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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年中南地區電視技術(shù)年會(huì )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(gè)瓶頸,保證海量數據高質(zhì)量、小延時(shí)的傳輸是承載網(wǎng)絡(luò )要解決的重要問(wèn)題。CDN和IP組播技術(shù)為這一問(wèn)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(zhù)Internet寬帶技術(shù)的發(fā)展,在電視領(lǐng)域也產(chǎn)生了一項新的技術(shù):IPTV,即IPTV電視,也稱(chēng)作互動(dòng)電視,它是一種利用寬帶有線(xiàn)電視網(wǎng)的設施,以電視機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(hù)提供電視節目和其它數字多媒體內容的技術(shù)。IPTV不僅能接收電視廣播信號,更重要的是提供個(gè)性化服務(wù),能給用戶(hù)以更高的視覺(jué)享受。
IPTV將采集的音視頻節目進(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 )現在成為制約IPTV發(fā)展的一個(gè)重要因素。IPTV承載的主要節目?jì)热莅ㄒ曨l點(diǎn)播(VOD)及電視頻道(TV)節目。為了保證IPTV的收看質(zhì)量與目前的有線(xiàn)電視網(wǎng)收看質(zhì)量相當,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。它也是目前各大運營(yíng)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)核心內容,下面就這個(gè)兩個(gè)方面進(jìn)行探討。
現有的有線(xiàn)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(hù)的接入方式基本上是電纜。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )上開(kāi)展IPTV業(yè)務(wù),要面對兩個(gè)主要問(wèn)題。一個(gè)是服務(wù)器,要支持上萬(wàn)甚至更多的用戶(hù),這樣一個(gè)服務(wù)器是遠遠不夠的,這需要多臺服務(wù)器一起來(lái)提供服務(wù)。另一個(gè)就是網(wǎng)絡(luò )帶寬,若支持上萬(wàn)甚至更多的用戶(hù)同時(shí)在看,要求的網(wǎng)絡(luò )帶寬是非常的大。傳統的內容發(fā)布模式是基于中心應用服務(wù)器的,網(wǎng)絡(luò )只是一個(gè)數據傳輸通道,不能根據不同的內容區分服務(wù)質(zhì)量,缺乏個(gè)性化服務(wù),這對于IPTV來(lái)說(shuō)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 )浪費帶寬,加大中心服務(wù)器的負載,容易在節目高峰期引起中心服務(wù)器過(guò)載而使網(wǎng)絡(luò )癱瘓。所以要有一種新型的內容發(fā)布網(wǎng)絡(luò )來(lái)承載IPTV業(yè)務(wù),這就是CDN。
CDN全稱(chēng)是Content Delivery Network,即內容傳遞網(wǎng)絡(luò ),它是構建在IP網(wǎng)絡(luò )上的一種分布式的內容分發(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(hù)訪(fǎng)問(wèn)相對集中的地區或網(wǎng)絡(luò )中,我們稱(chēng)之為邊緣服務(wù)器,所有的節目都在中心服務(wù)器存儲,而通過(guò)骨干網(wǎng)把內容分發(fā)到邊緣服務(wù)器,而邊緣網(wǎng)站基本上離用戶(hù)比較近,在小區、光纖點(diǎn)底下,實(shí)際上用戶(hù)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(hù)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站時(shí),利用全局負載均衡技術(shù)將用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)指向到離用戶(hù)距離最近的工作正常的邊緣服務(wù)器上,由邊緣服務(wù)器直接響應用戶(hù)的請求。如果該邊緣服務(wù)器中沒(méi)有用戶(hù)要訪(fǎng)問(wèn)的內容,它會(huì )根據配置自動(dòng)到中心服務(wù)器去抓取相應的內容并提供給用戶(hù)。
CDN通常由內容管理平臺、內容路由系統和Cache節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )三個(gè)部分構成。其中,內容管理平臺主要負責整個(gè)CDN系統的管理,特別是內容管理,如內容的注入和發(fā)布、內容的分發(fā)、內容的審核、內容的服務(wù)等。內容路由系統負責將用戶(hù)的請求調度到適當的服務(wù)器上,內容路由通常通過(guò)負載均衡系統來(lái)實(shí)現,它是CDN的核心所在。Cache節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )是CDN的業(yè)務(wù)提供點(diǎn),是面向最終用戶(hù)的內容提供設備。
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)行內容分發(fā)、調度和服務(wù)。但在這種機制下,由于各個(gè)媒體服務(wù)器上存儲不同的節目,如果某個(gè)服務(wù)器上的節目比較受歡迎,那么用戶(hù)都會(huì )選擇這個(gè)節目,這個(gè)服務(wù)器很快就會(huì )達到負載極限,而其他服務(wù)器的負載卻很小,這樣就造成不同服務(wù)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(diǎn)網(wǎng)絡(luò )或者服務(wù)器繁忙擁塞以至于網(wǎng)絡(luò )癱瘓。如果將該節目也分別拷貝到其他幾個(gè)服務(wù)器上以分擔個(gè)別服務(wù)器的負載,但這樣做的結果無(wú)疑會(huì )浪費存儲資源,也加重了中心服務(wù)器的負載。另一方面,節目切換時(shí)間和電視時(shí)延和普通電視相比也比較長(cháng),讓用戶(hù)難以接受。顯然這種機制難以適應IPTV業(yè)務(wù)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(gè)個(gè)固定大小的視頻切片,然后以切片為基礎進(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(lái),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)器共同分擔負載,這樣在某個(gè)節目收視率高的情況下也能更好的達到各個(gè)服務(wù)器的負載均衡效果,避免出現單點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )或者服務(wù)器的負載過(guò)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(hù)多、網(wǎng)點(diǎn)分布不均勻所帶來(lái)的問(wèn)題,但也存在著(zhù)一些諸如擴展性和技術(shù)上的一些問(wèn)題,作為大規模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(lài)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數據包從一個(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,到達所有想要接收它的接收者處。不同用戶(hù)如果接收同一個(gè)數據流,服務(wù)器只需發(fā)送一份數據,網(wǎng)絡(luò )只需在用戶(hù)的分支點(diǎn)進(jìn)行復制,在分支點(diǎn)以上的網(wǎng)絡(luò )只需傳送一個(gè)數據流,這樣就節省網(wǎng)絡(luò )的帶寬及服務(wù)器資源。因為T(mén)V類(lèi)節目所有用戶(hù)收看的都是同一個(gè)內容,所以IPTV的TV類(lèi)節目用IP組播技術(shù)來(lái)傳輸是再也合適不過(guò)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制增加到數據網(wǎng)IP層的組播實(shí)現體系結構,這種體系結構稱(chēng)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(zhù)重要的角色,當然它的狀態(tài)也是相當的復雜,它必須提供每個(gè)群組和每個(gè)源的信息狀態(tài),隨著(zhù)Internet的越來(lái)越復雜,這都給組播的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了很大的困難。這也是多年來(lái)IP組播緩慢發(fā)展的一個(gè)重要原因。后來(lái)一些設計精巧的組播路由協(xié)議(如PIM-DM、PIM-SM等)的出現,再加上多媒體在網(wǎng)絡(luò )上越來(lái)越廣泛的應用,IP組播的技術(shù)和應用開(kāi)始快速發(fā)展。
IETF RFC1112給出了標準IP組播業(yè)務(wù)的模型,它定義了主機和路由器IP
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