1336 CHINA SCI-TEC * CHINA SCI-TEC 2008.01 IPTV-CDN 网络的构建1冯建新 高益寰 王光兴 （东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110004） 摘 要： 在 IPTV 视频点播网络的构建中，为了能够保证 QOS，往往采用 CDN 的组网技术。但在传统的 CDN网络中，采用的是基于 C/S 结构的内容分发技术，针对这种技术对于 IPTV 视频点播网络的不适合性，本文提出了一种适合于提供 IPTV 视频点播服务的 CDN 网络架构 IPTV-CDN 网络。实践表明，本 IPTV-CDN 网络有着广阔的应用前景。 关键词： IPTV；视频点播；内容分发 IPTV-CDN networking Feng Jianxin Gao Yihuan Wang Guangxing （ School of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang, 110004） Abstract： In order to ensure the quality of service in IPTV VOD network, content delivery network (CDN) is usually adopted in networking. In the traditional CDN, the content delivery technology is based on the Client/Server framework, which is not fit to IPTV VOD network. So a novel CDN network architecture - IPTV-CDN network was proposed in this paper to provide better IPTV VOD service. Practices showed that the IPTV-CDN network proposed in the paper was promising for application. Keywords： IPTV; video on demand; content delivery 1 引言 2004 年来 IPTV 已成为宽带网络市场的新贵，被誉为撑起宽带市场的一片新的蓝天1。在国外，已经部署了IPTV 的运营商集中在欧美地区和亚太部分国家和地区。在国内， IPTV 业务也同样让宽带运营商找到了一条介入内容运营挖掘宽带网络商业潜力的现实路径。 2004 年 9 月， 随着北京地区网络电视 IPTV 用户正式开始收费运营，上海、江苏、广东等地的 IPTV 业务很快也逐渐推广开来。国内 IPTV（网络电视）商用试验正在加速进行。 2005年底，在中国电信与上海文广共同进行的第三轮测试中， IPTV 试点范围已经从原先的 17 个城市扩至 23 个城市，中国网通与上海文广合作的试点城市也扩至 20 个。目前涉及 IPTV 中国标准的相关方案正在起草中，按照计划将在 2006 年内出台。可以说， IPTV 技术已经成为当今最热门技术之一， IPTV 的星火燎原之势已逐渐形成。因而，如何组建一个 IPTV 视频点播网络，使之能够提供高 QOS 的视频点播服务，已成为备受关注的课题。但是现有的 IPTV 视频点播网络的组网技术并不适应体积庞大、数量众多的视频文件的点播要求。 本文根据 IPTV 视频点播网络的特点，提出了一种适合于提供 IPTV 视频点播服务的 CDN 网络架构IPTV-CDN 架构。它可以有效解决源服务器的负载与同时分发的文件的数量和体积与边缘服务器的数量均成正比的缺陷2,3，为整个 IPTV 视频点播网络提供良好的负载均衡以及快速的内容分发，同时保证了按文件片断进行内基金项目：国家 863 基金资助项目 (2003AA712032)，国家博士后基金 (20060400960)。 1337 CST*0gc$YCHINA SCI-TEC 2008.01 容分发的可能。 本文首先说明了当前 IPTV 视频点播网络的组网技术的不足，其次在与普通的视频点播服务网络架构VOD-CDN 架构对比的基础上，提出了一个提供 IPTV 视频点播服务的 CDN 网络架构 IPTV-CDN 架构。最后是本文的结论。 2 现有 IPTV 视频点播网络组网技术的不足 目前视频点播网络的组建普遍采用的方法是构建一个 CDN 网络架构。但是，由于 IPTV 视频点播网络的特点，使得普通的 CDN 网络架构并不能完全胜任。 IPTV 视频点播网络具有如下特点4。 1）作为一个视频点播网络，由中心的源服务器向边缘服务器分发的是体积庞大的视频文件。 2）作为一个视频点播网络，为用户提供的是对带宽要求很高的媒体流服务。目前的普遍看法是，如果需要为用户提供 DVD 效果的视频点播服务， 则需要用户端至少具有 2M 的接入带宽 ,VCD 效果至少需要 512K 的接入带宽。由此引发了用户接入带宽不足“最后一公里”问题4。 3）由于 IPTV 面向所有的传统电视用户，使得它拥有比一般视频点播系统的大得多的用户群，给服务器带来的压力也更大。 在传统的 CDN 网络架构中，采用基于客户端 /服务器模式的内容分发技术5，这种技术对于提供 Web 服务的服务器间的内容同步尚可胜任，但对于 IPTV 视频点播网络却并不适合。这是因为 IPTV 视频点播服务的网络中需要传送的往往是体积庞大、数量众多的视频文件，而且在基于客户端 /服务器模式的内容分发机制中，客户端与服务器有明确的分界，所有客户端均从服务器下载文件，也就是说服务器承担了内容分发的绝大部分负载，采用基于客户端 /服务器模式的内容分发技术将不可避免地造成源服务器的过多负载。此外基于客户端 /服务器模式的内容分发方式是以文件整体为单位进行分发的，而目前有些新的视频点播服务器却只需存储视频文件的片断，两者难以兼容。 以上特点决定了提供 IPTV 视频点播服务的 CDN 网络（ IPTV-CDN）架构应有别于一般的 CDN 网络，与普通的视频点播服务网络（ VOD-CDN）架构也应不尽相同。 3 IPTV-CDN 架构的提出 3.1 VOD-CDN 架构 文献 6详细讨论了普通的 CDN 网络在提供视频点播服务时的不足，提出了一种适于提供视频点播服务的CDN网络的架构 VOD-CDN 架构， 如图 1 所示。 在这种方案中， 整个服务器网络由位于中心的源服务器 （ Origin Server， OS） 、 靠近用户的边缘服务器 （ Edge Server， ES） 以及跟用户处于同一个局域网的叶子服务器 （ Leaf Server, LS）组成。源服务器拥有所有的视频文件。进行内容分发时，先把文件从源服务器分发到边缘服务器，再从边缘服务器分发到叶子服务器。由图 1 可知， VOD-CDN 跟一般的 CDN 网络的不同之处在于，它把直接为用户提供视频点播服务的服务器（即叶子服务器）和用户机器放到了同一个局域网内。因为局域网内具有足够的带宽，所以就解决了用户接入带宽不足的“最后一公里”问题，从而有效地保证了网络的 QOS。 1338 CHINA SCI-TEC * CHINA SCI-TEC 2008.01 客户端客户端客户端 客户端客户端客户端客 户端 客户端 客户端边缘服务器边缘服务器边缘服务器 边缘服务器 叶子服务器叶子服务器叶子服务器 源服务器叶子服务器内容负载内容负载LANLANLANLAN Internet图 1 VOD-CDN 架构 在同一个 LAN 内部， VOD-CDN 架构只采用了单个叶子服务器为用户提供视频点播服务，随着用户规模的扩大，叶子服务器将不堪重负。而 IPTV 视频点播网络面向的是所有的传统电视用户，它的用户规模是非常庞大的。所以这种 CDN 网络架构并不能完全胜任 IPTV 视频点播服务的要求。 3.2 IPTV-CDN 架构 为了真正满足 IPTV 视频点播网络的特点，弥补传统的 CDN 网络架构与普通的视频点播服务网络架构VOD-CDN 架构的不足，本文提出了一种改进的 CDN 架构 IPTV-CDN，如图 2 所示。 IPTV-CDN 是一个三层的树状服务器网络，包括三种服务器：源服务器（ Origin Server, OS） ，叶子管理服务器（ Leaf Manage Server, LMS）和叶子服务器（ Leaf Server, LS） 。源服务器管辖所有的叶子管理服务器，叶子管理服务器管理叶子服务器。图 2 中的虚线方框表示同一个集群内的服务器以及其所服务的客户端。 源服务器叶子管理服务器叶子服务器叶子服 务器叶子服 务器 客户端 客户端 客户端客户端 客户端 客户端叶子服务器叶子管理服务器Internet图 2 IPTV CDN 架构 本方案去掉了边缘服务器，叶子服务器承当了原来的边缘服务器和叶子服务器的职责，同时引入了叶子管理服务器。叶子管理服务器是一个特殊的叶子服务器，可以完成 CDN 网络中的请求路由功能。由多个叶子服务器组成一个网络为用户提供服务，每个叶子服务器可以存放完整的视频文件，也可以存放视频文件的分片。如果局域网内的用户规模扩大，只需增加叶子服务器的数量即可。 此外，虚线方框内的机器可以位于不同的局域网内，如果某一个局域网内的叶子服务器出现故障，则可临时调度另一个局域网内的叶子服务器为用户提供服务，这是 IPTV 视频点播网络 QoS 的有力保障。 1339 CST*0gc$YCHINA SCI-TEC 2008.01 4 IPTV-CDN 实现的关键技术 4.1 用户点播过程 IPTV-CDN 架构中用户进行视频点播的流程包括 4 个步骤。 1）用户从源服务器选择需要点播的节目，开始点播。 2）源服务器进行路由选择，为用户选择一个与之在同一个区域内的叶子管理服务器。 3）叶子管理服务器进行第二次路由选择。在其管辖范围内，为用户选择一个性能较好且拥有被点播文件的叶子服务器。 4）用户连接到该叶子服务器，开始收看节目。 可见，叶子管理服务器可以起到网络路由选择的功能。叶子管理服务器的引进，使各个叶子服务器可以存放不同的视频文件。如果视频文件太多导致存储空间不足，或者用户规模扩大，只需增加叶子服务器即可。除此之外，源服务器可以向叶子管理服务器查询所管辖的叶子服务器的各种信息，包括 IP，路由参数、安全参数和性能参数等，从而使得在源服务器上方便地监视和管理整个 IPTV-CDN 网络称为可能。 4.2 叶子管理服务器的产生 叶子管理服务器承担对象的选择是 IPTV 视频点播系统的关键因素 ,本文通过 Bully 选举算法2在多个叶子服务器中进行选举决定。 该方案保证了叶子服务器集群具有高度的自组织性。 每当叶子管理服务器出现故障退出时，剩余的叶子服务器可以根据 Bully 算法自动选举出一个新的叶子管理服务器。因此叶子服务器集群不会出现单点失效的情况。 IPTV CDN 的架构抽象图如图 3 所示。 图 3 抽象的 IPTV-CDN 架构 可见，相对于传统， IPTV CDN 的架构在整个服务器网络的负载均衡以及内容分发的速度上都具有明显的优势，并且使按文件片断进行的内容分发成为可能。 5 结论 本文根据 IPTV 视频点播网络的特点，提出了与之相适应的 CDN