基于CDN和P4P融合架构的IPTV系统

廖剑锋

(华中科技大学文华学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

IPTV系统的内容分发通常基于CDN的分层架构，将内容尽可能地分发到离用户最近的网络边缘［1］。当有百万用户接入网络，要解决大规模用户并发使用，就必须线性增加CDN系统的容量，使运营商投入过于庞大。另外，流媒体服务器可能会因为单点故障而导致所辖区域服务的崩溃，而传统的CDN模式并没有动态扩展性能。

与此同时，P2P流媒体传输技术也在走向成熟，并在全球广泛使用。P2P技术既帮助用户提升下载速率又降低了对节目源服务器的依赖［2］。但是，P2P技术也有其自身缺陷。目前国内家庭用户主要是采用ADSL方式，这种非对称结构不利于为其他P2P节点提供节目源。另外，P2P流媒体在管理维护、服务质量保证、流量跨域无序性、商业模式上还不够规范。P2P模式对运营商最大的破坏冲击就是消耗掉了大量的网络带宽，特别是对运营商的骨干网络影响最大，运营商要为此耗费巨大的投资来加大主干网络带宽。

1 P2P技术优势

P2P技术的优点主要体现在非中心化、负载均衡和高性价比等方面［3］。由于IPTV对安全性和管理方面要求较高，P2P的“分散自由”导致P2P在管理和安全设置方面存在问题。P2P的关键缺陷在于大量耗费网络带宽，使运营商的网络资源趋于紧张。

P2P技术的路由效率较低，P2P的各个资源是分散的，在查找路由时P2P普遍采用资源定位算法，这种算法效率较低。另外，P2P没有好的方法选取和管理各服务端对等点，各个对等点基本上处于放任自由和无拘无束的状态。因为P2P各对等点的随机分布和盲目选择，点与点之间缺乏有效管理和沟通方式，各个对等点各自为战，几乎不考虑整个网络的拓扑状态情况，从而导致了大量的无用的P2P流量。由于P2P模型的局限性，P2P无法感知到网络层及其以下的网络拓扑信息和链路状态，所以没有约束的P2P流量泛滥无可回避。另外，很多P2P应用开发商在开发P2P软件时，大部分注意力都集中在改进终端用户的需求方面，而很少考虑P2P软件对网络带宽的耗费问题，更无法体会到运营商在运营成本方面的窘境。

2 从P2P过渡到P4P

P2P应用给底层网络负载和网络流量控制带来了很大的压力和挑战，传统的流量控制技术难以有效处理采用P2P网络架构的多种应用，P2P应用和电信运营商之间的矛盾日益突出。电信运营商为网络带宽不断扩容，但利润并没有增加，相反，可能还会因为设备投入过大而无法收回成本。在这种背景下，电信运营商迫于无奈，开始对P2P应用下“毒手”。从2002年开始，美国的AT＆T和Comcast公司公开表示要对P2P应用进行限速甚至拦截。在国内，有很多城市的电信运营商也曾经对不少家庭用户封杀过BT等P2P软件。这种封杀行为，遭到很多P2P软件提供商和终端用户的强烈抵制和抗议，甚至还有P2P软件开发商开发出很多突破封杀的下载软件。而终端用户更是有人为此把电信运营商告上公堂，认为运营商的此种行为涉嫌侵犯了公民的合法权益。P2P软件开发商和终端用户一致认为，“运营商就像是自来水公司，在用户交足费用后，用户有权长时间把水龙头出水量开到最大”，认为网络应该是一种服务，应该时刻保持通畅，以疏为主，而不是堵。在这种舆论压力下，电信运营商无奈也取消了这些限制和约束，又开始任由用户进行P2P下载。但如何有效地规避P2P的缺陷，避免其耗费大量的带宽，运营商也一直没有找到好的解决办法。

结合CDN和P2P的优缺点，有很多学者建议将CDN和P2P结合使用。这些学者的普遍建议是，在骨干路由层和区域路由层采用CDN和P2P配合工作，以CDN为主，在边缘层也采用CDN和P2P配合工作，以P2P为主。但是，从二者结合的使用实际来看，效果并不理想。其原因是:P2P(主要由P2P软件开发商提供)与CDN(主要由运营商主导)之间缺乏有效配合、各自为战，运营商与P2P应用没有建立有效的协作关系，运营商没有为P2P提供底层的各种有针对性的网络参数信息，而P2P也没有为运营商提供有针对性的参数信息，P2P的多变性和多样性让运营商无法适应。另外，P2P可能会导致节点之间流量不平衡，有可能对硬件或网络资源冲击较大，缺少运营商的“网络平衡”或“负载均衡”支持。特别是对于相距较远贯穿骨干网的节点之间的数据传递，网络负荷影响较大。所以CDN和P2P进行简单融合的方法并没有解决这些难点问题。

由此来看，单纯P2P技术和单纯只靠运营商自己都不能担当重任，各自单方面的努力都是徒劳的。唯一解决之道，就是P2P软件开发商和电信运营商相互协作，二者密切配合，运营商要主动参加到P2P技术的应用中来。任何一方的策略都存在明显缺陷，只有两方相互通信、相互协作才能真正有效地解决问题。美国耶鲁大学谢海永博士率先提出了运营商主动参与的P2P技术，即Proactive Network Provider Participation for P2P，也叫P4P技术。以谢海永博士为主，再加上网络运营商Verizon公司和P2P软件商Pando，联合组成了P4P工作组。工作组以对等网络厂商、运营商协作的方式运行，提出以域内部署的服务器为核心进行优化，强调实体之间的优化互联，P4P协议支持缓存形式的流量优化设备，工作组通过大规模试验验证P4P的实际效果，并开展P4P应用。

P4P技术不是P2P技术的简单升级，其最主要的理念就是电信运营商要主动参与到P2P的整个流程。从终端用户到IPTV系统的服务资源，整个链路要求电信运营商和P2P软件开发商全程参与和合作。P2P软件开发商需要电信运营商为每个对等点提供详尽的底层网络信息，比如，网络拓扑、链路状态信息、网间链路成本信息、带宽信息等，这些信息对于帮助和引导P2P软件进行有效通信至关重要，而作为P2P应用层开发商刚好缺乏这些信息。为加强服务性能和保障，P2P软件开发商甚至可以要求电信运营商提供服务器进行P2P交换。另外一个方面，有了P2P软件开发商的帮助，电信运营商也可以加强对IPTV中资源的管理，特别是涉及到版权和安全机制方面的管理。所以说，电信运营商和P2P应用开发商完全可以化敌为友，互相帮助和促进，共同担负起发展IPTV技术的重任。

3 IPTV系统中使用CDN和P4P融合技术

P4P架构实际上相当于在电信运营商和P2P软件应用之间开启了显式通信接口，P2P软件主动调用这些通信接口以获得必要的底层网络信息，请求链路按需分配网络资源。通过这些设置，就可以显著降低不必要的跨越整个运营商骨干链路的流量。

3.1 CDN和P4P融合的系统架构

CDN和P4P二者的融合模型可以这样设计，在先期CDN框架之上，在运营商的骨干网或主干链路层次仍然保留先期的CDN系统结构，功能也不变。流媒体内容通过传统CDN技术，从中心服务器推送至网络边缘服务器。可对边缘服务器和(或)终端服务器采用P2P技术。在边缘服务器引入可管理、可控制的P2P技术，边缘服务器所管理的边缘用户自治域间的传输采用P2P技术。P2P的范围尽可能控制在本地服务器服务范围之内，这样可减少骨干网上的突发和穿越流量。如果用户请求的内容没有在本地服务器中，则边缘服务器通过CDN向中心服务器索取，同时向本地用户进行P2P分发［4］。因为CDN模型具有分域的显著特点，一个特定域内的边缘服务器数量有限，对域内边缘服务器采用P2P技术并不会带来网络拥塞。边缘服务器这种Peer节点比较特殊，一般是作为一种备用资源使用，几乎从不参与P2P数据的交换。所以，用户数越多对网络服务器的依赖就越强，要想解决这个问题，就必须在终端采用P2P技术。另一方面，终端用户不同于服务器，它的功能不够强大，而且自由度也比较大，可能会随时关闭。可以把边缘服务器作为终端对等点的有益补充，将边缘服务器上的同一个节目源作为备选，其目的是提高用户资源定位的成功率，降低P2P查询流量。图1是CDN和 P4P融合架构图，根据分析，CDN和P4P融合的架构相当于在终端用户和接入网层面或Edge Network(边缘网络)层面采用P2P技术。

图1 CDN和P4P融合架构

谢海永博士提出的P4P，主要包括控制层、管理层和数据层。管理层主要是对控制平台进行管理和监控，数据层提供的功能较为简单，主要是涉及到对P2P的流量进行分类识别和对优先级进行设置，这里主要研究控制层。P4P的控制层是基于网络监管服务器(iTracker)和P2P应用监管服务器(appTracker)的P4P整体架构;从接口设计需求和理论分析两方面描述了iTracker和appTracker在接口实现上需要考虑的简单性、语义丰富性、可扩展性、隐私性等要求和最大化网络链路利用率等目标。

如图2所示，P4P控制层中引入了iTracker和appTracker。iTracker可以作为电信运营商与P2P应用进行交互的接口，它和P2P应用的appTracker一起，构成了整个P4P架构的控制层。而每个ISP都可以通过操作属于自己的iTracker，管理本ISP内部的节点，并实现与P2P应用的协作。在iTracker中，控制层主要提供了3种不同的接口，包括info接口、policy接口和capability接口。这些接口一方面保护了电信运营商的私密性，另一方面又允许电信运营商和P2P应用联合起来提升彼此的性能。

图2 P4P的控制平台

另外，iTracker可以将网络拓扑抽象为节点(PID)和连接节点(PID)链路的集合，如图3所示。同时，iTracker还会给PID之间的链路计算出一个代价，这样各个CDN节点就可以通过访问iTracker获得PID图，从而根据这些信息选择合适的CDN代理节点。

图3 PID图

图4是P4P的基本响应流程图。假如电信运营商A的节点a要和电信运营商B的节点b请求policy接口的响应，则可以分为两种情况进行讨论:如果是有中心服务器和appTracker的P2P结构，节点a和b均首先给自己所属的P2P应用的appTracker发送policy请求信息，而appTracker收到此请求之后，对该请求进行封装和转换，然后再分别将此请求转发给两个节点各自所属的iTracker，而每个节点所属的iTracker收到请求之后立刻做出响应，迅速把结果返回给appTracker，此时两个节点与appTracker的握手都还没有结束，因此appTracker可以迅速将从iTracker中得到的结果直接返回给这两个节点，就这样，P4P的响应流程宣告完成;如果是没有中心服务器和appTracker的P2P结构，每个节点都存储有相应的分布式哈希表DHT，而iTracker的信息也一定存在这些哈希表中，这两个节点的请求均可转发至各自所属的iTracker中，iTracker根据请求返回响应，查找哈希表，可以顺利地将返回结果发送到这两个节点中。图4中的黑色双向箭头表示的是有中心服务器和appTracker的控制信息，空心双向箭头表示的是没有中心服务器和appTracker的控制信息。

图4 P4P基本响应流程

3.2 CDN和P4P融合的系统测试

通过P4P工作组在PlanetLab上和实际系统中的实验，进行了大量的仿真BitTorrent，Liveswarms和Pando等P2P应用，实验结果表明P4P方法可以有效降低P2P应用对底层网络的不合理利用，大量降低了跨越ISP的核心骨干链路上的网络流量，减少繁忙链路上的带宽占用［5］。图5所示为P2P拓扑图和P4P拓扑图，可以看到，在同等条件下，经过P4P技术，经过核心骨干路由的路径显著减少，各个网络节点的负载也显著降低。谢海永博士的项目组曾经做过大量P4P实验，如图6所示，是使用了P4P技术的P2P软件BitTorrent实验数据图［5］，采取P4P方法进行技术处理后的P2P流量所占用的带宽减少非常明显。另外，Verizon和Telefonica公司也对P2P和P4P做了大量对比实验。由图7可以看到，采用P4P技术后，数据传输所经过的平均路由跳数明显减少，这对电信运营商十分有利，路由跳数减少，表明消耗的网络资源就越少。由图8可以看到，随着peer节点数的逐渐增多，采用P4P技术后数据传输所用的平均时间显著减少。

图8 P2P与P4P传输时间比较

3.3 CDN和P4P融合的系统应用

如前所述，P2P模式主要包括纯P2P方式、结构化式和集中目录式。集中目录式易于控制和管理，由于所有的内容请求都集中到了一个或少数几个节点，这就很容易对用户的行为进行监视和管理，也很容易对该网络中的内容进行控制。集中目录式虽然查询效率较高，但也存在缺陷，主要问题是如果单点出现故障或性能方面出现问题将不好解决。

在IPTV网络中，运营商为保证服务质量做了很多工作，IPTV的版权内容受到规范管理和控制，可以考虑采用集中目录式的架构对P2P进行管理。另一方面，结合CDN模式具有分级别和分区域的特征，合理规划网络结构，为P2P域指定特定的范围，以此来回避集中目录式架构的不足。

为提高P2P服务保证，可以优先使用域内的资源，对于域内没有的资源，则通过边缘服务器负责跨域调度到本地，终端不参与跨域的资源调度。为了便于实现域间的资源调度、提高域内提供资源下载的能力和负载均衡，考虑将边缘服务器拆分成向用户提供媒体下载服务的“媒体控制功能”和侧重于管理的“媒体分发动能”［2］。

P4P技术协助解决P2P的技术缺陷，运营商、P2P应用开发商和终端用户都可以从中受益。作为技术参与方，电信运营商可以积极投身于P2P数据传输和交换，帮助应用开发商和用户查找和定位P2P资源。应用开发商和终端用户使用融合有P4P技术的P2P，就可以从运营商那里获得很多有用信息，比如网络拓扑结构、各个链路状态、用户带宽等。而这些信息对应用开发商是至关重要的，他们可以借助于此对P2P网络进行大量的扩展开发。对P2P资源的有效管理和正确引导，可以大大提高P2P网络的使用价值。运营商可以充分利用这些信息，充分发挥集中目录式架构的优势，对用户的资源请求进行有效的管理和合理的引导，从而优化P2P流量。

同时还应注意到，IPTV对DRM(数字版权管理)十分重视，P4P技术也同样涉及到DRM问题。虽然目前P2P应用软件开发商对版权保护十分抵触，对参与运营商主导的P4P不够积极，但电信运营商和P2P应用软件开发商互相合作的思路为P2P技术指明了发展方向。虽然目前带有嵌入式P2P功能的机顶盒价格较贵，从而导致普及不够广泛［6］。但无论是中国还是其他国家，借助于P4P的IPTV一定会发展起来并形成规模。

4 小结

使用CDN和P4P融合的技术成为近来IPTV系统的研究热门。结合下一代广播电视网NGB的发展，IPTV还可以把各种服务平台融合在一起［7］。在IPTV网络中采用CDN和P4P结合的思想和技术是大势所趋，这种思想充分发挥了P2P技术在媒体分发方面的去中心化优势，规避了在信令层面的去中心化弱势。另外，运营商还要对各个对等实体加强管理和引导，从而构造出性能优越的IPTV系统架构。

［1］王厚芹，车士义.推进我国三网融合势在必行［J］.电视技术，2010，34(6):109－112.

［2］吴宏建.IPTV网络中CDN和P2P结合的技术分析及研究［J］.现代电信科技，2009(5):14－17.

［3］林华明.使用P4P技术的IPTV交付系统的分析与研究［J］.电视技术，2011，35(4):55－57.

［4］王晨凌.基于P2P和CDN融合架构的IPTV系统［J］.电信科学，2009(S2):181－184.

［5］XIE Haiyong，KRISHNAMURTHY A，SILBERSCHATZ A，et al.P4P:explicit communications for cooperative control between P2P and network providers［EB/OL］.［2010－12－15］.http://www.dcia.info/documents/P4P_Overview.pdf.

［6］詹晓涛.CDN与P2P相结合的流媒体系统设计［J］.电视技术，2009，33(6):67－70.

［7］《电视技术》编辑部.下一代广播电视网概述［J］.电视技术，2009，33(6):55－56.