò)傳送，最后在接收端進(jìn)行解碼，再通過電腦或是電視播放。由于數(shù)據(jù)的傳輸速度要求比較高，所以要采用最新的高效視頻壓縮技術(shù)，例如H.264，MPEG4等。其主要特點在于交互性和實時性。

三、CDN技術(shù)

CDN的英文全稱是ContentDeliveryNetwork，即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，也稱為內(nèi)容傳輸網(wǎng)絡(luò)。這個概念于1996年由麻省理工學(xué)院一個小組提出的，并開始對CDN技術(shù)進(jìn)行研究，他們在1999年成立了一個專業(yè)CDN服務(wù)公司，為Yahoo提供了專業(yè)服務(wù)。如今在國內(nèi)外已經(jīng)有很多的企業(yè)和服務(wù)商開始使用內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)CDN技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，以滿足用戶的需求。

CDN是建立在現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上的一種增值網(wǎng)絡(luò)，是在應(yīng)用層部署的一層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。CDN的核心是利用智能化策略技術(shù)，將中心的內(nèi)容和服務(wù)推送到網(wǎng)絡(luò)邊緣，使得用戶可以在最近的和服務(wù)質(zhì)量最佳的地方獲取服務(wù)，其關(guān)鍵技術(shù)包括高速緩存、負(fù)載均衡、內(nèi)容路由、內(nèi)容分發(fā)、內(nèi)容存儲和內(nèi)容管理等。CDN的技術(shù)優(yōu)點包括：(1)全局負(fù)載平衡，訪問速度快，讓用戶連接到最近的服務(wù)器上去。(2)熱點內(nèi)容主動傳送，自動跟蹤，自動更新。(3)無縫集成、高可靠、可用性以及擴(kuò)展性。(4) 減少對網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的占用，具有智能的管理控制能力。(5) 發(fā)送的內(nèi)容受到保護(hù)，而且內(nèi)容提供商可在本地自己決定服務(wù)的內(nèi)容。

基于上述的優(yōu)點，CDN技術(shù)能提高寬帶資源的利用率，增加流媒體在互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用普及，這些應(yīng)用包括在線播放、音樂點播、電視直播、互動游戲等，大大促進(jìn)Internet應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展。

但是，現(xiàn)有CDN網(wǎng)絡(luò)都只是針對傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、內(nèi)容傳送和業(yè)務(wù)開展方式建設(shè)起來的，如果直接用來為IPTV業(yè)務(wù)提供服務(wù)，還存在一些不足。如，對視頻編碼格式支持不足、時延太大、無法提供廣播級的視頻服務(wù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于簡單、隨著服務(wù)能力的擴(kuò)展，需要不斷的投資等。為了能夠承擔(dān)起IPTV業(yè)務(wù)的存儲、分發(fā)、傳送，需要對現(xiàn)有CDN技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造。

四、P2P技術(shù)

P2P是對等連接peertopeer模式的簡稱。目前，業(yè)界對P2P的定義還沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的說法，簡單地說，P2P技術(shù)是一種用于不同PC用戶之間、不經(jīng)過中繼設(shè)備直接交換數(shù)據(jù)或服務(wù)的技術(shù)。它打破了傳統(tǒng)的Client/Server模式，在對等網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點的地位都是相同的，具備客戶端和服務(wù)器雙重特性，可以同時作為服務(wù)使用者和服務(wù)提供者。

P2P是采用一種與CDN完全不同的內(nèi)容傳遞方式。P2P的核心是利用用戶資源，通過對等方式進(jìn)行文件傳輸，這完全不同于傳統(tǒng)的客戶服務(wù)器計算模型。P2P通過“非中心化”的設(shè)計和多點傳輸機(jī)制，實現(xiàn)了不依賴服務(wù)器而快速的交換文件?；赑2P的IPTV體系結(jié)構(gòu)可以使得IPTV業(yè)務(wù)的廣播和轉(zhuǎn)播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并提供自制的多媒體內(nèi)容得到基于全球覆蓋的共享和分發(fā)，同時還可以節(jié)約電信運營商之間的對接流量，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

然而，P2P系統(tǒng)也存在明顯的缺點，就是可用性問題，盡管從整個系統(tǒng)而言，P2P是可靠的，但是對于單個內(nèi)容或者單個任務(wù)而言，P2P是不穩(wěn)定的，每個Peer可以隨時終止服務(wù)，甚至退出系統(tǒng)，即交換的內(nèi)容隨時可能被刪除或者被終止共享。

迄今為止，P2P網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)歷了集中目錄式P2P網(wǎng)絡(luò)模型、純P2P網(wǎng)絡(luò)模型、混合式P2P網(wǎng)絡(luò)模型和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)模型等幾個時代，各種模型各有優(yōu)缺點，有的還存在著本身難以克服的缺陷，因此，在目前P2P技術(shù)應(yīng)用的階段，各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依然能夠共存，甚至呈現(xiàn)相互借鑒的形式。

五、CDN和P2P技術(shù)的融合

CDN和P2P被用于不同的領(lǐng)域，CDN主要用于可靠的Web和流媒體內(nèi)容分發(fā)，而P2P則主要用于內(nèi)容交換。兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點。

顯然，CDN和P2P技術(shù)的優(yōu)缺點在應(yīng)用上具有一定的互補性。如果能夠結(jié)合P2P的擴(kuò)展能力和CDN的可靠性、可管理性，就可以構(gòu)建一個可管理的、能夠承載電信級內(nèi)容應(yīng)用的IPTV系統(tǒng)平臺。

從融合方式來看，CDN和P2P融合有兩種形式，一種是將CDN的Cache設(shè)備以P2P的方式組織，利用P2P的目錄服務(wù)和多點傳輸能力，實現(xiàn)CDNCache設(shè)備之間的內(nèi)容交換，提升CDN的內(nèi)容分發(fā)能力;另外一種是將CDN的管理機(jī)制和服務(wù)能力引入P2P網(wǎng)絡(luò)，形成以CDN為可靠的內(nèi)容核心，以P2P為服務(wù)邊緣的架構(gòu)，通過這種架構(gòu)，可以在不增加CDN成本的同時有效提升CDN服務(wù)能力，更有效地避免了P2P應(yīng)用的諸多弊端，這種架構(gòu)下，用戶需要通過P2P的客戶端來獲取服務(wù)。

相比較而言，第一種方式對于提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性幫助不大，僅僅是從管理和控制平面提高了CDN的內(nèi)容分發(fā)能力。第二種方式應(yīng)用前途更加廣泛，是在當(dāng)前運營商網(wǎng)絡(luò)狀況下最理想的媒體業(yè)務(wù)承載平臺方案。

我們的CDN和P2P融合的優(yōu)化方案是建立在CDN基礎(chǔ)之上，在骨干網(wǎng)層次保留了原有的CDN系統(tǒng)的架構(gòu)和功能，在邊緣節(jié)點引入了P2P技術(shù)來進(jìn)行文件及流媒體的共享，實現(xiàn)了CDN技術(shù)與P2P傳輸?shù)慕Y(jié)合。

六、IPTV系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計的IPTV系統(tǒng)平臺采用分布式架構(gòu)部署，基于上述CDN和P2P相融合的技術(shù)，提供一個端到端的解決方案。

由于流媒體具有松耦合，高擴(kuò)展性的特點，從IPTV體系結(jié)構(gòu)的垂直控制功能上來講，一個典型的IPTV系統(tǒng)架構(gòu)采用分層的模式，使得平臺系統(tǒng)上的應(yīng)用開發(fā)能夠根據(jù)不斷變化的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求而快速擴(kuò)展，具體IPTV系統(tǒng)平臺的業(yè)務(wù)與功能組成包含Web門戶業(yè)務(wù)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、系統(tǒng)支撐層、流媒體傳輸層、承載網(wǎng)絡(luò)層和終端層。

(1)Web門戶業(yè)務(wù)層

以WEB網(wǎng)站的形式面向用戶提供各種應(yīng)用和服務(wù)。如，視頻點播、視頻直播、視頻會議、遠(yuǎn)程教育、可視聊天等。采用WEB模式，客戶端只要使用瀏覽器即可實現(xiàn)視頻點播及其它視頻互動活動，無需安裝其它任何軟件，無需做任何設(shè)置，做到了客戶端的免維護(hù)。

(2)業(yè)務(wù)服務(wù)層

業(yè)務(wù)服務(wù)層承擔(dān)了IPTV業(yè)務(wù)運營的所有基本功能，包括頻道管理、媒資管理、流媒體編碼、內(nèi)容存儲管理、內(nèi)容審核等。

(3)系統(tǒng)支撐層

系統(tǒng)支撐層是IPTV業(yè)務(wù)運營的綜合管理及運營支撐系統(tǒng)，包括用戶管理、認(rèn)證計費、數(shù)字版權(quán)保護(hù)(DRM)、系統(tǒng)實時監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)配置管理等多個子系統(tǒng)。

(4)流媒體傳輸層

采用CDN和P2P相融合的優(yōu)化技術(shù)來進(jìn)行流媒體的分發(fā)和傳輸，避免了骨干網(wǎng)上的流量對沖。通過這種集中的分布式架構(gòu)(見圖1)，將P2P的流量嚴(yán)格限制在同一邊緣節(jié)點的區(qū)域內(nèi)。

(5)承載網(wǎng)絡(luò)層

IPTV是一種實時性的流媒體業(yè)務(wù)，其對端到端帶寬、時延、抖動和誤碼率有較高的要求。承載網(wǎng)絡(luò)層采用IP網(wǎng)絡(luò)作為視頻承載網(wǎng)絡(luò)，支持廣播型的傳輸技術(shù)，而且核心網(wǎng)和城域網(wǎng)支持IP組播技術(shù)。

(6)終端層

通過IPTV系統(tǒng)平臺觀看視頻節(jié)目的方法有兩種：一種是通過PC機(jī)來觀看，這是目前廣泛采用的一種形式;第二種方法是用電視機(jī)連接STB(數(shù)字電視機(jī)頂盒)來觀看。這種形式更能體現(xiàn)IPTV的魅力。

七、系統(tǒng)平臺的優(yōu)點

(1)用戶間可實現(xiàn)點對點信息流通：可實現(xiàn)用戶間互動，徹底從集中控制的傳統(tǒng)流媒體中解放出來，降低了技術(shù)應(yīng)用門檻，實現(xiàn)了傳統(tǒng)流媒體運營平臺難以實現(xiàn)的互動直播和互動點播;

(2)強大的音視頻文件操作功能：支持針對音視頻節(jié)目的文件操作，如預(yù)覽、修改、剪切、合并、刪除等;

(3)數(shù)字版權(quán)保護(hù)(DRM)管理功能：可實現(xiàn)對數(shù)字節(jié)目的版權(quán)保護(hù)，非法用戶即使將內(nèi)容下載到本地也無法正常播放，有效保護(hù)內(nèi)容供應(yīng)商的知識產(chǎn)權(quán);

(4)完善的用戶認(rèn)證管理：完善的用戶管理和認(rèn)證機(jī)制，實現(xiàn)多級別的用戶管理;

(5)負(fù)載均衡管理，有效保證運營效率:系統(tǒng)提供完善的負(fù)載均衡功能，真正的基于服務(wù)器CPU、內(nèi)存監(jiān)測與Web任務(wù)實時監(jiān)控的動態(tài)任務(wù)分配，準(zhǔn)確地將用戶點播請求均衡到集群服務(wù)器中的流媒體服務(wù)器端，使負(fù)載真正能夠均衡，讓服務(wù)器集群中的每臺服務(wù)器都能發(fā)揮最大的效率，提高整體網(wǎng)絡(luò)性能，提高自愈性，確保網(wǎng)絡(luò)視頻點播平臺的關(guān)鍵性應(yīng)用;

(6)良好的擴(kuò)容性:采用分布式結(jié)構(gòu)體系，方便添加視頻服務(wù)器，在后臺管理系統(tǒng)中做簡單設(shè)置，即可實現(xiàn)視頻域集群組的擴(kuò)容，輕松滿足系統(tǒng)擴(kuò)容需求;

(7)強大的計費管理功能:系統(tǒng)提供多種途徑進(jìn)行用戶認(rèn)證和計費，可按用戶類型定義收費標(biāo)準(zhǔn)，靈活定制多種計費類型、優(yōu)惠政策、套餐組合。