（通信与信息系统专业论文）基于ip多媒体子系统的p2piptv架构.pdf

基于m 多媒体子系统的p 2 p i p l v 架构 基于i p 多媒体子系统 的p 2 p i p t v 架构 摘要 网络技术高速发展，人们对网络服务的需求也变得多种多样。在 各种服务中，i p t v 即交互式网络电视的前景被业内很多人士看好。 i p t v 优势在于实现真正的互动，它不但能接收广播信号，也能实现 用户与运营商的互动。作为下一代网络( n g n ) 核心的i p 多媒体子 系统( i m s ) 【l 】核心网技术，成为在n g n 中承载i p t v 的主要平台。 i m s 是3 g p p 在r e l e a s e 5 版本提出的支持i p 多媒体业务的子系统， 它的核心特点是采用s i p 2 】协议和与接入的无关性。许多国际标准组 织，都在研究基于i m s 的i p t v 业务系统融合方案，其目的是使i m s 成为基于s i p 会话的i p t v 业务系统的通用平台【3 5 1 ，同时支持固定和 移动的多种接入方式、支持多种业务；实现固网和移动网的融合，实 现业务的融合。 在i p t v 系统架构【6 】中，媒体资源的传输是最主要的技术，现在 主要有客户端n 务器( c s ) 模式、组播模式和内容分发网络( c d n ) 模式等，都有其固有的缺点与不足。而网络中最热的对等网络( p 2 p ) 技术正好可以解决流媒体传输的问题，将p 2 p 技术引入到i p t v 服务 系统，可以使系统资源得到充分利用、流量模型更加合理，以及中心 内容服务器压力降低，同时，也充分利用参与到这一系统中的用户计 算资源和储存资源。 然而p 2 p 技术缺乏有效的管理和控制机制，如何使具有可管可控 能力的p 2 p 技术应用于i p t v 业务网络就是本文要研究的重点，所以 我们提出将i m s 的管理优势，与p 2 p 技术传输方面的优势结合起来， 应用到i p t v 架构中来。我们提出的基于i m s 的p 2 p i p t v 架构，就 是在i m s 信令控制层面和媒体传输层面之间，增加了一个i m s p 2 p 层，这一层中主要包括新的功能实体超级管理节点( s m n ) 。s m n 作为超级节点与媒体传输层中的实体共同构成一个可控的半分布式 的p 2 p 网络，以此来支持i p t v 服务。本文详细定义了架构中的节点 组织和管理模式，资源查询与传输机制，用户的计费管理等方面的流 程和方法。由于p 2 p 在流媒体方面的巨大成功，加上i m s 强大的控 基于i p 多媒体子系统的p 2 p i p t v 架构 制能力，我们相信，文章所提出的网络架构值得更加深入的研究，并 将为未来网络的发展做出应有的贡献。 关键词：i p 多媒体子系统i p t vp 2 p 对等网络 基于i p 多媒体子系统的p 2 p i p l v 架构 ap 2 p i p t va r c h i t e c 瓜e b a s e do ni p r i t i 匝d i as u bs y s t e m a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g i e s l c a d st ot h e t h o u s a n do fr e q u i r e m e n t so fn e t w o r ks e r v i c en e e d e db yp e o p l e i p t v ( i n t e r n e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) i sas y s t e mw h e r ead i g i t a l t e l e v i s i o n s e r v i c ei sd e l i v e r e db yu s i n g i n t e r n e tp r o t o c o lo v e ran e t w o r k i n f r a s t r u c t u r e t h ea d v a n t a g eo fi p t vi sc a r r y i n go u tt r u ei n t e r - a c t i v e ， n o to n l yr e c e i v e db r o a d c a s ti n f o r m a t i o n ，a n da l s oi n t e r a c t i v eb e t w e e n u s e ra n ds e r v i c ep r o v i d e r a st h ec o r eo fn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) ，i m s ( i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ) c o r e n e t w o r k t e c h n o l o g y b e c o m e st h em a i np l a t f o r mc a r r yi p t vs e r v i c e i m si sas u b s y s t e mt o s u p p o ai pm u l t i m e d i as e r v i c ep r o p o s e db y3 g p pi nr e l e a s e5 ，i t sk e y c h a r a c t e r sa r eu s i n gs i pp r o t o c o la n di n d e p e n d e n to fa c c e s s i n g m a n y i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n sh a v ed o n es o m er e s e a r c ho i lt h e i p t vs e r v i c eb a s e do ni m s ，i no r d e rt om a k ei m st 0b et h eu n i v e r s a l p l a t f o r ms u p p o r ti p t vb a s e do ns i ps e s s i o n ，a n ds u p p o r tf i xa n d m o b i l e a c c e s sm e t h o ds i m u l t a n e o u s l y t h et r a n s m i s s i o no fm e d i ar e s o u r c ei st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g y n o wt h et h r e em a i nt r a n s m i s s i o nm o d e s ，i n c l u d ec s ( c l i e n t s e r v e r ) m o d e ，m u l t i c a s tm o d ea n dc d n ( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) m o d e ，a l l h a v et h e i rd i s a d v a n t a g ea n dl i m i t n o w a d a y s ，p e e r - t o - p e e r ( p 2 p ) t e c h n o l o g yh a sg a i n e di t sp o p u l a r i t yi ni n t e r a c t i t sp r e d i c t a b l et h a t p 2 pw i l lb et h eb e s tn e t w o r kt e c h n o l o g yr e s o l v i n gt h em e d i as t r e a m t r a n s m i s s i o ni s s u e b r i n gp 2 pt oi p t vs e r v i c es y s t e mw i l lm a k es y s t e m r e s o u r c em o r eu t i l i z e d ，t r a m cm o d em o r er e a s o n a b l e ，a n dr e d u c et h e 基于口多媒体子系统的p 2 p i p t v 架构 p r e s s u r eo fc e n t e rc o n t e n ts e r v e r , a tt h es a m et i m e ，t h ec a l c u l a t ea n d s t o r a g er e s o u r c eo ft h ec o m p u t e r si nt h i ss y s t e mw i l lb eu t i l i z e d a l t h o u g hp 2 pt e c h n o l o g yh a sal o to fa d v a n t a g ei nt r a n s m i s s i o n s t r e a mm e d i a ，i tl a c k so fe f f e c t i v em a n a g e m e n ta n dc o n t r o lm e c h a n i s m ， s oh o wt om a k eu s eo fp 2 pw i t hm a n a g e m e n tc a p a b i l i t yi ni p t vs e r v i c e a r c h i t e c t u r ei st h ek e yr e s e a r c hp o i n ti nt h i sp a p e r s ow eh a v ep r o p o s e da n o v e lp 2 p i p t va r c h i t e c t u r eb a s e do ni m s w h i c hi n t e g r a t e st h ee f f i c i e n t m a n a g e m e n to fi m sa n dt r a n s m i s s i o nm e t h o do fp 2 p 、h a v ep r o p o s e d t oa d da ni m s - p 2 pl a y e r ，b e t w e e n s i g n a l i n gl a y e r a n dm e d i a t r a n s m i s s i o nl a y e r o nt h i sl a y e r ，an e wf u n c t i o n a l i t yh a sb e e nd e f i n e d ， w h i c hi sc a l l e ds u p e rm a n a g e m e n tn o d e ( s m n ) s m n ，a sas u p e rn o d e ， a n dt h ef u n c t i o n a l i t i e so ft r a n s m i s s i o nl a y e rc o n s t r u c ta na d m i n i s t r a b l e a n dh a l f - d i s t r i b u t e dp 2 pn e t w o r kt os u p p o ai p t vs e r v i c e f o rt h er e a s o n t h a tt h eh u g es u c c e s s f u li nm e d i as t r e a mt r a n s m i s s i o no fp 2 pa n dt h e s t r o n gm a n a g e m e n to fi m s ，w eb e l i e v e dt h a tt h i sn e wa r c h i t e c t u r ew i l lb e a b l et os u p p o r ti p t vs e r v i c em o r ea n dm o r ee f f e c t i v e i nt h ef u t u r e m o r e c a r e f u la n di n d e p t hr e s e a r c hi sw o r t hd o i n go nt h i sa r c h i t e c t u r e a n dw i l l b ec o n t r i b u t e df o rt h ed e v e l o p m e n to fn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k k e yw o r d s ：i m si p t vp 2 pp e e r - t o p e e r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二王硼日期：兰! ! 墨：至：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：堕：垒：丝 日期：2 塑8 ：p6 基于m 多媒体子系统的p 2 p i p t v 架构 1 1 引言 第一章绪论 当今网络技术高速发展，人们对网络服务的需求也变得多种多样。随着3 g 的商用，移动网络速度大幅度的提高，为运营商和服务提供商提供了一个很好的 契机。借助于先进的网络技术，使多媒体业务的提供成为了可能。与此同时，以 前的移动网络也不可能在一夜之间被淘汰，这就造成了多种移动网络的同时存 在。同一个运营商可能就会拥有多个网络，包括g s m ，g p r s ，c d m a 和3 g 网 络。这就引出了另一个急需解决的问题，如何能使这些不同接入技术的网络互相 协调，共同为用户提供服务。并且，现存有实力强大的p s t n 网络和i n t e m e t ， 如果能充分利用这些网络资源，使它们与移动网络相互配合，必将创造更多的价 值。 由于现实的需要，p 多媒体子系统( 肼s ) 适时的被提出来了【7 - 9 。i m s 是 3 g p p 最先提出来的，最初是专门面向移动网络的融合问题，后面的版本中，越 来越多的考虑到了与固定网络的融合问题。i m s 被现在的电信行业广泛的接受， 包括3 g p p 2 和e t s it i s p a n 等多个组织。尤其是e t s it i s p a n ，它在设计下一 代网络( n g n ) 构架的时候，把i m s 包括进去，成为下一代网络的一部分。现 阶段，i m s 并不是只停留在协议和实验阶段，很多大的公司都投入了很大的精力 对i m s 相关设备进行开发。也有几家运营商和设备制造商，在小范围对i m s 进 行了商用。同时，i m s 的协议也是不断在发展的，随着它的不断完善和各种接入 技术的发展，未来的服务类型将会大大的增加，用户对服务的满意度也会上涨。 在各种服务中，口t v 即交互式网络电视的前景被业内很多人士看好。p t v 是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，集互 联网、多媒体、通信等多种技术于一体，通过互联网络协议( p ) 向家庭用户提 供包括数字电视在内的多种交互式数字媒体服务的崭新技术。p t v 的优势在于 实现真正的互动，它不但能接收广播信号，也能实现用户与运营商的互动。而且 由于使用的是t c p i p 协议，p t v 还可以非常容易地将电视服务和互联网浏览、 电子邮件收发以及多种在线信息咨询、娱乐、教育及商务功能结合在一起。现在 工业界有很多相关标准的讨论，像i t u - t 和e t s it i s p a n 等组织在如何商业化 下一代口t v 的问题上也提出了很多方案。 基于口多媒体子系统的p 2 p i p l v 架构 1 2 选题背景 随着视频压缩技术的进步，使得视频节目能够以较低的码流达到较高的画面 质量；存储技术的发展与突破，使得海量的数据和信息可以保存在储存设备上， 并达到比较高的性能，为视频节目提供了海量的存储空间；运营商宽带网络的发 展，为视频节目的传输提供了可靠、稳定的通路；伴随着“最后一公里问题的 解决，电信运营商大力部署宽带接入，然而，却没有从中得到足够的收益，宽带 的赢利方式还局限在接入费用的收取上【l o l ；宽带接入的繁荣并没有带来内容服 务上的繁荣，宽带网络上的业务和应用多数还停留在窄带时期，宽带用户的消费 需求远远没有满足。基于以上几点原因，很多的运营商和内容供应商为了更好的 发展市场、满足客户内容消费需求，纷纷提供包括文字、音频和视频在内容的三 位一体化信息和娱乐服务。大部分网民常常使用能够很好展现多维信息的视频流 媒体，因而使得“视频流媒体成为宽带内容的主题，如v o d ，口t v ，视频会 议、远程教育、远程医疗等，尤其是最近几年出现的口网络电视( i p t v ) 【i l 】概 念，通过口宽带网络为用户提供海量的丰富多彩的电视娱乐节目，吸引了大量 的用户，也使得各大电信运营商和广电网络运营商都在为占据市场而积极探索和 试验。 i p t v 是一种利用宽带网络为用户提供交互式多媒体服务的业务，其主要特 点在于交互性和实时性。通过t v 业务，用户可以得到高质量的数字媒体服务， 可以自由地选择宽带p 网的视频节目，实现媒体提供者和媒体消费者的实质性 互动。口t v 可以提供的业务种类主要包括电视类业务、通信类业务以及各种增 值业务。具体来说，电视类服务是指与电视业务相关的服务，如广播电视、直播 电视、点播电视、个人视频录制等：通信类服务主要指基于m 的语音业务、即 时通信服务、电视短信等；增值业务则是指电视购物、互动广告、在线游戏等。 i p t v 融合了传统电视和互联网的相关特性，因此可以将其视为传统电视业务和 电信新兴业务的结合体。口t v 业务既扩展了电信业务的使用终端，又扩展了电 视终端可支持的业务范围。对于传统电视运营商来说，口t v 的出现和发展是一 个巨大的挑战，而对于电信运营商来说，部署i p t v 业务为用户提供全新的应用 以及丰富的业务将是增强竞争能力、提高盈利能力的有效途型1 2 】。 因此可以看出，口t v 将预示着一场由技术演变而来产业革命的到来，昭示 着一个无限广阔的电子互动娱乐市场的启动。通过m t v ，中国2 2 0 0 多万宽带用 户、8 7 0 0 多万网民，在p c 上也能享受到精彩纷呈的电视节引1 3 】；通过口t v ， 中国4 亿电视用户、9 亿电视观众，在“m 机顶盒+ 电视机”上将告别单一被动 的节目接受，走向集互联网内容、网络游戏、电视节目在内的更为丰富多彩的互 基于口多媒体子系统的p 2 p i p l v 架构 动数字娱乐生活。i p t v 的启动，将呈星火燎原之势，迅速而深刻地改变人们的 生活。 当今，人们对网络服务的需求变得多种多样。3 g 网络的商用和更先进网络 技术的开发能够使得移动网络速度大幅度提高，为运营商和服务提供商提供了一 个很好的契机来开发更多有增值空间的多媒体业务。这就使多媒体业务的广泛应 用成为可能。与此同时，现有网络将被继续使用，这就造成了多种网络的同时存 在。同一个运营商可能会拥有多种网络，包括g s m 、c d m a 和3 g 网络等。由 此引出了一个急需解决的问题，如何让使用不同技术的网络互相协调工作，共同 为用户提供优质的服务。并且，p s t n 网络和i n t e r n c t 仍然拥有众多的用户。如 果能充分利用各种网络资源，使它们与移动网络相互配合，必将创造更多的价值。 口多媒体子系统( i m s ) 的适时提出很好的解决了以上问题。i m s 的目的是 建立与接入无关、能被移动网络与固定网络共用的融合核心网。 在无线接入技术方面，i m s 除了g s m g p r s 和w c d m a 之外，w l a n 通 过s i p p r o x y 也可以接入。此外，固定网络的l a n 和x d s l 接入技术也可以接入 到i m s 。 擎 i m s 还提供了与i s d n p s t n 传统电路交换网络的互联机制。这样，i m s 提 供服务的终端除了移动终端之外，还包括固定的电话终端、多媒体智能终端、p c 机的软终端等。 警 i m s 能够为使用不同接入手段的用户提供融合的业务，但固定接入与移动接 入终究有不同的特征，所以要将基于移动通信发展起来的i m s 体系应用到固网 中还需要进行大量的改进，标准化工作依然任重而道远。移动通信界提出的i m s 与固网通信界提出的软交换的基本思想和目标是一致的，都希望建立基于口的 融合与开放的网络平台。 i b i s 体系结构和c s c f 的设计利用了软交换技术，实现了业务与控制相分离、 呼叫控制与媒体传输相分离。i m s 虽然是3 g p p 为移动用户接入多媒体服务而开 发的系统，但由于它全面融合了m 域的技术，并在开发阶段就和其它组织进行 密切合作，使得i m s 实际已经不仅仅局限于只为移动用户进行服务。 i m s 技术对控制层功能做了进一步分解，实现了会话控制实体c s c f ( c a l l s e s s i o nc o n t r o lf u n c t i o n ) 和承载控制实体m g c f ( m e d i ag a t e w a yc o n t r o l f u n c t i o n ) 在功能上的分离，使网络架构更为开放、灵活，所以i m s 实际上比传 统软交换更“软”。 1 3 国内外研究状况概述 基于口多媒体子系统的p 2 p i p l v 架构 i p t v 概念的提出，经历了许多阶段，早在上世纪9 0 年代，微软便提出了著 名的维纳斯计划【1 4 j ，其中核心战略是：通过在电视机上加装一个机顶盒，帮助 电视机实现上互联网的功能。2 0 0 1 年以来，英特尔提出了数字家庭的构想，力 图通过标准化的方式在家用电器之间实现互联互通。后来随着宽带网络的发展， 出现了很多城域网v o d 点播系统【i5 1 ，为了借鉴这种成功的应用模式，希望通过 机顶盒的方式带动数字家庭和数字电视产业，从而使数字电视进入家庭中的客 厅，这成为国外n 巨头们一致的战略目标，从而出现了m t v 的概念。口t v 利 用宽带互联网的基础设施，以家用电视机作为主要终端，通过m 网络来提供包 括电视节目在内的多种数字媒体服务及其增值业务的技术。通过宽带网络有两种 方式实现p t v 服务：计算机或者机项盒s t b + 普通电视机。i p t v 最大的优势在 于“互动性 “按需观看 和“海量服务节目”等，彻底改变了传统电视单向广 播和被动收看的特点。i p t v 现在支持直播电视、讨移电视( t i m e - s h i f t e dt v ) 【1 6 】 ( 即对直播电视的快进、暂停和快退的功能) 以及基于口网络的视频点播业务。 基于口t v 的业务平台，州还能够提供可视电话、网页浏览、在线游戏、在 线教育和网络交易等各种增值业务。 在国外，很多运营商开始密切关注口t v 的发展，欧美的许多电信运营商对 口电视业务的态度很积极，特别是意大利f a s t w e b 公司在口电视业务上取得的 成功改变了许多运营商原先持有的观望态度。英国电信正在进行基于d s l 的 州测试，以在2 0 0 5 年的合适时候正式推出这项业务。加拿大传统电信公司也 走在了前列，曼尼托巴电信m t s 和萨斯喀萨温电信s a s k t e l 己经在v d s l 和 a d s l 网络中开通m 电视业务，t d u s 和加拿大贝尔也计划在2 0 0 5 年进入这一 市场。 口t v 服务系统也经历了好几个阶段，1 9 9 9 年微软提出维纳斯计划，推出了 “电视上网 的概念。但是由于各类技术条件以及市场条件的限制，维纳斯计划 以失败告终。很多的机顶盒制造商也便进入寒冬。那时，服务系统处于测试阶段， 包括服务系统的结构、服务方式和概念都处于萌芽阶段。服务系统的规模也相当 小，节目资源匾乏，使得当时的服务系统没有得到广泛使用。 2 0 0 0 年开始，随着宽带网络的发展，越来越多运营商提供宽带点播服务， 有的也提供p c 上的电视服务，如直播电视、录播电视、视频点播等。这时的服 务系统大多数都是集中式的c s 模式。这中模式，由于所有的内容都必须上载到 视频流媒体服务器上，所有的客户请求都发送给中心流媒体服务器，所有的流媒 体服务也是由中心服务器直接提供，使得中心服务器压力非常大，往往成为整个 系统的瓶颈。如m i c r o s o f t 流媒体和r e a l 的流媒体解决方案都是基于c s 结构的， 解决方案中，都是由中心流媒体服务器为客户提供服务，如m i c r o s o f tm e d i a 基于i p 多媒体子系统的p 2 p i p t v 架构 s e r v i c e ，r e a lh e l i x 。客户端通过网络连接到中心服务器获得服务。 随着视频服务的不断发展，p t v 系统开始采用c d n 技术来缓解中心服务器 的压力，通过在口网上建立一层c d n 业务网络，把流媒体服务推送离用户“仅 有一跳 的服务边缘。从而达到减轻中心服务器的压力【l 。7 1 ，然而由于c d n 技术 本身的一些特点，以及网络带宽和服务器资源分布的不均，使得有的节点或单个 服务器非常忙，有的则非常空闲，或者，有时中心内容服务器压力特别大，使得 整个系统无法得到充分使用。 1 4 论文的研究目标和研究内容 口多媒体子系统( i m s ) 作为下一代网络( n g n ) 标准架构下的多媒体子系统， 为固定软交换网与移动软交换网提供了融合的体系架构；通过设置独立的归属用 户服务器( h s s ) 数据库促进了控制层面与数据层面的分离，实现了运营商对用户 数据和业务数据的统一管理等；更重要的是i m s 系统架构实现了业务和控制层 面的分离，运营商可以在这一架构下培育更多新业务。近期的研究表明，i m s 的架构应用于交互式网络电视( 口t 、厂) 等流媒体业务正成为一个新的发展趋势。可 以充分利用i m s 的架构优势，如呼叫会话控制功o 皂( c s c f ) 应用到i p t v 的用户 认证、业务触发等方面，而h s s 则可以更好地管理口1 v 的用户数据。 在p 1 v 系统架构中，媒体资源的传输是最主要的技术，现在主要有c s 0 t 务器客户端) 模式、组播模式和c d n 模式等。 在纯c s 模式的口t v 服务系统中，中心服务器的压力会随着用户的增加而 增大，同时单台服务器的存储压力很大且得不到充分利用，服务器之间不知道彼 此的内容( 彼此独立，各自服务于自己的客户) ，所以容易造成负载不均，有的服 务器出现点播请求多、吐出的流量大、负载高等情况，有的则非常空闲，使得整 个服务系统得不到充分利用、网络带宽消耗非常大。采用负载均衡技术，一定程 度上缓解负载不均衡的情况，但负载均衡设备压力将随之而增大，系统容易出现 单点故障等。 基于组播技术的口t v 服务系统，由于客观条件的制约，在目前的互联网上 难以实现。 基于c d n 技术的i p t v 服务系统，虽然他把内容和服务器都分散到离用户 比较近的地方，实现一定形式的优化，但是系统也存在很多不足，如当内容路由 定向器、节点负载均衡器出问题时，用户将得不到服务；另外一个问题就是每个 节点必须保证足够的存错容量，以便服务该节点下面的所有用户；同样，这种模 式需要依靠内容路由定向器的请求分配策略，它将影响c d n 节点的负载分配情 基于口多媒体子系统的p 2 p i p t v 架构 况和整个c d n 网络的流量模式。因为要部署大量边缘节点，所以服务器和存储 投入成本也将相应的增加。 此外，这些模式在内容来源上也受到限制，只能有供应商或运营商提供，使 得广大分散在用户手里的内容无法共享，如个人d v 无法共享，导致服务系统相 对封闭，无法真正成为一个服务平台。 而p 2 p 技术正好能有效的解决上述相关问题，因此将p 2 p 技术引入到m t v 服务系统，使系统资源得到充分利用、流量模型更加合理，以及中心内容服务器 压力降低，同时，也充分利用参与到这一系统中的用户计算资源和储存资源。另 外，可以丰富i p t v 服务的节目源，无论是运营商，还是内容供应商，甚至个人 ( 如网络个人视频录制，n - p v r ) 都是对等的，都可以在基于p 2 p 技术的口t v 服 务系统中提供内容，从而极大的丰富了内容，并最终影响整个口t v 产业的商业 模式( 虽然目前有些国家存在一些限制策略) ，成为真正的开放服务平台。 但是，p 2 p 技术还有很多的缺陷与不足，如缺乏有效的管理和控制机制。 基于i m s 的口t v 架构可以将i m s 的控制功能引入口1 v 服务中，使得p t v 更 容易与其他的服务相结合，而且i m s 天生就是为了多媒体进行服务的，它可以 更有效的管理p t v 的架构。但是，基于i m s 的i p t v 架构并没有解决传统的口t v 架构中关于流媒体分发的问题。口t v 的分发结构主要有3 种，c s 模式，组播 模式和c d n 模式，各种模式都有其优缺点。在多媒体分发上，对等网络p 2 p 技 术作为当前互联网上最热的技术的分布式多媒体分发技术，以其良好的对等性、 扩展性、开放性等优点得到广泛的研究探索、赢得了很多厂商的大力支持和用户 的广泛接受。 基于p 2 p 技术的网络和应用具有良好的可靠性和可扩展性，能够为用户同 时参与交互式媒体应用提供强有力的技术支持。p 2 p 技术对交互式媒体应用的支 持能够扩展到大规模用户群，这为互联网以及一些电信级应用的大规模发展提供 了充足的空间。p t v 作为近年来在全球兴起的热门多媒体应用，突破了传统电 视节目单向传输的封闭性，并且使用户能够参与其中，更方便、更灵活、更自由 地获取丰富应用。但现在的技术还存在服务效率低、重定向机制复杂、网络需要 更高带宽、资源调度不灵活等问题，如果不能有效解决大规模用户对交互式多媒 体应用需求的问题，口t v 将不得不受限于此瓶颈。因此，需要引进一种更为先 进的网络架构，来满足i p t v 业务发展的需求，在这样一种背景下，利用p 2 p 技 术在交互式应用等方面的优势，构建更加灵活有效的州业务网络就成为可能。 传统的口t v 是基于客户服务器模式的，需要面对十万规模、百万规模的大 并发多媒体服务的挑战，在服务器i o 能力、带宽、海量存储、部署成本等方面 都受到了前所未有的考验。既能满足用户实时性业务请求，又要能够满足大规模 基于口多媒体子系统的p 2 p i p l v 架构 并发用户同时在线，还要能够满足低成本部署的运营要求和未来业务的可扩展 性，口t v 需要引入p 2 p 重叠网的理念和技术。p 2 p 系统在大规模并发服务时凸 现优势，降低了整个系统的部署成本，这种高性价比能力正是p 2 p 技术发展的 强劲动力。 然而p 2 p 技术缺乏有效的管理和控制机制，如何使具有可管可控能力的p 2 p 技术应用于州业务网络就是本文要研究的重点，所以我们提出将i m s 的管理 优势，与p 2 p 技术传输方面的优势结合起来，应用到口t v 架构中来。我们提出 的基于i m s 的p 2 p p t v 架构，就是在i m s 信令控制层面和媒体传输层面之间， 增加了一个i m s p 2 p 层，这一层中主要包括新的功能实体超级管理节点( s m n ) 。 s m n 作为超级节点与媒体传输层中的实体共同构成一个可控的半分布式的p 2 p 网络，以此来支持口t v 服务。 1 5 本文架构 全文组织结构如下： 第一章是绪论，说明课题来源，研究现状和课题研究的内容； 第二章是关于口多媒体子系统( i m s ) 架构的介绍，主要针对注册和q o s 保 障的相关内容； 第三章是对m t v 系统架构的介绍，研究了各种p t v 媒体分发模式( 包括 c s 模式、组播模式、c d n 模式) 的原理和优缺点，并且介绍了现有基于p 2 p 模式的州架构； 第四章提出了一种基于i m s 的p 2 p 口t v 架构，就是在i m s 信令控制层面 和媒体传输层面之间，增加了一个i m s p 2 p 层，这一层中主要包括新的功能实 体超级管理节点( s ) 。s m n 作为超级节点与媒体传输层中的实体共同构成一 个可控的半分布式的p 2 p 网络，以此来支持m t v 中大量媒体流的分发和传输， 并详细定义架构中的节点组织和管理模式，资源查询与传输机制，用户的计费管 理等方面的流程和方法，并通过仿真证明了所提方法的有效性； 第五章是总结和展望。 基于口多媒体子系统的p 2 p i p l v 架构 第二章i p 多媒体子系统( i m s ) 现代社会人们对网络服务的需求变得多种多样。3 g 网络的商用和更先进网 络技术的开发能够使得移动网络速度大幅度提高，为运营商和服务提供商提供了 一个很好的契机来开发更多有增值空间的多媒体业务。这就使多媒体业务的广泛 应用成为可能。与此同时，现有网络将被继续使用，这就造成了多种网络的同时 存在。同一个运营商可能会拥有多种网络，包括g s m 、c d m a 和3 g 网络等。 由此引出了一个急需解决的问题，如何让使用不同技术的网络互相协调工作，共 同为用户提供优质的服务。并且，p s t n 网络和i n t e r n e t 仍然拥有众多的用户。 如果能充分利用各种网络资源，使它们与移动网络相互配合，必将创造更多的价 值。 p 多媒体子系统( i m s ) 1 8 - 2 1 】的适时提出很好的解决了以上问题。3 g p p 提 出i m s 的初衷是为了解决多种类型移动网络的融合问题。在新近的i m s 协议版 本中，3 g p p 同时考虑到如何让移动网络与固定网络很好融合。i m s 已经被现在 的电信行业广泛接受，包括3 g p p 2 和e t s i 等多个组织。在e t s i 设计的下一代 网络( n g n ) 架构中，i m s 成为了其中的一部分。现阶段，i m s 并不是只停留 在理论和实验阶段，许多大的公司都投入了巨大的精力对i m s 相关设备进行研 发。运营商和设备制造商也对i m s 进行了试运营。同时，i m s 的相关协议也在 不断的发展，随着它的不断完善和各种网络技术的发展，未来的服务不论从数量 还是种类上都将会大大的增加。 由此可见，i m s 可以有效的促进多网融合，并为各种服务，尤其是多媒体服 务提供很好的运作平台。 2 1i m s 的系统架构 i m s 以其业务、控制、承载完全分离的水平架构，集中的用户属性和接入无 关等特性，一方面解决了目前软交换技术还无法解决的问题，如用户移动性支持、 标准开放的业务接口、灵活的口多媒体业务提供等；另一方面，其接入无关性， 也使得i m s 成为固定和移动网络融合演进的基础。i m s 体系结构如图2 1 所示。 基于l p 多媒体子系统的p 2 p 胛v 架构 图2 1i m s 体系结构 2 1 1 应用层 最上面一层是应用层，由应用服务器和内容服务器组成，负责为用户提供 i m s 增值业务，主要网元是一系列通过c a m e l 、o s a p a r l a y 和s i p 技术提供多 媒体业务的应用平台。运营商可以自行开发一些基于s i p 的应用，通过标准s i p 接口与i m s 系统连接；如果运营商需要连接第三方s p 的应用，i m s 可以和标准 的a p i ，如o s a a p i 连接，通过o s a p a r l a yg w 对第三方非信任的s p 业务进行 鉴权和管理等。 2 1 2 信令控制层 中间层为信令控制层，由各种网络控制服务器组成，负责管理呼叫或会话设 置、修改和释放，所有p 多媒体业务的信令控制都在这一层完成。主要的功能 实体有c s c f 、h s s ( h o m es u b s c r i b e rs e r v e r ，归属用户服务器) 、m g c f 等，这 些网元执行不同的角色，如信令控制服务器、数据库、媒体网关服务器等，协同 完成信令层面的处理功能，如s i p 会话的建立、释放。这一层仅对i m s 信令负 责，最终的i m s 业务流不经过这一层，完全通过底层的承载层做路由实现端到 端通信。下面详细介绍这些功能实体的具体功能： ( 1 ) 代理会话控制实体( p 。c s c f ：p r o x y - c a l ls e s s i o nc o n t r o lf u n c t i o n ) 在用户终端设备( u e ：u s e re q u i p m e n t ) 连接到i m s 网络时，p c s c f 是它 基于m 多媒体子系统的p 2 p i p t v 架构 连接到的第一个i m s 节点。u e 可以通过d n s 、d h c p 来获得p c s c f 的地址。 p c s c f 的作用就像一个代理服务器，它把收到的请求和服务进行处理或转发。 p c s c f 也可以看作是一个用户代理，在异常情况下，它可以中止或独立产生s i p 会话进程。 p c s c f 的主要功能是： a ) 把l i e 发来的s i p 注册请求消息转发给查询会话控制实体( i c s c f ： i n t e r r o g a t i n g - c a l ls e s s i o nc o n t r o lf u n c t i o n ) ，该i - c s c f 由u e 所在网络 决定。 b ) 把u e 发来的s i p 消息转发给其它i m s 服务器。该服务器的名字由 p c s c f 在该u e 发起注册过程时得到。 生成计费记录。 。 d ) 支持u e 与p c s c f 间的加密过程。 e ) 对s i p 消息进行压缩与解压缩。 0 承载资源的鉴权和q o s 管理。 ( 2 ) 查询会话控制实体( i c s c f ：i n t c r r o g a t i n g o c a l ls e s s i o nc o n t r o lf u n c t i o n ) i - c s c f 可以充当各个i m s 子网络的连接点，也可以用作当前网络服务区内 漫游用户的服务接入点。在一个网络中可以有多个b c s c f 。 i - c s c f 的主要功能是： a ) 协助注册。从本地用户服务器( h s s ：h o m e s u b s c r i b e rs e r v e r ) 处获得 服务会话控制实体( s c s c f ：s e r v i n g - c a us e s s i o n c o n t r o lf u n c t i o n ) 的 地址。并为用户指定一个s c s c f 来执行i m s 注册。 b ) 处理会话相关或与会话不相关的消息。包括：将另一个网络收到的s i p 请求路由到s - c s c f ；从h s s 获得s - c s c f 的地址；转发s i p 请求或响 应给s c s c f 等。 c ) 生成计费记录。 ( 3 ) 服务会话控制实体( s c s c f ：s e r v i n g - c a l ls e s s i o n c o n t r o lf u n c t i o n ) s - c s c f 执行会话控制功能。用户设备在注册的时候，会在本地网络被分配 一个s - c s c f ，负责用户本次注册范围内的所有会话进程控制。它可以根据网络 运营商的需要，维护会话状态信息。在同一个运营商的网络中，不同的s - c s c f 可以有不同的功能。 s c s c f 的主要功能是： a ) 注册。接收注册请求后通过位置服务器来使该请求的信息生效。 b ) 处理会话相关与会话不相关的数据流。包括：为已经注册的会话终端进 行会话控制；作为代理服务器，接收请求，转发消息；作为用户代理中 基于口多媒体子系统的p 2 p i p l v 架构 断或是独立发起s i p 会话进程。 c ) 代表主叫的终端。根据被叫地址获得为该被叫用户提供服务的网络的 i - c s c f 的地址。如果被叫用户在另一个网络，就把s i p 请求或响应转发 给那个网络的i - c s c f ；如果被叫与主叫在同一个网络，就把s i p 请求转 给该网络中的i - c s c f 。当消息发送到p s t n 或是c s 域时，就把s i p 请 求或响应转发给出口网关控制功能( b g c f ：b r e a k o u t g a t e w a