基于IMS的可控可管P2P網(wǎng)絡(luò)電視架構(gòu)的研究

石利軍，梁建武

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

0 引言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展和寬帶用戶數(shù)的持續(xù)增長，在互聯(lián)網(wǎng)上提供傳輸音頻和視頻業(yè)務(wù)也漸漸成為電信運營商和業(yè)務(wù)提供商的新經(jīng)濟增長點。其中，交互式網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)的前景被看好。目前，國內(nèi)的IPTV系統(tǒng)主要采用客戶端/服務(wù)器(C/S)模式提供直播和點播業(yè)務(wù)［1］，當(dāng)面臨超大用戶量時，此系統(tǒng)的服務(wù)能力成為了瓶頸，甚至嚴重影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和視頻服務(wù)的質(zhì)量。主要由于IPTV系統(tǒng)服務(wù)器輸入/輸出的限制、存儲容量的壓力、網(wǎng)絡(luò)帶寬擁塞以及負載不均衡等。目前主要有兩種方法可緩解系統(tǒng)壓力:一是采用組播來提供廣播，由于客觀條件的制約，在目前的網(wǎng)絡(luò)上難以實現(xiàn);二是采用內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)(CDN)技術(shù)［2］，能實現(xiàn)一定形式的優(yōu)化，但是當(dāng)節(jié)點負載均衡器出問題時，系統(tǒng)用戶可能得不到服務(wù)，而且需要部署大量的邊緣節(jié)點，存儲投入成本也將相應(yīng)的增加。

P2P(Peer to Peer)技術(shù)與C/S結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別是整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不存在中心節(jié)點(中心服務(wù)器)，網(wǎng)絡(luò)的參與者共享他們所擁有的一部分硬件資源。就IPTV而言，節(jié)點同時從流媒體數(shù)據(jù)源服務(wù)器與其他節(jié)點獲取流媒體數(shù)據(jù)，減輕了服務(wù)器的壓力，極大地提高了系統(tǒng)的可擴展性［3］?；赑2P的IPTV系統(tǒng)由于其部署成本低廉，系統(tǒng)可擴展性好，近年來得到了大力的研究和發(fā)展，尤其在我國，目前已經(jīng)涌現(xiàn)出如QQLIVE，PPLIVE和PPStream等知名P2P流媒體技術(shù)提供商和服務(wù)商［4］。P2P技術(shù)有3種網(wǎng)絡(luò)模型:集中目錄式、純P2P網(wǎng)絡(luò)和混合網(wǎng)絡(luò)模型。

IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)［5］是由3GPP在Release 5版本中提出并被ITU－T和TISPAN采納的下一代網(wǎng)絡(luò)的核心控制子系統(tǒng)。IMS采用水平分層模型以區(qū)別與傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)的垂直化架構(gòu)，意味著傳輸和承載服務(wù)被從IMS信令網(wǎng)和會話管理服務(wù)中分離出去，實現(xiàn)了運營商對用戶數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理和統(tǒng)一的鑒權(quán)、授權(quán)與計費、統(tǒng)一的會話控制功能［6］。IMS網(wǎng)絡(luò)可以分為3層，分別是應(yīng)用層、控制層和傳輸層［7］。

本文在重點研究了IMS分層結(jié)構(gòu)的管理優(yōu)勢與P2P技術(shù)的傳輸方面優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出了基于IMS的可控可管的P2P網(wǎng)絡(luò)電視的架構(gòu)，為下一代融合網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)電視架構(gòu)提供一種新的可運營的思路。

1 現(xiàn)有P2P網(wǎng)絡(luò)電視架構(gòu)存在問題分析

目前出現(xiàn)的基于P2P的網(wǎng)絡(luò)電視架構(gòu)，雖然可以使視頻資源傳輸和部署都能很好地服務(wù)于IPTV系統(tǒng)，但仍存在如下問題:1)缺乏版權(quán)保護機制，難以引入大量的合法內(nèi)容;2)不支持個性化計費，運營商難以實現(xiàn)盈利的模式運營;3)不能實現(xiàn)區(qū)域調(diào)度，給網(wǎng)絡(luò)帶來巨大壓力。合理的分享P2P技術(shù)所帶來的巨大收益，運營需要一個可控可管可運營的P2P網(wǎng)絡(luò)來支撐現(xiàn)在的各種寬帶業(yè)務(wù)。

IMS系統(tǒng)可使基于IP的網(wǎng)絡(luò)成為一個可控的網(wǎng)絡(luò)。因此可以考慮通過將P2P網(wǎng)絡(luò)引入到IMS系統(tǒng)中，實現(xiàn)基于IMS－P2P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，來解決現(xiàn)在基于P2P的網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)中的控制、管理、運營、計費以及 QoS等問題。

2 基于IMS的可控可管的P2P網(wǎng)絡(luò)電視架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于IMS的可控可管P2P網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于IMS的P2P網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的基于IMS的可控可管的P2P網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)架構(gòu)主要在原有IMS系統(tǒng)架構(gòu)中引入了新的功能實體，即超級管理節(jié)點(SMP)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的信令控制使用IMS系統(tǒng)信令，用戶層面的媒體傳輸采用P2P優(yōu)化，系統(tǒng)還增加了媒體源服務(wù)器(MSS)、網(wǎng)絡(luò)電視應(yīng)用服務(wù)器(IPTV－AS)和電子節(jié)目指南(EPG)服務(wù)器。

引入的新功能實體SMP主要集成了Tracker服務(wù)器和緩存服務(wù)器的功能。集成的Tracker服務(wù)器主要功能包括:保存用戶peer信息、緩存服務(wù)器的資源狀態(tài)信息、其歸屬自治域的資源分布信息、節(jié)點下載統(tǒng)計、上傳統(tǒng)計以及服務(wù)能力等，并實現(xiàn)資源的發(fā)現(xiàn)和查詢。緩存服務(wù)器類似于CDN網(wǎng)絡(luò)中邊緣緩存節(jié)點，負責(zé)緩存流媒體節(jié)目流數(shù)據(jù)，為用戶peer提供流媒體數(shù)據(jù)下載。根據(jù)系統(tǒng)用戶容量可以設(shè)置1個或多個超級管理節(jié)點SMP，各SMP負責(zé)一部分歸屬節(jié)點peer，形成一個自治域，用戶peer通過注冊加入各自歸屬的SMP，實現(xiàn)控制管理。各SMP之間通過P2P的機制增強，充當(dāng)peer節(jié)點，使其集成的緩存服務(wù)器可以共享媒體分片，實現(xiàn)負載均衡。各SMP自治域中的用戶peer之間同樣以P2P的形式組織，實現(xiàn)資源共享，故系統(tǒng)SMP和媒體傳輸層的用戶節(jié)點peer構(gòu)成一個混合型P2P網(wǎng)絡(luò)。

媒體源服務(wù)器負責(zé)節(jié)目內(nèi)容的提供、內(nèi)容的編碼、媒體格式轉(zhuǎn)換、切片，并將部分內(nèi)容根據(jù)區(qū)域等通過CDN方式推送到不同SMP的緩存服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)電視應(yīng)用服務(wù)器主要集成內(nèi)容發(fā)布和管理服務(wù)器、頻道及點播信息服務(wù)器。EPG服務(wù)器主要向用戶提供直播頻道列表、點播VOD節(jié)目列表信息以及互動信息。

在本系統(tǒng)架構(gòu)中，HSS數(shù)據(jù)庫中存儲著SMP信息和注冊節(jié)點信息，HSS在用戶注冊期間根據(jù)用戶IP信息和SMP的歸屬范圍，為該用戶指派一個SMP，使其加入相應(yīng)的自治域。SMP和HSS之間采用Diameter協(xié)議在用戶注冊和退出時進行信息更新。

2.2 節(jié)點管理

新節(jié)點在加入時，首先經(jīng)過IMS的注冊，得到自己S－CSCF，HSS通過加入節(jié)點的IP地址，采用IP最長前綴匹配策略為其分配歸屬SMP節(jié)點。新加入節(jié)點在完成IMS注冊獲取到其歸屬SMP節(jié)點的信息(IP地址和端口)后，發(fā)起加入系統(tǒng)申請，其歸屬SMP通過同HSS進行信息更新，獲取到該節(jié)點的注冊信息，并對其進行鑒權(quán)。如果鑒權(quán)通過，該節(jié)點加入到該系統(tǒng)，SMP更新其維護的自治域中的peerlist信息，將該節(jié)點加入;否則，返回鑒權(quán)未通過，加入系統(tǒng)失敗。

節(jié)點的離開包括兩種情況:一種是節(jié)點正常關(guān)機退出，該節(jié)點向S－CSCF發(fā)出另一register請求來解除注冊，收到解除注冊請求后，HSS更新該節(jié)點在線狀態(tài)，并通知其SMP節(jié)點該節(jié)點已解除注冊，SMP收到此通知消息更新其維護的peerlist，刪除該節(jié)點信息，并向自治域中的其他以該節(jié)點為數(shù)據(jù)源的peers發(fā)送更新數(shù)據(jù)源消息，至此，該節(jié)點正常退出;另一種情況是節(jié)點非正常關(guān)機或掉線失效，系統(tǒng)通過SMP發(fā)送心跳檢測及時感知其自治域中節(jié)點的在線狀態(tài)，根據(jù)實際情況每隔5～10 s發(fā)送一個alive消息來確認。一旦檢測到某一節(jié)點失效，則SMP更新其peerlist信息，刪除失效節(jié)點信息，并通知相關(guān)節(jié)點更新數(shù)據(jù)源，以及通知HSS該節(jié)點失效，HSS更新數(shù)據(jù)信息，同步到S－CSCF。

2.3 實現(xiàn)流程和算法

2.3.1 系統(tǒng)注冊和認證

基于IMS可控可管P2P網(wǎng)絡(luò)電視架構(gòu)系統(tǒng)的注冊和認證流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)注冊和認證流程

1)用戶peer發(fā)送register請求給P－CSCF，這個請求包含要注冊的標識編碼(IP地址)和I－CSCF地址。

2)P－CSCF處理并轉(zhuǎn)發(fā)register請求到提供的ICSCF。

3)～4)I－CSCF聯(lián)系HSS，分配所需的 S－CSCF，并將register請求轉(zhuǎn)發(fā)給S－CSCF。

5)～8)S－CSCF會發(fā)現(xiàn)這個用戶沒有被授權(quán)，它向HSS索取認證數(shù)據(jù)，并且通過401未授權(quán)響應(yīng)對該用戶注冊表示異議。

9)～12)用戶計算對這個異議的響應(yīng)，發(fā)送另一register請求給P－CSCF，P－CSCF再次找到 I－CSCF，I－CSCF依次找到S－CSCF，轉(zhuǎn)發(fā)register請求。

13)S－CSCF檢查該響應(yīng)，如果響應(yīng)正確，就從HSS下載用戶配置，同時HSS根據(jù)用戶的IP信息來分配一個SMP給用戶，將該用戶歸屬到一個自治域，該SMP的IP地址和端口號會同用戶的配置一同下載到S－CSCF，S－CSCF保存下載的用戶信息。

14)～15)用戶進行IPTV注冊，S－CSCF將register請求發(fā)送給對應(yīng)的IPTV應(yīng)用服務(wù)器，進行專屬服務(wù)的注冊和鑒權(quán)，如果注冊通過將返回200 OK給相應(yīng)的SCSCF，并將電子節(jié)目指南EPG服務(wù)器的地址一并下發(fā)，否則，返回4xx終止注冊消息給S－CSCF，這里假定注冊成功。

16)～18)S－CSCF通過200 OK來響應(yīng)接受注冊。

19)SMP與HSS之間進行信息更新同步，HSS將注冊節(jié)點的信息發(fā)送到相關(guān)的SMP，用于SMP對節(jié)點加入系統(tǒng)的鑒權(quán)，SMP也周期性地將自己維護的節(jié)點信息更新到HSS。

20)～21)用戶通過200 OK響應(yīng)中攜帶的SMP節(jié)點信息，發(fā)起系統(tǒng)加入申請，并在申請中將自己的IP地址和端口號，以及自己的配置和資源狀況發(fā)送給SMP，SMP通過從HSS更新到的注冊節(jié)點信息對該節(jié)點進行鑒權(quán)驗證，如果驗證通過，SMP將該節(jié)點IP信息報告給集成的Tracker服務(wù)器，該IP信息將會成為peerlist成員，作為候選資源，并響應(yīng)鑒權(quán)成功;否則響應(yīng)未注冊。

完成以上注冊和認證，用戶可以進行視頻的直播、點播。用戶可以通過終端嵌入的瀏覽器訪問注冊過程中IPTV應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)的EPG服務(wù)器地址來瀏覽節(jié)目表，訪問視頻節(jié)目。

2.3.2 資源及服務(wù)的調(diào)度策略

該系統(tǒng)充分利用了CDN網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度能力，由CDN網(wǎng)絡(luò)自行完成在SMP集成緩存服務(wù)器的內(nèi)容部署，可根據(jù)區(qū)域等進行分區(qū)域部署，各SMP之間以Chord環(huán)方式組織起來，使其集成緩存服務(wù)器之間通過P2P機制增強，共享媒體分片，實現(xiàn)負載均衡和分擔(dān)，從而提高系統(tǒng)容量。每個SMP又與其歸屬域中的peers也以Chord環(huán)組成，這樣整個系統(tǒng)構(gòu)成一個混合式P2P網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)某一視頻流媒體源上線后，向用戶peer提供服務(wù)的是其歸屬區(qū)域中的SMP緩存服務(wù)器或SMP的鄰居peer;對于觀看人數(shù)多的內(nèi)容節(jié)目，大部分資源由其歸屬域中的peer提供，其中SMP的緩存服務(wù)器只作為應(yīng)急之選，提供必要的補償。

對于連接用戶peer很少的節(jié)目內(nèi)容，主要由SMP的緩存服務(wù)器來保證服務(wù)，系統(tǒng)通過對用戶的主動干預(yù)進行資源的快速增加。在這種情況下，系統(tǒng)會選定某個區(qū)域作為初始發(fā)布區(qū)，系統(tǒng)會選定某個SMP作為初始發(fā)布點。SMP保留多少資源由策略決定，可能是完整的內(nèi)容資源，也可能是一定長度的片頭。

本系統(tǒng)的資源及服務(wù)調(diào)度策略可以歸結(jié)為“本地資源優(yōu)先+分層次中心調(diào)度+SMP緩存服務(wù)器補償”。

1)首先，用戶peer通過訪問EPG服務(wù)器來瀏覽節(jié)目單信息，點播相關(guān)的視頻節(jié)目，包括直播和點播視頻，向其歸屬自治域中的SMP發(fā)起節(jié)目查詢請求。

2)SMP收到該用戶節(jié)目請求，首先查詢其保存的緩存服務(wù)器的視頻資源信息是否有該節(jié)目源，如果有則優(yōu)先將緩存服務(wù)器中的資源發(fā)送給該用戶，并查詢其維護的自治域中的peer信息，將正在點播該節(jié)目或之前某段時間內(nèi)點播過該節(jié)目的peer IP組成一個peerlist發(fā)送給該節(jié)點，并更新自己維護的peer資源信息。

3)該用戶節(jié)點播放視頻資源，并將收到的peerlist進行排序，選擇其中部分節(jié)點直接連接，實現(xiàn)P2P的資源獲取，其余節(jié)點作為后備節(jié)點使用，并根據(jù)同peerlist中節(jié)點獲取資源的情況來減少對SMP視頻資源的獲取，釋放帶寬資源。

4)如果SMP緩存中沒有該用戶所請求的資源，則SMP查找其維護peer資源信息中是否有節(jié)點擁有該節(jié)目源，如果有則返回相關(guān)peerlist;否則說明該歸屬域中沒有節(jié)點點播或緩存該節(jié)目，SMP與其組成P2P網(wǎng)絡(luò)的其他SMP節(jié)點發(fā)出查詢請求，進行SMP層的視頻資源查詢。如果在SMP層查詢到相關(guān)視頻信息，則返回peerlist;否則需要直接請求S－CSCF通過媒體資源服務(wù)器來提供資源。

5)用戶節(jié)點在觀看視頻的同時也將一段時間內(nèi)的視頻片段逐漸存儲在本地，同時更新自己的資源信息到SMP，SMP的Tracker服務(wù)器將其存儲在對應(yīng)的資源peerlist中，供其他用戶請求該資源使用。

2.3.3 用戶計費管理

本文提出的系統(tǒng)架構(gòu)是基于IMS系統(tǒng)，因此可以使用IMS中的計費體系。SMP記錄了各個用戶的網(wǎng)絡(luò)行為信息，包括登錄時間、退出時間以及獲得的資源信息，這樣可以幫助IMS系統(tǒng)對P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行收費信息的收集和管理，從而實現(xiàn)不同的計費策略。運營商可指定用戶類型進行計費，比如普通用戶和預(yù)付費用戶，也可以根據(jù)SMP記錄的用戶網(wǎng)絡(luò)行為來計費，可以根據(jù)流量或者時間，也可以根據(jù)獲取資源的類型來收費。

3 小結(jié)

基于IMS的可控可管的P2P網(wǎng)絡(luò)電視系統(tǒng)架構(gòu)，充分利用了IMS系統(tǒng)的管理、信令控制優(yōu)勢和P2P網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)勢。本文的創(chuàng)新點是，充分利用IMS核心網(wǎng)來進行用戶管理、安全控制、數(shù)字版權(quán)管理、個性化計費管理;利用分布式P2P內(nèi)容交換技術(shù)減少了媒體源服務(wù)器數(shù)量，可實現(xiàn)大規(guī)模內(nèi)容共享，充分提高了用戶的參與。該系統(tǒng)架構(gòu)充分考慮了運營商的運營需求，實現(xiàn)了可控可管理，支持個性化計費。為運營商實現(xiàn)基于下一代網(wǎng)絡(luò)的可運營P2P流媒體服務(wù)提供了一種新的思路。

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