P2P與NGN結(jié)合的IPTV控制架構(gòu)的研究

1 引言

目前，IPTV在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，截止到2008年底IPTV用戶總數(shù)已達2170萬，與2007年底相比增長了63%。相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)組織也在積極制定IPTV技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(gòu)，從目前來看，可以將IPTV架構(gòu)分成兩大類，一類是非基于NGN的IPTV架構(gòu)（也稱為non- NGN-based IPTV），另一種是基于NGN的IPTV架構(gòu)（也稱為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(yīng)用，典型的如Skype，PPLive，PPStream等。與現(xiàn)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、高性價比、負(fù)載均衡等優(yōu)點，為解決傳統(tǒng)電信運營商基于C/S（客戶端/服務(wù)器）架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)所存在的一些固有問題提供了借鑒，如利用P2P分布化特點可以使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(gòu)中引入P2P也是近年來國內(nèi)外研究的一個熱點，目前中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會CCSA正在組織制定《IPTV媒體交付系統(tǒng)技術(shù)要求――體系架構(gòu)》，擬探索傳統(tǒng)CDN與P2P融合之路，國際標(biāo)準(zhǔn)組織TISPAN也正在對在IPTV架構(gòu)中引入P2P技術(shù)進行研究（具體參見研究報告：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)實現(xiàn)IPTV內(nèi)容分發(fā)控制的相關(guān)需求。

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

2 研究思路

針對P2P與NGN結(jié)合的IPTV控制架構(gòu)的研究，應(yīng)該是在基于NGN的IPTV架構(gòu)基礎(chǔ)上，與P2P控制機制進行有效地融合，并盡量降低相互之間的影響，以便減少對相關(guān)設(shè)備的影響。

基于NGN的IPTV控制架構(gòu)和P2P技術(shù)融合的難點和關(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，并通過會話過程、資源接納控制過程以及兩者之間的結(jié)合來實現(xiàn)對媒體資源和承載資源的有效控制，同時能夠?qū)崿F(xiàn)通過在業(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）實現(xiàn)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連接具有很強的動態(tài)性、并發(fā)性且持續(xù)時間可能短暫等特點，有種“盡力而為”的特點，這種連接特性不太適宜進行頻繁的會話連接建立或會話連接修改以及實施資源接納控制。需要考慮一種將兩種充分結(jié)合，同時又能夠滿足電信網(wǎng)一定可控可管需求的架構(gòu)，該架構(gòu)應(yīng)能夠針對流媒體應(yīng)用的特點，既能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)負(fù)載均衡，又能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)，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，同時可以對P2P流量實施本地優(yōu)化。

對于域內(nèi)沒有的資源，考慮到基于盡量將終端P2P流量限定在域內(nèi)、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(fù)責(zé)實現(xiàn)跨域資源調(diào)度。

（2）支持傳統(tǒng)終端和P2P終端，應(yīng)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，利用P2P終端的資源和能力，簡化網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。但同時，在終端層面引入P2P帶來了控制復(fù)雜性，內(nèi)容分發(fā)控制方面，面向傳統(tǒng)終端通常采用CDN技術(shù)來實現(xiàn)媒體內(nèi)容的分發(fā)，為了支持P2P終端，需要考慮 P2P控制和CDN的結(jié)合；資源控制方面，由于P2P連接具有很強的動態(tài)性、并發(fā)性且持續(xù)時間可能短暫等特點，會話控制和承載控制相結(jié)合的機制很難和 P2P這種連接特性相適應(yīng)，需要針對P2P連接特性相適應(yīng)的控制機制，并且不同的終端類型應(yīng)選用不同的控制機制。

（3）結(jié)合接入網(wǎng)狀態(tài)對P2P流量進行控制。這方面可以借鑒P4P（Proactive network Provider Participation for P2P，運營商主動參與的P2P技術(shù)）的思路，為了使電信運營商能夠構(gòu)建一個可管可控的基于P2P的網(wǎng)絡(luò)，P4P在挑選Peer方面增加了一系列機制，如通過獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ⒂脩粑恢眯畔ⅰ㈡溌窢顟B(tài)使得電信運營商可以基于其網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，以最優(yōu)策略通過P2P技術(shù)向用戶提供電信業(yè)務(wù)。在對P2P流量進行控制方面可以借鑒P4P的思路。

（4）與基于NGN的IPTV架構(gòu)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（如和會話控制的交互和協(xié)同、傳統(tǒng)終端對網(wǎng)絡(luò)資源的占用等）。

3 P2P與NGN結(jié)合的IPTV控制架構(gòu)

根據(jù)上述原則，通過對NGN，IPTV，CDN，P2P相關(guān)技術(shù)特點的研究，給出了一種P2P與NGN結(jié)合的IPTV控制架構(gòu)（見圖1）。P2P網(wǎng)絡(luò)可以采用集中目錄式、純P2P方式、超級節(jié)點方式和結(jié)構(gòu)化式組織?？紤]到集中目錄式具有易于控制和管理、查詢效率高，并且能夠較好地與分級分域的理念相結(jié)合，所以在該控制架構(gòu)中對P2P終端采用了集中目錄式控制方式。

圖1 P2P NGN結(jié)合的IPTV控制架構(gòu)

本架構(gòu)的最大特點是結(jié)合CDN和NGN架構(gòu)（注：為了簡化沒有給出詳細的NGN相關(guān)控制實體，架構(gòu)中只體現(xiàn)了會話控制實體和資源接納控制功能實體），在此基礎(chǔ)上引入P2P相關(guān)功能，包括P2P控制實體和P2P用戶終端。通過對基于NGN的IPTV架構(gòu)和CDN架構(gòu)的改進，使該架構(gòu)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(gòu)中各主要實體的功能以及各實體之間的相互關(guān)系如下：

（1）普通用戶終端（UE）：不支持P2P技術(shù)的普通終端。

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

●向P2P控制功能實體請求資源連接地址。
　　●根據(jù)P2P控制功能實體指示的資源連接地址，下載對應(yīng)的流媒體內(nèi)容。
　　●向P2P控制功能實體上報自身存儲的流媒體內(nèi)容和終端狀態(tài)信息。

（3）會話控制功能實體（SCF）：會話控制功能負(fù)責(zé)IPTV的業(yè)務(wù)控制，可以對應(yīng)IMS網(wǎng)絡(luò)中的S-CSCF。SCF的作用是：

●為請求IPTV業(yè)務(wù)的用戶終端（包括P2P終端和非P2P終端）提供會話控制。
　　●根據(jù)用戶的IPTV業(yè)務(wù)請求，為該用戶查找控制該流媒體資源的媒體控制功能，將用戶的流媒體請求發(fā)送給流媒體資源控制進行后繼處理。
　　●與資源接納控制功能交互，為非P2P終端提供QoS資源預(yù)留，保障非P2P用戶的IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量。

（4）CDN媒體控制功能實體（CDN-CF）：負(fù)責(zé)為流媒體業(yè)務(wù)用戶選擇傳送媒體內(nèi)容的方式和傳送點。

●CDN-CF接收從SCF發(fā)送的IPTV媒體資源請求相關(guān)控制消息，CDN-CF能夠區(qū)分IPTV用戶終端，為不同類型的終端功能選擇不同的業(yè)務(wù)處理方式。
　　●CDN-CF與CDN-MF是一對多的關(guān)系。CDN-CF能夠?qū)⒚襟w內(nèi)容按照一定策略在多個媒體傳送功能中進行分發(fā)。
　　●為了進行資源調(diào)度和內(nèi)容傳送，以及在資源調(diào)度的過程中實現(xiàn)負(fù)載均衡，CDN-CF準(zhǔn)確掌握所控制的CDN-MF的狀態(tài)和媒體內(nèi)容的分布狀況。
　　●CDN-CF能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中IPTV業(yè)務(wù)的資源負(fù)載情況、保存的網(wǎng)絡(luò)中媒體內(nèi)容信息和用戶的業(yè)務(wù)請求，為用戶選擇傳送媒體內(nèi)容的CDN-MF。
　　●考慮到電信網(wǎng)用戶具有數(shù)量眾多、分布范圍廣的特點，而媒體內(nèi)容存在熱點節(jié)目和冷僻節(jié)目之分的特點，媒體控制功能可根據(jù)用戶數(shù)量、節(jié)目內(nèi)容等規(guī)模進行分級設(shè)置。本級的CDN-CF負(fù)責(zé)向上一級的CDN-CF查找用戶請求的資源。

（5）CDN媒體存儲功能實體（CDN-MF）：負(fù)責(zé)向IPTV業(yè)務(wù)用戶傳送媒體內(nèi)容。

●CDN-MF中保存媒體節(jié)目的全部或部分內(nèi)容，按照CDN-CF的指示向業(yè)務(wù)用戶傳送所請求的流媒體內(nèi)容。
　　●不同的CDN-MF之間可以通過P2P機制獲取存儲的流媒體內(nèi)容。當(dāng)一個CDN-MF中保存媒體節(jié)目的部分內(nèi)容時，CDN-MF應(yīng)能夠采取P2P機制從其他CDN-MF處獲取本節(jié)目的其他內(nèi)容。
　　●CDN-MF將流媒體內(nèi)容信息和自身的負(fù)載情況（如硬件資源可用率，媒體傳送功能目前的連接數(shù)等）上報給上層控制功能，便于上層控制功能進行資源調(diào)度。