應(yīng)用在IPTV中的CDN技術(shù)

1、CDN技術(shù)的產(chǎn)生 

據(jù)CCNIC調(diào)查統(tǒng)計(jì)，截至2005年6月，上網(wǎng)用戶總?cè)藬?shù)為1.03萬(wàn)人，國(guó)內(nèi)WWW站點(diǎn)數(shù)約為67.75個(gè)，上網(wǎng)計(jì)算機(jī)數(shù)4560萬(wàn)臺(tái)。由此可見，上網(wǎng)的用戶數(shù)越來(lái)越多；Web站點(diǎn)的數(shù)量繼續(xù)在增加；可供訪問(wèn)的資源日趨豐富，特別是文本、圖像、音樂(lè)、廣告、流媒體、動(dòng)畫等大量涌現(xiàn)；網(wǎng)上業(yè)務(wù)量成倍遞增，造成了對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的大量需求，并且網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的延遲與等待總是普遍存在，這些情況導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)擁塞，服務(wù)器過(guò)載，網(wǎng)上應(yīng)用等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等諸多問(wèn)題，使整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容傳送性能下降。 

如何緩解網(wǎng)絡(luò)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(wù)商的一大難題。依靠增加帶寬來(lái)解決這一問(wèn)題是一個(gè)方面，另外它還受到傳輸途中的路由阻塞和延遲、網(wǎng)站服務(wù)器的處理能力等因素的影響，這些和訪問(wèn)者與網(wǎng)站服務(wù)器之間的距離有密切的關(guān)系。因此，即使各個(gè)ISP將網(wǎng)絡(luò)帶寬加大后，如果訪問(wèn)者和網(wǎng)站之間的距離較遠(yuǎn)，它們之間的通信一樣需要經(jīng)過(guò)重重的路由轉(zhuǎn)發(fā)和處理，網(wǎng)絡(luò)延誤不可避免。而用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的要求越來(lái)越高(如對(duì)訪問(wèn)的響應(yīng)時(shí)間、網(wǎng)站內(nèi)容和服務(wù)提供的可靠性等的要求)，因此CDN(Content Delivery Network)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 

1996年，由麻省理工學(xué)院一個(gè)小組提出了CDN的概念，并開始對(duì)CDN技術(shù)進(jìn)行研究，他們?cè)?/span>1999年成立了一個(gè)專業(yè)CDN服務(wù)公司，為Yahoo提供了專業(yè)服務(wù)。如今在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多的企業(yè)和服務(wù)商開始使用內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)CDN技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)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(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)。CDN是建立在現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上的一種增值網(wǎng)絡(luò)。是在應(yīng)用層部署的一層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 

提供CDN技術(shù)產(chǎn)品的廠商有各自的解決方案，CDN運(yùn)營(yíng)商的實(shí)現(xiàn)方式也不同，但CDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能是相同的。那就是將多點(diǎn)負(fù)載均衡，路由或緩存技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用智能分配技術(shù)，將內(nèi)容根據(jù)來(lái)訪用戶的地點(diǎn)，按照就近訪問(wèn)的原則分配到多個(gè)節(jié)點(diǎn)。 

在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中，用戶請(qǐng)求直接指向基于網(wǎng)絡(luò)地址的原始服務(wù)器，而CDN業(yè)務(wù)提供了一個(gè)服務(wù)層，補(bǔ)充和延伸了Internet網(wǎng)絡(luò)，把頻繁訪問(wèn)的內(nèi)容盡可能向用戶推進(jìn)，提供了處理基于內(nèi)容進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)的新能力，把路由導(dǎo)引到最佳服務(wù)器上。動(dòng)態(tài)獲得需要的內(nèi)容。它改變了分布到使用者信息的方式，從被動(dòng)的內(nèi)容恢復(fù)轉(zhuǎn)為主動(dòng)的內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)。 

CDN的核心是邊緣訪問(wèn)和透明訪問(wèn)，以前主要是用于Web訪問(wèn)加速，只支持HTTP/FTP協(xié)議。在2003和2004年國(guó)內(nèi)流媒體業(yè)務(wù)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(shí)也稱為MDN(Media Delievery Network)。 

3、CDN技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 

3.1　CDN技術(shù)具有的特點(diǎn) 

(1)根據(jù)用戶的地理位置和連接帶寬，讓用戶連接到最近的服務(wù)器上去，訪問(wèn)速度快。 
　　(2)全局負(fù)載平衡，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的性能與質(zhì)量。 
　　(3)熱點(diǎn)內(nèi)容主動(dòng)傳送，自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)更新。 
　　(4)網(wǎng)絡(luò)具有高可靠、可用性，能容錯(cuò)且很容易擴(kuò)展。 
　　(5)無(wú)縫地集成到原有的網(wǎng)絡(luò)和站點(diǎn)上去。

3.2　CDN技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì) 

(1)可減少消耗的網(wǎng)絡(luò)帶寬，減少網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的延遲和用戶響應(yīng)時(shí)間。提高網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)站內(nèi)容的可用性。 
　　(2)提高網(wǎng)站資源的管理控制能力，智能分配路由和進(jìn)行流量管理。 
　　(3)發(fā)送的內(nèi)容受到保護(hù)，未授權(quán)的用戶不能修改。 
　　(4)內(nèi)容提供商可在本地自己決定服務(wù)的內(nèi)容，內(nèi)容是動(dòng)態(tài)的。 
　　(5)內(nèi)容提供商在降低成本的同時(shí)，提高了服務(wù)質(zhì)量，提供的內(nèi)容更多、速度更快。 
　　(6)可線性、平滑地增加新的設(shè)備，保護(hù)原有的投資。

因?yàn)樯鲜龅奶攸c(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，CDN技術(shù)能加速和提高寬帶流媒體的使用，使互聯(lián)網(wǎng)的多媒體用戶更加普及，這些應(yīng)用包括在線播放、音樂(lè)點(diǎn)播、電視直播、游戲等，大大促進(jìn)網(wǎng)上應(yīng)用和服務(wù)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(wǎng)絡(luò)電視，是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的多媒體通信技術(shù)。IPTV利用寬帶網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，以家用電視機(jī)或計(jì)算機(jī)作為主要終端設(shè)備，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IP)傳送電視信號(hào)，向家庭用戶提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種交互式數(shù)字媒體服務(wù)。 

IPTV的工作原理是把源端的電視信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，轉(zhuǎn)化成適合IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式，然后通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳送，最后在接收端進(jìn)行解碼，再通過(guò)電腦或是電視播放。由于數(shù)據(jù)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(shù)，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(jī)頂盒+普通電視機(jī)和手機(jī)。 

(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(wǎng)。目前，ADSL作為寬帶接入網(wǎng)的一種方式在幾年內(nèi)仍然占主導(dǎo)地位，以太網(wǎng)接入方式也漸漸增多。采用FTTC/FTTB的方式，結(jié)合ADSL，SDSL，Cable Modem等技術(shù)，也可使用FTTC+HFC的方式向用戶提供寬帶接入。

(3)IP承載網(wǎng)絡(luò) 

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

(4)內(nèi)容媒體服務(wù)系統(tǒng) 

該部分主要完成節(jié)目的數(shù)字化，將原始節(jié)目進(jìn)行編碼、壓縮，成為能夠在IP網(wǎng)絡(luò)上傳。 

(5)節(jié)目源 

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

5、CDN技術(shù)在IPIV中的應(yīng)用 

IPTV系統(tǒng)對(duì)于用戶的服務(wù)質(zhì)量有很高的要求，而且要保證播放的流暢。在廣域網(wǎng)內(nèi)，從用戶的客戶端到流媒體服務(wù)器之間經(jīng)過(guò)了一個(gè)很復(fù)雜的路由以后，就很難保證播放的流暢了。為了克服網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜路線帶來(lái)的制約，在IPTV中必須通過(guò)邊緣服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)最終用戶的點(diǎn)播服務(wù)，所以要把內(nèi)容從中心服務(wù)器有效地分發(fā)到邊緣服務(wù)器，就可以通過(guò)CDN把內(nèi)容從中心存儲(chǔ)服務(wù)器分發(fā)到邊緣服務(wù)器。 

CDN的核心思想是將內(nèi)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(nèi)容，這樣不但有效提高了用戶訪問(wèn)內(nèi)容的性能，而且有效減輕了中心設(shè)備和骨干網(wǎng)絡(luò)的壓力。通過(guò)CDN，可以將內(nèi)容分發(fā)從原來(lái)的單一中心結(jié)構(gòu)變?yōu)榉植际降慕Y(jié)構(gòu)，提高用戶訪問(wèn)網(wǎng)站的響應(yīng)速度。因而，CDN可以提高網(wǎng)絡(luò)中信息流動(dòng)的效率，從技術(shù)上全面解決由于網(wǎng)絡(luò)帶寬小、用戶訪問(wèn)量大、網(wǎng)點(diǎn)分布不均等問(wèn)題，提高用戶訪問(wèn)的響應(yīng)速度。 

雖然CDN不是一個(gè)新概念，它的發(fā)展也已經(jīng)有很多年的歷史，但是CDN并沒有統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，各廠家的CDN解決方案在實(shí)現(xiàn)上各不相同，但在一個(gè)CDN網(wǎng)絡(luò)中主要包含的功能實(shí)體都相同，包括內(nèi)容緩存設(shè)備、內(nèi)容交換機(jī)、內(nèi)容路由器、CDN內(nèi)容管理等。 

內(nèi)容緩存設(shè)備是CDN的業(yè)務(wù)提供點(diǎn)，是面向最終用戶的內(nèi)容提供設(shè)備，可緩存靜態(tài)的Web內(nèi)容和流媒體內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的邊緣傳播和存儲(chǔ)，以便最終用戶的就近訪問(wèn)，因此一般部署于集中的用戶接入點(diǎn)，完成內(nèi)容邊緣存儲(chǔ)的設(shè)備通常都采用Cache技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于在Cache節(jié)點(diǎn)中的存儲(chǔ)，是Cache設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，需要考慮的因素包括功能和性能兩個(gè)方面：功能上包括對(duì)各種內(nèi)容格式的支持，對(duì)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(nèi)容交換機(jī)處于用戶接入集中點(diǎn)和POP點(diǎn)，可對(duì)內(nèi)容進(jìn)行緩存負(fù)載平衡及訪問(wèn)控制。在很多設(shè)備情況下和內(nèi)容緩存集中在一個(gè)設(shè)備上。內(nèi)容交換機(jī)可以均衡單點(diǎn)多個(gè)內(nèi)容緩存設(shè)備的負(fù)載，它基于最終用戶會(huì)話和特定的內(nèi)容請(qǐng)求提供內(nèi)容服務(wù)。內(nèi)容交換機(jī)是CDN的可選部件之一，對(duì)于較大型的用戶接入點(diǎn)，內(nèi)容交換機(jī)可以提高站點(diǎn)的可用性。 

內(nèi)容路由器負(fù)責(zé)將用戶的請(qǐng)求調(diào)度到適當(dāng)?shù)脑O(shè)備上，內(nèi)容路由通常通過(guò)負(fù)載均衡系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，負(fù)載均衡系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)CDN的內(nèi)容路由功能。它的作用是動(dòng)態(tài)均衡各個(gè)內(nèi)容緩存站點(diǎn)的負(fù)荷分配，為用戶的請(qǐng)求選擇最佳的訪問(wèn)站點(diǎn)，同時(shí)提高網(wǎng)站的可用性。內(nèi)容路由根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、服務(wù)器負(fù)荷與規(guī)則等策略設(shè)定，指定最優(yōu)站點(diǎn)向特定的內(nèi)容請(qǐng)求提供服務(wù)。內(nèi)容路由器可根據(jù)多種因素制定路由，包括站點(diǎn)與用戶的臨近度、內(nèi)容的可用性、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、設(shè)備狀況等。負(fù)載均衡系統(tǒng)是整個(gè)CDN的核心。負(fù)載均衡的準(zhǔn)確性和效率直接決定了整個(gè)CDN的效率和性能。 

內(nèi)容管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個(gè)CDN系統(tǒng)的管理，是CDN的可選部件，它的作用是進(jìn)行內(nèi)容管理，如內(nèi)容的注入和發(fā)布、內(nèi)容的分發(fā)、內(nèi)容的審核、內(nèi)容的服務(wù)等，并能夠讓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容分布和傳輸服務(wù)的用戶或者服務(wù)供應(yīng)商可以根據(jù)需要監(jiān)視、管理或者控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的分布、設(shè)備狀態(tài)等。

6、CDN的技術(shù)實(shí)現(xiàn) 

目前，關(guān)于CDN業(yè)務(wù)的產(chǎn)品和設(shè)備各廠商都不相同。解決方案也有很大的差別，各個(gè)廠家的產(chǎn)品并不兼容。下面介紹幾家有代表性的公司對(duì)于CDN業(yè)務(wù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 

6.1　Inktomi公司的CDN技術(shù)實(shí)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(nèi)容的分發(fā)和同步的軟件。它由主要由內(nèi)容分發(fā)器、內(nèi)容管理器以及它們的代理所組成。 

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

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

6.2　Cisco公司的CDN技術(shù)實(shí)現(xiàn) 

Cisco公司的CDN系統(tǒng)由五種技術(shù)構(gòu)成：內(nèi)容分布及管理、內(nèi)容路由選擇、內(nèi)容邊沿傳播、內(nèi)容交換和智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。 

(1)內(nèi)容分布和管理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分布內(nèi)容，同時(shí)提供實(shí)時(shí)監(jiān)控。內(nèi)容分發(fā)管理器(CDM4670)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)CDN網(wǎng)絡(luò)的高效與集中控制，它與內(nèi)容引擎和內(nèi)容路由器協(xié)同工作。內(nèi)容路由選擇技術(shù)確保內(nèi)容的可用性，并提供全球負(fù)載能力；內(nèi)容交換技術(shù)可以根據(jù)內(nèi)容可用性、應(yīng)用可用性及服務(wù)器負(fù)載，在POP(演示點(diǎn))或分布式數(shù)據(jù)中心的提交節(jié)點(diǎn)處，智能地實(shí)現(xiàn)信息量負(fù)載平衡； 

(2)內(nèi)容路由器(CR 4450)可根據(jù)多種因素制定路由，包括站點(diǎn)與用戶的鄰近度、內(nèi)容可用性、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、設(shè)備狀況等。定位最適合的站點(diǎn)響應(yīng)內(nèi)容請(qǐng)求； 

(3)內(nèi)容交換提供突發(fā)訪問(wèn)保護(hù)、基于URL的服務(wù)器負(fù)載均衡、動(dòng)態(tài)內(nèi)容復(fù)制以及動(dòng)態(tài)的內(nèi)容重定向等功能。采用CiscoWebNS軟件提供內(nèi)容路由服務(wù)，通過(guò)將用戶與內(nèi)容劃入不同區(qū)域的方法，保證內(nèi)容請(qǐng)求選擇最佳的站點(diǎn)與服務(wù)器： 

(4)內(nèi)容邊沿傳播技術(shù)能夠確保網(wǎng)絡(luò)向最終用戶提交內(nèi)容，加速內(nèi)容傳播，減輕WAN和源內(nèi)容服務(wù)器的負(fù)擔(dān)內(nèi)容引擎是內(nèi)容邊緣傳播設(shè)備。內(nèi)容引擎是內(nèi)容邊緣傳播設(shè)備。內(nèi)容可以由內(nèi)容引擎根據(jù)特別指示將內(nèi)容從源內(nèi)容服務(wù)器中提取，通過(guò)透明緩存定制經(jīng)常被訪問(wèn)的內(nèi)容； 

(5)智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)能夠提供包括各種IP基礎(chǔ)設(shè)施中的多項(xiàng)智能服務(wù)，如安全性、QoS、VPN和組播等。 

6.3　F5公司的CDN技術(shù)實(shí)現(xiàn) 

F5公司的CDN解決方案是關(guān)于內(nèi)容發(fā)送網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并建立在緩存的基礎(chǔ)上，它的基礎(chǔ)架構(gòu)包括：內(nèi)容復(fù)制、高可靠性和負(fù)載平衡、緩存、對(duì)Web和緩存服務(wù)器的全面支持、網(wǎng)絡(luò)管理。 

(1)全球站點(diǎn)控制器負(fù)責(zé)在CDN內(nèi)管理內(nèi)容復(fù)制，將前置和復(fù)制內(nèi)容到適當(dāng)?shù)木彺婧?/span>Web服務(wù)器。自動(dòng)地分布和同步到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全部站點(diǎn)。 

(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(fù)載平衡。BIG-IP把用戶流量引向性能最好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和緩存服務(wù)器。為管理應(yīng)用(Cookie交換、URL交換、穩(wěn)定復(fù)用方法、內(nèi)容和應(yīng)用的探查和校驗(yàn)等)提供豐富的特征。通過(guò)放到不同的緩存陣列中以區(qū)分個(gè)別對(duì)象(而不是域或URL)來(lái)保證效率最高。當(dāng)內(nèi)容被更新時(shí)。管理服務(wù)器與全球站點(diǎn)間的通信。提供附加的安全特征(缺省網(wǎng)關(guān)、NAT、SNAT、包過(guò)濾、端口映射)。3-DNS解決用戶需求和指導(dǎo)他們到全球最好的站點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和站點(diǎn)管理提供智能的全球負(fù)載平衡和高可靠性，為冗余的站點(diǎn)的起點(diǎn)/邊界點(diǎn)提供災(zāi)難恢復(fù)，為監(jiān)視、報(bào)導(dǎo)和收費(fèi)發(fā)送統(tǒng)計(jì)，使用基于性能的用戶重定向。 

(3)EDGE-FXTM緩存能增加網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)性能，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬能力，加速對(duì)終端用戶的內(nèi)容傳送。在靠近終端用戶的網(wǎng)絡(luò)的邊緣，允許Web數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，從網(wǎng)絡(luò)邊緣而檢索數(shù)據(jù)。 

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

(5)SEE-IT網(wǎng)絡(luò)管理器為網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送分析和報(bào)告，包括配置、計(jì)費(fèi)和協(xié)調(diào)緩存內(nèi)容分布的規(guī)則等。 

7、結(jié)束語(yǔ) 

目前在IPTV網(wǎng)上CDN的邊緣訪問(wèn)是提高IP承載網(wǎng)QoS的有效途徑，很多運(yùn)營(yíng)商在寬帶網(wǎng)上都部署了CDN/MDN，為IPTV網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。CDN網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使互聯(lián)網(wǎng)資源得到了最大限度的利用。將大大推動(dòng)國(guó)內(nèi)IPTV業(yè)務(wù)的發(fā)展。