20、宽带互联网应用技术解析

最新推荐文章于 2025-12-09 13:00:00 发布

wind

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分类专栏：日本宽带革命启示录文章标签： BBbroadcast IPv6 FLET’S HIKARI Premium

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宽带互联网应用技术解析

1. BBbroadcast 系统介绍

1.1 新节点加入机制

新加入的客户端节点在找到合适的伙伴节点之前，会直接从特殊服务器节点（交付支持服务器）获取流数据。这是因为可能现有节点已无法容纳新节点，或者向客户端节点传输组播数据的可用带宽过小。当与伙伴节点建立足够数量的连接后，与交付支持服务器的连接将被释放。这意味着在加入 BBbroadcast P2P 网络之前，客户端节点使用基于单播的客户端 - 服务器架构。通过这种从单播客户端 - 服务器操作到 BBbroadcast 对等操作的过渡，加入对等网络的延迟可以与传统的基于单播的客户端 - 服务器系统相同。

1.2 服务安全

BBbroadcast 系统考虑了两种服务安全问题：
- 保护版权内容 ：系统可以使用与传统基于单播的组播系统相同的内容保护技术，通常采用 Microsoft Windows Media DRM 技术。由于内容交付是透明的，原始的内容管理和保护功能可用于所有客户端节点。
- 防止频道劫持 ：所有传输数据使用 RSA 公钥算法进行加密和认证。每个广播频道会生成一个频道密钥，其公钥由 P2P 系统分发，并通过另一个密钥进行加密和认证。加密频道密钥的密钥再由系统密钥加密和认证，系统密钥的公钥在客户端节点安装过程中保存。每个频道的公钥由系统密钥的私钥加密后通过 P2P 系统交付，系统密钥的私钥离线严格管理，不会出现在网络上。频道密钥的私钥保存在包服务器中，客户端节点使用该私钥对传输数据进行加密和认证，并使用公钥检查接收到的数据。若数据使用错误密钥加密，将被丢弃。此外，BBbroadcast 系统本身会接受第三方审计，以确保为最终用户提供足够的服务安全。

1.3 运营性能

BBbroadcast 自 2005 年 6 月开始进行公开测试，举办了 600 多次公开活动，传输 768 Kbps 的组播流。重要的性能评估指标是服务器消耗的带宽与客户端数量的关系，即使客户端数量快速增加，服务器消耗的带宽也应足够小。
- 瞬时客户端数量 ：2006 年 10 月 11 日，BBbroadcast 系统的最大瞬时客户端数量达到 48,545，内容为职业棒球季后赛。峰值出现在 21:20，此时服务器消耗的带宽约为 7 Gbps。而使用基于单播的组播服务进行相同广播时，需要 37.3 Gbps。这表明使用 BBbroadcast 技术可节省超过 80% 的服务器带宽，且即使客户端数量随时间增加，服务器消耗的带宽仍可保持在同一水平。
- 客户端总数 ：2006 年 9 月 27 日的活动中，客户端总数为 124,089，内容也是职业棒球比赛。峰值出现在 21:50，客户端数量为 35,183，最大消耗带宽约为 6.6 Gbps。传统基于单播的组播预期带宽约为 27 Gbps，使用 BBbroadcast 技术可减少约 75% 的服务器带宽，同样，即使客户端数量增加，服务器消耗的带宽也能保持稳定。

以下是 BBbroadcast 系统性能对比表格：
| 活动日期 | 最大瞬时客户端数量 | 服务器消耗带宽（BBbroadcast） | 服务器消耗带宽（单播组播） | 带宽节省比例 |
| — | — | — | — | — |
| 2006 年 10 月 11 日 | 48,545 | 7 Gbps | 37.3 Gbps | 超过 80% |
| 2006 年 9 月 27 日 | 35,183（峰值） | 6.6 Gbps | 27 Gbps | 约 75% |

2. FLET’S HIKARI Premium 服务

2.1 服务概述

“FLET’S Hikari Premium”服务由 NTT West 于 2005 年 3 月开始提供，“Hikari”在日语中意为“光学”，NTT West 覆盖日本西半部。该服务是 NTT West 基于光纤接入提供的接入服务菜单，接替了 ISDN、ADSL 和以太网服务。截至 2007 年 6 月，用户数量已达约 200 万。接入网络基于 GE - PON 技术构建，为住宅用户提供 100 Mbps 的家庭型服务，为企业用户提供 1 Gbps 的企业型服务。整个网络基于 IPv6 技术，是广域封闭 IPv6 网络，具有向后兼容性，同时将基本传输技术替换为 IPv6。引入 IPv6 技术的原因包括：
- 为大量始终在线的客户提供可扩展性。
- 降低运营成本。
- 减少网络设备投资。
- 利用光纤接入的宽带特性实现宽带应用。

2.2 系统架构

2.2.1 非 PPP 网络

传统接入网络使用 PPP（点对点协议）技术，在容纳最终客户的网络中使用 PPPoE（以太网上的 PPP）技术进行第 3 层独立认证，容纳 ISP 的网络使用封装 PPP 数据包的 IP 隧道协议。PPPoE 段和 IP 隧道段之间需要宽带接入服务器（BAS）进行互通。BAS 在用户数量不多且用户并非始终在线时工作良好，但基于 BAS 的 PPPoE 架构对于对等应用效率不高。FLET’S HIKARI Premium 采用 IPv6 而非 IPv4，因为接入网络需要容纳数千万用户，IPv4 适用于用户数量较少的传统系统，而不适用于后续的接入网络。

2.2.2 带 CTU 的端到端架构

接入服务提供商需要以低成本为不同类型的客户提供广泛的服务类型。IP 网络证明了端到端架构的成功，FLET’S 从一开始就在核心网络采用 IP 技术，在考虑第 2 层（PPP）服务时具有灵活性。系统移除了接入网络中的 PPP 和 BAS，引入了客户终端单元（CTU），并在 CTU 和网络终端设备（NTE）之间提供 IP 隧道。CTU 吸收了 BAS 的功能，减少了接入网络中的中间设备。CTU 安装在每个客户站点，具有原本安装在网络中间设备中的许多功能，将这些功能推回到 CTU 可以减少中间设备处理功能的负载。CTU 的一个重要功能是服务质量（QoS），它可以进行 DSCP 标记和 VLAN 标签中的 CoS 标记，将这些标记任务从集中设备卸载，网络其余部分只需根据 DSCP 或 CoS 值进行数据包调度，因此 CTU 是可靠的边缘路由器之一。

2.2.3 客户网络的网络前缀分配

CTU 是路由器而非桥接器或交换机。在以前的接入网络中，客户站点安装的终端适配器（TA）是桥接器或交换机，客户连接家庭网络时需要使用 NAT 盒，否则终端设备的 IP 地址会不断变化，且可能与其他客户的终端设备属于同一网络段。为了将第 3 层网络段分配给客户站点，系统采用 IPv6 技术和 DHCP - PD（DHCP 前缀委托）。CTU 通过 DHCP - PD 从网络获取 /48 的 IPv6 地址空间，客户站点的网络段可以从 CTU 请求 /52 的 IPv6 地址空间，从而使客户站点拥有多个第 3 层 IPv6 网络段。

2.2.4 IPv6 传输

FLET’S HIKARI Premium 采用 IPv6 而非 IPv4，因为网络需要容纳数千万用户。网络由 IP 路由器构建，采用原生 IPv6 传输以实现简单的网络配置，但由于一些技术限制，在骨干区域部分使用 IPv4 传输。采用 IPv6 的原因如下：
- 端到端 IP 地址透明 ：对于应用开发者，使用 IPv4 时需要考虑 NAT 环境，而网络提供干净的端到端透明 IP 数据包传输服务时，应用可以轻松使用 IP 传输，无需额外考虑。特别是对等应用服务（如 VoIP）和 IP 组播服务，透明的 IP 传输具有技术和商业优势，使用 NAT 进行 IP 组播操作困难，内容提供商需要识别终端节点以进行收费。
- 容纳始终在线的客户节点 ：如今大部分终端节点始终在线，为其分配固定 IP 地址比动态分配更简单，因为动态分配所需的 IP 地址数量与固定分配相同，且纯原生 IP 数据包传输在分配固定 IP 地址时更简单。目前，系统为每个客户网络分配 IP 地址前缀（/48），终端节点使用该前缀生成自己的 IP 地址（如使用 MAC 地址）。
- 大 IP 地址空间 ：容纳 3000 万用户至少需要 25 位的 IP 地址空间，实际网络由于网络配置和未来扩展等原因需要 27 或 28 位。网络运营商无法 100% 使用 IP 地址空间，地址分配设计和使用比例是运营成本与地址重新分配和使用比例之间的权衡。IPv6 可以为客户网络分配 /48 的网络前缀，客户网络可使用 16 位空间进行进一步子网划分，系统最初使用 /30 的 IP 地址空间，自 2004 年 12 月起使用 /21 的 IPv6 地址空间。
- 使用固定 IP 网络前缀分配进行 IP 地址过滤 ：网络为每个用户线路分配唯一且固定的 IP 网络前缀（/48），该前缀可作为客户网络的定位器。当网络接收到不具有相应 IP 网络前缀的 IP 数据包时，将其丢弃，这可以防止客户网络中的终端节点伪造源 IP 地址，相当于对客户访问进行认证，实现从客户网络到其他客户的安全网络访问。
- 降低运营成本 ：由于可以从区域互联网注册机构（RIR）获得大地址空间，初始 IP 地址分配可以考虑未来网络增长，无需进行 IP 地址重新分配，从而减少了运营开销。IPv6 技术提供的大地址空间使网络和路由表项行为更简单，便于网络管理。此外，大地址空间还允许以分层方式配置网络，减少了第 2 层网络中的广播消息数量。

2.2.5 网络拓扑

为了简化网络，边缘路由器的所有链路均为 10 Gbps，从比特成本角度来看，10 Gbps 链路成本最低，且便于实现分层网络拓扑。边缘路由器容纳数千个用户链路，并将其聚合为单个 10 Gbps 上行链路。网络拓扑为简单的分层结构，每个网络段分配固定的地址前缀。边缘路由器和 CTU 之间的接入网络段可能无法实现足够的统计复用效果，因此具有公平排队功能，以确保每个用户线路至少能接收 4 Mbps 的视频流。简单的公平排队在当前技术下是网络运营和管理成本最低的方式，也可以根据每个客户的流量调整接入点。

2.3 关键技术组件

2.3.1 IP 组播

FLET’S HIKARI Premium 从一开始就启用了 IP 组播服务。2002 年或 2003 年考虑使用 IP 组播时，IPv6 组播服务不够稳定且质量不高，但网络需要 IP 组播以实现大规模内容的有效交付。目前，IPv6 组播服务主要面向企业客户，加入 IP 组播服务的客户访问线路使用 MLDv2 手动配置，IP 组播数据包不会传输到未订阅的客户访问线路，以避免接入网络中不必要的数据包传输。地理组播区域由 SSM 范围管理，组播频道由（S, G）对标识和管理，其中 S 是源 IP 地址，G 是 IP 组播组地址。

2.3.2 安全

由于假设所有终端节点始终在线连接到网络，CTU 应具备足够的安全功能，并由网络提供商进行维护，如预设防火墙。FLET’S HIKARI Premium 服务还为客户的终端节点提供安全应用（仅适用于 Microsoft Windows 客户端），作为捆绑许可证提供给客户。

2.3.3 高质量视频电话服务

该服务提供在 MS Windows XP 上使用 IPv6 传输的高质量视频电话软件，最高视频流质量相当于标准电视，即 VGA 分辨率、30 fps、MPEG - 4 编码，所需带宽为 4 Mbps，使用会话层协议 SIP 和 RTP。

2.3.4 QoS（服务质量）

QoS 功能在所有聚合点（即边缘路由器）实现，包括 Diff - Serv 和公平排队。CTU 具有 QoS 功能（如 DSCP 标记），核心网络只需根据 DSCP 值进行数据包调度，接入网络在边缘路由器之外也应用公平排队。

mermaid 格式流程图展示 FLET’S HIKARI Premium 服务的网络架构：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(核心网络 - IP 技术):::process --> B(边缘路由器 - 10Gbps 链路):::process
    B --> C(CTU - 客户终端单元):::process
    C --> D(客户网络 - 分配 /48 IPv6 前缀):::process
    D --> E(终端节点 - 生成 IP 地址):::process
    B --> F(IP 隧道 - CTU 与 NTE 之间):::process
    F --> G(NTE - 网络终端设备):::process
    C -.-> H(QoS 功能 - DSCP 标记):::process
    B -.-> I(QoS 功能 - 公平排队):::process

综上所述，BBbroadcast 系统和 FLET’S HIKARI Premium 服务在宽带互联网应用中展现了各自的优势和特点。BBbroadcast 系统通过 P2P 技术实现了高效的带宽利用和服务安全保障，而 FLET’S HIKARI Premium 服务则借助 IPv6 技术提供了可扩展、低成本且功能丰富的接入服务。这些技术的应用为宽带互联网的发展和用户体验的提升做出了重要贡献。

3. 技术对比与综合分析

3.1 BBbroadcast 与传统单播组播的对比

对比项目	BBbroadcast 系统	传统单播组播服务
带宽消耗	随着客户端数量增加，服务器消耗带宽增长缓慢，可节省大量带宽（如 80%以上）	客户端数量增加时，服务器消耗带宽大幅上升
服务性能	能为大量客户端提供稳定服务，新节点加入有过渡机制	对于大量始终在线客户端的支持能力有限
服务安全	采用内容保护技术和防止频道劫持措施	安全防护可能相对薄弱

从上述对比可以看出，BBbroadcast 系统在带宽利用和服务稳定性方面具有明显优势，尤其适用于大规模内容分发场景。

3.2 FLET’S HIKARI Premium 与传统接入网络的对比

对比项目	FLET’S HIKARI Premium 服务	传统接入网络
网络协议	基于 IPv6 技术，具有端到端 IP 地址透明等优势	多使用 IPv4 和 PPP 相关技术，存在 NAT 等问题
扩展性	可容纳大量始终在线的客户，地址空间大	扩展性有限，IP 地址资源紧张
运营成本	减少 IP 地址重新分配和网络管理开销	运营成本相对较高，尤其是地址管理和网络配置方面
服务质量	CTU 具备 QoS 功能，网络整体服务质量有保障	QoS 功能可能不完善

FLET’S HIKARI Premium 服务在网络性能、扩展性和运营成本等方面都优于传统接入网络，更符合未来宽带互联网发展的需求。

3.3 两种技术的综合应用展望

BBbroadcast 系统和 FLET’S HIKARI Premium 服务可以相互配合，为宽带互联网应用提供更优质的解决方案。例如，在 FLET’S HIKARI Premium 服务构建的高速、稳定的 IPv6 网络基础上，使用 BBbroadcast 系统进行大规模内容分发，既能保证内容传输的高效性，又能确保服务的安全性和稳定性。

mermaid 格式流程图展示两种技术的综合应用：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(FLET’S HIKARI Premium 网络):::process --> B(BBbroadcast 内容分发):::process
    B --> C(客户端 - 接收内容):::process
    C --> D(反馈 - 服务质量等):::process
    D --> A(调整网络配置):::process
    D --> B(优化内容分发策略):::process

4. 技术挑战与应对策略

4.1 BBbroadcast 系统面临的挑战及策略

节点管理挑战 ：随着客户端节点数量的增加，节点的发现、连接和维护变得复杂。应对策略是采用分布式节点管理算法，通过节点之间的相互协作和信息交换，提高节点管理的效率。
安全威胁升级 ：尽管系统已经采取了安全措施，但新的安全威胁可能不断出现。定期进行安全审计和漏洞扫描，及时更新安全防护机制，如加密算法和密钥管理方式。
带宽波动问题 ：网络带宽的不稳定可能影响内容传输质量。可以采用自适应带宽调整策略，根据实时带宽情况调整传输速率。

4.2 FLET’S HIKARI Premium 服务面临的挑战及策略

IPv6 兼容性问题 ：部分旧设备和应用可能不支持 IPv6。提供 IPv4/IPv6 双栈支持，确保在过渡期间旧设备和应用也能正常使用。
网络拥塞风险 ：随着用户数量和业务量的增加，网络可能出现拥塞。优化网络拓扑结构，增加网络带宽，同时加强 QoS 管理，确保关键业务的服务质量。
CTU 管理难度 ：大量 CTU 的配置和维护需要耗费大量人力和物力。开发自动化管理工具，实现 CTU 的远程配置、监控和故障诊断。

5. 总结

本文详细介绍了 BBbroadcast 系统和 FLET’S HIKARI Premium 服务的技术特点、架构和应用场景。BBbroadcast 系统通过高效的 P2P 内容分发机制和完善的安全保障体系，实现了带宽的有效利用和服务的稳定运行。FLET’S HIKARI Premium 服务则借助 IPv6 技术的优势，构建了一个可扩展、低成本、高质量的宽带接入网络。

两种技术在宽带互联网应用中都具有重要的价值，并且可以相互补充，为用户提供更优质的网络服务。然而，它们也面临着一些技术挑战，需要不断地进行优化和改进。未来，随着宽带互联网技术的不断发展，这些技术将在更多领域得到应用，为人们的生活和工作带来更多便利。

在实际应用中，网络服务提供商可以根据自身的需求和特点，选择合适的技术方案，并结合相应的应对策略，以应对不断变化的网络环境和用户需求。同时，持续关注技术发展趋势，积极探索新技术的应用，将有助于提升网络服务的竞争力和用户满意度。