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應用在IPTV中的CDN技術(shù)

2009/01/07

　　摘要：目前在IPTV網(wǎng)上CDN的邊緣訪(fǎng)問(wèn)是提高IP承載網(wǎng)QoS的有效途徑，很多運營(yíng)商在寬帶網(wǎng)上都部署了CDN/MDN，為IPTV網(wǎng)絡(luò )的建設奠定了良好的基礎。CDN網(wǎng)絡(luò )的出現，使互聯(lián)網(wǎng)資源得到了最大限度的利用。將大大推動(dòng)國內IPTV業(yè)務(wù)的發(fā)展。

1、CDN技術(shù)的產(chǎn)生

　　據CCNIC調查統計，截至2005年6月，上網(wǎng)用戶(hù)總人數為1.03萬(wàn)人，國內WWW站點(diǎn)數約為67.75個(gè)，上網(wǎng)計算機數4560萬(wàn)臺。由此可見(jiàn)，上網(wǎng)的用戶(hù)數越來(lái)越多;Web站點(diǎn)的數量繼續在增加;可供訪(fǎng)問(wèn)的資源日趨豐富，特別是文本、圖像、音樂(lè )、廣告、流媒體、動(dòng)畫(huà)等大量涌現;網(wǎng)上業(yè)務(wù)量成倍遞增，造成了對網(wǎng)絡(luò )帶寬的大量需求，并且網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)的延遲與等待總是普遍存在，這些情況導致了網(wǎng)絡(luò )擁塞，服務(wù)器過(guò)載，網(wǎng)上應用等待時(shí)間過(guò)長(cháng)等諸多問(wèn)題，使整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)內容傳送性能下降。

　　如何緩解網(wǎng)絡(luò )擁塞，提高用戶(hù)獲取信息的速度。成為困擾眾多企業(yè)和服務(wù)商的一大難題。依靠增加帶寬來(lái)解決這一問(wèn)題是一個(gè)方面，另外它還受到傳輸途中的路由阻塞和延遲、網(wǎng)站服務(wù)器的處理能力等因素的影響，這些和訪(fǎng)問(wèn)者與網(wǎng)站服務(wù)器之間的距離有密切的關(guān)系。因此，即使各個(gè)ISP將網(wǎng)絡(luò )帶寬加大后，如果訪(fǎng)問(wèn)者和網(wǎng)站之間的距離較遠，它們之間的通信一樣需要經(jīng)過(guò)重重的路由轉發(fā)和處理，網(wǎng)絡(luò )延誤不可避免。而用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )系統性能的要求越來(lái)越高(如對訪(fǎng)問(wèn)的響應時(shí)間、網(wǎng)站內容和服務(wù)提供的可靠性等的要求)，因此CDN(Content Delivery Network)技術(shù)應運而生。

　　1996年，由麻省理工學(xué)院一個(gè)小組提出了CDN的概念，并開(kāi)始對CDN技術(shù)進(jìn)行研究，他們在1999年成立了一個(gè)專(zhuān)業(yè)CDN服務(wù)公司，為Yahoo提供了專(zhuān)業(yè)服務(wù)。如今在國內外已經(jīng)有很多的企業(yè)和服務(wù)商開(kāi)始使用內容傳送網(wǎng)絡(luò )CDN技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

2、CDN的定義

　　CDN的英文全稱(chēng)是Content Delievery Network，即內容傳送網(wǎng)絡(luò )。CDN是建立在現有IP網(wǎng)絡(luò )基礎結構之上的一種增值網(wǎng)絡(luò )。是在應用層部署的一層網(wǎng)絡(luò )架構。

　　提供CDN技術(shù)產(chǎn)品的廠(chǎng)商有各自的解決方案，CDN運營(yíng)商的實(shí)現方式也不同，但CDN技術(shù)實(shí)現的功能是相同的。那就是將多點(diǎn)負載均衡，路由或緩存技術(shù)結合起來(lái)，利用智能分配技術(shù)，將內容根據來(lái)訪(fǎng)用戶(hù)的地點(diǎn)，按照就近訪(fǎng)問(wèn)的原則分配到多個(gè)節點(diǎn)。

　　在傳統的IP網(wǎng)絡(luò )中，用戶(hù)請求直接指向基于網(wǎng)絡(luò )地址的原始服務(wù)器，而CDN業(yè)務(wù)提供了一個(gè)服務(wù)層，補充和延伸了Internet網(wǎng)絡(luò )，把頻繁訪(fǎng)問(wèn)的內容盡可能向用戶(hù)推進(jìn)，提供了處理基于內容進(jìn)行流量轉發(fā)的新能力，把路由導引到最佳服務(wù)器上。動(dòng)態(tài)獲得需要的內容。它改變了分布到使用者信息的方式，從被動(dòng)的內容恢復轉為主動(dòng)的內容轉發(fā)。

　　CDN的核心是邊緣訪(fǎng)問(wèn)和透明訪(fǎng)問(wèn)，以前主要是用于Web訪(fǎng)問(wèn)加速，只支持HTTP/FTP協(xié)議。在2003和2004年國內流媒體業(yè)務(wù)的出現，CDN開(kāi)始支持MMS/RTSP等協(xié)議，CDN得到了很大的發(fā)展，有時(shí)也稱(chēng)為MDN(Media Delievery Network)。

3、CDN技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢

　　3.1 CDN技術(shù)具有的特點(diǎn)

根據用戶(hù)的地理位置和連接帶寬，讓用戶(hù)連接到最近的服務(wù)器上去，訪(fǎng)問(wèn)速度快。

全局負載平衡，提高網(wǎng)絡(luò )資源的利用率，提高網(wǎng)絡(luò )服務(wù)的性能與質(zhì)量。

熱點(diǎn)內容主動(dòng)傳送，自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)更新。

網(wǎng)絡(luò )具有高可靠、可用性，能容錯且很容易擴展。

無(wú)縫地集成到原有的網(wǎng)絡(luò )和站點(diǎn)上去。

　　3.2 CDN技術(shù)具有的優(yōu)勢

可減少消耗的網(wǎng)絡(luò )帶寬，減少網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)的延遲和用戶(hù)響應時(shí)間。提高網(wǎng)絡(luò )性能和網(wǎng)站內容的可用性。

提高網(wǎng)站資源的管理控制能力，智能分配路由和進(jìn)行流量管理。

發(fā)送的內容受到保護，未授權的用戶(hù)不能修改。

內容提供商可在本地自己決定服務(wù)的內容，內容是動(dòng)態(tài)的。

內容提供商在降低成本的同時(shí)，提高了服務(wù)質(zhì)量，提供的內容更多、速度更快。

可線(xiàn)性、平滑地增加新的設備，保護原有的投資。

　　因為上述的特點(diǎn)和優(yōu)勢，CDN技術(shù)能加速和提高寬帶流媒體的使用，使互聯(lián)網(wǎng)的多媒體用戶(hù)更加普及，這些應用包括在線(xiàn)播放、音樂(lè )點(diǎn)播、電視直播、游戲等，大大促進(jìn)網(wǎng)上應用和服務(wù)的發(fā)展。

4、IPTV系統組成

　　IPTV(Internet Protocol TV或Interactive Personal TV)也叫交互式網(wǎng)絡(luò )電視，是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的多媒體通信技術(shù)。IPTV利用寬帶網(wǎng)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議(IP)傳送電視信號，向家庭用戶(hù)提供包括電視節目在內的多種交互式數字媒體服務(wù)。

　　IPTV的工作原理是把源端的電視信號數據進(jìn)行編碼處理，轉化成適合IP網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據形式，然后通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )傳送，最后在接收端進(jìn)行解碼，再通過(guò)電腦或是電視播放。由于數據的傳輸速度要求比較高，所以要采用最新的高效視頻壓縮技術(shù)，例如H.264，MPEG4等。IPTV的系統組成如圖1所示：

　　(1)IPTV終端

　　目前IPTV終端主要有三種形式，即PC、機頂盒+普通電視機和手機。

　　(2)接入系統

　　接入系統主要為IPTV終端提供接入功能，使IPTV終端能夠順利接入到IP承載網(wǎng)。目前，ADSL作為寬帶接入網(wǎng)的一種方式在幾年內仍然占主導地位，以太網(wǎng)接入方式也漸漸增多。采用FTTC/FTTB的方式，結合ADSL，SDSL，Cable Modem等技術(shù)，也可使用FTTC+HFC的方式向用戶(hù)提供寬帶接入。

　　(3)IP承載網(wǎng)絡(luò )

　　用于傳送IPTV的承載網(wǎng)絡(luò )，是基于TCP/IP協(xié)議的，可以是公網(wǎng)。也可以是專(zhuān)網(wǎng)。

　　(4)內容媒體服務(wù)系統

　　該部分主要完成節目的數字化，將原始節目進(jìn)行編碼、壓縮，成為能夠在IP網(wǎng)絡(luò )上傳。

　　(5)節目源

　　節目源可以是攝像機、電視臺、VCD光盤(pán)、衛星輸入信號等。

5、CDN技術(shù)在IPIV中的應用

　　IPTV系統對于用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量有很高的要求，而且要保證播放的流暢。在廣域網(wǎng)內，從用戶(hù)的客戶(hù)端到流媒體服務(wù)器之間經(jīng)過(guò)了一個(gè)很復雜的路由以后，就很難保證播放的流暢了。為了克服網(wǎng)絡(luò )復雜路線(xiàn)帶來(lái)的制約，在IPTV中必須通過(guò)邊緣服務(wù)來(lái)實(shí)現最終用戶(hù)的點(diǎn)播服務(wù)，所以要把內容從中心服務(wù)器有效地分發(fā)到邊緣服務(wù)器，就可以通過(guò)CDN把內容從中心存儲服務(wù)器分發(fā)到邊緣服務(wù)器。

　　CDN的核心思想是將內容從中心推倒靠近用戶(hù)的邊緣。使用戶(hù)可以就近取得所需的內容，這樣不但有效提高了用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)內容的性能，而且有效減輕了中心設備和骨干網(wǎng)絡(luò )的壓力。通過(guò)CDN，可以將內容分發(fā)從原來(lái)的單一中心結構變?yōu)榉植际降慕Y構，提高用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站的響應速度。因而，CDN可以提高網(wǎng)絡(luò )中信息流動(dòng)的效率，從技術(shù)上全面解決由于網(wǎng)絡(luò )帶寬小、用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)量大、網(wǎng)點(diǎn)分布不均等問(wèn)題，提高用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的響應速度。

　　雖然CDN不是一個(gè)新概念，它的發(fā)展也已經(jīng)有很多年的歷史，但是CDN并沒(méi)有統一的協(xié)議標準，各廠(chǎng)家的CDN解決方案在實(shí)現上各不相同，但在一個(gè)CDN網(wǎng)絡(luò )中主要包含的功能實(shí)體都相同，包括內容緩存設備、內容交換機、內容路由器、CDN內容管理等。

　　內容緩存設備是CDN的業(yè)務(wù)提供點(diǎn)，是面向最終用戶(hù)的內容提供設備，可緩存靜態(tài)的Web內容和流媒體內容，實(shí)現內容的邊緣傳播和存儲，以便最終用戶(hù)的就近訪(fǎng)問(wèn)，因此一般部署于集中的用戶(hù)接入點(diǎn)，完成內容邊緣存儲的設備通常都采用Cache技術(shù)來(lái)實(shí)現。對于在Cache節點(diǎn)中的存儲，是Cache設計的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，需要考慮的因素包括功能和性能兩個(gè)方面：功能上包括對各種內容格式的支持，對部分緩存的支持，在性能上包括支持的容量、多文件吞吐率、可靠性、穩定性。

　　內容交換機處于用戶(hù)接入集中點(diǎn)和POP點(diǎn)，可對內容進(jìn)行緩存負載平衡及訪(fǎng)問(wèn)控制。在很多設備情況下和內容緩存集中在一個(gè)設備上。內容交換機可以均衡單點(diǎn)多個(gè)內容緩存設備的負載，它基于最終用戶(hù)會(huì )話(huà)和特定的內容請求提供內容服務(wù)。內容交換機是CDN的可選部件之一，對于較大型的用戶(hù)接入點(diǎn)，內容交換機可以提高站點(diǎn)的可用性。

　　內容路由器負責將用戶(hù)的請求調度到適當的設備上，內容路由通常通過(guò)負載均衡系統來(lái)實(shí)現，負載均衡系統是實(shí)現CDN的內容路由功能。它的作用是動(dòng)態(tài)均衡各個(gè)內容緩存站點(diǎn)的負荷分配，為用戶(hù)的請求選擇最佳的訪(fǎng)問(wèn)站點(diǎn)，同時(shí)提高網(wǎng)站的可用性。內容路由根據網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、網(wǎng)絡(luò )延時(shí)、服務(wù)器負荷與規則等策略設定，指定最優(yōu)站點(diǎn)向特定的內容請求提供服務(wù)。內容路由器可根據多種因素制定路由，包括站點(diǎn)與用戶(hù)的臨近度、內容的可用性、網(wǎng)絡(luò )負載、設備狀況等。負載均衡系統是整個(gè)CDN的核心。負載均衡的準確性和效率直接決定了整個(gè)CDN的效率和性能。

　　內容管理系統主要負責整個(gè)CDN系統的管理，是CDN的可選部件，它的作用是進(jìn)行內容管理，如內容的注入和發(fā)布、內容的分發(fā)、內容的審核、內容的服務(wù)等，并能夠讓網(wǎng)絡(luò )內容分布和傳輸服務(wù)的用戶(hù)或者服務(wù)供應商可以根據需要監視、管理或者控制網(wǎng)絡(luò )內容的分布、設備狀態(tài)等。

6、CDN的技術(shù)實(shí)現

　　目前，關(guān)于CDN業(yè)務(wù)的產(chǎn)品和設備各廠(chǎng)商都不相同。解決方案也有很大的差別，各個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品并不兼容。下面介紹幾家有代表性的公司對于CDN業(yè)務(wù)的技術(shù)實(shí)現。

　　6.1 Inktomi公司的CDN技術(shù)實(shí)現

　　Inktomi公司的CDN系統是一套在分布式Web環(huán)境下提供Web內容的分發(fā)和同步的軟件。它由主要由內容分發(fā)器、內容管理器以及它們的代理所組成。

　　(1)內容分發(fā)器通過(guò)可靠的和安全的手段，將Web內容的分發(fā)到多個(gè)Web服務(wù)器以及緩存服務(wù)器，并保證其內容的同步。

　　(2)內容管理器則采集各Web服務(wù)器和緩存服務(wù)器的狀態(tài)，提供集中的管理功能。對于內容分發(fā)器和內容管理器之間的通訊，由系統的控制器來(lái)完成。

　　6.2 Cisco公司的CDN技術(shù)實(shí)現

　　Cisco公司的CDN系統由五種技術(shù)構成：內容分布及管理、內容路由選擇、內容邊沿傳播、內容交換和智能網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。

　　(1)內容分布和管理技術(shù)可以實(shí)現自動(dòng)分布內容，同時(shí)提供實(shí)時(shí)監控。內容分發(fā)管理器(CDM4670)能夠實(shí)現對整個(gè)CDN網(wǎng)絡(luò )的高效與集中控制，它與內容引擎和內容路由器協(xié)同工作。內容路由選擇技術(shù)確保內容的可用性，并提供全球負載能力;內容交換技術(shù)可以根據內容可用性、應用可用性及服務(wù)器負載，在POP(演示點(diǎn))或分布式數據中心的提交節點(diǎn)處，智能地實(shí)現信息量負載平衡;

　　(2)內容路由器(CR 4450)可根據多種因素制定路由，包括站點(diǎn)與用戶(hù)的鄰近度、內容可用性、網(wǎng)絡(luò )負載、設備狀況等。定位最適合的站點(diǎn)響應內容請求;

　　(3)內容交換提供突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)保護、基于URL的服務(wù)器負載均衡、動(dòng)態(tài)內容復制以及動(dòng)態(tài)的內容重定向等功能。采用CiscoWebNS軟件提供內容路由服務(wù)，通過(guò)將用戶(hù)與內容劃入不同區域的方法，保證內容請求選擇最佳的站點(diǎn)與服務(wù)器：

　　(4)內容邊沿傳播技術(shù)能夠確保網(wǎng)絡(luò )向最終用戶(hù)提交內容，加速內容傳播，減輕WAN和源內容服務(wù)器的負擔內容引擎是內容邊緣傳播設備。內容引擎是內容邊緣傳播設備。內容可以由內容引擎根據特別指示將內容從源內容服務(wù)器中提取，通過(guò)透明緩存定制經(jīng)常被訪(fǎng)問(wèn)的內容;

　　(5)智能網(wǎng)絡(luò )服務(wù)技術(shù)能夠提供包括各種IP基礎設施中的多項智能服務(wù)，如安全性、QoS、VPN和組播等。

　　6.3 F5公司的CDN技術(shù)實(shí)現

　　F5公司的CDN解決方案是關(guān)于內容發(fā)送網(wǎng)絡(luò )服務(wù)并建立在緩存的基礎上，它的基礎架構包括：內容復制、高可靠性和負載平衡、緩存、對Web和緩存服務(wù)器的全面支持、網(wǎng)絡(luò )管理。

　　(1)全球站點(diǎn)控制器負責在CDN內管理內容復制，將前置和復制內容到適當的緩存和Web服務(wù)器。自動(dòng)地分布和同步到網(wǎng)絡(luò )內的全部站點(diǎn)。

　　(2)BIG-IP控制器和3-DNS控制器用于提供本地的和區域的高可靠性和智能負載平衡。BIG-IP把用戶(hù)流量引向性能最好的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)和緩存服務(wù)器。為管理應用(Cookie交換、URL交換、穩定復用方法、內容和應用的探查和校驗等)提供豐富的特征。通過(guò)放到不同的緩存陣列中以區分個(gè)別對象(而不是域或URL)來(lái)保證效率最高。當內容被更新時(shí)。管理服務(wù)器與全球站點(diǎn)間的通信。提供附加的安全特征(缺省網(wǎng)關(guān)、NAT、SNAT、包過(guò)濾、端口映射)。3-DNS解決用戶(hù)需求和指導他們到全球最好的站點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )和站點(diǎn)管理提供智能的全球負載平衡和高可靠性，為冗余的站點(diǎn)的起點(diǎn)/邊界點(diǎn)提供災難恢復，為監視、報導和收費發(fā)送統計，使用基于性能的用戶(hù)重定向。

　　(3)EDGE-FXTM緩存能增加網(wǎng)絡(luò )站點(diǎn)性能，增加網(wǎng)絡(luò )帶寬能力，加速對終端用戶(hù)的內容傳送。在靠近終端用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )的邊緣，允許Web數據的存儲，從網(wǎng)絡(luò )邊緣而檢索數據。

　　(4)支持地理分布的Web和緩存服務(wù)器以及非F5的產(chǎn)品集成包括了所有的基于IP的服務(wù)器技術(shù)，包括ERP應用、所有的基于Web的應用和電子郵件應用等。

　　(5)SEE-IT網(wǎng)絡(luò )管理器為網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳送分析和報告，包括配置、計費和協(xié)調緩存內容分布的規則等。

7、結束語(yǔ)

　　目前在IPTV網(wǎng)上CDN的邊緣訪(fǎng)問(wèn)是提高IP承載網(wǎng)QoS的有效途徑，很多運營(yíng)商在寬帶網(wǎng)上都部署了CDN/MDN，為IPTV網(wǎng)絡(luò )的建設奠定了良好的基礎。CDN網(wǎng)絡(luò )的出現，使互聯(lián)網(wǎng)資源得到了最大限度的利用。將大大推動(dòng)國內IPTV業(yè)務(wù)的發(fā)展。

IT專(zhuān)家網(wǎng)

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