基于P2P的IPTV体系结构分析

3.1IPTV业务层次结构

从垂直控制功能上来讲，一个典型的IPTV系统的层次结构如图2所示，主要包含以下几个部分：运营支撑层，业务层，网络承载层和终端层。

支撑层主要完成IPTV用户的管理认证授权以及系统设备的管理。业务层主要是为IPTV提供多种多样的多媒体交互业务，比如视频点播业务，体育直播业务等。

网络承载层主要是IPTV的物理介质，要求带宽比较大，最好支持组播，并具有一定的安全保护措施。又可以具体分为接入网、汇聚网和核心网三个部分。

而最下层的终端层就表示IPTV的最终用户，他们通过网络承载层进行不同方式的网络接入服务，并在PC或者配合机顶盒的TVSet上观看电视节目。

图2 IPTV垂直层次结构

3.2混合的P2P-IPTV体系结构

系统结构具有综合服务能力，可通过同一个平台来完成直播电视、点播电视和时移电视的三种业务形态。还要求系统具有非常好的开放性架构，使得网络系统可以在大规模用户频繁加入退出时保持稳定，并支持本地和异地用户之间的连接和业务认证。同时，其体系结构还需要提供有QoS保证的多媒体服务，及必要的安全、保密措施。

目前，IPTV一般是运行在支持组播应用的IP网络中。其采用的体系结构为C/S模式，提供组播实时业务和点播存储媒体业务服务。显然，由于输入/输出带宽的限制，使得服务器只能支持有限的并发用户。当大规模的网络用户同时收看节目时，要保证系统的稳定和QoS，ICP必须用大量服务器来平衡网络访问负载，并增加网络出口带宽。但是，服务器数量和网络容量的增加永远会落后于用户规模的增长。

目前临时的解决办法是采用组播传输技术来提供广播服务或者采用内容传送网等覆盖网技术。这些过渡性质的技术需要对现有的网络进行升级改造，大大增加了网络建设的成本，浪费已有的资源投资。

为了彻底解决问题，必须打破C/S模式的体系结构，使得IPTV的体系结构向具有对等连接特性的P2P模式演化，从而将服务器的负荷负载平衡到每个参与的peer上去。基于P2P的IPTV体系结构可以使得IPTV业务的广播和转播等门槛得到降低，可以让更多用户参与并提供自制的多媒体内容得到基于全球覆盖的共享和分发，同时还可以节约电信运营商之间的对接流量，减少网络建设成本。

图3是一个采用混合网络体系结构的P2P-IPTV的网络拓扑图。属于第三代P2P体系结构，综合了第一代中央控制网络的体系结构和第二代分散分布体系结构的IPTV的优点。在网络的边缘节点采用集中式的网络结构，聚合用户，在超级节点之间采用分布式的网络结构，为IPTV的稳定度协同工作。图中，分布式放置的超级节点取代了中央索引检索服务器，同时，采用分层次的快速搜索算法改进IPTV的多媒体资源和内容的搜索性能，缩短了电视节目的反应速度和频道切换速度。具有高性能的超级节点彼此间相互协作，即使一个超级节点崩溃，相应的peers节点仍然和其他网络peer有连接，并在新的频道的搜索中，使用新的超级节点。这种超级节点的IPTV架构和Skype中的超级节点类似，P2P IPTV的体系结构中的超级节点其实也是一个peer，可作为一个动态的点对点的索引服务器。超级节点还可为处于局域网NAT或者防火墙的IPTV用户建立与外界用户peer间的连接并为其媒体流做转发服务。

3.3 P2P-IPTV工作流程描述

在基于P2P的IPTV架构的基础上，IPTV终端得到服务的流程可以分为三个部分

图3 包含超级节点的P2P-IPTV体系结构

（1）登录IPTV系统：IPTV终端启动后，首先将自行检查是否处于NAT或者防火墙之后。UDP数据包无法正常穿越这些设备，因此需要利用NAT穿越技术打通信道。当打通NAT信道后或直接处于公网位置，终端则发送UDP数据包给存储在其配置文件中的超级节点（列表）。这个列表以超级节点的IP:PORT形式存储，如果列表为空，则终端直接登录到IPTV登录服务器，获取超级节点的列表。

（2）对等用户搜索：IPTV终端登录到承载网络后，需要搜寻与其具有相同IPTV请求的对等用户，并从这些对等体中得到所需要的服务。这个过程需要超级节点的索引帮助。超级电视节点在接受终端登录的同时，将记录用户的请求并做服务归类和索引，将其存储在服务归类数据库中。超级节点在接受用户请求后将根据其需求返回与其具有共同服务的对等体终端的列表，如此，则终端可以直接与对等体建立连接，得到具有一定QoS保障的服务。

需要指出，超级电视节点也是一种终端，只是其处理能力或带宽能力较强，被系统选为超级节点。当其退出系统时，由于超级节点的分布式连接，并不影响终端用户的对等服务搜索过程。其他超级节点可代替提供相关服务。保证了IPTV系统的健壮性和稳定性，也为系统规模的扩展提供了良好的接口。

（3）服务建立和撤除：终端用户得到对等用户的列表后，将通过基于IP协议的IPTV承载网络直接与多个对等电视用户建立点－点的通信连接，并交换彼此媒体流的信息，从多个对等体接受数据流。当某个用户退出系统，则与其建立点－点连接的对等用户删除信道，并将更新的对等用户列表提交到超级电视节点，为下次用户搜索作准备。

4 小结

基于P2P的网络应用具有良好的可靠性和可扩展性，能为未来大规模用户同时参与交互媒体应用提供技术支持。本文提出的一种基于P2P的IPTV的体系结构，此体系结构结合了集中式和分布式的特点，在网络体系结构中引入超级节点的概念，使得这种IPTV具有非常好的可管理行和开放性，同时也具有良好的可靠性和可扩展性，符合下一代互联网应用的大规模用户的系统需求。

基于P2P的IPTV还在不断的演化中，技术和市场也在不断变化中。现在的IPTV系统仍然有许多问题需要讨论和解决。比如IPTV的媒体节目的知识产权和版权问题，P2P系统自身的安全性差也会给IPTV系统造成非常大的安全隐患等问题。