Ｐ２Ｐ網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)電視（ＩＰＴＶ）中的應(yīng)用研究

摘要：P2P打破了傳統(tǒng)C/S模式服務(wù)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的集中化管理和提供，基于此提出了一種基于超級(jí)節(jié)點(diǎn)的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使IPTV的實(shí)現(xiàn)更加靈活高效，但由于其開(kāi)放性的特點(diǎn)，給網(wǎng)絡(luò)的安全性和可管理性帶來(lái)了一定問(wèn)題，該文就此進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：P2P；IPTV；超級(jí)節(jié)點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)34-1969-02

Probing into the Application of P2P Technology to IPTV

YANG Jie1， CHEN Xue-zhao2

(1.Hunan Institute of Science and Technology， Yongzhou 425100， China; 2.Yongzhou Vocational and Technical College， Yongzhou 425100， China)

Abstract: The mode of centralized management and supply resources in the traditional C/S model of network server has been broken by the P2P technology. A super-node model based on the P2P-IPTV architecture makes the IPTV more flexible and efficient， but a certain issue on the network security and manageability has been brought because of its open-characteristics. The related issue is analyzed in the paper.

Key words: P2P; IPTV; super-node

1 引言

IPTV（網(wǎng)絡(luò)電視）是目前全球電信運(yùn)營(yíng)商都高度重視的寬帶視頻業(yè)務(wù)，其特點(diǎn)是利用寬帶IP網(wǎng)絡(luò)，以電視機(jī)加機(jī)頂盒或計(jì)算機(jī)作為終端設(shè)備，向用戶(hù)提供包括視頻節(jié)目、通信、游戲等在內(nèi)的多種交互式多媒體服務(wù)，并提供點(diǎn)播、直播、時(shí)移等靈活的收視方式。除了將電視機(jī)作為傳統(tǒng)的電視終端使用外，還可利用電視機(jī)作為多媒體通信終端來(lái)開(kāi)展豐富的多媒體增值業(yè)務(wù)，如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、網(wǎng)絡(luò)游戲、遠(yuǎn)程教育、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控、電子商務(wù)、三重播放業(yè)務(wù)等，開(kāi)辟新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)。IPTV業(yè)務(wù)是通信、IT、廣電及娛樂(lè)業(yè)務(wù)的綜合，是傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)向綜合信息服務(wù)商和寬帶服務(wù)商轉(zhuǎn)型的重要手段。

目前的IPTV系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的服務(wù)器/客戶(hù)端（C/S）模式來(lái)提供服務(wù)。在該模式下，同一時(shí)刻服務(wù)器所能支持的客戶(hù)端訪問(wèn)數(shù)量受到自身處理能力和服務(wù)器所在網(wǎng)絡(luò)吞吐能力的限制，隨著節(jié)點(diǎn)的不斷增加，服務(wù)器的負(fù)載就越來(lái)越重，很容易形成系統(tǒng)的瓶頸。P2P技術(shù)為IPTV系統(tǒng)提供了一個(gè)新的選擇，在網(wǎng)絡(luò)性能方面，P2P的優(yōu)點(diǎn)在于它是基于互聯(lián)網(wǎng)的對(duì)等架構(gòu)，可以大大改善資源的流量分布，解決網(wǎng)絡(luò)擁塞和帶寬的瓶頸問(wèn)題，減緩存儲(chǔ)服務(wù)器的響應(yīng)壓力。在通信方式上，基于P2P的系統(tǒng)由于peer之間的協(xié)作，具有高度的容錯(cuò)性和非常好的可擴(kuò)展性，可以快速對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布和資源的聚合，數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r(shí)性和成本都具有C/S所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

2 P2P技術(shù)簡(jiǎn)介

P2P （Peer-to-Peer）技術(shù)又稱(chēng)為對(duì)等計(jì)算，是建立在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層上的一種特殊的分布式系統(tǒng)，每一個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)各自的路由相互通信。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)主要的應(yīng)用方式是C/S模式，在這種網(wǎng)絡(luò)模式下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是由獨(dú)立的客戶(hù)端和服務(wù)器組成的，兩者在功能上有著明確分工。服務(wù)器為每一個(gè)用戶(hù)提供獨(dú)立的資源和服務(wù)，當(dāng)用戶(hù)數(shù)量增加到一定程度時(shí)，服務(wù)器端得貸款資源就會(huì)枯竭，從而無(wú)法響應(yīng)用戶(hù)的需求，形成系統(tǒng)瓶頸。而在P2P模式中，系統(tǒng)降低了對(duì)服務(wù)器的依賴(lài)性，一些P2P系統(tǒng)甚至不需要服務(wù)器，用戶(hù)可以不經(jīng)過(guò)服務(wù)器和其他用戶(hù)進(jìn)行連接。在P2P系統(tǒng)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是平等的參與者，既是系統(tǒng)服務(wù)的使用者，又為系統(tǒng)中的其它節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。系統(tǒng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以作為客戶(hù)端向其它節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求服務(wù)，同時(shí)也可以作為服務(wù)器端為其它節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，從而有效的利用分布在終端計(jì)算機(jī)上的邊緣性網(wǎng)絡(luò)資源，以降低對(duì)中央服務(wù)器資源的消耗需求。

P2P計(jì)算并不是是一種全新的技術(shù)或思想，互聯(lián)網(wǎng)的雛形Arpanet最初就是將計(jì)算機(jī)對(duì)等相連共享資源，互聯(lián)網(wǎng)最基本的協(xié)議TCP/IP協(xié)議也是對(duì)等的。IBM為P2P下了如下定義：系統(tǒng)依存于邊緣化（非中央式服務(wù)器）設(shè)備的主動(dòng)協(xié)作，每個(gè)成員直接從其他成員而不是從服務(wù)器的參與中受益；系統(tǒng)中成員同時(shí)扮演服務(wù)器與客戶(hù)端的角色；系統(tǒng)應(yīng)用的用戶(hù)能夠意識(shí)到彼此的存在，構(gòu)成一個(gè)虛擬或?qū)嶋H的群體。C/S模式和P2P模式的對(duì)比如圖1所示。

P2P技術(shù)的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 無(wú)中心點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)中的資源和服務(wù)分散在所有結(jié)點(diǎn)上，每一個(gè)對(duì)等點(diǎn)具有相同的地位，既可以請(qǐng)求服務(wù)也可以提供服務(wù)，同時(shí)扮演著C/S模式中的服務(wù)器和客戶(hù)端兩個(gè)角色，無(wú)須集中的服務(wù)器群組，避免了可能的瓶頸。

2) 健壯性和可擴(kuò)展性強(qiáng)：在傳統(tǒng)的C/S模式中，系統(tǒng)能夠容納的用戶(hù)數(shù)量和提供服務(wù)的能力主要受服務(wù)器的資源限制，一旦服務(wù)器發(fā)生異常就會(huì)影響到所有用戶(hù)的使用。而在P2P網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)的資源和服務(wù)較均勻的分布在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，因此部分結(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)遭到破壞對(duì)其它部分的影響很小，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。在擴(kuò)展性方面，隨著用戶(hù)的加入，雖然系統(tǒng)服務(wù)的增加，但是P2P系統(tǒng)整體的資源和服務(wù)能力也在同步地?cái)U(kuò)充，始終能較容易地滿足用戶(hù)的需要。整個(gè)體系是全分布的，不存在中心點(diǎn)和瓶頸。從理論上說(shuō)，P2P系統(tǒng)的可擴(kuò)展性幾乎可以認(rèn)為是無(wú)限的。

3) 高性能/價(jià)格比：優(yōu)良的處理性能是P2P技術(shù)被廣泛應(yīng)用的重要原因。隨著信息技術(shù)發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)處理能力、存儲(chǔ)能力以及接入帶寬等都有了大幅提升。P2P技術(shù)能夠有效地利用分散在互聯(lián)網(wǎng)中的大量普通結(jié)點(diǎn)，從而以更低成本實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源共享。

4) 負(fù)載均衡：P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是服務(wù)器又是客戶(hù)機(jī)，減少了對(duì)傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)服務(wù)器計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力的要求，同時(shí)因?yàn)橘Y源分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，更好的實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。

3 P2P技術(shù)在IPTV中的應(yīng)用

3.1 IPTV的工作原理

IPTV利用IP寬帶網(wǎng)絡(luò)，以“電視機(jī)+機(jī)頂盒”為主要終端設(shè)備，為用戶(hù)提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的互動(dòng)多媒體服務(wù)的寬帶增值業(yè)務(wù)。其工作原理與基于互聯(lián)網(wǎng)的電話服務(wù)VoIP相似，它把呼叫分為數(shù)據(jù)包，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送，然后在另一端進(jìn)行復(fù)原。其過(guò)程與多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程大致相同。首先是編碼，即對(duì)原始的電視信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)化成適合Internet傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式；然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送，最后解碼通過(guò)電腦或是電視播放。但因?yàn)樗鶄鬏數(shù)臄?shù)據(jù)是視頻和同步的聲音，如果效果達(dá)到普通的電視效果每秒24幀甚至是DVD效果，顯然所要求的傳輸速度是非常高的。

IPTV能提供點(diǎn)播、廣播/自播、視頻通信、短信/彩信、信息服務(wù)、游戲等業(yè)務(wù)。IPTV技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)，主要包括音視頻編解碼技術(shù)、流媒體傳送技術(shù)、寬帶接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、IP機(jī)頂盒技術(shù)等。IPTV的特點(diǎn)主要包括：

1) 采用高效的視頻壓縮技術(shù)，用戶(hù)可以得到高質(zhì)量（DVD水平）的數(shù)字媒體服務(wù)；

2) 用戶(hù)可有極其廣泛的自山度，隨意選擇寬帶IP網(wǎng)上各網(wǎng)站提供的視頻節(jié)目；

3) 實(shí)現(xiàn)媒體提供者和媒體消費(fèi)者的實(shí)質(zhì)性互動(dòng)。IPTV能根據(jù)用戶(hù)的選擇配置多種多媒體服務(wù)功能，包括數(shù)字電視節(jié)目、可視IP電話、DVD/ VCD播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、電子郵件，以及多種在線信息咨詢(xún)、游戲、娛樂(lè)、教育及商務(wù)功能等。

從層次結(jié)構(gòu)上分析，一個(gè)典型的IPTV系統(tǒng)主要包含支撐層、業(yè)務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)承載層和終端層等部分，如圖2所示。支撐層主要完成IPTV用戶(hù)的管理認(rèn)證授權(quán)以及系統(tǒng)設(shè)備的管理。業(yè)務(wù)層主要是為IPTV提供多種多樣的多媒體交互業(yè)務(wù)，如視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)，體育自播業(yè)務(wù)等；網(wǎng)絡(luò)承載層主要是IPTV的物理介質(zhì)，要求帶寬比較大，最好支持組播，并具有一定的安全保護(hù)措施，具體又可分為接入網(wǎng)、匯聚網(wǎng)和核心網(wǎng)三個(gè)部分。終端層則表示IPTV的最終用戶(hù)，他們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)承載層進(jìn)行不同方式的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，并在PC或者配介機(jī)頂盒的TVSet上觀看電視節(jié)目。

3.2 P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的基于C/S模式的IPTV系統(tǒng)中，服務(wù)器端的帶寬往往成為限制系統(tǒng)服務(wù)能力的“瓶頸”，通過(guò)CDN服務(wù)方式和組播方式雖然可適當(dāng)提高系統(tǒng)的服務(wù)能力，但成本較高，也不是一種很好的解決方案。

而在P2P網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)主機(jī)既是服務(wù)器又是客戶(hù)機(jī)，相互共享資源，是一種對(duì)等的關(guān)系，基于P2P模式的IPTV系統(tǒng)利用P2P網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)能力隨著用戶(hù)數(shù)量的增加而增加。

圖3所示是一個(gè)基于P2P模式的IPTV體系結(jié)構(gòu)，其中的SuperPeer（超級(jí)節(jié)點(diǎn)）是在1個(gè)用戶(hù)組內(nèi)負(fù)責(zé)維護(hù)組內(nèi)成員信息及各成員所擁有資源信息的用戶(hù)，它作為信息搜索中心，收集和反饋某一區(qū)域內(nèi)多個(gè)對(duì)等點(diǎn)的信息，同時(shí)還負(fù)責(zé)響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)用戶(hù)的查詢(xún)請(qǐng)求，1個(gè)組內(nèi)只有1個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)一般由性能較高的計(jì)算機(jī)擔(dān)任，具有較高的穩(wěn)定性。Peer（普通節(jié)點(diǎn)）相對(duì)性能較弱，它既向其他用戶(hù)索取媒體文件片段，也向其他用戶(hù)提供自己擁有的媒體文件片段。每個(gè)SuperPeer記錄本域中所有Peer的索引信息，每個(gè)SuperPeer既服務(wù)于本域中的Peer的資源請(qǐng)求，同時(shí)也服務(wù)于來(lái)自其他SuperPeer的資源請(qǐng)求。

圖3中，節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求給本域內(nèi)的超級(jí)節(jié)