P2P在IPTV中解决数据服务器传输瓶颈

老周部落

　　随着嵌入式技术这几年的迅速发展，在个人电脑平台上正显示出强大市场需求的流媒体技术，目前逐渐有向嵌入式平台转移的趋势。个人便携化、家电化的媒体消费需求，为这次平台的转移提供了市场契机。IPTV正是在这场消费革命中处在风口浪尖的焦点。业内大多认为IPTV蕴含了巨大的商业利益，但至今仍鲜有涉足者，其中原因之一是网络速度问题。本文介绍了对等网络技术，即点对点（P2P）技术，将其应用到IPTV网络传输中，可充分利用每一终端的上下行信道，并且不需要路由器等硬件支持组播，可以为IPTV网络传输瓶颈问题提供一种解决方案。
一、对等网络技术
　　1.对等网络简介
　　对等网络（peer-to-peer network），常被称为P2P或点对点，是近年来兴起的一种新型网络技术。它在传输方式上打破了传统网络的服务器/客户端（C/S）模式的定式，建立了一种客户端对客户端的直接通信机制，这种通信方式也为未来网络的发展提供了思路。在对等网络中，每一节点既作为客户端，又充当他人的服务器，从某种意义上，每一结点都处在同等地位。对等网络是对分布式概念的成功拓展，它将传统方式下的服务器负担分配到网络中的每一节点上，每一节点都将承担有限的存储与计算任务，加入到网络中的节点越多，节点贡献的资源也就越多，其服务质量也就越高。
　　反观现在网络上仍占主导地位的C/S服务模式，虽然近年来，终端用户的网络带宽逐年提高，但用户使用感受仍未有大的改观，主要也是由于各大服务器不堪重负，用户数量大幅上升时，服务器甚至有面临崩溃的危险，而此时空闲的链路带宽正被白白浪费掉。而P2P方式的网络服务，正好能充分挖掘网络的空闲资源，不需要增加投入，就能服务更多用户。因而可以看到，对等网络技术的优势是不言而喻的，它将在未来的网络应用中，创造巨大的价值。
　　2.对等网络的基本结构
　　对等网络一般按组织结构的不同，分为三种类型。
　　（1）集中式对等网络
　　集中式的对等网络其实并不是完全意义上的对等网络，这是一种介于C/S模式与对等网络之间的基于P2P理念的对传统网络方式的拓展。集中式对等网络基于中央目录服务器，为网络中各节目提供目录查询服务，传输内容无需再经过中央服务器。这种网络，结构比较简单，中央服务器的负担大大降低。但由于仍存在中央节点，容易形成传输瓶颈，扩展性也比较差，不适合大型网络。但由于目录集中管理，对于小型网络的管理和控制上倒是一种可选择方案。
　　（2）无结构分布式网络
　　无结构分布式网络与集中式的最显著区别在于，它没有中央服务器，所有结点通过与相邻节点间的通信，接入整个网络。在无结构的网络中，节点采用一种查询包的机制来搜索需要的资源。具体的方式为，某节点将包含查询内容的查询包发送到与之相邻的节点，该查询包以扩散的方式在网络中蔓延，由于这样的方式如果不加节制，会造成消息泛滥，因此一般会设置一个适当的生存时间（TTL），在查询的过程中递减，当TTL值为0时，将不再继续发送。
　　这种无结构的方式，组织方式比较松散，节点的加入与离开比较自由，当查询热门内容时，很容易就能找到，但如果需求的内容比较冷门，较小的TTL不容易找到，而较大的TTL值又容易引起较大的查询流量，尤其当网络范围扩展到一定规模时，即使限制的TTL值较小，仍然会引起流量的剧增。但当网络中存在一些拥有丰富资源的所谓的类服务器节点时，可显著提高查询的效率。
　　（3）结构化分布式网络
　　结构化分布式网络，是近几年基于分布式哈希表（Distributed Hash Table）技术的研究成果。它的基本思想是将网络中所有的资源整理成一张巨大的表，表内包含资源的关键字和所存放结点的地址，然后将这张表分割后分别存储到网络中的每一结点中去。当用户在网络中搜索相应的资源时，它将能发现存储与关键词对应的哈希表内容所存放的结点，在该结点中存储了包含所需资源的结点地址，然后发起搜索的结点根据这些地址信息，与对应结点连接并传输资源。这是一种技术上比较先进的对等网络，它具有高度结构化，高可扩展性，结点的加入与离开比较自由。这种方式适合比较大型的网络。
二、对等网络技术在IPTV中的应用
　　1.IPTV的现状
　　国内IPTV与P2P一直是沿着两个不同的方向发展。由于IPTV与传统电视收看方式相似，基本上被看作是有线电视（CATV）或数字电视（DVB）的升级，因而在设计思路上沿用了与之类似的中央服务器的模式。在传统的方式中，网络基本上是广播式的单向信道，即客户端没有能力或只有很少能力发送上行信息，在这种方式下，所有的服务内容由中央服务器发送，所有的处理工作完全由中央服务器完成，无法实现P2P的连接。
　　为了在C/S模式下解决IPTV中的服务器瓶颈问题，目前的方案大多拟采用组播技术，以及配合中央服务器一边缘服务器的内容分发策略（CDS）来实现。
　　组播技术也是近年来十分热门的，优于广播方式的网络中一点对多点传输服务技术。在传统的一点对多点通信中，服务器对每一个请求连接的客户端都要建立独立的连接，一般的服务器最大能提供的连接数量是相当有限的，因此这种方式并不适合媒体服务。广播方式下，可以不用为每个用户建立相应的连接，只将有需求的内容向每个子网以广播方式发送一份拷贝，这样可以保证所有用户都能接收到这份数据。但这种方式的弊端是显而易见的，大量的没有请求这项内容的用户也都收到了这份数据，这将造成网络数据的泛洪，引起阻塞。由此，产生了组播技术。在组播方式下，增加了一个组播组的概念，当用户请求服务时将加入这个组，服务器只向有需要的子网的组播地址发送一份数据拷贝，当这份数据到达子网路由器时，路由器将根据当前组成员状况进行发送，这样只有当前的组成员能够接收到这份数据，从而保证了带宽不被浪费。
2.对等网络在IPTV中的应用
　　组播对于减轻服务器负担是有相当作用的，但是组播对硬件要求较高，需要数据源和接收者的下层网络都能支持组播协议。而且组播方式，依然没有利用到客户端的上行通道，即用户接收到的数据仍然不能转发给其他有相同需要的用户。
　　传统网络方式与对等网络方式的网络结构对比如图1。采用对等网络技术的IPTV系统，对底层硬件基本没有要求，只需在应用层上修改即可。由于IPTV具有实时媒体的特点，网络节点并不需要保存资源信息的相关内容，每节点在某一时刻只能提供一种资源的服务，因此对等网络中基于搜索的机制完全可以不予考虑。另外，由于IPTV系统必须具备良好的用户认证收费管理子系统，以及提供相关增值服务的功能，因此不能允许用户随便加入网络，需要有健全的用户管理机制。针对IPTV这种特性，在IPTV中应用对等网络技术，采用集中式的结构比较合适。

　　

　　图1 IPTV中传统网络与对等网络的结构对比

　　在基于对等网络的IPTV系统中采用集中式结构，系统中应存在少量的中央服务器，这些服务器除了保存节目内容资源外，还要保存当前的节目单信息和正在收看节目的客户端信息。当用户请求收看某一节目时，服务器将返回正在收看该节目的用户，这里服务器可以根据请求来源的路由信息，在所有收看该节目的用户中挑选与请求用户最接近的，也就是连通性最好的用户信息进行返回。用户收到服务器返回的地址信息后，即开始与正在收看的用户进行连接，获取节目内容。
　　在这种对等网络中，内容服务器只需进行少量的内容分发，甚至对某些热门节目只进行一路分发，即可满足大量的用户收看需求。与传统的节目分发方式相比，既不需要复杂的调度算法，也不用承担上千甚至上万的媒体传输连接，压力可以说极大降低，而用户的服务质量并不会因此降低。相反，对某些热门节目会因为收看人数众多，数据来源稳定，而享受更好的服务质量。
　　在传统的网络中，当某一台服务器发生故障，可能会影响一部分用户的收看，用户需要到更远的服务器上去接收节目内容，这样网络速度会变慢，这又同时加重了这台服务器的负担，即增加了该服务器出现故障的风险，有可能造成连锁故障效应。如果为了避免这种情况，把用户限制在某一区域内，则这部分用户在故障时无法接受服务。然而，采用对等网络方式时，由于把服务器的绝大部分负担分散并转移到了所有的用户端，服务器出现故障的概率大幅下降，而且即使某台服务器出现故障，只要网络中仍有其他分发该服务器上内容的其他服务器，即只要网络中仍存在该内容的源，用户就能收看到该节目，并不受出故障服务器的影响。因为在对等网络中，所有的节点既是终端用户，又是服务器，某一节目的服务是由许多同时收看该节目的用户共同提供的。这使系统具有了一种软容量的特性，即与传统电视网络所能服务的最大用户数固定不同，基于对等网络的IPTV系统，其最大容量并不固定，而且用户数越多，其服务质量越好，用户数量增加并不需要增加服务器端的投入。
三、存在的不足及解决方法的提出
　　基于对等网络的IPTV系统，虽然具有诸多优越性，但仍有一些不足之处。其中最大的问题是网络的安全性存在隐患。由于对等网络中，节目来源不局限于服务器了，用户受到服务器的制约比传统方式下少了很多，这样非法的用户可以绕开向服务器申请资源这一步，直接向用户端进行连接。由于用户端必须保存一份当前收看节目的用户列表，以保持与这些用户的连接，并根据缓冲状况及时增加新的连接。而非法用户接入某一合法用户后，也可获得这张列表，即可发起连接，从而实现不与服务器通信就能收看到节目。
　　前面说过，IPTV系统必须有良好的计费管理机制，并具有一定的扩展性以提供更多增值服务。针对上面的问题，固然可以加密保存用户端的当前用户列表，并禁止用户之间交??，但这样也只是治标的办法。为了提供更高的安全性，可采用数字版权管理（DRM）技术从根本上对内容进行加密，这样即使非法用户获取了内容，没有得到授权，仍然无法观看到节目。
　　在IPTV中的数字版权管理可以如下方式工作：在每台用户接收终端建立一个与硬件相关并可对用户身份进行惟一鉴别的ID号，简单方式下采用网卡的MAC地址即可，也可以采用其他数字加密的智能卡等设备用以提高系统的安全性。在内容分发之前，使用密钥对媒体进行加密，这样要想收看该内容，必须使用相同的密钥进行解密，然后将该密钥与节目内容分开存储。在系统中建立单独的用户验证服务器，实际操作中可与资源请求服务合并，但最好与内容分发服务器分离。当用户进行资源请求时，连接到用户验证服务器，服务器根据用户的惟一ID鉴别其合法性，并根据该ID对请求的媒体密钥进行加密，生成一份许可证，将该许可证颁发给用户，并同时返回相应资源的用户列表。用户接收到媒体后，可使用许可证配合硬件ID解密出原始密钥，再用该密钥解密出节目内容，进行观看。由于许可证是以该用户的ID进行加密的，因此即使被别的用户非法获取到，没有相应的硬件支持也不能解密出原始密钥，从而不能观看节目。每一节目的许可证可以存储在用户端，也可以使用后删除，待重新请求时颁发新的许可证。
　　数字版权管理十分灵活，不仅可针对媒体节目，各种增值服务也可使用DRM方式管理用户权限，实现复杂而高效的计费方案，满足不同用户需求。对于数字加密可根据需要采用不同算法，由于加密过程与硬件相关，因此安全性十分高，可在一定程度上弥补对等网络在安全性能上的不足，并能提供更多功能。
四、结束语
　　IPTV和对等网络都是目前相当热门的技术，但以往少有人提及将两者结合，利用各自优势，拓展其应用领域。本文为IPTV的网络结构提出了一种新的思路，并探讨了可行性，针对其中可能存在的问题，也提出了相应的解决办法。综上所述，对等网络作为新兴的并且蓬勃发展的网络技术，其优越性是显而易见的，并且预示了未来网络的发展方向，在IPTV中应用对等网络技术不仅能够降低组网成本，同时作为对未来网络的一种探索，也是具有重要意义的。