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基于IPTV的承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
河南電視臺(tái)都市頻道技術(shù)部 王軼2005年中南地區(qū)電視技術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文三等獎(jiǎng)
摘要：
承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前IPTV發(fā)展的一個(gè)瓶頸，保證海量數(shù)據(jù)高質(zhì)量、小延時(shí)的傳輸是承載網(wǎng)絡(luò)要解決的重要問題。CDN和IP組播技術(shù)為這一問題的解決提供了有效可行的方案，為IPTV的迅速發(fā)展提供了保證。
關(guān)鍵詞:IPTVCDNIP組播
隨著Internet寬帶技術(shù)的發(fā)展，在電視領(lǐng)域也產(chǎn)生了一項(xiàng)新的技術(shù)：IPTV，即IPTV電視，也稱作互動(dòng)電視，它是一種利用寬帶有線電視網(wǎng)的設(shè)施，以電視機(jī)或者電腦作為主要終端，集互聯(lián)網(wǎng)、多媒體通信等多種技術(shù)于一體，向用戶提供電視節(jié)目和其它數(shù)字多媒體內(nèi)容的技術(shù)。IPTV不僅能接收電視廣播信號(hào)，更重要的是提供個(gè)性化服務(wù)，能給用戶以更高的視覺享受。
IPTV將采集的音視頻節(jié)目進(jìn)行壓縮編碼，以IP包的形式在不同的物理網(wǎng)絡(luò)中以IP單播或組播的方式從視頻服務(wù)器播送出去。信源編碼和承載網(wǎng)絡(luò)是其核心關(guān)鍵技術(shù)。在編碼技術(shù)像MPEG-4、H.264已經(jīng)發(fā)展成熟的今天，承載網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在成為制約IPTV發(fā)展的一個(gè)重要因素。IPTV承載的主要節(jié)目內(nèi)容包括視頻點(diǎn)播(VOD)及電視頻道(TV)節(jié)目。為了保證IPTV的收看質(zhì)量與目前的有線電視網(wǎng)收看質(zhì)量相當(dāng)，IPTV承載網(wǎng)要求能在帶寬、頻道切換時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)QoS等方面提供保證，這些都給IPTV的承載網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。它也是目前各大運(yùn)營商的研究的一個(gè)重要課題，其中CDN（Content Delivery Network）和IP組播技術(shù)是IPTV的承載網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)核心內(nèi)容，下面就這個(gè)兩個(gè)方面進(jìn)行探討。
現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡(luò)基本上是采用的混合網(wǎng)絡(luò)，主干用的是光纖網(wǎng)絡(luò)，而用戶的接入方式基本上是電纜。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上開展IPTV業(yè)務(wù)，要面對兩個(gè)主要問題。一個(gè)是服務(wù)器，要支持上萬甚至更多的用戶，這樣一個(gè)服務(wù)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這需要多臺(tái)服務(wù)器一起來提供服務(wù)。另一個(gè)就是網(wǎng)絡(luò)帶寬，若支持上萬甚至更多的用戶同時(shí)在看，要求的網(wǎng)絡(luò)帶寬是非常的大。傳統(tǒng)的內(nèi)容發(fā)布模式是基于中心應(yīng)用服務(wù)器的，網(wǎng)絡(luò)只是一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道，不能根據(jù)不同的內(nèi)容區(qū)分服務(wù)質(zhì)量，缺乏個(gè)性化服務(wù)，這對于IPTV來說是不能接受的，另外，IP網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性也決定了這種模式會(huì)浪費(fèi)帶寬，加大中心服務(wù)器的負(fù)載，容易在節(jié)目高峰期引起中心服務(wù)器過載而使網(wǎng)絡(luò)癱瘓。所以要有一種新型的內(nèi)容發(fā)布網(wǎng)絡(luò)來承載IPTV業(yè)務(wù)，這就是CDN。
CDN全稱是Content Delivery Network，即內(nèi)容傳遞網(wǎng)絡(luò)，它是構(gòu)建在IP網(wǎng)絡(luò)上的一種分布式的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)，主要是采用中心—邊緣的服務(wù)器分布方式，它的基本原理就是廣泛采用各種Cache服務(wù)器，將這些Cache服務(wù)器分布到用戶訪問相對集中的地區(qū)或網(wǎng)絡(luò)中，我們稱之為邊緣服務(wù)器，所有的節(jié)目都在中心服務(wù)器存儲(chǔ)，而通過骨干網(wǎng)把內(nèi)容分發(fā)到邊緣服務(wù)器，而邊緣網(wǎng)站基本上離用戶比較近，在小區(qū)、光纖點(diǎn)底下，實(shí)際上用戶的服務(wù)，直接由邊緣路由器提供，以緩解骨干網(wǎng)的帶寬壓力。在用戶訪問網(wǎng)站時(shí)，利用全局負(fù)載均衡技術(shù)將用戶的訪問指向到離用戶距離最近的工作正常的邊緣服務(wù)器上，由邊緣服務(wù)器直接響應(yīng)用戶的請求。如果該邊緣服務(wù)器中沒有用戶要訪問的內(nèi)容，它會(huì)根據(jù)配置自動(dòng)到中心服務(wù)器去抓取相應(yīng)的內(nèi)容并提供給用戶。
CDN通常由內(nèi)容管理平臺(tái)、內(nèi)容路由系統(tǒng)和Cache節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)三個(gè)部分構(gòu)成。其中，內(nèi)容管理平臺(tái)主要負(fù)責(zé)整個(gè)CDN系統(tǒng)的管理，特別是內(nèi)容管理，如內(nèi)容的注入和發(fā)布、內(nèi)容的分發(fā)、內(nèi)容的審核、內(nèi)容的服務(wù)等。內(nèi)容路由系統(tǒng)負(fù)責(zé)將用戶的請求調(diào)度到適當(dāng)?shù)姆⻊?wù)器上，內(nèi)容路由通常通過負(fù)載均衡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，它是CDN的核心所在。Cache節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)是CDN的業(yè)務(wù)提供點(diǎn)，是面向最終用戶的內(nèi)容提供設(shè)備。
目前的CDN有兩種技術(shù)體制，一個(gè)是基于filecopy，另一個(gè)是基于媒體交換�；趂ilecopy的機(jī)制是將一部電影或一集電視劇作為一個(gè)文件，以整個(gè)文件為單位進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)、調(diào)度和服務(wù)。但在這種機(jī)制下，由于各個(gè)媒體服務(wù)器上存儲(chǔ)不同的節(jié)目，如果某個(gè)服務(wù)器上的節(jié)目比較受歡迎，那么用戶都會(huì)選擇這個(gè)節(jié)目，這個(gè)服務(wù)器很快就會(huì)達(dá)到負(fù)載極限，而其他服務(wù)器的負(fù)載卻很小，這樣就造成不同服務(wù)器間的負(fù)載均衡效果不佳，不僅浪費(fèi)了系統(tǒng)資源，而且容易使單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)或者服務(wù)器繁忙擁塞以至于網(wǎng)絡(luò)癱瘓。如果將該節(jié)目也分別拷貝到其他幾個(gè)服務(wù)器上以分擔(dān)個(gè)別服務(wù)器的負(fù)載，但這樣做的結(jié)果無疑會(huì)浪費(fèi)存儲(chǔ)資源，也加重了中心服務(wù)器的負(fù)載。另一方面，節(jié)目切換時(shí)間和電視時(shí)延和普通電視相比也比較長，讓用戶難以接受。顯然這種機(jī)制難以適應(yīng)IPTV業(yè)務(wù)的需要。基于媒體交換的基本原理是將體積巨大的視頻文件切分成一個(gè)個(gè)固定大小的視頻切片，然后以切片為基礎(chǔ)進(jìn)行存儲(chǔ)、分發(fā)和服務(wù)。媒體交換技術(shù)是從原有的filecopy技術(shù)發(fā)展而來，所以原有的CDN的功能和特點(diǎn)同樣擁有。采用視頻切片技術(shù)，將各個(gè)切片放在不同的服務(wù)器上，有多個(gè)服務(wù)器共同分擔(dān)負(fù)載，這樣在某個(gè)節(jié)目收視率高的情況下也能更好的達(dá)到各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載均衡效果，避免出現(xiàn)單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)或者服務(wù)器的負(fù)載過大而造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
CDN是一種基于質(zhì)量和秩序的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，采用CDN技術(shù)的內(nèi)容分發(fā)方式具有一定的可管理性，可以提高業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，減輕骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力，能解決帶寬小、用戶多、網(wǎng)點(diǎn)分布不均勻所帶來的問題，但也存在著一些諸如擴(kuò)展性和技術(shù)上的一些問題，作為大規(guī)模IPTV業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)絡(luò)，單依靠CDN技術(shù)是不夠的，還必須依賴于一種高效的傳輸技術(shù)——IP組播技術(shù)。
IP組播是利用一種協(xié)議將IP數(shù)據(jù)包從一個(gè)源地址傳送到多個(gè)目的地址，將信息的拷貝發(fā)送到一組地址，到達(dá)所有想要接收它的接收者處。不同用戶如果接收同一個(gè)數(shù)據(jù)流，服務(wù)器只需發(fā)送一份數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)只需在用戶的分支點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制，在分支點(diǎn)以上的網(wǎng)絡(luò)只需傳送一個(gè)數(shù)據(jù)流，這樣就節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的帶寬及服務(wù)器資源。因?yàn)門V類節(jié)目所有用戶收看的都是同一個(gè)內(nèi)容，所以IPTV的TV類節(jié)目用IP組播技術(shù)來傳輸是再也合適不過了。
IP組播這個(gè)概念提出的很早，Deering在1988年就提出了將組播的功能機(jī)制增加到數(shù)據(jù)網(wǎng)IP層的組播實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)稱為 IP組播，1992年3月第一次建立組播主干網(wǎng)MBone。在IP組播通信模式里，路由器扮演著重要的角色，當(dāng)然它的狀態(tài)也是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，它必須提供每個(gè)群組和每個(gè)源的信息狀態(tài)，隨著Internet的越來越復(fù)雜，這都給組播的進(jìn)一步發(fā)展帶來了很大的困難。這也是多年來IP組播緩慢發(fā)展的一個(gè)重要原因。后來一些設(shè)計(jì)精巧的組播路由協(xié)議（如PIM-DM、PIM-SM等）的出現(xiàn)，再加上多媒體在網(wǎng)絡(luò)上越來越廣泛的應(yīng)用，IP組播的技術(shù)和應(yīng)用開始快速發(fā)展。
IETF RFC1112給出了標(biāo)準(zhǔn)IP組播業(yè)務(wù)的模型，它定義了主機(jī)和路由器IP
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