P2P IPTV技术瓶颈研究 - 全文

　　宽带网络的蓬勃发展，造就Internet上许多热门的应用，其中透过实时视频传输(live streaming)之交互式网络电视(IPTV)应用，更是多方抢食的一块大饼。传统上在Internet提供电视广播服务是采用Client-Server架构，但随着使用人数的增加Server负载日益增大，服务供应者必须负担的成本会越来越高。而IPTV集宽带有线电视网，集因特网、多媒体、通讯等多种技术于一体，提供包括数字电视在内的多种交互式服务之崭新技术。

　　随着Internet的使用人口增加，Client-Server架构所面临的问题日益严重，使得P2P(Peer-to-Peer)之技术逐渐被重视，P2P早期是应用在Skype语音对话以及BT档案传输上，而近一、二年利用P2P 提供网络电视之P2P IPTV系统亦从学术研究阶段进展到实际的服务平台。因此本文将针对P2P IPTV技术作一简单介绍。首先我们将先介绍P2P IPTV之系统架构以及现况，再针对现有技术之瓶颈，提供解决方法。

　　P2P网络电视架构

　　● P2P live streaming

　　P2P技术的主要概念是每个P2P的用户在应用层组成一个重迭网(Overlay Network)，每个用户既是信息接收者亦是传送者。以BT共享下载文件为例，下载同一个文件的众多用户，每一个用户终端只需要下载文件的一个片段，然后互相交换，最终每个用户都可以得到所有片段以组合成一个完整的文件。此一P2P 架构的优点在于用户数增加时并不会同时增加伺服端的负载。

　　我们以图一来说明P2P数据传递概念：第一步、每个用户跟Media Server 要求影音片段，有些片段在传输过程因某些原因而遗失了。第二步、左边的Peer 跟中间的Peer 要求它尚未收到的影音片段。第三步、中间的Peer 跟右边的Peer 要求它尚未收到的影音片段。第四步、右边的Peer 跟中间的Peer 要求它尚未收到的影音片段。最后，每个peer 都拥有完整的影音片段。

　　然而要利用P2P 技术实现实时广播live streaming，例如看奥运实况转播则必须考虑影音数据传递的实时性。要达到此一功能，必须考虑三个问题：

　　1.P2P重迭网(Overlay Network)

　　连结算法

　　Peer在Internet进行搜寻以找到拥有所需内容和计算能力的Peer IP;之后利用应用层群播协议(application layer multicast protocol) 建立用户连接网络架构。应用于P2P live streaming之网络最早为树状结构，每个Peer 从上层peer 接收数据然后传送给下层peer。

　　2004年5月欧洲杯足球期间，香港科技大学张欣研博士在Planetlab网开发的CoolStreaming原型系统。这套系统使用Goosip协议在用户之间传播控制信令，实现多点对多点网状架构之live streaming 功能。

　　2.视频片段传递排程算法

　　为了提供实时广播，视频片段到达用户的时间便必须早于它的拨放时间。树状架构网络上Peer 只从上层peer 接收数据，其接收视频片段顺序即是拨出的顺序。但在多点对多点网状架构上，peer 可从多个sender peer 接收数据，因为peer 跟peer 间网络联机状况不同，因此先要求的视频片段不一定会早到。因此需要特别设计视讯片段传递排程算法以符合实时播放的要求。

　　3.多重视频编码技术

　　在多点对多点网状架构上视频片段可以从多个sender peer 来接收，举例若将影片作多重编码，如图2所示，一个视频片段被重新编码为12数据片段(data stream)，若能保证peer收到其中任四个数据片段，即可重组回原来的视频片段，那此技术便可以应用于容易遗失封包的无线网络。另外像H264 的multiple description coding and layered encoding则可以应用在不同网络频宽下之用户终端装置，频宽大的用户终端(ex. xDSL)可以接收全部数据以取得较佳视频质量之影片，频宽小用户终端(3G) 只可以接收部份数据以取得基本视频质量之影片。

　　P2P IPTV 现况

　　P2P IPTV目前在中国发展最为蓬勃发展，目前有十多个网站使用各自发展的软件提供P2P IPTV业务。 主要 PPLive系统有：

　　● PPLive网络

　　● ppStream网络

　　● QQ直播网络

　　● 猫眼网络电视(猫扑网)

　　● TVKoo网络(沸点网络电视)

　　● Rox磊客网(原CoolStreaming、光芒传媒Roxbeam)

　　● Tvants网络(电视蚂蚁)

　　● Gridmedia网络(清华大学开发)

　　● Uusee网络(悠视网)

　　● Mysee网络(美视网)

　　同时电信运营商也开始加入这一潮流，贵州网通采用上海网用公司的技术开展实验运营，另外上海电信也在实验。2005年湖南卫视超女总决赛，PPLive进行了网上直播，有50万人同时在线收看。

　　在欧美，英国BBC在2004年开始即尝试在英国国内提供P2P IPTV服务给国内居民[1]，您可上EBU technical review官网[4]以取得更详细的资料。另外去年Kazaa(2001年创立的P2P音乐分享网站)与Skype(2003年创立的P2P网络电话服务)的共同创办人Janus Friis与Niklas Zennstrom亦着手进行的P2P IPTV新计划(The Venice Project)，现已改名为Joost，亦是许多使用者所期待新服务。

　　P2P IPTV 瓶颈

　　● NAT

　　随着因特网的普及，IPv4的32位寻址法已不敷使用，而NAT(网络地址转换Network Assess Traversal)技术的出现在某种意义上解决了IPv4地址不足的问题。NAT透过Private IP Address，让多个结点只用少数的Public IP Address就能连上Internet。当NAT内部结点往外连接时，会将该Private IP替换成Public IP，并将对应关系记录在NAT mapping table中。

　　透过NAT连接时，对外隐藏了其内部结点结构，它只允许从内部发起的连接请求，也拒绝了所有不是由内部发起的外部连接，因为它根本不知道要把这个连接转发给内部的哪台主机，所以分处于NAT内外两端的Peers就无法做到P2P的服务。而如何做到NAT Traversal(NAT穿透)就成为提供完整P2P服务的当务之急。

　　● NAT-T

　　P2P数据可透过UDP(非联机型Connectionless的非可靠传输协议)或TCP(联机导向Connection-Oriented的可靠传输协议)，UDP已有STUN [RFC 3489]公定的解决方法。但规范严格的TCP目前尚未有好的解决方案，故本段将会针对TCP部分多所著墨。而穿透NAT分为两种情况，一、只有一端节点在NAT后，二、两端的节点分别在不同的NAT后。

　　第一种情况我们可以采NAT后端节点主动式的方法解决，也就是由NAT后端的节点主动对外部节点发出需求，外部节点透过这一通道来建立联机的一种方式。但第二种就是比较棘手的情况了，最常见的方法是将数据经由第三者转传，但为了节省转传产生的负载及COST，我们期望找出一个可以让NAT后面的两个节点直接建立TCP连接的解决方案。

　　目前康乃尔大学提出一个穿透不同NAT直接连接TCP的方法，被称为NUTSS [4]。NUTSS的目的是达到global connectively的境界，让所有在不同架构下的节点彼此之间都能够建立联机，不会因为在NAT后而受到影响。NUTSS使用STUNT(Simple Traversal of UDP through Nats and TCP)协议去开启NAT后节点的TCP连接。架构如下图3，两个不同NAT后的节点在建立联机的初期，先透过第三者(在NTUSS里称之为tracker)协助建立联机，联机建立完成后，两个节点便可直接做数据的传输，不需再经过第三者转传。

　　STUNT经过数次封包传输沟通得知另一端主机的IP、Port-binding机制、封包过滤规则(Packet filtering rule)，进而调节达到Peer间直接联机。NUTSS有一个缺点，STUNT协议依靠于为了能够TCP连接的欺骗包，这包在真实的网络作了限制。协议为了TCP连接传送假的封包，这封包在真实的网络中是可能发生问题的。许多ISP作了进入过滤以防止欺骗包进入他们的网络，这将导致作者的协议失败。许多ISP作了过滤假封包进入他们的网络的限制，这限制将导致协议的失败。欺骗不能是真实连接主机的组成部分。

　　结论

　　P2P IPTV 提供一个在Internet上布署live streaming 之可行技术，营运商可以利用此技术降低Scale 及Cost的影响，目前已成为布署IPTV 的技术新趋势。但另一方面从ISP业者的角度来看，P2P IPTV却会增加其网络传输量甚至可能影响其它的数据传输，目前已有ISP业者着手设法阻挡P2P 的数据封包或是降低其传输优先权。另外对于现今有越来越多的网络使用者都隐藏在NAT或防火墙后，因此找出一个任何环境下都能直接建立TCP联机的方法，对于P2P的发展将有很大的帮助。