應用在IPTV中的CDN技術

1、CDN技術的產生 

據CCNIC調查統(tǒng)計，截至2005年6月，上網用戶總人數為1.03萬人，國內WWW站點數約為67.75個，上網計算機數4560萬臺。由此可見，上網的用戶數越來越多；Web站點的數量繼續(xù)在增加；可供訪問的資源日趨豐富，特別是文本、圖像、音樂、廣告、流媒體、動畫等大量涌現(xiàn)；網上業(yè)務量成倍遞增，造成了對網絡帶寬的大量需求，并且網絡訪問的延遲與等待總是普遍存在，這些情況導致了網絡擁塞，服務器過載，網上應用等待時間過長等諸多問題，使整個互聯(lián)網內容傳送性能下降。 

如何緩解網絡擁塞，提高用戶獲取信息的速度。成為困擾眾多企業(yè)和服務商的一大難題。依靠增加帶寬來解決這一問題是一個方面，另外它還受到傳輸途中的路由阻塞和延遲、網站服務器的處理能力等因素的影響，這些和訪問者與網站服務器之間的距離有密切的關系。因此，即使各個ISP將網絡帶寬加大后，如果訪問者和網站之間的距離較遠，它們之間的通信一樣需要經過重重的路由轉發(fā)和處理，網絡延誤不可避免。而用戶對網絡系統(tǒng)性能的要求越來越高(如對訪問的響應時間、網站內容和服務提供的可靠性等的要求)，因此CDN(Content Delivery Network)技術應運而生。 

1996年，由麻省理工學院一個小組提出了CDN的概念，并開始對CDN技術進行研究，他們在1999年成立了一個專業(yè)CDN服務公司，為Yahoo提供了專業(yè)服務。如今在國內外已經有很多的企業(yè)和服務商開始使用內容傳送網絡CDN技術來提高網絡服務質量，以滿足用戶的需求。 

2、CDN的定義 

CDN的英文全稱是Content Delievery Network，即內容傳送網絡。CDN是建立在現(xiàn)有IP網絡基礎結構之上的一種增值網絡。是在應用層部署的一層網絡架構。 

提供CDN技術產品的廠商有各自的解決方案，CDN運營商的實現(xiàn)方式也不同，但CDN技術實現(xiàn)的功能是相同的。那就是將多點負載均衡，路由或緩存技術結合起來，利用智能分配技術，將內容根據來訪用戶的地點，按照就近訪問的原則分配到多個節(jié)點。 

在傳統(tǒng)的IP網絡中，用戶請求直接指向基于網絡地址的原始服務器，而CDN業(yè)務提供了一個服務層，補充和延伸了Internet網絡，把頻繁訪問的內容盡可能向用戶推進，提供了處理基于內容進行流量轉發(fā)的新能力，把路由導引到最佳服務器上。動態(tài)獲得需要的內容。它改變了分布到使用者信息的方式，從被動的內容恢復轉為主動的內容轉發(fā)。 

CDN的核心是邊緣訪問和透明訪問，以前主要是用于Web訪問加速，只支持HTTP/FTP協(xié)議。在2003和2004年國內流媒體業(yè)務的出現(xiàn)，CDN開始支持MMS/RTSP等協(xié)議，CDN得到了很大的發(fā)展，有時也稱為MDN(Media Delievery Network)。 

3、CDN技術的特點和優(yōu)勢 

3.1　CDN技術具有的特點 

(1)根據用戶的地理位置和連接帶寬，讓用戶連接到最近的服務器上去，訪問速度快。 
　　(2)全局負載平衡，提高網絡資源的利用率，提高網絡服務的性能與質量。 
　　(3)熱點內容主動傳送，自動跟蹤，自動更新。 
　　(4)網絡具有高可靠、可用性，能容錯且很容易擴展。 
　　(5)無縫地集成到原有的網絡和站點上去。

3.2　CDN技術具有的優(yōu)勢 

(1)可減少消耗的網絡帶寬，減少網絡訪問的延遲和用戶響應時間。提高網絡性能和網站內容的可用性。 
　　(2)提高網站資源的管理控制能力，智能分配路由和進行流量管理。 
　　(3)發(fā)送的內容受到保護，未授權的用戶不能修改。 
　　(4)內容提供商可在本地自己決定服務的內容，內容是動態(tài)的。 
　　(5)內容提供商在降低成本的同時，提高了服務質量，提供的內容更多、速度更快。 
　　(6)可線性、平滑地增加新的設備，保護原有的投資。

因為上述的特點和優(yōu)勢，CDN技術能加速和提高寬帶流媒體的使用，使互聯(lián)網的多媒體用戶更加普及，這些應用包括在線播放、音樂點播、電視直播、游戲等，大大促進網上應用和服務的發(fā)展。 
 
　4、IPTV系統(tǒng)組成 

IPTV(Internet Protocol TV或Interactive Personal TV)也叫交互式網絡電視，是一種基于互聯(lián)網的多媒體通信技術。IPTV利用寬帶網的基礎設施，以家用電視機或計算機作為主要終端設備，通過互聯(lián)網絡協(xié)議(IP)傳送電視信號，向家庭用戶提供包括電視節(jié)目在內的多種交互式數字媒體服務。 

IPTV的工作原理是把源端的電視信號數據進行編碼處理，轉化成適合IP網絡傳輸的數據形式，然后通過IP網絡傳送，最后在接收端進行解碼，再通過電腦或是電視播放。由于數據的傳輸速度要求比較高，所以要采用最新的高效視頻壓縮技術，例如H.264，MPEG4等。IPTV的系統(tǒng)組成如圖1所示： 

(1)IPTV終端 

目前IPTV終端主要有三種形式，即PC、機頂盒+普通電視機和手機。 

(2)接入系統(tǒng) 

接入系統(tǒng)主要為IPTV終端提供接入功能，使IPTV終端能夠順利接入到IP承載網。目前，ADSL作為寬帶接入網的一種方式在幾年內仍然占主導地位，以太網接入方式也漸漸增多。采用FTTC/FTTB的方式，結合ADSL，SDSL，Cable Modem等技術，也可使用FTTC+HFC的方式向用戶提供寬帶接入。

(3)IP承載網絡 

用于傳送IPTV的承載網絡，是基于TCP/IP協(xié)議的，可以是公網。也可以是專網。 

(4)內容媒體服務系統(tǒng) 

該部分主要完成節(jié)目的數字化，將原始節(jié)目進行編碼、壓縮，成為能夠在IP網絡上傳。 

(5)節(jié)目源 

節(jié)目源可以是攝像機、電視臺、VCD光盤、衛(wèi)星輸入信號等。 

5、CDN技術在IPIV中的應用 

IPTV系統(tǒng)對于用戶的服務質量有很高的要求，而且要保證播放的流暢。在廣域網內，從用戶的客戶端到流媒體服務器之間經過了一個很復雜的路由以后，就很難保證播放的流暢了。為了克服網絡復雜路線帶來的制約，在IPTV中必須通過邊緣服務來實現(xiàn)最終用戶的點播服務，所以要把內容從中心服務器有效地分發(fā)到邊緣服務器，就可以通過CDN把內容從中心存儲服務器分發(fā)到邊緣服務器。 

CDN的核心思想是將內容從中心推倒靠近用戶的邊緣。使用戶可以就近取得所需的內容，這樣不但有效提高了用戶訪問內容的性能，而且有效減輕了中心設備和骨干網絡的壓力。通過CDN，可以將內容分發(fā)從原來的單一中心結構變?yōu)榉植际降慕Y構，提高用戶訪問網站的響應速度。因而，CDN可以提高網絡中信息流動的效率，從技術上全面解決由于網絡帶寬小、用戶訪問量大、網點分布不均等問題，提高用戶訪問的響應速度。 

雖然CDN不是一個新概念，它的發(fā)展也已經有很多年的歷史，但是CDN并沒有統(tǒng)一的協(xié)議標準，各廠家的CDN解決方案在實現(xiàn)上各不相同，但在一個CDN網絡中主要包含的功能實體都相同，包括內容緩存設備、內容交換機、內容路由器、CDN內容管理等。 

內容緩存設備是CDN的業(yè)務提供點，是面向最終用戶的內容提供設備，可緩存靜態(tài)的Web內容和流媒體內容，實現(xiàn)內容的邊緣傳播和存儲，以便最終用戶的就近訪問，因此一般部署于集中的用戶接入點，完成內容邊緣存儲的設備通常都采用Cache技術來實現(xiàn)。對于在Cache節(jié)點中的存儲，是Cache設計的一個關鍵問題，需要考慮的因素包括功能和性能兩個方面：功能上包括對各種內容格式的支持，對部分緩存的支持，在性能上包括支持的容量、多文件吞吐率、可靠性、穩(wěn)定性。 

內容交換機處于用戶接入集中點和POP點，可對內容進行緩存負載平衡及訪問控制。在很多設備情況下和內容緩存集中在一個設備上。內容交換機可以均衡單點多個內容緩存設備的負載，它基于最終用戶會話和特定的內容請求提供內容服務。內容交換機是CDN的可選部件之一，對于較大型的用戶接入點，內容交換機可以提高站點的可用性。 

內容路由器負責將用戶的請求調度到適當的設備上，內容路由通常通過負載均衡系統(tǒng)來實現(xiàn)，負載均衡系統(tǒng)是實現(xiàn)CDN的內容路由功能。它的作用是動態(tài)均衡各個內容緩存站點的負荷分配，為用戶的請求選擇最佳的訪問站點，同時提高網站的可用性。內容路由根據網絡拓撲結構、網絡延時、服務器負荷與規(guī)則等策略設定，指定最優(yōu)站點向特定的內容請求提供服務。內容路由器可根據多種因素制定路由，包括站點與用戶的臨近度、內容的可用性、網絡負載、設備狀況等。負載均衡系統(tǒng)是整個CDN的核心。負載均衡的準確性和效率直接決定了整個CDN的效率和性能。 

內容管理系統(tǒng)主要負責整個CDN系統(tǒng)的管理，是CDN的可選部件，它的作用是進行內容管理，如內容的注入和發(fā)布、內容的分發(fā)、內容的審核、內容的服務等，并能夠讓網絡內容分布和傳輸服務的用戶或者服務供應商可以根據需要監(jiān)視、管理或者控制網絡內容的分布、設備狀態(tài)等。

6、CDN的技術實現(xiàn) 

目前，關于CDN業(yè)務的產品和設備各廠商都不相同。解決方案也有很大的差別，各個廠家的產品并不兼容。下面介紹幾家有代表性的公司對于CDN業(yè)務的技術實現(xiàn)。 

6.1　Inktomi公司的CDN技術實現(xiàn) 

Inktomi公司的CDN系統(tǒng)是一套在分布式Web環(huán)境下提供Web內容的分發(fā)和同步的軟件。它由主要由內容分發(fā)器、內容管理器以及它們的代理所組成。 

(1)內容分發(fā)器通過可靠的和安全的手段，將Web內容的分發(fā)到多個Web服務器以及緩存服務器，并保證其內容的同步。 

(2)內容管理器則采集各Web服務器和緩存服務器的狀態(tài)，提供集中的管理功能。對于內容分發(fā)器和內容管理器之間的通訊，由系統(tǒng)的控制器來完成。 

6.2　Cisco公司的CDN技術實現(xiàn) 

Cisco公司的CDN系統(tǒng)由五種技術構成：內容分布及管理、內容路由選擇、內容邊沿傳播、內容交換和智能網絡服務。 

(1)內容分布和管理技術可以實現(xiàn)自動分布內容，同時提供實時監(jiān)控。內容分發(fā)管理器(CDM4670)能夠實現(xiàn)對整個CDN網絡的高效與集中控制，它與內容引擎和內容路由器協(xié)同工作。內容路由選擇技術確保內容的可用性，并提供全球負載能力；內容交換技術可以根據內容可用性、應用可用性及服務器負載，在POP(演示點)或分布式數據中心的提交節(jié)點處，智能地實現(xiàn)信息量負載平衡； 

(2)內容路由器(CR 4450)可根據多種因素制定路由，包括站點與用戶的鄰近度、內容可用性、網絡負載、設備狀況等。定位最適合的站點響應內容請求； 

(3)內容交換提供突發(fā)訪問保護、基于URL的服務器負載均衡、動態(tài)內容復制以及動態(tài)的內容重定向等功能。采用CiscoWebNS軟件提供內容路由服務，通過將用戶與內容劃入不同區(qū)域的方法，保證內容請求選擇最佳的站點與服務器： 

(4)內容邊沿傳播技術能夠確保網絡向最終用戶提交內容，加速內容傳播，減輕WAN和源內容服務器的負擔內容引擎是內容邊緣傳播設備。內容引擎是內容邊緣傳播設備。內容可以由內容引擎根據特別指示將內容從源內容服務器中提取，通過透明緩存定制經常被訪問的內容； 

(5)智能網絡服務技術能夠提供包括各種IP基礎設施中的多項智能服務，如安全性、QoS、VPN和組播等。 

6.3　F5公司的CDN技術實現(xiàn) 

F5公司的CDN解決方案是關于內容發(fā)送網絡服務并建立在緩存的基礎上，它的基礎架構包括：內容復制、高可靠性和負載平衡、緩存、對Web和緩存服務器的全面支持、網絡管理。 

(1)全球站點控制器負責在CDN內管理內容復制，將前置和復制內容到適當的緩存和Web服務器。自動地分布和同步到網絡內的全部站點。 

(2)BIG-IP控制器和3-DNS控制器用于提供本地的和區(qū)域的高可靠性和智能負載平衡。BIG-IP把用戶流量引向性能最好的網絡服務和緩存服務器。為管理應用(Cookie交換、URL交換、穩(wěn)定復用方法、內容和應用的探查和校驗等)提供豐富的特征。通過放到不同的緩存陣列中以區(qū)分個別對象(而不是域或URL)來保證效率最高。當內容被更新時。管理服務器與全球站點間的通信。提供附加的安全特征(缺省網關、NAT、SNAT、包過濾、端口映射)。3-DNS解決用戶需求和指導他們到全球最好的站點，通過網絡和站點管理提供智能的全球負載平衡和高可靠性，為冗余的站點的起點/邊界點提供災難恢復，為監(jiān)視、報導和收費發(fā)送統(tǒng)計，使用基于性能的用戶重定向。 

(3)EDGE-FXTM緩存能增加網絡站點性能，增加網絡帶寬能力，加速對終端用戶的內容傳送。在靠近終端用戶的網絡的邊緣，允許Web數據的存儲，從網絡邊緣而檢索數據。 

(4)支持地理分布的Web和緩存服務器以及非F5的產品集成包括了所有的基于IP的服務器技術，包括ERP應用、所有的基于Web的應用和電子郵件應用等。 

(5)SEE-IT網絡管理器為網絡實時傳送分析和報告，包括配置、計費和協(xié)調緩存內容分布的規(guī)則等。 

7、結束語 

目前在IPTV網上CDN的邊緣訪問是提高IP承載網QoS的有效途徑，很多運營商在寬帶網上都部署了CDN/MDN，為IPTV網絡的建設奠定了良好的基礎。CDN網絡的出現(xiàn)，使互聯(lián)網資源得到了最大限度的利用。將大大推動國內IPTV業(yè)務的發(fā)展。