基于CDN與P2P技術(shù)IPTV系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

標(biāo)簽：CDP  P2P  IPTV

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)寬帶在中國(guó)的普及，人們對(duì)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(jì)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(tái)的IPTV將成為全球下一個(gè)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(jì)算機(jī)作為主要終端設(shè)備，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP)傳送電視信號(hào)，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(hào)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(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳送，最后在接收端進(jìn)行解碼，再通過(guò)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(diǎn)在于交互性和實(shí)時(shí)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(gè)概念于1996年由麻省理工學(xué)院一個(gè)小組提出的，并開(kāi)始對(duì)CDN技術(shù)進(jìn)行研究，他們?cè)?999年成立了一個(gè)專業(yè)CDN服務(wù)公司，為Yahoo提供了專業(yè)服務(wù)。如今在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多的企業(yè)和服務(wù)商開(kāi)始使用內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)CDN技術(shù)來(lái)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(chǔ)和內(nèi)容管理等。CDN的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括：(1)全局負(fù)載平衡，訪問(wèn)速度快，讓用戶連接到最近的服務(wù)器上去。(2)熱點(diǎn)內(nèi)容主動(dòng)傳送，自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)更新。(3)無(wú)縫集成、高可靠、可用性以及擴(kuò)展性。(4) 減少對(duì)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(diǎn)，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(lè)點(diǎn)播、電視直播、互動(dòng)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(duì)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(kāi)展方式建設(shè)起來(lái)的，如果直接用來(lái)為IPTV業(yè)務(wù)提供服務(wù)，還存在一些不足。如，對(duì)視頻編碼格式支持不足、時(shí)延太大、無(wú)法提供廣播級(jí)的視頻服務(wù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)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(chǔ)、分發(fā)、傳送，需要對(duì)現(xiàn)有CDN技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造。

四、P2P技術(shù)

P2P是對(duì)等連接peertopeer模式的簡(jiǎn)稱。目前，業(yè)界對(duì)P2P的定義還沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的說(shuō)法，簡(jiǎn)單地說(shuō)，P2P技術(shù)是一種用于不同PC用戶之間、不經(jīng)過(guò)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(duì)等網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(guò)對(duì)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(jì)算模型。P2P通過(guò)“非中心化”的設(shè)計(jì)和多點(diǎn)傳輸機(jī)制，實(shí)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(mén)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(shí)還可以節(jié)約電信運(yùn)營(yíng)商之間的對(duì)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(diǎn)，就是可用性問(wèn)題，盡管從整個(gè)系統(tǒng)而言，P2P是可靠的，但是對(duì)于單個(gè)內(nèi)容或者單個(gè)任務(wù)而言，P2P是不穩(wěn)定的，每個(gè)Peer可以隨時(shí)終止服務(wù)，甚至退出系統(tǒng)，即交換的內(nèi)容隨時(shí)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(gè)時(shí)代，各種模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(diǎn)。

顯然，CDN和P2P技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)在應(yīng)用上具有一定的互補(bǔ)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(gè)可管理的、能夠承載電信級(jí)內(nèi)容應(yīng)用的IPTV系統(tǒng)平臺(tái)。

從融合方式來(lái)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(diǎn)傳輸能力，實(shí)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(guò)這種架構(gòu)，可以在不增加CDN成本的同時(shí)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(guò)P2P的客戶端來(lái)獲取服務(wù)。

相比較而言，第一種方式對(duì)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(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)狀況下最理想的媒體業(yè)務(wù)承載平臺(tái)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(diǎn)引入了P2P技術(shù)來(lái)進(jìn)行文件及流媒體的共享，實(shí)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(jì)的IPTV系統(tǒng)平臺(tái)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(gè)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(diǎn)，從IPTV體系結(jié)構(gòu)的垂直控制功能上來(lái)講，一個(gè)典型的IPTV系統(tǒng)架構(gòu)采用分層的模式，使得平臺(tái)系統(tǒng)上的應(yīng)用開(kāi)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(tái)的業(yè)務(wù)與功能組成包含Web門(mén)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(mén)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(diǎn)播、視頻直播、視頻會(huì)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(shí)現(xiàn)視頻點(diǎn)播及其它視頻互動(dòng)活動(dòng)，無(wú)需安裝其它任何軟件，無(wú)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(yùn)營(yíng)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(chǔ)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(yùn)營(yíng)的綜合管理及運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)，包括用戶管理、認(rèn)證計(jì)費(fèi)、數(shù)字版權(quán)保護(hù)(DRM)、系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)配置管理等多個(gè)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(lái)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(duì)沖。通過(guò)這種集中的分布式架構(gòu)(見(jiàn)圖1)，將P2P的流量嚴(yán)格限制在同一邊緣節(jié)點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)。

(5)承載網(wǎng)絡(luò)層

IPTV是一種實(shí)時(shí)性的流媒體業(yè)務(wù)，其對(duì)端到端帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)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(guò)IPTV系統(tǒng)平臺(tái)觀看視頻節(jié)目的方法有兩種：一種是通過(guò)PC機(jī)來(lái)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(lái)觀看。這種形式更能體現(xiàn)IPTV的魅力。

七、系統(tǒng)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)

(1)用戶間可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息流通：可實(shí)現(xiàn)用戶間互動(dòng)，徹底從集中控制的傳統(tǒng)流媒體中解放出來(lái)，降低了技術(shù)應(yīng)用門(mén)檻，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)流媒體運(yùn)營(yíng)平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)的互動(dòng)直播和互動(dòng)點(diǎn)播;

(2)強(qiáng)大的音視頻文件操作功能：支持針對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)法正常播放，有效保護(hù)內(nèi)容供應(yīng)商的知識(shí)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(shí)現(xiàn)多級(jí)別的用戶管理;

(5)負(fù)載均衡管理，有效保證運(yùn)營(yíng)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(cè)與Web任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配，準(zhǔn)確地將用戶點(diǎn)播請(qǐng)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(tái)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(diǎn)播平臺(tái)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(tái)管理系統(tǒng)中做簡(jiǎn)單設(shè)置，即可實(shí)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(qiáng)大的計(jì)費(fèi)管理功能:系統(tǒng)提供多種途徑進(jìn)行用戶認(rèn)證和計(jì)費(fèi)，可按用戶類型定義收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，靈活定制多種計(jì)費(fèi)類型、優(yōu)惠政策、套餐組合。