流媒体与CDN承载技术

2019-11-03 09:00:25

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供稿：网友

中国电信集团北京研究院谭国权

　　摘要：本文从宽带接入带动互联网业务的发展分析入手，提出宽带多媒体技术和业务的发展趋势，然后特别分析了目前可以运营的流媒体技术和业务特点，并由此引申出对CDN承载技术的需求。

　　关键词：多媒体流媒体 CDN

　　一、宽带接入带动互联网业务的发展

　　互联网作为一种新的信息流动承载平台，正在深刻地改变着人们的交流和思维方式。近年来中国的上网用户数正在迅猛增长，根据中国互联网络信息中心（CNNIC）统计报告，截止到2003年12月31日，中国上网用户总人数为7950万人。其中宽带上网用户人数达到1740万人，半年内增加了760万人，增长率为77.6%，和去年同期相比增长163.6%。在四种方式的上网用户中，宽带用户增长速度最快。从CNNIC的统计数据可以看出，目前，中国互联网宽带接入业务正处于高速发展阶段。

　　宽带网络和宽带接入问题基本上解决以后，业务就成了关键。目前，中国互联网宽带接入和应用业务正处于良性互动的高速发展阶段，宽带上网已经逐渐成为城镇地区居民的消费时尚，宽带用户数的不断增加也直接导致更多的SP/CP从事宽带内容的经营，网上宽带的内容和应用精彩纷呈。

　　从宽带开始，互联网的价值正在超越提供单纯的ip连接性、浏览静态网页和支持文本方式的电子邮件交换，真正成为人们生活工作、企事业运行的必经途径。根据CNNIC的调查显示：休闲娱乐成为继获取信息之后的第二大主要目的，并且其所占比例呈递增趋势。调查情况如图1所示-详图请参见《中国多媒体视讯》第九期。

　　显而易见，发展动态的、可互动的丰富媒体内容和增值应用是吸引用户的重要手段。以宽带为基础构成的网络产业与传统的窄带互联网产业有着本质的区别，两者具有截然不同的应用前景和运营模式：宽带面对的是商业应用、娱乐、消费和家庭服务，它需要丰富多彩的内容为基础。

　　二、打造宽带多媒体应用是关键

　　宽带多媒体业务充分利用高带宽和交互性的优点，提供各种能满足用户有效需求的增值服务，让用户感觉宽带收费物有所值。成熟的宽带多媒体业务至少应该具备下面四个特点：

　　（1）多媒体化：宽带业务应充分利用高带宽的特点，运用图像、声音和动画等各种窄带网络所无法提供的传媒手段向用户提供丰富多彩的内容。

　　（2）互动性：随着带宽的增加，制约互动性发挥的瓶颈将基本消除，以互动为核心的各种服务也将成为互联网服务的主流。宽带业务只有具备了互动性，才能够调动起用户消费的积极性。

　　（3）人性化：网络技术的成熟，网络服务经验的积累，再加上带宽的增加，为网络人性化服务提供了条件。以数字家庭、多媒体虚拟城市和社区为基本服务空间，以拟人化的互动为基本服务形式的宽带网络服务正在逐步形成。

　　（4）个性化：宽带业务应是个性化的服务。对应于不同的客户群体，如不同行业、不同年龄层次，用户都能根据其消费习惯和实际使用情况，自由选择和定制具体的宽带增值服务。

　　由满足上述特点的业务衍生的宽带增值应用很多，如远程视讯会议、VOD视频点播、网络电视、远程教学、远程医疗、互动网络游戏、数字家庭等，还有其他的像数字化图书馆、多媒体商城、数码导游等等，这其中所蕴涵的商机有可能是我们现在所无法估计的。

　　宽带多媒体应用需要营造一个完善的产业价值链环境，这个链条涉及多个产业实体，每个应用涉及的产业实体又不一样，即便是同一个产业实体，在不同的应用中关注点又会有所不同。以视频通信业务为例，其产业价值链中的成员可能包括：网络提供商、视讯设备提供商、视讯服务提供商、行业应用系统提供商、视讯增值服务提供商、视讯用户等，在该产业链中，运营商通常作为网络提供商和视讯服务提供商出现。

　　宽带多媒体业务产品要想成功获得市场认可，需要相关各方都有收益或获得服务的机会，需要有一个良好的业务运营模式。符合市场游戏规则，各方都乐于接受的运营模式，是宽带业务得以顺利发展的关键因素，应该引起各方足够的重视。

　　三、流媒体是宽带多媒体中的一个重要分支

　　以说，流媒体技术和业务是宽带多媒体技术和业务中的一个重要分支。流媒体指在Internet/Intranet中严格按时间先后次序传输和播放的连续音/视数据流。流媒体具有三个特点：连续性（continuous）、实时性（real-time）、时序性（time-ordered），即有严格的前后时序关系。与传统的多媒体文件下载后播放的方式不同，流媒体在播放前并不下载整个文件，只将部分内容缓存后，流媒体数据流随时传送随时播放。

　　流的传输可以分为两种，一种是顺序流式传输（PRogressive streaming），一种是实时流式传输（real-time streaming）。顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在给定时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的前头部分。顺序流式传输不像实时流式传输能在传输期间根据用户连接的速度做调整。由于标准的HTTP服务器可发送这种形式的文件，也不需要其他特殊协议，它经常被称作HTTP流式传输。实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时观看到。实时流与HTTP流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器与传输协议。实时流式传输总是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快进或后退以观看前面或后面的内容。

　　顺序流式传输比较简单，更接近于传统的下载观看方式，其适应性较差，也不能支持交互，其应用范围有限，但是由于它对时延要求低，因此可以支持高质量的流媒体数据传送。实时流媒体则具有更为灵活的功能，对网络的适应能力也较强，它需要专门的流媒体服务器，相关的控制协议，需要更为稳定的网络传输条件。目前的流媒体技术主要集中于对这种实时流传输提供支持。

　　实时流式传输的实现需要合适的传输协议。通常不采用TCP传输实时数据，因为TCP的每包确认的机制需要较多的开销，而且TCP基于窗口的拥塞控制技术不能很好地支持稳定速率的流媒体传送。其次，TCP对丢包比较敏感，它的重传机制对实时流也是没有必要的。所以在实时流式传输的实现方案中，一般采用HTTP/TCP来传输控制信息，而用RTP/UDP来传输实时数据信息。

　　流媒体技术能够广泛应用于多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等，它丰富了传统互联网内容的表现形式，赋予宽带应用更多的娱乐性和互动性。流媒体技术必将成为未来宽带网络业务的主流技术。实时性和质量是流媒体的关键问题。为了保证时延和质量，网络必须提供足够的带宽资源，而资源的保证又依赖于许多其他的控制，如流量控制、拥塞控制等。当网络资源变化时，还必须能够适应这种变化并做出相应的调节。另外，有效的音频和视频编码方式不但能够减少传输的数据量，还能够有效地减少因数据丢失带来的质量降级（结合一定的传输控制协议），因此，编码方式也是保证流媒体应用质量的重要技术。

　　四、流媒体内容的传递需要CDN的支撑

　　以视频点播等影视节目为主的流媒体业务的引入，给网络运营带来了很大冲击，传统的网络模型和业务模型难以满足流媒体业务的需要。从上面的论述中，可以归纳出流媒体业务的属性主要体现在如下几个方面：

　　（1）高带宽需求。一般影视节目带宽需高达500kbit/s～1Mbit/s，而且要求稳定的带宽保证。

　　（2）高QoS保证需求。流媒体业务对QoS提出了严格的要求，如750kbit/s的MMS/TCP媒体流要求端到端丢包率小于2％，双向时延小于140ms。

　　（3）双向不对称/对称流需求。对于视频点播节目，一般是双向不对称的服务。

　　（4）点对多点的广播流需求。对于IPTV、直播类业务，需要支持从单点（广播源）到多个接受点（用户终端）的流传输。

　　（5）并发服务/业务数是个瓶颈。流媒体类业务一般是服务器—客户端或客户端—客户端的业务服务架构，视音频编解码是服务器和客户端的重要功能之一，视音频编解码需要耗费大量的服务器/客户端软件和硬件资源，因此目前的服务器或客户端难以承受大的并发服务/业务请求，一般服务器只能支持1000以内的并发影视媒体流访问。正是由于流媒体业务具有上述属性，而目前基于包交换的IP网不是为上述业务属性设计的，因此直接在当前的IP网上承载具有上述属性的流媒体业务会产生如下问题：

　　（1）端到端带宽和QoS难以保证。

　　（2）网络通常不支持多播，广播型业务需要采用多个点对点传输实现，不但耗费大量的骨干网络带宽，而且对源点也构成极大的压力。

　　（3）一旦流媒体业务用户量和业务量加大，对现有网络的流量流向模型造成很大的冲击，甚至会使得现有网络难以满足常规业务的开展。

　　（4）SP的接入是个瓶颈，会影响业务的正在开展，接入带宽、业务访问能力描述。

　　上述问题在现有网络框架下是难以解决的，引入内容分发网络（CDN）正是为了解决上述问题。其好处是：

　　（1）通过CDN的引入，可以将用户业务服务点更靠近用户，可以放在省网、本地网，甚至放在小区里，可以将目前尚未解决的带宽保证和QoS保证问题的距离缩短，从而可以有效地“解决”此问题。

　　（2）通过CDN的引入，可以将大量流媒体内容预先分发到省网、本地网范围内，同时可以通过本地自动缓存操作，大大缓解流媒体业务对骨干网流量流向的冲击。

　　（3）通过CDN的引入，可以实现广播流的树型分发和服务，实现“应用层”多播。

　　（4）通过CDN的引入，将流媒体业务服务器分散和下放，可以有效缓解对SP接入的压力。

　　五、CDN技术将促进流媒体业务的开展

　　内容分发网络（CDN，Content Distribution Network），有时也可以称作内容传递网络（Content Delivery Network）。CDN的核心思想是将内容从中心推到边缘靠近用户的地方，这样，不但有效地提高了用户访问内容的服务质量，而且还能减轻中心设备和骨干网络的压力。通过CDN，可以将内容服务从原来的单一中心服务结构变为分布式服务结构。

　　在宽带流媒体应用的推动下，近年来，CDN在国内外得到迅速发展，流媒体内容取代Web内容成为CDN主要承载的对象。

　　总体上，CDN通常由三个部分构成：内容管理平台、内容路由系统、Cache节点网络。其中，内容管理平台主要负责整个CDN系统的管理，特别是内容管理，如内容的注入和发布、内容的分发、内容的审核、内容的服务等。内容路由系统负责将用户的请求调度到适当的设备上，内容路由通常通过负载均衡系统来实现。Cache节点网络是CDN的业务提供点，是面向最终用户的内容提供设备。从功能平面的角度，这三个部分分别构成了CDN的管理平面、控制平面和数据平面。

　　此外，从完整的CDN内容提供的角度，CDN还应包括内容源（媒体资源库）和用户终端（媒体播放器）。从CDN运营的角度，CDN还应考虑SP接口和管理、用户认证、授权和计费（AAA）、内容版权管理（DRM）等相关功能。

　　从CDN设备的角度，CDN的实现有两种方式：基于专用设备的硬件实现方式和基于通用系统的软件实现方式。基于专用设备的硬件实现方式一般采用专用的操作系统，专门开发的媒体服务系统，专用的硬件设备（机架式）。基于通用软件的实现方式一般采用通用的操作系统，如Windows或linux，直接采用通用媒体服务器作为播放服务器，如Windows Media Server和Real Server，并通过附加CDN软件的方式实现相关的CDN功能。

　　目前，CDN技术已经比较成熟，市场上有许多厂商提供CDN设备和集成的解决方案。从运营的角度，CDN的运营商主要分为两类，一类是传统的网络运营商建设CDN并运营，如AT&T、德国电信、中国电信和中国网通；另一类是纯粹的CDN运营商，如国外的Akamai、国内的ChinaCache。

　　随着CDN技术的不断发展，从组网应用的角度看，CDN的发展趋势有以下几个方面：

　　首先是不同CDN实现方式的融合，例如，硬件厂商在不断降低成本，软件厂商在不断提高单台设备的性能，支持更多的功能，引入一些硬件设备设计思路。

　　其次是流媒体在CDN中日益成为主流，因此，CDN的设计和实现越来越多地考虑到流媒体内容分发和服务的需求。

　　最后是CDN的可运营性和可管理性方面的功能得到不断的增强，由于运营商建设CDN越来越普遍，因此，可运营可管理的需求越来越高，CDN设备提供商和CDN集成商普遍在解决方案中增强了系统的可运营、可管理的能力。

　　六、结束语

　　从整个互联网宽带应用的角度看，流媒体和CDN只是其中支撑业务和应用的技术环节，需要包括内容等在内的整个价值链条各相关环节的协调发展，才能真正带动流媒体技术的CDN技术的健康发展。

　　
----《中国多媒体视讯》