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北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 摘要 随着伊组播技术逐渐成熟，运营商将组播应用纳入可控制、 可管理的范畴，i p l v 业务的大规模商用只益临近。 预计到2 0 0 8 年，全球新增硼r v 用户数量将从2 0 0 4 年的2 0 0 万 增加到2 0 0 0 多万。在中国，2 0 0 7 年口t v 业务将出现高速增长。目 前，华为，上海贝尔，朗讯等都在积极推广自己的i p l v 解决方案。 本文对实际应用i p t v 业务中组播源到组播接收者之间的组 播路由方式进行了理论论证，通过m 棚a b 仿真，得到了在实际 组网中适合采用的传输的方案。另外，还进行了i p t v 业务接入网 部分的软件设计。 第一章简要介绍了i p t v 业务所依据的协议，包括协议无关组 播- 稀疏模式( p i m - s m ) 【1 】，因特网组管理协议( i g m p ) 【2 】【3 】和i g m p 窃听( i g m p s n o o p j n 曲【5 】协议。总结了对相关的r h c 的理解。 第二章研究了i p t v 业务应该采取的路由方式。该研究建立在 对i p l v 用户行为分析、建模、仿真的基础上，得到网络关键参数 的仿真结果，证明了在实际应用中应该采用组播数据的全路由方 式。 第三章实现了l p l v 接入的设计方案中频道控制和快速切频 【8 】的功能。频道控制实现了对咿用户的认证和管理，使用户只 能观看自己已经付费的频道；快速切频使用户能够快速、流畅地 切换频道。 第四章实现了基于组播v 1a n 的i p l v 接入的设计方案。组播 v u 州实现了2 层组播的跨v ia n 转发，满足了小区人数很大时的 2 北京交通大学硕上论文i p t v 业务接入研究与实现 接入要求，为i p t v 用户接入提供了有效的支持。 第五章实现了i p t v 业务接入网主各链路快速切换的设计方 案静态路由器端口。保证了切换过程中，组播转发不问断， 不影响用户收看节目。 本论文第三、四、五章的软件设计部分在华为3 c o m 实现。 关键词：i p l w ，接入，组播，i g m p ，p i m 3 北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 a b s t r a c t l p l vs e r v i c ew h i c hi sb a s e d 仰pm u i t j c a s tt e c l l i l o l o g yj st ob e c o m m e r c i a l i z e di nc h i l l ai nt h en e a rf i l t u r e w eg a v e 卸如a l y s i so f l p t va c c e s sn e m o r ka r c h i t e c t t l r cb ys 妇u l a t i o nw i t hm 棚a b 舢s o ， w em a d eas o f t w a r cd e s j 印o fl p l l va c c e s sn e t w o r k i nc h a p t e ro n c ，s o m et e l a t e dm u l t i c a s tp r o t o c o l sa r ei n t m d l l c e d i n c l u d i n gp i m s ma n di g m pw em a d ee x p l i c te x p l a n a t i o n st ot h e s t a n d a r dr f c 1 nc b a p t e rt w o ，n c o r y 粕a l y s i st ot h ei p t va c c e s sn e m o r k a r c h i t e c t u f ei sm a d ea c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s w eg e ts o m e i m p o n 卸tp a f a m e t e r st l l r o u g hm a n a b 1 n c h a p t e r1 1 l r e e ，w 色d e s i 鲫e dt h ep l a nf o ii p t vu s e f a u t l l e n t i c a t i o na n dc h a n n e ls w i t c h i n c h a p t e rf o u r ，w ed e s j g n e d t h e p l a n f o ri p t vu s e f m a l l a g e m e n t 柚dm u l t i c a s tv l a ni sj n t r o d u c e d w i n lm u l t i c a s t v l a n ，t h em u l t i c a s tp a c k e t sc a l lb ef o m a r d c db e 押e e nv ia n so n h y e rt w oa n dt h ei n c r e a s i n go f q vu s e r sm a d en oa 舨t i o nt ot h e a c c e s sa i h i t e c t u r c i nc h a p t e rf j v e ，w bd e s i g n e dt h ep l a nf b rf a s ta n ds m 0 0 t h s w i t c hb e 押e e nt l l em a j nl i n ka l l db a c k u pl i j l l 【。d u r i n gt h es w i t c h ， m u l t i c a s tf o 刑a r d i n gi sn o ti n t e m l p t e d w 毫m a d et l l es 0 脚a 陀d c s i 印sj nh u a w e i - 3 c 0 mc c 皿p a i l ya i l d r i 曲t s 村ep r e s e e d 4 北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 k e yw o r d s ：i p t va c c e s s ，m u l t c a s t ，p i m ，i g m p 5 北京交通大学硕士论文i p 业务接入研究与实现 绪论 选题的背景和意义： 电信运营商压缩成本的努力已经接近底线，移动和l p 对传统 固网的冲击和分流日益严重，如此等等。面对新的形势，电信运 营商如何适应? 如何寻找到未来的增长点促进公司的持续增长? 这是摆在全球电信运营商面前的共同课题。 为此，全球电信运营商开始了新的探索战略转型。其基 本思路是电信行业不仅要从根本上扭转传统的发展思路，不再把 服务限制在传统的通信领域中，而且要从更广阔的信息通信服务 领域中探寻增长空间，不断进行技术和业务创新，建立新型的企 业发展模式和商务模式。 作为融合大趋势下的产物，i p t v 不仅能够满足电信运营商业 务创新的需求，而且可以为电信运营商转变经营思路，实现战略 转型提供切实可行的切入点。 当前，的机会窗口已经打开，电信运营商已经从中看到 了发展的曙光，矿r v 战略的实施对于电信运营商来说意义重大。 在技术层面上，酽涉及多种不同技术体制的不同技术，涉 猎范围十分广泛，从内容存储分发到交换技术，电子节目导航 f e p g ) 技术，承载网技术，编解码技术，安全加密技术，信令技 术等等。从承载网和终端的角度当前至少存在7 个方面的挑战。 首先是网络容量和结构的扩展性挑战。i p t v 所需要的容量是 现有宽带接入容量的几倍到几十倍，大规模开放业务对于现 有网络的容量和结构都将形成很大的挑战，例如现有的集中式 8 北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 b r a s 的吞吐量就是一个很大的容量和架构上的挑战； 其次，网络组播能力也是一个挑战。现有城域网上的交换机、 路由器和d s l m 的组播能力参差不齐，难以实现全程全网的组播 能力。开展i p l v 仅仅靠单播和大容量设备结合不是一个经济的长 远解决方案，必须d s l a m 和b r a s 都能有效地支持网络的组播能 力才行。尽管新的l p d s l a m 和b r a s 已经具备组播能力和较大的 容量，但是现有网上的大多数老的d s u w 和b r a s 不具备这个能 力，这一瓶颈问题怎样解决还需要仔细研究。 第三，网络服务质量方面的挑战。网络服务质量需要在网络 可用性、延时、抖动和丢包率四个方面都能满足电信级网络和 l p l v 业务的要求，这方面实际上也是一个不小的挑战。例如要达 到i p l v 单路9 9 9 9 的可用性目标以及可视电话的5 0 m s 业务恢复 时间的要求，现有为普通l p 数据业务设计的城域数据网很难满足， 可能需要采用虚拟专用局域网业务( v p i s ) 这样的高级以太网技 术( 具备5 0 m s 的保护倒换时间) ，但随之带来的成本代价能否消化， 怎样消化都是一个艰难的抉择。 第四，视频编码技术的选择困难。目前已有5 种视频编码技术， 各有优劣。m p e g 一2 是十几年前制定的视频编码标准，至今还在 不断改进编码效率，但毕竟是昨日黄花，性价比不高，需要带宽 太高，对网络的压力太大，无法满足要求；m p e g - 4 是目前大量 应用的，但这是一类庞大的多媒体应用标准族，标准的兼容性弱， 互操作性很差，占据带宽较高。图像质量主观评价不高，属于过 渡性技术。普通的m p e g l 4 机顶盒缺乏向h 2 6 4 升级所需要的足够 处理能力和预留资源，通常只能采用更换机顶盒的方式实现技术 9 北京交通大学硕士论文i p 业务接入研究与实现 演进，因而不适合大规模推广；h 2 6 4 、v c l 、a v s 属于下一代编 码技术标准，性价比好，但尚不成熟，且商用产品很少。其中h 2 6 4 是1 1 r u t 、3 g p p 、d v d 论坛的视频标准交集，有利于未来通信与 娱乐、有线与无线的业务和终端融合。其压缩率是m p e g 一2 的2 到 4 倍，支持一路实时标清电视只需要1 5 m b s ，点播电视只需要 1 2 m b ，s 即可。标准中只有三套参数集，易于实现互操作。编解码 技术正在持续优化和改进，性能有继续提升的空间，代表了未来 发展的主流。 第五，安全性特别是内容的安全性保障。刀阿v 业务的安全性 包括从网络到终端，从业务平台到内容的各个层面。这些层面的 安全性如果没有完整的可靠保证，业务的大规模开展会面临各方 面的问题； 第六，中间件问题、快速频道选择的响应时间问题都需要很 好解决。例如现有绝大多数机顶盒的频道切换时间高于1 秒，而多 数人心理上容忍的等待时间却不到1 秒，甚至希望在半秒之内。 第七，i f r i 、，系统需要进行中间件、机顶盒和系统之间的复 杂互操作测试，由于可用标准的缺乏，这方面还有很大的困难。 作者的主要工作： 本文的第二章，提出了l p l v 业务实际应用中宜采用的组播数 据路由方式。在本章中，对用户观看电视节目的行为建模，通过 m 御a b 仿真得到了作者关心的两个参数，提出了作者认为最优 的方案。 本文的第三章，为了满足运营商对彤用户接入组播网络时 进行计费，并根据用户的付费情况限制其收看频道的内容，作者 1 0 北京交通大学硕士论文矾v 业务接入研究与实现 在华为3 c o m 交换机平台上实现了口t v 接入频道控制。频道控制 实现了对i p t v 用户的认证和管理，控制用户只能观看自己已经付 费的频道：并且，针对用户快速切换频道这一实际情况，取消了 r f c 规定的特定组查询报文，保证了用户能够快速、流畅地切换 频道。 本文的第四章，为了给运营商提供一个不受小区人数影响的 l p t v 用户管理方案，作者在同一平台上实现了组播v u 州的设计。 组播a n 实现了2 层组播的跨v l a n 转发，小区人数的变化不会 对该方案产生任何影响。为i p l v 用户接入提供了有效的支持。 本文的第五章，为了保证了主备链路切换过程中，组播转发 不问断，不影响用户收看节目。作者在同一平台上实现了i p t v 接 入网主备链路无缝切换的设计静态路由器端口。 北京交通 学硕士论文l p t v 业务接入研究与蛮现 第一章i p 组播协议理解 1 组播组管理协议 组播组管理协议采用i g m p ( i n 忙m e t 研o u pm e m b c r s h j p p r o t o 1 ) ，它运行在主机和组播路由器之间，定义了主机与路由 器之间组播成员关系的建立和维护机制。 2 组播路由协议 组插路由协议运行在组播路由器之间，用于建立和维护组播 路由，并正确、高效地转发组播数据包。组播路出建立了一个从 数据源端到多个接收端的无环数据传输路径。组播路由协议的任 务就是构建分发树结构。组播路由器能采用多种方法来建立数据 传输的路径，即分发树。 与单播路由一样，组播路由也分为域内和域问两大类。域内 组播路由目前已经相当成熟，在众多的域内路由协议中，p i m ( p m t o c o lh l d e p e n d e n tm u l 6 c a s t ) 是目前应用最多的协议，可蚍 和任何单播路由协议掷同工作。域问路由的首要问题是路由信息 如何在自治系统之间传递。由于不同自治系统可能属于不同的运 营商，因此除了距离信息外，域问路由信息必须包含运营商的策 略。目前，域问路由协议包括m s d p ( m u l t j c a s ts o u r c ed i s c o v e r v p m t o c 0 1 ) 和m b g p 组播扩展。 组播相关协议的应用位置如图所示 组播相关防议的应用位置如图所示 1 2 北京交通大学硕士论文叩v 业务接入研究与实现 1 1p l m 协议原理 1 1 1p i m d m 。工作原理 1 p 琢垂秘唾前简要介绍 p i m d m ( p m t o c o l i n d e p e n d c n tm u l t j c a s t d e n s em o d e ) 【1 】属 于密集模式的组播路由协议。p i m d m 适用于小型网络，在这种 网络环境下，组播组的成员相对比较密集。 2 p i m d m 的工作原理 p i m d m 的工作过程可以概括为：邻居发现、扩散一剪枝过 程、嫁接阶段。 ( 1 ) 邻居发现 p i m d m 路由器刚开始启动时，需要使用h e l l o 报文来进行 邻居发现。各个运行p i m d m 的网络节点之间使用h e l l o 报文保 北京交通大学颁士论文i p t v 业务接入研究与实现 持相互之间的联系。p i m d m 的h e l 】o 报文是周期性发送的。 ( 2 ) 扩散一剪枝过程( f l o o d j n g p n | n e ) p i m d m 假设网络上的所有主机都准备接收组播数据。当某 组播源s 开始向组播组g 发送数据时，路由器接收到组播报文 后，首先根据单播路由表进行r p f 【1 】检查，如果检查通过，路由 器创建一个( s ，g ) 表项，然后将数据向网络上所有下游p i m d m 节点转发( f 1 0 0 d i n g ) 。如果没有通过r p f 检查，即组播报文从错 误的接口输入，则将报文丢弃。经过这个过程，在p l m d m 组播 域内，都会创建一个( s ，g ) 表项。 如果下游节点没有组播组成员，则向上游节点发剪枝( p m n e ) 消息，通知上游节点不用再向下游节点转发数据。上游节点收到 剪枝消息后，就将相应的接口从其组播转发表项( s ，g ) 对应的 输出接口列表中删除，这样就建立了一个以源s 为根的s p t ( s h o n e s tp a t ht r e e ) 树。剪枝过程最先由叶子路由器发起。这个 过程就称为扩散一剪枝过程。各个被剪枝的节点同时提供了超时 机制，当剪枝超时时，每台路由器又重新开始扩散一剪枝过程。 p l m - d m 的扩散一剪枝机制周期性地不断进行。 ( 3 ) 舡s e n 机制 如下图所示，如果处于一个l 气n 网段上的两台组播路由器a 和b ，都各自有到组播源s 的接收途径，那么它们在接收到组播 源s 发出的组播数据报文以后，都会向u 一上转发该组播报文， 这时候下游节点组播路由器c 就会收到两份相同的组播报文。 1 4 北京交通大学硕士论文l p t v 业务接入研究与实现 路由器检测到这种情况发生以后，就需要通过a s s e r t 机制来 选定一个唯一的转发者。通过发送舡s e n 报文，选出一个最优的 路径，如果两条或两条以上路径的优先级和m e t r j c 相同，则选择 i p 地址最大的作为该( s ，g ) 项的上游邻居，由它负责该 ( s ，g ) 组播报文的转发。 f 嫁接( g r a f t ) 当被剪枝的下游节点需要恢复到转发状态时，该节点使用嫁 接报文通知上游节点。 1 1 2h m s m 工作原理 1 p i m s m 协议简介 p i m s m ( p r o t 0 h c o lh l d e p 锄d e n tm u m c a s t s p a r s em o d e ) 即与 协议无关的组播稀疏模式，属于稀疏模式的组播路由协议。 p i m s m 主要用于组成员分布相对分散、范围较广、大规模的网 络。 北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 与密集模式的扩散一剪枝不同，p i m s m 协议假定所有的主 机都不需要接收组播数据包，只有主机明确指定需要时，p i m s m 路由器才向它转发组播数据包。 p l m s m 协议中，通过设置汇聚点r p ( r e n d c z v o u sp o i n t ) 和自举路由器b s r ( b o o t s t r a pr o u t e r ) ，向所有p j m s m 路由器通 告组播信息，并利用路由器的加入剪枝信息，建立起基于r p 的 共享树r p t ( r p - 渤t e ds h a r e dt r e e ) 。从而减少了数据报文和控制 报文占用的网络带宽，降低路由器的处理开销。组播数据沿着共 享树流到该组播组成员所在的网段，当数据流量达到一定程度， 组播数据流可以切换到基于源的最短路径树s p t ，以减少网络延 迟。p i m s m 不依赖于特定的单播路由协议，而是使用现存的单 播路由表进行r p f 检查。 运行p i m - s m 协议，需要配置候选r p 和b s r ，b s r 负责收 集候选r p 发来的信息，并把它们广播出去。 2 p i m s m 工作原理 p i m - s m 的工作过程主要有：邻居发现、r p 共享树( r p t ) 的生成、组播源注册、s p t 切换等。其中，邻居发现机制与p l m d m 相同，这里不再介绍。 ( 1 ) r p 共享树( r p t ) 的生成 当主机加入一个组播组g 时，与该主机直接相连的叶子路由 器通过i g m p 报文了解到有组播组g 的接收者，就为组播组g 计 算出对应的汇聚点r p ，然后向朝着r p 方向的上一级节点发送加 入组播组的消息( j o i n 消息) 。从叶子路由器到r p 之间途经的每 个路由器都会在转发表中生成( ，g ) 表项，表示无论是哪个源 1 6 北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 发出的，发送至组播组g 的，都适用于该表项。当r p 收到发往 组播组g 的报文后，报文就会沿着已经建立好的路径到达叶子路 由器，进而到达主机。这样就生成了以r p 为根的r p t 。如下图所 不。 ( 2 ) 组播源注册 当组播源s 向组播组g 发送了一个组播报文时，与s 直接相 连的p i m s m 组播路由器负责将该接收到的组播报文封装成注 册报文，以单播形式发给对应的i 冲。如果一个网段上有多个 p l m - s m 组播路由器，将由指定路由器d r ( d e s i 印a t e dr o u t e r ) 发送该组播报文。 ( 3 ) s p t 切换 当组播路由器发现从r p 发来的目的地址为g 的组播报文的 速率超过了闽值时，组播路由器就向朝着源s 的上一级节点发送 加入消息，导致r p t 向s 盯的切换。 1 7 北京交通大学硕士论文l p t v 业务接入研究与实现 1 2 互联网组管理协议( i g m p ) 1 2 1 概述 互联网组管理协议【2 】【3 】负责所连网络组成员关系的收集与 维护。 互联网组管理协议通过查询器选举机制为所连网段选举唯一 的查询器。查询器周期性的发送普遍组查询消息进行成员关系查 询：主机发送报告消息来应答查询。当要加入组播组时，主机不 必等待查询消息，主动发送报告消息。当要离开组播组时，主机 发送离开组消息；收到离开组消息后，查询器发送特定组查询消 息来确定是否所有组成员都已离开。l g m p 协议在网络中的位置如 下图所示。 1 8 北京交通大学硕十论文i p t v 业务接入研究与实现 1 2 2 查询器选举 对每个所连接的网络，组播路由器可能会扮演以下两个角色： 查询器或非查询器。在一个物理网段上，通常只有一个查询器。 所以的组播路由器启动时都在所连网段上扮演查询器的角色。若 组播路由器收到了从较低的l p 地址来的查询消息，则它就必须变 成非查询器。若路由器在【其他查询器存在间隔】时间内未从具有 较低i p 地址的路由器收到查询消息，则它就恢复成查询器。 1 2 3 普遍组成员关系查询 组播路由器利用i g m p 协议来获得在它所连网络上哪些组有 成员。组播路由器为每个所连接的网络都保留了一个组成员关系 列表，并为每个组成员关系保留了一个定时器。“组成员关系”表 明了在所连网络上是否存在给定组播组的成员，而并非这个组所 有成员的列表。路由器以周期【查询问隔】在所连接的网络上发送 普遍组查询消息，以获得组成员关系消息。启动时，路由器以启 动查询间隔】时间间隔发送【启动查询计数】次普遍组查询消息以保 证快速而可靠的获得组成员关系消息。普遍组查询消息的组地址 字段为o ，并以全系统组播组地址2 2 4 o o 1 发送，其最大响应时间 为【查询响应间隔1 。 1 2 4 主机响应普遍查询消息 当主机收到普遍查询消息时，他将为每个在此接口上有组成 员的组设置延迟定时器。每个延迟定时器被随机地设置为不同的 1 9 北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 值，随机数的范围为( o ，最大响应时间】，其中最大响应时间的值 在查询消息中指定。当一个组的定时器超时，主机就向此组以组 播方式发送i g m p v 2 的组报告消息，其中l p t t l 被置为1 。 当路由器收到了组报告消息时，他就将此组加入组成员关系 列表，并将此组成员的定时器设置为【组成员关系间隔】。重复的 组报告消息将重置定时器。若对于一个特定的组，在它的定时器 超时之前若没有收到任何报告，路由器就假定此组没有本地成员， 并且不再需要向所连接的网络上发送从远方传来的到该组的组播 报文了。 i g m p v 2 查询信息有最大响应时间字段，通过在此字段上指定 延时值来规定所有主机查询响应延时的上限。 当主机收到普遍组查询消息时，它将延迟定时器置为范围为 ( o ，最大响应时间】随机数。当此定时器超时，主机就发送报告消 息。可见增大最大响应时间可以分散主机响应不同普遍组查询的 时间间隔，减少网络上的i g m p 拥塞冲突。 1 2 5 加入组过程 当主机要加入一个组播组时，它不会等待查询消息，而是立 即发送一个该组的主动报告消息。为防止最初的组报告消息丢失 或损坏，通常建议一段时间间隔【主动报告间隔】重复地将此最初 的消息发送二到三次。 2 0 北京交通大学硕士论文 i p t v 业务接入研究与实现 1 2 6 离开组过程 当主机要离开一个组播组时，则它就向全路由器地址 ( 2 2 4 0 o 2 ) 发送离开组的消息。 当查询器在接口上收到离开组消息时，它就每隔最后成员查 询间隔】时间发送一次特定组查询消息，共发送【最后成员查询计 数】次特定组查询消息。特定组查询消息将它们的最大响应时间置 为i 最后成员查询间隔】。 当主机收到特定组的查询消息时，它将延迟定时器置为一个 范围为( o ，撮大响应时间】的随机数。当一个组的定时器超时，主机 就向此组以组播方式发送l g m p v 2 的组报告消息，其中1 1 几被置为 1 。 如果响应时间超时，还未收到响应，则路由器就认为此组在 本网络上没有这个组的成员了。 北京交通大学硕士论文 l p t v 业务接入研究与实现 第二章i p t v 业务数据路由方式论证 本章模拟了i p l v 的典型组网，通过m a t l a b 仿真，确定在实 际组网应用中，组播网络应该采用的路由方式。 2 1 问题描述 如图2 1 所示，路由器r 1 ，r 2 ，r 3 组成一个组播网络，组播交换 机作为组播数据的小区接入端点。现提出两种方式把组播数据路 由给接收者。 纠l j 罨沥i i p t v 肋， 木n 图2 1l p l 、，业务仿真组网图 ( 1 ) 全路由方式 组播网络通过p i m s m 路由表把所有的电视节目都路由到小 区接入点，再由小区接入点通过l g m p 协议建立的本地表项转发给 i p l 、，用户。用户离开某频道，控制组播交换机不转发该频道的节 北京交通大学硕士论文1 p t v 业务接入研究与实现 目给用户，而在组播网络中所有频道的组播树一直保持建立状态， 不拆除任何组播连接。 ( 2 ) 按需路由方式 组播网络完全依据p l m s m 协议实现，通过p i m 加入消息，建 立组播连接。将用户点播的节目路由到小区接入点，用户未点播 的节目不进行路由。若用户离开某频道，通过p l m 剪枝消息，拆 除该频道对应的组播连接。 这两种方式各有利弊，全路由方式的建立和拆除组播树的协 议开销很小，能够减轻路由器的负担，但耗费较多的带宽；按需 路由方式能够节省带宽，但需要较大的协议开销。关键在于i p l v 用户的观看行为是怎么样的，如果在任意时刻，用户点播的频道 数都在总频道数的5 0 以上，也就是说任何时刻组播网络都要路 由一半以上的节目到小区接入点，那么节省协议开销就成为主要 因素，全路由方式显然比按需路由方式更优。反之，如果大部分 时刻路由的节目数都低于一半甚至更少，那么节省带宽就成为主 要因素，按需路由方式会比全路由方式节省大量的带宽。 因此在下文的仿真中，我们考察( a ) n 用户的一个小区，在任 意时刻t ，用户观看的节目数，也就是每个时刻组播网络需要向该 组播端点路由的信息量。( b ) 该小区用户点播时，每个组播组连接 建立和拆除的频度。 我们将通过仿真得到所有频道的( a ) ( b ) 两个指标，用以考察组 搔树建立和拆除的负荷。从而验证出全路由方式和按需路由方式 哪一种更适合在实际唧r v 业务中被采用。 北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 2 2i p t v 数据路由过程描述 2 0 1 按需路由方式的协议处理过程 l 调户点播某频道g 时，机顶盒发出组播组g 的l g m p 报告报 文【2 】； 2 ) 小区接入点把收到报告报文的接口添加到组g 的出接口列 表中。启动p i m - s m 【1 】协议的路由器接口向r p 发送( + ，g ) 加入报 文，小区接入点和r p 及沿途所有路由器都建立( ，g ) 转发项，共享 树建立完毕。 3 ) 组播源直连路由器经过注册过程，将组g 的数据路由到r p ， 再经过共享树达小区接入点，在获知组播源的地址s 后，小区接 入点加入到源最短路径树，组播数据就经最短路径树路由到本地， 用户就能收看到r 的节目。 4 ) 用户在观看节目的过程中，小区接入点启动的i g m p 协议要 每1 0 5 秒周期发送一个通用组查询报文，机顶盒以报告报文响应 之。小区接入点更新用户接口的超时定时器，保证用户接口不老 化。 5 ) 用户切换频道，机顶盒发出组播组g 的i g m p 离开报文和组 播组g 的i g m p 报告报文。 6 ) 小区接入点收到离开报文后立刻刷新组播转发表( 不发送 特定组查询，因为要避免延迟和图像抖动) 【8 】，启动p i m - s m 【1 】 协议的路由器接口会向上游路由器发送剪枝报文，拆除组g 的组 播树。并且进行2 - 3 步骤建立组播组g 的组播树。 北京交通大学硕上论文i p t v 业务接入研究与实现 2 2 2 全路由方式的协议处理过程 1 ) 在小区接入点配置所有频道模拟主机加入，将所有节目按 照2 1 节中步骤2 3 路由到小区接入点。 2 ) 若用户点播频道g ，则小区接入点将组g 的数据转发给用 户，否则，丢弃组g 的数据。 3 ) 用户从频道g 切换至g 时，p i m s m 【1 】协议不发生任何变 化，因为所有的数据都已路由到小区接入点。小区接入点将g ，的 数据转发给用户，而不转发组g 的数据。 2 3l p t v 用户行为建模 1 ) 假定有m 个频道，分为新闻、电影、体育等m 类，每个用户 在给定时刻只能选择m 中的一个频道观看。 2 ) 假定小区用户数为n ，根据爱好不同将用户分成n 类f n m 、。 3 ) 第f 类用户f 一 1 ，2 ，3 j l 在给定时刻按照z 堙，分布【1 8 】从 给定的有序频道选择序列【，t ：，b 如】中选取一个频道。为不同 类的用户分配的频道选择序列不同。 4 ) 用户选取某一频道后，在该频道上停留时间t ，t 服从参数为 a 的指数分布。 5 ) 用户从频道j 逐一扫描到频道k ，在扫描过程中在每个频道 停留时间t l ( t k ct ) ，然后在频道k 停留时间t 。 6 ) 重复扫描一停留的过程。 北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 根据上述模型，计算用户加入，撤离每个频道的频度，每个 频道的持续时间，每个时刻在线的频道数目，以及每时刻在线频 道的用户数目。 2 4 仿真及结果 频道数m = 1 0 0 ，频道分类数m 取值为1 0 。小区用户数n 分别设 为1 0 0 、4 0 0 、8 0 0 ，用户分类数n 取值为5 ，z 垂，分布中a 取1 0 5 ， 取0 5 小时，仿真时间4 小时。扫描过程在每个频道停留时刻t 1 取5 秒钟。 仿真结果如下，图2 2 2 4 是在线频道数时间变化曲线，纵轴 是在线频道的个数。图2 5 2 7 是频道切换频度一时间变化曲线，纵 轴1 表示该频道被用户点播，o 表示该频道未被用户点播。 北京交通大学硕士论文l p l 、，业务接入研究与实现 卫 u o e 图2 2 在线频道数时间变化曲线n = 1 0 0 北京交通大学硕上论文 i p t v 业务接入研究与实现 图2 3 在线频道数时间变化曲线n = 4 0 0 图2 r 4 在线频道教埘问变化曲线n = 8 0 0 些蔓銮垄奎堂堡主笙苎 ! ! 堡些墨董垒竺壅兰壅翌 s e c o n d s 图25 在线频道5 0 的t u 换频度曲线n ：1 0 0 篡 锄 s e c d s 图2 6 在线频道5 0 的切换频度曲线n = 4 0 0 1 锄 北京交通大学硕士论文i p t v 业务接入研究与实现 2 5 结论 图2 7 在线频道5 0 的切换频度曲线n z 8 0 0 从在线频道数随时间变化曲线可以看出，随着小区人数n 的 增大在线频道数目随之增多。在n = 1 0 0 时，仿真时间段内的平均 在线频道数5 0 左右，在n = 4 0 0 时达到7 5 左右，而n = 8 0 0 达到8 5 左 右。在小区人数超过1 0 0 时，在任意时刻绝大部分频道要被组播网 络转发到小区接入点。 从组播连接的建立和拆除频度来看，在小区人数n = 1 0 0 ，4 0 0 时，如果按照按需路由方式组网时，需要非常频繁的建立拆除组 播连接，需要非常大的p i m s m 协议维护开销。因而全路由方式 北京交通大学硕士论文i 丌v 业务接八研究与实现 更符合实际组网需要。 所以，从带宽和开销两方面综合考虑，全路由方式，也就是 将所有频道都路由到小区接入点，接入点依据本地i g m p 表项进行 转发的方式更加适合在实际组网时被采用。 2 6 仿真程序 u = 8 0 0 ：用户数 n u mc h = 1 0 0 ：频道数 u s e l t y p e = i j ； t y p e l = 【l ：1 0 0 】； u s e r _ t y p e = 【l i s e r _ t y p et y p e l 】； t y p e 2 = 【1 1 ：1 0 01 ：1 0 】； u s e l t y p e = 【u s e l t y p et y p e 2 】； t y p e 3 = 【2 l ：1 0 01 ：2 0 】 u s e r - t y p e = 【u s e r - t y p et y p e 3 】； t y p e 4 = 【3 l ：1 0 01 ：3 0 1 ； u s e r _ j y p e = 【u s e i j 硼昨t y p e 4 】； t y p e 5 = 【4 1 ：1 0 01 ：柏1 ； u s e l t y p e = u r _ t y p et y 碑5 】； i y p e 6 = 【5 1 ：1 0 01 ：5 0 】； u s e l t y p c = 【u s 日t y p et y p e 6 】； 【m ，n 】= s i z e ( u r _ t y p e ) 1 a m d a = 1 8 0 0 ：用户看某频道节目的平均时间，单位为秒 i s t p = l ；采样的时间间隔，单位为秒 s a m p l e = 1 4 4 0 0 ；抽样点数 s i m u l a 虹o n n m e = s 枷p l e + t s t p ；4 小时 c h a e l k c l = z e m s ( u ，s m l p 】c ) ；u 行，s a 呷l e 列的2 维数组，第一个用户 在采样点时刻选择的频道 x = 1 ：n u i q _ i h 柚； y 。z i p “x ，n u t i l c h ) i c p f _ z e r o s ( 1 n u t n _ ( = h ) ； c p f ( 1 ) = y ( 1 ) ； f o ri i - 2 ：n 啪c b a n 3 1 北京交通大学硕士论文刀町v 业务接入研究与实现 c p f ( i i ) = 印f ( i i 一1 ) + “i i ) ； e n d f o rk k = 1 ：u u s e t _ i d = m o d ( k k ，m ) + l ； u n l e r = 1 ： t a 9 2 0 ； w h d ec o u n t e r o 观看时间大于采样间隔 i f t a g = = 0 砷u i i l r a n d = i a d ( 1 ，1 ) ； f o ri i = 1 ：n u l _ c h a n i f 缸= = 1 i fn u m _ r a i i d c p “1 ) e h a n n e l c u r 豫l = ：l l 辩r - l y p e ( u s e l j d ，1 ) ； e n d e l s e i f u 皿l 啪d 印f ( i i - 1 ) c h a l l l l e l - c u r r e n t u s e r - t y p e ( u s e l i d ，i i ) ； e d e n d e d t a g = 1 ； e l 辩 c h a n n e l _ c u r r e n t = c h a n n e l n e w ； e n d i fc o t e r + c o u n i e r _ a d d 一1 c h 珈e lc u n e n t c h 姐e ls w i t c h = c h a 彻e ln e w c h a n n e lc u r i b n t ： c h 栅e 王一k c t ( 1 【i 【，c o u n t 盯：c o u n t e r + c h 柚e l s w j t c h - 1 ) = c h a 衄虬一c u n n t + 1 ：c h a n n e j n e w ； “i u n t 盯= ：u n i e 件c h 啪e l s w i t c h ； c l s e j fc h 珊e l p u r r e n t c b a 蛐e l 卫e w c b 锄廿一哪j l c h = c h a 引一c u r | n t c h a e l d e w ； c h a i l e l s e l e d ( k k ，c o u m e r ：c o u n t e r + c h 粕e l s w i t c h 1 ) = c h a 皿e l - c u r r e n t 1 ：- 1 ：c h a e ln e w ： c o u l e i = c o u n i e r + c h a 口e lg w i t c h ： e n d e n d e n d e n d s u m = z c m 1 ，s a m p 】e ) ；1 + s a m p i e 向量 f o fh = 1 ：s a m d l e c = c h m e l 】e c t ( ：，t t ) ；h 列的所有行 f b rk k = 1 ：u i fc ( k l c ) = o t e m p = f m d ( c = = c ( k k ) ) ；c 中所有和第j d 【行相等的索引 北京交通大学硕t 论文l p t v 业务接入研究与实现 c ( 1 e m p ) = z e m s ( 1 e n g t h ( i e m p ) ，1 ) ；所有重复行置o s u m ( t t ) = s u m ( t t ) + 1 ； d e n d e n d p l o t ( 1 ：s a m p l e ，m m ，k - ； 丘g i l r e ( 1 ) ； p l o l ( 1 ：1 0 ：s a m p l e ，s m ( 1 ：1 0 ：e n d ) ，1 【- ) ； x l a b e l ( s e c o n d s l ) ； y l a b e l ( n u i b e r0 fc h a 加e l s 冀 频道利用 n a g = z e o s 州u i n - c h a i l ，s a m p l e ) ； f o r i t - l ：s a m p l e f o r j i = 1 ：n u i i l c h i f l 朋g t h ( f j n d ( c h 珊e l s e l e c i ( ：，n ) = = i i ) ) = 1 n a g ( i i ，t t ) = 1 ； e n d e n d e n d 埏u r e ( 2 ) ； p l o t ( 1 ：s p l e ，a a g ( 1 0 0 ，：) ，t - ) 】【l a b e l ( s e c o n d s ) ； y l a b e l ( c h a n 1 1 0 0 ； 人数 n u m b e r = z e r o s u mc h 粕，s a m p l e ) ； f 0 i i _ 1 ：s a m p l e f o l 嗡= 1 ：n u n l c h 粕 n 岫b