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對等網絡技術在IPTV中的應用研究

2007/05/15

　　本文為解決IPTV網絡中數據服務器傳輸瓶頸問題，提出了一種新方法，即引入對等網絡技術。文中介紹了對等網絡技術原理，把對等網絡技術與組播技術進行了比較，研究了對等網絡在IPTV應用中的實現(xiàn)方法，總結出對等網絡技術的優(yōu)勢，并提出對等網絡存在的不足，以及采用DRM技術來彌補不足的方法。

　　隨著嵌入式技術這幾年的迅速發(fā)展，在個人電腦平臺上正顯示出強大市場需求的流媒體技術，目前逐漸有向嵌入式平臺轉移的趨勢。個人便攜化、家電化的媒體消費需求，為這次平臺的轉移提供了市場契機。IPTV正是在這場消費革命中處在風口浪尖的焦點。業(yè)內大多認為IPTV蘊含了巨大的商業(yè)利益，但至今仍鮮有涉足者，其中原因之一是網絡速度問題。本文介紹了對等網絡技術，即點對點（P2P）技術，將其應用到IPTV網絡傳輸中，可充分利用每一終端的上下行信道，并且不需要路由器等硬件支持組播，可以為IPTV網絡傳輸瓶頸問題提供一種解決方案。

一、對等網絡技術

　　1.對等網絡簡介

　　對等網絡（peer-to-peer network），常被稱為P2P或點對點，是近年來興起的一種新型網絡技術。它在傳輸方式上打破了傳統(tǒng)網絡的服務器/客戶端（C/S）模式的定式，建立了一種客戶端對客戶端的直接通信機制，這種通信方式也為未來網絡的發(fā)展提供了思路。在對等網絡中，每一節(jié)點既作為客戶端，又充當他人的服務器，從某種意義上，每一結點都處在同等地位。對等網絡是對分布式概念的成功拓展，它將傳統(tǒng)方式下的服務器負擔分配到網絡中的每一節(jié)點上，每一節(jié)點都將承擔有限的存儲與計算任務，加入到網絡中的節(jié)點越多，節(jié)點貢獻的資源也就越多，其服務質量也就越高。

　　反觀現(xiàn)在網絡上仍占主導地位的C/S服務模式，雖然近年來，終端用戶的網絡帶寬逐年提高，但用戶使用感受仍未有大的改觀，主要也是由于各大服務器不堪重負，用戶數量大幅上升時，服務器甚至有面臨崩潰的危險，而此時空閑的鏈路帶寬正被白白浪費掉。而P2P方式的網絡服務，正好能充分挖掘網絡的空閑資源，不需要增加投入，就能服務更多用戶。因而可以看到，對等網絡技術的優(yōu)勢是不言而喻的，它將在未來的網絡應用中，創(chuàng)造巨大的價值。

　　2.對等網絡的基本結構

　　對等網絡一般按組織結構的不同，分為三種類型。

　　（1）集中式對等網絡

　　集中式的對等網絡其實并不是完全意義上的對等網絡，這是一種介于C/S模式與對等網絡之間的基于P2P理念的對傳統(tǒng)網絡方式的拓展。集中式對等網絡基于中央目錄服務器，為網絡中各節(jié)目提供目錄查詢服務，傳輸內容無需再經過中央服務器。這種網絡，結構比較簡單，中央服務器的負擔大大降低。但由于仍存在中央節(jié)點，容易形成傳輸瓶頸，擴展性也比較差，不適合大型網絡。但由于目錄集中管理，對于小型網絡的管理和控制上倒是一種可選擇方案。

　　（2）無結構分布式網絡

　　無結構分布式網絡與集中式的最顯著區(qū)別在于，它沒有中央服務器，所有結點通過與相鄰節(jié)點間的通信，接入整個網絡。在無結構的網絡中，節(jié)點采用一種查詢包的機制來搜索需要的資源。具體的方式為，某節(jié)點將包含查詢內容的查詢包發(fā)送到與之相鄰的節(jié)點，該查詢包以擴散的方式在網絡中蔓延，由于這樣的方式如果不加節(jié)制，會造成消息泛濫，因此一般會設置一個適當的生存時間（TTL），在查詢的過程中遞減，當TTL值為0時，將不再繼續(xù)發(fā)送。

　　這種無結構的方式，組織方式比較松散，節(jié)點的加入與離開比較自由，當查詢熱門內容時，很容易就能找到，但如果需求的內容比較冷門，較小的TTL不容易找到，而較大的TTL值又容易引起較大的查詢流量，尤其當網絡范圍擴展到一定規(guī)模時，即使限制的TTL值較小，仍然會引起流量的劇增。但當網絡中存在一些擁有豐富資源的所謂的類服務器節(jié)點時，可顯著提高查詢的效率。

　　（3）結構化分布式網絡

　　結構化分布式網絡，是近幾年基于分布式哈希表（Distributed Hash Table）技術的研究成果。它的基本思想是將網絡中所有的資源整理成一張巨大的表，表內包含資源的關鍵字和所存放結點的地址，然后將這張表分割后分別存儲到網絡中的每一結點中去。當用戶在網絡中搜索相應的資源時，它將能發(fā)現(xiàn)存儲與關鍵詞對應的哈希表內容所存放的結點，在該結點中存儲了包含所需資源的結點地址，然后發(fā)起搜索的結點根據這些地址信息，與對應結點連接并傳輸資源。這是一種技術上比較先進的對等網絡，它具有高度結構化，高可擴展性，結點的加入與離開比較自由。這種方式適合比較大型的網絡。

二、對等網絡技術在IPTV中的應用

　　1.IPTV的現(xiàn)狀

　　國內IPTV與P2P一直是沿著兩個不同的方向發(fā)展。由于IPTV與傳統(tǒng)電視收看方式相似，基本上被看作是有線電視（CATV）或數字電視（DVB）的升級，因而在設計思路上沿用了與之類似的中央服務器的模式。在傳統(tǒng)的方式中，網絡基本上是廣播式的單向信道，即客戶端沒有能力或只有很少能力發(fā)送上行信息，在這種方式下，所有的服務內容由中央服務器發(fā)送，所有的處理工作完全由中央服務器完成，無法實現(xiàn)P2P的連接。

　　為了在C/S模式下解決IPTV中的服務器瓶頸問題，目前的方案大多擬采用組播技術，以及配合中央服務器一邊緣服務器的內容分發(fā)策略（CDS）來實現(xiàn)。

　　組播技術也是近年來十分熱門的，優(yōu)于廣播方式的網絡中一點對多點傳輸服務技術。在傳統(tǒng)的一點對多點通信中，服務器對每一個請求連接的客戶端都要建立獨立的連接，一般的服務器最大能提供的連接數量是相當有限的，因此這種方式并不適合媒體服務。廣播方式下，可以不用為每個用戶建立相應的連接，只將有需求的內容向每個子網以廣播方式發(fā)送一份拷貝，這樣可以保證所有用戶都能接收到這份數據。但這種方式的弊端是顯而易見的，大量的沒有請求這項內容的用戶也都收到了這份數據，這將造成網絡數據的泛洪，引起阻塞。由此，產生了組播技術。在組播方式下，增加了一個組播組的概念，當用戶請求服務時將加入這個組，服務器只向有需要的子網的組播地址發(fā)送一份數據拷貝，當這份數據到達子網路由器時，路由器將根據當前組成員狀況進行發(fā)送，這樣只有當前的組成員能夠接收到這份數據，從而保證了帶寬不被浪費。

　　2.對等網絡在IPTV中的應用

　　組播對于減輕服務器負擔是有相當作用的，但是組播對硬件要求較高，需要數據源和接收者的下層網絡都能支持組播協(xié)議。而且組播方式，依然沒有利用到客戶端的上行通道，即用戶接收到的數據仍然不能轉發(fā)給其他有相同需要的用戶。

　　傳統(tǒng)網絡方式與對等網絡方式的網絡結構對比如圖1。采用對等網絡技術的IPTV系統(tǒng)，對底層硬件基本沒有要求，只需在應用層上修改即可。由于IPTV具有實時媒體的特點，網絡節(jié)點并不需要保存資源信息的相關內容，每節(jié)點在某一時刻只能提供一種資源的服務，因此對等網絡中基于搜索的機制完全可以不予考慮。另外，由于IPTV系統(tǒng)必須具備良好的用戶認證收費管理子系統(tǒng)，以及提供相關增值服務的功能，因此不能允許用戶隨便加入網絡，需要有健全的用戶管理機制。針對IPTV這種特性，在IPTV中應用對等網絡技術，采用集中式的結構比較合適。

　　圖1　IPTV中傳統(tǒng)網絡與對等網絡的結構對比

　　在基于對等網絡的IPTV系統(tǒng)中采用集中式結構，系統(tǒng)中應存在少量的中央服務器，這些服務器除了保存節(jié)目內容資源外，還要保存當前的節(jié)目單信息和正在收看節(jié)目的客戶端信息。當用戶請求收看某一節(jié)目時，服務器將返回正在收看該節(jié)目的用戶，這里服務器可以根據請求來源的路由信息，在所有收看該節(jié)目的用戶中挑選與請求用戶最接近的，也就是連通性最好的用戶信息進行返回。用戶收到服務器返回的地址信息后，即開始與正在收看的用戶進行連接，獲取節(jié)目內容。

　　在這種對等網絡中，內容服務器只需進行少量的內容分發(fā)，甚至對某些熱門節(jié)目只進行一路分發(fā)，即可滿足大量的用戶收看需求。與傳統(tǒng)的節(jié)目分發(fā)方式相比，既不需要復雜的調度算法，也不用承擔上千甚至上萬的媒體傳輸連接，壓力可以說極大降低，而用戶的服務質量并不會因此降低。相反，對某些熱門節(jié)目會因為收看人數眾多，數據來源穩(wěn)定，而享受更好的服務質量。

　　在傳統(tǒng)的網絡中，當某一臺服務器發(fā)生故障，可能會影響一部分用戶的收看，用戶需要到更遠的服務器上去接收節(jié)目內容，這樣網絡速度會變慢，這又同時加重了這臺服務器的負擔，即增加了該服務器出現(xiàn)故障的風險，有可能造成連鎖故障效應。如果為了避免這種情況，把用戶限制在某一區(qū)域內，則這部分用戶在故障時無法接受服務。然而，采用對等網絡方式時，由于把服務器的絕大部分負擔分散并轉移到了所有的用戶端，服務器出現(xiàn)故障的概率大幅下降，而且即使某臺服務器出現(xiàn)故障，只要網絡中仍有其他分發(fā)該服務器上內容的其他服務器，即只要網絡中仍存在該內容的源，用戶就能收看到該節(jié)目，并不受出故障服務器的影響。因為在對等網絡中，所有的節(jié)點既是終端用戶，又是服務器，某一節(jié)目的服務是由許多同時收看該節(jié)目的用戶共同提供的。這使系統(tǒng)具有了一種軟容量的特性，即與傳統(tǒng)電視網絡所能服務的最大用戶數固定不同，基于對等網絡的IPTV系統(tǒng)，其最大容量并不固定，而且用戶數越多，其服務質量越好，用戶數量增加并不需要增加服務器端的投入。

三、存在的不足及解決方法的提出

　　基于對等網絡的IPTV系統(tǒng)，雖然具有諸多優(yōu)越性，但仍有一些不足之處。其中最大的問題是網絡的安全性存在隱患。由于對等網絡中，節(jié)目來源不局限于服務器了，用戶受到服務器的制約比傳統(tǒng)方式下少了很多，這樣非法的用戶可以繞開向服務器申請資源這一步，直接向用戶端進行連接。由于用戶端必須保存一份當前收看節(jié)目的用戶列表，以保持與這些用戶的連接，并根據緩沖狀況及時增加新的連接。而非法用戶接入某一合法用戶后，也可獲得這張列表，即可發(fā)起連接，從而實現(xiàn)不與服務器通信就能收看到節(jié)目。

　　前面說過，IPTV系統(tǒng)必須有良好的計費管理機制，并具有一定的擴展性以提供更多增值服務。針對上面的問題，固然可以加密保存用戶端的當前用戶列表，并禁止用戶之間交換該列表信息，即只允許從服務器端獲取用戶列表，但這樣也只是治標的辦法。為了提供更高的安全性，可采用數字版權管理（DRM）技術從根本上對內容進行加密，這樣即使非法用戶獲取了內容，沒有得到授權，仍然無法觀看到節(jié)目。

　　在IPTV中的數字版權管理可以如下方式工作：在每臺用戶接收終端建立一個與硬件相關并可對用戶身份進行惟一鑒別的ID號，簡單方式下采用網卡的MAC地址即可，也可以采用其他數字加密的智能卡等設備用以提高系統(tǒng)的安全性。在內容分發(fā)之前，使用密鑰對媒體進行加密，這樣要想收看該內容，必須使用相同的密鑰進行解密，然后將該密鑰與節(jié)目內容分開存儲。在系統(tǒng)中建立單獨的用戶驗證服務器，實際操作中可與資源請求服務合并，但最好與內容分發(fā)服務器分離。當用戶進行資源請求時，連接到用戶驗證服務器，服務器根據用戶的惟一ID鑒別其合法性，并根據該ID對請求的媒體密鑰進行加密，生成一份許可證，將該許可證頒發(fā)給用戶，并同時返回相應資源的用戶列表。用戶接收到媒體后，可使用許可證配合硬件ID解密出原始密鑰，再用該密鑰解密出節(jié)目內容，進行觀看。由于許可證是以該用戶的ID進行加密的，因此即使被別的用戶非法獲取到，沒有相應的硬件支持也不能解密出原始密鑰，從而不能觀看節(jié)目。每一節(jié)目的許可證可以存儲在用戶端，也可以使用后刪除，待重新請求時頒發(fā)新的許可證。

　　數字版權管理十分靈活，不僅可針對媒體節(jié)目，各種增值服務也可使用DRM方式管理用戶權限，實現(xiàn)復雜而高效的計費方案，滿足不同用戶需求。對于數字加密可根據需要采用不同算法，由于加密過程與硬件相關，因此安全性十分高，可在一定程度上彌補對等網絡在安全性能上的不足，并能提供更多功能。

四、結束語

　　IPTV和對等網絡都是目前相當熱門的技術，但以往少有人提及將兩者結合，利用各自優(yōu)勢，拓展其應用領域。本文為IPTV的網絡結構提出了一種新的思路，并探討了可行性，針對其中可能存在的問題，也提出了相應的解決辦法。綜上所述，對等網絡作為新興的并且蓬勃發(fā)展的網絡技術，其優(yōu)越性是顯而易見的，并且預示了未來網絡的發(fā)展方向，在IPTV中應用對等網絡技術不僅能夠降低組網成本，同時作為對未來網絡的一種探索，也是具有重要意義的。

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