基于IPTV的承载网络技术
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河南电视台都市频道技术部 王轶
2005年中南地区电视技术年会优秀论文三等奖 摘要 ：
承载网络技术是目前IPTV发展的一个瓶颈，保证海量数据高质量、小延时的传输是承载网络要解决的重要问题。CDN和IP组播技术为这一问题的解决提供了有效可行的方案，为IPTV的迅速发展提供了保证。
关键词: IPTV CDN IP组播
随着Internet宽带技术的发展，在电视领域也产生了一项新的技术：IPTV，即IPTV电视，也称作互动电视，它是一种利用宽带有线电视网的设施，以电视机或者电脑作为主要终端，集互联网、多媒体通信等多种技术于一体，向用户提供电视节目和其它数字多媒体内容的技术。IPTV不仅能接收电视广播信号，更重要的是提供个性化服务，能给用户以更高的视觉享受。
IPTV将采集的音视频节目进行压缩编码，以IP包的形式在不同的物理网络中以IP单播或组播的方式从视频服务器播送出去。信源编码和承载网络是其核心关键技术。在编码技术像MPEG-4、H.264已经发展成熟的今天，承载网络现在成为制约IPTV发展的一个重要因素。IPTV承载的主要节目内容包括视频点播(VOD)及电视频道(TV)节目。为了保证IPTV的收看质量与目前的有线电视网收看质量相当，IPTV承载网要求能在带宽、频道切换时延、网络QoS等方面提供保证，这些都给IPTV的承载网络提出了更高的要求。它也是目前各大运营商的研究的一个重要课题，其中CDN（Content Delivery Network）和IP组播技术是IPTV的承载网络的两个核心内容，下面就这个两个方面进行探讨。
现有的有线电视网络基本上是采用的混合网络，主干用的是光纤网络，而用户的接入方式基本上是电缆。在这个网络上开展IPTV业务，要面对两个主要问题。一个是服务器，要支持上万甚至更多的用户，这样一个服务器是远远不够的，这需要多台服务器一起来提供服务。另一个就是网络带宽，若支持上万甚至更多的用户同时在看，要求的网络带宽是非常的大。传统的内容模式是基于中心应用服务器的，网络只是一个数据传输通道，不能根据不同的内容区分服务质量，缺乏个性化服务，这对于iptv来说是不能接受的，另外，IP网络的传输特性也决定了这种模式会浪费带宽，加大中心服务器的负载，容易在节目高峰期引起中心服务器过载而使网络瘫痪。所以要有一种新型的内容网络来承载IPTV业务，这就是CDN。
CDN全称是Content Delivery Network，即内容传递网络，它是构建在IP网络上的一种分布式的内容分发网，主要是采用中心—边缘的服务器分布方式，它的基本原理就是广泛采用各种Cache服务器，将这些Cache服务器分布到用户访问相对集中的地区或网络中，我们称之为边缘服务器，所有的节目都在中心服务器存储，而通过骨干网把内容分发到边缘服务器，而边缘网站基本上离用户比较近，在小区、光纤点底下，实际上用户的服务，直接由边缘路由器提供，以缓解骨干网的带宽压力。在用户访问网站时，利用全局负载均衡技术将用户的访问指向到离用户距离最近的工作正常的边缘服务器上，由边缘服务器直接响应用户的请求。如果该边缘服务器中没有用户要访问的内容，它会根据配置自动到中心服务器去抓取相应的内容并提供给用户。
CDN通常由内容管理平台、内容路由系统和Cache节点网络三个部分构成。其中，内容管理平台主要负责整个CDN系统的管理，特别是内容管理，如内容的注入和、内容的分发、内容的审核、内容的服务等。内容路由系统负责将用户的请求调度到适当的服务器上，内容路由通常通过负载均衡系统来实现，它是CDN的核心所在。Cache节点网络是CDN的业务提供点，是面向最终用户的内容提供设备。
目前的CDN有两种技术体制，一个是基于filecopy，另一个是基于媒体交换。基于filecopy的机制是将一部电影或一集电视剧作为一个文件，以整个文件为单位进行内容分发、调度和服务。但在这种机制下，由于各个媒体服务器上存储不同的节目，如果某个服务器上的节目比较受欢迎，那么用户都会选择这个节目，这个服务器很快就会达到负载极限，而其他服务器的负载却很小，这样就造成不同服务器间的负载均衡效果不佳，不仅浪费了系统资源，而且容易使单点网络或者服务器繁忙拥塞以至于网络瘫痪。如果将该节目也分别拷贝到其他几个服务器上以分担个别服务器的负载，但这样做的结果无疑会浪费存储资源，也加重了中心服务器的负载。另一方面，节目切换时间和电视时延和普通电视相比也比较长，让用户难以接受。显然这种机制难以适应IPTV业务的需要。基于媒体交换的基本原理是将体积巨大的视频文件切分成一个个固定大小的视频切片，然后以切片为基础进行存储、分发和服务。媒体交换技术是从原有的filecopy技术发展而来，所以原有的CDN的功能和特点同样拥有。采用视频切片技术，将各个切片放在不同的服务器上，有多个服务器共同分担负载，这样在某个节目收视率高的情况下也能更好的达到各个服务器的负载均衡效果，避免出现单点网络或者服务器的负载过大而造成网络瘫痪。
CDN是一种基于质量和秩序的网络服务模式，采用CDN技术的内容分发方式具有一定的可管理性，可以提高业务的服务质量，减轻骨干网络的传输压力，能解决带宽小、用户多、网点分布不均匀所带来的问题，但也存在着一些诸如扩展性和技术上的一些问题，作为大规模IPTV业务的承载网络，单依靠CDN技术是不够的，还必须依赖于一种高效的传输技术——IP组播技术。
IP组播是利用一种协议将IP数据包从一个源地址传送到多个目的地址，将信息的拷贝发送到一组地址，到达所有想要接收它的接收者处。不同用户如果接收同一个数据流，服务器只需发送一份数据，网络只需在用户的分支点进行复制，在分支点以上的网络只需传送一个数据流，这样就节省网络的带宽及服务器资源。因为TV类节目所有用户收看的都是同一个内容，所以IPTV的TV类节目用IP组播技术来传输是再也合适不过了。
IP组播这个概念提出的很早，Deering在1988年就提出了将组播的功能机制增加到数据网IP层的组播实现体系结构，这种体系结构称为 IP组播，1992年3月第一次建立组播主干网MBone。在IP组播通信模式里，路由器扮演着重要的角色，当然它的状态也是相当的复杂，它必须提供每个群组和每个源的信息状态，随着Internet的越来越复杂，这都给组播的进一步发展带来了很大的困难。这也是多年来IP组播缓慢发展的一个重要原因。后来一些设计精巧的组播路由协议（如PIM-DM、PIM-SM等）的出现，再加上多媒体在网络上越来越广泛的应用，IP组播的技术和应用开始快速发展。
IETF RFC1112给出了标准IP组播业务的模型，它定义了主机和路由器IP层应有的功能机制和上层所看到的组播业务的形式。主机组(host group)是IP组播概念的核心，多个主机组成主机组，用一个IP组播地址标识，在IPv4中IP组播地址是一个D类IP地址，范围从224.0.0.0到239.255.255.255，并被划分为局部链接组播地址、预留组播地址和管理权限组播地址三类，在组播网中，每个主机组拥有惟一的组播地址。以组地址为目的地址的组播数据以IP数据报的best-effort方式转发到主机组的各个主机。组播路由器承担组播数据的寻路和转发控制功能，这些路由器及链路在网络中形成了一个控制组播
数据传送的逻辑结构，称为组播转发结构(delivery structure)，这种结构一般是树形的结构，称为转发树，在转发树上的组播路由器接收、复制、转发组播数据。 在IP组播通信里有两个基本问题：一个是组播成员如何加入和退出组播，另一个是如何将组播信息路由到每个接收者那里去。对应这两个问题产生了两个基本的协议：组管理协议和组播路由协议。
互联网组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)用于主机与边缘组播路由器之间。组播路由器和实现组播的主机使用IGMP来进行群组成员关系信息的通信。主机使用IGMP消息通知本地的边缘组播路由器它想加入或者退出的组，即通知相应组的组播地址。组播路由器通过IGMP 协议来维护一个组播成员列表，并且定期发送消息来查询成员列表中的各个成员是否仍然存在。
组播路由器知道了所在域是否存在组播成员后，就可以通过组播路由协议来决定是否加入到相应组通信中，即是否进入组播的转发树中。此时需要组播路由协议。它运行于组播路由器之间，负责构建转发树和路由组播包。组播路由协议是IP组播协议体系中最核心的功能。
IP组播路由协议的发展分成域内和域间两个阶段。最初的IP组播路由协议将网络看成没有层次结构的平面网络，组播路由算法采用广播方式交互协议消息，因而只能应用在IP网络的路由自治域内，称为域内路由协议，它包括PIM-SM、PIM-DM、DVMRP、CBT等。根据网络中主机的分布，域内路由协议可以分为两类。第一类称为密集型模式，这种模式下的组播成员在网络中密集分布，有足够的带宽，所以密集协议通过扩散技术传播信息至整个网络，它包括DVMRP、MOSPF和PIM-DM；第二类称为松散型模式，这种模式下的组播成员在网络中分散分布，没有足够的带宽，松散型模式并不意味群组有很少的成员，只不过它们是分散分布而已，它包括CBT和PIM-SM。域间路由协议的出现是为了解决在大型的、分层的IP网络中组播路由问题，大型IP网络采用自治域结构形式组织网络，域间路由协议解决了分层结构网络的组播路由问题，它包括MBGP、MSDP、BGMP等。
虽然IP组播在网络传输上有着良好的性能，但也面临着一些问题。在组播网中，大量的工作是由路由器来完成的，路由器要动态的维护每个活动组的路由信息，网络内大量的活动都会给路由器带来巨大的负担。另外，IP组播在开放的Interne环境中很难实现有效的管理和控制机制。虽然如此，在网络上开展大型的多媒体业务，如IPTV等，组播这种节约带宽、传输快捷的传输技术还是首推的方式。基于IP组播当前面临的问题，研究者提出了将复杂的组播功能放在端系统实现的新思想。这种思想是将组播作为一种叠加的业务，实现为应用层的服务，我们称之为应用层组播(application layer multicast)。
应用层组播的基本思想是屏蔽底层物理网络的拓扑细节，将组成员节点直接自组织成一个逻辑覆盖网络，并在应用层提供组播路由协议来构建和维护该网络，为数据传输提供高效、可靠服务。这个网络是叠加在IP网络之上的，称之为叠加网，主机基于自组织算法建立和维护叠加网。它的节点是组播成员主机，主机上面装有应用层组播软件，两个主机实际的链路是底层的单播IP 路径，IP组播的数据沿着物理链路复制和转发，而应用层组播的数据则在主机实现复制和转发，数据报沿着逻辑链路转发，多条逻辑链路可能经过同一条物理链路。
自组织算法是端系统组网的核心功能和机制，自组织算法的主要功能包括：周期性地交换节点状态信息，通报组成员状态；周期性地收集网络逻辑连接的带宽、时延等动态参数；动态地调整叠加网拓扑。
目前实现应用层组播的系统结构主要有三种：对等型、型和服务器型。在对等型结构里，每个组成员节点都是平等的，动态变化且完全分布。节点之间通过一定的算法、协议自组织成控制网络和数据转发树。每个节点仅维护自身参与组的状态信息，所有组播相关功能以软件实体形态集成于参与组播会话的节点中，每个节点完成相同的工作。型是一种基于固定节点配置的覆盖式组播技术，一般由增值服务提供商根据一定策略在Internet 的某些位置部署应用层节点。节点之间的数据传输路径和传输方式也由增值服务商预先确定。终端主机通过接入距自身最近的节点获取数据。从某种程度上来看，节点类似于组播路由器。服务器型介于对等型和型之间。转发树的主干由一些负载较大的服务器构成，不同于类型，这些服务器不一定来源于ISP，可能是作为普通用户加入的、性能较高的网络终端主机。在服务器型和型应用层组播中存在一些节点，其性能相对较高，所以基于这些节点构建的转发树也比较稳定，可支持规模相对较大的应用层组播服务。
在应用层组播里，组播状态不是由路由器维护，而是由主机中维护，网络可以支持大量的组播组，便于业务的扩展，更重要的是简化了组播的控制，建立在网络连接之上的应用层组播可以利用TCP的可靠和拥塞控制来简化组播的可靠和拥塞控制，以达到更高的服务质量。但同时，由于主机代替了路由器的功能，而担当复制转发工作的普通终端主机性能不高，复制转发工作也是在应用层通过软件实现，所以在节点的稳定性、传输效率等方面还存在这一些问题。即使如此，应用层组播还是为我们提供了一个解决组播问题的途径。
IPTV作为一种新兴的网络业务，在给各运营商带来无限商机的同时，也带来了新的挑战，目前国内的网络带宽是无法满足其需要的，所以承载网络技术将是一个推动IPTV发展的一个关键因素，CDN和组播技术的结合可以在目前的网络带宽下满足IPTV业务的需要。CDN和组播技术还在不断的研究发展之中，它们的成熟必将推动IPTV的快速发展。