对等网络技术在IPTV中地运用研究

随着嵌入式技术这几年的迅速发展，在个人电脑平台上正显示出强大市场需求的流媒体技术，目前逐渐有向嵌入式平台转移的趋势。个人便携化、家电化的媒体消费需求，为这次平台的转移提供了市场契机。IPTV正是在这场消费革命中处在风口浪尖的焦点。业内大多认为IPTV蕴含了巨大的商业利益，但至今仍鲜有涉足者，其中原因之一是网络速度问题。本文介绍了对等网络技术，即点对点（P2P）技术，将其应用到IPTV网络传输中，可充分利用每一终端的上下行信道，并且不需要路由器等硬件支持组播，可以为IPTV网络传输瓶颈问题提供一种解决方案。

一、对等网络技术

1.对等网络简介

对等网络（peer-to-peer network），常被称为P2P或点对点，是近年来兴起的一种新型网络技术。它在传输方式上打破了传统网络的服务器/客户端（C/S）模式的定式，建立了一种客户端对客户端的直接通信机制，这种通信方式也为未来网络的发展提供了思路。在对等网络中，每一节点既作为客户端，又充当他人的服务器，从某种意义上，每一结点都处在同等地位。对等网络是对分布式概念的成功拓展，它将传统方式下的服务器负担分配到网络中的每一节点上，每一节点都将承担有限的存储与计算任务，加入到网络中的节点越多，节点贡献的资源也就越多，其服务质量也就越高。

反观现在网络上仍占主导地位的C/S服务模式，虽然近年来，终端用户的网络带宽逐年提高，但用户使用感受仍未有大的改观，主要也是由于各大服务器不堪重负，用户数量大幅上升时，服务器甚至有面临崩溃的危险，而此时空闲的链路带宽正被白白浪费掉。而P2P方式的网络服务，正好能充分挖掘网络的空闲资源，不需要增加投入，就能服务更多用户。因而可以看到，对等网络技术的优势是不言而喻的，它将在未来的网络应用中，创造巨大的价值。

2.对等网络的基本结构

对等网络一般按组织结构的不同，分为三种类型。

（1）集中式对等网络

    集中式的对等网络其实并不是完全意义上的对等网络，这是一种介于C/S模式与对等网络之间的基于P2P理念的对传统网络方式的拓展。集中式对等网络基于中央目录服务器，为网络中各节目提供目录查询服务，传输内容无需再经过中央服务器。这种网络，结构比较简单，中央服务器的负担大大降低。但由于仍存在中央节点，容易形成传输瓶颈，扩展性也比较差，不适合大型网络。但由于目录集中管理，对于小型网络的管理和控制上倒是一种可选择方案。

（2）无结构分布式网络

无结构分布式网络与集中式的最显著区别在于，它没有中央服务器，所有结点通过与相邻节点间的通信，接入整个网络。在无结构的网络中，节点采用一种查询包的机制来搜索需要的资源。具体的方式为，某节点将包含查询内容的查询包发送到与之相邻的节点，该查询包以扩散的方式在网络中蔓延，由于这样的方式如果不加节制，会造成消息泛滥，因此一般会设置一个适当的生存时间（TTL），在查询的过程中递减，当TTL值为0时，将不再继续发送。

这种无结构的方式，组织方式比较松散，节点的加入与离开比较自由，当查询热门内容时，很容易就能找到，但如果需求的内容比较冷门，较小的TTL不容易找到，而较大的TTL值又容易引起较大的查询流量，尤其当网络范围扩展到一定规模时，即使限制的TTL值较小，仍然会引起流量的剧增。但当网络中存在一些拥有丰富资源的所谓的类服务器节点时，可显著提高查询的效率。

（3）结构化分布式网络

结构化分布式网络，是近几年基于分布式哈希表（DistributedHashTable）技术的研究成果。它的基本思想是将网络中所有的资源整理成一张巨大的表，表内包含资源的关键字和所存放结点的地址，然后将这张表分割后分别存储到网络中的每一结点中去。当用户在网络中搜索相应的资源时，它将能发现存储与关键词对应的哈希表内容所存放的结点，在该结点中存储了包含所需资源的结点地址，然后发起搜索的结点根据这些地址信息，与对应结点连接并传输资源。这是一种技术上比较先进的对等网络，它具有高度结构化，高可扩展性，结点的加入与离开比较自由。这种方式适合比较大型的网络。

二、对等网络技术在IPTV中的应用

1.IPTV的现状

国内IPTV与P2P一直是沿着两个不同的方向发展。由于IPTV与传统电视收看方式相似，基本上被看作是有线电视（CATV）或数字电视（DVB）的升级，因而在设计思路上沿用了与之类似的中央服务器的模式。在传统的方式中，网络基本上是广播式的单向信道，即客户端没有能力或只有很少能力发送上行信息，在这种方式下，所有的服务内容由中央服务器发送，所有的处理工作完全由中央服务器完成，无法实现P2P的连接。

为了在C/S模式下解决IPTV中的服务器瓶颈问题，目前的方案大多拟采用组播技术，以及配合中央服务器一边缘服务器的内容分发策略（CDS）来实现。

组播技术也是近年来十分热门的，优于广播方式的网络中一点对多点传输服务技术。在传统的一点对多点通信中，服务器对每一个请求连接的客户端都要建立独立的连接，一般的服务器最大能提供的连接数量是相当有限的，因此这种方式并不适合媒体服务。广播方式下，可以不用为每个用户建立相应的连接，只将有需求的内容向每个子网以广播方式发送一份拷贝，这样可以保证所有用户都能接收到这份数据。但这种方式的弊端是显而易见的，大量的没有请求这项内容的用户也都收到了这份数据，这将造成网络数据的泛洪，引起阻塞。由此，产生了组播技术。在组播方式下，增加了一个组播组的概念，当用户请求服务时将加入这个组，服务器只向有需要的子网的组播地址发送一份数据拷贝，当这份数据到达子网路由器时，路由器将根据当前组成员状况进行发送，这样只有当前的组成员能够接收到这份数据，从而保证了带宽不被浪费。

2.对等网络在IPTV中的应用

组播对于减轻服务器负担是有相当作用的，但是组播对硬件要求较高，需要数据源和接收者的下层网络都能支持组播协议。而且组播方式，依然没有利用到客户端的上行通道，即用户接收到的数据仍然不能转发给其他有相同需要的用户。

传统网络方式与对等网络方式的网络结构对比如图1。采用对等网络技术的IPTV系统，对底层硬件基本没有要求，只需在应用层上修改即可。由于IPTV具有实时媒体的特点，网络节点并不需要保存资源信息的相关内容，每节点在某一时刻只能提供一种资源的服务，因此对等网络中基于搜索的机制完全可以不予考虑。另外，由于IPTV系统必须具备良好的用户认证收费管理子系统，以及提供相关增值服务的功能，因此不能允许用户随便加入网络，需要有健全的用户管理机制。针对IPTV这种特性，在IPTV中应用对等网络技术，采用集中式的结构比较合适。

    图1  IPTV中传统网络与对等网络的结构对比

在基于对等网络的IPTV系统中采用集中式结构，系统中应存在少量的中央服务器，这些服务器除了保存节目内容资源外，还要保存当前的节目单信息和正在收看节目的客户端信息。当用户请求收看某一节目时，服务器将返回正在收看该节目的用户，这里服务器可以根据请求来源的路由信息，在所有收看该节目的用户中挑选与请求用户最接近的，也就是连通性最好的用户信息进行返回。用户收到服务器返回的地址信息后，即开始与正在收看的用户进行连接，获取节目内容。