基于P2P技术的媒体电信网

    现阶段数字媒体业务采用集中服务的模式，通过基于客户端/服务器(C/S)架构或者C/S+内容分发网络(CDN)架构的流媒体服务器为用户提供服务。伴随着日益增长的业务需求，这种架构下系统投资剧增，低投资回报率的问题日益显现。而且由于系统的服务能力始终有限，尤其在一些特殊情况下(如运动会、文艺演出的实况转播时)，仍然难以满足用户密集突发的媒体业务需求。现有的数字媒体运营平台已经不能有效地支持数字媒体应用的快速发展。

      以P2P技术为基础的互联网应用目前已经成为宽带“杀手级应用”。由于采用P2P技术进行流媒体内容的分发，系统对服务器端的要求比较低。但是由于缺乏必要的管控机制，导致业务不受控，服务质量得不到保证，因此也阻碍了P2P技术应用和媒体产业的发展。

      目前，C/S架构和P2P架构的媒体服务是沿着两条路径独立发展的，发展中均遇到一些困难，如果将两者结合起来，将会开创媒体服务的新局面。基于P2P技术的媒体电信网(MTN)正是在这种思路下发展而来的。

1 MTN介绍
      基于P2P技术的MTN是一种以P2P技术为主要媒体传输手段和组网手段，以PC为主要终端形式，以直播、点播为主要业务形式的，面向宽带用户构建的可运营可管理的新型视频媒体网络。它是在固网运营商向综合信息提供商转型的过程中提出的一种崭新的视频解决方案，它全面继承了P2P技术成本低廉、扩展性强的优点以及CDN技术的分区就近服务的长处，而且成功解决了互联网P2P视频网络在运营及管理性能方面的重大功能缺失，被业界认为是新一代主流宽带视频解决方案。

1.1 MTN网络结构
      一个完整的MTN网络可以划分为图1所示的4层结构，分为运营层、P2P管理层、媒体层和承载层，各层之间的功能相对独立，但彼此之间通过特定接口进行交互。其中每一层均包含多个设备或系统，它们共同完成本层所要求的所有功能。

      运营层有业务呈现、运营管理、媒体处理、业务应用、终端管理、内容库、运营商后台支撑等功能。

      P2P管理层提供混合式P2P架构中的P2P中心管理服务器的功能，包括节点管理和资源管理调度。媒体层由P2P节点组成，包括提供媒体对象的用户终端、使用媒体对象的用户终端以及运营商专门部署的媒体服务器。P2P管理层与媒体层共同构成MTN中的P2P网络。

      承载层包括接入用户的网络接入设备、城域网以及用于城域互联的骨干网，即IP承载网，它是MTN正常运行的基础。相对于运营层、P2P管理层及媒体层来说，承载网是“透明”的，但P2P管理层系统可以通过用户终端所携带的接入设备信息感知IP承载网的网络拓扑信息，进行相应的调配。

      在MTN的运营中，与商业模式相关的运营策略被细化为运营层的具体业务流程执行，只有经运营层审核发布的内容才能最终在P2P网络中提供服务，并保证内容的完整性和有效性。同时，运营层还作为MTN的管理核心，定义并存储P2P机制运行所需的各种业务策略，包括媒体处理策略、节点管理分区的分配策略、源的查询策略、候选源的选择策略、P2P传输控制策略等。运营层定义的策略最终要分发到P2P管理层和媒体层，供它们在执行相关的P2P业务流程的时候使用。

1.2 MTN拓扑结构
      MTN中采用了分布式与集中式结合的混合3层P2P拓扑结构，具体如图2所示：

      它由位于顶层的源管理器(SM)、位于中间层的区域管理器(RM)及位于底层的众多节点组成。节点包括普通的用户节点和运营商专门部署的、用于保证服务质量的服务器节点。

      位于顶层的SM从源内容的角度来管理源内容在全网的资源分布和调度，并受理节点的全网资源查询请求，返回处理RM列表。所谓资源即以片段形式存在的媒体对象。SM只关心媒体资源的分布情况，并不关心资源的具体信息。一个内容发布方就代表一个SM，它可以管理发布方发布的所有内容。当用户选中某个内容，进行点播、直播或下载等操作时，本内容所属的SM即唯一确定。不同发布方的SM之间彼此独立。

      位于中间层的RM从用户的角度管理资源本身及其拥有者的详细信息，按区域划分。每个RM负责管理辖区内所有内容资源的发布和检索，并向SM上报自己辖区内容资源的分布统计信息；RM还负责处理用户的资源检索请求。RM之间是平等的、分治的，彼此不存在直接的交互。

      RM和SM的划分，可以看作是当片源数量多，用户规模大的情况下，为了有效降低中心资源控制点的处理负荷采取的措施。当资源数量有限时，RM与SM可以合设，此时三层结构将简化为二层结构。

      位于底层的是数量众多的分布节点，它在享受媒体服务的同时也在本地存储资源，供其它节点使用。当分布节点每次启动时，会登陆到P2P网络，自动向归属的RM上报自己的资源信息。

      用户在启动点播、直播或下载等媒体应用时，会首先向所属RM发起资源查询请求，从RM处获取候选源列表，然后根据一定的规则，直接与相关节点进行连接，获取所需资源，同时也为其它节点提供数据服务。

      为了提供有质量保证的电信级服务，MTN系统在充分利用用户资源的前提下，还在网络中部署了一些特殊的服务器节点。它们配置较高，正常情况下始终在线，作为超级节点提供媒体服务网中最初的内容拷贝，并在服务启动、资源不足或节点变化频繁以及发生频道切换、快进、快退等VCR操作时，为节点提供必要的资源补充和快速的资源补给。

      通过服务器节点的部署，运营商可以通过有计划的内容部署以及自适应调整，将内容合理地分配到用户临近的区域，在本地满足用户的大部分应用，有效控制P2P流量对骨干网带宽的占用，使P2P网络也能具有传统CDN的优势。

      在对媒体服务器的使用上，MTN同时采用了“用户资源优先”的策略，在保证服务且能满足一定服务质量要求的前提下，会优先使用用户资源，媒体服务器只作“应急之选”，这样就能大幅降低系统对媒体服务器的需求，充分发挥P2P架构建设成本低廉、系统扩展性佳的长处。

1.3 MTN特点分析
      MTN网络在媒体分发手段上充分继承了P2P技术的优点：成本低廉，系统扩展性好，可以自适应满足突发性业务增长，适用于大规模视频服务。此外，在架构及系统方面的特有设计，也保证了MTN网络具有与生俱来的优势。

      首先它通过运营层、P2P管理层、媒体层及承载层的分离与协作，使得P2P网络既可以独立于运营模式和承载网的具体结构运作，又可以有机协作、互相呼应。具体表现为上层运营模式及业务应用对P2P网络的影响表现为不同的P2P调度策略，P2P本身的运作流程不受影响，这样MTN就不必受限于某种具体的运营模式及应用，为将来的市场发展提供了很大的灵活性。

      另外P2P节点在节点登陆及资源查询时，可以携带网络拓扑信息，这样当系统进行P2P调度时，就可以结合实际的网络拓扑进行调度，如根据用户终端(P2P节点)实际的接入地址为其指派具体的RM，当RM为其选择候选源时，优先返回与之临近的节点，从而很好地解决“本地优先”的问题。对运营商来说，就可以充分发挥它的网络资源优势，提高运营效率、降低运营成本。

      其次，运营层的存在也使得P2P的运营落到实处，它主要体现在用户、计费、网络、内容4大方面。因为运营商掌握宽带网络，拥有数量众多的宽带网络用户，因此运营商可以获取用户的真实信息，这就给计费提供了基础。健全的用户认证机制也同时保证了用户的接入安全。完善、专业的电信计费渠道，又进一步使P2P计费成为现实。运营商还可以将P2P业务与电信业务捆绑，提供有竞争力的价格，且有条件实施用户激励政策，鼓励用户的共享行为，创造良好的P2P氛围。此外，在MTN中内容是受控发布的，只有经过审核的内容才能最终在P2P网络中提供服务，因此MTN可以保证内容版权、保证内容的健康与合法性，运营商的地位与资金也从侧面为宽带内容产业链的发展繁荣提供了有利的支持。

      再者，MTN中媒体服务器的部署，使得P2P网络同时具有了CDN内容调度、临近服务的优点，而且又克服了P2P网络中常见又不易解决的问题，即资源的完整性与有效性以及服务的可用性。此外，“用户资源优先，服务器补偿”的设计思路，使得MTN可以以较低的代价，为用户提供良好的用户体验：启动与切换时延小、抖动少、画面流畅；而且还可以有效解决P2P点播服务中用户不集中、有效资源不再的问题，为用户提供支持VCR操作的优质点播服务。

2 MTN关键技术

2.1 媒体处理
      在MTN网络中，节点之间的资源是共享的，媒体数据由网络多个节点分布式存储、传输和处理。传统的流媒体数据是以流为单位，用户以流的方式自始至终从一个源接收数据，这种方式不适合P2P业务。在P2P网络中，各节点的资源和能力都是非常有限的，而且节点状态也经常变化，因此就对媒体数据格式提出了要求。

      因此，在媒体数据进入MTN之前，需要先进行分块处理。直播流由实时切片服务器进行处理，点播媒体文件则由离线切片服务器处理。媒体封装格式如图3所示，含有段和块两种封装单位。

      一个段包括固定数目的块，是存储和定位的基本单位。块是传输单位，由块头和载荷体两部分组成。块头中包含媒体标识、段编号、块编号、段内位置标识以及若干帧描述项组成，其中段内位置标识是标识本块是否是段的边界，帧描述项描述块体中包含的音视频帧的类型、大小及偏移指针等信息。

      同时经过切片处理后的媒体都有一个媒体描述文件对它进行描述，在该文件中包含了媒体类型(流或文件)、段尺寸、块尺寸、总块数和总段数等信息，以及关键帧所在的块编号信息——I帧索引信息。

2.2 节点管理
      网络中有静态和动态两种节点，静态节点是部署在局端的专用服务器，动态节点则是用户终端。每个节点都有一个唯一的标识和接入密码。节点标识和密码必须在登记服务器中预先进行登记，节点接入时携带节点标识和密码到登记服务器进行认证，认证通过后才能得到系统授权接入MTN网络。
节点管理包括节点分类管理、节点动态位置管理等，动态节点还可以按照宽带类型、用户级别等进行区分管理。节点位置管理是指按照用户实际接入时的IP地址确定其所属分区的管理，接入位置确定后，系统为其授权分配一个所属的RM服务器，节点通过该服务器查询获取媒体分段的源节点信息。

2.3 资源管理
      系统把媒体分段的一个拷贝做为一个资源体进行管理。每个资源有所在节点、内存存储或磁盘存储、所在节点能否对外提供服务等一系列属性。资源管理按照SM和RM的两级体系进行管理。
SM管理某个分段在某个分区的总的拷贝数信息，RM管理每个资源的实际状态。节点上下线、资源增减以及节点服务能力跳变时，都需要通知相关的RM，由RM维护和更新资源状态信息。RM定期向SM通报某个分段在本区域的统计数。

2.4 调度管理
      调度管理包含资源查询调度和资源分布调度两部分。

      资源查询调度流程如图4所示，查询节点首先向本地RM查询，如果得到足够数量的资源则查询结束，否则，向SM查询有哪些分区也具备资源，SM返回具备资源分区的RM，然后查询节点依次向各RM查询，直到得到足够数量的资源为止。这种本地优先的查询调度方法使得大部分的查询消息限制在本地，既提高了查询速度，也减少了网络开销。

      资源分布调度策略如下：

• 至少在某个静态节点保持一个资源正本，该正本不能被覆盖；
• 动态节点以一定概率随机缓存资源副本，当缓存空间满时覆盖最久未使用的分段数据；
• 一个区域的静态节点上某个资源的副本数量与该资源的热度值关联，即由RM定期统计资源的热度值，并进行数量的调整。
  

      这种策略使得热度高的内容在动态节点和静态节点上都有更多的拷贝，反之，热度低的内容拷贝数少，从而使得系统能够自适应节目的热度变化。

3 结束语
      CDN是电信领域中当前被普遍采用的内容传送技术，虽然它在可管理性、可靠性等方面具有极大的优势，但它本质上仍属于C/S架构，因而具有一些难以克服的缺点，如组网成本高、可扩展性差。其次，网络规模难以规划，忙闲时段服务器的利用率很难均衡。

      当前各种内容服务已成为宽带网上最重要的应用，随着运营商转型过程的加快，在宽带网上融合CDN与P2P的优点提供新型的媒体服务成为业界研究的热点，而MTN正是在此基础上做出的有益尝试, 它也代表了媒体分发技术的发展方向。基于P2P技术的MTN将会为电信运营商进行宽带媒体业务运营开创新的局面。

4 参考文献
[1] CCSA 标准文稿. MTN需求研究报告[S].
[2] CCSA 标准文稿.MTN体系架构研究报告[S].
[3] 田洪亮，肖遂，张欣.基于P2P技术的时移电视系统方案[J].电信科学,待发表.

收稿日期：2007-08-24

[摘要] 融合了P2P技术、利用电信运营商业务平台的媒体电信网(MTN)能够提供有服务质量保证、安全诚信的数字媒体业务。与现有客户端/服务器(C/S)和内容分发网络(CDN)架构的数字媒体系统相比，媒体电信网利用P2P技术，充分挖掘了用户终端资源，极大地降低网络和平台建设投资，具有低成本、高扩展性等独特优势。基于P2P技术的媒体电信网可以激活整个数字媒体产业价值链，具有广阔的市场前景。

[关键词] 对等连接；媒体电信网；静态节点；动态节点；区域管理器；源管理器

[Abstract] By combining the P2P technology and telecom service platform, the Media Telecom Network (MTN) can provide high Quality of Service (QoS), and secure and creditable digital media services. Compared with current Client/Server (C/S) and Content Delivery Network (CDN)-based digital media system, MTN adopts P2P technology and utilizes user terminals’ resources to enormously reduce investment in the network and service platform; it has advantages such as low cost and high scalability. P2P-based MTN can motivate the digital media industry, and it has a wide market prospect.

[Keywords] P2P；MTN；static peer；dynamic peer；RM；SM