P2P在IPTV中的应用
2008-07-14
作者：吴吉义1,2， 郑继文1
摘 要：针对P2P技术在IPTV中应用的研究热点，提出了一种基于超级节点" title="超级节点">超级节点的P2P-IPTV体系结构，该结构充分利用了P2P技术在交互式应用方面的" title="面的">面的优势，使构建更加灵活有效的IPTV业务网络成为可能。
关键词：P2P IPTV P2P-IPTV 体系结构
根据ITU-T的最新定义，IPTV就是在IP网络上传送包含电视、视频、文本、图形和数据等，并提供服务质量/服务感受(QoS/QoE)保证、安全性、交互性和可靠性的可管理的多" title="的多">的多媒体业务。由此可以看出，IPTV明显有别于互联网流媒体应用业务。IPTV的典型应用目前主要包括直播电视、时移电视和视频点播等视频类应用及上网浏览等信息类应用。但现在的IPTV技术还存在服务效率低、重定向机制复杂、网络需要更高带宽、资源调度不灵活等问题，如果不能有效解决大规模用户对交互式多媒体应用的需求问题，IPTV将不得不受限于此瓶颈。P2P技术对交互式媒体应用的支持能够扩展到大规模用户群，这为互联网以及一些电信级应用的大规模发展提供了充足的空间。为了更好地满足IPTV业务发展的需要，有必要研究更为先进的网络架构。作为P2P技术在IPTV中应用的研究问题之一，本文提出了一种基于超级节点的P2P-IPTV体系结构，该结构充分利用了P2P技术在交互式应用方面的优势，使构建更加灵活有效的IPTV业务网络成为可能。
1 P2P技术简介
P2P技术，也称为对等计算（Peer to Peer）技术，是一种网络结构的思想。在P2P结构中，每一个节点（peer）大都同时具有信息消费者、信息提供者和信息通信等三方面的功能。在P2P网络中每一个节点所拥有的权利和义务都是对等的。P2P是一种分布式网络，网络的参与者共享他们所拥有的一部分硬件资源（处理能力、存储能力、网络连接能力、打印机等），这些共享资源需要由网络提供服务和内容，能被其他对等节点(Peer)直接访问而无需经过中间实体。在此网络中参与者既是资源（服务和内容）提供者（Server），又是资源（服务和内容）获取者（Client）。P2P打破了传统的Client/Server (C/S)模式，网络中的每个节点的地位都是对等的。每个节点既充当服务器，为其他节点提供服务，同时也享用其他节点提供的服务。
P2P系统一般要构造一个非集中式的拓扑结构，在构造过程中需要解决系统中所包含的大量节点如何命名、组织以及确定节点的加入/离开方式、出错恢复等问题。根据拓扑结构的关系可以将P2P研究分为4种形式：中心化拓扑（Centralized Topology）；全分布式非结构化拓扑（Decentralized Unstructured Topology）；全分布式结构化拓扑（Decentralized Structured Topology，也称作DST网络）和半分布式拓扑（Partially Decentralized Topology）。表1中比较了4种结构的综合性能。
P2P系统具有非常良好的可扩展性" title="可扩展性">可扩展性，能够在较低成本情况下完成资源的聚合和共享，也允许peer在彼此数据的管理和资源共享上拥有较大的自治控制。由于其出色的性能，基于部分Serverless和完全Serverless的P2P技术，出现了大量的互联网相关增值业务，例如分布计算、协同工作、文件共享、即时通信等。
目前大多互联网上的应用都是基于传统的C/S模式的，IPTV也是如此。C/S模式使得网络上的资源向服务器端集中，用户之间的通信高度依赖于服务器，无法直接交流信息。因此，在网络性能方面，P2P的优点在于它是基于互联网的对等架构，可以大大改善资源的流量分布，解决网络拥塞和带宽的瓶颈问题，减缓存储服务器的响应压力。在通信方式上，基于P2P的系统由于peer之间的协作，具有高度的容错性和非常好的可扩展性，可以快速实现数据发布和资源的聚合，数据传输的即时性和成本都具有C/S所无法比拟的优越性。图1所示为C/S与P2P模式的比较。
2 IPTV工作原理与层次结构
IPTV利用IP宽带网络，以“电视机+机顶盒”为主要终端设备，为用户提供包括电视节目在内的互动多媒体服务" title="多媒体服务">多媒体服务的宽带增值业务。其工作原理与基于互联网的电话服务VoIP相似，它把呼叫分为数据包，通过互联网发送，然后在另一端进行复原。其过程与多数数据传输过程大致相同。首先是编码，即对原始的电视信号数据进行编码，转化成适合Internet传输的数据形式；然后通过互联网传送，最后解码通过电脑或是电视播放。但因为所传输的数据是视频和同步的声音，如果效果达到普通的电视效果每秒24帧甚至是DVD效果，显然所要求的传输速度是非常高的。
IPTV能提供点播、广播/直播、视频通信、短信/彩信、信息服务、游戏等业务。IPTV技术是一项系统技术，主要包括音视频编解码技术、流媒体传送技术、宽带接入网络技术、IP机顶盒技术等。IPTV的特点主要包括：
①采用高效的视频压缩技术，用户可以得到高质量(DVD水平)的数字媒体服务；
②用户可有极其广泛的自由度，随意选择宽带IP网上各网站提供的视频节目；
③实现媒体提供者和媒体消费者的实质性互动。IPTV能根据用户的选择配置多种多媒体服务功能，包括数字电视节目、可视IP电话、DVD/VCD播放、互联网浏览、电子邮件，以及多种在线信息咨询、游戏、娱乐、教育及商务功能等。
从层次结构上分析，一个典型的IPTV系统主要包含支撑层、业务层、网络承载层和终端层等部分，如图2所示。支撑层主要完成IPTV用户的管理认证授权以及系统设备的管理。业务层主要是为IPTV提供多种多样的多媒体交互业务，如视频点播业务，体育直播业务等；网络承载层主要是IPTV的物理介质，要求带宽比较大，最好支持组播，并具有一定的安全保护措施，具体又可分为接入网、汇聚网和核心网三个部分。终端层则表示IPTV的最终用户，他们通过网络承载层进行不同方式的网络接入服务，并在PC或者配合机顶盒的TVSet上观看电视节目。
3 基于超级节点的P2P-IPTV体系结构
目前，IPTV都是基于C/S模式的，运行在支持组播实时业务和点播存储媒体业务应用的IP网络中，需要面对十万、百万规模的大并发多媒体服务的挑战，在服务器I/O能力、带宽、海量存储、部署成本等方面都将受到前所未有的考验。当大规模的网络用户同时收看节目时，要保证系统的稳定和QoS，ICP必须用大量服务器来平衡网络访问负载，并增加网络出口带宽。但是，服务器数量和网络容量的增加永远会落后于用户规模的增长。过渡性的解决办法是采用组播传输技术来提供广播服务或者采用内容传输网等覆盖网技术，但需要对现有的网络进行升级改造，这将大大增加网络建设的成本，浪费已有的资源投资。
为了彻底解决问题，必须突破C/S模式体系结构，引入P2P重叠网的理念和技术。图3所示为一种基于超级节点的P2P-IPTV体系结构图。该结构综合了第一代中央控制网络的体系结构和第二代分散分布体系结构的IPTV的优点，属于第三代P2P体系结构。在网络的边缘节点采用集中式的网络结构，聚合用户；在超级节点之间采用分布式的网络结构，为IPTV的稳定度协同工作。分布式放置的超级节点取代了中央索引检索服务器，同时，采用分层次的快速搜索算法改进IPTV的多媒体资源和内容的搜索性能，缩短了电视节目的反应速度和频道切换速度。具有高性能的超级节点彼此间相互协作，即使一个超级节点崩溃，相应的节点仍然与其他网络节点有连接，并在新的频道的搜索中使用新的超级节点。超级电视节点也是一种终端，只是其处理能力或带宽能力较强，被系统选为超级节点。当其退出系统时，由于超级节点的分布式连接，并不影响终端用户的对等服务搜索过程。其他超级节点可代替提供相关服务，从而保证了P2P-IPTV系统的健壮性和稳定性，也为系统规模的扩展提供了良好的接口。
与Skype中的超级节点类似，P2P-IPTV的体系结构中的超级节点其实也是一个节点，可作为一个动态的点对点的索引服务器。超级节点还可为处于局域网NAT或者防火墙的IPTV用户建立与外界用户节点间的连接并为其媒体流做转发服务。
基于超级节点的P2P-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使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。
IPTV起源于互联网流媒体技术，尽管技术基础和基本功能是一致的，互联网上运行的IPTV系统与电信级的IPTV系统在功能、性能和可靠性等方面都差异很大。尤其在IP的尽力而为的网络传送方式下，如何利用技术手段保证用户的IPTV业务服务质量，一直都是IPTV技术试图克服的难题。本文研究的基于超级节点的P2P-IPTV体系结构，充分利用了P2P技术在交互式应用等方面的优势，使构建更加灵活有效的IPTV业务网络成为可能。
参考文献
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