CDN和P2P技术融合组网方案探讨

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CDN技术和P2P技术是当前宽带业务的主流传输技术，本文在分析两者优缺点、一致性和互补性的基础上探讨了CDN和P2P技术融合的优势。在此基础上，本文提出了三种实现CDN和P2P技术融合的方案，即控制层面融合方案、网络叠加融合方案和设备层面融合方案，并对各种实现方案进行了分析和探讨。
    关键词：通信技术、CDN、P2P、融合、组网
    随着宽带网络的迅速发展，制约宽带应用的主要瓶颈——接入带宽，已经被打破。无论是在中国，还是在世界范围内，以可视通讯、宽带流媒体为代表的宽带业务都得到了蓬勃的发展，宽带用户数成倍增长，流媒体等宽带业务流量一跃成为互联网上的主要流量之一。但是，随着宽带业务的发展，如何保证宽带业务的服务质量（QoS）？如何支撑大规模的并发用户访问？如何更加有效的利用有限的网络资源？成为宽带业务发展面临的新问题。为解决这些问题，业界提出了多种解决方案，其中最有效的解决方案是CDN和P2P。
    1.       CDN技术概述及其优缺点分析
    CDN通常被称为内容分发网络（Content distribution network），有时也被称作内容传递网络（Content delivery network）。CDN的核心思想是将内容从中心推倒边缘靠近用户的地方，这样，不但有效提高了用户访问内容的性能，而且有效减轻了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结构变为分布式的结构[1]。
    CDN的出现有效缓解了Internet网络拥塞状况，提高用户访问网站的响应速度，从技术上全面解决由于网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等原因造成的用户访问响应速度慢的问题。由于CDN采用了C/S的服务模式，虽然因此具有可靠的服务能力和较高的服务质量保证；但是系统的扩展必需以服务能力的不断部署为基础，很难降低其扩展的成本。另外，传统CDN技术在高峰时期对突发流量的适应性，容错性等方面仍然存在一定缺陷。随着用户规模的迅速增加，对CDN应用发展提出了较大挑战。
    2.       P2P技术优缺点分析
    P2P技术简单的说是一种用于不同PC用户之间、不经过中继设备直接交换数据或服务的技术。它打破了传统的客户机/服务器模式，在P2P网络中每个节点的地位都是相同的，具备客户端和服务器双重特性，可以同时作为服务使用者和服务提供者[2]。P2P计算的特点使得P2P天然具有规模可扩展性和系统级的可靠性，因为服务来自于每个终端Peer，当Peer增加的时候，可以提供服务的资源也随之而增加，来自于服务器的性能瓶颈和单点故障问题也就不在存在。利用P2P网络的这一特性，可以建立流媒体播放网络，从而节省服务器带宽消耗、减轻集中服务带来的压力，如图1所示。
    图12P网络示意图
    然而，P2P系统也存在明显的缺点，首先就是可用性问题，尽管从整个系统而言，P2P是可靠的，但是对于单个内容或者单个任务而言，P2P是不稳定的，每个Peer可以随时终止服务，甚至退出系统；交换的内容随时可能被删除或者被终止共享。其次，P2P系统在安全、管理和版权等方面存在很多问题，P2P技术缺乏有效的管理，并且具有匿名发布的特性，所以大多数P2P服务都将不可避免地和知识产权发生冲突[3]，目前许多病毒制造者编写利用P2P技术进行传播的病毒。第三，商业模式问题也一直困扰着P2P流媒体应用，目前还没有出现真正的盈利模式带动整个产业的发展。
    3.       CDN和P2P流媒体方案的对比
    通过以上的分析我们可以看出，CDN和P2P流媒体解决方案都有其突出的优缺点，下面我们将这两种方案的比较总结如表1。
    组网方式
    P2P
    CDN
    建设成本
    低
    CDN设备昂贵
    可扩展性
    用户越多服务能力越高
    有容量限制
    可靠性
    P2P节点故障不影响服务
    不存在单点故障但故障可能影响部分服务
    突发访问支持
    很好
    很好
    服务质量
    总体服务质量很好，但存在慢启动现象
    服务质量好
    网络资源占用
    同一内容可能被多次传送
    能节省骨干网络带宽
    可管理性
    管理困难
    高
    安全性
    解决了服务器安全性，但带来了很多客户端安全性问题
    安全性高
    版权问题
    存在严重版权问题
    版权问题容易控制
    客户端
    需要安装
    操作系统支持
    网络维护
    简单
    复杂
    商业模式
    无清晰模式
    有成熟模式
    表1 CDN和P2P流媒体解决方案的比较
    通过以上的比较可以看出，CDN和P2P流媒体解决方案具有很强的互补性，因此，如果能够利用P2P的可扩展能力，降低流媒体分发的资源要求；同时结合CDN的可靠性、可管理性，保证流媒体质量并确保对整个流媒体网络的管理能力，就可以构建一个可管理的、能够承载电信级内容应用的内容承载平台。
    4.       CDN和P2P技术融合的基础――流程一致性分析
    虽然在计算模型上CDN和P2P存在很大的差异，但是在用户服务流程和工作机制方面却存在很多的共性，整个服务的过程都可以分为：获取内容入口点、选择内容服务点和内容分发传输三个阶段，而这些共性也是这两种技术可以进行融合的基础。下面我们分别对典型的CDN服务流程和P2P服务流程进行分析。
    a）      CDN典型服务流程
    图2 CDN典型服务流程示意图
    1）      用户访问Web Portal；
    2）      用户通过业务发布平台认证；
    3）      用户获取内容的URL（该URL携带认证后的令牌）；
    4）      用户发起域名解析请求；
    5）      GSLB设备实现DNS域名解析，向用户返回SLB设备的地址；
    6）      用户向SLB设备发起内容请求；
    7）      SLB设备将用户的请求重定向到具体的边缘设备（Cache）；
    8）      用户向Cache发起内容请求；
    9）      Cache将用户的URL（包含用户的令牌）转发到业务发布平台进行认证；
    10）   如果认证通过，Cache设备向用户提供CDN媒体内容服务。
    在上述流程中，第1）~3）步是获取内容入口点的过程，用户通过业务平台认证，并获取内容的URL的流程；第4）~7）步是获取服务点的过程，通过GSLB、SLB等设备完成内容路由/负载均衡工作，选取合适的Cache设备为用户提供服务；第8）~10）步用户通过Cache获得服务。
    b）      P2P典型服务流程
    图3 P2P典型服务流程图
    1）      通过网上搜索或种子发布网站，找到A . torrent 文件；
    2）      点击下载 A . torrent ，并自动启动 BT 客户端软件；
    3）      确认下载后， BT客户端软件连接Tracker，上报本机信息（同共享用户信息）和要共享的文件的信息；
    4）      Tracker 向本机发送信息包括：与 Tracker 通信的时间间隔，拥有/正在下载A . torrent的其他用户的ID、IP地址和端口号；
    5）      与这些 用户建立连接；
    6）      从连接成功的用户处下载数据（本机完成一片文件下载后，可以提供给其他用户下载）；
    上述的流程中，第1）~2）步用户通过搜索等方式，获取。torrent文件，即进入内容入口点；第3）~4）步，Peer与Tracker服务器连接，获取连接列表；第5）~6）步是数据传输过程。
    5.       融合方案探讨
    依据P2P和CDN技术融合层面的不同，主要有三种融合方案可供选择：控制层面融合方案、网络叠加融合方案和设备层面融合方案。下面我们对这三种融合方案分别进行分析。
    a）       管理和控制层面融合方案
    图 4  管理和控制层面融合的CDN和P2P网络部署方案
    图4描述了管理和控制层面融合的CDN和P2P网络部署方案。在该方案中，CDN和P2P作为两个相对独立的子网络平行建设，通过构建一个统一的管理和调度系统，在业务管理和资源调度方面对CDN和P2P网络进行统一的管理。也就是说系统同时支持用CDN和P2P技术为用户提供服务，可根据业务的需要，选择该内容使用P2P分发、CDN分发还是同时支持使用两种分发。
在本方案中，CDN和P2P网络的设备都是分离的，不需要对现有的CDN网络做任何改动，只需要新增加相应的P2P服务设备即可实现，主要的工作在业务管理和资源调度方面，并需要在两个子网之上设置一个全局内容路由设备（GSLB）。具体实现时，对于在P2P系统中发布的内容，转换成GSLB可识别的特殊格式URL，再发布到服务页面上，该格式用于标识该内容可以由P2P系统承载；这样，当为用户提供服务时，用户点击服务链接，GSLB根据请求内容的格式类型，将用户重定向到CDN或P2P系统。
    b）      网络叠加融合方案
    图5 以CDN中心、P2P为边缘的两级网络叠加融合方案
    如图5所示，该方案是一个由CDN核心和P2P边缘构成的两级架构的内容承载平台。该架构类似于KaZaA的两级架构，不同的是核心网络是由受控的CDN POP点构成的CDN网络，提供可靠的内容分发源（类似于种子）和可靠的基础服务；边缘层由用户终端构成，每个CDN POP节点都作为一个独立的核心，所有指向该CDN POP的终端（Peer）组成一个P2P网络，形成P2P子网[4]。其中，受控的CDN网络核心主要用于解决P2P存在的内容可用性和服务可靠性问题，在具体实现时CDN核心网络也可以按照P2P的方式进行内容的分发；P2P边缘网络主要用于提供面向用户的流服务传输能力。
    在该方案中，CDN POP节点是P2P网络和CDN网络的融合点，也是整个网络最关键的部分。每个CDN POP节点都要为该子网提供目录服务和跨网服务。作为P2P子网的核心，CDN POP点主要由SLB、CDN Cache、P2P Cache组成。其中，CDN Cache作为CDN网络的边缘设备，当子网内各peer内没有内容时，提供基本的、可靠的流媒体服务；P2P Cache是该P2P网络的超级节点设备，负责注册、内容发布、内容检索等工作，需要运营商统一部署。在子网内，每个Peer的内容都会发布到CDN POP，CDN POP会发布自身存储的内容到整个CDN的目录服务器，以确保内容是可靠的。
    在提供服务时，子网内部使用P2P流的对等传送方式；为保证流服务的质量，跨域的P2P流服务是不允许的，如果子网内没有该流内容，由CDN Cache从内容源获取内容，将该内容中转提供给P2P Cache，再以P2P方式进行分发。
    c）      设备层面融合方案
    在以上两种融合方案中，都不需要对已有的CDN系统进行改造，用户在点击链接获取服务时就已确定是采用CDN还是P2P方式进行数据的传送，还是一种关联度比较低的松耦合方式。若要真正实现CDN和P2P的融合，需要向用户屏蔽是CDN还是P2P服务的差异，需要在设备层面进行融合，对现有的CDN设备进行改造。
    图6 CDN和P2P设备层面融合方案
    图6是设备层面融合方案的示意图，此方案是建立在传统的CDN系统基础上，在骨干网层次保留了原有的CDN系统的架构和功能，包括内容缓存机制、全局负载均衡机制、骨干网内容分发流程、认证计费相关机制等，通过在边缘节点引入了P2P技术来进行文件及流媒体的共享，将P2P的流量严格限制在同一边缘节点的区域内。
    在这一方案中，首先要在核心节点根据P2P协议对内容（包括文件和流）做切片处理，这就要求对原有的CDN设备进行改造，可以支持和识别P2P切片化后的内容，并将分片后的内容分发到各节点的P2P Cache。在为用户提供服务时，这些经过切片处理的内容可以由P2P Cache和其他Peer同时向用户提供服务，这时Cache的作用就是一个“超级种子”。
    在内容路由方面，CDN中原有的GSLB全局路由功能、SLB本地负载均衡和本地内容管理功能等都会保留，P2P的请求从GSLB往下的路由过程采用跟传统的CDN一致的路由过程和算法，只是P2P请求的协议跟传统请求的链接参数不同。但是，由于文件经过切片处理后，其文件粒度很小，整个系统的管理量会增加很多，对GSLB、SLB和Cache设备，其内容路由条目和处理能力都提出了更高的要求。在管理方面，运营支撑的体系模式、功能结构等都与现有的CDN运营支撑系统类似，只是需要增加客户端管理等功能。
    这种做法会带来三个好处：一是可以提高用户请求的响应速度，开始服务时由Cache直接为用户提供服务，然后在一定的时间内，根据客户端从其它peer处可获取数据的能力逐步降低直至取消Cache的直接服务，改为全部由其它peer提供数据；二是用户可由C/S方式平滑过渡到P2P方式，有利于提供统一的业务体验和P2P客户端的推广；三是若该内容在该边缘节点域内未命中，则由Cache启用边缓存边播放功能，向用户提供服务。

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