【摘要】 本文通過介紹CDN采用的關(guān)鍵技術(shù)，探討了內(nèi)容分發(fā)在下一代媒體融合網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，并提出了面向媒體融合網(wǎng)絡(luò)的CDN與P2P、云計(jì)算融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有效的利用網(wǎng)絡(luò)資源，提升網(wǎng)絡(luò)性能，提升廣播電視媒體在三網(wǎng)融合中的競爭力。
【關(guān)鍵詞】媒體融合 CDN IPTV NGB P2P 云計(jì)算
一．引言
網(wǎng)絡(luò)新媒體不僅可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對面的媒體傳播，還具有點(diǎn)對點(diǎn)、即時(shí)、互動、個(gè)性化、多形態(tài)的傳播特性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)媒體無法即時(shí)互動傳播的局限。
在網(wǎng)絡(luò)新媒體的沖擊下，傳統(tǒng)廣電媒體積極探索和實(shí)施廣播電視媒體的轉(zhuǎn)型，廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)不斷地交叉融合，推動了融合媒體網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。廣電媒體應(yīng)將傳統(tǒng)媒體和新媒體進(jìn)行融合并開拓新的發(fā)展空間，打造全媒體融合的網(wǎng)絡(luò)傳播平臺，將數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的新媒體技術(shù)和傳統(tǒng)媒體技術(shù)結(jié)合，打造新的傳播手段。
基于TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)體系在本質(zhì)上并不是給媒體傳輸設(shè)計(jì)的，而是一個(gè)信息交換的網(wǎng)絡(luò)，不是一個(gè)媒體的網(wǎng)絡(luò)。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，媒體內(nèi)容的發(fā)布和分發(fā)，不僅要有高效、靈活、可擴(kuò)展、易于部署等特點(diǎn)，又需要有帶寬效率、質(zhì)量保證、安全控制等保障。因此基于三網(wǎng)融合的媒體內(nèi)容分發(fā)既要考慮全媒體傳播的特征，又要充分發(fā)揮不同體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，取長補(bǔ)短、互為補(bǔ)充，將各自的優(yōu)勢技術(shù)結(jié)合起來發(fā)展智能融合的媒體內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。
內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content DeliveryNetwork，CDN）是在已有的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建的一種內(nèi)容傳輸覆蓋網(wǎng)，是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的一種延伸。它通常采用分布式緩存、負(fù)載均衡、內(nèi)容重定向、流量工程等技術(shù)，通過將內(nèi)容從源服務(wù)器推送到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備，使得用戶的內(nèi)容訪問可以在就近的位置得到快速的響應(yīng)，同時(shí)，緩解了中心源服務(wù)器的負(fù)荷壓力，也降低了骨干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載流量，降低了端到端時(shí)延，提高了服務(wù)質(zhì)量和用戶使用體驗(yàn)。
內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)主要由分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)、負(fù)載均衡系統(tǒng)、運(yùn)營管理系統(tǒng)等幾大部分構(gòu)成，如圖1所示。分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)主要作用是響應(yīng)用戶的內(nèi)容請求、實(shí)現(xiàn)內(nèi)容從源服務(wù)器到邊遠(yuǎn)的推送和存儲，以及內(nèi)容數(shù)據(jù)流在全網(wǎng)的實(shí)際分發(fā)工作。負(fù)載均衡系統(tǒng)是CDN的核心，其作用是負(fù)責(zé)對用戶請求進(jìn)行調(diào)度，它根據(jù)分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)的內(nèi)容分布情況和網(wǎng)絡(luò)狀況等信息，選擇最佳的用來響應(yīng)用戶請求的邊緣緩存服務(wù)器，并將確定的服務(wù)器地址返回給用戶。運(yùn)營管理系統(tǒng)則是對CDN網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理的接口和界面，包括運(yùn)營情況的管理和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況的管理。
CDN網(wǎng)絡(luò)通過監(jiān)測各個(gè)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如負(fù)載、吞吐量、健康狀況等，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，及時(shí)將性能惡劣的節(jié)點(diǎn)剔除，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能更好，更穩(wěn)定。
因此，如何將CDN技術(shù)應(yīng)用到下一代媒體融合網(wǎng)絡(luò)，從而支撐起未來龐大的多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，是每一個(gè)廣播電視從業(yè)人員需要學(xué)習(xí)和實(shí)踐的內(nèi)容。
圖1 CDN基本功能結(jié)構(gòu)圖
二．CDN關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
內(nèi)容分發(fā)通過將數(shù)據(jù)中心的內(nèi)容發(fā)送到CDN網(wǎng)絡(luò)邊緣的緩存服務(wù)器上，靠近用戶已達(dá)到減少訪問響應(yīng)時(shí)間。傳統(tǒng)的內(nèi)容分發(fā)方式有PUSH和PULL兩種。
PUSH是主動分發(fā)技術(shù)，將內(nèi)容從數(shù)據(jù)中心推送到邊緣服務(wù)器。采用PUSH方式推送的是熱點(diǎn)內(nèi)容，通過預(yù)先將這些熱點(diǎn)內(nèi)容發(fā)送到邊緣服務(wù)器，可以滿足絕大多數(shù)用戶的需求，不需要大量地訪問數(shù)據(jù)中心，避免造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。
PULL是被動分發(fā)方式，一般情況下從用戶主動請求開始。如果用戶請求的數(shù)據(jù)不在本地邊緣服務(wù)器時(shí)，該服務(wù)器就會使用PULL方式從中心節(jié)點(diǎn)或者其他鄰接CDN節(jié)點(diǎn)上獲取所需數(shù)據(jù)。
（1）內(nèi)容緩存技術(shù)
在視頻點(diǎn)播環(huán)境下，用戶視頻訪問速度的提高是提升用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵。用戶的視頻訪問速度與服務(wù)器的響應(yīng)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)等因素有關(guān)，其中服務(wù)器對用戶請求的響應(yīng)是主要因素。在內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中，高效的緩存算法在減少服務(wù)器的負(fù)載和延時(shí)方面發(fā)揮出很重要的作用。
內(nèi)容緩存技術(shù)就是在緩存中存儲內(nèi)容副本，用緩存中的內(nèi)容副本為后續(xù)訪問的客戶端提供服務(wù)。通過內(nèi)容緩存，用戶向源服務(wù)器發(fā)起的內(nèi)容訪問就變成了用戶到緩存服務(wù)器和緩存服務(wù)器到源服務(wù)器的兩次訪問過程。
緩存可采用獨(dú)立緩存或協(xié)同緩存，獨(dú)立緩存是用作緩存的服務(wù)器相互獨(dú)立，協(xié)同緩存由服務(wù)器集群組成，集群中的緩存服務(wù)器根據(jù)緩存協(xié)議協(xié)同服務(wù)，這也是CDN中最常采用的緩存設(shè)計(jì)方案。
（2）負(fù)載均衡
CDN系統(tǒng)主要通過負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)內(nèi)容路由的功能。負(fù)載均衡是將用戶的請求重定向到距離用戶最近的邊緣服務(wù)器上。在進(jìn)行負(fù)載均衡的時(shí)候需要考慮到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況、每臺邊緣服務(wù)器的性能以及負(fù)載狀況。負(fù)載均衡系統(tǒng)是CDN的核心，關(guān)系到整個(gè)CDN的工作效率和服務(wù)質(zhì)量。
負(fù)載均衡算法分為靜態(tài)算法和動態(tài)算法。靜態(tài)算法沒有考慮當(dāng)前時(shí)間網(wǎng)絡(luò)擁塞情況和服務(wù)器負(fù)載狀況，按照設(shè)定好的均衡策略分配任務(wù)，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，執(zhí)行效率高，但是適應(yīng)性差。動態(tài)算法可以考慮實(shí)際運(yùn)行中服務(wù)器的負(fù)載情況，根據(jù)不同的負(fù)載狀況對服務(wù)器使用不同的負(fù)載均衡算法。
最 簡 單 的 靜 態(tài) 算 法 是 隨 機(jī) 算 法（RAND），將到來的請求以相同的概率隨機(jī)重定向到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器中。輪詢（RR）算法是以循環(huán)的模式將請求依次分發(fā)到每個(gè)服務(wù)器上，經(jīng)過一定時(shí)間，每個(gè)服務(wù)器都處理相同數(shù)量請求。
該算法適合集群中服務(wù)器負(fù)載能力差異不大的情況。
最小負(fù)載算法（LL）的動態(tài)算法是將請求重定向到當(dāng)前負(fù)載最小的服務(wù)器上來實(shí)現(xiàn)整體的負(fù)載均衡，不足之處是會導(dǎo)致負(fù)載最小的服務(wù)器在短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到過載狀態(tài)[1]。動態(tài)算法還可以根據(jù)響應(yīng)時(shí)間選擇合適的服務(wù)器，最終達(dá)到用戶整體響應(yīng)時(shí)間最小的目標(biāo)[2]。
（3）內(nèi)容管理
內(nèi)容管理是CDN系統(tǒng)的重要組成部分，通過網(wǎng)絡(luò)流量管理，定期對服務(wù)器的工作狀態(tài)進(jìn)行探測，收集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，記錄其健康狀況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)工作狀態(tài)異常的服務(wù)器時(shí)，可以及時(shí)將該服務(wù)器的負(fù)載任務(wù)轉(zhuǎn)移到健康的服務(wù)器上，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作在健康的狀態(tài)。此外，還可以利用內(nèi)容感知技術(shù)，盡量將用戶的訪問請求定向到存有該內(nèi)容的副本服務(wù)器，提高命中率，減少響應(yīng)時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)。
內(nèi)容管理包括三個(gè)方面：本地內(nèi)容索引，包括緩存服務(wù)器上存有內(nèi)容的名稱、具體的URL、訪問的內(nèi)容等。本地內(nèi)容更新，利用HTTP響應(yīng)中的頭信息判斷該內(nèi)容是否需要更新，若需要更新，本地緩存服務(wù)器會向源服務(wù)器發(fā)出請求驗(yàn)證。本地設(shè)備狀態(tài)信息，包括本地設(shè)備是否健康，性能是否良好，以及用戶訪問內(nèi)容的動態(tài)變化。
（4）CDN在IPTV中的應(yīng)用
CDN技術(shù)可以將大量流媒體內(nèi)容預(yù)分發(fā)到本地網(wǎng)絡(luò)的邊緣服務(wù)器中，利用這些服務(wù)器響應(yīng)距離較近的本地用戶請求，達(dá)到緩解骨干網(wǎng)壓力和減少用戶響應(yīng)時(shí)間的目的。
服務(wù)器的性能千差萬別，將大量用戶請求分配到距離最小的服務(wù)器上會造成一部分服務(wù)器過載，一部分服務(wù)器空閑的局面。CDN的負(fù)載均衡技術(shù)可以實(shí)時(shí)根據(jù)服務(wù)器負(fù)載情況和鏈路流量，動態(tài)分配請求的去向。對于某些突然失效的節(jié)點(diǎn)，可以及時(shí)地調(diào)用附近空閑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行替代，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持健康的狀態(tài)。最佳節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行選擇，如時(shí)延距離最近、節(jié)點(diǎn)負(fù)載最輕和服務(wù)最可用等。
CDN的預(yù)分發(fā)及存儲技術(shù)可以使大多數(shù)請求在本地網(wǎng)絡(luò)中被響應(yīng)，不需要將請求重定向到媒體中心。通過對IPTV系統(tǒng)中用戶點(diǎn)播行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)播視頻熱度分布類似于系數(shù)為0.8的Zipf分布[3]，即80%用戶的點(diǎn)播請求集中在20%的視頻上。傳統(tǒng)的緩存機(jī)制是在邊緣服務(wù)器中緩存20%的熱門視頻內(nèi)容，來提高請求命中率，但視頻文件一般都非常大，不利于存儲和傳輸處理。為了解決這些問題，可以使用基于切片技術(shù)的部分存儲機(jī)制，將視頻文件分成一個(gè)個(gè)小段[4]，利于分布式存儲。同時(shí)，邊緣服務(wù)器中將10%的視頻內(nèi)容完整存儲，30%的內(nèi)容存儲其一半，剩余的冷門視頻只存儲開頭段。其中具體的參數(shù)和緩存策略還可根據(jù)覆蓋用戶的偏好進(jìn)行重新定義，內(nèi)容的分布也可以隨著熱門程度自動調(diào)整，從而系統(tǒng)整體的服務(wù)質(zhì)量。
圖2 IPTV系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
三．下一代媒體融合網(wǎng)絡(luò)的智能分發(fā)技術(shù)
1.CDN在下一代媒體融合網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
NGB具有全程全網(wǎng)、寬帶雙向、內(nèi)容匯聚等優(yōu)勢，大幅提高了網(wǎng)絡(luò)接入速度和資源整合效率；在業(yè)務(wù)上有著互聯(lián)互通、開放共享的特點(diǎn)，提供高清視頻點(diǎn)播、視音頻通信和網(wǎng)上沖浪等融合業(yè)務(wù)以及其他信息傳播業(yè)務(wù)。
CDN根據(jù)用戶地理位置、鏈路帶寬、服務(wù)器負(fù)載狀況等參數(shù)將用戶請求重定向到訪問速度最快的服務(wù)器上，同時(shí)負(fù)載均衡系統(tǒng)合理分配資源副本，提高網(wǎng)絡(luò)整體容量。此外CDN具有易于管理、內(nèi)容保護(hù)和線性擴(kuò)展的優(yōu)勢。鑒于以上特點(diǎn)，下一代媒體融合網(wǎng)絡(luò)可將借鑒CDN的分發(fā)技術(shù)，滿足網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域內(nèi)容分發(fā)和調(diào)度的功能。
NGB的協(xié)議體系架構(gòu)包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層，其協(xié)議體系如圖3所示。物理層包括了廣播傳輸和雙向傳輸兩部分。根據(jù)二八原則，網(wǎng)絡(luò)中80%的用戶關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)中20％的內(nèi)容，利用全局負(fù)載均衡調(diào)度算法，通過廣播傳送共性內(nèi)容，通過雙向傳送個(gè)性內(nèi)容，緩解內(nèi)容冗余傳輸帶來的巨額網(wǎng)絡(luò)流量壓力，節(jié)省雙向流量，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營經(jīng)濟(jì)成本。
網(wǎng)絡(luò)和傳輸層采用基于I P和T S的架構(gòu)，支持已有的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）、傳輸控制協(xié)議（TCP）、實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）等面向連接的流媒體技術(shù)協(xié)議，也支持目前較為先進(jìn)的基于HTTP的動態(tài)自適應(yīng)流（DASH）協(xié)議，同時(shí)支持增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)編碼PLUTE+協(xié)議，以及同時(shí)適合廣播和雙向網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇虬袷健Ｎ锢韺印⒕W(wǎng)絡(luò)和傳輸層都支持NGB的內(nèi)容分發(fā)功能 ，同時(shí)支持廣播、組播和點(diǎn)播業(yè)務(wù)。
在內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，NGB可以實(shí)現(xiàn)多種多媒體交互應(yīng)用，包括高質(zhì)量音視頻傳輸、交互電視、智能EPG以及文件共享等。
圖3 基于CDN的NGB體系
2.CDN-P2P融合型內(nèi)容分發(fā)
P2P技術(shù)在應(yīng)用層構(gòu)建了一個(gè)對等節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)對等實(shí)體Peer既可以作為客戶端下載數(shù)據(jù)，也可作為服務(wù)器為其他Peer提供所需資源。P2P技術(shù)將源服務(wù)器的負(fù)載分?jǐn)偟奖姸郟eer上，減輕了源服務(wù)器的壓力，原本集中到源服務(wù)器的訪問流量更多的分散在本地的自治域網(wǎng)絡(luò)，用戶可以從鄰近的多個(gè)節(jié)點(diǎn)直接獲取數(shù)據(jù)，傳輸速率大大提高。加入P2P網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)首先連接到一個(gè)集中式的節(jié)點(diǎn)列表服務(wù)器（稱為Tracker），從Tracker獲得一個(gè)初始節(jié)點(diǎn)列表并加入覆蓋網(wǎng)絡(luò)，定期與鄰居節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)更新成員節(jié)點(diǎn)信息，根據(jù)節(jié)點(diǎn)列表中的信息動態(tài)地選擇合適的節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)。單個(gè)節(jié)點(diǎn)的加入和退出不會對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性造成太大影響，因此P2P技術(shù)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。
CDN的網(wǎng)絡(luò)容量取決于服務(wù)器數(shù)量，建設(shè)成本昂貴。P2P技術(shù)擴(kuò)展性好，但不易管理節(jié)點(diǎn)。兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，建立一個(gè)CDN-P2P融合型內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)很有價(jià)值。
如圖4所示，根據(jù)引入P2P技術(shù)的位置不同，混合架構(gòu)可分為兩類：一類是在CDN的邊緣服務(wù)器之間引入P2P 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)邊緣服務(wù)器之間的內(nèi)容共享；另一類是在邊緣服務(wù)器下引入可管理的P2P自治域，域內(nèi)的終端用戶之間可進(jìn)行P2P分發(fā)。由于CDN網(wǎng)絡(luò)是一種分域網(wǎng)絡(luò)，特定域內(nèi)的邊緣服務(wù)器數(shù)量有限，在這個(gè)域內(nèi)引入P2P并不能給網(wǎng)絡(luò)容量帶來質(zhì)的飛躍[5]，第二類架構(gòu)充分利用了終端用戶的資源，邊緣服務(wù)器作為一個(gè)特殊的Peer可以有效管理覆蓋的P2P自治域，網(wǎng)絡(luò)性能大大提升。
圖4 CDN-P2P兩種混合架構(gòu)
3.基于云計(jì)算的內(nèi)容分發(fā)
傳統(tǒng)的CDN網(wǎng)絡(luò)容量仍然受限于邊緣服務(wù)器的性能及數(shù)量，云計(jì)算有效解決了該問題。
首先，云計(jì)算提供了低成本海量云存儲空間，實(shí)現(xiàn)在CDN的多個(gè)邊緣云服務(wù)器緩存同一文件的不同片段，用戶能夠從多個(gè)服務(wù)器同時(shí)接收該文件數(shù)據(jù)，大大提高了傳輸速率。此外，利用云計(jì)算虛擬化技術(shù)可以根據(jù)文件的熱度和用戶偏好實(shí)現(xiàn)動態(tài)存儲，還可以根據(jù)用戶的需求迅速調(diào)整服務(wù)器的數(shù)量和處理能力。最后，利用云計(jì)算強(qiáng)大的管理功能，可實(shí)現(xiàn)邊緣存儲之間的統(tǒng)一管理和資源共享。
如圖5所示，云架構(gòu)CDN通過虛擬技術(shù)將物理資源虛擬成一個(gè)資源池，云平臺對CDN的負(fù)載情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)，采用其智能的自動管理和動態(tài)調(diào)度策略，使得各邊緣存儲服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)協(xié)同配合的統(tǒng)一資源對外提供內(nèi)容加速服務(wù)。
圖5 基于云平臺的CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
目 前 ， 國 內(nèi) 外學(xué)者提出了很多基于云平臺的內(nèi)容分發(fā)算法，考慮到了云節(jié)點(diǎn)的存儲代價(jià)[6]和云節(jié)點(diǎn)的帶寬上限[7]，將帶寬作為服務(wù)質(zhì)量的硬性指標(biāo)，遍歷所有云節(jié)點(diǎn)尋找最優(yōu)內(nèi)容分發(fā)路徑。同時(shí)可以解決資源預(yù)留和內(nèi)容緩存的算法[8]，使用基因算法獲得最優(yōu)解，優(yōu)化最小化云服務(wù)器的租用成本和請求重定向帶來的成本。
四．小結(jié)
CDN技術(shù)可以有效增加網(wǎng)絡(luò)帶寬和提高服務(wù)質(zhì)量，其優(yōu)越性已在互聯(lián)網(wǎng)中得到驗(yàn)證。隨著全媒體融合時(shí)代的到來，下一代媒體融合網(wǎng)絡(luò)即將全面實(shí)現(xiàn)，廣播電視媒體在網(wǎng)絡(luò)上市場規(guī)模的將進(jìn)一步擴(kuò)大，CDN技術(shù)在廣播電視媒體中也將起到越來越重要的作用。CDN技術(shù)與P2P、云計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合也展現(xiàn)了新的生命力，相信不久的將來，在下一代媒體融合網(wǎng)絡(luò)中CDN技術(shù)也會被大規(guī)模使用。 B&P
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