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基于IPTV的承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
河南電視臺都市頻道技術(shù)部 王軼2005年中南地區(qū)電視技術(shù)年會優(yōu)秀論文三等獎
摘要：
承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前IPTV發(fā)展的一個瓶頸，保證海量數(shù)據(jù)高質(zhì)量、小延時的傳輸是承載網(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，更重要的是提供個性化服務(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)的兩個核心內(nèi)容，下面就這個兩個方面進(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。在這個網(wǎng)絡(luò)上開展IPTV業(yè)務(wù)，要面對兩個主要問題。一個是服務(wù)器，要支持上萬甚至更多的用戶，這樣一個服務(wù)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這需要多臺服務(wù)器一起來提供服務(wù)。另一個就是網(wǎng)絡(luò)帶寬，若支持上萬甚至更多的用戶同時在看，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，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，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，它會根據(jù)配置自動到中心服務(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、內(nèi)容路由系統(tǒng)和Cache節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)三個部分構(gòu)成。其中，內(nèi)容管理平臺主要負(fù)責(zé)整個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，一個是基于filecopy，另一個是基于媒體交換�；趂ilecopy的機(jī)制是將一部電影或一集電視劇作為一個文件，以整個文件為單位進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)、調(diào)度和服務(wù)。但在這種機(jī)制下，由于各個媒體服務(wù)器上存儲不同的節(jié)目，如果某個服務(wù)器上的節(jié)目比較受歡迎，那么用戶都會選擇這個節(jié)目，這個服務(wù)器很快就會達(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服務(wù)器上以分擔(dān)個別服務(wù)器的負(fù)載，但這樣做的結(jié)果無疑會浪費(fèi)存儲資源，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(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個固定大小的視頻切片，然后以切片為基礎(chǔ)進(jìn)行存儲、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)，將各個切片放在不同的服務(wù)器上，有多個服務(wù)器共同分擔(dān)負(fù)載，這樣在某個節(jié)目收視率高的情況下也能更好的達(dá)到各個服務(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)包從一個源地址傳送到多個目的地址，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，它必須提供每個群組和每個源的信息狀態(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)展的一個重要原因。后來一些設(shè)計精巧的組播路由協(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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