??? 摘 要： 針對P2P技術在IPTV中應用的研究熱點，提出了一種基于超級節點" title="超級節點">超級節點的P2P-IPTV體系結構，該結構充分利用了P2P技術在交互式應用方面的" title="面的">面的優勢，使構建更加靈活有效的IPTV業務網絡成為可能。
??? 關鍵詞： P2P? IPTV? P2P-IPTV? 體系結構
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??? 根據ITU-T的最新定義，IPTV就是在IP網絡上傳送包含電視、視頻、文本、圖形和數據等，并提供服務質量/服務感受(QoS/QoE)保證、安全性、交互性和可靠性的可管理的多" title="的多">的多媒體業務。由此可以看出，IPTV明顯有別于互聯網流媒體應用業務。IPTV的典型應用目前主要包括直播電視、時移電視和視頻點播等視頻類應用及上網瀏覽等信息類應用。但現在的IPTV技術還存在服務效率低、重定向機制復雜、網絡需要更高帶寬、資源調度不靈活等問題，如果不能有效解決大規模用戶對交互式多媒體應用的需求問題，IPTV將不得不受限于此瓶頸。P2P技術對交互式媒體應用的支持能夠擴展到大規模用戶群，這為互聯網以及一些電信級應用的大規模發展提供了充足的空間。為了更好地滿足IPTV業務發展的需要，有必要研究更為先進的網絡架構。作為P2P技術在IPTV中應用的研究問題之一，本文提出了一種基于超級節點的P2P-IPTV體系結構，該結構充分利用了P2P技術在交互式應用方面的優勢，使構建更加靈活有效的IPTV業務網絡成為可能。
1 P2P技術簡介
??? P2P技術，也稱為對等計算（Peer to Peer）技術，是一種網絡結構的思想。在P2P結構中，每一個節點（peer）大都同時具有信息消費者、信息提供者和信息通信等三方面的功能。在P2P網絡中每一個節點所擁有的權利和義務都是對等的。P2P是一種分布式網絡，網絡的參與者共享他們所擁有的一部分硬件資源（處理能力、存儲能力、網絡連接能力、打印機等），這些共享資源需要由網絡提供服務和內容，能被其他對等節點(Peer)直接訪問而無需經過中間實體。在此網絡中參與者既是資源（服務和內容）提供者（Server），又是資源（服務和內容）獲取者（Client）。P2P打破了傳統的Client/Server (C/S)模式，網絡中的每個節點的地位都是對等的。每個節點既充當服務器，為其他節點提供服務，同時也享用其他節點提供的服務。
??? P2P系統一般要構造一個非集中式的拓撲結構，在構造過程中需要解決系統中所包含的大量節點如何命名、組織以及確定節點的加入/離開方式、出錯恢復等問題。根據拓撲結構的關系可以將P2P研究分為4種形式：中心化拓撲（Centralized Topology）；全分布式非結構化拓撲（Decentralized Unstructured Topology）；全分布式結構化拓撲（Decentralized Structured Topology，也稱作DST網絡）和半分布式拓撲（Partially Decentralized Topology）。表1中比較了4種結構的綜合性能。
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??? P2P系統具有非常良好的可擴展性" title="可擴展性">可擴展性，能夠在較低成本情況下完成資源的聚合和共享，也允許peer在彼此數據的管理和資源共享上擁有較大的自治控制。由于其出色的性能，基于部分Serverless和完全Serverless的P2P技術，出現了大量的互聯網相關增值業務，例如分布計算、協同工作、文件共享、即時通信等。
??? 目前大多互聯網上的應用都是基于傳統的C/S模式的，IPTV也是如此。C/S模式使得網絡上的資源向服務器端集中，用戶之間的通信高度依賴于服務器，無法直接交流信息。因此，在網絡性能方面，P2P的優點在于它是基于互聯網的對等架構，可以大大改善資源的流量分布，解決網絡擁塞和帶寬的瓶頸問題，減緩存儲服務器的響應壓力。在通信方式上，基于P2P的系統由于peer之間的協作，具有高度的容錯性和非常好的可擴展性，可以快速實現數據發布和資源的聚合，數據傳輸的即時性和成本都具有C/S所無法比擬的優越性。圖1所示為C/S與P2P模式的比較。
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2 IPTV工作原理與層次結構
??? IPTV利用IP寬帶網絡，以“電視機+機頂盒”為主要終端設備，為用戶提供包括電視節目在內的互動多媒體服務" title="多媒體服務">多媒體服務的寬帶增值業務。其工作原理與基于互聯網的電話服務VoIP相似，它把呼叫分為數據包，通過互聯網發送，然后在另一端進行復原。其過程與多數數據傳輸過程大致相同。首先是編碼，即對原始的電視信號數據進行編碼，轉化成適合Internet傳輸的數據形式；然后通過互聯網傳送，最后解碼通過電腦或是電視播放。但因為所傳輸的數據是視頻和同步的聲音，如果效果達到普通的電視效果每秒24幀甚至是DVD效果，顯然所要求的傳輸速度是非常高的。
??? IPTV能提供點播、廣播/直播、視頻通信、短信/彩信、信息服務、游戲等業務。IPTV技術是一項系統技術，主要包括音視頻編解碼技術、流媒體傳送技術、寬帶接入網絡技術、IP機頂盒技術等。IPTV的特點主要包括：
??? ①采用高效的視頻壓縮技術，用戶可以得到高質量(DVD水平)的數字媒體服務；
??? ②用戶可有極其廣泛的自由度，隨意選擇寬帶IP網上各網站提供的視頻節目；
??? ③實現媒體提供者和媒體消費者的實質性互動。IPTV能根據用戶的選擇配置多種多媒體服務功能，包括數字電視節目、可視IP電話、DVD/VCD播放、互聯網瀏覽、電子郵件，以及多種在線信息咨詢、游戲、娛樂、教育及商務功能等。
??? 從層次結構上分析，一個典型的IPTV系統主要包含支撐層、業務層、網絡承載層和終端層等部分，如圖2所示。支撐層主要完成IPTV用戶的管理認證授權以及系統設備的管理。業務層主要是為IPTV提供多種多樣的多媒體交互業務，如視頻點播業務，體育直播業務等；網絡承載層主要是IPTV的物理介質，要求帶寬比較大，最好支持組播，并具有一定的安全保護措施，具體又可分為接入網、匯聚網和核心網三個部分。終端層則表示IPTV的最終用戶，他們通過網絡承載層進行不同方式的網絡接入服務，并在PC或者配合機頂盒的TVSet上觀看電視節目。
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3 基于超級節點的P2P-IPTV體系結構
??? 目前，IPTV都是基于C/S模式的，運行在支持組播實時業務和點播存儲媒體業務應用的IP網絡中，需要面對十萬、百萬規模的大并發多媒體服務的挑戰，在服務器I/O能力、帶寬、海量存儲、部署成本等方面都將受到前所未有的考驗。當大規模的網絡用戶同時收看節目時，要保證系統的穩定和QoS，ICP必須用大量服務器來平衡網絡訪問負載，并增加網絡出口帶寬。但是，服務器數量和網絡容量的增加永遠會落后于用戶規模的增長。過渡性的解決辦法是采用組播傳輸技術來提供廣播服務或者采用內容傳輸網等覆蓋網技術，但需要對現有的網絡進行升級改造，這將大大增加網絡建設的成本，浪費已有的資源投資。
??? 為了徹底解決問題，必須突破C/S模式體系結構，引入P2P重疊網的理念和技術。圖3所示為一種基于超級節點的P2P-IPTV體系結構圖。該結構綜合了第一代中央控制網絡的體系結構和第二代分散分布體系結構的IPTV的優點，屬于第三代P2P體系結構。在網絡的邊緣節點采用集中式的網絡結構，聚合用戶；在超級節點之間采用分布式的網絡結構，為IPTV的穩定度協同工作。分布式放置的超級節點取代了中央索引檢索服務器，同時，采用分層次的快速搜索算法改進IPTV的多媒體資源和內容的搜索性能，縮短了電視節目的反應速度和頻道切換速度。具有高性能的超級節點彼此間相互協作，即使一個超級節點崩潰，相應的節點仍然與其他網絡節點有連接，并在新的頻道的搜索中使用新的超級節點。超級電視節點也是一種終端，只是其處理能力或帶寬能力較強，被系統選為超級節點。當其退出系統時，由于超級節點的分布式連接，并不影響終端用戶的對等服務搜索過程。其他超級節點可代替提供相關服務，從而保證了P2P-IPTV系統的健壯性和穩定性，也為系統規模的擴展提供了良好的接口。
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??? 與Skype中的超級節點類似，P2P-IPTV的體系結構中的超級節點其實也是一個節點，可作為一個動態的點對點的索引服務器。超級節點還可為處于局域網NAT或者防火墻的IPTV用戶建立與外界用戶節點間的連接并為其媒體流做轉發服務。
??? 基于超級節點的P2P-IPTV體系結構可以使得IPTV業務的廣播和轉播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并使自制的多媒體內容得到基于全球覆蓋的共享和分發，同時還可以節約電信運營商之間的對接流量，減少網絡建設成本。
??? IPTV起源于互聯網流媒體技術，盡管技術基礎和基本功能是一致的，互聯網上運行的IPTV系統與電信級的IPTV系統在功能、性能和可靠性等方面都差異很大。尤其在IP的盡力而為的網絡傳送方式下，如何利用技術手段保證用戶的IPTV業務服務質量，一直都是IPTV技術試圖克服的難題。本文研究的基于超級節點的P2P-IPTV體系結構，充分利用了P2P技術在交互式應用等方面的優勢，使構建更加靈活有效的IPTV業務網絡成為可能。
參考文獻
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