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基于IPTV的承載網絡技術
河南電視臺都市頻道技術部 王軼2005年中南地區電視技術年會優秀論文三等獎
摘要：
承載網絡技術是目前IPTV發展的一個瓶頸，保證海量數據高質量、小延時的傳輸是承載網絡要解決的重要問題。CDN和IP組播技術為這一問題的解決提供了有效可行的方案，為IPTV的迅速發展提供了保證。
關鍵詞:IPTVCDNIP組播
隨著Internet寬帶技術的發展，在電視領域也產生了一項新的技術：IPTV，即IPTV電視，也稱作互動電視，它是一種利用寬帶有線電視網的設施，以電視機或者電腦作為主要終端，集互聯網、多媒體通信等多種技術于一體，向用戶提供電視節目和其它數字多媒體內容的技術。IPTV不僅能接收電視廣播信號，更重要的是提供個性化服務，能給用戶以更高的視覺享受。
IPTV將采集的音視頻節目進行壓縮編碼，以IP包的形式在不同的物理網絡中以IP單播或組播的方式從視頻服務器播送出去。信源編碼和承載網絡是其核心關鍵技術。在編碼技術像MPEG-4、H.264已經發展成熟的今天，承載網絡現在成為制約IPTV發展的一個重要因素。IPTV承載的主要節目內容包括視頻點播(VOD)及電視頻道(TV)節目。為了保證IPTV的收看質量與目前的有線電視網收看質量相當，IPTV承載網要求能在帶寬、頻道切換時延、網絡QoS等方面提供保證，這些都給IPTV的承載網絡提出了更高的要求。它也是目前各大運營商的研究的一個重要課題，其中CDN（Content Delivery Network）和IP組播技術是IPTV的承載網絡的兩個核心內容，下面就這個兩個方面進行探討。
現有的有線電視網絡基本上是采用的混合網絡，主干用的是光纖網絡，而用戶的接入方式基本上是電纜。在這個網絡上開展IPTV業務，要面對兩個主要問題。一個是服務器，要支持上萬甚至更多的用戶，這樣一個服務器是遠遠不夠的，這需要多臺服務器一起來提供服務。另一個就是網絡帶寬，若支持上萬甚至更多的用戶同時在看，要求的網絡帶寬是非常的大。傳統的內容發布模式是基于中心應用服務器的，網絡只是一個數據傳輸通道，不能根據不同的內容區分服務質量，缺乏個性化服務，這對于IPTV來說是不能接受的，另外，IP網絡的傳輸特性也決定了這種模式會浪費帶寬，加大中心服務器的負載，容易在節目高峰期引起中心服務器過載而使網絡癱瘓。所以要有一種新型的內容發布網絡來承載IPTV業務，這就是CDN。
CDN全稱是Content Delivery Network，即內容傳遞網絡，它是構建在IP網絡上的一種分布式的內容分發網，主要是采用中心—邊緣的服務器分布方式，它的基本原理就是廣泛采用各種Cache服務器，將這些Cache服務器分布到用戶訪問相對集中的地區或網絡中，我們稱之為邊緣服務器，所有的節目都在中心服務器存儲，而通過骨干網把內容分發到邊緣服務器，而邊緣網站基本上離用戶比較近，在小區、光纖點底下，實際上用戶的服務，直接由邊緣路由器提供，以緩解骨干網的帶寬壓力。在用戶訪問網站時，利用全局負載均衡技術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器上，由邊緣服務器直接響應用戶的請求。如果該邊緣服務器中沒有用戶要訪問的內容，它會根據配置自動到中心服務器去抓取相應的內容并提供給用戶。
CDN通常由內容管理平臺、內容路由系統和Cache節點網絡三個部分構成。其中，內容管理平臺主要負責整個CDN系統的管理，特別是內容管理，如內容的注入和發布、內容的分發、內容的審核、內容的服務等。內容路由系統負責將用戶的請求調度到適當的服務器上，內容路由通常通過負載均衡系統來實現，它是CDN的核心所在。Cache節點網絡是CDN的業務提供點，是面向最終用戶的內容提供設備。
目前的CDN有兩種技術體制，一個是基于filecopy，另一個是基于媒體交換。基于filecopy的機制是將一部電影或一集電視劇作為一個文件，以整個文件為單位進行內容分發、調度和服務。但在這種機制下，由于各個媒體服務器上存儲不同的節目，如果某個服務器上的節目比較受歡迎，那么用戶都會選擇這個節目，這個服務器很快就會達到負載極限，而其他服務器的負載卻很小，這樣就造成不同服務器間的負載均衡效果不佳，不僅浪費了系統資源，而且容易使單點網絡或者服務器繁忙擁塞以至于網絡癱瘓。如果將該節目也分別拷貝到其他幾個服務器上以分擔個別服務器的負載，但這樣做的結果無疑會浪費存儲資源，也加重了中心服務器的負載。另一方面，節目切換時間和電視時延和普通電視相比也比較長，讓用戶難以接受。顯然這種機制難以適應IPTV業務的需要�；诿襟w交換的基本原理是將體積巨大的視頻文件切分成一個個固定大小的視頻切片，然后以切片為基礎進行存儲、分發和服務。媒體交換技術是從原有的filecopy技術發展而來，所以原有的CDN的功能和特點同樣擁有。采用視頻切片技術，將各個切片放在不同的服務器上，有多個服務器共同分擔負載，這樣在某個節目收視率高的情況下也能更好的達到各個服務器的負載均衡效果，避免出現單點網絡或者服務器的負載過大而造成網絡癱瘓。
CDN是一種基于質量和秩序的網絡服務模式，采用CDN技術的內容分發方式具有一定的可管理性，可以提高業務的服務質量，減輕骨干網絡的傳輸壓力，能解決帶寬小、用戶多、網點分布不均勻所帶來的問題，但也存在著一些諸如擴展性和技術上的一些問題，作為大規模IPTV業務的承載網絡，單依靠CDN技術是不夠的，還必須依賴于一種高效的傳輸技術——IP組播技術。
IP組播是利用一種協議將IP數據包從一個源地址傳送到多個目的地址，將信息的拷貝發送到一組地址，到達所有想要接收它的接收者處。不同用戶如果接收同一個數據流，服務器只需發送一份數據，網絡只需在用戶的分支點進行復制，在分支點以上的網絡只需傳送一個數據流，這樣就節省網絡的帶寬及服務器資源。因為TV類節目所有用戶收看的都是同一個內容，所以IPTV的TV類節目用IP組播技術來傳輸是再也合適不過了。
IP組播這個概念提出的很早，Deering在1988年就提出了將組播的功能機制增加到數據網IP層的組播實現體系結構，這種體系結構稱為 IP組播，1992年3月第一次建立組播主干網MBone。在IP組播通信模式里，路由器扮演著重要的角色，當然它的狀態也是相當的復雜，它必須提供每個群組和每個源的信息狀態，隨著Internet的越來越復雜，這都給組播的進一步發展帶來了很大的困難。這也是多年來IP組播緩慢發展的一個重要原因。后來一些設計精巧的組播路由協議（如PIM-DM、PIM-SM等）的出現，再加上多媒體在網絡上越來越廣泛的應用，IP組播的技術和應用開始快速發展。
IETF RFC1112給出了標準IP組播業務的模型，它定義了主機和路由器IP
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