袁琦：论CDN技术在IPTV中的运用

    摘要：CDN技术将多点负载均衡，路由或缓存技术结合起来，利用智能分配技术，将内容根据来访用户的地点，按照就近访问的原则分配到多个节点。由于IPTV业务对IP承载网服务质量有很高的要求，CDN技术开始应用在IPTV网络中。本文就对在IPTV中应用的CDN技术进行分析和介绍。

    关键词：IPTV CDN IP承载网 负载均衡 缓存

    一 CDN技术的产生

    据CCNIC调查统计，至2005年6月为止，上网用户总人数为10300万人,国内WWW站点数约为677500个，上网计算机数4560万台。由此可见，上网的用户数越来越多；Web站点的数量继续在增加；可供访问的资源日趋丰富，特别是文本、图像、音乐、广告、流媒体、动画等大量涌现；网上业务量成倍递增，造成了对网络带宽的大量需求，并且网络访问的延迟与等待总是普遍存在，这些情况导致了网络拥塞，服务器过载，网上应用等待时间过长等诸多问题，使整个互联网内容传送性能下降。

    如何缓解网络拥塞，提高用户获取信息的速度，成为困扰众多企业和服务商的一大难题。依靠增加带宽来解决这一问题是一个方面，另外它还受到传输途中的路由阻塞和延迟、网站服务器的处理能力等因素的影响，并且和访问者与网站服务器之间的距离有密切的关系。因此，即使各个ISP将网络带宽加大后，如果访问者和网站之间的距离较远，它们之间的通信一样需要经过重重的路由转发和处理，网络延误不可避免。而用户对网络系统性能的要求越来越高，如对访问的响应时间、网站内容和服务提供的可靠性等的要求。因此CDN(Content Delivery Network)技术应运而生。

    在1996年由麻省理工学院一个小组提出了CDN的概念，并开始对CDN技术进行研究，他们在1999年成立了一个专业CDN服务公司，为Yahoo提供了专业服务。如今在国内外已经有很多的企业和服务商开始使用内容传送网络CDN技术来提高网络服务质量，以满足用户的需求。

    二 CDN的定义

    CDN的英文全称是Content Delievery Network，即为内容传送网络。CDN是建立在现有IP网络基础结构之上的一种增值网络，是在应用层部署的一层网络架构。

    提供CDN技术产品的厂商有各自的解决方案，CDN运营商的实现方式也不同，但CDN技术实现的功能是相同的。那就是将多点负载均衡，路由或缓存技术结合起来，利用智能分配技术，将内容根据来访用户的地点，按照就近访问的原则分配到多个节点。

    在传统的IP网络中，用户请求直接指向基于网络地址的原始服务器，而CDN业务提供了一个服务层，补充和延伸了Internet网络，把频繁访问的内容尽可能向用户推进，提供了处理基于内容进行流量转发的新能力，把路由导引到最佳服务器上，动态获得需要的内容，它改变了分布到使用者信息的方式，从被动的内容恢复转为主动的内容转发。

    CDN的核心是边缘访问和透明访问，在以前主要是用于WEB访问加速，只是支持HTTP/FTP协议。在2003和2004年国内流媒体业务的出现，CDN开始支持MMS/RTSP等协议，CDN得到了很大的发展，有时也称为MDN(Media Delievery Network)。

    三 CDN技术的特点和优势

    CDN技术具有的特点：

    根据用户的地理位置和连接带宽，让用户连接到最近的服务器上去，访问速度快。

    全局负载平衡，提高网络资源的利用率，提高网络服务的性能与质量。

    热点内容主动传送，自动跟踪，自动更新。

    网络具有高可靠、可用性，能容错且很容易扩展。

    无缝地集成到原有的网络和站点上去。

    CDN技术具有的优势：

    可减少消耗的网络带宽，减少网络访问的延迟和用户响应时间，提高网络性能和网站内容的可用性。

    提高网站资源的管理控制能力，智能分配路由和进行流量管理。

    发送的内容受到保护，未授权的用户不能修改。

    内容提供商可在本地自己决定服务的内容，内容是动态的。

    内容提供商在降低成本的同时，提高了服务质量，提供的内容更多、速度更快。

    可线性、平滑地增加新的设备，保护原有的投资。

    因为上述的特点和优势，CDN技术能加速和提高宽带流媒体的使用，使互联网的多媒体用更加普及，这些应用包括在线播放、音乐点播、

    电视直播、游戏等，大大促进网上应用和服务的发展。

    四 IPTV系统组成

    IPTV(Internet Protocol TV或Interactive Personal TV)也叫交互式

    网络电视，是一种基于互联网的多媒体通信技术。IPTV利用宽带网的基础设施，以家用电视机或计算机作为主要终端设备，通过互联网络协议(IP)传送电视信号，向家庭用户提供包括电视节目在内的多种交互式数字媒体服务。

    IPTV的工作原理是把源端的电视信号数据进行编码处理，转化成适合IP网络传输的数据形式，然后通过IP网络传送，最后在接收端进行解码，再通过电脑或是电视播放。由于数据的传输速度要求比较高，所以要采用最新的高效视频压缩技术，例如H.264、MPEG4等。IPTV的系统组成如示：

    (1)IPTV终端

    目前IPTV终端主要有三种形式，即PC、

    机顶盒＋普通电视机和手机。

    (2)接入系统

    接入系统主要为IPTV终端提供接入功能，使IPTV终端能够顺利接入到IP承载网。目前ADSL作为宽带接入网的一种方式在几年内仍然占主导地位，以太网接入方式也渐渐增多。采用FTTC／FTTB的方式，结合ADSL、SDSL、Cable Modem等技术，也可使用FTTC＋HFC的方式向用户提供宽带接入。

    (3)IP承载网络

    用于传送IPTV的承载网络，是基于TCP/IP协议的，可以是公网，也可以是专网；

    (4)内容媒体服务系统

    该部分主要完成节目的数字化，将原始节目进行编码、压缩，成为能够在IP网络上传(5)节目源

    节目源可以是摄像机、电视台、VCD光盘、卫星输入信号等。

    五 CDN技术在IPTV中的应用

    IPTV系统对于用户的服务质量有很高的要求，而且要保证播放的流畅。在广域网内，从用户的客户端到流媒体服务器之间经过了一个很复杂的路由以后，就很难保证播放的流畅了。为了克服网络复杂路线带来的制约，在IPTV中必须通过边缘服务来实现最终用户的点播服务，所以要把内容从中心服务器有效地分发到边缘服务器，就可以通过CDN把内容从中心存储服务器分发到边缘服务器。

    CDN的核心思想是将内容从中心推倒靠近用户的边缘，使用户可以就近取得所需的内容，这样，不但有效提高了用户访问内容的性能，而且有效减轻了中心设备和骨干网络的压力。通过CDN，可以将内容分发从原来的单一中心结构变为分布式的结构，提高用户访问网站的响应速度。因而，CDN可以提高网络中信息流动的效率，从技术上全面解决由于网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等问题，提高用户访问的响应速度。

    虽然CDN不是一个新概念，它的发展也已经有很多年的历史，但是CDN并没有统一的协议标准，各厂家的CDN解决方案在实现上各不相同，但在一个CDN网络中主要包含的功能实体都相同，包括内容缓存设备、内容交换机、内容路由器、CDN内容管理等。

    内容缓存设备是CDN的业务提供点，是面向最终用户的内容提供设备，可缓存静态的Web内容和流媒体内容，实现内容的边缘传播和存储，以便最终用户的就近访问，因此一般部署于集中的用户接入点，完成内容边缘存储的设备通常都采用Cache技术来实现。对于在Cache节点中的存储，是Cache设计的一个关键问题，需要考虑的因素包括功能和性能两个方面：功能上包括对各种内容格式的支持，对部分缓存的支持，在性能上包括支持的容量、多文件吞吐率、可靠性、稳定性。

    内容交换机处于用户接入集中点和POP点，可对内容进行缓存负载平衡及访问控制。在很多设备情况下，和内容缓存集中在一个设备上。内容交换机可以均衡单点多个内容缓存设备的负载，它基于最终用户会话和特定的内容请求提供内容服务。内容交换机是CDN的可选部件之一，对于较大型的用户接入点，内容交换机可以提高站点的可用性。

    内容路由器负责将用户的请求调度到适当的设备上，内容路由通常通过负载均衡系统来实现，负载均衡系统是实现CDN的内容路由功能。它的作用是动态均衡各个内容缓存站点的负荷分配，为用户的请求选择最佳的访问站点，同时提高网站的可用性。内容路由根据网络拓扑结构、网络延时、服务器负荷与规则等策略设定，指定最优站点向特定的内容请求提供服务。内容路由器可根据多种因素制定路由，包括站点与用户的临近度、内容的可用性、网络负载、设备状况等。负载均衡系统是整个CDN的核心，负载均衡的准确性和效率直接决定了整个CDN的效率和性能。

    内容管理系统主要负责整个CDN系统的管理，是CDN的可选部件，它的作用是进行内容管理，如内容的注入和发布、内容的分发、内容的审核、内容的服务等，并能够让网络内容分布和传输服务的用户或者服务供应商可以根据需要监视、管理或者控制网络内容的分布、设备状态等。

    六 CDN的技术实现

    目前，关于CDN业务的产品和设备各厂商都不相同，解决方案也有很大的差别，各个厂家的产品并不兼容。下面介绍几家有代表性的公司对于CDN业务的技术实现。

    Inktomi公司的CDN系统是一套在分布式Web环境下提供Web内容的分发和同步的软件。它由主要由内容分发器、内容管理器以及它们的代理所组成。

    内容分发器通过可靠的和安全的手段，将Web内容的分发到多个Web服务器以及缓存服务器，并保证其内容的同步。

    内容管理器则采集各Web服务器和缓存服务器的状态，提供集中的管理功能。对于内容分发器和内容管理器之间的通讯，由系统的控制器来完成。

    Cisco公司的CDN系统由五种技术构成：内容分布及管理、内容路由选择、内容边沿传播、内容交换和智能网络服务。

    内容分布和管理技术可以实现自动分布内容，同时提供实时监控。内容分发管理器(CDM 4670)能够实现对整个CDN网络的高效与集中控制，它与内容引擎和内容路由器协同工作。内容路由选择技术确保内容的可用性，并提供全球负载能力；内容交换技术可以根据内容可用性、应用可用性及服务器负载，在POP(演示点)或分布式数据中心的提交节点处，智能地实现信息量负载平衡；

    内容路由器(CR 4450)可根据多种因素制定路由，包括站点与用户的邻近度、内容可用性、网络负载、设备状况等，定位最适合的站点响应内容请求；

    内容交换提供突发访问保护、基于URL的服务器负载均衡、动态内容复制以及动态的内容重定向等功能，采用CiscoWebNS软件提供内容路由服务，通过将用户与内容划入不同区域的方法，保证内容请求选择最佳的站点与服务器；

    内容边沿传播技术能够确保网络向最终用户提交内容，加速内容传播，减轻WAN和源内容服务器的负担内容引擎是内容边缘传播设备。内容引擎是内容边缘传播设备。内容可以由内容引擎根据特别指示将内容从源内容服务器中提取，通过透明缓存定制经常被访问的内容；

    智能网络服务技术能够提供包括各种IP基础设施中的多项智能服务，如安全性、QoS、VPN和组播等。

    F5公司的CDN解决方案是关于内容发送网络服务并建立在缓存的基础上，它的基础架构包括：内容复制、高可靠性和负载平衡、缓存、对Web和缓存服务器的全面支持、网络管理。

    全球站点控制器负责在CDN内管理内容复制，将前置和复制内容到适当的缓存和Web服务器，自动地分布和同步到网络内的全部站点。

    BIG-IP控制器和3-DNS控制器用于提供本地的和区域的高可靠性和智能负载平衡。BIG-IP把用户流量引向性能最好的网络服务和缓存服务器，为管理应用(Cookie交换、URL交换、稳定复用方法、内容和应用的探查和校验等)提供丰富的特征。通过放到不同的缓存阵列中以区分个别对象(而不是域或URL)来保证效率最高。当内容被更新时，管理服务器与全球站点间的通信，提供附加的安全特征(缺省网关、NAT、 SNAT、包过滤、 端口映射)。3-DNS解决用户需求和指导他们到全球最好的站点，通过网络和站点管理提供智能的全球负载平衡和高可靠性，为冗余的站点的起点/边界点提供灾难恢复，为监视、报导和收费发送统计，使用基于性能的用户重定向。

    EDGE-FXTM缓存能增加网络站点性能, 增加网络带宽能力, 加速对终端用户的内容传送。在靠近终端用户的网络的边缘，允许Web数据的存储，从网络边缘而检索数据。

    支持地理分布的Web和缓存服务器以及非F5的产品集成包括了所有的基于IP的服务器技术，包括ERP应用、所有的基于Web的应用和电子邮件应用等。

    SEE-IT网络管理器为网络实时传送分析和报告，包括配置、计费和协调缓存内容分布的规则等。

    七 结束语

    目前在IPTV网上CDN的边缘访问是提高IP承载网QoS的有效途径，目前很多运营商在宽带网上部署了CDN/MDN，为IPTV网络的建设奠定了良好的基础。CDN网络的出现，使互联网资源得到了最大限度的利用，将大大推动国内IPTV业务的发展。