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技術的研究情況進行了簡單介紹，針對這一研究熱點，確定了對P2P與NGN結合的IPTV控制架構進行研究的思路，并給出了P2P與NGN結合的IPTV控制架構，相關功能實體的功能描述和典型的工作流程，希望能夠?qū)ο嚓P研究提供一些思路。
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%。相關國際標準組織也在積極制定IPTV技術標準，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，從目前來看，可以將IPTV架構分成兩大類，一類是非基于NGN的IPTV架構（也稱為non-NGN-based
IPTV），另一種是基于NGN的IPTV架構（也稱為NGN-based IPTV）。
P2P技術在互聯(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(xiàn)有電信網(wǎng)相比，利用P2P技術組成的服務網(wǎng)絡具有非中心化、可擴展性、健壯性、高性價比、負載均衡等優(yōu)點，為解決傳統(tǒng)電信運營商基于C/S（客戶端/服務器）架構的網(wǎng)絡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也是近年來國內(nèi)外研究的一個熱點，目前中國通信標準化協(xié)會CCSA正在組織制定《IPTV媒體交付系統(tǒng)技術要求——體系架構》，擬探索傳統(tǒng)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技術實現(xiàn)IPTV內(nèi)容分發(fā)控制的相關需求。
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，以便減少對相關設備的影響。
基于NGN的IPTV控制架構和P2P技術融合的難點和關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合，同時又能夠滿足電信網(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，既能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)負載均衡，又能夠?qū)崿F(xiàn)局部網(wǎng)絡中業(yè)務流量的均衡。
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)絡造成的沖擊、充分利用媒體服務器的緩存功能等考慮，最好由網(wǎng)絡中的服務器負責實現(xiàn)跨域資源調(diào)度。
（2）支持傳統(tǒng)終端和P2P終端，應考慮終端層面P2P技術的引入，充分發(fā)揮P2P技術的優(yōu)點，利用P2P終端的資源和能力，簡化網(wǎng)絡的負荷。但同時，在終端層面引入P2P帶來了控制復雜性，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）的思路，為了使電信運營商能夠構建一個可管可控的基于P2P的網(wǎng)絡，P4P在挑選Peer方面增加了一系列機制，如通過獲得網(wǎng)絡拓撲信息、用戶位置信息、鏈路狀態(tài)使得電信運營商可以基于其網(wǎng)絡現(xiàn)狀，以最優(yōu)策略通過P2P技術向用戶提供電信業(yè)務。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)絡資源的占用等）。
3.P2P與NGN結合的IPTV控制架構
根據(jù)上述原則，通過對NGN，IPTV，CDN，P2P相關技術特點的研究，給出了一種P2P與NGN結合的IPTV控制架構（見圖1）。P2P網(wǎng)絡可以采用集中目錄式、純P2P方式、超級節(jié)點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
本架構的最大特點是結合CDN和NGN架構（注：為了簡化沒有給出詳細的NGN相關控制實體，架構中只體現(xiàn)了會話控制實體和資源接納控制功能實體），在此基礎上引入P2P相關功能，包括P2P控制實體和P2P用戶終端。通過對基于NGN的IPTV架構和CDN架構的改進，使該架構既能夠具備電信網(wǎng)中網(wǎng)絡資源可控、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)技術的優(yōu)勢均集中在了一起。
該控制架構中各主要實體的功能以及各實體之間的相互關系如下：
（1）普通用戶終端（UE）：不支持P2P技術的普通終端。
（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）：會話控制功能負責IPTV的業(yè)務控制，可以對應IMS網(wǎng)絡中的S-CSCF。SCF的作用是：
- 為請求IPTV業(yè)務的用戶終端（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資源預留，保障非P2P用戶的IPTV業(yè)務質(zhì)量。
（4）CDN媒體控制功能實體（CDN-CF）：負責為流媒體業(yè)務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)務處理方式。
- CDN-CF與CDN-MF是一對多的關系。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)負載均衡，CDN-CF準確掌握所控制的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)絡中IPTV業(yè)務的資源負載情況、保存的網(wǎng)絡中媒體內(nèi)容信息和用戶的業(yè)務請求，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)模進行分級設置。本級的CDN-CF負責向上一級的CDN-CF查找用戶請求的資源。
（5）CDN媒體存儲功能實體（CDN-MF）：負責向IPTV業(yè)務用戶傳送媒體內(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。當一個CDN-MF中保存媒體節(jié)目的部分內(nèi)容時，CDN-MF應能夠采取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。
- CDN-MF可根據(jù)CDN-CF的設置進行分級，并能夠在CDN-CF的控制下，從上級或同級的CDN-MF處獲取所需要的媒體內(nèi)容。
（6）P2P控制功能實體（P2P CF）：針對P2PUE進行控制。
- 將P2P機制引入之后，P2PUE在下載流媒體內(nèi)容的同時，自身也存儲了部分的流媒體內(nèi)容，供其他P2PUE下載使用。在P2PCF中保存了流媒體內(nèi)容分片信息在P2PUE上的存儲信息和P2PU的在線狀態(tài)。
- P2PCF通過與性能測量功能的交互，獲取與用戶接入網(wǎng)相關的資源使用信息（如接入網(wǎng)剩余帶寬等）。
- 在接收到P2PUE的內(nèi)容請求消息后，P2PCF根據(jù)流媒體內(nèi)容在其他用戶上的存儲信息、CDN-CF為該內(nèi)容傳送分配的CDN-MF信息、接入網(wǎng)資源的使用信息等調(diào)用資源調(diào)度算法，為該P2P流媒體用戶計算各部分內(nèi)容的存儲位置。
（7）資源接納控制功能（RACF）：負責為非P2P用戶的流媒體內(nèi)容下載進行資源預留，以保障流媒體業(yè)務質(zhì)量。資源接納控制功能為NGN中定義的功能實體。
（8）性能測量管理點：負責對接入網(wǎng)的網(wǎng)絡性能進行測量。目前采用的是業(yè)務或應用分配固定帶寬的方式，已不能適應P2P過程中實時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)務的QoS參數(shù)（如端口或鏈路的吞吐量、延遲、丟包率等）并上報給P2PCF。P2PCF根據(jù)性能測量功能提供的監(jiān)測結果和網(wǎng)絡運行狀態(tài)對媒體流做出適時的自動調(diào)整，可以更好地提供QoS保證，實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的動態(tài)反饋控制。
4.典型工作流程
由于普通用戶終端和P2P用戶終端的控制方式、工作方式和服務質(zhì)量保證機制都不盡相同，本架構對普通用戶終端和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)務請求、媒體資源調(diào)度和內(nèi)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。
- 用戶通過普通用戶終端發(fā)起IPTV業(yè)務請求。
- SCF判斷終端類型為普通用戶終端，則調(diào)用RACF執(zhí)行資源預留，以便為普通用戶的業(yè)務提供服務質(zhì)量保證。關于RACF的資源預留過程，可參見ITU-T和TISPAN的相關規(guī)定。
- SCF根據(jù)用戶所在的地理位置、用戶類型等信息選擇為該用戶服務的CDN-CF，并向CDN-CF發(fā)送媒體資源請求。
- CDN-CF結合用戶請求的節(jié)目、CDN-MF的負載情況等信息進行資源調(diào)度，為用戶選擇合適的CDN-MF為其服務；并向所選擇的CDN-MF發(fā)送媒體資源請求。
- CDN-MF可能需要從本域的其他CDN-MF處獲得節(jié)目相關的媒體信息。
如果所請求的節(jié)目內(nèi)容在本域內(nèi)不存在，CDN-CF需要通過上級CDN-CF選擇保存有節(jié)目內(nèi)容的管理域，然后CDN-CF和保存有節(jié)目內(nèi)容的管理域中的CDN-CF進行交互，并控制CDN-MF從該域獲取相關的媒體資源。
當CDN-MF準備節(jié)目內(nèi)容之后向CDN-CF發(fā)送媒體資源響應。
- CDN-CF向SCF回送響應，SCF和RACF交互執(zhí)行資源接納控制，之后將CDN-MF的地址等信息傳送給用戶終端。
- 用戶終端從CDN-MF獲取媒體內(nèi)容。
4.2 P2P終端的工作流程
圖3是P2P終端的工作流程示例。
- 用戶通過P2P用戶終端發(fā)起IPTV業(yè)務請求。
- 會話控制實體收到IPTV業(yè)務請求后，根據(jù)用戶所在的地理位置、用戶類型等信息選擇為該用戶服務的CDN-CF，并向CDN-CF發(fā)送媒體資源請求。
- CDN-CF結合用戶請求的節(jié)目，CDN-MF的負載情況，用戶類型等信息進行資源調(diào)度。對于P2PUE，CDN-CF為用戶選擇合適的P2PCF作為P2PUE后續(xù)網(wǎng)絡控制點。CDN-CF將為該用戶選擇的P2PCF地址等信息發(fā)送給SCF，SCF將該響應發(fā)送給用戶。
- P2PUE向P2PCF發(fā)起媒體下載請求。
- P2PCF接收到用戶請求之后，首先向CDN-CF請求計算節(jié)目各分片對應的CDN-MF列表。這樣P2PCF可以根據(jù)一定的策略將CDN-MF的地址融合在最終傳送給P2PUE的對等節(jié)點列表中，如為了提高面向用戶的響應速度，可以控制P2PUE接入到CDN-MF獲取第一個分片或后續(xù)幾個分片。P2PCF還可以將CDN-MF作為某個分片的備選地址，當P2PUE在嘗試列表中的其他對等節(jié)點失敗時，仍然可以從CDN-MF獲得分片。
- P2PCF從性能測量管理點獲取接入網(wǎng)資源占用的情況，作為資源調(diào)度的重要依據(jù)。性能測量管理點可以周期性的向P2PCF上報接入網(wǎng)的情況。
- 獲得相關信息后，P2PCF根據(jù)接入網(wǎng)資源占用情況、從CDN-CF獲取的CDN-MF列表、存儲相關資源的P2P終端狀態(tài)，生成供P2PUE下載節(jié)目片段的列表。
- P2PCF將列表發(fā)送給P2PUE，P2PUE根據(jù)列表和相應的P2P終端交互獲取節(jié)目片段。
- 在用戶觀看和/或下載節(jié)目的過程中，P2PUE定期或根據(jù)一定的觸發(fā)條件（如完成幾個分片下載后）向P2PCF上報本終端上存儲的流媒體節(jié)目片段的信息，供P2PCF計算列表時。
5.結束語
本文中給出的P2P與NGN結合的IPTV控制架構，關鍵是將NGN，CDN和P2P相結合，目的是在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)P2P終端之間的資源共享。針對P2P技術特點設計了對應的可控、可管和業(yè)務質(zhì)量保障架構和機制，可以為相關研究提供新思路。
電信網(wǎng)技術
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