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P2P IPTV 技術發展介紹
   
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  作者:資通訊產業聯盟 發表於2011/5/11 下午 04:27:56
 
P2P IPTV 技術發展介紹
資通訊產業聯盟
圖1 、Media Server Farm 系統架構
圖2、Content Delivery Network 系統架構
圖3、P2P 資料傳遞概念 
 
  隨著寬頻網路的蓬勃發展,即時視訊傳輸(live streaming)已是Internet 的熱門應用,網路電視(IPTV)服務更是許多營運商搶攻的新市場。傳統上在Internet 提供電視廣播服務是採用Client-Server 架構,但是電視內容服務營運商會遇到觀眾規模(Scale)  以及頻寛費用(Cost)的問題,亦即營運商當服務的收視用戶愈多就必須負擔愈多的頻寛傳輸使用費用。

 P2P 技術因Skype 以及BT 檔案傳輸等應用而為一般大眾所認識之後,近一~二年利用P2P 提供網路電視之P2P IPTV 系統亦從學術研究階段進展到實際的服務平台。因此本文將針對P2P IPTV 技術作一簡單介紹。首先我們將先介紹傳統IPTV 之系統架構以及可能遭遇之問題,之後再介紹P2P IPTV 在解決上述問題的優勢。

 

Scale 及Cost 問題:

 

 IPTV 在概念上屬於一對多群播(Multicast)之多媒體串流傳輸,Broadcaster 利用Video Server 將電視節目(尤其是即時廣播,live program)同時傳送給上千上萬個觀眾。傳統的IPTV 系統採用Client-Serever 架構以unicast 技術提供multicast 之服務,例如Webs-TV 或  Youtube。由於video 伺服器對外頻寬之「瓶頸」限制,一台伺服器只能支援有限的client 端視訊串流(ex. 幾千個),但要能提供十萬、百萬用戶同時收看的問題,不僅需要大量伺服器,還需要極大的網路頻寬。因此IPTV 營運商註冊用戶愈多時,便需要愈多的對外頻寬,同時也必須付給網路ISP(如中華電信)愈多的資料傳輸費用(Cost 問題)。

傳統網路電視架構-Media Server Farm:

 最早的Live streaming  是採用unicast 之技術(一般稱為Web TV),每一位收看用戶均必須和影音伺服器(video server)  建立一條連線。但為了解決伺服器對外流量之瓶頸(bottolneck)問題,IPTV 營運商在Server 端會採用伺服器叢集(Server Cluster)亦即以多個影音伺服器來提供streaming 服務,若平均一個伺服器能服務1000 個用戶,當用戶數成長到2000 人則配置2 台影音伺服器,當用戶數成長到3000 人則配置3 台影音伺服器…,以此類推。此一架構通常會伴隨使用負載平衡機制(load balancing)  平均地將用戶導向到每台影音伺服器,另外當其中一台影音伺服器出現問題當機時也能有其他影音伺服器來遞補以增加整體服務之穩定度(robustness),這樣的架構我們稱為“Media Server Farm",不過對於IPTV 營運商整體對外頻寛的bottleneck,Media Server Farm 並無法解決。

Content Delivery Network (CDN):

 內容傳送網路(CDN)技術的概念是在離客戶近的地方佈署邊緣伺服器(Edge Server)以減輕網路負荷。當IPTV 營運商提供廣播時,頭端先將內容推播到邊緣伺服器,而用戶則是跟邊緣伺服器建立連線以接收視訊串流。例如中華電信MOD 即是在xDSL 機房佈署邊緣伺服器,當我們要看電視時便跟機房的邊緣伺服器要求影音串流。CDN 架構可將IPTV 頭端對外頻寛分散到各個區域,但是建置成本將隨註冊用戶的增加而正比增加,同時分散各個區域的邊緣伺服器也將提高設備維護的困難度及成本。

 

P2P 網路電視架構-P2P live streaming:

 

 P2P 技術的主要概念是每個P2P 的用戶在應用層組成一個重疊網(Overlay Network),每個用戶既是資訊接收者亦是傳送者。以BT 共享下載文件為例,下載同一個文件的眾多用戶,每一個用戶終端只需要下載文件的一個片段,然後互相交換,最終每個用戶都可以得到所有片段以組合成一個完整的文件。此一P2P 架構的優點在於用戶數增加時並不會同時增加伺服端的負載。

 我們以圖三來說明P2P 資料傳遞概念:第一步、每個用戶跟Media Server 要求影音片段,有些片段在傳輸過程因某些原因而遺失了。第二步、左邊的Peer 跟中間的Peer  要求它尚未收到的影音片段。第三步、中間的Peer 跟右邊的Peer 要求它尚未收到的影音片段。第四步、右邊的Peer 跟中間的Peer 要求它尚未收到的影音片段。最後,每個peer 都擁有完整的影音片段。

 然而要利用P2P 技術實現即時廣播live streaming,例如看奧運實況轉播則必須考慮影音資料傳遞的即時性。要達到此一功能,必須考慮三個問題:

1) P2P 重疊網(Overlay Network)連結演算法:

 Peer 在Internet 進行搜尋以找到擁有所需內容和計算能力的Peer IP;之後利用應用層群播協議(application layer multicast protocol)  建立用戶連接網路架構。應用於P2P live streaming 之網路最早為樹狀結構,每個Peer  從上層peer  接收資料然後傳送給下層peer。

 2004 年5 月歐洲盃足球期間,香港科技大學張欣研博士在Planetlab 網開發的CoolStreaming 原型系統。這套系統使用Goosip 協議在用戶之間傳播控制信令,實現多點對多點網狀架構之live streaming 功能。

2) 視訊片段傳遞排程演算法:

 為了提供即時廣播,視訊片段到達用戶的時間便必須早於它的撥放時間。樹狀架構網路上Peer  只從上層peer  接收資料,其接收視訊片段順序即是撥出的順序。但在多點對多點網狀架構上,peer  可從多個sender peer  接收資料,因為peer 跟peer  間網路連線狀況不同,因此先要求的視訊片段不一定會早到。因此需要特別設計視訊片段傳遞排程演算法以符合即時播放的要求。

3) 多重視訊編碼技術:

 在多點對多點網狀架構上視訊片段可以從多個sender peer  來接收,舉例若將影片作多重編碼,如圖四所示,一個視訊片段被重新編碼為12 資料片段(data stream),若能保證peer 收到其中任四個資料片段,即可重組回原來的視訊片段,那此技術便可以應用於容易遺失封包的無線網路。另外像H264 的multiple description coding and layered encoding 則可以應用在不同網路頻寬下之用戶終端裝置,頻寬大的用戶終端(ex. xDSL)可以接收全部資料以取得較佳視訊品質之影片,頻寬小用戶終端(3G)  只可以接收部份資料以取得基本視訊品質之影片。

 同時電信運營商也開始加入這一潮流,貴州網通採用上海網用公司的技術開展實驗運營,另外上海電信也在實驗。2005 年湖南衛視超女總決賽,PPLive 進行了網上直播,有50 萬人同時線上收看。

 在歐美,英國BBC 在2004 年開始即嘗試在英國國內提供P2P IPTV 服務給國內居民[1],您可上EBU technical review 官網[4]以取得更詳細的資料。另外去年Kazaa(2001 年創立的P2P 音樂分享網站)與Skype(2003 年創立的P2P 網路電話服務)的共同創辦人Janus Friis 與Niklas Zennstrom 亦著手進行的P2P IPTV 新計畫(The Venice Project),現已改名為Joost,亦是許多使用者所期待新服務。

結論:

     P2P IPTV 提供一個在Internet 上佈署live streaming  之可行技術,營運商可以利用此技術降低Scale  及Cost 的影響,目前已成為佈署IPTV 的技術新趨勢。但另一方面從ISP 業者的角度來看,P2P IPTV 卻會增加其網路傳輸量甚至可能影響其它的資料傳輸,目前已有ISP 業者著手設法阻擋P2P 的資料封包或降低其傳輸優先性。另外筆者認為大陸P2P IPTV 的蓬勃發展主要建立在不考慮電視節目版權問題的基礎上,因此未來要建立可行的商業模式應該納入DRM 的機制,同時顧及內容提供業者、IPTV 服務營運商、網路ISP 業者以及收視用戶的權益,相信P2P IPTV 將是下一個Internet 上的殺手級應用。 

 

 
分類:數位終端設備/聯網電視
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