面向三网融合的内容分发网络建设

陈达忠 杨炼

随着三网融合进程加速，我国电信、广电服务提供商正全力投入高带宽网络建设，但产业人士提出：如果只是增加带宽而不对流量加以疏导，不仅会造成网络资源浪费，还会因网络拥堵而大大降低业务质量，而内容分发网络CDN技术的应用，正是解决该问题的关键。

随着三网融合时代渐行渐近，视频作为电信、广电服务商的主流业务将得到大规模推广，这无疑将为业务承载网络带来压力，而高清网络电视的推广则更将对现有承载网络提出巨大挑战。众所周知，视频业务的占空比为1，未来以视频为主的内容将给骨干承载网络以百倍的扩容压力。而骨干承载网扩展能力的发展速度远低于接入网的发展速度。

内容分发网络CDN（Content Distribution Network）是一种提高网络内容、特别是提高流媒体内容传输服务质量、节省骨干网络带宽的技术，其采用高速缓存、负载均衡和内容重定向等技术，在一定的网络架构基础上实现内容加速、内容分发、减少网络带宽和用户响应时间。CDN内容分发网络的关键技术包括内容分发、内容路由、内容存储和内容管理等。

CDN网络总体架构

典型的CDN网络通常由三个部分构成：内容管理平台、内容路由系统、Cache节点网络。

其中，内容管理平台主要负责整个CDN系统的管理，特别是内容管理，如内容的注入和发布、内容的分发、内容的审核、内容的服务等。内容路由系统负责将用户的请求调度到适当的设备上，内容路由通常通过负载均衡系统来实现。Cache节点网络是CDN的业务提供点，是面向最终用户的内容提供设备。

从功能平面的角度，这三个部分分别构成了CDN的管理平面、控制平面和数据业务平面。从完整的CDN内容提供的角度，CDN还应包括内容源（媒体资源库、直拨源等）和用户终端（媒体播放器）。从CDN运营的角度，CDN还应考虑SP接口和管理、用户认证、授权和计费AAA、内容版权管理DRM等相关功能。

CDN网络分层模型。CDN网络从系统功能上可以分为四层：管理支撑层、内容控制层、内容分发层和用户接入层。

CDN系统层次结构

管理支撑层作为整个CDN系统的管理平面，承担平台的管理支撑功能，包括系统的认证、计费、统计分析、系统管理、用户管理、SP管理、内容策略管理、DRM管理，以及和其他系统之间的接口适配功能（如运营商现有运营支撑系统的接口等）。其中，内容管理、DRM、接口适配是CDN的业务管理功能模块，其它模块是运营支撑功能模块，可纳入运营商现有综合运营支撑系统。

内容控制层是系统的控制平面，从管理平面的角度看，它是运营支撑系统内容管理的策略执行点，从内容分发的角度看，它是整个内容分发系统内容数据流向的控制点。内容控制层包括内容路由、内容发布、内容注入、内容分发和内容服务的控制。

内容分发层是系统的数据平面，主要承担实际的内容数据流的承载工作。主要包括媒体资源库、直播源、CDN骨干点和CDN POP点。其中CDN POP点主要有本地负载均衡设备SLB和Cache构成。CDN POP点直接面向用户提供内容服务。CDN骨干点不直接面向用户服务，而主要提供未命中的处理和内容分发，通过CDN骨干点的连接，所有的CDN POP可以构成一个CDN服务和分发树。内容的分发从骨干（根）逐级到各个CDN POP点，内容的服务（在未命中时）从POP点向上到骨干点。

用户接入层主要指用户终端设备。

CDN网络功能模型。CDN网络主要包含几个方面的元素：CDN节点网络，CDN负载均衡系统，CDN媒体资源库，CDN管理支撑系统。

媒体资源库包括媒体制作、内容存储和内容发布；节点网络包含CDN的骨干节点和CDN POP节点；负载均衡系统包括全局负载均衡和本地负载均衡；管理支撑系统包括内容管理、DRM、AAA、系统管理、网络管理、接口适配等功能。整个CDN系统需要和SP/CP、现有综合运营支撑系统接口。

CDN网络总体部署架构。对于服务全国的CDN网络运营商， CDN网络可由全国核心节点、省骨干节点和边缘节点构成。

CDN系统节点构成

节点指CDN物理节点（在组网层面上）。逻辑上一个完整的节点包括多个CDN功能实体，主要包含两个部分：CDN节点网络（分发平面）和CDN管理支撑系统（管理和控制平面）。其中，CDN节点网络由媒体资源库、CDN骨干点和CDN POP点构成； CDN管理支撑系统由管理支撑平台和负载均衡系统构成。

从全国CDN的角度，节点分为三类：全国核心节点、省骨干节点（位于各省省会）、地市边缘节点。根据组网方式不同，各类节点的数量、分布、节点之间的关系也有所不同。

对于管理支撑系统而言，它主要承担管理平面和控制平面的工作。其中，管理支撑系统复杂业务的开展和运营，以及系统的管理；负载均衡系统负责整个CDN的内容路由。

对于节点网络而言，它主要承担数据（媒体）流的转发工作，由媒体资源库、CDN骨干点、CDN POP点构成，它们的功能有明确的区分。

CDN骨干点：位于CDN网络核心，主要承担如下的功能：内容逐级分发、未命中处理功能（针对POP点）、服务备份（针对POP点）和反向Cache（针对媒体资源库）。在设计上，CDN骨干点要求支持逐级分发的能力、边缓存边播放的能力、部分缓存的能力，要求具有安全性、稳定性和可靠性。

CDN POP点：主要承担用户访问服务功能，要求能够支持大规模的用户访问，满足灵活的业务需求，足够的网络覆盖以提高CDN内容服务性能。CDN POP主要包括SLB设备和多台Cache设备，具有针对本地设备和内容的管理和监测功能。

媒体资源库充当内容的存储功能和内容源的功能，媒体资源库通过海量网络存储支持大规模的内容存储。在设计上，全国的媒体资源库存放全国SP内容（以及全国自营内容），省媒体资源库存放省SP内容（以及省、地市本地自营内容）。媒体资源库作为内容源还需要具有内容发布功能（Web server）和媒体流输出功能（media/real server）。

CDN网络演进方案

传统的CDN技术仍然是一种客户机-服务器（C/S）的计算模式。尽管传统CDN将服务能力和服务内容在网络上进行了分布，可以在一定程度上加速流媒体内容的分发，提高服务质量。但由于其核心仍然是基于C/S的架构，其服务的扩展能力取决于分布节点的不断部署，由此造成了CDN服务能力扩展的成本非常高，需要不断的投资。同时，用户访问是具有随意性，突发性等特点的，而传统CDN系统不具备弹性动态扩展的能力，难以从根本上提升CDN系统的效率。伴随着Web 2.0的兴起，传统系统架构中Server-Client模式受到挑战，各种Client不在仅仅作为接受Server服务的被动者，而是成为网络服务的积极提供者，网络各节点对等化将成为Web 2.0时代下技术发展的主流方向之一。下一代的CDN不但要求做到把内容复制到网络的最边缘，使内容请求点和响应点间的距离缩至最小，还需要对用户请求的内容进行分析，智能地调度和分配资源，最好地利用资源。

为满足流媒体等大容量内容的高效分发，在Web 2.0时代，传统的CDN网络结构模型存在以下问题：

在传统的CDN网络中，边缘节点从内容存储中心通过Push或Pull方式获取内容，内容存储中心与边缘节点之间的关系是不对称的。在Web 2.0理念中，边缘节点向原有内容存储中心和其他边缘节点的内容流动的可能也是存在的，CDN作为积极参与网络服务的提供者，边缘节点如何参与到整个网络服务的结构中去。随着用户规模的迅速增长，不断增加部署的边缘节点的数量和服务能力，即网络扩容，对运营商来讲，其成本往往是高昂的，效率是低下的。

作为运营商时，在Web 2.0时代下，特别是P2P（Peer to Peer）的出现，通过简单的P2P网络，以很低的成本就会实现用户规模越大，网络效率越高的效果，当然如果仅仅以纯粹的P2P网络来提供服务，由于每个参与P2P网络的peer可以直接从其他peer上获取数据，无法做到身份有效认证，用户和资源等不可能有效管控，从而对P2P网络的电信运营商带来不利影响。大规模的P2P用户也必然加大对骨干网络流量对冲，由于电信网络不同于互联网，其QoS是需要得到保证的，P2P网络中的各peer之间的频繁数据交换，将大大消耗骨干网的数据流量，影响电信其他业务运营。因此P2P网络的QoS也是无法得到保证的。

随着网络技术的发展，现有的各种网络，如数据网、电信网、移动网、广播电视网都将融入下一代网络NGN。届时，网络上的应用将更加丰富，只有将用户需要访问的内容尽可能分布到离用户最近的地方才能有效地提高网络的利用率，为用户提供更高品质的服务，这些都为CDN提供了无限的发展空间。可以预见，CDN技术将随着网络技术的发展而不断前进，并成为Internet及未来NGN网络中不可分割的一部分。CDN 和P2P模式的融合是媒体分发技术发展的重要趋势

CDN和P2P是当前互联网上实现内容分发传递的两种主流技术，CDN高成本和高复杂性制约了其规模扩展的能力，P2P则在网络的友好型、可靠性和可管理性上有较大问题。

CDN和P2P各有所长，技术上基本可以互补，如果将两种技术融合起来，构建统一的内容承载平台，将会有可能实现大规模流媒体直播、大型文件下载、高清视频等高带宽占有率业务的进一步普及。通过P2P扩展CDN的容量，CDN可以克服P2P动态性、引导P2P内容分发实现对ISP和主干网的友好性，形成一种更加完善的内容分发应用模式。因此CDN 和P2P内容分发应用模式的融合是媒体分发技术发展的重要趋势。

CDN内容分发融合模式

基于CDN网络和P2P融合的不同，可将内容分发的融合模式分为边缘融合模式、中心融合模式，以及同时具有边缘和中心融合特征的混合模式。

边缘融合模式。将整个网络化分为两个大层次：“中心层”集中管理整个网络的资源和内容；“边缘层”负责就近的，并为用户提供服务。用户所访问的内容都存放在内容中心，但是为了保证效率，用户一般不直接访问内容中心，而是访问被推送到不同边缘节点的内容。从以上功能定位来看，影响用户规模增长的因素包括边缘节点的数量和服务能力。

在边缘融合模型中，将边缘节点对等节点化，这样边缘节点管辖自身范围内组成了一个独立的P2P自治域网络，其网络效能可以大大提升。该模式中的网络分发和控制通过下述方式实现：中心层负责控制边缘节点以上层次的资源和内容，其严格遵守Server-Client模式，边缘节点受中心控制；边缘节点内组成的P2P自治域，其资源和内容在边缘节点是充分共享的。同样地，在边缘自治域范围内，也会存在一个实在和虚拟的Control Center，负责各Peer的资源与内容的智能管理。

此模式将CDN的管理机制和服务能力引入P2P网络，形成以CDN为可靠内容核心、以P2P为服务边缘的结构，由于所有的内容请求都集中到了一个或少数几个核心点，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，具有很好的查询效率。该结构目前主要应用于IPTV内容分发网络中。由于引入了P2P技术，相比Server-Client模式的网络电视系统，极大的节省了带宽开销。这种结构提高了内容的可控性，增强了P2P的稳定性，然而这种P2P与CDN的混合只是利用了其各自的外部特性，从本质上而言，P2P自身没有改造，CDN也没有优化，自身架构没有发生融合，只相当于把两种技术的服务方式做了叠加，并没有有效地实现两种技术的优劣互补。

中心融合模式。在传统CDN中，从中心到边缘服务器之间的数据链路需要相当大的投资，同时资源的效率不高、带宽复用率低；另外在跨ISP等情况下，链路的畅通也难以得到保障。针对这一问题，可以以P2P技术对CDN网络进行优化、改造。在中心融合模式中，对业务网络划分了同样的结构层次，不过P2P方式不是采用在边缘节点内部，而是边缘节点之间，每个边缘节点类似P2P网络中的一个Peer，也就是说边缘节点可以不必从中心获取内容服务，边缘节点之间可以相互提供内容服务，利用P2P的目录服务和多点传输能力，实现CDN节点设备之间的内容交换、互相备份，大大减轻了对中心层的压力，增强从中心到边缘节点的CDN网络的内容传送效率、使系统冗余性得以提高，从而提升CDN的内容分发能力。；而且边缘节点的内容也可以被聚合到了中心层，并可为其他边缘节点分享。

与P2P网络不同的是，虽然边缘节点可以自由的交换内容，但其仍然受核心节点控制。该模型的网络智能提高下述方式实现：每个边缘节点聚合的内容，都通过中心注册方式，实现内容中心总控制；边缘节点的资源能力由核心节点总控制。

这种模式减轻了内容分发时对中心服务器造成的压力。其P2P节点是服务器，即Server to Server。边缘服务器之间距离较远且网络环境相差较大，服务器间传输会有一定的瓶颈限制。

混合模式。以边缘融合模式和中心融合模式为基础，可以衍生出很多更加复杂的CDN与P2P的融合模式，比如多个边缘节点参与同个P2P自治域，同时各个边缘节点之间，组成一个较高层次的P2P自治域，这样整个网络的放大效能可以提升很多。而且内容之间的流动可以更加自由和多样化。

综上提及的CDN与P2P融合模式，并不只是简单的把两种技术叠加，而是一方面从CDN网络中心到边缘层采用P2P技术进行优化，用P2P技术重新组织原有C/S架构的各服务节点，另外在P2P网络中也融入CDN技术的一些优点，使其在可控、可管理性上得以提高。

在两种技术充分融合、渗透、改造之后，将两者统一，形成一个真正优化的（上层CDN经过P2P化改造，提升了分发能力，下层P2P可控性强，有管理能力）的CDN与P2P完整融合的流媒体内容分发平台。