P2P IPTV技術(shù)瓶頸研究 - 全文
寬帶網(wǎng)絡的蓬勃發(fā)展,造就Internet上許多熱門的應用,其中透過實時視頻傳輸(live streaming)之交互式網(wǎng)絡電視(IPTV)應用,更是多方搶食的一塊大餅。傳統(tǒng)上在Internet提供電視廣播服務是采用Client-Server架構(gòu),但隨著使用人數(shù)的增加Server負載日益增大,服務供應者必須負擔的成本會越來越高。而IPTV集寬帶有線電視網(wǎng),集因特網(wǎng)、多媒體、通訊等多種技術(shù)于一體,提供包括數(shù)字電視在內(nèi)的多種交互式服務之嶄新技術(shù)。
隨著Internet的使用人口增加,Client-Server架構(gòu)所面臨的問題日益嚴重,使得P2P(Peer-to-Peer)之技術(shù)逐漸被重視,P2P早期是應用在Skype語音對話以及BT檔案傳輸上,而近一、二年利用P2P 提供網(wǎng)絡電視之P2P IPTV系統(tǒng)亦從學術(shù)研究階段進展到實際的服務平臺。因此本文將針對P2P IPTV技術(shù)作一簡單介紹。首先我們將先介紹P2P IPTV之系統(tǒng)架構(gòu)以及現(xiàn)況,再針對現(xiàn)有技術(shù)之瓶頸,提供解決方法。
P2P網(wǎng)絡電視架構(gòu)
● P2P live streaming
P2P技術(shù)的主要概念是每個P2P的用戶在應用層組成一個重迭網(wǎng)(Overlay Network),每個用戶既是信息接收者亦是傳送者。以BT共享下載文件為例,下載同一個文件的眾多用戶,每一個用戶終端只需要下載文件的一個片段,然后互相交換,最終每個用戶都可以得到所有片段以組合成一個完整的文件。此一P2P 架構(gòu)的優(yōu)點在于用戶數(shù)增加時并不會同時增加伺服端的負載。
我們以圖一來說明P2P數(shù)據(jù)傳遞概念:第一步、每個用戶跟Media Server 要求影音片段,有些片段在傳輸過程因某些原因而遺失了。第二步、左邊的Peer 跟中間的Peer 要求它尚未收到的影音片段。第三步、中間的Peer 跟右邊的Peer 要求它尚未收到的影音片段。第四步、右邊的Peer 跟中間的Peer 要求它尚未收到的影音片段。最后,每個peer 都擁有完整的影音片段。
然而要利用P2P 技術(shù)實現(xiàn)實時廣播live streaming,例如看奧運實況轉(zhuǎn)播則必須考慮影音數(shù)據(jù)傳遞的實時性。要達到此一功能,必須考慮三個問題:
1.P2P重迭網(wǎng)(Overlay Network)
連結(jié)算法
Peer在Internet進行搜尋以找到擁有所需內(nèi)容和計算能力的Peer IP;之后利用應用層群播協(xié)議(application layer multicast protocol) 建立用戶連接網(wǎng)絡架構(gòu)。應用于P2P live streaming之網(wǎng)絡最早為樹狀結(jié)構(gòu),每個Peer 從上層peer 接收數(shù)據(jù)然后傳送給下層peer。
2004年5月歐洲杯足球期間,香港科技大學張欣研博士在Planetlab網(wǎng)開發(fā)的CoolStreaming原型系統(tǒng)。這套系統(tǒng)使用Goosip協(xié)議在用戶之間傳播控制信令,實現(xiàn)多點對多點網(wǎng)狀架構(gòu)之live streaming 功能。
2.視頻片段傳遞排程算法
為了提供實時廣播,視頻片段到達用戶的時間便必須早于它的撥放時間。樹狀架構(gòu)網(wǎng)絡上Peer 只從上層peer 接收數(shù)據(jù),其接收視頻片段順序即是撥出的順序。但在多點對多點網(wǎng)狀架構(gòu)上,peer 可從多個sender peer 接收數(shù)據(jù),因為peer 跟peer 間網(wǎng)絡聯(lián)機狀況不同,因此先要求的視頻片段不一定會早到。因此需要特別設計視訊片段傳遞排程算法以符合實時播放的要求。
3.多重視頻編碼技術(shù)
在多點對多點網(wǎng)狀架構(gòu)上視頻片段可以從多個sender peer 來接收,舉例若將影片作多重編碼,如圖2所示,一個視頻片段被重新編碼為12數(shù)據(jù)片段(data stream),若能保證peer收到其中任四個數(shù)據(jù)片段,即可重組回原來的視頻片段,那此技術(shù)便可以應用于容易遺失封包的無線網(wǎng)絡。另外像H264 的multiple description coding and layered encoding則可以應用在不同網(wǎng)絡頻寬下之用戶終端裝置,頻寬大的用戶終端(ex. xDSL)可以接收全部數(shù)據(jù)以取得較佳視頻質(zhì)量之影片,頻寬小用戶終端(3G) 只可以接收部份數(shù)據(jù)以取得基本視頻質(zhì)量之影片。
P2P IPTV 現(xiàn)況
P2P IPTV目前在中國發(fā)展最為蓬勃發(fā)展,目前有十多個網(wǎng)站使用各自發(fā)展的軟件提供P2P IPTV業(yè)務。 主要 PPLive系統(tǒng)有:
● PPLive網(wǎng)絡
● ppStream網(wǎng)絡
● QQ直播網(wǎng)絡
● 貓眼網(wǎng)絡電視(貓撲網(wǎng))
● TVKoo網(wǎng)絡(沸點網(wǎng)絡電視)
● Rox磊客網(wǎng)(原CoolStreaming、光芒傳媒Roxbeam)
● Tvants網(wǎng)絡(電視螞蟻)
● Gridmedia網(wǎng)絡(清華大學開發(fā))
● Uusee網(wǎng)絡(悠視網(wǎng))
● Mysee網(wǎng)絡(美視網(wǎng))
同時電信運營商也開始加入這一潮流,貴州網(wǎng)通采用上海網(wǎng)用公司的技術(shù)開展實驗運營,另外上海電信也在實驗。2005年湖南衛(wèi)視超女總決賽,PPLive進行了網(wǎng)上直播,有50萬人同時在線收看。
在歐美,英國BBC在2004年開始即嘗試在英國國內(nèi)提供P2P IPTV服務給國內(nèi)居民[1],您可上EBU technical review官網(wǎng)[4]以取得更詳細的資料。另外去年Kazaa(2001年創(chuàng)立的P2P音樂分享網(wǎng)站)與Skype(2003年創(chuàng)立的P2P網(wǎng)絡電話服務)的共同創(chuàng)辦人Janus Friis與Niklas Zennstrom亦著手進行的P2P IPTV新計劃(The Venice Project),現(xiàn)已改名為Joost,亦是許多使用者所期待新服務。
P2P IPTV 瓶頸
● NAT
隨著因特網(wǎng)的普及,IPv4的32位尋址法已不敷使用,而NAT(網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換Network Assess Traversal)技術(shù)的出現(xiàn)在某種意義上解決了IPv4地址不足的問題。NAT透過Private IP Address,讓多個結(jié)點只用少數(shù)的Public IP Address就能連上Internet。當NAT內(nèi)部結(jié)點往外連接時,會將該Private IP替換成Public IP,并將對應關(guān)系記錄在NAT mapping table中。
透過NAT連接時,對外隱藏了其內(nèi)部結(jié)點結(jié)構(gòu),它只允許從內(nèi)部發(fā)起的連接請求,也拒絕了所有不是由內(nèi)部發(fā)起的外部連接,因為它根本不知道要把這個連接轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部的哪臺主機,所以分處于NAT內(nèi)外兩端的Peers就無法做到P2P的服務。而如何做到NAT Traversal(NAT穿透)就成為提供完整P2P服務的當務之急。
● NAT-T
P2P數(shù)據(jù)可透過UDP(非聯(lián)機型Connectionless的非可靠傳輸協(xié)議)或TCP(聯(lián)機導向Connection-Oriented的可靠傳輸協(xié)議),UDP已有STUN [RFC 3489]公定的解決方法。但規(guī)范嚴格的TCP目前尚未有好的解決方案,故本段將會針對TCP部分多所著墨。而穿透NAT分為兩種情況,一、只有一端節(jié)點在NAT后,二、兩端的節(jié)點分別在不同的NAT后。
第一種情況我們可以采NAT后端節(jié)點主動式的方法解決,也就是由NAT后端的節(jié)點主動對外部節(jié)點發(fā)出需求,外部節(jié)點透過這一通道來建立聯(lián)機的一種方式。但第二種就是比較棘手的情況了,最常見的方法是將數(shù)據(jù)經(jīng)由第三者轉(zhuǎn)傳,但為了節(jié)省轉(zhuǎn)傳產(chǎn)生的負載及COST,我們期望找出一個可以讓NAT后面的兩個節(jié)點直接建立TCP連接的解決方案。
目前康乃爾大學提出一個穿透不同NAT直接連接TCP的方法,被稱為NUTSS [4]。NUTSS的目的是達到global connectively的境界,讓所有在不同架構(gòu)下的節(jié)點彼此之間都能夠建立聯(lián)機,不會因為在NAT后而受到影響。NUTSS使用STUNT(Simple Traversal of UDP through Nats and TCP)協(xié)議去開啟NAT后節(jié)點的TCP連接。架構(gòu)如下圖3,兩個不同NAT后的節(jié)點在建立聯(lián)機的初期,先透過第三者(在NTUSS里稱之為tracker)協(xié)助建立聯(lián)機,聯(lián)機建立完成后,兩個節(jié)點便可直接做數(shù)據(jù)的傳輸,不需再經(jīng)過第三者轉(zhuǎn)傳。
STUNT經(jīng)過數(shù)次封包傳輸溝通得知另一端主機的IP、Port-binding機制、封包過濾規(guī)則(Packet filtering rule),進而調(diào)節(jié)達到Peer間直接聯(lián)機。NUTSS有一個缺點,STUNT協(xié)議依靠于為了能夠TCP連接的欺騙包,這包在真實的網(wǎng)絡作了限制。協(xié)議為了TCP連接傳送假的封包,這封包在真實的網(wǎng)絡中是可能發(fā)生問題的。許多ISP作了進入過濾以防止欺騙包進入他們的網(wǎng)絡,這將導致作者的協(xié)議失敗。許多ISP作了過濾假封包進入他們的網(wǎng)絡的限制,這限制將導致協(xié)議的失敗。欺騙不能是真實連接主機的組成部分。
結(jié)論
P2P IPTV 提供一個在Internet上布署live streaming 之可行技術(shù),營運商可以利用此技術(shù)降低Scale 及Cost的影響,目前已成為布署IPTV 的技術(shù)新趨勢。但另一方面從ISP業(yè)者的角度來看,P2P IPTV卻會增加其網(wǎng)絡傳輸量甚至可能影響其它的數(shù)據(jù)傳輸,目前已有ISP業(yè)者著手設法阻擋P2P 的數(shù)據(jù)封包或是降低其傳輸優(yōu)先權(quán)。另外對于現(xiàn)今有越來越多的網(wǎng)絡使用者都隱藏在NAT或防火墻后,因此找出一個任何環(huán)境下都能直接建立TCP聯(lián)機的方法,對于P2P的發(fā)展將有很大的幫助。
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