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传统上在Internet提供电视广播服务是采用Client-Server架构，但随着使用人数的增加Server负载日益增大，服务供应者必须负担的成本会越来越高。而IPTV集宽带有线电视网，集因特网、多媒体、通讯等多种技术于一体，提供包括数字电视在内的多种交互式服务之崭新技术。随着Internet的使用人口增加，Client-Server架构所面临的问题日益严重，使得P2P（Peer-to-Peer）之技术逐渐被重视。P2P IPTV 提供一个在Internet上布署live streaming 之可行技术，营运商可以利用此技术降低Scale 及Cost的影响，目前已成为布署IPTV 的技术新趋势。
前言
宽带网络的蓬勃发展，造就Internet上许多热门的应用，其中透过实时视频传输(live streaming)之交互式网络电视（IPTV）应用，更是多方抢食的一块大饼。传统上在Internet提供电视广播服务是采用Client-Server架构，但随着使用人数的增加Server负载日益增大，服务供应者必须负担的成本会越来越高。而IPTV集宽带有线电视网，集因特网、多媒体、通讯等多种技术于一体，提供包括数字电视在内的多种交互式服务之崭新技术。
随着Internet的使用人口增加，Client-Server架构所面临的问题日益严重，使得P2P（Peer-to-Peer）之技术逐渐被重视，P2P早期是应用在Skype语音对话以及BT档案传输上，而近一、二年利用P2P 提供网络电视之P2P IPTV系统亦从学术研究阶段进展到实际的服务平台。因此本文将针对P2P IPTV技术作一简单介绍。首先我们将先介绍P2P IPTV之系统架构以及现况，再针对现有技术之瓶颈，提供解决方法。
P2P网络电视架构
● P2P live streaming
P2P技术的主要概念是每个P2P的用户在应用层组成一个重迭网(Overlay Network)，每个用户既是信息接收者亦是传送者。以BT共享下载文件为例，下载同一个文件的众多用户，每一个用户终端只需要下载文件的一个片段，然后互相交换，最终每个用户都可以得到所有片段以组合成一个完整的文件。此一P2P 架构的优点在于用户数增加时并不会同时增加伺服端的负载。
我们以图一来说明P2P数据传递概念：第一步、每个用户跟Media Server 要求影音片段，有些片段在传输过程因某些原因而遗失了。第二步、左边的Peer 跟中间的Peer 要求它尚未收到的影音片段。第三步、中间的Peer 跟右边的Peer 要求它尚未收到的影音片段。第四步、右边的Peer 跟中间的Peer 要求它尚未收到的影音片段。最后，每个peer 都拥有完整的影音片段。
然而要利用P2P 技术实现实时广播live streaming，例如看奥运实况转播则必须考虑影音数据传递的实时性。要达到此一功能，必须考虑三个问题：
1.P2P重迭网(Overlay Network)
连结算法
Peer在Internet进行搜寻以找到拥有所需内容和计算能力的Peer IP；之后利用应用层群播协议(application layer multicast protocol) 建立用户连接网络架构。应用于P2P live streaming之网络最早为树状结构，每个Peer 从上层peer 接收数据然后传送给下层peer。
2004年5月欧洲杯足球期间，香港科技大学张欣研博士在Planetlab网开发的CoolStreaming原型系统。这套系统使用Goosip协议在用户之间传播控制信令，实现多点对多点网状架构之live streaming 功能。
2.视频片段传递排程算法
为了提供实时广播，视频片段到达用户的时间便必须早于它的拨放时间。树状架构网络上Peer 只从上层peer 接收数据，其接收视频片段顺序即是拨出的顺序。但在多点对多点网状架构上，peer 可从多个sender peer 接收数据，因为peer 跟peer 间网络联机状况不同，因此先要求的视频片段不一定会早到。因此需要特别设计视讯片段传递排程算法以符合实时播放的要求。
3.多重视频编码技术
在多点对多点网状架构上视频片段可以从多个sender peer 来接收，举例若将影片作多重编码，如图2所示，一个视频片段被重新编码为12数据片段(data stream)，若能保证peer收到其中任四个数据片段，即可重组回原来的视频片段，那此技术便可以应用于容易遗失封包的无线网络。另外像H264 的multiple description coding and layered encoding则可以应用在不同网络频宽下之用户终端装置，频宽大的用户终端(ex. xDSL)可以接收全部数据以取得较佳视频质量之影片，频宽小用户终端(3G) 只可以接收部份数据以取得基本视频质量之影片。
P2P IPTV 现况
P2P IPTV目前在中国发展最为蓬勃发展，目前有十多个网站使用各自发展的软件提供P2P IPTV业务。 主要 PPLive系统有：
● PPLive网络
● ppStream网络
● QQ直播网络
● 猫眼网络电视（猫扑网）
● TVKoo网络（沸点网络电视）
● Rox磊客网（原CoolStreaming、光芒传媒Roxbeam）
● Tvants网络（电视蚂蚁）
● Gridmedia网络（清华大学开发）
● Uusee网络（悠视网）
● Mysee网络（美视网）
同时电信运营商也开始加入这一潮流，贵州网通采用上海网用公司的技术开展实验运营，另外上海电信也在实验。2005年湖南卫视超女总决赛，PPLive进行了网上直播，有50万人同时在线收看。
在欧美，英国BBC在2004年开始即尝试在英国国内提供P2P IPTV服务给国内居民[1]，您可上EBU technical review官网[4]以取得更详细的资料。另外去年Kazaa(2001年创立的P2P音乐分享网站)与Skype(2003年创立的P2P网络电话服务)的共同创办人Janus Friis与Niklas Zennstrom亦着手进行的P2P IPTV新计划(The Venice Project)，现已改名为Joost，亦是许多使用者所期待新服务。
P2P IPTV 瓶颈
● NAT
随着因特网的普及，IPv4的32位寻址法已不敷使用，而NAT（网络地址转换Network Assess Traversal）技术的出现在某种意义上解决了IPv4地址不足的问题。NAT透过Private IP Address，让多个结点只用少数的Public IP Address就能连上Internet。当NAT内部结点往外连接时，会将该Private IP替换成Public IP，并将对应关系记录在NAT mapping table中。
透过NAT连接时，对外隐藏了其内部结点结构，它只允许从内部发起的连接请求，也拒绝了所有不是由内部发起的外部连接，因为它根本不知道要把这个连接转发给内部的哪台主机，所以分处于NAT内外两端的Peers就无法做到P2P的服务。而如何做到NAT Traversal（NAT穿透）就成为提供完整P2P服务的当务之急。
● NAT-T
P2P数据可透过UDP（非联机型Connectionless的非可靠传输协议）或TCP（联机导向Connection-Oriented的可靠传输协议），UDP已有STUN [RFC 3489]公定的解决方法。但规范严格的TCP目前尚未有好的解决方案，故本段将会针对TCP部分多所著墨。而穿透NAT分为两种情况，一、只有一端节点在NAT后，二、两端的节点分别在不同的NAT后。
第一种情况我们可以采NAT后端节点主动式的方法解决，也就是由NAT后端的节点主动对外部节点发出需求，外部节点透过这一通道来建立联机的一种方式。但第二种就是比较棘手的情况了，最常见的方法是将数据经由第三者转传，但为了节省转传产生的负载及COST，我们期望找出一个可以让NAT后面的两个节点直接建立TCP连接的解决方案。
目前康乃尔大学提出一个穿透不同NAT直接连接TCP的方法，被称为NUTSS [4]。NUTSS的目的是达到global connectively的境界，让所有在不同架构下的节点彼此之间都能够建立联机，不会因为在NAT后而受到影响。NUTSS使用STUNT（Simple Traversal of UDP through Nats and TCP）协议去开启NAT后节点的TCP连接。架构如下图3，两个不同NAT后的节点在建立联机的初期，先透过第三者（在NTUSS里称之为tracker）协助建立联机，联机建立完成后，两个节点便可直接做数据的传输，不需再经过第三者转传。
STUNT经过数次封包传输沟通得知另一端主机的IP、Port-binding机制、封包过滤规则（Packet filtering rule），进而调节达到Peer间直接联机。NUTSS有一个缺点，STUNT协议依靠于为了能够TCP连接的欺骗包，这包在真实的网络作了限制。协议为了TCP连接传送假的封包，这封包在真实的网络中是可能发生问题的。许多ISP作了进入过滤以防止欺骗包进入他们的网络，这将导致作者的协议失败。许多ISP作了过滤假封包进入他们的网络的限制，这限制将导致协议的失败。欺骗不能是真实连接主机的组成部分。
结论
P2P IPTV 提供一个在Internet上布署live streaming 之可行技术，营运商可以利用此技术降低Scale 及Cost的影响，目前已成为布署IPTV 的技术新趋势。但另一方面从ISP业者的角度来看，P2P IPTV却会增加其网络传输量甚至可能影响其它的数据传输，目前已有ISP业者着手设法阻挡P2P 的数据封包或是降低其传输优先权。另外对于现今有越来越多的网络使用者都隐藏在NAT或防火墙后，因此找出一个任何环境下都能直接建立TCP联机的方法，对于P2P的发展将有很大的帮助。
参考数据
1. EBU technical review官网,http://www.ebu.ch/en/technical/trev/trev_home.html
2. Franc Kozamernik, “Media Streaming over the internet an overview of delivery technologies,” EBU Technical Review, No. 292, October 2002.
3. Jeffery L. Eppinger, “TCP Connections for P2P Apps：A Software Approach to Sloving the NAT Problem,” Technical Report CMU-ISRI-05-104,Caeneqie Mellon University, January 2005
4. NTUSS官网, http://nutss.gforge.cis.cornell.edu/index.php, Cornell University Department of Computer Science
5. Saikat Guha & Paul Francis, “Characterization and Measurement of TCP Traversal through NATs and Firewalls”, Internet Measurement Conference, 2005
前言
宽带网络的蓬勃发展，造就Internet上许多热门的应用，其中透过实时视频传输(live streaming)之交互式网络电视（IPTV）应用，更是多方抢食的一块大饼。传统上在Internet提供电视广播服务是采用Client-Server架构，但随着使用人数的增加Server负载日益增大，服务供应者必须负担的成本会越来越高。而IPTV集宽带有线电视网，集因特网、多媒体、通讯等多种技术于一体，提供包括数字电视在内的多种交互式服务之崭新技术。
随着Internet的使用人口增加，Client-Server架构所面临的问题日益严重，使得P2P（Peer-to-Peer）之技术逐渐被重视，P2P早期是应用在Skype语音对话以及BT档案传输上，而近一、二年利用P2P 提供网络电视之P2P IPTV系统亦从学术研究阶段进展到实际的服务平台。因此本文将针对P2P IPTV技术作一简单介绍。首先我们将先介绍P2P IPTV之系统架构以及现况，再针对现有技术之瓶颈，提供解决方法。
P2P网络电视架构
● P2P live streaming
P2P技术的主要概念是每个P2P的用户在应用层组成一个重迭网(Overlay Network)，每个用户既是信息接收者亦是传送者。以BT共享下载文件为例，下载同一个文件的众多用户，每一个用户终端只需要下载文件的一个片段，然后互相交换，最终每个用户都可以得到所有片段以组合成一个完整的文件。此一P2P 架构的优点在于用户数增加时并不会同时增加伺服端的负载。
我们以图一来说明P2P数据传递概念：第一步、每个用户跟Media Server 要求影音片段，有些片段在传输过程因某些原因而遗失了。第二步、左边的Peer 跟中间的Peer 要求它尚未收到的影音片段。第三步、中间的Peer 跟右边的Peer 要求它尚未收到的影音片段。第四步、右边的Peer 跟中间的Peer 要求它尚未收到的影音片段。最后，每个peer 都拥有完整的影音片段。
然而要利用P2P 技术实现实时广播live streaming，例如看奥运实况转播则必须考虑影音数据传递的实时性。要达到此一功能，必须考虑三个问题：
1.P2P重迭网(Overlay Network)
连结算法
Peer在Internet进行搜寻以找到拥有所需内容和计算能力的Peer IP；之后利用应用层群播协议(application layer multicast protocol) 建立用户连接网络架构。应用于P2P live streaming之网络最早为树状结构，每个Peer 从上层peer 接收数据然后传送给下层peer。
2004年5月欧洲杯足球期间，香港科技大学张欣研博士在Planetlab网开发的CoolStreaming原型系统。这套系统使用Goosip协议在用户之间传播控制信令，实现多点对多点网状架构之live streaming 功能。
2.视频片段传递排程算法
为了提供实时广播，视频片段到达用户的时间便必须早于它的拨放时间。树状架构网络上Peer 只从上层peer 接收数据，其接收视频片段顺序即是拨出的顺序。但在多点对多点网状架构上，peer 可从多个sender peer 接收数据，因为peer 跟peer 间网络联机状况不同，因此先要求的视频片段不一定会早到。因此需要特别设计视讯片段传递排程算法以符合实时播放的要求。
3.多重视频编码技术
在多点对多点网状架构上视频片段可以从多个sender peer 来接收，举例若将影片作多重编码，如图2所示，一个视频片段被重新编码为12数据片段(data stream)，若能保证peer收到其中任四个数据片段，即可重组回原来的视频片段，那此技术便可以应用于容易遗失封包的无线网络。另外像H264 的multiple description coding and layered encoding则可以应用在不同网络频宽下之用户终端装置，频宽大的用户终端(ex. xDSL)可以接收全部数据以取得较佳视频质量之影片，频宽小用户终端(3G) 只可以接收部份数据以取得基本视频质量之影片。
P2P IPTV 现况
P2P IPTV目前在中国发展最为蓬勃发展，目前有十多个网站使用各自发展的软件提供P2P IPTV业务。 主要 PPLive系统有：
● PPLive网络
● ppStream网络
● QQ直播网络
● 猫眼网络电视（猫扑网）
● TVKoo网络（沸点网络电视）
● Rox磊客网（原CoolStreaming、光芒传媒Roxbeam）
● Tvants网络（电视蚂蚁）
● Gridmedia网络（清华大学开发）
● Uusee网络（悠视网）
● Mysee网络（美视网）
同时电信运营商也开始加入这一潮流，贵州网通采用上海网用公司的技术开展实验运营，另外上海电信也在实验。2005年湖南卫视超女总决赛，PPLive进行了网上直播，有50万人同时在线收看。
在欧美，英国BBC在2004年开始即尝试在英国国内提供P2P IPTV服务给国内居民[1]，您可上EBU technical review官网[4]以取得更详细的资料。另外去年Kazaa(2001年创立的P2P音乐分享网站)与Skype(2003年创立的P2P网络电话服务)的共同创办人Janus Friis与Niklas Zennstrom亦着手进行的P2P IPTV新计划(The Venice Project)，现已改名为Joost，亦是许多使用者所期待新服务。
P2P IPTV 瓶颈
● NAT
随着因特网的普及，IPv4的32位寻址法已不敷使用，而NAT（网络地址转换Network Assess Traversal）技术的出现在某种意义上解决了IPv4地址不足的问题。NAT透过Private IP Address，让多个结点只用少数的Public IP Address就能连上Internet。当NAT内部结点往外连接时，会将该Private IP替换成Public IP，并将对应关系记录在NAT mapping table中。
透过NAT连接时，对外隐藏了其内部结点结构，它只允许从内部发起的连接请求，也拒绝了所有不是由内部发起的外部连接，因为它根本不知道要把这个连接转发给内部的哪台主机，所以分处于NAT内外两端的Peers就无法做到P2P的服务。而如何做到NAT Traversal（NAT穿透）就成为提供完整P2P服务的当务之急。
● NAT-T
P2P数据可透过UDP（非联机型Connectionless的非可靠传输协议）或TCP（联机导向Connection-Oriented的可靠传输协议），UDP已有STUN [RFC 3489]公定的解决方法。但规范严格的TCP目前尚未有好的解决方案，故本段将会针对TCP部分多所著墨。而穿透NAT分为两种情况，一、只有一端节点在NAT后，二、两端的节点分别在不同的NAT后。
第一种情况我们可以采NAT后端节点主动式的方法解决，也就是由NAT后端的节点主动对外部节点发出需求，外部节点透过这一通道来建立联机的一种方式。但第二种就是比较棘手的情况了，最常见的方法是将数据经由第三者转传，但为了节省转传产生的负载及COST，我们期望找出一个可以让NAT后面的两个节点直接建立TCP连接的解决方案。
目前康乃尔大学提出一个穿透不同NAT直接连接TCP的方法，被称为NUTSS [4]。NUTSS的目的是达到global connectively的境界，让所有在不同架构下的节点彼此之间都能够建立联机，不会因为在NAT后而受到影响。NUTSS使用STUNT（Simple Traversal of UDP through Nats and TCP）协议去开启NAT后节点的TCP连接。架构如下图3，两个不同NAT后的节点在建立联机的初期，先透过第三者（在NTUSS里称之为tracker）协助建立联机，联机建立完成后，两个节点便可直接做数据的传输，不需再经过第三者转传。
STUNT经过数次封包传输沟通得知另一端主机的IP、Port-binding机制、封包过滤规则（Packet filtering rule），进而调节达到Peer间直接联机。NUTSS有一个缺点，STUNT协议依靠于为了能够TCP连接的欺骗包，这包在真实的网络作了限制。协议为了TCP连接传送假的封包，这封包在真实的网络中是可能发生问题的。许多ISP作了进入过滤以防止欺骗包进入他们的网络，这将导致作者的协议失败。许多ISP作了过滤假封包进入他们的网络的限制，这限制将导致协议的失败。欺骗不能是真实连接主机的组成部分。
结论
P2P IPTV 提供一个在Internet上布署live streaming 之可行技术，营运商可以利用此技术降低Scale 及Cost的影响，目前已成为布署IPTV 的技术新趋势。但另一方面从ISP业者的角度来看，P2P IPTV却会增加其网络传输量甚至可能影响其它的数据传输，目前已有ISP业者着手设法阻挡P2P 的数据封包或是降低其传输优先权。另外对于现今有越来越多的网络使用者都隐藏在NAT或防火墙后，因此找出一个任何环境下都能直接建立TCP联机的方法，对于P2P的发展将有很大的帮助。
参考数据
1. EBU technical review官网,http://www.ebu.ch/en/technical/trev/trev_home.html
2. Franc Kozamernik, “Media Streaming over the internet an overview of delivery technologies,” EBU Technical Review, No. 292, October 2002.
3. Jeffery L. Eppinger, “TCP Connections for P2P Apps：A Software Approach to Sloving the NAT Problem,” Technical Report CMU-ISRI-05-104,Caeneqie Mellon University, January 2005
4. NTUSS官网, http://nutss.gforge.cis.cornell.edu/index.php, Cornell University Department of Computer Science
5. Saikat Guha & Paul Francis, “Characterization and Measurement of TCP Traversal through NATs and Firewalls”, Internet Measurement Conference, 2005