基于IMS的可控可管P2P网络电视架构的研究

石利军，梁建武

(中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410075)

0 引言

随着计算机网络的迅猛发展和宽带用户数的持续增长，在互联网上提供传输音频和视频业务也渐渐成为电信运营商和业务提供商的新经济增长点。其中，交互式网络电视(IPTV)的前景被看好。目前，国内的IPTV系统主要采用客户端/服务器(C/S)模式提供直播和点播业务［1］，当面临超大用户量时，此系统的服务能力成为了瓶颈，甚至严重影响整个系统的稳定性和视频服务的质量。主要由于IPTV系统服务器输入/输出的限制、存储容量的压力、网络带宽拥塞以及负载不均衡等。目前主要有两种方法可缓解系统压力:一是采用组播来提供广播，由于客观条件的制约，在目前的网络上难以实现;二是采用内容传送网络(CDN)技术［2］，能实现一定形式的优化，但是当节点负载均衡器出问题时，系统用户可能得不到服务，而且需要部署大量的边缘节点，存储投入成本也将相应的增加。

P2P(Peer to Peer)技术与C/S结构的本质区别是整个网络结构中不存在中心节点(中心服务器)，网络的参与者共享他们所拥有的一部分硬件资源。就IPTV而言，节点同时从流媒体数据源服务器与其他节点获取流媒体数据，减轻了服务器的压力，极大地提高了系统的可扩展性［3］。基于P2P的IPTV系统由于其部署成本低廉，系统可扩展性好，近年来得到了大力的研究和发展，尤其在我国，目前已经涌现出如QQLIVE，PPLIVE和PPStream等知名P2P流媒体技术提供商和服务商［4］。P2P技术有3种网络模型:集中目录式、纯P2P网络和混合网络模型。

IP多媒体子系统(IMS)［5］是由3GPP在Release 5版本中提出并被ITU－T和TISPAN采纳的下一代网络的核心控制子系统。IMS采用水平分层模型以区别与传统电信网络的垂直化架构，意味着传输和承载服务被从IMS信令网和会话管理服务中分离出去，实现了运营商对用户数据和业务的统一管理和统一的鉴权、授权与计费、统一的会话控制功能［6］。IMS网络可以分为3层，分别是应用层、控制层和传输层［7］。

本文在重点研究了IMS分层结构的管理优势与P2P技术的传输方面优势的基础上，提出了基于IMS的可控可管的P2P网络电视的架构，为下一代融合网络的网络电视架构提供一种新的可运营的思路。

1 现有P2P网络电视架构存在问题分析

目前出现的基于P2P的网络电视架构，虽然可以使视频资源传输和部署都能很好地服务于IPTV系统，但仍存在如下问题:1)缺乏版权保护机制，难以引入大量的合法内容;2)不支持个性化计费，运营商难以实现盈利的模式运营;3)不能实现区域调度，给网络带来巨大压力。合理的分享P2P技术所带来的巨大收益，运营需要一个可控可管可运营的P2P网络来支撑现在的各种宽带业务。

IMS系统可使基于IP的网络成为一个可控的网络。因此可以考虑通过将P2P网络引入到IMS系统中，实现基于IMS－P2P的网络架构，来解决现在基于P2P的网络电视系统中的控制、管理、运营、计费以及 QoS等问题。

2 基于IMS的可控可管的P2P网络电视架构

2.1 系统架构

基于IMS的可控可管P2P网络电视系统架构如图1所示。

图1 基于IMS的P2P网络电视系统架构

本文提出的基于IMS的可控可管的P2P网络电视系统架构主要在原有IMS系统架构中引入了新的功能实体，即超级管理节点(SMP)。系统网络的信令控制使用IMS系统信令，用户层面的媒体传输采用P2P优化，系统还增加了媒体源服务器(MSS)、网络电视应用服务器(IPTV－AS)和电子节目指南(EPG)服务器。

引入的新功能实体SMP主要集成了Tracker服务器和缓存服务器的功能。集成的Tracker服务器主要功能包括:保存用户peer信息、缓存服务器的资源状态信息、其归属自治域的资源分布信息、节点下载统计、上传统计以及服务能力等，并实现资源的发现和查询。缓存服务器类似于CDN网络中边缘缓存节点，负责缓存流媒体节目流数据，为用户peer提供流媒体数据下载。根据系统用户容量可以设置1个或多个超级管理节点SMP，各SMP负责一部分归属节点peer，形成一个自治域，用户peer通过注册加入各自归属的SMP，实现控制管理。各SMP之间通过P2P的机制增强，充当peer节点，使其集成的缓存服务器可以共享媒体分片，实现负载均衡。各SMP自治域中的用户peer之间同样以P2P的形式组织，实现资源共享，故系统SMP和媒体传输层的用户节点peer构成一个混合型P2P网络。

媒体源服务器负责节目内容的提供、内容的编码、媒体格式转换、切片，并将部分内容根据区域等通过CDN方式推送到不同SMP的缓存服务器。网络电视应用服务器主要集成内容发布和管理服务器、频道及点播信息服务器。EPG服务器主要向用户提供直播频道列表、点播VOD节目列表信息以及互动信息。

在本系统架构中，HSS数据库中存储着SMP信息和注册节点信息，HSS在用户注册期间根据用户IP信息和SMP的归属范围，为该用户指派一个SMP，使其加入相应的自治域。SMP和HSS之间采用Diameter协议在用户注册和退出时进行信息更新。

2.2 节点管理

新节点在加入时，首先经过IMS的注册，得到自己S－CSCF，HSS通过加入节点的IP地址，采用IP最长前缀匹配策略为其分配归属SMP节点。新加入节点在完成IMS注册获取到其归属SMP节点的信息(IP地址和端口)后，发起加入系统申请，其归属SMP通过同HSS进行信息更新，获取到该节点的注册信息，并对其进行鉴权。如果鉴权通过，该节点加入到该系统，SMP更新其维护的自治域中的peerlist信息，将该节点加入;否则，返回鉴权未通过，加入系统失败。

节点的离开包括两种情况:一种是节点正常关机退出，该节点向S－CSCF发出另一register请求来解除注册，收到解除注册请求后，HSS更新该节点在线状态，并通知其SMP节点该节点已解除注册，SMP收到此通知消息更新其维护的peerlist，删除该节点信息，并向自治域中的其他以该节点为数据源的peers发送更新数据源消息，至此，该节点正常退出;另一种情况是节点非正常关机或掉线失效，系统通过SMP发送心跳检测及时感知其自治域中节点的在线状态，根据实际情况每隔5～10 s发送一个alive消息来确认。一旦检测到某一节点失效，则SMP更新其peerlist信息，删除失效节点信息，并通知相关节点更新数据源，以及通知HSS该节点失效，HSS更新数据信息，同步到S－CSCF。

2.3 实现流程和算法

2.3.1 系统注册和认证

基于IMS可控可管P2P网络电视架构系统的注册和认证流程如图2所示。

图2 系统注册和认证流程

1)用户peer发送register请求给P－CSCF，这个请求包含要注册的标识编码(IP地址)和I－CSCF地址。

2)P－CSCF处理并转发register请求到提供的ICSCF。

3)～4)I－CSCF联系HSS，分配所需的 S－CSCF，并将register请求转发给S－CSCF。

5)～8)S－CSCF会发现这个用户没有被授权，它向HSS索取认证数据，并且通过401未授权响应对该用户注册表示异议。

9)～12)用户计算对这个异议的响应，发送另一register请求给P－CSCF，P－CSCF再次找到 I－CSCF，I－CSCF依次找到S－CSCF，转发register请求。

13)S－CSCF检查该响应，如果响应正确，就从HSS下载用户配置，同时HSS根据用户的IP信息来分配一个SMP给用户，将该用户归属到一个自治域，该SMP的IP地址和端口号会同用户的配置一同下载到S－CSCF，S－CSCF保存下载的用户信息。

14)～15)用户进行IPTV注册，S－CSCF将register请求发送给对应的IPTV应用服务器，进行专属服务的注册和鉴权，如果注册通过将返回200 OK给相应的SCSCF，并将电子节目指南EPG服务器的地址一并下发，否则，返回4xx终止注册消息给S－CSCF，这里假定注册成功。

16)～18)S－CSCF通过200 OK来响应接受注册。

19)SMP与HSS之间进行信息更新同步，HSS将注册节点的信息发送到相关的SMP，用于SMP对节点加入系统的鉴权，SMP也周期性地将自己维护的节点信息更新到HSS。

20)～21)用户通过200 OK响应中携带的SMP节点信息，发起系统加入申请，并在申请中将自己的IP地址和端口号，以及自己的配置和资源状况发送给SMP，SMP通过从HSS更新到的注册节点信息对该节点进行鉴权验证，如果验证通过，SMP将该节点IP信息报告给集成的Tracker服务器，该IP信息将会成为peerlist成员，作为候选资源，并响应鉴权成功;否则响应未注册。

完成以上注册和认证，用户可以进行视频的直播、点播。用户可以通过终端嵌入的浏览器访问注册过程中IPTV应用服务器下发的EPG服务器地址来浏览节目表，访问视频节目。

2.3.2 资源及服务的调度策略

该系统充分利用了CDN网络的调度能力，由CDN网络自行完成在SMP集成缓存服务器的内容部署，可根据区域等进行分区域部署，各SMP之间以Chord环方式组织起来，使其集成缓存服务器之间通过P2P机制增强，共享媒体分片，实现负载均衡和分担，从而提高系统容量。每个SMP又与其归属域中的peers也以Chord环组成，这样整个系统构成一个混合式P2P网络。

当某一视频流媒体源上线后，向用户peer提供服务的是其归属区域中的SMP缓存服务器或SMP的邻居peer;对于观看人数多的内容节目，大部分资源由其归属域中的peer提供，其中SMP的缓存服务器只作为应急之选，提供必要的补偿。

对于连接用户peer很少的节目内容，主要由SMP的缓存服务器来保证服务，系统通过对用户的主动干预进行资源的快速增加。在这种情况下，系统会选定某个区域作为初始发布区，系统会选定某个SMP作为初始发布点。SMP保留多少资源由策略决定，可能是完整的内容资源，也可能是一定长度的片头。

本系统的资源及服务调度策略可以归结为“本地资源优先+分层次中心调度+SMP缓存服务器补偿”。

1)首先，用户peer通过访问EPG服务器来浏览节目单信息，点播相关的视频节目，包括直播和点播视频，向其归属自治域中的SMP发起节目查询请求。

2)SMP收到该用户节目请求，首先查询其保存的缓存服务器的视频资源信息是否有该节目源，如果有则优先将缓存服务器中的资源发送给该用户，并查询其维护的自治域中的peer信息，将正在点播该节目或之前某段时间内点播过该节目的peer IP组成一个peerlist发送给该节点，并更新自己维护的peer资源信息。

3)该用户节点播放视频资源，并将收到的peerlist进行排序，选择其中部分节点直接连接，实现P2P的资源获取，其余节点作为后备节点使用，并根据同peerlist中节点获取资源的情况来减少对SMP视频资源的获取，释放带宽资源。

4)如果SMP缓存中没有该用户所请求的资源，则SMP查找其维护peer资源信息中是否有节点拥有该节目源，如果有则返回相关peerlist;否则说明该归属域中没有节点点播或缓存该节目，SMP与其组成P2P网络的其他SMP节点发出查询请求，进行SMP层的视频资源查询。如果在SMP层查询到相关视频信息，则返回peerlist;否则需要直接请求S－CSCF通过媒体资源服务器来提供资源。

5)用户节点在观看视频的同时也将一段时间内的视频片段逐渐存储在本地，同时更新自己的资源信息到SMP，SMP的Tracker服务器将其存储在对应的资源peerlist中，供其他用户请求该资源使用。

2.3.3 用户计费管理

本文提出的系统架构是基于IMS系统，因此可以使用IMS中的计费体系。SMP记录了各个用户的网络行为信息，包括登录时间、退出时间以及获得的资源信息，这样可以帮助IMS系统对P2P网络中的节点进行收费信息的收集和管理，从而实现不同的计费策略。运营商可指定用户类型进行计费，比如普通用户和预付费用户，也可以根据SMP记录的用户网络行为来计费，可以根据流量或者时间，也可以根据获取资源的类型来收费。

3 小结

基于IMS的可控可管的P2P网络电视系统架构，充分利用了IMS系统的管理、信令控制优势和P2P网络传输的优势。本文的创新点是，充分利用IMS核心网来进行用户管理、安全控制、数字版权管理、个性化计费管理;利用分布式P2P内容交换技术减少了媒体源服务器数量，可实现大规模内容共享，充分提高了用户的参与。该系统架构充分考虑了运营商的运营需求，实现了可控可管理，支持个性化计费。为运营商实现基于下一代网络的可运营P2P流媒体服务提供了一种新的思路。

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