基于CDN與P2P技術IPTV系統平臺的設計與實現
一、引言
隨著互聯網寬帶在中國的普及，人們對Internet提出了多樣化的應用需求。現在存在的各種形式，如網絡游戲、在線影視和電子郵件等都極大地豐富了人們的生活。隨著數字多媒體技術和計算機網絡技術與家電產品的結合，融合多媒體內容和寬帶網絡平臺的IPTV將成為全球下一個極具前景的、全新的寬帶服務模式。
二、IPTV基本概念
IPTV(InternetProtocolTV或InteractivePersonal TV)意思是互聯網協議電視，也叫交互式網絡電視，是一種基于互聯網的多媒體通信技術。IPTV利用寬帶網的基礎設施，以家用電視機或計算機作為主要終端設備，通過互聯網絡協議(IP)傳送電視信號，向家庭用戶提供包括電視節目在內的多種交互式數字媒體服務。
IPTV的工作原理是把源端的電視信號數據進行編碼處理，轉化成適合IP網絡傳輸的數據形式，然后通過IP網絡傳送，最后在接收端進行解碼，再通過電腦或是電視播放。由于數據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，例如H.264，MPEG4等。其主要特點在于交互性和實時性。
三、CDN技術
CDN的英文全稱是ContentDeliveryNetwork，即內容分發網絡，也稱為內容傳輸網絡。這個概念于1996年由麻省理工學院一個小組提出的，并開始對CDN技術進行研究，他們在1999年成立了一個專業CDN服務公司，為Yahoo提供了專業服務。如今在國內外已經有很多的企業和服務商開始使用內容傳送網絡CDN技術來提高網絡服務質量，以滿足用戶的需求。
CDN是建立在現有IP網絡基礎結構之上的一種增值網絡，是在應用層部署的一層網絡架構。CDN的核心是利用智能化策略技術，將中心的內容和服務推送到網絡邊緣，使得用戶可以在最近的和服務質量最佳的地方獲取服務，其關鍵技術包括高速緩存、負載均衡、內容路由、內容分發、內容存儲和內容管理等。CDN的技術優點包括：
(1)全局負載平衡，訪問速度快，讓用戶連接到最近的服務器上去。
(2)熱點內容主動傳送，自動跟蹤，自動更新。
(3)無縫集成、高可靠、可用性以及擴展性。
(4) 減少對網絡帶寬資源的占用，具有智能的管理控制能力。
(5) 發送的內容受到保護，而且內容提供商可在本地自己決定服務的內容。
基于上述的優點，CDN技術能提高寬帶資源的利用率，增加流媒體在互聯網上的應用普及，這些應用包括在線播放、音樂點播、電視直播、互動游戲等，大大促進Internet應用和服務的發展。
但是，現有CDN網絡都只是針對傳統互聯網的網絡結構、內容傳送和業務開展方式建設起來的，如果直接用來為IPTV業務提供服務，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、系統結構過于簡單、隨著服務能力的擴展，需要不斷的投資等。為了能夠承擔起IPTV業務的存儲、分發、傳送，需要對現有CDN技術進行優化改造。
四、P2P技術
P2P是對等連接peertopeer模式的簡稱。目前，業界對P2P的定義還沒有一個標準的說法，簡單地說，P2P技術是一種用于不同PC用戶之間、不經過中繼設備直接交換數據或服務的技術。它打破了傳統的Client/Server模式，在對等網絡中，每個節點的地位都是相同的，具備客戶端和服務器雙重特性，可以同時作為服務使用者和服務提供者。
P2P是采用一種與CDN完全不同的內容傳遞方式。P2P的核心是利用用戶資源，通過對等方式進行文件傳輸，這完全不同于傳統的客戶服務器計算模型。P2P通過“非中心化”的設計和多點傳輸機制，實現了不依賴服務器而快速的交換文件。基于P2P的IPTV體系結構可以使得IPTV業務的廣播和轉播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并提供自制的多媒體內容得到基于全球覆蓋的共享和分發，同時還可以節約電信運營商之間的對接流量，減少網絡建設成本。
然而，P2P系統也存在明顯的缺點，就是可用性問題，盡管從整個系統而言，P2P是可靠的，但是對于單個內容或者單個任務而言，P2P是不穩定的，每個Peer可以隨時終止服務，甚至退出系統，即交換的內容隨時可能被刪除或者被終止共享。
迄今為止，P2P網絡已經歷了集中目錄式P2P網絡模型、純P2P網絡模型、混合式P2P網絡模型和結構化網絡模型等幾個時代，各種模型各有優缺點，有的還存在著本身難以克服的缺陷，因此，在目前P2P技術應用的階段，各種網絡結構依然能夠共存，甚至呈現相互借鑒的形式。
五、CDN和P2P技術的融合
CDN和P2P被用于不同的領域，CDN主要用于可靠的Web和流媒體內容分發，而P2P則主要用于內容交換。兩種技術各有優缺點。
顯然，CDN和P2P技術的優缺點在應用上具有一定的互補性。如果能夠結合P2P的擴展能力和CDN的可靠性、可管理性，就可以構建一個可管理的、能夠承載電信級內容應用的IPTV系統平臺。
從融合方式來看，CDN和P2P融合有兩種形式，一種是將CDN的Cache設備以P2P的方式組織，利用P2P的目錄服務和多點傳輸能力，實現CDNCache設備之間的內容交換，提升CDN的內容分發能力;另外一種是將CDN的管理機制和服務能力引入P2P網絡，形成以CDN為可靠的內容核心，以P2P為服務邊緣的架構，通過這種架構，可以在不增加CDN成本的同時有效提升CDN服務能力，更有效地避免了P2P應用的諸多弊端，這種架構下，用戶需要通過P2P的客戶端來獲取服務。
相比較而言，第一種方式對于提高系統的擴展性幫助不大，僅僅是從管理和控制平面提高了CDN的內容分發能力。第二種方式應用前途更加廣泛，是在當前運營商網絡狀況下最理想的媒體業務承載平臺方案。
我們的CDN和P2P融合的優化方案是建立在CDN基礎之上，在骨干網層次保留了原有的CDN系統的架構和功能，在邊緣節點引入了P2P技術來進行文件及流媒體的共享，實現了CDN技術與P2P傳輸的結合。 #p#
六、IPTV系統架構
本文設計的IPTV系統平臺采用分布式架構部署，基于上述CDN和P2P相融合的技術，提供一個端到端的解決方案。
由于流媒體具有松耦合，高擴展性的特點，從IPTV體系結構的垂直控制功能上來講，一個典型的IPTV系統架構采用分層的模式，使得平臺系統上的應用開發能夠根據不斷變化的業務應用需求而快速擴展，具體IPTV系統平臺的業務與功能組成包含Web門戶業務層、業務服務層、系統支撐層、流媒體傳輸層、承載網絡層和終端層。
(1)Web門戶業務層
以WEB網站的形式面向用戶提供各種應用和服務。如，視頻點播、視頻直播、視頻會議、遠程教育、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，無需做任何設置，做到了客戶端的免維護。
(2)業務服務層
業務服務層承擔了IPTV業務運營的所有基本功能，包括頻道管理、媒資管理、流媒體編碼、內容存儲管理、內容審核等。
(3)系統支撐層
系統支撐層是IPTV業務運營的綜合管理及運營支撐系統，包括用戶管理、認證計費、數字版權保護(DRM)、系統實時監控、網絡配置管理等多個子系統。
(4)流媒體傳輸層
采用CDN和P2P相融合的優化技術來進行流媒體的分發和傳輸，避免了骨干網上的流量對沖。通過這種集中的分布式架構(見圖1)，將P2P的流量嚴格限制在同一邊緣節點的區域內。
(5)承載網絡層
IPTV是一種實時性的流媒體業務，其對端到端帶寬、時延、抖動和誤碼率有較高的要求。承載網絡層采用IP網絡作為視頻承載網絡，支持廣播型的傳輸技術，而且核心網和城域網支持IP組播技術。
(6)終端層
通過IPTV系統平臺觀看視頻節目的方法有兩種：一種是通過PC機來觀看，這是目前廣泛采用的一種形式;第二種方法是用電視機連接STB(數字電視機頂盒)來觀看。這種形式更能體現IPTV的魅力。
七、系統平臺的優點
(1)用戶間可實現點對點信息流通：可實現用戶間互動，徹底從集中控制的傳統流媒體中解放出來，降低了技術應用門檻，實現了傳統流媒體運營平臺難以實現的互動直播和互動點播;
(2)強大的音視頻文件操作功能：支持針對音視頻節目的文件操作，如預覽、修改、剪切、合并、刪除等;
(3)數字版權保護(DRM)管理功能：可實現對數字節目的版權保護，非法用戶即使將內容下載到本地也無法正常播放，有效保護內容供應商的知識產權;
(4)完善的用戶認證管理：完善的用戶管理和認證機制，實現多級別的用戶管理;
(5)負載均衡管理，有效保證運營效率:系統提供完善的負載均衡功能，真正的基于服務器CPU、內存監測與Web任務實時監控的動態任務分配，準確地將用戶點播請求均衡到集群服務器中的流媒體服務器端，使負載真正能夠均衡，讓服務器集群中的每臺服務器都能發揮最大的效率，提高整體網絡性能，提高自愈性，確保網絡視頻點播平臺的關鍵性應用;
(6)良好的擴容性:采用分布式結構體系，方便添加視頻服務器，在后臺管理系統中做簡單設置，即可實現視頻域集群組的擴容，輕松滿足系統擴容需求;
(7)強大的計費管理功能:系統提供多種途徑進行用戶認證和計費，可按用戶類型定義收費標準，靈活定制多種計費類型、優惠政策、套餐組合。
【編輯推薦】
