P2P与NGN结合的IPTV控制架构研究_NGN

P2P与NGN结合的IPTV控制架构研究

2009/08/06

　　摘要　对IPTV的当前研究，以及在IPTV架构中引入P2P技术的研究情况进行了简单介绍，针对这一研究热点，确定了对P2P与NGN结合的IPTV控制架构进行研究的思路，并给出了P2P与NGN结合的IPTV控制架构，相关功能实体的功能描述和典型的工作流程，希望能够对相关研究提供一些思路。
　
1. 引言

　　目前，IPTV在全球范围内迅速发展，截止到2008年底IPTV用户总数已达2170万，与2007年底相比增长了63%。相关国际标准组织也在积极制定IPTV技术标准，如ITU-T，ETSI TISPAN，ATIS IIF（ATIS IPTV Interoperability Forum），OIPTVF （Open IPTV Forum）以及MSF（Multi-Service Forum），很多组织都已经推出了IPTV控制架构，从目前来看，可以将IPTV架构分成两大类，一类是非基于NGN的IPTV架构（也称为non-NGN-based IPTV），另一种是基于NGN的IPTV架构（也称为NGN-based IPTV）。

　　P2P技术在互联网上，特别是VoIP，流媒体方面取得了很多成功应用，典型的如Skype，PPLive，PPStream等。与现有电信网相比，利用P2P技术组成的服务网络具有非中心化、可扩展性、健壮性、高性价比、负载均衡等优点，为解决传统电信运营商基于C/S（客户端/服务器）架构的网络所存在的一些固有问题提供了借鉴，如利用P2P分布化特点可以使网络架构趋向扁平；利用P2P自组织性提供电信网的可靠性降低维护费用等。

　　是否可以在IPTV架构中引入P2P也是近年来国内外研究的一个热点，目前中国通信标准化协会CCSA正在组织制定《IPTV媒体交付系统技术要求——体系架构》，拟探索传统CDN与P2P融合之路，国际标准组织TISPAN也正在对在IPTV架构中引入P2P技术进行研究（具体参见研究报告：TR 182 01“Peer-to-Peer for Content Delivery for IPTV Services：Analysis of Mechanisms and NGN Impacts”；ITU-T在建议Y.iptv-netcontrol-fw中已经提出利用P2P技术实现IPTV内容分发控制的相关需求。

　　基于NGN的IPTV架构作为一种典型的IPTV控制架构，是否可以和P2P结合，并满足电信网可控可管的需求应该是非常有益的探索。

2.研究思路

　　针对P2P与NGN结合的IPTV控制架构的研究，应该是在基于NGN的IPTV架构基础上，与P2P控制机制进行有效地融合，并尽量降低相互之间的影响，以便减少对相关设备的影响。

　　基于NGN的IPTV控制架构和P2P技术融合的难点和关键主要是在媒体资源和承载资源的控制机制上。NGN采用承载和控制分离机制，并通过会话过程、资源接纳控制过程以及两者之间的结合来实现对媒体资源和承载资源的有效控制，同时能够实现通过在业务控制平面和传送平面之间引入资源接纳控制功能（RACF）实现对承载资源的有效控制，包括QoS控制，NAPT/FW控制和NAT穿越等功能。但是P2P连接具有很强的动态性、并发性且持续时间可能短暂等特点，有种“尽力而为”的特点，这种连接特性不太适宜进行频繁的会话连接建立或会话连接修改以及实施资源接纳控制。需要考虑一种将两种充分结合，同时又能够满足电信网一定可控可管需求的架构，该架构应能够针对流媒体应用的特点，既能够实现全网负载均衡，又能够实现局部网络中业务流量的均衡。

具体考虑和遵从的原则如下：

　　（1）采用分级分域结构，可以强化和汇聚对媒体和资源的管理及控制，保证网络的可扩展性，同时可以对P2P流量实施本地优化。

　　对于域内没有的资源，考虑到基于尽量将终端P2P流量限定在域内、避免对骨干网络造成的冲击、充分利用媒体服务器的缓存功能等考虑，最好由网络中的服务器负责实现跨域资源调度。

　　（2）支持传统终端和P2P终端，应考虑终端层面P2P技术的引入，充分发挥P2P技术的优点，利用P2P终端的资源和能力，简化网络的负荷。但同时，在终端层面引入P2P带来了控制复杂性，内容分发控制方面，面向传统终端通常采用CDN技术来实现媒体内容的分发，为了支持P2P终端，需要考虑P2P控制和CDN的结合；资源控制方面，由于P2P连接具有很强的动态性、并发性且持续时间可能短暂等特点，会话控制和承载控制相结合的机制很难和P2P这种连接特性相适应，需要针对P2P连接特性相适应的控制机制，并且不同的终端类型应选用不同的控制机制。

　　（3）结合接入网状态对P2P流量进行控制。这方面可以借鉴P4P（Proactive network Provider Participation for P2P，运营商主动参与的P2P技术）的思路，为了使电信运营商能够构建一个可管可控的基于P2P的网络，P4P在挑选Peer方面增加了一系列机制，如通过获得网络拓扑信息、用户位置信息、链路状态使得电信运营商可以基于其网络现状，以最优策略通过P2P技术向用户提供电信业务。在对P2P流量进行控制方面可以借鉴P4P的思路。

　　（4）与基于NGN的IPTV架构融合的P2P资源列表生成方法，在列表生成方面不仅要考虑P2P终端状态、媒体资源分布情况、接入网状态、分级分域管理，还将充分考虑和基于NGN的控制机制的融合（如和会话控制的交互和协同、传统终端对网络资源的占用等）。

3.P2P与NGN结合的IPTV控制架构

　　根据上述原则，通过对NGN，IPTV，CDN，P2P相关技术特点的研究，给出了一种P2P与NGN结合的IPTV控制架构（见图1）。P2P网络可以采用集中目录式、纯P2P方式、超级节点方式和结构化式组织。考虑到集中目录式具有易于控制和管理、查询效率高，并且能够较好地与分级分域的理念相结合，所以在该控制架构中对P2P终端采用了集中目录式控制方式。

图1 P2P NGN结合的IPTV控制架构

　　本架构的最大特点是结合CDN和NGN架构（注：为了简化没有给出详细的NGN相关控制实体，架构中只体现了会话控制实体和资源接纳控制功能实体），在此基础上引入P2P相关功能，包括P2P控制实体和P2P用户终端。通过对基于NGN的IPTV架构和CDN架构的改进，使该架构既能够具备电信网中网络资源可控、可管的特征，又通过引入P2P具备了一定的灵活性和自组织能力，将电信网和互联网技术的优势均集中在了一起。

该控制架构中各主要实体的功能以及各实体之间的相互关系如下：

　　（1）普通用户终端（UE）：不支持P2P技术的普通终端。

　　（2）P2P用户终端（P2P UE）：P2P用户终端是具有P2P功能的用户终端，与普通用户终端不同，P2PUE在从网络下载流媒体内容的同时也会上传本地所拥有的流媒体内容。具体功能包括：

向P2P控制功能实体请求资源连接地址。

根据P2P控制功能实体指示的资源连接地址，下载对应的流媒体内容。

向P2P控制功能实体上报自身存储的流媒体内容和终端状态信息。

　　（3）会话控制功能实体（SCF）：会话控制功能负责IPTV的业务控制，可以对应IMS网络中的S-CSCF。SCF的作用是：

为请求IPTV业务的用户终端（包括P2P终端和非P2P终端）提供会话控制。

根据用户的IPTV业务请求，为该用户查找控制该流媒体资源的媒体控制功能，将用户的流媒体请求发送给流媒体资源控制进行后继处理。

与资源接纳控制功能交互，为非P2P终端提供QoS资源预留，保障非P2P用户的IPTV业务质量。

　　（4）CDN媒体控制功能实体（CDN-CF）：负责为流媒体业务用户选择传送媒体内容的方式和传送点。

CDN-CF接收从SCF发送的IPTV媒体资源请求相关控制消息，CDN-CF能够区分IPTV用户终端，为不同类型的终端功能选择不同的业务处理方式。

CDN-CF与CDN-MF是一对多的关系。CDN-CF能够将媒体内容按照一定策略在多个媒体传送功能中进行分发。

为了进行资源调度和内容传送，以及在资源调度的过程中实现负载均衡，CDN-CF准确掌握所控制的CDN-MF的状态和媒体内容的分布状况。

CDN-CF能够根据网络中IPTV业务的资源负载情况、保存的网络中媒体内容信息和用户的业务请求，为用户选择传送媒体内容的CDN-MF。

考虑到电信网用户具有数量众多、分布范围广的特点，而媒体内容存在热点节目和冷僻节目之分的特点，媒体控制功能可根据用户数量、节目内容等规模进行分级设置。本级的CDN-CF负责向上一级的CDN-CF查找用户请求的资源。

　　（5）CDN媒体存储功能实体（CDN-MF）：负责向IPTV业务用户传送媒体内容。

CDN-MF中保存媒体节目的全部或部分内容，按照CDN-CF的指示向业务用户传送所请求的流媒体内容。

不同的CDN-MF之间可以通过P2P机制获取存储的流媒体内容。当一个CDN-MF中保存媒体节目的部分内容时，CDN-MF应能够采取P2P机制从其他CDN-MF处获取本节目的其他内容。

CDN-MF将流媒体内容信息和自身的负载情况（如硬件资源可用率，媒体传送功能目前的连接数等）上报给上层控制功能，便于上层控制功能进行资源调度。

CDN-MF可根据CDN-CF的设置进行分级，并能够在CDN-CF的控制下，从上级或同级的CDN-MF处获取所需要的媒体内容。

　　（6）P2P控制功能实体（P2P CF）：针对P2PUE进行控制。

将P2P机制引入之后，P2PUE在下载流媒体内容的同时，自身也存储了部分的流媒体内容，供其他P2PUE下载使用。在P2PCF中保存了流媒体内容分片信息在P2PUE上的存储信息和P2PU的在线状态。

P2PCF通过与性能测量功能的交互，获取与用户接入网相关的资源使用信息（如接入网剩余带宽等）。

在接收到P2PUE的内容请求消息后，P2PCF根据流媒体内容在其他用户上的存储信息、CDN-CF为该内容传送分配的CDN-MF信息、接入网资源的使用信息等调用资源调度算法，为该P2P流媒体用户计算各部分内容的存储位置。

　　（7）资源接纳控制功能（RACF）：负责为非P2P用户的流媒体内容下载进行资源预留，以保障流媒体业务质量。资源接纳控制功能为NGN中定义的功能实体。

　　（8）性能测量管理点：负责对接入网的网络性能进行测量。目前采用的是业务或应用分配固定带宽的方式，已不能适应P2P过程中实时流媒体高带宽高突发高QoS需求的要求。性能测量功能能够获取接入网流媒体业务的QoS参数（如端口或链路的吞吐量、延迟、丢包率等）并上报给P2PCF。P2PCF根据性能测量功能提供的监测结果和网络运行状态对媒体流做出适时的自动调整，可以更好地提供QoS保证，实现对网络资源的动态反馈控制。

4.典型工作流程

　　由于普通用户终端和P2P用户终端的控制方式、工作方式和服务质量保证机制都不尽相同，本架构对普通用户终端和P2P终端分别设计了不同的机制和流程，作为示例，图2和图3分别给出了两种终端从业务请求、媒体资源调度和内容传送的工作流程。

图2 普通终端工作流程

图3 P2P终端工作流程

4.1 普通终端的工作流程

图2是普通终端的工作流程示例。

用户通过普通用户终端发起IPTV业务请求。

SCF判断终端类型为普通用户终端，则调用RACF执行资源预留，以便为普通用户的业务提供服务质量保证。关于RACF的资源预留过程，可参见ITU-T和TISPAN的相关规定。

SCF根据用户所在的地理位置、用户类型等信息选择为该用户服务的CDN-CF，并向CDN-CF发送媒体资源请求。

CDN-CF结合用户请求的节目、CDN-MF的负载情况等信息进行资源调度，为用户选择合适的CDN-MF为其服务；并向所选择的CDN-MF发送媒体资源请求。

CDN-MF可能需要从本域的其他CDN-MF处获得节目相关的媒体信息。

CDN-CF向SCF回送响应，SCF和RACF交互执行资源接纳控制，之后将CDN-MF的地址等信息传送给用户终端。

用户终端从CDN-MF获取媒体内容。

4.2 P2P终端的工作流程

　　图3是P2P终端的工作流程示例。

用户通过P2P用户终端发起IPTV业务请求。

会话控制实体收到IPTV业务请求后，根据用户所在的地理位置、用户类型等信息选择为该用户服务的CDN-CF，并向CDN-CF发送媒体资源请求。

CDN-CF结合用户请求的节目，CDN-MF的负载情况，用户类型等信息进行资源调度。对于P2PUE，CDN-CF为用户选择合适的P2PCF作为P2PUE后续网络控制点。CDN-CF将为该用户选择的P2PCF地址等信息发送给SCF，SCF将该响应发送给用户。

P2PUE向P2PCF发起媒体下载请求。

P2PCF接收到用户请求之后，首先向CDN-CF请求计算节目各分片对应的CDN-MF列表。这样P2PCF可以根据一定的策略将CDN-MF的地址融合在最终传送给P2PUE的对等节点列表中，如为了提高面向用户的响应速度，可以控制P2PUE接入到CDN-MF获取第一个分片或后续几个分片。P2PCF还可以将CDN-MF作为某个分片的备选地址，当P2PUE在尝试列表中的其他对等节点失败时，仍然可以从CDN-MF获得分片。

P2PCF从性能测量管理点获取接入网资源占用的情况，作为资源调度的重要依据。性能测量管理点可以周期性的向P2PCF上报接入网的情况。

获得相关信息后，P2PCF根据接入网资源占用情况、从CDN-CF获取的CDN-MF列表、存储相关资源的P2P终端状态，生成供P2PUE下载节目片段的列表。

P2PCF将列表发送给P2PUE，P2PUE根据列表和相应的P2P终端交互获取节目片段。

在用户观看和/或下载节目的过程中，P2PUE定期或根据一定的触发条件（如完成几个分片下载后）向P2PCF上报本终端上存储的流媒体节目片段的信息，供P2PCF计算列表时。

5.结束语

　　本文中给出的P2P与NGN结合的IPTV控制架构，关键是将NGN，CDN和P2P相结合，目的是在一定范围内实现P2P终端之间的资源共享。针对P2P技术特点设计了对应的可控、可管和业务质量保障架构和机制，可以为相关研究提供新思路。

电信网技术