對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在IPTV中的應(yīng)用研究
2007/05/15
本文為解決IPTV網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)服務(wù)器傳輸瓶頸問題，提出了一種新方法，即引入對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。文中介紹了對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理，把對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與組播技術(shù)進(jìn)行了比較，研究了對(duì)等網(wǎng)絡(luò)在IPTV應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)方法，總結(jié)出對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并提出對(duì)等網(wǎng)絡(luò)存在的不足，以及采用DRM技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)不足的方法。
隨著嵌入式技術(shù)這幾年的迅速發(fā)展，在個(gè)人電腦平臺(tái)上正顯示出強(qiáng)大市場(chǎng)需求的流媒體技術(shù)，目前逐漸有向嵌入式平臺(tái)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。個(gè)人便攜化、家電化的媒體消費(fèi)需求，為這次平臺(tái)的轉(zhuǎn)移提供了市場(chǎng)契機(jī)。IPTV正是在這場(chǎng)消費(fèi)革命中處在風(fēng)口浪尖的焦點(diǎn)。業(yè)內(nèi)大多認(rèn)為IPTV蘊(yùn)含了巨大的商業(yè)利益，但至今仍鮮有涉足者，其中原因之一是網(wǎng)絡(luò)速度問題。本文介紹了對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）技術(shù)，將其應(yīng)用到IPTV網(wǎng)絡(luò)傳輸中，可充分利用每一終端的上下行信道，并且不需要路由器等硬件支持組播，可以為IPTV網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸問題提供一種解決方案。
一、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
1.對(duì)等網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介
對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（peer-to-peer network），常被稱為P2P或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，是近年來(lái)興起的一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它在傳輸方式上打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器/客戶端（C/S）模式的定式，建立了一種客戶端對(duì)客戶端的直接通信機(jī)制，這種通信方式也為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了思路。在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中，每一節(jié)點(diǎn)既作為客戶端，又充當(dāng)他人的服務(wù)器，從某種意義上，每一結(jié)點(diǎn)都處在同等地位。對(duì)等網(wǎng)絡(luò)是對(duì)分布式概念的成功拓展，它將傳統(tǒng)方式下的服務(wù)器負(fù)擔(dān)分配到網(wǎng)絡(luò)中的每一節(jié)點(diǎn)上，每一節(jié)點(diǎn)都將承擔(dān)有限的存儲(chǔ)與計(jì)算任務(wù)，加入到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)越多，節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)的資源也就越多，其服務(wù)質(zhì)量也就越高。
反觀現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上仍占主導(dǎo)地位的C/S服務(wù)模式，雖然近年來(lái)，終端用戶的網(wǎng)絡(luò)帶寬逐年提高，但用戶使用感受仍未有大的改觀，主要也是由于各大服務(wù)器不堪重負(fù)，用戶數(shù)量大幅上升時(shí)，服務(wù)器甚至有面臨崩潰的危險(xiǎn)，而此時(shí)空閑的鏈路帶寬正被白白浪費(fèi)掉。而P2P方式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，正好能充分挖掘網(wǎng)絡(luò)的空閑資源，不需要增加投入，就能服務(wù)更多用戶。因而可以看到，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的，它將在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，創(chuàng)造巨大的價(jià)值。
2.對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)
對(duì)等網(wǎng)絡(luò)一般按組織結(jié)構(gòu)的不同，分為三種類型。
（1）集中式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)
集中式的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)其實(shí)并不是完全意義上的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，這是一種介于C/S模式與對(duì)等網(wǎng)絡(luò)之間的基于P2P理念的對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方式的拓展。集中式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)基于中央目錄服務(wù)器，為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)目提供目錄查詢服務(wù)，傳輸內(nèi)容無(wú)需再經(jīng)過中央服務(wù)器。這種網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，中央服務(wù)器的負(fù)擔(dān)大大降低。但由于仍存在中央節(jié)點(diǎn)，容易形成傳輸瓶頸，擴(kuò)展性也比較差，不適合大型網(wǎng)絡(luò)。但由于目錄集中管理，對(duì)于小型網(wǎng)絡(luò)的管理和控制上倒是一種可選擇方案。
（2）無(wú)結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò)
無(wú)結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡(luò)與集中式的最顯著區(qū)別在于，它沒有中央服務(wù)器，所有結(jié)點(diǎn)通過與相鄰節(jié)點(diǎn)間的通信，接入整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)采用一種查詢包的機(jī)制來(lái)搜索需要的資源。具體的方式為，某節(jié)點(diǎn)將包含查詢內(nèi)容的查詢包發(fā)送到與之相鄰的節(jié)點(diǎn)，該查詢包以擴(kuò)散的方式在網(wǎng)絡(luò)中蔓延，由于這樣的方式如果不加節(jié)制，會(huì)造成消息泛濫，因此一般會(huì)設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)纳鏁r(shí)間（TTL），在查詢的過程中遞減，當(dāng)TTL值為0時(shí)，將不再繼續(xù)發(fā)送。
這種無(wú)結(jié)構(gòu)的方式，組織方式比較松散，節(jié)點(diǎn)的加入與離開比較自由，當(dāng)查詢熱門內(nèi)容時(shí)，很容易就能找到，但如果需求的內(nèi)容比較冷門，較小的TTL不容易找到，而較大的TTL值又容易引起較大的查詢流量，尤其當(dāng)網(wǎng)絡(luò)范圍擴(kuò)展到一定規(guī)模時(shí)，即使限制的TTL值較小，仍然會(huì)引起流量的劇增。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在一些擁有豐富資源的所謂的類服務(wù)器節(jié)點(diǎn)時(shí)，可顯著提高查詢的效率。
（3）結(jié)構(gòu)化分布式網(wǎng)絡(luò)
結(jié)構(gòu)化分布式網(wǎng)絡(luò)，是近幾年基于分布式哈希表（Distributed Hash Table）技術(shù)的研究成果。它的基本思想是將網(wǎng)絡(luò)中所有的資源整理成一張巨大的表，表內(nèi)包含資源的關(guān)鍵字和所存放結(jié)點(diǎn)的地址，然后將這張表分割后分別存儲(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)中的每一結(jié)點(diǎn)中去。當(dāng)用戶在網(wǎng)絡(luò)中搜索相應(yīng)的資源時(shí)，它將能發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)與關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)的哈希表內(nèi)容所存放的結(jié)點(diǎn)，在該結(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)了包含所需資源的結(jié)點(diǎn)地址，然后發(fā)起搜索的結(jié)點(diǎn)根據(jù)這些地址信息，與對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)連接并傳輸資源。這是一種技術(shù)上比較先進(jìn)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，它具有高度結(jié)構(gòu)化，高可擴(kuò)展性，結(jié)點(diǎn)的加入與離開比較自由。這種方式適合比較大型的網(wǎng)絡(luò)。
二、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在IPTV中的應(yīng)用
1.IPTV的現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)IPTV與P2P一直是沿著兩個(gè)不同的方向發(fā)展。由于IPTV與傳統(tǒng)電視收看方式相似，基本上被看作是有線電視（CATV）或數(shù)字電視（DVB）的升級(jí)，因而在設(shè)計(jì)思路上沿用了與之類似的中央服務(wù)器的模式。在傳統(tǒng)的方式中，網(wǎng)絡(luò)基本上是廣播式的單向信道，即客戶端沒有能力或只有很少能力發(fā)送上行信息，在這種方式下，所有的服務(wù)內(nèi)容由中央服務(wù)器發(fā)送，所有的處理工作完全由中央服務(wù)器完成，無(wú)法實(shí)現(xiàn)P2P的連接。
為了在C/S模式下解決IPTV中的服務(wù)器瓶頸問題，目前的方案大多擬采用組播技術(shù)，以及配合中央服務(wù)器一邊緣服務(wù)器的內(nèi)容分發(fā)策略（CDS）來(lái)實(shí)現(xiàn)。
組播技術(shù)也是近年來(lái)十分熱門的，優(yōu)于廣播方式的網(wǎng)絡(luò)中一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸服務(wù)技術(shù)。在傳統(tǒng)的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信中，服務(wù)器對(duì)每一個(gè)請(qǐng)求連接的客戶端都要建立獨(dú)立的連接，一般的服務(wù)器最大能提供的連接數(shù)量是相當(dāng)有限的，因此這種方式并不適合媒體服務(wù)。廣播方式下，可以不用為每個(gè)用戶建立相應(yīng)的連接，只將有需求的內(nèi)容向每個(gè)子網(wǎng)以廣播方式發(fā)送一份拷貝，這樣可以保證所有用戶都能接收到這份數(shù)據(jù)。但這種方式的弊端是顯而易見的，大量的沒有請(qǐng)求這項(xiàng)內(nèi)容的用戶也都收到了這份數(shù)據(jù)，這將造成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的泛洪，引起阻塞。由此，產(chǎn)生了組播技術(shù)。在組播方式下，增加了一個(gè)組播組的概念，當(dāng)用戶請(qǐng)求服務(wù)時(shí)將加入這個(gè)組，服務(wù)器只向有需要的子網(wǎng)的組播地址發(fā)送一份數(shù)據(jù)拷貝，當(dāng)這份數(shù)據(jù)到達(dá)子網(wǎng)路由器時(shí)，路由器將根據(jù)當(dāng)前組成員狀況進(jìn)行發(fā)送，這樣只有當(dāng)前的組成員能夠接收到這份數(shù)據(jù)，從而保證了帶寬不被浪費(fèi)。
2.對(duì)等網(wǎng)絡(luò)在IPTV中的應(yīng)用
組播對(duì)于減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)是有相當(dāng)作用的，但是組播對(duì)硬件要求較高，需要數(shù)據(jù)源和接收者的下層網(wǎng)絡(luò)都能支持組播協(xié)議。而且組播方式，依然沒有利用到客戶端的上行通道，即用戶接收到的數(shù)據(jù)仍然不能轉(zhuǎn)發(fā)給其他有相同需要的用戶。
傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方式與對(duì)等網(wǎng)絡(luò)方式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1。采用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的IPTV系統(tǒng)，對(duì)底層硬件基本沒有要求，只需在應(yīng)用層上修改即可。由于IPTV具有實(shí)時(shí)媒體的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并不需要保存資源信息的相關(guān)內(nèi)容，每節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻只能提供一種資源的服務(wù)，因此對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中基于搜索的機(jī)制完全可以不予考慮。另外，由于IPTV系統(tǒng)必須具備良好的用戶認(rèn)證收費(fèi)管理子系統(tǒng)，以及提供相關(guān)增值服務(wù)的功能，因此不能允許用戶隨便加入網(wǎng)絡(luò)，需要有健全的用戶管理機(jī)制。針對(duì)IPTV這種特性，在IPTV中應(yīng)用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用集中式的結(jié)構(gòu)比較合適。
圖1 IPTV中傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)對(duì)比
在基于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的IPTV系統(tǒng)中采用集中式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中應(yīng)存在少量的中央服務(wù)器，這些服務(wù)器除了保存節(jié)目?jī)?nèi)容資源外，還要保存當(dāng)前的節(jié)目單信息和正在收看節(jié)目的客戶端信息。當(dāng)用戶請(qǐng)求收看某一節(jié)目時(shí)，服務(wù)器將返回正在收看該節(jié)目的用戶，這里服務(wù)器可以根據(jù)請(qǐng)求來(lái)源的路由信息，在所有收看該節(jié)目的用戶中挑選與請(qǐng)求用戶最接近的，也就是連通性最好的用戶信息進(jìn)行返回。用戶收到服務(wù)器返回的地址信息后，即開始與正在收看的用戶進(jìn)行連接，獲取節(jié)目?jī)?nèi)容。
在這種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中，內(nèi)容服務(wù)器只需進(jìn)行少量的內(nèi)容分發(fā)，甚至對(duì)某些熱門節(jié)目只進(jìn)行一路分發(fā)，即可滿足大量的用戶收看需求。與傳統(tǒng)的節(jié)目分發(fā)方式相比，既不需要復(fù)雜的調(diào)度算法，也不用承擔(dān)上千甚至上萬(wàn)的媒體傳輸連接，壓力可以說極大降低，而用戶的服務(wù)質(zhì)量并不會(huì)因此降低。相反，對(duì)某些熱門節(jié)目會(huì)因?yàn)槭湛慈藬?shù)眾多，數(shù)據(jù)來(lái)源穩(wěn)定，而享受更好的服務(wù)質(zhì)量。
在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)某一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障，可能會(huì)影響一部分用戶的收看，用戶需要到更遠(yuǎn)的服務(wù)器上去接收節(jié)目?jī)?nèi)容，這樣網(wǎng)絡(luò)速度會(huì)變慢，這又同時(shí)加重了這臺(tái)服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，即增加了該服務(wù)器出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，有可能造成連鎖故障效應(yīng)。如果為了避免這種情況，把用戶限制在某一區(qū)域內(nèi)，則這部分用戶在故障時(shí)無(wú)法接受服務(wù)。然而，采用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)方式時(shí)，由于把服務(wù)器的絕大部分負(fù)擔(dān)分散并轉(zhuǎn)移到了所有的用戶端，服務(wù)器出現(xiàn)故障的概率大幅下降，而且即使某臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障，只要網(wǎng)絡(luò)中仍有其他分發(fā)該服務(wù)器上內(nèi)容的其他服務(wù)器，即只要網(wǎng)絡(luò)中仍存在該內(nèi)容的源，用戶就能收看到該節(jié)目，并不受出故障服務(wù)器的影響。因?yàn)樵趯?duì)等網(wǎng)絡(luò)中，所有的節(jié)點(diǎn)既是終端用戶，又是服務(wù)器，某一節(jié)目的服務(wù)是由許多同時(shí)收看該節(jié)目的用戶共同提供的。這使系統(tǒng)具有了一種軟容量的特性，即與傳統(tǒng)電視網(wǎng)絡(luò)所能服務(wù)的最大用戶數(shù)固定不同，基于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的IPTV系統(tǒng)，其最大容量并不固定，而且用戶數(shù)越多，其服務(wù)質(zhì)量越好，用戶數(shù)量增加并不需要增加服務(wù)器端的投入。
三、存在的不足及解決方法的提出
基于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的IPTV系統(tǒng)，雖然具有諸多優(yōu)越性，但仍有一些不足之處。其中最大的問題是網(wǎng)絡(luò)的安全性存在隱患。由于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)目來(lái)源不局限于服務(wù)器了，用戶受到服務(wù)器的制約比傳統(tǒng)方式下少了很多，這樣非法的用戶可以繞開向服務(wù)器申請(qǐng)資源這一步，直接向用戶端進(jìn)行連接。由于用戶端必須保存一份當(dāng)前收看節(jié)目的用戶列表，以保持與這些用戶的連接，并根據(jù)緩沖狀況及時(shí)增加新的連接。而非法用戶接入某一合法用戶后，也可獲得這張列表，即可發(fā)起連接，從而實(shí)現(xiàn)不與服務(wù)器通信就能收看到節(jié)目。
前面說過，IPTV系統(tǒng)必須有良好的計(jì)費(fèi)管理機(jī)制，并具有一定的擴(kuò)展性以提供更多增值服務(wù)。針對(duì)上面的問題，固然可以加密保存用戶端的當(dāng)前用戶列表，并禁止用戶之間交換該列表信息，即只允許從服務(wù)器端獲取用戶列表，但這樣也只是治標(biāo)的辦法。為了提供更高的安全性，可采用數(shù)字版權(quán)管理（DRM）技術(shù)從根本上對(duì)內(nèi)容進(jìn)行加密，這樣即使非法用戶獲取了內(nèi)容，沒有得到授權(quán)，仍然無(wú)法觀看到節(jié)目。
在IPTV中的數(shù)字版權(quán)管理可以如下方式工作：在每臺(tái)用戶接收終端建立一個(gè)與硬件相關(guān)并可對(duì)用戶身份進(jìn)行惟一鑒別的ID號(hào)，簡(jiǎn)單方式下采用網(wǎng)卡的MAC地址即可，也可以采用其他數(shù)字加密的智能卡等設(shè)備用以提高系統(tǒng)的安全性。在內(nèi)容分發(fā)之前，使用密鑰對(duì)媒體進(jìn)行加密，這樣要想收看該內(nèi)容，必須使用相同的密鑰進(jìn)行解密，然后將該密鑰與節(jié)目?jī)?nèi)容分開存儲(chǔ)。在系統(tǒng)中建立單獨(dú)的用戶驗(yàn)證服務(wù)器，實(shí)際操作中可與資源請(qǐng)求服務(wù)合并，但最好與內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器分離。當(dāng)用戶進(jìn)行資源請(qǐng)求時(shí)，連接到用戶驗(yàn)證服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)用戶的惟一ID鑒別其合法性，并根據(jù)該ID對(duì)請(qǐng)求的媒體密鑰進(jìn)行加密，生成一份許可證，將該許可證頒發(fā)給用戶，并同時(shí)返回相應(yīng)資源的用戶列表。用戶接收到媒體后，可使用許可證配合硬件ID解密出原始密鑰，再用該密鑰解密出節(jié)目?jī)?nèi)容，進(jìn)行觀看。由于許可證是以該用戶的ID進(jìn)行加密的，因此即使被別的用戶非法獲取到，沒有相應(yīng)的硬件支持也不能解密出原始密鑰，從而不能觀看節(jié)目。每一節(jié)目的許可證可以存儲(chǔ)在用戶端，也可以使用后刪除，待重新請(qǐng)求時(shí)頒發(fā)新的許可證。
數(shù)字版權(quán)管理十分靈活，不僅可針對(duì)媒體節(jié)目，各種增值服務(wù)也可使用DRM方式管理用戶權(quán)限，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而高效的計(jì)費(fèi)方案，滿足不同用戶需求。對(duì)于數(shù)字加密可根據(jù)需要采用不同算法，由于加密過程與硬件相關(guān)，因此安全性十分高，可在一定程度上彌補(bǔ)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)在安全性能上的不足，并能提供更多功能。
四、結(jié)束語(yǔ)
IPTV和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)都是目前相當(dāng)熱門的技術(shù)，但以往少有人提及將兩者結(jié)合，利用各自優(yōu)勢(shì)，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。本文為IPTV的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了一種新的思路，并探討了可行性，針對(duì)其中可能存在的問題，也提出了相應(yīng)的解決辦法。綜上所述，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)作為新興的并且蓬勃發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其優(yōu)越性是顯而易見的，并且預(yù)示了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，在IPTV中應(yīng)用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅能夠降低組網(wǎng)成本，同時(shí)作為對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的一種探索，也是具有重要意義的。
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