iptv系统的媒体交付系统——基于p2p结构

ICSYD中华人民共和国通信行业标准YD/T××××—200×IPTV媒体交付系统—基于P2P结构P2PArchitecturebasedIPTVMediaDeliverySystem（送审稿）中华人民共和国信息产业部发布 目录目录..........................................................................................................................................................2前言..........................................................................................................................................................3IPTV媒体交付系统——基于P2P结构.................................................................................................41范围..................................................................................................................................................42规范性引用文件..............................................................................................................................43定义..................................................................................................................................................44缩略语..............................................................................................................................................45介绍..................................................................................................................................................46基于P2P结构的IPTV媒体交付系统.............................................................................................56.1成员功能定义...........................................................................................................................66.2参考点定义...............................................................................................................................66.3基于P2P结构的IPTV媒体交付系统控制拓扑图.................................................................76.4基于P2P结构的IPTV媒体交付系统中ES管理节点间关系...............................................86.5IPTV媒体交付系统中ES管理节点与边缘服务器间关系....................................................96.6IPTV媒体交付系统中内容分发过程......................................................................................96.7IPTV媒体交付系统中边缘服务器域内内容查找流程图....................................................106.8IPTV媒体交付系统中边缘服务器域间内容查找流程图....................................................106.9IPTV媒体交付系统中新边缘服务器加入处理流程图........................................................116.10IPTV媒体交付系统中新边缘服务器优雅退出处理流程图..............................................126.11IPTV媒体交付系统中新边缘服务器非优雅退出处理流程图...........................................12附录AIPTV媒体交付系统——基于P2P结构.........................................................................13A.1功能............................................................................................................................................14A.1.1分发/传送（F1）....................................................................................................................14A.1.2调度/控制（F2）....................................................................................................................14流服务（F3）....................................................................................................................................15存储（F4）........................................................................................................................................15A.2参考点........................................................................................................................................15A.3通信协议....................................................................................................................................16 前言本标准由中国通信标准化协会提出并归口。本标准起草单位：本标准主要起草人： IPTV媒体交付系统——基于P2P结构1范围本研究项目研究开展IPTV业务时基于P2P结构的媒体交付系统。具体内容包括引进P2P技术的必要性、可行性，以及如何组建P2P结构的IPTV媒体交付系统。23规范性引用文件定义VOD点播：VOD点播是用户可直接通过遥控器选择节目并进行快进、暂停和快退操作，不受时间限制的选择观看喜爱节目。TV直播：是指用户根据频道直接选择并收看电视节目，服务器向选择该广播频道的全部用户同时推送相同的音视频流，播放既定的内容，为用户提供电视节目。时移电视：是直播节目在时间上的延伸，用户可通过一些交互操作，对已播放过的直播节目重新回放观看。PVR个人录像：是指用户可以将直播电视的内容存储录制，并对已录制的节目进行回放和使用暂停、快退、快进等功能。它包括两种方式：nPVR和cPVR，即网络个人录像和客户端个人录像。4缩略语BTV（BroadcastTV）广播电视CDN（ContentDeliveryNetwork）内容分发网络CS(CDNCentralServer)CDN中央服务器DRM（DigitalRightsManagement）数字版权管理EPG(ElectronicProgrammerGuide)电子节目单ES(EdgeServer)边缘服务器IPTV（InternetProtocolTelevision）互联网电视P2P（PeertoPeer）对等网络VoD（VideoonDemand）视频点播5介绍传统的IPTV系统采用客户机/服务器模式提供BTV、VoD和时移电视)业务。由于服务器输入/输出(I/O)和带宽“瓶颈”的限制，一台服务器只能支持有限的并发流(千数量级的并发 流)。要解决十万、百万用户同时收看的问题，不仅需要大量服务器，还需要极宽的网络带宽。为了在现有的IP网上提供电视广播服务，运营商及设备提供商合作进行了大规模的网络改造，主要包括接入网提速、组播部署、CDN升级等。这些措施的采用不仅需要大量的资金投入，而且取得的效果也是十分有限的。对于组播部署，目前网络设备大多不支持组播，同时IP组播的可靠性和拥塞控制也难以实现；对于CDN技术的采用，随着用户数量的增加，CDN服务器很有可能成为系统的瓶颈，昂贵的成本也是不得不考虑的问题。CDN网络从本质上来说是一种分布式C/S结构，具有一些难以克服的缺点。首先，组网成本高，可扩展性差。其次，网络规模难以规划，忙闲时段服务器的利用率很难均衡。当前的IPTVCDN在边缘服务器ES上缓存媒体流信息来提高用户请求的响应时间和收看体验。目前主要采用重定向的机制实现，这种架构的问题是部署成本非常高，需要部署高性能、高稳定性并且价格非常高的边缘服务器ES，由边缘服务器ES为用户提供服务。如果大量的用户同时访问一些热门的视频，边缘服务器的能力不足仍然会导致用户体验的下降。图1C/S模型与P2P模型拓扑比较为了解决ES价格昂贵以及系统不易扩展等问题，提出了P2P技术与CDN融合以解决此问题。采用对等网（P2P）技术，每个ES为系统提供了一定的存储或网络资源，通过把它们有效的组织起来，可以解决IPTV部署中遇到的扩展性、ES成本过高以及网络改造成本过高等问题。6基于P2P结构的IPTV媒体交付系统基于P2P结构的IPTV媒体交付系统在IPTV系统中主要负责媒体从内容源到客户端的传送。如图2所示，基于P2P结构的IPTV媒体交付系统成员主要包括媒体服务器，媒体服务 6.11）2）3）成员功能定义内容源节点：内容制作、存储、加密然后传送到媒体服务器。内容管理节点：管理内容元信息、内容流参数和内容资费信息然后传送给EPG。业务管理节点：业务定制和搜集计费信息。4）EPG：从内容管理节点获取内容信息并且展示内容信息。5）6）6.2媒体服务器：通过媒体服务器间交互实现媒体存储、分发、调度和流服务功能。终端：从EPG选定目标媒体，然后向媒体服务器请求媒体服务。参考点定义1）参考点A：内容管理节点和内容源节点间接口。内容管理节点向内容源节点下发内容发布计划，同时对节目内容进行审核和数字版权管理。2）参考点B：EPG和内容管理节点间接口。内容管理节点向EPG发布节目信息。3）参考点C：内容源节点和媒体服务器间接口。包括通知媒体交付系统接受媒体并返回接受结果的控制接口和媒体由内容源节点传送到媒体服务器的媒体接口。内容源节点业务管理节点EPG器实现IPTV系统中的媒体存储、调度、分发和流服务等功能。同时，基于P2P结构的IPTV媒体交付系统的内/外部接口包括如图2所示的A到H的参考点。内容管理节点参考点A参考点B媒体服务器媒体服务器媒体服务器媒体服务器终端终端参考点C参考点E参考点H参考点H参考点G参考点G参考点G参考点G参考点D参考点D业务与内容管理参考点FP2P媒体交付系统图2基于P2P结构的IPTV媒体交付系统的网络架构客户端参考点G 4）参考点D：业务管理节点和媒体服务器间接口。业务管理节点向媒体服务器下发流分发控制策略、配置管理等信息，同时媒体服务器向业务管理节点提供服务状态、计费等信息。5）参考点E：媒体服务器和EPG间接口。6）参考点F：终端和EPG间接口。终端通过EPG来选中特定的媒体，并获得该媒体的标识符及URL。7）参考点G：媒体服务器间接口。媒体交付系统体现对等特性，媒体服务器可以从其他媒体服务器查询请求媒体内容，同时也可以向其他媒体服务器分发媒体内容。8）参考点H：终端和媒体服务器间接口。终端向媒体服务器发出流媒体服务请求，媒体服务器响应并向终端传送媒体流。6.3基于P2P结构的IPTV媒体交付系统控制拓扑图如图3所示，基于P2P结构的IPTV媒体交付系统是指采用P2P技术对现有的C/S模式的CDN进行改造，加强边缘服务器ES之间的协作能力。图3中的边缘服务器，ES管理节点和CDN中央服务器都是指图2中IPTV媒体交付系统成员-媒体服务器。边缘服务器域由许多边缘服务器组成，它们之间通过结构化的P2P方式组织，在边缘服务器域内的边缘服务器不需借助任何中央服务器就可以在边缘服务器域内完成内容发布和内容查找功能。每个边缘服务器域都由ES管理节点进行管理，ES管理节点可以单独部署，或由边缘服务器选举而来。ES管理节点包括所管理的边缘服务器域内的边缘服务器信息。ES管理节点之间可以通过结构化的P2P方式组织，同时也可以对ES管理节点进行扩展，ES管理节点增加内容索引的功能。图3基于P2P结构的IPTV媒体交付系统控制拓扑图内容分发首先由CDN中央服务器CS把内容分发到各个边缘服务器域，CS通知ES管理边缘服务器域边缘服务器域边缘服务器域CDN中央服务器边缘服务器域ES管理节点ES管理节点ES管理节点ES管理节点 节点在它所管理的当前边缘服务器域内找到最佳的边缘服务器ES以存储内容，CDN中央服务器CS然后向边缘服务器ES分发内容。边缘服务器ES存储此内容后，通过预先确定的发布策略在边缘服务器域中进行发布。最后当边缘服务器域中的ES请求此内容时，首先进行域内查找，当在域内查找不到时，当前域的ES管理节点可以通过结构化P2P查询的方式去请求其它域的ES管理节点进行内容查找，找到后可以由其他域的ES提供流媒体服务，也可以将媒体调度到本地ES并最终提供流媒体服务。6.4基于P2P结构的IPTV媒体交付系统中ES管理节点间关系图4IPTV媒体交付系统中ES管理节点间关系示意图如图4所示，在基于P2P结构的IPTV媒体交付系统中，ES管理节点之间可以通过结构化的P2P方式组织。ES管理节点功能分为以下几部分：ES节点管理：ES管理节点负责管理归属于它的边缘服务器ES，了解归属于它的所有边缘服务器ES的性能信息，包括节点基本信息、存储信息、处理器信息和带宽信息，可以扩充其他信息，例如：业务统计信息。ES拓扑管理：ES拓扑管理了解归属于ES管理节点的边缘服务器overlay网络的拓扑信息。ES管理节点保活所有归属于ES管理节点的边缘服务器，通过边缘服务器的基本信息，通过边缘服务器域的算法，ES管理节点可以得到边缘服务器域的拓扑信息。域间查询：ES管理节点可以接收其他ES管理节点来的流媒体请求报文，以查询此ES管理节点负责的边缘服务器域是否存在此流媒体。域内查询：ES管理节点保存归属于它的所有边缘服务器信息，因此ES管理节点可以确定本域内的可能存储此内容的边缘服务器。ES管理节点请求边缘服务器ES查找是否存在此内容，ES管理节点域间查询域内查询ES节点管理ES拓扑管理ES管理节点域间查询域内查询ES节点管理ES拓扑管理ES管理节点域间查询域内查询ES节点管理ES拓扑管理ES管理节点域间查询域内查询ES节点管理ES拓扑管理 并且是否能够有能力提供服务。6.5IPTV媒体交付系统中ES管理节点与边缘服务器间关系图5IPTV媒体交付系统中ES管理节点与边缘服务器间关系图如图5所示，在基于P2P结构的IPTV媒体交付系统中，边缘服务器域中的边缘服务器之间通过结构化的P2P方式组织，每个边缘服务器域都由ES管理节点进行管理。边缘服务器ES功能分为以下几部分：内容存储/发布：CS通过ES管理节点把流媒体存储到边缘服务器ES中，然后边缘服务器ES使用结构化P2P技术把流媒体和边缘服务器ES索引信息发布到边缘服务器域的overlay网络上以满足流媒体的查找。内容管理/调度：内容管理采用结构化P2P技术存储流媒体和边缘服务器ES的索引关系。调度最终的目的是为了提高用户体验和实现负载均衡。当用户请求流媒体服务时，边缘服务器ES在边缘服务器域内可以去查询最佳的边缘服务器ES以提供流媒体服务。流服务：边缘服务器ES向用户提供流媒体。6.6IPTV媒体交付系统中内容分发过程内容分发首先由CDN中央服务器CS根据分发策略把内容分发到各个边缘服务器域。ES管理节点域间查询域内查询ES节点管理ES拓扑管理内容管理/调度边缘服务器流服务内容存储/发布边缘服务器边缘服务器边缘服务器内容管理/调度流服务内容存储/发布内容管理/调度流服务内容存储/发布内容管理/调度流服务内容存储/发布 边缘服务器域内的边缘服务器的选择由ES管理节点完成，ES管理节点维护ES节点的状态信息（包括节点基本信息、存储信息、处理器信息和带宽信息），根据这些信息ES管理节点选择合适的边缘服务器。CDN中央服务器CS然后向边缘服务器ES分发内容。6.76.8IPTV媒体交付系统中边缘服务器域间内容查找流程图IPTV媒体交付系统中边缘服务器域内内容查找流程图边缘服务器241用户图6IPTV媒体交付系统边缘服务器域内内容查找流程图在边缘服务器域内，每个边缘服务器保存一部分边缘服务器信息与存储的内容索引，通过结构化P2P算法，每个边缘服务器都可以从本地开始经过几跳找到存储内容的边缘服务器。如图6所示，用户请求某一内容，此内容索引通过结构化P2P算法被存储在ES3上，首先，用户请求ES1，ES1查找自己的内容索引列表，没有找到此内容，然后ES1查找自己保存的边缘服务器信息，判断ES2可能存储此内容，ES1请求ES2进行内容的查找。ES2执行与ES1一致的操作后发现找不到内容时，请求ES3。ES3执行内容查找后，确定此内容索引被存储在当前边缘服务器。到此，边缘服务器域内内容查找结束。ES1ES33ES2 6.9IPTV媒体交付系统中新边缘服务器加入处理流程图271用户图7IPTV媒体交付系统边缘服务器域间内容查找流程图IPTV媒体交付系统中，边缘服务器域间内容查找，用户首先在ES管理节点1管理的边缘服务器域中进行查找，当内容不存在这个边缘服务器域内时，ES管理节点1可以通过结构化P2P查询的方式去请求别的ES管理节点进行内容查找。在边缘服务器域内的内容查找与上节内容一致，当在边缘服务器域内找不到此内容时，域内的边缘服务器ES3随后请求ES管理节点1，ES管理节点1请求其他ES管理节点去查询其他边缘服务器域内是否保存此内容，ES管理节点1请求ES管理节点2查询节点信息，找到可能保存此内容索引的节点，ES管理节点2请求边缘服务器ES4是否保存此内容索引。无论在域内还是在域间内容查找流程中，如果有多处边缘服务器存储此内容，通过内容索引列表，我们知道所有存储此内容的边缘服务器信息，通过此信息再去查找所有保存此内容的边缘服务器的基本信息以发现最佳的提供此内容的边缘服务器。可以通过ES管理节点查找最佳的边缘服务器，也可以把边缘服务器的信息通过结构化P2P算法存储在边缘服务器域内。ES管理节点1ES管理节点256边缘服务器ES1ES343ES2边缘服务器ES4 图9IPTV媒体交付系统新边缘服务器优雅退出处理流程图边缘服务器ES4退出ES管理节点1负责的边缘服务器域。首先ES4与后继边缘服务器联系，把ES4的资源索引备份到ES5，当ES5备份完资源索引后，ES4通知ES管理节点1把ES4边缘服务器从边缘服务器列表中删除，不再参与资源键值的查找。6.11IPTV媒体交付系统中新边缘服务器非优雅退出处理流程图边缘服务器123ES1ES2ES4图8IPTV媒体交付系统新边缘服务器加入处理流程图边缘服务器ES4新加入ES管理节点1负责的边缘服务器域。首先ES4通知ES管理节点1加入边缘服务器域，ES管理节点1对ES4验证，验证通过同时ES管理节点1把ES4的后继边缘服务器通知给ES4，然后ES4与后继边缘服务器联系，对ES5的部分资源索引进行备份，当ES4资源索引备份完毕后，它通知ES管理节点1把ES4边缘服务器加入到边缘服务器列表中，参与资源键值的查找。6.10IPTV媒体交付系统中新边缘服务器优雅退出处理流程图ES管理节点1ES5边缘服务器124ES1ES2ES4ES管理节点1ES535 图10IPTV媒体交付系统新边缘服务器非优雅退出处理流程图边缘服务器ES4退出ES管理节点1负责的边缘服务器域。ES管理节点检测到ES4非优雅退出，它通知所有的域内边缘服务器，它们检查是否存在索引对应的内容存储在ES4上的索引，同时检测是否存储的内容它们的索引存在ES4上。更新它们之间的关系。6.12P2P方案与传统CDN方案比较CDN网络从本质上来说是一种分布式C/S结构，主要的缺陷在于：对于大量用户产生的并发请求，媒体服务器需要不断扩容，从而导致了IPTV系统组网成本高，可扩展性也不好。为了解决媒体服务器价格昂贵以及系统不易扩展等问题，提出了P2P技术与CDN融合。从以上章节可以看出，采用P2P技术，每个媒体服务器为系统提供了一定的存储资源，通过把它们有效的组织起来，实现IPTV系统中的媒体存储、调度、分发和流服务等功能。由于P2P所体现出的对等特性，每个媒体服务器可以从其他媒体服务器查询请求媒体内容，同时也可以向其他媒体服务器分发媒体内容，从而降低了对单个媒体服务器的性能要求，缓解了媒体交付瓶颈和单点故障问题。因此可以解决IPTV部署中遇到媒体服务器成本过高与扩展性不高等问题。============================附录AIPTV媒体交付系统——基于P2P结构在《IPTV业务系统总体技术要求》（CCSA）标准中，定义了IPTV系统的8个功能集：内容运营、运维支撑、门户导航、业务管理、媒体交付、安全管理、客户端和运营支撑。其中媒体交付的定位如下：1边缘服务器ES1ES2ES4ES管理节点1ES5 A.1功能媒体交付功能集（F）负责内容从节目源到客户端的传送，包括分发/传送、存储、调度控制和流服务等功能模块。媒体内容通过媒体交付系统传送过程，应不改变媒体内容的编解码格式，保证内容的透明传送。A.1.1分发/传送（F1）按照一定的策略（如：按地点区域分发，按节目的等级，按业务统计信息的自动分发，指定分布比例的分发等）将媒体内容分发到流服务节点上。分发的信息来源和目的由调度/控制模块指定。包括基于文件的和基于流的两种分发方式。A.1.2调度/控制（F2）——服务均衡调度：负载均衡；——内容分发策略管理：如按地理分布、按时间分布等；——负责业务的统计信息收集上报；——提供分发带宽的管理能力；——向上层汇报节目内容数据在各流服务节点的分布状况；——根据内容ID，定位到内容的存储位置； ——流服务节点的切换（指直播、点播）；——实时节目的录制控制。流服务（F3）——向业务终端传送内容数据；——响应终端发出的播放控制命令；——流封装格式的转换（若需要，如TStoISMA、单播转组播等）；——采集计费信息（如业务起止时间等）并向运营支撑系统传递。——流（包括速率等）的自适应控制。存储（F4）——内容存储和删除，包括基于文件的存储和基于流化处理以后文件的存储两种；——冗余备份和恢复；——存储资源优化、配置和管理。——内容定位；——内容的生命周期管理。A.2参考点附录图中与媒体交付有关的各参考点定义如下：——C－F：业务管理和媒体交付之间的接口，包括下列子接口：●C1－F2：流分发控制策略管理接口●C6－F3：流播放计费信息采集传送接口——D－F：安全管理与媒体交付之间的接口，包括：●D1－F1：内容安全由业务运营平台负责时，分发传送模块通过此模块从内容安全（D1）接收DRM处理后的内容数据。——E－F：●E2－F2：业务导航通过此模块得到节目或频道的URL/ID重定向结果（如流服务器地址）——F－G●F3－G1：流服务通过此接口向终端传送媒体内容，同时终端也通过此接口将播放控制命令传送到流服务模块。 A.3通信协议所述参考点之间的使用通信协议进行信息的交换，所用的协议如下：——F3-G1之间的协议：●RTSP/TCP/IP●SDP／UDP/IP●TS/UDP/IP、或TS/RTP/UDP/IP、或RTP/UDP/IP媒体交付与其他功能模块之间的通信协议有待进一步研究。