（通信与信息系统专业论文）ipdslam中对iptv业务的支持.pdf

i p d s l a m 中对i p t v 业务的支持 摘要 近年来，对于电信运营商而言，由于传统语音业务相对饱和，单 纯的宽带业务又缺乏足够的吸引力，业务出现了增量不增收的局面， 为了寻找新的利益增长点以增加每户营收贡献度( a ) u ) ，基于互 联网的视频点播和视频组播等业务已成为其新的应用趋势，i p t v 作 为新一代基于互联网的交互式多媒体服务的业务应运而生，为电信运 营商的宽带业务模型增添了亮点，在固有宽带资源的基础上提高了营 收，提高了电信运营商的运营竞争能力，而且为下一代网络的融合起 到了有效的推进和促进作用。 在接入层的传输技术上，i p t v 可能会采用a d s l ，v d s l 或者 是f t t h + l a n 等多种接入技术。因此作为当今主流的接入手段， x d s l 设备对于i p t v 业务特性的支持就显得尤为重要。i p t v 业务要 求网络提供端到端组播支持，在边缘组播路由器与主机之间要运行组 播协议i g m p ( i n t e m e t 组管理协议) 以支持组播视频业务的传输，以 降低业务对核心网络、汇聚网络的带宽需求，因此为节省接入层到汇 聚层的网络带宽，d s l a m 必须支持二层相关的组播协议，将i p t v 业务的组播复制点尽可能地推向网络的边缘，推向用户终端，并通过 向d s l a m 设备添加智能性，完成动态智能组播控制，保证了在二层 交换设备上交换总线资源和带宽资源的更加有效利用，保证了业务传 输的点对点特性和服务的质量，组播复制点更加接近用户还可以提高 i p t v 用户在频道切换速度，改善了用户的体验质量( q o e q u a l i t y o f 、， e x p e r i e n c e ) 。影响用户体验质量的另一个方面在频道切换的时，多 种原因会引起较长的时延( 同传统的有线电视比较) 。 本文中提出了利用硬件实现对二层组播协议包的处理方法及流 程，并设计了在i p d s l a m 中对节目解码信息，节目内容或e p g ( 电 子节目单) 进行缓存，通过智能控制在用户转换频道期间将缓存的内 容发送至终端，在频道转换期间给用户提供额外的节目信息。 关键词：i p t v i g m ps n o o p i n gi p d s l a m频道切换 s u p p o r t i n gi p t va p p l i c a t l 0 ni ni p d s l a m a b s t r a c t i nr e c e n ts e v e r a ly e a r s ，t h et e l e c o mo p e r a t o r s n e t w o r kc a p a c i t y i n c r e a s e sd r a m a t i c a l l yb u tb e n e f i t sn o ts om u c hc o r r e s p o n d i n 9 1 y t h e r e a s o ni st h a ts o l eb r o a d b a n dd a t aa p p l i c a t i o nh a sn oa d e q u a t ea t t r a c t i o n t os u b s c r i b e r sa n dt r a d i t i o n a lv o i c ea p p l i c a t i o nh a ss a t u r a t e da l r e a d y t o i n c r e a s ea r p u a v e r a g er e v e n u ep e ru n i t ，v o da n dm u l t i c a s tv i d e o a p p l i c a t i o nw h i c h w i l lb eb a s e do ni n t e r n e tw i l lb ed e f i n i t e l yt h e d e v e l o p m e n t t r e n d a n di p t va san e w l ye m e r g i n g i n t e r a c t i v e m u l t i m e d i as e r v i c ec a np r o v i d e a d d i t i o n a lr e v e n u ea n dc o m p e t i t i o n c a p a b i l i t y t ot e l e c o mo p e r a t o ru t i l i z i n ge x i s t i n gb r o a d b a n dr e s o u r c e s w h a t s m o r e ，i t i m p r o v e s n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k c o n v e r g e n c e e f f e c t i v e l y i nt h ea c c e s s , , e t w o , k 。t 。与r r 。t 。- ，m u l t i p l et 。p 。、，r , h n n l n 、，6 0 l z cm a yb e a d o p t e db yi p t vs y s t e m ，s u c h a sa d s l ，v d s lo rf t t h + l a n ，i n w h i c ha st h em a i n l y u s e d ，i ti si m p o r t a n tt os u p p o r ti p t vs e r v i c ef o r a d s l e q u i p m e n t i ti sr e q u i r e dt os u p p o r t e n d - t o e n dm u l t i c a s ti nc u r r e n t n e t w o r kf o rv i d e os e r v i c e ，s ot h a tr e s u l t sl o w e rb a n d w i d t hn e e df o rc o r e ) r k t oi m i t e db a n d w i d t h accessand a g g r e g a t i o nn e t w o r k 10e a ml l m l t e od a n o w l ( r nr e s o u r c e si na c c e s s l a y e r ，d s l a ms h o u l ds u p p o r tl a y e r2m u l t i c a s tp r o t o c o l s ，s u c ha si g m p s n o o p i n g ( i g m pp r o x y ) p u s h i n gt h ed u p l i c a t i o np o i n to fm u l t i c a s tv i d e o s t r e a mt ot h ee d g eo fn e t w o r k ，i tc a ng u a r a n t e eh i g hu t i l i z a t i o nr a t eo f b a n d w i d t ha n ds w i t c hb u sr e s o u r c e so nt h el a y e r2s w i t c h ，a n di m p r o v e s e r v i c et r a n s m is s i o nq u a l i t y a d d i t i o n a l l y ，i tc a ns p e e du ps u b s c r i b e r c h a n n e lc h a n g ed r a m a t i c a l l ya n dg e ti m p r o v e m e n t so nt h eq o e q u a l i t y o fe x p e r i e n c e a n o t h e ra s p e c tw h i c hc a na f f e c tq o ei sc h a n n e lz a p p i n g t i m e i ni p t vs y s t e m ，c h a n n e l z a p p i n gm a yb r i n g l o n g e r d e l a y c o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a lc a b l et v i nt h i sp a p e r ，w ep r o p o s eam e c h a n i s mw h i c hp r o c e s s e sl a y e r2 m u l t i c a s tp r o t o c o lp a c k e t sa n ds t o r e sp r o g r a md e c o d i n gi n f o r m a t i o n ， c o n t e n t so re p g e l e c t r o n i cp r o g r a mg r a p h w h e nc h a n n e lz a p p i n g ，i t t r a n s m i tb u f f e rc o n t e n t st os t b s e tt o pb o xa n dp r o v i d ei ta d d i t i o n a l p r o g r a mi n f o r m a t i o no fr e q u i r e dc h a n n e l k e yw o r d s ：i p t vi g m p “o , , , , o p l n gi p d s l a m c h a n n e lz a n p i n g 北京邮电大学硕士论文 简介 近年来，随着电信业务从语音业务向数据业务的战略性转移，加快发展宽 带业务已成为固网运营商未来业务发展的选择。宽带正以其不可阻挡的势头进 入社会生活的各个领域? 并逐步成为人们方便j i 作、享受生活的一种重要手 段，两能充分体现宽带优势的视频类应用将成为宽带应用的主流和发展的方 向。：凶此i p t v 业务也就应运面生：。 i p t v 是指通过i p 宽带城域网络，利用宽带多媒体终端，为用户提供多方 面的互动多媒体服务的宽带增值类业务。其作为基于宽带网络的突破性的视频 服务应用系统，具有良好的发展前景。其业务的种类主要包括：通信服务、互 动游戏、视频点播、视频广播、信息服务、远程教育、互动广告、视频录播 等。 在接入层的传输技术上，i p t v 可能会采用a d s l ，v d s l 或者是 f t t h + l a n 等多种接入技术。作为当今主流的接入手段，x d s l 对于i p t v 业务 特性的支持就显得尤为重要。p t v 业务要求网络提供端到端组播支持，在边缘 组播路由器与主机之间要运行组播协议i g m p ( i n t e m e t 组管理协议) 以支持业 务的传输，以降低视频业务对核心网络、汇聚网络的带宽需求，因此为节省接 入层到汇聚层的网络带宽，二层接入设备d s l a m 必须支持二层相关的组播协 议，本文中提出了利用硬件实现对二层组播协议包的处理方法及流程。将i p t v 业务的组播复制点尽可能地推向网络的边缘，推向用户终端，并通过向 d s l a m 设备添加智能性，完成动态智能组播控制，保证了在二层交换设备上 交换总线资源和带宽资源的更加有效利用，保证了业务传输的点对点特性和服 务的质量；组播复制点更加接近用户还可以提高i p t v 用户的频道切换速度， 改善用户的体验质量( q o e q u a l i t yo fe x p e r i e n c e ) 。提高用户体验质量的另一 个方面在于缩短频道切换时延，有效地减少端到端时延也可以有效提高用户的 体验质量。本文另一方面是在d s l a m 中对节目解码信息，节目内容或e p g ( 电子节目单) 进行缓存，并通过智能控制在用户转换频道期间将缓存的内容 发送至终端，在频道转换期间给用户提供额外的节目信息。 北京邮电大学硕士论文 。1 1i p 组播 1 1 1 1 j 睦且播定义 第一章协议及相关技术介绍 i p 组播是指在l p 网络中将数据包发送到网络中的某个确定节点子集，这个 子集称为组播组( m u l t i c a s cg o u p ) 。i p 绁播的基本思想是，源主机只发送一份 数据，这份数据中的目的地址为组播组地址：组播组中的所有接收者都可接收 到同样的数据拷贝，并且只有组播组内的目标主机可以接收该数据，网络中其 它主机不能收到。组播技术涵盖的内容相当丰富，从地址分配、组成员管理， 到组播报文转发等诸多方面。下面首先介绍组播协议体系的整体结构，之后从 组播地址、组播成员管理、组播报文转发等几个方面介绍有代表性的协议和机 铕i | 。 1 1 2 组播协议体系结构 根据协议的作用范围，组播协议分为主机一路由器之间的协议，即组播成员 管理协议，以及路由器路由器之间协议，主要是各种路由协议。组成员关系协 议包括i g m p ( 互连网组管理协议) ；组播路由协议又分为域内组播路由协议 及域间组播路由协议两类。域内组播路由协议包括p i m s m 、p i m d m 、 d v m r p 等协议，域间组播路由协议包括m b g p 、m s d p 等协议。同时为了有 效抑制组播数据在二层网络中的扩散，引入了i g m ps n o o p i n g 等二层组播协 议。 通过i g m p 和二层组播协议，在路由器和交换机中建立起直联网段内的组 成员关系信息，具体地说，就是哪个接口下有哪个组播组的成员。域内组播路 由协议根据i g m p 维护的这些组播组成员关系信息，运用一定的组播路由算法 构造组播分发树，在路由器中建立组播路由状态，路由器根据这些状态进行组 播数据包转发。域间组播路由协议根据网络中配置的域间组播路由策略，在各 自治系统( a s ，a u t o n o m o u ss y s t e m ) 间发布具有组播能力的路由信息以及组 播源信息，使组播数据能在域间进行转发。 2 北京邮电大学硕士论文 1 1 3 组播地址机制 1 1 3 1 组播口地址 i p 组播地址用于标识一个i p 组播组。i a n a 把d 类地址空间分配给组播使 用，范围从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。如下图所示( 二进制表示) ，i p 组播 地址前四位均为“11 1 0 ”。 3 2 位i p 地址( 前四位固定 为1 1 1 0 ) 1 1 3 2 组播地址的划分 崮茸尉官 图卜1i p 组播地址格式 整个i p 组播地址的空间划分如下图所示： 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 3 9 0 0 0 2 38 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 2 4 0 1 0 2 2 4 0 2 5 5 2 5 5 2 2 4 0 0 0 i 本地组播管理地址 r l 预留组播地址 r 图卜2 组播地址划分 2 2 4 0 0 0 到2 2 4 0 0 2 5 5 地址范围被i a n a 预留，地址2 2 4 0 0 0 保留不做分 配，其它地址供路由协议及拓扑查找和维护协议使用。该范围内的地址属于局 部范畴，不论生存时间字段( t t l ) 值是多少，都不会被路由器转发； 2 2 4 0 1 0 到2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 地址范围作为用户组播地址，在全网范围内有 效。其中2 3 3 8 一为g l o p 地址。g l o p 是一种自治系统之间的组播地址分配机 3 北京邮电大学硕士论文 制，将a s 号直接填入组播地址的中间两个字节中，每个自治系统都可以得到 2 5 5 个组播地址。 2 3 9 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 地址范围为本地管理组播地址 ( a d m i n i s t r a t i v e l ys c o p e da d d r e s s e s ) ，仅在特定的本地范围内有效。 当i p 层收到组播数据报文时，根据组播目的地址查找组播转发表，对报文 进行转发。 1 1 3 3i p 组播地址到m a c 地址的映射 i a n a 将m a c 地址范围0 1 ：0 0 ：5 e ：0 0 ：0 0 ：0 0 0 1 ：0 0 ：5 e ：7 f ：f f ：f f 分配给组 播使用，这就要求将2 8 位的i p 组播地址空间映射到2 3 位的m a c 地址空间 中，具体的映射方法是将组播地址中的低2 3 位放入m a c 地址的低2 3 位，如 下图所示： s 2 伽地址国 4 8 位m a c 地址一l 一 曰曰回国国国 图卜3i p 组播地址到m a c 地址的映射 由于口组播地址的后2 8 位中只有2 3 位被映射到m a c 地址，这样会有3 2 个口组播地址映射到同一m a c 地址上。 1 1 4 组播成员管理 1 1 4 1i g m p ( ! n t e m e tc 玎o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) i g m p 协议运行于主机和与主机直接相连的组播路由器之间，i g m p 实现的 功能是双向的：一方面，通过i g m p 协议，主机通知本地路由器希望加入并接 收某个特定组播组的信息；另一方面，路由器通过i g m p 协议周期性地查询局 域网内某个己知组的成员是否处于活动状态( 即该网段是否仍有属于某个组播 组的成员) ，实现所连网络组成员关系的收集与维护。通过i g m p ，在路由器 中记录的信息是某个组播组是否在本地有组成员，而不是组播组与主机之间的 对应关系。 到目前为止，i g m p 有三个版本。i g m p v l ( r f c l l l 2 ) 中定义了基本的组 4 北京邮电大学硕士论文 成员查询和报告过程；目前通用的是i g m p v 2 ，本文中实现的也是协议版本2 的内容。i g m p v 2 由r f c 2 2 3 6 定义，在i g m p v l 的基础上添加了组成员快速离 开的机制；i g m p v 3 中增加的主要功能是成员可以指定接收或指定不接收某些 组播源的报文。以下着重介绍i g m p v 2 协议的原理。 i g m p v 2 的原理如下图所示： 二卜弋、，鍪 一一一，l 。 。 l 嘲疵 l 搠铡 l 建聪+ 蠢蠢鏊和 * + 一+ 蝴一 i l l l 一一 l - _ - - 卅骚 一 图卜4i g m p v 2 的工作原理 缀撬黪 凌器 当同一个网段内有多个组播路由器时，i g m p v 2 通过查询器选举机制从中 选举出唯一的查询器。查询器周期性地发送通用组查询消息进行成员关系查 询；主机发送报告消息来响应查询。主机发送报告消息的时间有随机性，当检 测到同一网段内有其它成员发送同样的消息时，则抑制自己的响应报文。如果 有新的主机要加入组播组，不必等待查询器的查询消息，而是主动发送报告消 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。对于作为组成员的路由器 而言，其行为和普通的主机一样，响应其它路由器的查询。 通过上述机制，在组播路由器里建立起一张表，其中记录了路由器的各个 接口所对应的子网上都有哪些组的成员。当路由器接收到某个组g 的数据报文 后，只向那些有g 的成员的接口上转发数据报文。至于数据报文在路由器之间 如何转发则由路由协议决定，不是i g m p 协议的功能。 5 圈、园圈 北京邮电大学硕士论文 1 1 4 2 二层环境中组成员管理的实现 i g m p 组播成员管理机制是针对第三层设计的，在第三层，路由器可以对 组播报文的转发进行控制，只要进行适当的接口配置和对t t l 值的检测就可以 了。但是在很多情况下，组播报文要不可避免地经过一些二层交换设备，尤其 是在局域网环境里。二层网络设备不参加用户头端与i p 承载网边缘路由器或者 汇聚路由器之间的组播控制流程，因此对于每个组播节目组中的用户情况一无 所知。当节目数据包到达二层设备，由于没有明确的目的m a c 地址，同时也 不清楚用户情况，二层设备只能向所有的端口和用户发送节目数据包。这样一 来在i p 承载网的二层部分就很容易发生拥塞，会对网络接入层有限的带宽资源 造成严重的浪费，不利于下一代的视频业务的开展。i g m p 二层的成员管理功 、能可以解决这个问题。i g m p 二层的功能包括： i g m ps n o o p i n g ( i g m p 监听) i g m ps n o o p i n g 是使交换机具有第三层意识，主机发出i g m p 成员报告消 息，这个消息是给路由器的，当i g m p 成员报告经过交换机时，二层设备 窃听主机和路由器之间发送的i g m p 消息，从而确定组成员所在的位置， 形成组成员和接口的对应关系，但并不对i g m p 的包进行处理并继续向边 缘组播路由器转发对应的包，在组播数据流到达二层设备的时候，d s l a m 就可以根据已经建立的转发表将收到的组播数据包只转发给具有组成员的 接口。 i g m pp r o x y ( i g m p 代理) i g m pp r o x y 组播代理的实现原理是二层的交换设备一方面要接受上行( 由 h o s t 发往组播路由器方向) 的i g m p 报，包括r e p o r t ，l e a v e 等，对不同类型 的包作相应的处理，建立组播源与加入组播组的端口的对应表，在组播视 频流到达二层交换设备后，对照所建立起的组播表向相应的端口转发视频 流( i g m ps n o o p i n g 的功能) 。 1 2i p d s l a m 基本组成 1 2 1d s l a m 简介 d s l a m ( 数字用户线路接入复用器) 是a d s l 系统中的局端设备，其功能 是接纳所有的d s l 线路，汇聚流量，相当于一个二层交换设备。其在a d s l 系 统中的位置如下图所示： 6 北京邮电大学硕士论文 1 2 2d s l a m 发展历程 图1 - 5g 1 i t e 标准a d s l 网络结构 综观国内外a d s l 接入的规模使用过程，不难发现随着i p 技术在城域网内 的广泛应用，d s l a m 设备已从第一代a t m 阶段，发展到适应i p 城域网的规 划和建设的第二代过渡阶段一a t m 信元总线矩阵交换，i p 上行；而为解决第 二代d s l a m 在应用中的稳定性和业务实现的诸多限制，发展到i p 内核的第三 代i p d s l a m 。 第二代d s l a m 采用a t m 内核，以太网出口，只能支持很少的v l a n ， 无法保证p v c 与v l a n 一一映射，难以保障专线用户的标示和q o s ，在应用 中，容易导致高端用户的业务困难，影响运营商服务信誉，导致利润流失。另 外，第二代d s l a m 设备的级联和扩容能力较弱，由于a t m 内核i p 上行的 d s l a m 难以支持级连，给网络规划带来很大的难度，不适合规模放号的市场 要求。网络的业务不仅仅是简单接入，还应有完善的用户管理控制能力。随着 宽带网络经营的要求日益增多以及宽带用户数量的迅速增长，集中b r a s 设备 对网络稳定运行的影响也越来越大。在竞争的格局下将严重影响运营商的品 牌，造成巨大的经济损失和社会影响。 第三代i pd s l a m 在业务接口板处完成a t m 和i p 的转化，采用大容量i p 交换内核，把i p 和a d s l 等成熟技术进行合理融合，实现了观念和应用上的创 新。在竞争的环境下，面向综合低成本且快速赢利的宽带网的建设对a d s l d s l a m 设备适应i p 技术的发展提出更高的要求： i p 化，即顺应宽带城域网的规划和建设，采用口内核和i p 上行； 智能化，即实现b r a s 认证功能的分布化，在d s l a m 设备的线路端口 进行认证和i p 地址绑定，满足宽带可运营，可管理的要求。 7 北京邮电大学硕士论文 以上两点正是第三代i pd s l a m 设备的两大技术优势。适应宽带口城域网 的发展，d s l a m 设备的i p 化是不可逆转的趋势。技术的发展和需求结合爆发 出最强的生命力，第二代d s l a m 整机依赖上行接口板中集中的桥接器的处理 效率，在数据流量较大的时候明显不能满足协议转换的需求，系统的稳定性受 到挑战。为了解决集中式b r a s 的处理能力和网络可靠性的问题，b r a s 设备 发展呈现分布化的要求和趋势。b r a s 分布化的要求已经从设备分布化发展到 功能分布化。以i p 为技术架构的第三代i pd s l a m 设备能够方便的实现b r a s 功能的分布化，把对普通大众的用户管理和业务转换功能分布到用户接口板 上。那么网络无须投资昂贵的集中b r a s 设备，以最低的成本，不影响业务开 展的情况下解决网络瓶颈、网络可靠性等问题。 综上所述，第三代i pd s l a m 设备将一方面满足宽带网对a d s l 接入的高 效承载与快速覆盖；另一方面解决汇聚侧集中式b r a s 设备引发的网络瓶颈， 网络可靠性等问题；其三，节约了传统d s l a m 建设中对周边配套的a t m 和 b r a s 设备的投资，开源节流，兼容并促进网络的快速盈利，提升运营商的综 合竞争力。 1 2 3i p d s l a m 实现功能 在上行方向，用户上传的数据信号在局端设备底层对a d s l 信号进行解 调，将由a d s l 终端传来的a t m 信元通过a a l 5s a i l 功能将其转换成相应的 m a c 帧( a t m 终结) ，并建立m a c 地址与a t mp v c 的对应关系。根据不 同设备所提供的不同功能进一步处理，经由设备内设的二层交换机处理最后通 过以太网上联口传输到上层设备中。 在下行方向，局端从以太网上联接口接收到m a c 帧，根据不同设备所提 供的不同功能，完成相应的处理。然后，通过a a l 5s a r 功能将m a c 帧转换 成a t m 信元，并实现m a c 地址到a t mp v c 的映射。i p d s l a m 通过各个对 应的a d s l 端口进行a d s l 信号的处理和调制，经过线路输出到对端的a d s l c p e 中。 一 i p d s l a m 结构如下图所示： 8 北京邮电大学硕士论文 1 2 4i p d s l a m 主要功能特点 图1 - 6p d s l a m 结构图 具有i p 内核的d s l a m 具有以下一些特点： 全分布式a t m 与i p 转换，可大大提高设备整体处理能力，分散设备 故障风险，提高设备的性能和稳定性 全分布式a t m 转换，可将a t mp v c 直接与v l a ni d 相对应，满足 专线用户安全性要求，并支持基于v l a n 的vpn 应用 全分布式a t m 转换，可充分利用成熟、廉价的三层交换架构，提供非 常高的背板交换能力，支持a d s l 线速转发，消除设备交换瓶颈 i p 内核设计，可利用大容量交换背板提供高带宽端口支持能力，可支持 多个g e f e 接口，消除设备上行带宽瓶颈 由于采用i p 内核设计，不必受a t m 总线扩容的约束，利用高密度、 高带宽端口，可实现灵活的级联扩容，并支持比传统方式大7 倍以上的 单点用户容量 当用户迁移时无需对a t mp v c 做全程配置，用户端与网络无需作任何 改动，既可为用户继续提供服务，大大缩短了业务变更时间，减少业务 提供的工作量 利用口内核提供的组播支持能力，可在d s l a m 和上行设备上开通组 播业务和视频点播业务，提升了网络的业务提供能力，并为更多的增值 应用奠定了优越的网络基础 支持全分布式p p p o e 认证，无需集中式b r a s 设备即可提供用户的认 证、计费和管理能力并与原有运营模式完全兼容，可避免集中式b r a s 9 一 北京邮电大学硕士论文 引入的性能、稳定性和业务支持能力瓶颈，提高了整网的稳定性和带宽 提供能力 采用全分布式认证，继承了p p p o e 认证对用户管理的能力，而且由于 用户认证时可将每用户的物理位置信息( 该d s l a m 的i p 地址，该用 户在d s l a m 上的物理端口号) 携带给r a d i u s ，实现i p 地址反查非 常容易 采用全分布式p p p o e 认证，可利用帐号+ 端口的绑定能力，提供运营商 要求的网络安全性和防止资费流失 采用p p p o e 认证，可根据用户开户时的要求在r a d i u s 上生成数据， 动态分配带宽，无需每设备配置，也无须复杂的p v c 配置，节省运营 成本，并提供带宽包月，时长+ 带宽+ 优惠政策等的复杂计费策略，丰 富了a d s l 业务的产品线 1 3 运动图像编码基础 1 3 1 编码简介 。 i p t v 业务归根到底是一种视频业务。通过视频压缩编码，可以把信息数据 量压下来，以压缩形式存储、传输，既节约了存储空间，又提高了通信干线的 传输效率，同时也可使计算机实时处理音频、视频信息，以保证播放出高质量 的视频、音频节目。可见，多媒体数据压缩是非常必要的。由于多媒体声音、 数据、视像等信源数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。数据压 缩可以将庞大数据中的冗余信息去掉( 去除数据之间的相关性) ，保留相互独 立的信息分量，因此，多媒体数据压缩是完全可以实现的。 传统的压缩编码是建立在香农( s h a n n o n ) 信息论基础上的，它以经典的集 合论为基础，用统计概率模型来描述信源，但它未考虑信息接受者的主观特性 及事件本身的具体含义、重要程度和引起的后果。因此，压缩编码的发展历程 实际上是以香农信息论为出发点，_ 个不断完善的过程。从不同角度考虑，数 据压缩缩码具有不同的分类方式。 按信源的统计特性可分为预测编码、变换编码、矢量量化编码、子带一小 波编码、神经网络编码方法等。 1 0 北京邮电大学硕士论文 1 3 2m p e g 随着产业化活动的进一步开展，国际标准化组织于1 9 8 6 年、1 9 9 8 年先后 成立了联合图片专家组j p e g 和运动图像压缩编码组织m p e g 。j p e g 专家组主 要致力于静态图像的帧内压缩编码标准i s o i e c l 0 9 1 8 的制定；m p e g 专家组主 要致力于运动图像压缩编码标准的制定。经过专家组不懈的努力，提出了基于 第一代压缩编码方法( 如预测编码、变换编码、熵编码及运动补偿等) 的三种 压缩编码国际标准。 相关可以进一步提高压缩。视频编码一直反复使用的技巧是：越是能够探 寻数据之间的相关性，它就越能够有效的压缩数据。 这一点在m p e g 中尤为突出。m p e g 是用来对视频流进行压缩的。理论 上，一个视频流是一个静态图像的序列。但是实际应用中，相邻的图片往往是 高度相关联的。m p e g 正是利用这些相关性从而达到了静态图片压缩所远不能 及的高效压缩。 m p e g 一1 采用了一系列技术以获得高压缩比： 对色差信号进行亚采样，减少数据量 采用运动补偿技术减少帧间冗余度 做二维d c t 变换，去除空间相关性 对d c t 分量进行量化，舍去不重要的信息，将量化后的d c t 分量按照 频率进行重新排序 将d c t 分量进行变字长编码 对每数据快的直流分量( d c ) 进行预测差分编码 1 3 3m p e g 图像类型 为了在高效压缩编码的条件下、获得可随机存取的高压缩比、高质量图 像，m p e g 一1 标准中的图像类型共分为四种：i 帧，或称为帧内( i n t r a ) 帧图 像，不参照其他帧；p 帧，或称预测帧( p r e d i c t e d ) ，它们参照前一幅i 或 p 帧进计运动补偿编码；b 帧，或称双向预测帧，它们参照前一幅和后一幅i 或 p 帧做双向运动补偿编码：d 帧，或称直流帧( d c ) ，这类图像中只含直流分 量，是为快放功能而设计的。 i 帧和p 帧在m p e g 流中的出现很简单，都是按照时间顺序出现的。但是 b 帧可能被向前移动了，使得他可能出现在他的相邻的i 帧和p 帧的后面。这 一点保证了一个帧支能够出现在它所依赖的帧的后面。一个m p e g 解码器可以 北京邮电大学硕士论文 通过缓冲最后出现的两个i 帧和p 帧来达到解码的功能。 m p e g 编码器可以把各种类型的帧任意的交错在一起。当场景相对比较静 态的时候p 帧和b 帧可以被使用，当主场景发生变化时，就可以使用i 帧进行 编码。实际应用中，编码器常常采用一些固定的策略，比如i 帧之间使用使用2 到3 个p 帧，而它们之间有实用2 到3 个b 帧。比如下面所示： lbbp bb b bp bb bbpbbi 1 3 3 1m p e g 编码：i 帧 因为i 帧是相对独立的，因此i 帧可以被迅速和简单的解码而不用参考 m p e g 流中的其他信息。因此i 帧经常被用来作为随机定位，反向播放或者错 误恢复等等的锚点。 i 帧的编码使用了一个j p e g 的变种。首先，每帧被转换成了y c r c b 颜色 空间( j p e g 的y i q 的一个变种) 。然后帧被划分成了1 6 x 1 6 的一些小块，被 称为宏块。亮度数据y 被完全表达( 1 6 x 1 6 被分成了4 个8 x 8 的小块进行表 达) ，而c r 和c b 则使用1 4 的分辨率进行表达，也就是每个1 6 1 6 的块仅仅 使用8 x 8 的子块来表达。 现在我们拥有了6 个8 x 8 的小块( y4 个，c r ，c b 各一个) 。使用前面的 j p e g 技术对这些小块进行编码。每个小块都是用c o s i n e 变换，量化，z i g z a g 序列，运行时长编码，最后是h u f f i n a n 编码从而得到最后的b i t 流。一个重要的 不同在于m p e g 的量化过程。在最开始的时候m p e g 1 不支持j p e g 变种的量 化表，而是表中的所有元素都采用一个常数值。m p e g 2 则使用了变化的量化 系数。 i 3 3 2 m p e g 编码：p 帧 p 帧使用上面同样的技术划分成了宏块。但是，我们并不直接对上面的宏 块进行编码，我们尝试着对这个宏块和前面的相似的帧中的对应宏块的差异进 行编码。 对当前帧中的每个宏块( 目标) ，我们在前面的i 帧或者p 帧中( 引用) 找到一组匹配的像素组。大部分情况下，我们可以在引用帧的相同位置找到一 个很好的匹配。如果场景使用的是静态北京，那么目标帧和引用帧中某些宏块 很有可能一点都不变。 但是，我们希望能够适应运动。因此，我们在引用帧中更大的范围内来寻 1 2 北京邮电大学硕士论文 找一个目标的好的匹配。最后，我们可以在偏移( x ，y ) 出找到一个匹配最好 的块。这个偏移也就是运动向量则使用h u f f m a n 进行编码。 运动向量可以指引我们到最好的匹配位置，但是他并不能够指引我们到一 个和目标宏块完全一样的像素组去。因此我们还需要使用差分编码。我们生成 一个代表目标块和引用之间差别的宏块。这个差分宏块将使用在i 帧使用的 j p e g 技术进行编码：d c t ，量化，r l e 等等。 实际上，在m p e g 的编码中，寻找一个目标块的最好匹配往往是最难的一 部分。在现在的技术中，实时的m p e g 编码只有借助用户的硬件帮忙才有可 能。注意，虽然编码很难，但是如果给出一个运动向量，然后再缓存中去寻找 对应的像素组则是很容易的，这就是解码容易，编码难得道理。 最后一点：很有可能，给定一个宏块，我们在引用帧中找不到一个相似的 区域。如果这种情形出现，那么我们将放弃对这块进行差分编码。我们放弃差 分向量而直接使用j p e g 对这块进行编码。某种意义上说，我们在这个宏块上 有回到了原来的i 帧的编码方式去了。 1 3 3 3m p e g 编码：b 帧 b 帧在m p e g 之间的h 2 6 1 中并没有出现。它被加入是由于下面的情形： 一个p 帧的一部分往往在前面的所有帧中都没有出现，但是可能出现在将来的 帧中。比如：考虑一个汽车从旁边进入场景。假设使用i 帧对汽车还没有出现 的场景进行编码，而另外一个i 帧对汽车完全进入场景进行编码。我们使用p 帧对中间场景进行编码。但是，因为在第一个i 帧中，汽车的任何一部分都还 没有出现，因此p 帧就不能够重复利用这些信息。而汽车会在后面的i 帧出现 这个事实并不能够帮助我们，因为p 帧只能够看到过去的帧，而不能够看到将 来的。 bi 帧从两个方向来寻找可以使用的信息。而整个技术则和p 帧的技术完全 一样。对目标帧中的每个宏块，在引用帧中找相似的部分。但是，p 帧只在以 往的i 帧或者p 帧中寻找类似的块，而b 帧则可以在将来的i 帧或者p 帧中寻 找。我们在过去的和将来的帧中都寻找最好的匹配，然后过去的最好的匹配被 编码成为向后预测运动向量，而将来的最好的匹配则被编码成为向前预测运动 向量。 回忆前面的p 帧，他对目标和引用之间的差别进行编码。b 帧有两个运动 向量，因此有两个引用。我们简单的合并这两个引用，然后求平均，在和我们 的目标块进行差分编码。 1 3 北京邮电大学硕士论文 和p 帧一样，b 帧可能在寻找匹配的时候不能够寻找到合适的匹配。这点 发生时，我们简单的丢弃对应的运动向量而仅仅考虑另外一个。如果两边都找 不到，那么就像i 帧一样，我们直接对目标块进行编码。 1 4i p t v 业务组成及介绍 1 4 1 简介 i p t v 即交互式网络电视，又称交互电视、网络电视、宽带电视或视频点播 ( v o d ) ，是一种利用宽带有线电视网，集互联网、多媒体、通讯等多种技术 于一体，为用户提供多方面的互动多媒体服务的宽带增值类业务的崭新技术。 i p t v 是互联网与传统电视相互融合的结果，视频流经过高效的压缩编码后被广 播到i p 网络上，通过位于宽带网络边缘的i p 电视头端设备把直播电视、按需 视频和个人录像等i p t v 服务传送给用户。用户可以有两种方式享受l p t v 服 务：( 1 ) 计算机，( 2 ) 网络机项盒+ 普通电视机。它能够很好地适应当今网络 飞速发展的趋势，充分有效地利用网络资源。其作为基于宽带网络的突破性的 视频服务应用系统，具有良好的发展前景。其业务的种类主要包括：通信服 务、互动游戏、视频点播、视频广播、信息服务、远程教育、互动广告、视频 录播等。 1 4 2 基本组网构成 i p t v 系统分为前端设备和终端设备两部分： 前端的服务器用于媒体采集、节目制作、媒体流化和媒体分发 终端设备包括网络接入设备和机项盒，用于播放媒体流和提供与用户的 交互界面。 i p t v 系统的基本组成如下图所示： 1 4 北京邮电大学硕士论文 核心网 ； 褪颧分麓阏络 城域壤：壤网络 l 按人两象挺斓络 图2 - 1p t v 业务网络架构 视频采集服务器从不同的内容提供商那里得到媒体源后，按照网络传输的 要求对其进行转码和流化，并编辑成节日，然后存储在流媒体库中。系统应用 服务器主要用作流媒体引擎向用户播放节目，同时还向用户提供电子节目指南 e p g ( e l e c t r i cp r o g r a mg r a p h i c ) 和数字版权管理d r m ( d i g i t a lr i g h t s m a n a g e m e n t ) 。c d n ( c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) 内容分发网络服务器会将近 期热播的节目“推”到边缘服务器上缓冲，边缘服务器也会根据所在服务小区 的点播统计，将小区内的高收视率节目“拉”到本地进行缓冲，这种边缘服务器 提供的缓冲功能，可以节省主干网络的传输负担并降低响应时延。对于直播的 节目通常会以组播( m u l t i c a s t ) 的方式实现，但由于组播协议要求路由器支 持，而骨干网中并不都支持该协议，因而组播通常在服务小区内实现。作为用 户终端设备的机顶盒s t b ( s e tt o pb o x ) 提供了图形用户接口g u i ( g r a p h i c u s e ri n t e r f a c e ) ，用于终端用户与服务器进行交互式的访问。用户通过浏览 e p g 菜单获得服务器上提供的节目目录，通过点击菜单选项定位媒体流的u r l 地址，从而获得服务内容。b s s o s s ( b u s i n e s s 0 p e r a t i o n ss u p p o r ts y s t e m ) 是 运营支撑系统，是从电信网络中继承和借鉴而来的，o s s 系统没有固定的模 式，大多数电信运营商都遵循e t o m ( e n h a n c e dt e i e c o mo p e r a t i o n sm a p ) 模 型。口t v 运营系统中也包括了e t o m 模型中的主要设备：专业网管系