基于CDN和P4P融合架構的IPTV系統

廖劍鋒

(華中科技大學文華學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

IPTV系統的內容分發通常基于CDN的分層架構，將內容盡可能地分發到離用戶最近的網絡邊緣［1］。當有百萬用戶接入網絡，要解決大規模用戶并發使用，就必須線性增加CDN系統的容量，使運營商投入過于龐大。另外，流媒體服務器可能會因為單點故障而導致所轄區域服務的崩潰，而傳統的CDN模式并沒有動態擴展性能。

與此同時，P2P流媒體傳輸技術也在走向成熟，并在全球廣泛使用。P2P技術既幫助用戶提升下載速率又降低了對節目源服務器的依賴［2］。但是，P2P技術也有其自身缺陷。目前國內家庭用戶主要是采用ADSL方式，這種非對稱結構不利于為其他P2P節點提供節目源。另外，P2P流媒體在管理維護、服務質量保證、流量跨域無序性、商業模式上還不夠規范。P2P模式對運營商最大的破壞沖擊就是消耗掉了大量的網絡帶寬，特別是對運營商的骨干網絡影響最大，運營商要為此耗費巨大的投資來加大主干網絡帶寬。

1 P2P技術優勢

P2P技術的優點主要體現在非中心化、負載均衡和高性價比等方面［3］。由于IPTV對安全性和管理方面要求較高，P2P的“分散自由”導致P2P在管理和安全設置方面存在問題。P2P的關鍵缺陷在于大量耗費網絡帶寬，使運營商的網絡資源趨于緊張。

P2P技術的路由效率較低，P2P的各個資源是分散的，在查找路由時P2P普遍采用資源定位算法，這種算法效率較低。另外，P2P沒有好的方法選取和管理各服務端對等點，各個對等點基本上處于放任自由和無拘無束的狀態。因為P2P各對等點的隨機分布和盲目選擇，點與點之間缺乏有效管理和溝通方式，各個對等點各自為戰，幾乎不考慮整個網絡的拓撲狀態情況，從而導致了大量的無用的P2P流量。由于P2P模型的局限性，P2P無法感知到網絡層及其以下的網絡拓撲信息和鏈路狀態，所以沒有約束的P2P流量泛濫無可回避。另外，很多P2P應用開發商在開發P2P軟件時，大部分注意力都集中在改進終端用戶的需求方面，而很少考慮P2P軟件對網絡帶寬的耗費問題，更無法體會到運營商在運營成本方面的窘境。

2 從P2P過渡到P4P

P2P應用給底層網絡負載和網絡流量控制帶來了很大的壓力和挑戰，傳統的流量控制技術難以有效處理采用P2P網絡架構的多種應用，P2P應用和電信運營商之間的矛盾日益突出。電信運營商為網絡帶寬不斷擴容，但利潤并沒有增加，相反，可能還會因為設備投入過大而無法收回成本。在這種背景下，電信運營商迫于無奈，開始對P2P應用下“毒手”。從2002年開始，美國的AT＆T和Comcast公司公開表示要對P2P應用進行限速甚至攔截。在國內，有很多城市的電信運營商也曾經對不少家庭用戶封殺過BT等P2P軟件。這種封殺行為，遭到很多P2P軟件提供商和終端用戶的強烈抵制和抗議，甚至還有P2P軟件開發商開發出很多突破封殺的下載軟件。而終端用戶更是有人為此把電信運營商告上公堂，認為運營商的此種行為涉嫌侵犯了公民的合法權益。P2P軟件開發商和終端用戶一致認為，“運營商就像是自來水公司，在用戶交足費用后，用戶有權長時間把水龍頭出水量開到最大”，認為網絡應該是一種服務，應該時刻保持通暢，以疏為主，而不是堵。在這種輿論壓力下，電信運營商無奈也取消了這些限制和約束，又開始任由用戶進行P2P下載。但如何有效地規避P2P的缺陷，避免其耗費大量的帶寬，運營商也一直沒有找到好的解決辦法。

結合CDN和P2P的優缺點，有很多學者建議將CDN和P2P結合使用。這些學者的普遍建議是，在骨干路由層和區域路由層采用CDN和P2P配合工作，以CDN為主，在邊緣層也采用CDN和P2P配合工作，以P2P為主。但是，從二者結合的使用實際來看，效果并不理想。其原因是:P2P(主要由P2P軟件開發商提供)與CDN(主要由運營商主導)之間缺乏有效配合、各自為戰，運營商與P2P應用沒有建立有效的協作關系，運營商沒有為P2P提供底層的各種有針對性的網絡參數信息，而P2P也沒有為運營商提供有針對性的參數信息，P2P的多變性和多樣性讓運營商無法適應。另外，P2P可能會導致節點之間流量不平衡，有可能對硬件或網絡資源沖擊較大，缺少運營商的“網絡平衡”或“負載均衡”支持。特別是對于相距較遠貫穿骨干網的節點之間的數據傳遞，網絡負荷影響較大。所以CDN和P2P進行簡單融合的方法并沒有解決這些難點問題。

由此來看，單純P2P技術和單純只靠運營商自己都不能擔當重任，各自單方面的努力都是徒勞的。唯一解決之道，就是P2P軟件開發商和電信運營商相互協作，二者密切配合，運營商要主動參加到P2P技術的應用中來。任何一方的策略都存在明顯缺陷，只有兩方相互通信、相互協作才能真正有效地解決問題。美國耶魯大學謝海永博士率先提出了運營商主動參與的P2P技術，即Proactive Network Provider Participation for P2P，也叫P4P技術。以謝海永博士為主，再加上網絡運營商Verizon公司和P2P軟件商Pando，聯合組成了P4P工作組。工作組以對等網絡廠商、運營商協作的方式運行，提出以域內部署的服務器為核心進行優化，強調實體之間的優化互聯，P4P協議支持緩存形式的流量優化設備，工作組通過大規模試驗驗證P4P的實際效果，并開展P4P應用。

P4P技術不是P2P技術的簡單升級，其最主要的理念就是電信運營商要主動參與到P2P的整個流程。從終端用戶到IPTV系統的服務資源，整個鏈路要求電信運營商和P2P軟件開發商全程參與和合作。P2P軟件開發商需要電信運營商為每個對等點提供詳盡的底層網絡信息，比如，網絡拓撲、鏈路狀態信息、網間鏈路成本信息、帶寬信息等，這些信息對于幫助和引導P2P軟件進行有效通信至關重要，而作為P2P應用層開發商剛好缺乏這些信息。為加強服務性能和保障，P2P軟件開發商甚至可以要求電信運營商提供服務器進行P2P交換。另外一個方面，有了P2P軟件開發商的幫助，電信運營商也可以加強對IPTV中資源的管理，特別是涉及到版權和安全機制方面的管理。所以說，電信運營商和P2P應用開發商完全可以化敵為友，互相幫助和促進，共同擔負起發展IPTV技術的重任。

3 IPTV系統中使用CDN和P4P融合技術

P4P架構實際上相當于在電信運營商和P2P軟件應用之間開啟了顯式通信接口，P2P軟件主動調用這些通信接口以獲得必要的底層網絡信息，請求鏈路按需分配網絡資源。通過這些設置，就可以顯著降低不必要的跨越整個運營商骨干鏈路的流量。

3.1 CDN和P4P融合的系統架構

CDN和P4P二者的融合模型可以這樣設計，在先期CDN框架之上，在運營商的骨干網或主干鏈路層次仍然保留先期的CDN系統結構，功能也不變。流媒體內容通過傳統CDN技術，從中心服務器推送至網絡邊緣服務器。可對邊緣服務器和(或)終端服務器采用P2P技術。在邊緣服務器引入可管理、可控制的P2P技術，邊緣服務器所管理的邊緣用戶自治域間的傳輸采用P2P技術。P2P的范圍盡可能控制在本地服務器服務范圍之內，這樣可減少骨干網上的突發和穿越流量。如果用戶請求的內容沒有在本地服務器中，則邊緣服務器通過CDN向中心服務器索取，同時向本地用戶進行P2P分發［4］。因為CDN模型具有分域的顯著特點，一個特定域內的邊緣服務器數量有限，對域內邊緣服務器采用P2P技術并不會帶來網絡擁塞。邊緣服務器這種Peer節點比較特殊，一般是作為一種備用資源使用，幾乎從不參與P2P數據的交換。所以，用戶數越多對網絡服務器的依賴就越強，要想解決這個問題，就必須在終端采用P2P技術。另一方面，終端用戶不同于服務器，它的功能不夠強大，而且自由度也比較大，可能會隨時關閉。可以把邊緣服務器作為終端對等點的有益補充，將邊緣服務器上的同一個節目源作為備選，其目的是提高用戶資源定位的成功率，降低P2P查詢流量。圖1是CDN和 P4P融合架構圖，根據分析，CDN和P4P融合的架構相當于在終端用戶和接入網層面或Edge Network(邊緣網絡)層面采用P2P技術。

圖1 CDN和P4P融合架構

謝海永博士提出的P4P，主要包括控制層、管理層和數據層。管理層主要是對控制平臺進行管理和監控，數據層提供的功能較為簡單，主要是涉及到對P2P的流量進行分類識別和對優先級進行設置，這里主要研究控制層。P4P的控制層是基于網絡監管服務器(iTracker)和P2P應用監管服務器(appTracker)的P4P整體架構;從接口設計需求和理論分析兩方面描述了iTracker和appTracker在接口實現上需要考慮的簡單性、語義豐富性、可擴展性、隱私性等要求和最大化網絡鏈路利用率等目標。

如圖2所示，P4P控制層中引入了iTracker和appTracker。iTracker可以作為電信運營商與P2P應用進行交互的接口，它和P2P應用的appTracker一起，構成了整個P4P架構的控制層。而每個ISP都可以通過操作屬于自己的iTracker，管理本ISP內部的節點，并實現與P2P應用的協作。在iTracker中，控制層主要提供了3種不同的接口，包括info接口、policy接口和capability接口。這些接口一方面保護了電信運營商的私密性，另一方面又允許電信運營商和P2P應用聯合起來提升彼此的性能。

圖2 P4P的控制平臺

另外，iTracker可以將網絡拓撲抽象為節點(PID)和連接節點(PID)鏈路的集合，如圖3所示。同時，iTracker還會給PID之間的鏈路計算出一個代價，這樣各個CDN節點就可以通過訪問iTracker獲得PID圖，從而根據這些信息選擇合適的CDN代理節點。

圖3 PID圖

圖4是P4P的基本響應流程圖。假如電信運營商A的節點a要和電信運營商B的節點b請求policy接口的響應，則可以分為兩種情況進行討論:如果是有中心服務器和appTracker的P2P結構，節點a和b均首先給自己所屬的P2P應用的appTracker發送policy請求信息，而appTracker收到此請求之后，對該請求進行封裝和轉換，然后再分別將此請求轉發給兩個節點各自所屬的iTracker，而每個節點所屬的iTracker收到請求之后立刻做出響應，迅速把結果返回給appTracker，此時兩個節點與appTracker的握手都還沒有結束，因此appTracker可以迅速將從iTracker中得到的結果直接返回給這兩個節點，就這樣，P4P的響應流程宣告完成;如果是沒有中心服務器和appTracker的P2P結構，每個節點都存儲有相應的分布式哈希表DHT，而iTracker的信息也一定存在這些哈希表中，這兩個節點的請求均可轉發至各自所屬的iTracker中，iTracker根據請求返回響應，查找哈希表，可以順利地將返回結果發送到這兩個節點中。圖4中的黑色雙向箭頭表示的是有中心服務器和appTracker的控制信息，空心雙向箭頭表示的是沒有中心服務器和appTracker的控制信息。

圖4 P4P基本響應流程

3.2 CDN和P4P融合的系統測試

通過P4P工作組在PlanetLab上和實際系統中的實驗，進行了大量的仿真BitTorrent，Liveswarms和Pando等P2P應用，實驗結果表明P4P方法可以有效降低P2P應用對底層網絡的不合理利用，大量降低了跨越ISP的核心骨干鏈路上的網絡流量，減少繁忙鏈路上的帶寬占用［5］。圖5所示為P2P拓撲圖和P4P拓撲圖，可以看到，在同等條件下，經過P4P技術，經過核心骨干路由的路徑顯著減少，各個網絡節點的負載也顯著降低。謝海永博士的項目組曾經做過大量P4P實驗，如圖6所示，是使用了P4P技術的P2P軟件BitTorrent實驗數據圖［5］，采取P4P方法進行技術處理后的P2P流量所占用的帶寬減少非常明顯。另外，Verizon和Telefonica公司也對P2P和P4P做了大量對比實驗。由圖7可以看到，采用P4P技術后，數據傳輸所經過的平均路由跳數明顯減少，這對電信運營商十分有利，路由跳數減少，表明消耗的網絡資源就越少。由圖8可以看到，隨著peer節點數的逐漸增多，采用P4P技術后數據傳輸所用的平均時間顯著減少。

圖8 P2P與P4P傳輸時間比較

3.3 CDN和P4P融合的系統應用

如前所述，P2P模式主要包括純P2P方式、結構化式和集中目錄式。集中目錄式易于控制和管理，由于所有的內容請求都集中到了一個或少數幾個節點，這就很容易對用戶的行為進行監視和管理，也很容易對該網絡中的內容進行控制。集中目錄式雖然查詢效率較高，但也存在缺陷，主要問題是如果單點出現故障或性能方面出現問題將不好解決。

在IPTV網絡中，運營商為保證服務質量做了很多工作，IPTV的版權內容受到規范管理和控制，可以考慮采用集中目錄式的架構對P2P進行管理。另一方面，結合CDN模式具有分級別和分區域的特征，合理規劃網絡結構，為P2P域指定特定的范圍，以此來回避集中目錄式架構的不足。

為提高P2P服務保證，可以優先使用域內的資源，對于域內沒有的資源，則通過邊緣服務器負責跨域調度到本地，終端不參與跨域的資源調度。為了便于實現域間的資源調度、提高域內提供資源下載的能力和負載均衡，考慮將邊緣服務器拆分成向用戶提供媒體下載服務的“媒體控制功能”和側重于管理的“媒體分發動能”［2］。

P4P技術協助解決P2P的技術缺陷，運營商、P2P應用開發商和終端用戶都可以從中受益。作為技術參與方，電信運營商可以積極投身于P2P數據傳輸和交換，幫助應用開發商和用戶查找和定位P2P資源。應用開發商和終端用戶使用融合有P4P技術的P2P，就可以從運營商那里獲得很多有用信息，比如網絡拓撲結構、各個鏈路狀態、用戶帶寬等。而這些信息對應用開發商是至關重要的，他們可以借助于此對P2P網絡進行大量的擴展開發。對P2P資源的有效管理和正確引導，可以大大提高P2P網絡的使用價值。運營商可以充分利用這些信息，充分發揮集中目錄式架構的優勢，對用戶的資源請求進行有效的管理和合理的引導，從而優化P2P流量。

同時還應注意到，IPTV對DRM(數字版權管理)十分重視，P4P技術也同樣涉及到DRM問題。雖然目前P2P應用軟件開發商對版權保護十分抵觸，對參與運營商主導的P4P不夠積極，但電信運營商和P2P應用軟件開發商互相合作的思路為P2P技術指明了發展方向。雖然目前帶有嵌入式P2P功能的機頂盒價格較貴，從而導致普及不夠廣泛［6］。但無論是中國還是其他國家，借助于P4P的IPTV一定會發展起來并形成規模。

4 小結

使用CDN和P4P融合的技術成為近來IPTV系統的研究熱門。結合下一代廣播電視網NGB的發展，IPTV還可以把各種服務平臺融合在一起［7］。在IPTV網絡中采用CDN和P4P結合的思想和技術是大勢所趨，這種思想充分發揮了P2P技術在媒體分發方面的去中心化優勢，規避了在信令層面的去中心化弱勢。另外，運營商還要對各個對等實體加強管理和引導，從而構造出性能優越的IPTV系統架構。

［1］王厚芹，車士義.推進我國三網融合勢在必行［J］.電視技術，2010，34(6):109－112.

［2］吳宏建.IPTV網絡中CDN和P2P結合的技術分析及研究［J］.現代電信科技，2009(5):14－17.

［3］林華明.使用P4P技術的IPTV交付系統的分析與研究［J］.電視技術，2011，35(4):55－57.

［4］王晨凌.基于P2P和CDN融合架構的IPTV系統［J］.電信科學，2009(S2):181－184.

［5］XIE Haiyong，KRISHNAMURTHY A，SILBERSCHATZ A，et al.P4P:explicit communications for cooperative control between P2P and network providers［EB/OL］.［2010－12－15］.http://www.dcia.info/documents/P4P_Overview.pdf.

［6］詹曉濤.CDN與P2P相結合的流媒體系統設計［J］.電視技術，2009，33(6):67－70.

［7］《電視技術》編輯部.下一代廣播電視網概述［J］.電視技術，2009，33(6):55－56.