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P2P與NGN結合的IPTV控制架構研究

2009/08/06

　　摘要　對IPTV的當前研究，以及在IPTV架構中引入P2P技術(shù)的研究情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，針對這一研究熱點(diǎn)，確定了對P2P與NGN結合的IPTV控制架構進(jìn)行研究的思路，并給出了P2P與NGN結合的IPTV控制架構，相關(guān)功能實(shí)體的功能描述和典型的工作流程，希望能夠對相關(guān)研究提供一些思路。
　
1. 引言

　　目前，IPTV在全球范圍內迅速發(fā)展，截止到2008年底IPTV用戶(hù)總數已達2170萬(wàn)，與2007年底相比增長(cháng)了63%。相關(guān)國際標準組織也在積極制定IPTV技術(shù)標準，如ITU-T，ETSI TISPAN，ATIS IIF（ATIS IPTV Interoperability Forum），OIPTVF （Open IPTV Forum）以及MSF（Multi-Service Forum），很多組織都已經(jīng)推出了IPTV控制架構，從目前來(lái)看，可以將IPTV架構分成兩大類(lèi)，一類(lèi)是非基于NGN的IPTV架構（也稱(chēng)為non-NGN-based IPTV），另一種是基于NGN的IPTV架構（也稱(chēng)為NGN-based IPTV）。

　　P2P技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上，特別是VoIP，流媒體方面取得了很多成功應用，典型的如Skype，PPLive，PPStream等。與現有電信網(wǎng)相比，利用P2P技術(shù)組成的服務(wù)網(wǎng)絡(luò )具有非中心化、可擴展性、健壯性、高性?xún)r(jià)比、負載均衡等優(yōu)點(diǎn)，為解決傳統電信運營(yíng)商基于C/S（客戶(hù)端/服務(wù)器）架構的網(wǎng)絡(luò )所存在的一些固有問(wèn)題提供了借鑒，如利用P2P分布化特點(diǎn)可以使網(wǎng)絡(luò )架構趨向扁平；利用P2P自組織性提供電信網(wǎng)的可靠性降低維護費用等。

　　是否可以在IPTV架構中引入P2P也是近年來(lái)國內外研究的一個(gè)熱點(diǎn)，目前中國通信標準化協(xié)會(huì )CCSA正在組織制定《IPTV媒體交付系統技術(shù)要求——體系架構》，擬探索傳統CDN與P2P融合之路，國際標準組織TISPAN也正在對在IPTV架構中引入P2P技術(shù)進(jìn)行研究（具體參見(jiàn)研究報告：TR 182 01“Peer-to-Peer for Content Delivery for IPTV Services：Analysis of Mechanisms and NGN Impacts”；ITU-T在建議Y.iptv-netcontrol-fw中已經(jīng)提出利用P2P技術(shù)實(shí)現IPTV內容分發(fā)控制的相關(guān)需求。

　　基于NGN的IPTV架構作為一種典型的IPTV控制架構，是否可以和P2P結合，并滿(mǎn)足電信網(wǎng)可控可管的需求應該是非常有益的探索。

2.研究思路

　　針對P2P與NGN結合的IPTV控制架構的研究，應該是在基于NGN的IPTV架構基礎上，與P2P控制機制進(jìn)行有效地融合，并盡量降低相互之間的影響，以便減少對相關(guān)設備的影響。

　　基于NGN的IPTV控制架構和P2P技術(shù)融合的難點(diǎn)和關(guān)鍵主要是在媒體資源和承載資源的控制機制上。NGN采用承載和控制分離機制，并通過(guò)會(huì )話(huà)過(guò)程、資源接納控制過(guò)程以及兩者之間的結合來(lái)實(shí)現對媒體資源和承載資源的有效控制，同時(shí)能夠實(shí)現通過(guò)在業(yè)務(wù)控制平面和傳送平面之間引入資源接納控制功能（RACF）實(shí)現對承載資源的有效控制，包括QoS控制，NAPT/FW控制和NAT穿越等功能。但是P2P連接具有很強的動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性且持續時(shí)間可能短暫等特點(diǎn)，有種“盡力而為”的特點(diǎn)，這種連接特性不太適宜進(jìn)行頻繁的會(huì )話(huà)連接建立或會(huì )話(huà)連接修改以及實(shí)施資源接納控制。需要考慮一種將兩種充分結合，同時(shí)又能夠滿(mǎn)足電信網(wǎng)一定可控可管需求的架構，該架構應能夠針對流媒體應用的特點(diǎn)，既能夠實(shí)現全網(wǎng)負載均衡，又能夠實(shí)現局部網(wǎng)絡(luò )中業(yè)務(wù)流量的均衡。

具體考慮和遵從的原則如下：

　　（1）采用分級分域結構，可以強化和匯聚對媒體和資源的管理及控制，保證網(wǎng)絡(luò )的可擴展性，同時(shí)可以對P2P流量實(shí)施本地優(yōu)化。

　　對于域內沒(méi)有的資源，考慮到基于盡量將終端P2P流量限定在域內、避免對骨干網(wǎng)絡(luò )造成的沖擊、充分利用媒體服務(wù)器的緩存功能等考慮，最好由網(wǎng)絡(luò )中的服務(wù)器負責實(shí)現跨域資源調度。

　　（2）支持傳統終端和P2P終端，應考慮終端層面P2P技術(shù)的引入，充分發(fā)揮P2P技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用P2P終端的資源和能力，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )的負荷。但同時(shí)，在終端層面引入P2P帶來(lái)了控制復雜性，內容分發(fā)控制方面，面向傳統終端通常采用CDN技術(shù)來(lái)實(shí)現媒體內容的分發(fā)，為了支持P2P終端，需要考慮P2P控制和CDN的結合；資源控制方面，由于P2P連接具有很強的動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性且持續時(shí)間可能短暫等特點(diǎn)，會(huì )話(huà)控制和承載控制相結合的機制很難和P2P這種連接特性相適應，需要針對P2P連接特性相適應的控制機制，并且不同的終端類(lèi)型應選用不同的控制機制。

　　（3）結合接入網(wǎng)狀態(tài)對P2P流量進(jìn)行控制。這方面可以借鑒P4P（Proactive network Provider Participation for P2P，運營(yíng)商主動(dòng)參與的P2P技術(shù)）的思路，為了使電信運營(yíng)商能夠構建一個(gè)可管可控的基于P2P的網(wǎng)絡(luò )，P4P在挑選Peer方面增加了一系列機制，如通過(guò)獲得網(wǎng)絡(luò )拓撲信息、用戶(hù)位置信息、鏈路狀態(tài)使得電信運營(yíng)商可以基于其網(wǎng)絡(luò )現狀，以最優(yōu)策略通過(guò)P2P技術(shù)向用戶(hù)提供電信業(yè)務(wù)。在對P2P流量進(jìn)行控制方面可以借鑒P4P的思路。

　　（4）與基于NGN的IPTV架構融合的P2P資源列表生成方法，在列表生成方面不僅要考慮P2P終端狀態(tài)、媒體資源分布情況、接入網(wǎng)狀態(tài)、分級分域管理，還將充分考慮和基于NGN的控制機制的融合（如和會(huì )話(huà)控制的交互和協(xié)同、傳統終端對網(wǎng)絡(luò )資源的占用等）。

3.P2P與NGN結合的IPTV控制架構

　　根據上述原則，通過(guò)對NGN，IPTV，CDN，P2P相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)的研究，給出了一種P2P與NGN結合的IPTV控制架構（見(jiàn)圖1）。P2P網(wǎng)絡(luò )可以采用集中目錄式、純P2P方式、超級節點(diǎn)方式和結構化式組織。考慮到集中目錄式具有易于控制和管理、查詢(xún)效率高，并且能夠較好地與分級分域的理念相結合，所以在該控制架構中對P2P終端采用了集中目錄式控制方式。

圖1 P2P NGN結合的IPTV控制架構

　　本架構的最大特點(diǎn)是結合CDN和NGN架構（注：為了簡(jiǎn)化沒(méi)有給出詳細的NGN相關(guān)控制實(shí)體，架構中只體現了會(huì )話(huà)控制實(shí)體和資源接納控制功能實(shí)體），在此基礎上引入P2P相關(guān)功能，包括P2P控制實(shí)體和P2P用戶(hù)終端。通過(guò)對基于NGN的IPTV架構和CDN架構的改進(jìn)，使該架構既能夠具備電信網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò )資源可控、可管的特征，又通過(guò)引入P2P具備了一定的靈活性和自組織能力，將電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢均集中在了一起。

該控制架構中各主要實(shí)體的功能以及各實(shí)體之間的相互關(guān)系如下：

　　（1）普通用戶(hù)終端（UE）：不支持P2P技術(shù)的普通終端。

　　（2）P2P用戶(hù)終端（P2P UE）：P2P用戶(hù)終端是具有P2P功能的用戶(hù)終端，與普通用戶(hù)終端不同，P2PUE在從網(wǎng)絡(luò )下載流媒體內容的同時(shí)也會(huì )上傳本地所擁有的流媒體內容。具體功能包括：


　　（3）會(huì )話(huà)控制功能實(shí)體（SCF）：會(huì )話(huà)控制功能負責IPTV的業(yè)務(wù)控制，可以對應IMS網(wǎng)絡(luò )中的S-CSCF。SCF的作用是：

　　（4）CDN媒體控制功能實(shí)體（CDN-CF）：負責為流媒體業(yè)務(wù)用戶(hù)選擇傳送媒體內容的方式和傳送點(diǎn)。

　　（5）CDN媒體存儲功能實(shí)體（CDN-MF）：負責向IPTV業(yè)務(wù)用戶(hù)傳送媒體內容。

　　（6）P2P控制功能實(shí)體（P2P CF）：針對P2PUE進(jìn)行控制。


　　（7）資源接納控制功能（RACF）：負責為非P2P用戶(hù)的流媒體內容下載進(jìn)行資源預留，以保障流媒體業(yè)務(wù)質(zhì)量。資源接納控制功能為NGN中定義的功能實(shí)體。

　　（8）性能測量管理點(diǎn)：負責對接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行測量。目前采用的是業(yè)務(wù)或應用分配固定帶寬的方式，已不能適應P2P過(guò)程中實(shí)時(shí)流媒體高帶寬高突發(fā)高QoS需求的要求。性能測量功能能夠獲取接入網(wǎng)流媒體業(yè)務(wù)的QoS參數（如端口或鏈路的吞吐量、延遲、丟包率等）并上報給P2PCF。P2PCF根據性能測量功能提供的監測結果和網(wǎng)絡(luò )運行狀態(tài)對媒體流做出適時(shí)的自動(dòng)調整，可以更好地提供QoS保證，實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )資源的動(dòng)態(tài)反饋控制。

4.典型工作流程

　　由于普通用戶(hù)終端和P2P用戶(hù)終端的控制方式、工作方式和服務(wù)質(zhì)量保證機制都不盡相同，本架構對普通用戶(hù)終端和P2P終端分別設計了不同的機制和流程，作為示例，圖2和圖3分別給出了兩種終端從業(yè)務(wù)請求、媒體資源調度和內容傳送的工作流程。


圖2 普通終端工作流程


圖3 P2P終端工作流程


4.1 普通終端的工作流程

圖2是普通終端的工作流程示例。

  1. 用戶(hù)通過(guò)普通用戶(hù)終端發(fā)起IPTV業(yè)務(wù)請求。


  2. SCF判斷終端類(lèi)型為普通用戶(hù)終端，則調用RACF執行資源預留，以便為普通用戶(hù)的業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保證。關(guān)于RACF的資源預留過(guò)程，可參見(jiàn)ITU-T和TISPAN的相關(guān)規定。


  3. SCF根據用戶(hù)所在的地理位置、用戶(hù)類(lèi)型等信息選擇為該用戶(hù)服務(wù)的CDN-CF，并向CDN-CF發(fā)送媒體資源請求。


  4. CDN-CF結合用戶(hù)請求的節目、CDN-MF的負載情況等信息進(jìn)行資源調度，為用戶(hù)選擇合適的CDN-MF為其服務(wù)；并向所選擇的CDN-MF發(fā)送媒體資源請求。


  5. CDN-MF可能需要從本域的其他CDN-MF處獲得節目相關(guān)的媒體信息。


    6. 　　如果所請求的節目?jì)热菰诒居騼炔淮嬖冢珻DN-CF需要通過(guò)上級CDN-CF選擇保存有節目?jì)热莸墓芾碛颍缓驝DN-CF和保存有節目?jì)热莸墓芾碛蛑械腃DN-CF進(jìn)行交互，并控制CDN-MF從該域獲取相關(guān)的媒體資源。

    　　當CDN-MF準備節目?jì)热葜笙駽DN-CF發(fā)送媒體資源響應。

  6. CDN-CF向SCF回送響應，SCF和RACF交互執行資源接納控制，之后將CDN-MF的地址等信息傳送給用戶(hù)終端。

  7. 用戶(hù)終端從CDN-MF獲取媒體內容。

4.2 P2P終端的工作流程

　　圖3是P2P終端的工作流程示例。
  1. 用戶(hù)通過(guò)P2P用戶(hù)終端發(fā)起IPTV業(yè)務(wù)請求。


  2. 會(huì )話(huà)控制實(shí)體收到IPTV業(yè)務(wù)請求后，根據用戶(hù)所在的地理位置、用戶(hù)類(lèi)型等信息選擇為該用戶(hù)服務(wù)的CDN-CF，并向CDN-CF發(fā)送媒體資源請求。


  3. CDN-CF結合用戶(hù)請求的節目，CDN-MF的負載情況，用戶(hù)類(lèi)型等信息進(jìn)行資源調度。對于P2PUE，CDN-CF為用戶(hù)選擇合適的P2PCF作為P2PUE后續網(wǎng)絡(luò )控制點(diǎn)。CDN-CF將為該用戶(hù)選擇的P2PCF地址等信息發(fā)送給SCF，SCF將該響應發(fā)送給用戶(hù)。


  4. P2PUE向P2PCF發(fā)起媒體下載請求。


  5. P2PCF接收到用戶(hù)請求之后，首先向CDN-CF請求計算節目各分片對應的CDN-MF列表。這樣P2PCF可以根據一定的策略將CDN-MF的地址融合在最終傳送給P2PUE的對等節點(diǎn)列表中，如為了提高面向用戶(hù)的響應速度，可以控制P2PUE接入到CDN-MF獲取第一個(gè)分片或后續幾個(gè)分片。P2PCF還可以將CDN-MF作為某個(gè)分片的備選地址，當P2PUE在嘗試列表中的其他對等節點(diǎn)失敗時(shí)，仍然可以從CDN-MF獲得分片。


  6. P2PCF從性能測量管理點(diǎn)獲取接入網(wǎng)資源占用的情況，作為資源調度的重要依據。性能測量管理點(diǎn)可以周期性的向P2PCF上報接入網(wǎng)的情況。


  7. 獲得相關(guān)信息后，P2PCF根據接入網(wǎng)資源占用情況、從CDN-CF獲取的CDN-MF列表、存儲相關(guān)資源的P2P終端狀態(tài)，生成供P2PUE下載節目片段的列表。


  8. P2PCF將列表發(fā)送給P2PUE，P2PUE根據列表和相應的P2P終端交互獲取節目片段。


  9. 在用戶(hù)觀(guān)看和/或下載節目的過(guò)程中，P2PUE定期或根據一定的觸發(fā)條件（如完成幾個(gè)分片下載后）向P2PCF上報本終端上存儲的流媒體節目片段的信息，供P2PCF計算列表時(shí)。

5.結束語(yǔ)

　　本文中給出的P2P與NGN結合的IPTV控制架構，關(guān)鍵是將NGN，CDN和P2P相結合，目的是在一定范圍內實(shí)現P2P終端之間的資源共享。針對P2P技術(shù)特點(diǎn)設計了對應的可控、可管和業(yè)務(wù)質(zhì)量保障架構和機制，可以為相關(guān)研究提供新思路。

電信網(wǎng)技術(shù)


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