P2P IPTV技術(shù)瓶頸研究 - 全文

　　寬帶網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，造就Internet上許多熱門的應(yīng)用，其中透過實時視頻傳輸(live streaming)之交互式網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)應(yīng)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(wù)是采用Client-Server架構(gòu)，但隨著使用人數(shù)的增加Server負(fù)載日益增大，服務(wù)供應(yīng)者必須負(fù)擔(dān)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(wù)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(yán)重，使得P2P(Peer-to-Peer)之技術(shù)逐漸被重視，P2P早期是應(yīng)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(luò)電視之P2P IPTV系統(tǒng)亦從學(xué)術(shù)研究階段進展到實際的服務(wù)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(luò)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(yīng)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(fù)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(yīng)用層群播協(xié)議(application layer multicast protocol) 建立用戶連接網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。應(yīng)用于P2P live streaming之網(wǎng)絡(luò)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(xué)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(luò)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(luò)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(shè)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(yīng)用于容易遺失封包的無線網(wǎng)絡(luò)。另外像H264 的multiple description coding and layered encoding則可以應(yīng)用在不同網(wǎng)絡(luò)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(wù)。 主要 PPLive系統(tǒng)有：

　　● PPLive網(wǎng)絡(luò)

　　● ppStream網(wǎng)絡(luò)

　　● QQ直播網(wǎng)絡(luò)

　　● 貓眼網(wǎng)絡(luò)電視(貓撲網(wǎng))

　　● TVKoo網(wǎng)絡(luò)(沸點網(wǎng)絡(luò)電視)

　　● Rox磊客網(wǎng)(原CoolStreaming、光芒傳媒Roxbeam)

　　● Tvants網(wǎng)絡(luò)(電視螞蟻)

　　● Gridmedia網(wǎng)絡(luò)(清華大學(xué)開發(fā))

　　● Uusee網(wǎng)絡(luò)(悠視網(wǎng))

　　● Mysee網(wǎng)絡(luò)(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(wù)給國內(nèi)居民[1]，您可上EBU technical review官網(wǎng)[4]以取得更詳細(xì)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(luò)電話服務(wù))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(wù)。

　　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(luò)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(dāng)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(yīng)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(wù)。而如何做到NAT Traversal(NAT穿透)就成為提供完整P2P服務(wù)的當(dāng)務(wù)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(dǎo)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(yán)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(fù)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(xué)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(luò)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(luò)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(luò)，這將導(dǎo)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(luò)的限制，這限制將導(dǎo)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(luò)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(shè)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(luò)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。