P2P+CDN視頻內容分發系統

簡介

隨著網際網路寬頻在中國的普及，人們對Internet提出了多樣化的套用需求。現在存在的各種形式，如網路遊戲、線上影視和電子郵件等都極大地豐富了人們的生活。隨著數字多媒體技術和計算機網路技術與家電產品的結合，融合多媒體內容和寬頻網路平台的IPTV網路電視、OTT電視將成為全球下一個極具前景的、全新的寬頻服務模式。

在以上視頻業務的服務模式中，基於網際網路基礎網路的視頻套用，需要面對大並發量的用戶，就需要高效的視頻內容分發和傳輸技術，這也是視頻業務服務模式的基礎核心。雖然以IP為基礎的網際網路的特點是效率高，但是相對於傳統的電信網，其沒有較好的服務質量（QoS, Quality of Service）保證（如:較大的時延、時延抖動、丟包、亂序等），將是該業務開展必須面對和解決的問題。而當前採用P2P融合CDN視頻傳輸的技術方案，即可解決以上問題。

2.1 OTT基本概念

OTT TV是“Over The Top TV”的縮寫，是指基於開放網際網路的視頻服務，終端可以是電視機、電腦、機頂盒、PAD、智慧型手機等等。意指在網路之上提供服務，強調服務與物理網路的無關性。通過網際網路傳輸的視頻節目，如PPS、UUSEE等平台的內容傳輸到顯示螢幕(包括電視)上。

從消費者的角度出發，OTT TV就是網際網路電視，滿足消費者的需求，集成互動電視功能的全功能的網際網路電視。

Over-The-Top TV 就是指網際網路電視，通過網際網路傳輸的視頻節目，如PPS、UUSEE等平台的內容傳輸到顯示螢幕（包括電視）上。

OTT TV （Over-The-Top TV），即以Over-The-Top 方式服務的網際網路電視。如2010年在市場上推出的Apple TV及Google TV即是此種模式。

在國際上，OTT TV指通過公共網際網路面向電視傳輸的IP視頻和網際網路套用融合的服務。其接收終端為網際網路電視一體機或機頂盒+電視機。

在我國，OTT TV是指通過公共網際網路面向電視機傳輸的由國有廣播電視機構提供視頻內容的可控可管服務。接收終端一般為國產網際網路電視一體機。

2.2 IPTV基本概念

IPTV(InternetProtocolTV或InteractivePersonal TV)意思是網際網路協定電視，也叫互動式網路電視，是一種基於網際網路的多媒體通信技術。IPTV利用寬頻網的基礎設施，以家用電視機或計算機作為主要終端設備，通過網際網路協定(IP)傳送電視信號，向家庭用戶提供包括電視節目在內的多種互動式數字媒體服務。

IPTV的工作原理是把源端的電視信號數據進行編碼處理，轉化成適合IP網路傳輸的數據形式，然後通過IP網路傳送，最後在接收端進行解碼，再通過電腦或是電視播放。由於數據的傳輸速度要求比較高，所以要採用最新的高效視頻壓縮技術，例如H.264，MPEG4等。其主要特點在於互動性和實時性。

2.3 CDN技術

CDN的英文全稱是ContentDeliveryNetwork，即內容分發網路，也稱為內容傳輸網路。這個概念於1996年由麻省理工學院一個小組提出的，並開始對CDN技術進行研究，他們在1999年成立了一個專業CDN服務公司，為Yahoo提供了專業服務。如今在國內外已經有很多的企業和服務商開始使用內容傳送網路CDN技術來提高網路服務質量，以滿足用戶的需求。

CDN是建立在現有IP網路基礎結構之上的一種增值網路，是在套用層部署的一層網路架構。CDN的核心是利用智慧型化策略技術，將中心的內容和服務推送到網路邊緣，使得用戶可以在最近的和服務質量最佳的地方獲取服務，其關鍵技術包括高速快取、負載均衡、內容路由、內容分發、內容存儲和內容管理等。CDN的技術優點包括：(1)全局負載平衡，訪問速度快，讓用戶連線到最近的伺服器上去。(2)熱點內容主動傳送，自動跟蹤，自動更新。(3)無縫集成、高可靠、可用性以及擴展性。(4) 減少對網路頻寬資源的占用，具有智慧型的管理控制能力。(5) 傳送的內容受到保護，而且內容提供商可在本地自己決定服務的內容。

基於上述的優點，CDN技術能提高寬頻資源的利用率，增加流媒體在網際網路上的套用普及，這些套用包括線上播放、音樂點播、電視直播、互動遊戲等，大大促進Internet套用和服務的發展。

但是，現有CDN網路都只是針對傳統網際網路的網路結構、內容傳送和業務開展方式建設起來的，如果直接用來為IPTV和OTT業務提供服務，還存在一些不足。如，對視頻編碼格式支持不足、時延太大、無法提供廣播級的視頻服務、系統結構過於簡單、隨著服務能力的擴展，需要不斷的投資等。為了能夠承擔起 IPTV和OTT業務的存儲、分發、傳送，需要對現有CDN技術進行最佳化改造。

2.4 P2P技術

P2P是對等連線peertopeer模式的簡稱。目前，業界對P2P的定義還沒有一個標準的說法，簡單地說，P2P技術是一種用於不同終端用戶之間、不經過中繼設備直接交換數據或服務的技術。它打破了傳統的Client/Server模式，在對等網路中，每個節點的地位都是相同的，具備客戶端和伺服器雙重特性，可以同時作為服務使用者和服務提供者。

P2P是採用一種與CDN完全不同的內容傳遞方式。P2P的核心是利用用戶資源，通過對等方式進行檔案傳輸，這完全不同於傳統的客戶伺服器計算模型。P2P通過“非中心化”的設計和多點傳輸機制，實現了不依賴伺服器而快速的交換檔案。基於P2P的IPTV或OTT體系結構可以使得IPTV或OTT業務的廣播和轉播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與並提供自製的多媒體內容得到基於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，減少網路建設成本。

然而，P2P系統也存在明顯的缺點，就是可用性問題，儘管從整個系統而言，P2P是可靠的，但是對於單個內容或者單個任務而言，P2P是不穩定的，每個Peer可以隨時終止服務，甚至退出系統，即交換的內容隨時可能被刪除或者被終止共享。

迄今為止，P2P網路已經歷了集中目錄式P2P網路模型、純P2P網路模型、混合式P2P網路模型和結構化網路模型等幾個時代，各種模型各有優缺點，有的還存在著本身難以克服的缺陷，因此，在目前P2P技術套用的階段，各種網路結構依然能夠共存，甚至呈現相互借鑑的形式。

P2P和CDN技術的融合

CDN和P2P被用於不同的領域，CDN主要用於可靠的Web和流媒體內容分發，而P2P則主要用於內容交換。兩種技術各有優缺點。

顯然，CDN和P2P技術的優缺點在套用上具有一定的互補性。如果能夠結合P2P的擴展能力和CDN的可靠性、可管理性，就可以構建一個可管理的、能夠承載電信級內容套用的IPTV或OTT系統平台。

從融合方式來看，CDN和P2P融合有兩種形式，一種是將CDN的Cache設備以P2P的方式組織，利用P2P的目錄服務和多點傳輸能力，實現CDNCache設備之間的內容交換，提升CDN的內容分發能力;另外一種是將CDN的管理機制和服務能力引入P2P網路，形成以CDN為可靠的內容核心，以P2P為服務邊緣的架構，通過這種架構，可以在不增加CDN成本的同時有效提升CDN服務能力，更有效地避免了P2P套用的諸多弊端，這種架構下，用戶需要通過P2P的客戶端來獲取服務。

相比較而言，第一種方式對於提高系統的擴展性幫助不大，僅僅是從管理和控制平面提高了CDN的內容分發能力。第二種方式套用前途更加廣泛，是在當前運營商網路狀況下最理想的媒體業務承載平台方案。

我們的CDN和P2P融合的最佳化方案是建立在CDN基礎之上，在骨幹網層次保留了原有的CDN系統的架構和功能，在邊緣節點引入了P2P技術來進行檔案及流媒體的共享，實現了CDN技術與P2P傳輸的結合。

P2P+CDN解決方案

通過分析CDN和P2P在作為媒體分發和交付系統時各自的技術特點，二者既有優點，也有缺點。為了揚長避短，我們將P2P的擴展能力、多用戶共享資源能力與CDN的可靠性、可管理性結合起來，有效地利用和轉化P2P技術，充分考慮運營商現有CDN的技術特性，構建一個新型的媒體分發和交付系統。

4.1系統整體結構

Ø 源伺服器（Origin Server）:視頻、網頁、檔案等內容源伺服器。

Ø 複製伺服器（replica servers）或者稱邊緣伺服器、代理快取：存有源伺服器中的全部或部分內容，它們直接服務於用戶。

Ø 內容交付（content-delivery）組件：由源伺服器及位於網路邊緣的邊緣伺服器組成，提供向用戶的內容傳送。

Ø 請求重路由（request-routing ）或重定向組件:負責把用戶向的請求轉向最合適的邊緣伺服器。最合適是指：距離用戶最近、滿足負載均衡等參數。

Ø 內容分布組件（distributioncomponent）：負責把位於源伺服器的內容分布到邊緣伺服器，並維護內容的一致性。

Ø 記賬組件（accounting component）：維護用戶訪問及CDN使用情況，便於後續的計費。

4.2系統組織架構

從系統組織架構上，CDN和P2P相結合可採用以下兩種結構進行實施。

4.2.1 CDN邊緣節點伺服器之間的P2P

在CDN邊緣節點的伺服器或硬體快取設備之間以P2P方式組織，利用P2P技術的共享計算資源和頻寬資源，提升內容分發能力，由此減少CDN中心伺服器的負荷。結構如下：

4.2.2骨幹CDN和邊緣P2P

在骨幹網層次保留了原有的CDN系統的架構和功能，在邊緣節點引入可控制管理的P2P技術，進行流媒體的分發傳送，實現了P2P技術與CDN的結合。通過骨幹集中和邊緣分散式架構，在骨幹網路上使用CDN將媒體分發到邊緣節點，在邊緣網路上將P2P的流量嚴格限制在同一區域內，減少了骨幹網上的突發流量。結構如下：

4.3 CDN+P2P架構的套用

P2P+CDN架構是基於CDN的，在骨幹層面上保留了原有的CDN系統架構和功能，在邊緣節點採用P2P技術進行媒體檔案共享及分發。P2P+CDN的網路架構採用3層結構，分為中心層、邊緣層和P2P自治域層，如圖5所示。從中心層到邊緣層和傳統的CDN組織架構一樣，由一個中心節點管理控制多個邊緣節點，並對邊緣節點分發節目。在邊緣層以下的P2P自治域層是P2P+CDN架構的主要特點。為了便於P2P的管理，將系統服務的網路分成若干個區域，稱之為P2P自治域，用戶的數據交換僅限於在其所在的P2P自治域內，儘量避免跨域間的P2P交換，由此將用戶的數據流控制在一個域內，減輕網路負載。

P2P自治域的劃分遵循以下原則。

Ø 將P2P自治域根據CDN邊緣節點所在的地理區域進行劃分，使得該區域內的P2P節點充分連線，同時減少區域外節點互聯。P2P自治域內用戶的IP位址範圍與其所在CDN邊緣節點所服務的用戶IP位址池範圍一致。

Ø 將熱點區域與冷門區域適當結合，利用冷門區域的網路頻寬來緩解熱點區域的網路壓力，提高整體並發能力和網路利用效率。

Ø P2P自治域用戶數和覆蓋網路範圍不宜太大也不宜太小，太大不宜於管理控制，太小則對P2P的優勢利用不夠充分，可根據系統網路實際特點，經測試得到合適的網路覆蓋範圍及用戶數量。

Ø 在所有設定的P2P自治域以外，設定單獨的邏輯P2P自治域，提供負載冗餘的功能。當各個實際P2P自治域網路負載能力達到上限的時候，加入邏輯P2P自治域來增強超載P2P自治域的網路負載的能力。邏輯P2P自治域可部署在每個實際P2P自治域內，可同時起到服務和備份的功能。

P2P+CDN架構各層次的節點功能模組如下圖所示：

中心節點

在中心層的中心節點延用了CDN的全局負載均衡機制、內容分發與快取機制，中心節點依舊是整個系統的節目源存儲中心，運營支撐管理中心和業務套用管理中心。與傳統CDN中心節點不同的是， CDN+P2P架構的中心節點增加了P2P管理中心的模組，為整個系統提供集中管理功能，實現對所有CDN邊緣節點的P2P的統一管理和監控。

邊緣節點

在CDN邊緣節點部署多台伺服器設備，並使其具備以下6個主要功能。

Ø 與中心節點構成內容分發體系，實現內容的有序分發和傳送，將節目源按照傳統的CDN工作模式從中心節點推送（push）或者拉取（pull）到各個邊緣節點。

Ø 將接收到的節目源進行檔案切片，並以切片的方式對節目源進行存儲快取。同時，具有流媒體服務的功能模組，為連線上的用戶以P2P的方式提供媒體流服務。

Ø 作為P2P自治域的內容索引伺服器。CDN邊緣節點提供該域內的P2P內容服務的功能。當該CDN邊緣節點接收到來自中心節點某個節目時，將接收到的節目作為種子，並將其內容作索引服務，為該P2P自治域的用戶節點（peer）找到同時獲取該內容的用戶。當服務的用戶節點（peer）足夠多時，邊緣節點可以退出該媒體檔案的分發，完全由用戶節點之間進行分發。

Ø 作為P2P自治域的管理伺服器。傳統的P2P是一個沒有管理的自組織系統，沒有中心控制與管理的伺服器。為了增加P2P的可管理性，在CDN邊緣節點的設備上部署P2P管理功能模組，對該自治域內的P2P網路進行管理、控制和服務保障，也實現對內容索引服務、節目發布服務、媒體播放服務的配置管理和狀態查詢。當P2P服務將網路頻寬資源耗盡，影響到服務質量時，P2P管理監測到網路狀態，會對用戶端進行流量限速控制，避免網路發生擁塞。同時，邊緣節點的P2P管理功能是中心節點P2P管理中心的代理（Agent），實時地與中心節點的該功能模組進行信息互動，以便中心節點對邊緣節點的P2P進行實時監控和配置管理。

Ø 為用戶提供互聯服務。實際網路中存在大量的防火牆和NAT設備，對P2P的內容分發與互聯形成屏障，為保證用戶穿越防火牆和NAT設備，在CDN邊緣伺服器中部署互聯服務模組，實現用戶節點之間的點對點連線。

Ø 提供安全服務。為防止P2P網路中的欺騙、偷聽、中間人等攻擊，在CDN邊緣伺服器中部署安全服務模組。對用戶進行認證，並簽發證書，以保證互相通信的peer都為合法用戶。

在實際套用中，P2P管理服務、內容分發服務、互聯服務功能模組部署在同一台伺服器上，檔案存儲、檔案切片、流媒體服務、索引服務功能模組部署在同一台伺服器上，安全管理可部署在任意一台伺服器中。由此避免伺服器模組之間的互動由於網路通信的不穩定受到影響。伺服器部署的數量要根據P2P域的大小及並發流量進行計算確定。

用戶終端節點

用戶終端上應安裝媒體播放器，以便將媒體數據流的播放呈現給用戶，媒體播放器根據媒體的格式而定。為了實現P2P功能，用戶終端必須安裝具有P2P功能的客戶端軟體，實現直接連線其他用戶、P2P數據的接收以及P2P數據的繼續分發，並將接收到的P2P數據提供給媒體播放器播放。客戶端的部署形式可以是媒體播放器的外掛程式，也可以是具有單獨界面的軟體。

P2P+CDN增值服務

TCP加速
通過對TCP連線進行最佳化，可實現訪問過程實時加速，如網路遊戲、炒股軟體等套用，保持快速連線，對原訪問方式大幅加速，提高套用效果。
安全防護
速必拓安全防護從內部（含客戶網站、本地/網站DNS）和外部網際網路攻擊兩個方面防護安全隱患，主要涉及：服務可用性、數據安全性，如防篡改、防盜鏈、源站保護、防DNS攻擊等。
分散式存儲
速必拓分散式存儲為客戶提供源站檔案大容量存儲和上傳，將不同檔案分布到不同伺服器上進行存儲，以實現數據的分散式存儲，讓每台機器只為相對固定的用戶服務，以實現平行的構架和良好的擴展性。大規模內容分散存儲、邊緣分發，解決了網路傳輸環節中伺服器負載過大、頻寬消耗巨大的問題。
網站質量評測報告
速必拓與第三方公司合作，共同對客戶網站進行服務質量的評測，利用第三方的檢測系統，在回響時間與可用性方面測試出具體數值，不但可以對客戶網站的服務質量進行檢測，還可以通過此產品向客戶展示CDN的加速效果，並對服務不滿意的地區進行針對性調試。
源站點監控
速必拓的源站監控服務，專門針對客戶源站進行7x24小時監控，當源站服務出現問題時，會第一時間通知到客戶網站負責人，使問題及時解決，最大限度減小客戶網站的運營損失，營造良好口碑。

頁面加速主要功能	檔案傳輸加速主要功能	流媒休加速主要功能
●支持網頁壓縮	●支持智慧型均衡負載，內容刷新	●支持多種流媒體格式
●支持地域化內容訪問	●支持各種格式軟體及補丁升級	●支持檔案快取預載入
●支持內容刷新	●支持日誌下載	●支持動態調整各CDN節點資源
●支持斷點續傳	●支持網路存儲備份	●支持不同ISP商間的暢通傳輸
●支持日誌下載	●支持實時頻寬查詢	●支持日誌查詢下載
●支持實時頻寬查詢	●提供計費月報	●支持斷點續傳
●提供計費月報	●充足冗餘頻寬	●支持動態擴容
		●頻寬資源雄厚