基于P2P的IPTV體系結構分析

1 引言

近年，中國寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展迅速，基于IP的各種互聯(lián)網(wǎng)應用層出不窮。其中，以寬帶交互的新媒體，也即IPTV（網(wǎng)絡(luò )電視），最為引人注目。IPTV的業(yè)務(wù)形態(tài)可簡(jiǎn)單分為三種：一是實(shí)時(shí)的電視廣播源節目；二是點(diǎn)播事先錄制并存儲在服務(wù)器上的節目；第三種就是所謂的Time-Shifted TV，用戶(hù)在收看現場(chǎng)直播的節目的同時(shí)，還可以回溯過(guò)去的精彩瞬間或者暫停一會(huì )繼續收看現場(chǎng)節目。

針對這三種業(yè)務(wù)形態(tài)，IPTV在滿(mǎn)足用戶(hù)的質(zhì)量要求的同時(shí)，更要面對大規模的用戶(hù)加入或退出所引起的波動(dòng)和大業(yè)務(wù)量對系統高可靠性、高可擴展性方面所提出的挑戰。通常，IPTV采用客戶(hù)機和服務(wù)器架構，當大規模用戶(hù)同時(shí)請求使用同一節目源，會(huì )造成服務(wù)器負荷重載，也造成網(wǎng)絡(luò )的擁塞。因此，基于peer to peer (P2P)的IPTV系統得到大力發(fā)展。

2 P2P技術(shù)

P2P可定義為以非集中方式使用分布式資源來(lái)完成關(guān)鍵任務(wù)的一類(lèi)系統或者技術(shù)。P2P如果僅僅看作是一種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，則不是新鮮事物，最原始的P2P形態(tài)就是網(wǎng)絡(luò )誕生時(shí)的點(diǎn)—點(diǎn)通信方式。后來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)資源豐富起來(lái)并趨于集中化，出現了服務(wù)器和客戶(hù)端的概念。但Client/Server的網(wǎng)絡(luò )體系結構使得服務(wù)缺乏個(gè)性化，資源無(wú)法得到充分利用。因此，人們渴望打破Server對網(wǎng)絡(luò )資源的全面控制，在TCP/IP基礎上演化出新的P2P技術(shù)。

2.1 P2P技術(shù)模型和應用

P2P強調Serverless的意識，按照業(yè)務(wù)提供方式可以分為三種，即P2P的三種模型：

（1）完全基于Server(Server-based)的(即C/S)，服務(wù)器提供相連peer的名字索引以及網(wǎng)絡(luò )上所有的資源，同時(shí)，peer之間的通信的建立也需要依靠服務(wù)器的初始化。服務(wù)器在系統中處于支配地位，和傳統的C/S模型一樣，如圖1所示。
（2）部分基于Server(with-Server)；通常，準備加入網(wǎng)絡(luò )的peer通知一個(gè)索引服務(wù)器它已經(jīng)登錄，服務(wù)器的作用僅僅是為正在加入的peer提供已經(jīng)連接的peer的名字的索引，資源仍然分布式存放在各個(gè)peer上，如何建立連接和后來(lái)的通信則仍然屬于peer之間的事情。如圖2所示。最早的Napster，Kazaa以及近期的Edoney， Emule，Skype等就屬于部分基于Server的P2P技術(shù)架構，它們主要提供文件的高速傳輸和實(shí)時(shí)通信為主要目的。
（3）完全Serverless（non-Server）。此模型中，完全沒(méi)有服務(wù)器的概念，所有成員都是對等端，peer動(dòng)態(tài)地發(fā)現其連接的peer，peer之間的通信完全不需要來(lái)自服務(wù)器的任何幫助，打破了C/S模型的傳統通信方式。它可以在某種規則下，將網(wǎng)絡(luò )中的所有資源完全共享，并快速提供，同時(shí)支持每個(gè)peer的快速加入和退出。這種純P2P模型容許用戶(hù)自己設定通信規則，建立具有特色的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，如圖3。其可以使得網(wǎng)絡(luò )資源使用率最大化，最優(yōu)化系統性能。這類(lèi)純P2P系統包括Gnutella和Freenet，Myjxta及國內的SNS社會(huì )網(wǎng)絡(luò )，Nexter等。純P2P模型可以提供近似的即插即用特性，但其缺點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò )上peer之間如何彼此發(fā)現，并與之建立通信的問(wèn)題。

圖1 P2P三種技術(shù)模型對比

2.2 P2P較C/S模式的優(yōu)越性

P2P具有如下一些特性：

（1）peer知道彼此的存在和位置；
（2）peer既可以作為Client也可以作為Server而存在；
（3）多個(gè)peer可以形成一個(gè)peer組，并進(jìn)而形成覆蓋網(wǎng)；
（4）peer都是運行在那個(gè)虛擬的覆蓋網(wǎng)上。
這些特性使得P2P系統具有非常良好的可擴展性，使得在較低成本情況下完成資源的聚合和共享，也容許peer在彼此數據的管理和資源共享上擁有較大的自治控制。由于出色的性能，基于部分Serverless和完全Serverless的P2P技術(shù)，出現了大量的互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)增值業(yè)務(wù)，比如分布計算，協(xié)同工作，文件共享，即時(shí)通信等。

目前大多互聯(lián)網(wǎng)上的應用都是基于傳統的C/S模式的，包括IPTV也是如此。C/S模式使得網(wǎng)絡(luò )上的資源向服務(wù)器端集中，用戶(hù)之間的通信高度依賴(lài)于服務(wù)器，無(wú)法直接交流信息。因此，在網(wǎng)絡(luò )性能方面，P2P的優(yōu)點(diǎn)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(luò )擁塞和帶寬的瓶頸問(wèn)題，減緩存儲服務(wù)器的響應壓力。在通信方式上，基于P2P的系統由于peer之間的協(xié)作，具有高度的容錯性和非常好的可擴展性，可以快速對數據進(jìn)行發(fā)布和資源的聚合，數據傳輸的即時(shí)性和成本都具有C/S所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

3 基于P2P的IPTV體系結構

IPTV需要給不同網(wǎng)絡(luò )接入的用戶(hù)提供連續和失真較小的音視頻多媒體流，這些交互的多媒體業(yè)務(wù)具有高度并發(fā)和帶寬需求較大的特點(diǎn)。