隨著嵌入式技術(shù)這幾年的迅速發(fā)展，在個人電腦平臺上正顯示出強大市場需求的流媒體技術(shù)，目前逐漸有向嵌入式平臺轉(zhuǎn)移的趨勢。個人便攜化、家電化的媒體消費需求，為這次平臺的轉(zhuǎn)移提供了市場契機。IPTV正是在這場消費革命中處在風口浪尖的焦點。業(yè)內(nèi)大多認為IPTV蘊含了巨大的商業(yè)利益，但至今仍鮮有涉足者，其中原因之一是網(wǎng)絡速度問題。本文介紹了對等網(wǎng)絡技術(shù)，即點對點(P2P)技術(shù)，將其應用到IPTV網(wǎng)絡傳輸中，可充分利用每一終端的上下行信道，并且不需要路由器等硬件支持組播，可以為IPTV網(wǎng)絡傳輸瓶頸問題提供一種解決方案。

一、對等網(wǎng)絡技術(shù)

1.對等網(wǎng)絡簡介

對等網(wǎng)絡(peer-to-peernetwork)，常被稱為P2P或點對點，是近年來興起的一種新型網(wǎng)絡技術(shù)。它在傳輸方式上打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的服務器/客戶端(C/S)模式的定式，建立了一種客戶端對客戶端的直接通信機制，這種通信方式也為未來網(wǎng)絡的發(fā)展提供了思路。在對等網(wǎng)絡中，每一節(jié)點既作為客戶端，又充當他人的服務器，從某種意義上，每一結(jié)點都處在同等地位。對等網(wǎng)絡是對分布式概念的成功拓展，它將傳統(tǒng)方式下的服務器負擔分配到網(wǎng)絡中的每一節(jié)點上，每一節(jié)點都將承擔有限的存儲與計算任務，加入到網(wǎng)絡中的節(jié)點越多，節(jié)點貢獻的資源也就越多，其服務質(zhì)量也就越高。

反觀現(xiàn)在網(wǎng)絡上仍占主導地位的C/S服務模式，雖然近年來，終端用戶的網(wǎng)絡帶寬逐年提高，但用戶使用感受仍未有大的改觀，主要也是由于各大服務器不堪重負，用戶數(shù)量大幅上升時，服務器甚至有面臨崩潰的危險，而此時空閑的鏈路帶寬正被白白浪費掉。而P2P方式的網(wǎng)絡服務，正好能充分挖掘網(wǎng)絡的空閑資源，不需要增加投入，就能服務更多用戶。因而可以看到，對等網(wǎng)絡技術(shù)的優(yōu)勢是不言而喻的，它將在未來的網(wǎng)絡應用中，創(chuàng)造巨大的價值。

2.對等網(wǎng)絡的基本結(jié)構(gòu)

對等網(wǎng)絡一般按組織結(jié)構(gòu)的不同，分為三種類型。

集中式對等網(wǎng)絡

集中式的對等網(wǎng)絡其實并不是完全意義上的對等網(wǎng)絡，這是一種介于C/S模式與對等網(wǎng)絡之間的基于P2P理念的對傳統(tǒng)網(wǎng)絡方式的拓展。集中式對等網(wǎng)絡基于中央目錄服務器，為網(wǎng)絡中各節(jié)目提供目錄查詢服務，傳輸內(nèi)容無需再經(jīng)過中央服務器。這種網(wǎng)絡，結(jié)構(gòu)比較簡單，中央服務器的負擔大大降低。但由于仍存在中央節(jié)點，容易形成傳輸瓶頸，擴展性也比較差，不適合大型網(wǎng)絡。但由于目錄集中管理，對于小型網(wǎng)絡的管理和控制上倒是一種可選擇方案。

(2)無結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡

無結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡與集中式的最顯著區(qū)別在于，它沒有中央服務器，所有結(jié)點通過與相鄰節(jié)點間的通信，接入整個網(wǎng)絡。在無結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中，節(jié)點采用一種查詢包的機制來搜索需要的資源。具體的方式為，某節(jié)點將包含查詢內(nèi)容的查詢包發(fā)送到與之相鄰的節(jié)點，該查詢包以擴散的方式在網(wǎng)絡中蔓延，由于這樣的方式如果不加節(jié)制，會造成消息泛濫，因此一般會設置一個適當?shù)纳�存時間(TTL)，在查詢的過程中遞減，當TTL值為0時，將不再繼續(xù)發(fā)送。

這種無結(jié)構(gòu)的方式，組織方式比較松散，節(jié)點的加入與離開比較自由，當查詢熱門內(nèi)容時，很容易就能找到，但如果需求的內(nèi)容比較冷門，較小的TTL不容易找到，而較大的TTL值又容易引起較大的查詢流量，尤其當網(wǎng)絡范圍擴展到一定規(guī)模時，即使限制的TTL值較小，仍然會引起流量的劇增。但當網(wǎng)絡中存在一些擁有豐富資源的所謂的類服務器節(jié)點時，可顯著提高查詢的效率。

(3)結(jié)構(gòu)化分布式網(wǎng)絡

結(jié)構(gòu)化分布式網(wǎng)絡，是近幾年基于分布式哈希表(DistributedHashTable)技術(shù)的研究成果。它的基本思想是將網(wǎng)絡中所有的資源整理成一張巨大的表，表內(nèi)包含資源的關(guān)鍵字和所存放結(jié)點的地址，然后將這張表分割后分別存儲到網(wǎng)絡中的每一結(jié)點中去。當用戶在網(wǎng)絡中搜索相應的資源時，它將能發(fā)現(xiàn)存儲與關(guān)鍵詞對應的哈希表內(nèi)容所存放的結(jié)點，在該結(jié)點中存儲了包含所需資源的結(jié)點地址，然后發(fā)起搜索的結(jié)點根據(jù)這些地址信息，與對應結(jié)點連接并傳輸資源。這是一種技術(shù)上比較先進的對等網(wǎng)絡，它具有高度結(jié)構(gòu)化，高可擴展性，結(jié)點的加入與離開比較自由。這種方式適合比較大型的網(wǎng)絡。

二、對等網(wǎng)絡技術(shù)在IPTV中的應用

1.IPTV的現(xiàn)狀

國內(nèi)IPTV與P2P一直是沿著兩個不同的方向發(fā)展。由于IPTV與傳統(tǒng)電視收看方式相似，基本上被看作是有線電視(CATV)或數(shù)字電視(DVB)的升級，因而在設計思路上沿用了與之類似的中央服務器的模式。在傳統(tǒng)的方式中，網(wǎng)絡基本上是廣播式的單向信道，即客戶端沒有能力或只有很少能力發(fā)送上行信息，在這種方式下，所有的服務內(nèi)容由中央服務器發(fā)送，所有的處理工作完全由中央服務器完成，無法實現(xiàn)P2P的連接。

為了在C/S模式下解決IPTV中的服務器瓶頸問題，目前的方案大多擬采用組播技術(shù)，以及配合中央服務器一邊緣服務器的內(nèi)容分發(fā)策略(CDS)來實現(xiàn)。

組播技術(shù)也是近年來十分熱門的，優(yōu)于廣播方式的網(wǎng)絡中一點對多點傳輸服務技術(shù)。在傳統(tǒng)的一點對多點通信中，服務器對每一個請求連接的客戶端都要建立獨立的連接，一般的服務器最大能提供的連接數(shù)量是相當有限的，因此這種方式并不適合媒體服務。廣播方式下，可以不用為每個用戶建立相應的連接，只將有需求的內(nèi)容向每個子網(wǎng)以廣播方式發(fā)送一份拷貝，這樣可以保證所有用戶都能接收到這份數(shù)據(jù)。但這種方式的弊端是顯而易見的，大量的沒有請求這項內(nèi)容的用戶也都收到了這份數(shù)據(jù)，這將造成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的泛洪，引起阻塞。由此，產(chǎn)生了組播技術(shù)。在組播方式下，增加了一個組播組的概念，當用戶請求服務時將加入這個組，服務器只向有需要的子網(wǎng)的組播地址發(fā)送一份數(shù)據(jù)拷貝，當這份數(shù)據(jù)到達子網(wǎng)路由器時，路由器將根據(jù)當前組成員狀況進行發(fā)送，這樣只有當前的組成員能夠接收到這份數(shù)據(jù)，從而保證了帶寬不被浪費。

2.對等網(wǎng)絡在IPTV中的應用

組播對于減輕服務器負擔是有相當作用的，但是組播對硬件要求較高，需要數(shù)據(jù)源和接收者的下層網(wǎng)絡都能支持組播協(xié)議。而且組播方式，依然沒有利用到客戶端的上行通道，即用戶接收到的數(shù)據(jù)仍然不能轉(zhuǎn)發(fā)給其他有相同需要的用戶。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡方式與對等網(wǎng)絡方式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)對比如圖1。采用對等網(wǎng)絡技術(shù)的IPTV系統(tǒng)，對底層硬件基本沒有要求，只需在應用層上修改即可。由于IPTV具有實時媒體的特點，網(wǎng)絡節(jié)點并不需要保存資源信息的相關(guān)內(nèi)容，每節(jié)點在某一時刻只能提供一種資源的服務，因此對等網(wǎng)絡中基于搜索的機制完全可以不予考慮。另外，由于IPTV系統(tǒng)必須具備良好的用戶認證收費管理子系統(tǒng)，以及提供相關(guān)增值服務的功能，因此不能允許用戶隨便加入網(wǎng)絡，需要有健全的用戶管理機制。針對IPTV這種特性，在IPTV中應用對等網(wǎng)絡技術(shù)，采用集中式的結(jié)構(gòu)比較合適。

圖1 IPTV中傳統(tǒng)網(wǎng)絡與對等網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)對比

在基于對等網(wǎng)絡的IPTV系統(tǒng)中采用集中式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中應存在少量的中央服務器，這些服務器除了保存節(jié)目內(nèi)容資源外，還要保存當前的節(jié)目單信息和正在收看節(jié)目的客戶端信息。當用戶請求收看某一節(jié)目時，服務器將返回正在收看該節(jié)目的用戶，這里服務器可以根據(jù)請求來源的路由信息，在所有收看該節(jié)目的用戶中挑選與請求用戶最接近的，也就是連通性最好的用戶信息進行返回。用戶收到服務器返回的地址信息后，即開始與正在收看的用戶進行連接，獲取節(jié)目內(nèi)容。

在這種對等網(wǎng)絡中，內(nèi)容服務器只需進行少量的內(nèi)容分發(fā)，甚至對某些熱門節(jié)目只進行一路分發(fā)，即可滿足大量的用戶收看需求。與傳統(tǒng)的節(jié)目分發(fā)方式相比，既不需要復雜的調(diào)度算法，也不用承擔上千甚至上萬的媒體傳輸連接，壓力可以說極大降低，而用戶的服務質(zhì)量并不會因此降低。相反，對某些熱門節(jié)目會因為收看人數(shù)眾多，數(shù)據(jù)來源穩(wěn)定，而享受更好的服務質(zhì)量。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡中，當某一臺服務器發(fā)生故障，可能會影響一部分用戶的收看，用戶需要到更遠的服務器上去接收節(jié)目內(nèi)容，這樣網(wǎng)絡速度會變慢，這又同時加重了這臺服務器的負擔，即增加了該服務器出現(xiàn)故障的風險，有可能造成連鎖故障效應。如果為了避免這種情況，把用戶限制在某一區(qū)域內(nèi)，則這部分用戶在故障時無法接受服務。

然而，采用對等網(wǎng)絡方式時，由于把服務器的絕大部分負擔分散并轉(zhuǎn)移到了所有的用戶端，服務器出現(xiàn)故障的概率大幅下降，而且即使某臺服務器出現(xiàn)故障，只要網(wǎng)絡中仍有其他分發(fā)該服務器上內(nèi)容的其他服務器，即只要網(wǎng)絡中仍存在該內(nèi)容的源，用戶就能收看到該節(jié)目，并不受出故障服務器的影響。因為在對等網(wǎng)絡中，所有的節(jié)點既是終端用戶，又是服務器，某一節(jié)目的服務是由許多同時收看該節(jié)目的用戶共同提供的。這使系統(tǒng)具有了一種軟容量的特性，即與傳統(tǒng)電視網(wǎng)絡所能服務的最大用戶數(shù)固定不同，基于對等網(wǎng)絡的IPTV系統(tǒng)，其最大容量并不固定，而且用戶數(shù)越多，其服務質(zhì)量越好，用戶數(shù)量增加并不需要增加服務器端的投入。

三、存在的不足及解決方法的提出

基于對等網(wǎng)絡的IPTV系統(tǒng)，雖然具有諸多優(yōu)越性，但仍有一些不足之處。其中最大的問題是網(wǎng)絡的安全性存在隱患。由于對等網(wǎng)絡中，節(jié)目來源不局限于服務器了，用戶受到服務器的制約比傳統(tǒng)方式下少了很多，這樣非法的用戶可以繞開向服務器申請資源這一步，直接向用戶端進行連接。由于用戶端必須保存一份當前收看節(jié)目的用戶列表，以保持與這些用戶的連接，并根據(jù)緩沖狀況及時增加新的連接。而非法用戶接入某一合法用戶后，也可獲得這張列表，即可發(fā)起連接，從而實現(xiàn)不與服務器通信就能收看到節(jié)目。

前面說過，IPTV系統(tǒng)必須有良好的計費管理機制，并具有一定的擴展性以提供更多增值服務。針對上面的問題，固然可以加密保存用戶端的當前用戶列表，并禁止用戶之間交換該列表信息，即只允許從服務器端獲取用戶列表，但這樣也只是治標的辦法。為了提供更高的安全性，可采用數(shù)字版權(quán)管理(DRM)技術(shù)從根本上對內(nèi)容進行加密，這樣即使非法用戶獲取了內(nèi)容，沒有得到授權(quán)，仍然無法觀看到節(jié)目。

在IPTV中的數(shù)字版權(quán)管理可以如下方式工作：在每臺用戶接收終端建立一個與硬件相關(guān)并可對用戶身份進行惟一鑒別的ID號，簡單方式下采用網(wǎng)卡的MAC地址即可，也可以采用其他數(shù)字加密的智能卡等設備用以提高系統(tǒng)的安全性。在內(nèi)容分發(fā)之前，使用密鑰對媒體進行加密，這樣要想收看該內(nèi)容，必須使用相同的密鑰進行解密，然后將該密鑰與節(jié)目內(nèi)容分開存儲。在系統(tǒng)中建立單獨的用戶驗證服務器，實際操作中可與資源請求服務合并，但最好與內(nèi)容分發(fā)服務器分離。

當用戶進行資源請求時，連接到用戶驗證服務器，服務器根據(jù)用戶的惟一ID鑒別其合法性，并根據(jù)該ID對請求的媒體密鑰進行加密，生成一份許可證，將該許可證頒發(fā)給用戶，并同時返回相應資源的用戶列表。用戶接收到媒體后，可使用許可證配合硬件ID解密出原始密鑰，再用該密鑰解密出節(jié)目內(nèi)容，進行觀看。由于許可證是以該用戶的ID進行加密的，因此即使被別的用戶非法獲取到，沒有相應的硬件支持也不能解密出原始密鑰，從而不能觀看節(jié)目。每一節(jié)目的許可證可以存儲在用戶端，也可以使用后刪除，待重新請求時頒發(fā)新的許可證。

數(shù)字版權(quán)管理十分靈活，不僅可針對媒體節(jié)目，各種增值服務也可使用DRM方式管理用戶權(quán)限，實現(xiàn)復雜而高效的計費方案，滿足不同用戶需求。對于數(shù)字加密可根據(jù)需要采用不同算法，由于加密過程與硬件相關(guān)，因此安全性十分高，可在一定程度上彌補對等網(wǎng)絡在安全性能上的不足，并能提供更多功能。

四、結(jié)束語

IPTV和對等網(wǎng)絡都是目前相當熱門的技術(shù)，但以往少有人提及將兩者結(jié)合，利用各自優(yōu)勢，拓展其應用領域。本文為IPTV的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)提出了一種新的思路，并探討了可行性，針對其中可能存在的問題，也提出了相應的解決辦法。綜上所述，對等網(wǎng)絡作為新興的并且蓬勃發(fā)展的網(wǎng)絡技術(shù)，其優(yōu)越性是顯而易見的，并且預示了未來網(wǎng)絡的發(fā)展方向，在IPTV中應用對等網(wǎng)絡技術(shù)不僅能夠降低組網(wǎng)成本，同時作為對未來網(wǎng)絡的一種探索，也是具有重要意義的。