流媒體與CDN承載技術

2019-11-03 09:00:25

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供稿：網友

中國電信集團北京研究院譚國權

　　摘要：本文從寬帶接入帶動互聯網業務的發展分析入手，提出寬帶多媒體技術和業務的發展趨勢，然后特別分析了目前可以運營的流媒體技術和業務特點，并由此引申出對CDN承載技術的需求。

　　關鍵詞：多媒體流媒體 CDN

　　一、寬帶接入帶動互聯網業務的發展

　　互聯網作為一種新的信息流動承載平臺，正在深刻地改變著人們的交流和思維方式。近年來中國的上網用戶數正在迅猛增長，根據中國互聯網絡信息中心（CNNIC）統計報告，截止到2003年12月31日，中國上網用戶總人數為7950萬人。其中寬帶上網用戶人數達到1740萬人，半年內增加了760萬人，增長率為77.6%，和去年同期相比增長163.6%。在四種方式的上網用戶中，寬帶用戶增長速度最快。從CNNIC的統計數據可以看出，目前，中國互聯網寬帶接入業務正處于高速發展階段。

　　寬帶網絡和寬帶接入問題基本上解決以后，業務就成了關鍵。目前，中國互聯網寬帶接入和應用業務正處于良性互動的高速發展階段，寬帶上網已經逐漸成為城鎮地區居民的消費時尚，寬帶用戶數的不斷增加也直接導致更多的SP/CP從事寬帶內容的經營，網上寬帶的內容和應用精彩紛呈。

　　從寬帶開始，互聯網的價值正在超越提供單純的ip連接性、瀏覽靜態網頁和支持文本方式的電子郵件交換，真正成為人們生活工作、企事業運行的必經途徑。根據CNNIC的調查顯示：休閑娛樂成為繼獲取信息之后的第二大主要目的，并且其所占比例呈遞增趨勢。調查情況如圖1所示-詳圖請參見《中國多媒體視訊》第九期。

　　顯而易見，發展動態的、可互動的豐富媒體內容和增值應用是吸引用戶的重要手段。以寬帶為基礎構成的網絡產業與傳統的窄帶互聯網產業有著本質的區別，兩者具有截然不同的應用前景和運營模式：寬帶面對的是商業應用、娛樂、消費和家庭服務，它需要豐富多彩的內容為基礎。

　　二、打造寬帶多媒體應用是關鍵

　　寬帶多媒體業務充分利用高帶寬和交互性的優點，提供各種能滿足用戶有效需求的增值服務，讓用戶感覺寬帶收費物有所值。成熟的寬帶多媒體業務至少應該具備下面四個特點：

　　（1）多媒體化：寬帶業務應充分利用高帶寬的特點，運用圖像、聲音和動畫等各種窄帶網絡所無法提供的傳媒手段向用戶提供豐富多彩的內容。

　　（2）互動性：隨著帶寬的增加，制約互動性發揮的瓶頸將基本消除，以互動為核心的各種服務也將成為互聯網服務的主流。寬帶業務只有具備了互動性，才能夠調動起用戶消費的積極性。

　　（3）人性化：網絡技術的成熟，網絡服務經驗的積累，再加上帶寬的增加，為網絡人性化服務提供了條件。以數字家庭、多媒體虛擬城市和社區為基本服務空間，以擬人化的互動為基本服務形式的寬帶網絡服務正在逐步形成。

　?。?）個性化：寬帶業務應是個性化的服務。對應于不同的客戶群體，如不同行業、不同年齡層次，用戶都能根據其消費習慣和實際使用情況，自由選擇和定制具體的寬帶增值服務。

　　由滿足上述特點的業務衍生的寬帶增值應用很多，如遠程視訊會議、VOD視頻點播、網絡電視、遠程教學、遠程醫療、互動網絡游戲、數字家庭等，還有其他的像數字化圖書館、多媒體商城、數碼導游等等，這其中所蘊涵的商機有可能是我們現在所無法估計的。

　　寬帶多媒體應用需要營造一個完善的產業價值鏈環境，這個鏈條涉及多個產業實體，每個應用涉及的產業實體又不一樣，即便是同一個產業實體，在不同的應用中關注點又會有所不同。以視頻通信業務為例，其產業價值鏈中的成員可能包括：網絡提供商、視訊設備提供商、視訊服務提供商、行業應用系統提供商、視訊增值服務提供商、視訊用戶等，在該產業鏈中，運營商通常作為網絡提供商和視訊服務提供商出現。

　　寬帶多媒體業務產品要想成功獲得市場認可，需要相關各方都有收益或獲得服務的機會，需要有一個良好的業務運營模式。符合市場游戲規則，各方都樂于接受的運營模式，是寬帶業務得以順利發展的關鍵因素，應該引起各方足夠的重視。

　　三、流媒體是寬帶多媒體中的一個重要分支

　　以說，流媒體技術和業務是寬帶多媒體技術和業務中的一個重要分支。流媒體指在Internet/Intranet中嚴格按時間先后次序傳輸和播放的連續音/視數據流。流媒體具有三個特點：連續性（continuous）、實時性（real-time）、時序性（time-ordered），即有嚴格的前后時序關系。與傳統的多媒體文件下載后播放的方式不同，流媒體在播放前并不下載整個文件，只將部分內容緩存后，流媒體數據流隨時傳送隨時播放。

　　流的傳輸可以分為兩種，一種是順序流式傳輸（PRogressive streaming），一種是實時流式傳輸（real-time streaming）。順序流式傳輸是順序下載，在下載文件的同時用戶可觀看在線媒體，在給定時刻，用戶只能觀看已下載的那部分，而不能跳到還未下載的前頭部分。順序流式傳輸不像實時流式傳輸能在傳輸期間根據用戶連接的速度做調整。由于標準的HTTP服務器可發送這種形式的文件，也不需要其他特殊協議，它經常被稱作HTTP流式傳輸。實時流式傳輸指保證媒體信號帶寬與網絡連接匹配，使媒體可被實時觀看到。實時流與HTTP流式傳輸不同，它需要專用的流媒體服務器與傳輸協議。實時流式傳輸總是實時傳送，特別適合現場事件，也支持隨機訪問，用戶可快進或后退以觀看前面或后面的內容。

　　順序流式傳輸比較簡單，更接近于傳統的下載觀看方式，其適應性較差，也不能支持交互，其應用范圍有限，但是由于它對時延要求低，因此可以支持高質量的流媒體數據傳送。實時流媒體則具有更為靈活的功能，對網絡的適應能力也較強，它需要專門的流媒體服務器，相關的控制協議，需要更為穩定的網絡傳輸條件。目前的流媒體技術主要集中于對這種實時流傳輸提供支持。

　　實時流式傳輸的實現需要合適的傳輸協議。通常不采用TCP傳輸實時數據，因為TCP的每包確認的機制需要較多的開銷，而且TCP基于窗口的擁塞控制技術不能很好地支持穩定速率的流媒體傳送。其次，TCP對丟包比較敏感，它的重傳機制對實時流也是沒有必要的。所以在實時流式傳輸的實現方案中，一般采用HTTP/TCP來傳輸控制信息，而用RTP/UDP來傳輸實時數據信息。

　　流媒體技術能夠廣泛應用于多媒體新聞發布、在線直播、網絡廣告、電子商務、視頻點播、遠程教育、遠程醫療、網絡電臺、實時視頻會議等，它豐富了傳統互聯網內容的表現形式，賦予寬帶應用更多的娛樂性和互動性。流媒體技術必將成為未來寬帶網絡業務的主流技術。實時性和質量是流媒體的關鍵問題。為了保證時延和質量，網絡必須提供足夠的帶寬資源，而資源的保證又依賴于許多其他的控制，如流量控制、擁塞控制等。當網絡資源變化時，還必須能夠適應這種變化并做出相應的調節。另外，有效的音頻和視頻編碼方式不但能夠減少傳輸的數據量，還能夠有效地減少因數據丟失帶來的質量降級（結合一定的傳輸控制協議），因此，編碼方式也是保證流媒體應用質量的重要技術。

　　四、流媒體內容的傳遞需要CDN的支撐

　　以視頻點播等影視節目為主的流媒體業務的引入，給網絡運營帶來了很大沖擊，傳統的網絡模型和業務模型難以滿足流媒體業務的需要。從上面的論述中，可以歸納出流媒體業務的屬性主要體現在如下幾個方面：

　?。?）高帶寬需求。一般影視節目帶寬需高達500kbit/s～1Mbit/s，而且要求穩定的帶寬保證。

　　（2）高QoS保證需求。流媒體業務對QoS提出了嚴格的要求，如750kbit/s的MMS/TCP媒體流要求端到端丟包率小于2％，雙向時延小于140ms。

　?。?）雙向不對稱/對稱流需求。對于視頻點播節目，一般是雙向不對稱的服務。

　　（4）點對多點的廣播流需求。對于IPTV、直播類業務，需要支持從單點（廣播源）到多個接受點（用戶終端）的流傳輸。

　?。?）并發服務/業務數是個瓶頸。流媒體類業務一般是服務器—客戶端或客戶端—客戶端的業務服務架構，視音頻編解碼是服務器和客戶端的重要功能之一，視音頻編解碼需要耗費大量的服務器/客戶端軟件和硬件資源，因此目前的服務器或客戶端難以承受大的并發服務/業務請求，一般服務器只能支持1000以內的并發影視媒體流訪問。正是由于流媒體業務具有上述屬性，而目前基于包交換的IP網不是為上述業務屬性設計的，因此直接在當前的IP網上承載具有上述屬性的流媒體業務會產生如下問題：

　?。?）端到端帶寬和QoS難以保證。

　　（2）網絡通常不支持多播，廣播型業務需要采用多個點對點傳輸實現，不但耗費大量的骨干網絡帶寬，而且對源點也構成極大的壓力。

　?。?）一旦流媒體業務用戶量和業務量加大，對現有網絡的流量流向模型造成很大的沖擊，甚至會使得現有網絡難以滿足常規業務的開展。

　?。?）SP的接入是個瓶頸，會影響業務的正在開展，接入帶寬、業務訪問能力描述。

　　上述問題在現有網絡框架下是難以解決的，引入內容分發網絡（CDN）正是為了解決上述問題。其好處是：

　　（1）通過CDN的引入，可以將用戶業務服務點更靠近用戶，可以放在省網、本地網，甚至放在小區里，可以將目前尚未解決的帶寬保證和QoS保證問題的距離縮短，從而可以有效地“解決”此問題。

　　（2）通過CDN的引入，可以將大量流媒體內容預先分發到省網、本地網范圍內，同時可以通過本地自動緩存操作，大大緩解流媒體業務對骨干網流量流向的沖擊。

　?。?）通過CDN的引入，可以實現廣播流的樹型分發和服務，實現“應用層”多播。

　?。?）通過CDN的引入，將流媒體業務服務器分散和下放，可以有效緩解對SP接入的壓力。

　　五、CDN技術將促進流媒體業務的開展

　　內容分發網絡（CDN，Content Distribution Network），有時也可以稱作內容傳遞網絡（Content Delivery Network）。CDN的核心思想是將內容從中心推到邊緣靠近用戶的地方，這樣，不但有效地提高了用戶訪問內容的服務質量，而且還能減輕中心設備和骨干網絡的壓力。通過CDN，可以將內容服務從原來的單一中心服務結構變為分布式服務結構。

　　在寬帶流媒體應用的推動下，近年來，CDN在國內外得到迅速發展，流媒體內容取代Web內容成為CDN主要承載的對象。

　　總體上，CDN通常由三個部分構成：內容管理平臺、內容路由系統、Cache節點網絡。其中，內容管理平臺主要負責整個CDN系統的管理，特別是內容管理，如內容的注入和發布、內容的分發、內容的審核、內容的服務等。內容路由系統負責將用戶的請求調度到適當的設備上，內容路由通常通過負載均衡系統來實現。Cache節點網絡是CDN的業務提供點，是面向最終用戶的內容提供設備。從功能平面的角度，這三個部分分別構成了CDN的管理平面、控制平面和數據平面。

　　此外，從完整的CDN內容提供的角度，CDN還應包括內容源（媒體資源庫）和用戶終端（媒體播放器）。從CDN運營的角度，CDN還應考慮SP接口和管理、用戶認證、授權和計費（AAA）、內容版權管理（DRM）等相關功能。

　　從CDN設備的角度，CDN的實現有兩種方式：基于專用設備的硬件實現方式和基于通用系統的軟件實現方式?；趯Ｓ迷O備的硬件實現方式一般采用專用的操作系統，專門開發的媒體服務系統，專用的硬件設備（機架式）?；谕ㄓ密浖膶崿F方式一般采用通用的操作系統，如Windows或linux，直接采用通用媒體服務器作為播放服務器，如Windows Media Server和Real Server，并通過附加CDN軟件的方式實現相關的CDN功能。

　　目前，CDN技術已經比較成熟，市場上有許多廠商提供CDN設備和集成的解決方案。從運營的角度，CDN的運營商主要分為兩類，一類是傳統的網絡運營商建設CDN并運營，如AT&T、德國電信、中國電信和中國網通；另一類是純粹的CDN運營商，如國外的Akamai、國內的ChinaCache。

　　隨著CDN技術的不斷發展，從組網應用的角度看，CDN的發展趨勢有以下幾個方面：

　　首先是不同CDN實現方式的融合，例如，硬件廠商在不斷降低成本，軟件廠商在不斷提高單臺設備的性能，支持更多的功能，引入一些硬件設備設計思路。

　　其次是流媒體在CDN中日益成為主流，因此，CDN的設計和實現越來越多地考慮到流媒體內容分發和服務的需求。

　　最后是CDN的可運營性和可管理性方面的功能得到不斷的增強，由于運營商建設CDN越來越普遍，因此，可運營可管理的需求越來越高，CDN設備提供商和CDN集成商普遍在解決方案中增強了系統的可運營、可管理的能力。

　　六、結束語

　　從整個互聯網寬帶應用的角度看，流媒體和CDN只是其中支撐業務和應用的技術環節，需要包括內容等在內的整個價值鏈條各相關環節的協調發展，才能真正帶動流媒體技術的CDN技術的健康發展。

　　
----《中國多媒體視訊》