基于IPTV的承载网络技术

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基于IPTV的承载网络技术

河南电视台都市频道技术部王轶
2005年中南地区电视技术年会优秀论文三等奖

摘要：

承载网络技术是目前IPTV发展的一个瓶颈，保证海量数据高质量、小延时的传输是承载网络要解决的重要问题。CDN和IP组播技术为这一问题的解决提供了有效可行的方案，为IPTV的迅速发展提供了保证。
关键词:IPTVCDNIP组播

随着Internet宽带技术的发展，在电视领域也产生了一项新的技术：IPTV，即IPTV电视，也称作互动电视，它是一种利用宽带有线电视网的设施，以电视机或者电脑作为主要终端，集互联网、多媒体通信等多种技术于一体，向用户提供电视节目和其它数字多媒体内容的技术。IPTV不仅能接收电视广播信号，更重要的是提供个性化服务，能给用户以更高的视觉享受。
IPTV将采集的音视频节目进行压缩编码，以IP包的形式在不同的物理网络中以IP单播或组播的方式从视频服务器播送出去。信源编码和承载网络是其核心关键技术。在编码技术像MPEG-4、H.264已经发展成熟的今天，承载网络现在成为制约IPTV发展的一个重要因素。IPTV承载的主要节目内容包括视频点播(VOD)及电视频道(TV)节目。为了保证IPTV的收看质量与目前的有线电视网收看质量相当，IPTV承载网要求能在带宽、频道切换时延、网络QoS等方面提供保证，这些都给IPTV的承载网络提出了更高的要求。它也是目前各大运营商的研究的一个重要课题，其中CDN（Content Delivery Network）和IP组播技术是IPTV的承载网络的两个核心内容，下面就这个两个方面进行探讨。
现有的有线电视网络基本上是采用的混合网络，主干用的是光纤网络，而用户的接入方式基本上是电缆。在这个网络上开展IPTV业务，要面对两个主要问题。一个是服务器，要支持上万甚至更多的用户，这样一个服务器是远远不够的，这需要多台服务器一起来提供服务。另一个就是网络带宽，若支持上万甚至更多的用户同时在看，要求的网络带宽是非常的大。传统的内容发布模式是基于中心应用服务器的，网络只是一个数据传输通道，不能根据不同的内容区分服务质量，缺乏个性化服务，这对于IPTV来说是不能接受的，另外，IP网络的传输特性也决定了这种模式会浪费带宽，加大中心服务器的负载，容易在节目高峰期引起中心服务器过载而使网络瘫痪。所以要有一种新型的内容发布网络来承载IPTV业务，这就是CDN。

CDN全称是Content Delivery Network，即内容传递网络，它是构建在IP网络上的一种分布式的内容分发网，主要是采用中心—边缘的服务器分布方式，它的基本原理就是广泛采用各种Cache服务器，将这些Cache服务器分布到用户访问相对集中的地区或网络中，我们称之为边缘服务器，所有的节目都在中心服务器存储，而通过骨干网把内容分发到边缘服务器，而边缘网站基本上离用户比较近，在小区、光纤点底下，实际上用户的服务，直接由边缘路由器提供，以缓解骨干网的带宽压力。在用户访问网站时，利用全局负载均衡技术将用户的访问指向到离用户距离最近的工作正常的边缘服务器上，由边缘服务器直接响应用户的请求。如果该边缘服务器中没有用户要访问的内容，它会根据配置自动到中心服务器去抓取相应的内容并提供给用户。

CDN通常由内容管理平台、内容路由系统和Cache节点网络三个部分构成。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服务器上，内容路由通常通过负载均衡系统来实现，它是CDN的核心所在。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。

目前的CDN有两种技术体制，一个是基于filecopy，另一个是基于媒体交换。基于filecopy的机制是将一部电影或一集电视剧作为一个文件，以整个文件为单位进行内容分发、调度和服务。但在这种机制下，由于各个媒体服务器上存储不同的节目，如果某个服务器上的节目比较受欢迎，那么用户都会选择这个节目，这个服务器很快就会达到负载极限，而其他服务器的负载却很小，这样就造成不同服务器间的负载均衡效果不佳，不仅浪费了系统资源，而且容易使单点网络或者服务器繁忙拥塞以至于网络瘫痪。如果将该节目也分别拷贝到其他几个服务器上以分担个别服务器的负载，但这样做的结果无疑会浪费存储资源，也加重了中心服务器的负载。另一方面，节目切换时间和电视时延和普通电视相比也比较长，让用户难以接受。显然这种机制难以适应IPTV业务的需要。基于媒体交换的基本原理是将体积巨大的视频文件切分成一个个固定大小的视频切片，然后以切片为基础进行存储、分发和服务。媒体交换技术是从原有的filecopy技术发展而来，所以原有的CDN的功能和特点同样拥有。采用视频切片技术，将各个切片放在不同的服务器上，有多个服务器共同分担负载，这样在某个节目收视率高的情况下也能更好的达到各个服务器的负载均衡效果，避免出现单点网络或者服务器的负载过大而造成网络瘫痪。

CDN是一种基于质量和秩序的网络服务模式，采用CDN技术的内容分发方式具有一定的可管理性，可以提高业务的服务质量，减轻骨干网络的传输压力，能解决带宽小、用户多、网点分布不均匀所带来的问题，但也存在着一些诸如扩展性和技术上的一些问题，作为大规模IPTV业务的承载网络，单依靠CDN技术是不够的，还必须依赖于一种高效的传输技术——IP组播技术。

IP组播是利用一种协议将IP数据包从一个源地址传送到多个目的地址，将信息的拷贝发送到一组地址，到达所有想要接收它的接收者处。不同用户如果接收同一个数据流，服务器只需发送一份数据，网络只需在用户的分支点进行复制，在分支点以上的网络只需传送一个数据流，这样就节省网络的带宽及服务器资源。因为TV类节目所有用户收看的都是同一个内容，所以IPTV的TV类节目用IP组播技术来传输是再也合适不过了。

IP组播这个概念提出的很早，Deering在1988年就提出了将组播的功能机制增加到数据网IP层的组播实现体系结构，这种体系结构称为 IP组播，1992年3月第一次建立组播主干网MBone。在IP组播通信模式里，路由器扮演着重要的角色，当然它的状态也是相当的复杂，它必须提供每个群组和每个源的信息状态，随着Internet的越来越复杂，这都给组播的进一步发展带来了很大的困难。这也是多年来IP组播缓慢发展的一个重要原因。后来一些设计精巧的组播路由协议（如PIM-DM、PIM-SM等）的出现，再加上多媒体在网络上越来越广泛的应用，IP组播的技术和应用开始快速发展。

IETF RFC1112给出了标准IP组播业务的模型，它定义了主机和路由器IP

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