P2P网络技术在网络电视(IPTV)中的应用研究

摘要：P2P打破了传统C/S模式服务器对网络资源的集中化管理和提供，基于此提出了一种基于超级节点的P2P-IPTV体系结构，该结构使IPTV的实现更加灵活高效，但由于其开放性的特点，给网络的安全性和可管理性带来了一定问题，该文就此进行了分析。

关键词：P2P；IPTV；超级节点

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)34-1969-02

Probing into the Application of P2P Technology to IPTV

YANG Jie1, CHEN Xue-zhao2

(1.Hunan Institute of Science and Technology, Yongzhou 425100, China; 2.Yongzhou Vocational and Technical College, Yongzhou 425100, China)

Abstract: The mode of centralized management and supply resources in the traditional C/S model of network server has been broken by the P2P technology. A super-node model based on the P2P-IPTV architecture makes the IPTV more flexible and efficient, but a certain issue on the network security and manageability has been brought because of its open-characteristics. The related issue is analyzed in the paper.

Key words: P2P; IPTV; super-node

1 引言

IPTV（网络电视）是目前全球电信运营商都高度重视的宽带视频业务，其特点是利用宽带IP网络，以电视机加机顶盒或计算机作为终端设备，向用户提供包括视频节目、通信、游戏等在内的多种交互式多媒体服务，并提供点播、直播、时移等灵活的收视方式。除了将电视机作为传统的电视终端使用外，还可利用电视机作为多媒体通信终端来开展丰富的多媒体增值业务，如网页浏览、网络游戏、远程教育、视频会议、视频监控、电子商务、三重播放业务等，开辟新的业务增长点。IPTV业务是通信、IT、广电及娱乐业务的综合，是传统电信运营商实现向综合信息服务商和宽带服务商转型的重要手段。

目前的IPTV系统大多采用传统的服务器/客户端（C/S）模式来提供服务。在该模式下，同一时刻服务器所能支持的客户端访问数量受到自身处理能力和服务器所在网络吞吐能力的限制，随着节点的不断增加，服务器的负载就越来越重，很容易形成系统的瓶颈。P2P技术为IPTV系统提供了一个新的选择，在网络性能方面，P2P的优点在于它是基于互联网的对等架构，可以大大改善资源的流量分布，解决网络拥塞和带宽的瓶颈问题，减缓存储服务器的响应压力。在通信方式上，基于P2P的系统由于peer之间的协作，具有高度的容错性和非常好的可扩展性，可以快速对数据进行和资源的聚合，数据传输的即时性和成本都具有C/S所无法比拟的优越性。

2 P2P技术简介

P2P （Peer-to-Peer）技术又称为对等计算，是建立在网络应用层上的一种特殊的分布式系统，每一个对等节点都可以通过各自的路由相互通信。传统的互联网主要的应用方式是C/S模式，在这种网络模式下整个网络是由独立的客户端和服务器组成的，两者在功能上有着明确分工。服务器为每一个用户提供独立的资源和服务，当用户数量增加到一定程度时，服务器端得贷款资源就会枯竭，从而无法响应用户的需求，形成系统瓶颈。而在P2P模式中，系统降低了对服务器的依赖性，一些P2P系统甚至不需要服务器，用户可以不经过服务器和其他用户进行连接。在P2P系统中，每一个节点都是平等的参与者，既是系统服务的使用者，又为系统中的其它节点提供服务。系统中的每一个节点既可以作为客户端向其它节点请求服务，同时也可以作为服务器端为其它节点提供服务，从而有效的利用分布在终端计算机上的边缘性网络资源，以降低对中央服务器资源的消耗需求。

P2P计算并不是是一种全新的技术或思想，互联网的雏形Arpanet最初就是将计算机对等相连共享资源，互联网最基本的协议TCP/IP协议也是对等的。IBM为P2P下了如下定义：系统依存于边缘化（非中央式服务器）设备的主动协作，每个成员直接从其他成员而不是从服务器的参与中受益；系统中成员同时扮演服务器与客户端的角色；系统应用的用户能够意识到彼此的存在，构成一个虚拟或实际的群体。C/S模式和P2P模式的对比如图1所示。

P2P技术的特点体现在以下几个方面：

1) 无中心点：网络中的资源和服务分散在所有结点上，每一个对等点具有相同的地位，既可以请求服务也可以提供服务，同时扮演着C/S模式中的服务器和客户端两个角色，无须集中的服务器群组，避免了可能的瓶颈。

2) 健壮性和可扩展性强：在传统的C/S模式中，系统能够容纳的用户数量和提供服务的能力主要受服务器的资源限制，一旦服务器发生异常就会影响到所有用户的使用。而在P2P网络中，系统的资源和服务较均匀的分布在网络的各个节点上，因此部分结点或网络遭到破坏对其它部分的影响很小，整个系统仍能正常运行。在扩展性方面，随着用户的加入，虽然系统服务的增加，但是P2P系统整体的资源和服务能力也在同步地扩充，始终能较容易地满足用户的需要。整个体系是全分布的，不存在中心点和瓶颈。从理论上说，P2P系统的可扩展性几乎可以认为是无限的。

3) 高性能/价格比：优良的处理性能是P2P技术被广泛应用的重要原因。随着信息技术发展，个人计算机处理能力、存储能力以及接入带宽等都有了大幅提升。P2P技术能够有效地利用分散在互联网中的大量普通结点，从而以更低成本实现了计算资源、存储资源共享。

4) 负载均衡：P2P网络环境下由于每个节点既是服务器又是客户机，减少了对传统C/S结构服务器计算能力、存储能力的要求，同时因为资源分布在多个节点，更好的实现了整个网络的负载均衡。

3 P2P技术在IPTV中的应用

3.1 IPTV的工作原理

IPTV利用IP宽带网络，以“电视机+机顶盒”为主要终端设备，为用户提供包括电视节目在内的互动多媒体服务的宽带增值业务。其工作原理与基于互联网的电话服务VoIP相似，它把呼叫分为数据包，通过互联网发送，然后在另一端进行复原。其过程与多数数据传输过程大致相同。首先是编码，即对原始的电视信号数据进行编码，转化成适合Internet传输的数据形式；然后通过互联网传送，最后解码通过电脑或是电视播放。但因为所传输的数据是视频和同步的声音，如果效果达到普通的电视效果每秒24帧甚至是DVD效果，显然所要求的传输速度是非常高的。

IPTV能提供点播、广播/自播、视频通信、短信/彩信、信息服务、游戏等业务。IPTV技术是一项系统技术，主要包括音视频编解码技术、流媒体传送技术、宽带接入网络技术、IP机顶盒技术等。IPTV的特点主要包括：

1) 采用高效的视频压缩技术，用户可以得到高质量（DVD水平）的数字媒体服务；

2) 用户可有极其广泛的自山度，随意选择宽带IP网上各网站提供的视频节目；

3) 实现媒体提供者和媒体消费者的实质性互动。IPTV能根据用户的选择配置多种多媒体服务功能，包括数字电视节目、可视IP电话、DVD/ VCD播放、互联网浏览、电子邮件，以及多种在线信息咨询、游戏、娱乐、教育及商务功能等。

从层次结构上分析，一个典型的IPTV系统主要包含支撑层、业务层、网络承载层和终端层等部分，如图2所示。支撑层主要完成IPTV用户的管理认证授权以及系统设备的管理。业务层主要是为IPTV提供多种多样的多媒体交互业务，如视频点播业务，体育自播业务等；网络承载层主要是IPTV的物理介质，要求带宽比较大，最好支持组播，并具有一定的安全保护措施，具体又可分为接入网、汇聚网和核心网三个部分。终端层则表示IPTV的最终用户，他们通过网络承载层进行不同方式的网络接入服务，并在PC或者配介机顶盒的TVSet上观看电视节目。

3.2 P2P-IPTV体系结构

在传统的基于C/S模式的IPTV系统中，服务器端的带宽往往成为限制系统服务能力的“瓶颈”，通过CDN服务方式和组播方式虽然可适当提高系统的服务能力，但成本较高，也不是一种很好的解决方案。

而在P2P网络中，各节点主机既是服务器又是客户机，相互共享资源，是一种对等的关系，基于P2P模式的IPTV系统利用P2P网络的优点，整个系统的服务能力随着用户数量的增加而增加。

图3所示是一个基于P2P模式的IPTV体系结构，其中的SuperPeer（超级节点）是在1个用户组内负责维护组内成员信息及各成员所拥有资源信息的用户，它作为信息搜索中心，收集和反馈某一区域内多个对等点的信息，同时还负责响应和转发用户的查询请求，1个组内只有1个超级节点，超级节点一般由性能较高的计算机担任，具有较高的稳定性。Peer（普通节点）相对性能较弱，它既向其他用户索取媒体文件片段，也向其他用户提供自己拥有的媒体文件片段。每个SuperPeer记录本域中所有Peer的索引信息，每个SuperPeer既服务于本域中的Peer的资源请求，同时也服务于来自其他SuperPeer的资源请求。

图3中，节点A发送一个请求给本域内的超级节