??? 摘 要： 針對P2P技術在IPTV中應用的研究熱點，提出了一種基于超級節(jié)點" title="超級節(jié)點">超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結構,，該結構充分利用了P2P技術在交互式應用方面的" title="面的">面的優(yōu)勢，使構建更加靈活有效的IPTV業(yè)務網(wǎng)絡成為可能。
??? 關鍵詞： P2P? IPTV? P2P-IPTV? 體系結構
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??? 根據(jù)ITU-T的最新定義，IPTV就是在IP網(wǎng)絡上傳送包含電視,、視頻、文本,、圖形和數(shù)據(jù)等,，并提供服務質量/服務感受(QoS/QoE)保證、安全性,、交互性和可靠性的可管理的多" title="的多">的多媒體業(yè)務,。由此可以看出，IPTV明顯有別于互聯(lián)網(wǎng)流媒體應用業(yè)務,。IPTV的典型應用目前主要包括直播電視,、時移電視和視頻點播等視頻類應用及上網(wǎng)瀏覽等信息類應用。但現(xiàn)在的IPTV技術還存在服務效率低,、重定向機制復雜,、網(wǎng)絡需要更高帶寬、資源調度不靈活等問題,，如果不能有效解決大規(guī)模用戶對交互式多媒體應用的需求問題,，IPTV將不得不受限于此瓶頸。P2P技術對交互式媒體應用的支持能夠擴展到大規(guī)模用戶群,，這為互聯(lián)網(wǎng)以及一些電信級應用的大規(guī)模發(fā)展提供了充足的空間,。為了更好地滿足IPTV業(yè)務發(fā)展的需要，有必要研究更為先進的網(wǎng)絡架構,。作為P2P技術在IPTV中應用的研究問題之一,，本文提出了一種基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結構，該結構充分利用了P2P技術在交互式應用方面的優(yōu)勢,，使構建更加靈活有效的IPTV業(yè)務網(wǎng)絡成為可能,。
1 P2P技術簡介
??? P2P技術，也稱為對等計算（Peer to Peer）技術,，是一種網(wǎng)絡結構的思想,。在P2P結構中，每一個節(jié)點（peer）大都同時具有信息消費者,、信息提供者和信息通信等三方面的功能,。在P2P網(wǎng)絡中每一個節(jié)點所擁有的權利和義務都是對等的。P2P是一種分布式網(wǎng)絡,，網(wǎng)絡的參與者共享他們所擁有的一部分硬件資源（處理能力,、存儲能力、網(wǎng)絡連接能力,、打印機等）,，這些共享資源需要由網(wǎng)絡提供服務和內(nèi)容，能被其他對等節(jié)點(Peer)直接訪問而無需經(jīng)過中間實體。在此網(wǎng)絡中參與者既是資源（服務和內(nèi)容）提供者（Server）,，又是資源（服務和內(nèi)容）獲取者（Client）,。P2P打破了傳統(tǒng)的Client/Server (C/S)模式，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點的地位都是對等的,。每個節(jié)點既充當服務器,，為其他節(jié)點提供服務，同時也享用其他節(jié)點提供的服務,。
??? P2P系統(tǒng)一般要構造一個非集中式的拓撲結構,，在構造過程中需要解決系統(tǒng)中所包含的大量節(jié)點如何命名、組織以及確定節(jié)點的加入/離開方式,、出錯恢復等問題,。根據(jù)拓撲結構的關系可以將P2P研究分為4種形式：中心化拓撲（Centralized Topology）；全分布式非結構化拓撲（Decentralized Unstructured Topology）,；全分布式結構化拓撲（Decentralized Structured Topology，也稱作DST網(wǎng)絡）和半分布式拓撲（Partially Decentralized Topology）,。表1中比較了4種結構的綜合性能,。
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??? P2P系統(tǒng)具有非常良好的可擴展性" title="可擴展性">可擴展性，能夠在較低成本情況下完成資源的聚合和共享,，也允許peer在彼此數(shù)據(jù)的管理和資源共享上擁有較大的自治控制,。由于其出色的性能，基于部分Serverless和完全Serverless的P2P技術,，出現(xiàn)了大量的互聯(lián)網(wǎng)相關增值業(yè)務,，例如分布計算、協(xié)同工作,、文件共享,、即時通信等。
??? 目前大多互聯(lián)網(wǎng)上的應用都是基于傳統(tǒng)的C/S模式的,，IPTV也是如此,。C/S模式使得網(wǎng)絡上的資源向服務器端集中，用戶之間的通信高度依賴于服務器,，無法直接交流信息,。因此，在網(wǎng)絡性能方面,，P2P的優(yōu)點在于它是基于互聯(lián)網(wǎng)的對等架構,，可以大大改善資源的流量分布，解決網(wǎng)絡擁塞和帶寬的瓶頸問題,，減緩存儲服務器的響應壓力,。在通信方式上，基于P2P的系統(tǒng)由于peer之間的協(xié)作,，具有高度的容錯性和非常好的可擴展性,，可以快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布和資源的聚合,，數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r性和成本都具有C/S所無法比擬的優(yōu)越性。圖1所示為C/S與P2P模式的比較,。
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2 IPTV工作原理與層次結構
??? IPTV利用IP寬帶網(wǎng)絡,，以“電視機+機頂盒”為主要終端設備，為用戶提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的互動多媒體服務" title="多媒體服務">多媒體服務的寬帶增值業(yè)務,。其工作原理與基于互聯(lián)網(wǎng)的電話服務VoIP相似,，它把呼叫分為數(shù)據(jù)包，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送,，然后在另一端進行復原,。其過程與多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸過程大致相同。首先是編碼,，即對原始的電視信號數(shù)據(jù)進行編碼,，轉化成適合Internet傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式；然后通過互聯(lián)網(wǎng)傳送,，最后解碼通過電腦或是電視播放,。但因為所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是視頻和同步的聲音，如果效果達到普通的電視效果每秒24幀甚至是DVD效果,，顯然所要求的傳輸速度是非常高的,。
??? IPTV能提供點播、廣播/直播,、視頻通信,、短信/彩信、信息服務,、游戲等業(yè)務,。IPTV技術是一項系統(tǒng)技術，主要包括音視頻編解碼技術,、流媒體傳送技術,、寬帶接入網(wǎng)絡技術、IP機頂盒技術等,。IPTV的特點主要包括：
??? ①采用高效的視頻壓縮技術,，用戶可以得到高質量(DVD水平)的數(shù)字媒體服務；
??? ②用戶可有極其廣泛的自由度,，隨意選擇寬帶IP網(wǎng)上各網(wǎng)站提供的視頻節(jié)目,；
??? ③實現(xiàn)媒體提供者和媒體消費者的實質性互動。IPTV能根據(jù)用戶的選擇配置多種多媒體服務功能,，包括數(shù)字電視節(jié)目,、可視IP電話、DVD/VCD播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽,、電子郵件,，以及多種在線信息咨詢、游戲,、娛樂,、教育及商務功能等。
??? 從層次結構上分析,，一個典型的IPTV系統(tǒng)主要包含支撐層,、業(yè)務層、網(wǎng)絡承載層和終端層等部分,，如圖2所示,。支撐層主要完成IPTV用戶的管理認證授權以及系統(tǒng)設備的管理。業(yè)務層主要是為IPTV提供多種多樣的多媒體交互業(yè)務,，如視頻點播業(yè)務,，體育直播業(yè)務等；網(wǎng)絡承載層主要是IPTV的物理介質,，要求帶寬比較大,，最好支持組播，并具有一定的安全保護措施,，具體又可分為接入網(wǎng),、匯聚網(wǎng)和核心網(wǎng)三個部分,。終端層則表示IPTV的最終用戶,，他們通過網(wǎng)絡承載層進行不同方式的網(wǎng)絡接入服務，并在PC或者配合機頂盒的TVSet上觀看電視節(jié)目,。
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3 基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結構
??? 目前,，IPTV都是基于C/S模式的，運行在支持組播實時業(yè)務和點播存儲媒體業(yè)務應用的IP網(wǎng)絡中,，需要面對十萬,、百萬規(guī)模的大并發(fā)多媒體服務的挑戰(zhàn)，在服務器I/O能力,、帶寬,、海量存儲、部署成本等方面都將受到前所未有的考驗,。當大規(guī)模的網(wǎng)絡用戶同時收看節(jié)目時,，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和QoS，ICP必須用大量服務器來平衡網(wǎng)絡訪問負載,，并增加網(wǎng)絡出口帶寬,。但是，服務器數(shù)量和網(wǎng)絡容量的增加永遠會落后于用戶規(guī)模的增長。過渡性的解決辦法是采用組播傳輸技術來提供廣播服務或者采用內(nèi)容傳輸網(wǎng)等覆蓋網(wǎng)技術,，但需要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡進行升級改造,，這將大大增加網(wǎng)絡建設的成本，浪費已有的資源投資,。
??? 為了徹底解決問題,，必須突破C/S模式體系結構，引入P2P重疊網(wǎng)的理念和技術,。圖3所示為一種基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結構圖,。該結構綜合了第一代中央控制網(wǎng)絡的體系結構和第二代分散分布體系結構的IPTV的優(yōu)點，屬于第三代P2P體系結構,。在網(wǎng)絡的邊緣節(jié)點采用集中式的網(wǎng)絡結構,，聚合用戶；在超級節(jié)點之間采用分布式的網(wǎng)絡結構,，為IPTV的穩(wěn)定度協(xié)同工作,。分布式放置的超級節(jié)點取代了中央索引檢索服務器，同時,，采用分層次的快速搜索算法改進IPTV的多媒體資源和內(nèi)容的搜索性能,，縮短了電視節(jié)目的反應速度和頻道切換速度。具有高性能的超級節(jié)點彼此間相互協(xié)作,，即使一個超級節(jié)點崩潰,，相應的節(jié)點仍然與其他網(wǎng)絡節(jié)點有連接，并在新的頻道的搜索中使用新的超級節(jié)點,。超級電視節(jié)點也是一種終端,，只是其處理能力或帶寬能力較強，被系統(tǒng)選為超級節(jié)點,。當其退出系統(tǒng)時,，由于超級節(jié)點的分布式連接，并不影響終端用戶的對等服務搜索過程,。其他超級節(jié)點可代替提供相關服務,，從而保證了P2P-IPTV系統(tǒng)的健壯性和穩(wěn)定性，也為系統(tǒng)規(guī)模的擴展提供了良好的接口,。
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??? 與Skype中的超級節(jié)點類似,，P2P-IPTV的體系結構中的超級節(jié)點其實也是一個節(jié)點，可作為一個動態(tài)的點對點的索引服務器,。超級節(jié)點還可為處于局域網(wǎng)NAT或者防火墻的IPTV用戶建立與外界用戶節(jié)點間的連接并為其媒體流做轉發(fā)服務,。
??? 基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結構可以使得IPTV業(yè)務的廣播和轉播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并使自制的多媒體內(nèi)容得到基于全球覆蓋的共享和分發(fā),，同時還可以節(jié)約電信運營商之間的對接流量,，減少網(wǎng)絡建設成本,。
??? IPTV起源于互聯(lián)網(wǎng)流媒體技術，盡管技術基礎和基本功能是一致的,，互聯(lián)網(wǎng)上運行的IPTV系統(tǒng)與電信級的IPTV系統(tǒng)在功能,、性能和可靠性等方面都差異很大。尤其在IP的盡力而為的網(wǎng)絡傳送方式下,，如何利用技術手段保證用戶的IPTV業(yè)務服務質量,，一直都是IPTV技術試圖克服的難題。本文研究的基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結構,，充分利用了P2P技術在交互式應用等方面的優(yōu)勢,，使構建更加靈活有效的IPTV業(yè)務網(wǎng)絡成為可能。
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