（通信与信息系统专业论文）iptv视频传输质量监测系统的研究与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着i p t v 业务的快速发展，对现在承载网络带宽提出了越来越高的 要求。因网络性能原因造成的视频质量下降，成为了制约i p t v 业务发展 的关键因素之一，如何在网络中快速、方便、客观的评价i p t v 业务的视 频质量，是当前研究者致力解决的一个重要课题。 视频质量测试一直是人们研究的热点问题，除编解码器造成影响外， 网络性能如抖动、时延、丢包等对视频传输质量有着很大影响。i e t f 于 2 0 0 6 年4 月制定的一套视频传输性能指标m d i ( m e d i ad e l i v e r yi n d e x ) ， 本文研究与设计了一套基于m d i 的，能快速、客观的评价l p t v 视频质量 的监测系统。该系统可以实时分析网络中视频抖动和视频失真情况，能够 应用于i p t v 业务的运营维护中 本文在研究i p t v 的业务架构、工作原理及系统接口协议的基础上， 对i p t v 流媒体传输协议r t p l 汀c p 和实时流协议r t s p 进行了详细阐述与 分析。进一步，研究了实现m d i 指标参数的方法，并以m d i 指标参数为 测试标准，设计和实现了一套监测网络中l p t v 业务视频质量的系统。并 在多种测试环境下，如高负载、低负载、点对点方式、点对多点方式进行 了测试，结果显示系统功能达到设计要求。 关键词：i p t v ，m d i 指标，监测系统 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ei p t v t h e r ea r cm o r er e q u i r e m e n t sf o r t h el a d e nn e t w o r k t h ed e c l i n eo ft h em e d i aq u a l i t yw h i c hi sc a u s e db yt h e n e t w o r kp e r f o r m a n c e ，h a sb e c o m et h ek e yf o rt h ed e v e l o p m e n to fi p t v , h o w t oe v a l u a t et h em e d i a sq u a l i t yf a s ta n di m p e r s o n a li nn e t w o r ki st h em o s t i m p o r t a n tt h i n gw h i c hn e e d sr e s e a r c h e r st od o t h em e d i aq u a l i t yt e s t i n gh a sb e e nt h eh o tp r o b l e mf o rr e s e a r c h i n g ，t h e r e a r es om a n yf a c t o r ss u c ha sd i t h e r i n g t i m ed e l a ya n dp a c k e tl o s sb e s i d e s c n c o d e i ，d e c o d c rm a k em u c hi n f l u e n c eo nm e d i ad e l i v e r y q u a l i t y i e t f o r g a n i z a t i o nh a sm a d et h er f c 4 4 4 5 s t a n d a r df o rt h em e d i ad e l i v e r yi n d e xi n a p r i l ，2 0 0 6 t h i sp a p e rw er e s e a r c ha n dd e s i g nam o n i t o rs y s t e mi ni p t v m e d i ap e r f o r m a n c ew h i c hb a s e do rm d i t h i ss y s t e mc a na n a l y s e sa n dt e s t t h em e d i a so f f s e ta n dd i s t o r t i o n ，a l s oc a nb e u s e di n o p e r a t i n g a n d m a i n t a i n i n g t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ei p t vo p e r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h e n g i v e st h ed e t a i l e da n a l y s e sf o rt h er t p r t c pa n dr t s p a l s o ，t h en e w m e t h o d f o rt h em d ih a sb e e np r o p o s e d w ed e s i g nam o n i t o rs y s t e mi ni p t vm e d i a p e r f o r m a n c eb a s e do nm d it e s t i n gs t a n d a r d w e t e s tt h es y s t e mi nv a r i o u s e n v i r o n m e n t ss u c ha sh i g h l o a d ，l o w l o a d ，p o i n t - t o - p o i n t ，t h er e s u l t ss h o wt h e s y s t e mh a sag o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：i p t v m d i ，m o n i t o rs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 监电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：方磊 签字日期：少口7 年r 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆鲣电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重废邮电盔堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名：麓江 签字日期：p 7 年r 月聒日 签字日期：莎叩年f 月7 日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 i p 网络带宽的高速发展，为运营商提供了一个难得的商业机会，各种 应用如网络游戏，在线影视和电子商务等，极大地丰富了人们的生活。融 合了多媒体内容平台、宽带网络平台及数字i p t v 终端平台的全新宽带服 务模式将成为一个极具前景的产业。 1 1 选题背景 i p t v 简称网络电视【1 1 ，其基本原理是利用宽带网的基础设施，以家用 电视机( 或计算机) 作为主要终端设备，集互联网、多媒体和通信等多种 技术于一体，基于i p 协议向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式 数字媒体服务的技术用户在家中可以有两种方式享受i p t v 服务：“计算 机+ 宽带”或者“i p t v 机顶盒+ 电视机”。这种应用有效地将电视、通信和 计算机三个领域结合在一起，充分利用了网络资源，适应当今网络飞速发 展的趋势。i p t v 的优势在于实现了真正的互动，它不但能接收广播信号， 也能实现用户与服务提供商( s p ) 的互动，而且由于使用的是t c p i p 协议， i p t v 还可以非常容易地将互联网浏览，电子邮件收发以及多种在线信息咨 询、娱乐、教育及商务功能结合在一起，利用宽带网络为用户提供交互式 多媒体服务的业务，在未来的竞争中处于优势地位。 随着全球宽带产业链的形成以及d s l 技术的不断扩大，i p t v 技术已 日益成熟，其发展也已进入了一个飞速增长阶段。世界著名市场分析机构 s t r a t e g ya n a l y t i e s 对i p t v 市场总体收入和用户数进行了统计和预测【2 】， 用户数从2 0 0 4 年持续增长，2 0 0 6 年市场大规模启动，预计2 0 0 8 年将达到 2 0 0 0 万户以上，约为2 0 0 4 年用户的1 0 倍。而且业界预测，到2 0 0 8 年， 中国的i p t v 用户总数将到达1 亿。如果按照每用户年人均消费1 0 0 0 元计 算，在未来几年内，中国的i p t v 市场将达到1 0 0 0 亿元，所以，i p t v 在中 国有着非常大的发展潜力。 i p t v 潜在的巨大发展前景，推动着i p t v 业务的迅猛发展。但是i p t v 的大规模推广还需要多个环节的支撑，其中测试和评估i p t v 解决方案是 关键的一个环节。因为在融合的网络环境中提供l p t v 以及其他的流媒体 应用，服务质量和性能尤为重要。要成功实现i p t v 服务，需要严格测试 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 i p t v 网络和服务配置。目前，尽管大多数公司进行了某种形式的测试，但 这种测试常常局限于使用数学公式来计算可用带宽能够支持多少流。为了 取得成功，运营商必须在部署1 p t v 之前，利用真实的场景进行测试，确 保i p t v 基础设施的组成部分及网络可以处理负载。仔细测试整个l p t v 的 基础设施和进行网络性能评估，能够帮助运营商实现更高的i p t v 性能， 节省时间和资源，确保i p t v 的成功部署。 通过各研究机构及各运营商实验网的测试表明i3 1 ，随着i p t v 用户数量 的增加，用于传输i p t v 的网络带宽与用户对业务质量要求的矛盾日渐突 出。直接表现在由于网络性能的原因造成图像质量下降，所以在i p 网络环 境下视频流的传输质量成为影响i p t v 业务开展的关键问题。对于i p t v 的 运营商来讲，在用户对视频质量产生置疑时，如何快捷查找故障点，排除 故障，进而构建一个可方便i p t v 业务管理的监测系统成为未来i p t v 大规 模运营的关键技术问题。目前，i p t v 相关的国际标准仍在定制中，但相关 研究机构制定出一些自己标准，部分厂商根据此标准研发出一些测试产品， 主要有j u s u 公司的i p t v 测试仪，国内上海肯为技术公司的电子眼等，但 不能对视频质量的测试很好的评价。r f c 4 4 4 5 就是根据该需要，在2 0 0 6 年4 月推出的主要用于i f t v 业务视频评定的标准( m d i 指标标准) 。i p t v 视频质量测试成为了研究热点，现在各公司都以m d i 指标作为他们公司相 关产品的评测指标参数。 本文针对i p t v 业务视频质量研究开发了一套视频传输质量监测系统， 以m d i 指标系统作为评测标准，解决了i p t v 网络中视频质量的评测问题。 1 2i p t v 测试的发展现状及趋势 i p t v 是一个复杂系统，如果没有基于开放标准的技术来支撑，无论是 系统扩容还是系统升级，将来都存在一些难以解决的问题。目前美国，欧 洲、中国都在做自己的i p t v 标准，没有统一的国际标准，让i p t v 的发展 受到了一定的影响。为解决这一问题，全球a v 设备和通信设备行业的9 家厂商成立了旨在为i p t v 服务制定相关标准的联盟“o p e ni p t v f o r u m 1 4 1 ，这9 家厂商分别是a t & t 、爱立信、法国电信、松下、飞利浦、 三星、西门子、索尼以及意大利电信。该联盟称其目的是尽快制定i p t v 规格的业界标准以促进服务的普及，对其他标准机构已经提出了的一些不 同i p t v 标准因素进行选择，于2 0 0 7 年9 月前制定出需求标准和架构标准， 2 0 0 7 年1 2 月前制定出协议标准。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 虽然i p t v 标准还处于懵懂状态中，但业界一些知名公司已致力于 i p t v 测试的研究，提出了一些方案和研发出一系列产品。 1 ) 现有主要方案 主要的测试方案有i x i a 公司提出的三重播放测试解决方案【5 】，安捷伦 公司展示的a g i l e n t n 2 x 多业务测试解决方案1 6 】，思博伦公司于提出的i p t v 测试方案 7 1 ，这些方案侧重于研究部署1 p t v 网络时需要的测试项，以及如 何进行单个功能测试和整体性能测试，为i p t v 技术研究机构、网络设备 制造商和运营商在研究开发i p t v 相关设备及部署i p t v 网络时进行参考。 2 ) 现有主要产品 i p t v 的潜在发展前景，使得i p t v 测试产品有着巨大的市场，国内外 公司纷纷推出了一些产品，部分国外公司近期推出产品升级版本中都以 m d i 指标为视频质量测试标准。目前主要的i p t v 测试产品有： i n e o o u e s t 公司推出的的视频流监控产品i n e o q u e s ts i n g u l u sg 1 t ( 硬件平台) ，以及控制s i n g u l u sg 1 t 的软件应用程序c o n t r o l l e r 和 i q m e d i a m o n i t o r 8 1 ，主要进行i p 视频流的捕捉及监控分析，识别话音和视 频流，继而提供话音或视频流的传输质量信息，当监测到某个流出现可疑 情况时，可以调出进行具体分析。 j u s u 公司的i p t v 测试仪1 9 1 ，该公司的h s t 一3 0 0 0i p t v 手持测试 仪器能够验证i p t v 业务连接性、业务有效性与业务质量。主要模拟客户 端给节目源发送数据，然后分析视频流的o o s ，测试出p c r 抖动、时延和 连续错误这三个重要的参数。 国内上海肯为技术公司的电子眼产品用于性能评估。主要是大业务 模拟i p t v 的应用，测试出系统的带宽能力，系统频道切换能力，用户体 验基准，测出现有网络支持的最大用户数，还可以通过模拟病毒等来验证 网络的安全性能。 i x i a 公司于2 0 0 7 年出推出的最新版本的i x c h a r i o t 6 4 01 1 0 l ，通过模 拟实际应用来预测网络结构的性能。通过模拟应用数据流( 包括数据、语 音和视频) 来测试端到端的性能和质量。测试内容包括吞吐量、延迟、抖 动、m o s 和m d i 等。 从上面的方案和产品可以看出，i p t v 测试包括许多方面，但视频质量 评定是i p t v 系统提供商和运营商最关心的指标之一，一直会是i p t v 测试 重点。 3 1 视频质量评定指标 因为编码本身和视频码流在网络传输的多样性及标准的不规范性，视 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 频质量的评定一直是一个难点。目前评定视频质量主要有m d i 、v - f a c t o r 、 和v q s 等指标。 m d i 指标 m d i 指标1 1 1 】【1 2 】【1 3 l 是目前对视频流测试和测量的最好指标，适用于通 过网络传输的任何一种媒体流。描述m d i 指标的r f c 4 4 4 5 文档，是在2 0 0 6 年4 月推出，主要用于i p t v 网络中视频质量评定的标准。m d i 有两部分 组成，d f ( d e l a yf a c t o r ) 延迟参数和m l r ( m e d i al o s sr a t e ) 媒体丢失 率。d f 反映的是与媒体流相关的抖动变化情况，同时也能反映媒体流在发 生时序失真的情况下，需要多大的缓冲区或时间来消除抖动或时序失真所 引起的负面影响，如过载、丢包、画面停顿等。m l r 的结果实际上是每秒 丢失的媒体流字节数的数量。m d i 用于精确测量和监测影响视频传输质量 的网络抖动和延迟；可以准确的反映媒体流的质量，提供比主观观测更加 精确的测量结果。 v - f a c t o r 指标 。 v f a c t o r 指标1 1 4 】是根据m p q m ( m o t i o np i c t u r eq u a l i t ym e t r i c s ) 来做视 频质量评定：包括两个部分，对于视频流的语音部分，使用和语音评定同 样的方法一m o d r f a c t o r 。对于数据流的分析，遵守的标准是e t s i t r l l 0 1 2 9 0 v - f a c t o r 的评定划分为o 一1 2 0 的分数，其评估的参数包括媒体 丢失率，媒体包丢失的分布情况等另外，v - f a c t o r 的评估要考虑编码的 类型。 v q s 指标 v q s ( v i d e oq u a l i t ys c o r e ) i t 5 l 是一种主观评定指标，和对语音评估的 m o s t l 6 1 指标有些类似，v q s 将图像质量划分为1 5 的等级来评定图像质量 的好坏。 比较三种指标，m d i 指标不关心上层编码类型，从网络层来评估媒体 流的时延和丢包，而且可提供比主观观测更加精确的测量结果，现已逐步 成为主要评价标准，为大多数厂商所接受并作为衡量他们公司相关产品性 能的测试指标。 综上所述，面对i p t v 的迅猛发展，在i p 网络环境中提供i p t v 流媒体 应用，服务质量和性能测试尤为重要。成功现实i p t v 网络部署，就必须在 i p t v 服务开通前，进行严格测试。国内外都已致力于i p t v 测试的研究， 业界的知名公司提出了一些解决方案和研发出一些产品。虽然这些方案和 产品对于i p t v 设备或者系统的测试提供了一些工具和方法，但是对于视频 质量的有效、快速的评估仍缺乏相应的工具，而i p t v 视频质量又是影响 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 i p t v 业务推广的关键因素，所以需要加快i p t v 视频质量测试的相关研究 步伐。本文针对i p t v 业务视频质量，设计和实现了一套监测视频系统，能 快速、客观的评价i p t v 业务视频质量。 1 3 主要研究工作及贡献 本文的主要研究工作有： 文献调研和产品调研：通过阅读各类文献资料，协议标准和各大公 司的产品资料，确定了进行视频质量测试系统的研究意义，并在理论上和 实践上确定了其可行性。 分析视频质量评测指标：通过分析比较现有视频质量评测指标，确 定监测系统采用的评测指标媒体流传输指标m d i ，分析具体实现m d i 指标 的测试方法。 系统设计和实现：系统设计和实现包括了监测系统总体结构和各个 单元模块设计和实现。 系统测试：为了检验本监测系统的准确性和可靠性，以及为了分析 不同负载网络中视频质量变化情况，对系统进行了测试。总结出在各种环 境下的m d i 指标经验推荐值，为以后进一步研究与产品的实现提供参考值， 加速标准到产品化的进程。 m d i 指标推出不久，如何实现基于m d i 指标的i p t v 视频质量测试成 为研究热点。本文的主要贡献在于： 深入研究了r f c 4 4 4 5 描述的m d i 指标值，提出了监测m d i 参数的 实现方法。 设计和实现了一种以m d i 指标参数为测试标准，能有效、快速、客 观评价i p t v 业务视频质量的监测系统，适用于评估网络的视频传输质量。 1 4 论文的主要内容及结构安排 1 4 1 论文的主要内容 论文主要研究i p t v 业务质量监测应用，并针对用户如何衡量视频质 量而研究和设计了一套i p t v 视频质量监测系统。论文的主要内容包括如 下几个方面： 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 ) i p t v 系统构建介绍 论述i p t v 的系统架构，并介绍i p t v 的业务及其工作原理。 2 ) 协议分析 介绍i p t v 的流媒体传输技术，论述r t p r t c p 协议和实时流协议r t s p 协议。 3 ) i p t v 视频质量监测系统的方案设计 设计了一种监测i p t v 视频质量的实现方案。系统参考r f c 4 4 4 5 规范 中定义和描述的m d i 指标体系，并根据m d i 指标中d f 及m d l 参数的具 体数值来衡量i p t v 的视频质量。 4 1 系统开发实现 根据设计的模型，按照软件工程的方法实现该监测系统的开发。 5 1 系统测试 在各种不同的网络环境下，运行该监测系统，获得m d i 指标参数值， 并对测试所得的参数值及视频质量关系进行分析。 1 4 2 结构安排 第一章：绪论。本章阐述了i p t v 的背景、特点、i p t v 测试的研究现 状、课题的研究意义，对相关的研究工作进行了综述，并介绍了本文研究 的具体内容。 第二章：i p t v 核心技术。本章详细介绍了i p t v 系统构成及业务功能、 工作原理，并对i p t v 的流媒体传输技术进行深入研究。介绍了流媒体编 解码技术，重点分析了流媒体的传输相关协议r t p r t c p 协议和l h s p 协 议。 第三章：i p t v 视频传输质量监测系统的设计与实现。本章介绍了影响 视频流的传输质量的原因，并对指标m d i 进行了深入讨论。分析了m d i 指标参数的获得方法，对针对上述方法介绍该监测系统设计思路。 第四章：测试过程及结果分析。本章介绍了该监测系统在不同的网络 环境下的测试，并对测试结果和对应的视频质量进行分析。 第五章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章i p t v 核心技术 第二章i p t v 核心技术 2 1i p t v 系统构成及工作原理 当前，i p t v 依然没有一个非常明确的定义，但无论如何，它的表现形 式一定是一种基于i p 网络的流媒体服务。所以i p t v 系统的中心任务是如 何为用户提供高质量的流媒体服务。 2 1 1i p t v 系统架构 至今，i p t v 系统架构的国际标准仍在研究和制定中，主要的i p t v 系 统架构有两种类型，一种是按照从源端到终端的业务传送流程来划分1 1 ”， 以华为公司为代表，如图2 1 所示，华为i p t v 业务系统是一套开放的多媒 体业务平台，包含内容系统( 内容制作和内容分发) 、业务系统( 用户管理、 终端管理、网络管理) 、宽带网络( 路由器、交换机、b a s 和d s l a m ) 和 家庭网络四个组成部分，通过l p 网络传送广播电视、点播电视和互动娱乐 服务。 1 、业务支撑层：该层为i p t v 平台提供运营支撑和业务支撑，是i p t v 平台体系中的运营管理层。主要针对i p t v 业务所涉及的各功能元素进行 管理，功能元素包括：用户，c p ( 内容提供商) 、内容源、接入设备 ( b a s d s l a m l a n s w i t c h ) 、终端设备( 机顶盒) 等，通过对这些元素的统 一配置、全局化的调度和维护，实现i p t v 业务流程的贯通。 2 1 内容系统：该层主要为i p t v 平台提供业务内容和增值业务服务。负 责各类内容源的引入、内容视频流的转码( 包括解码和编码) 、内容的管理 和内容发布，并将内容流送入城域网或接入网，还有电子节日指南e p g 系 统。 3 ) 宽带承载网：该层主要为i p t v 平台提供网络承载。包括：国干网、 省干网、城域网和a d s l l a n w l a n 宽带接入等。 4 1 家庭网络：由于存在m o d e m 、p c 、s t b 等多种设备，这些设备内 部互联形成一个家庭局域网。用户收看t v 节目时，s t b 会加入相应的组 播组，网络通过x d s l 线路将对应的组播流( 视频) 传送到s t b ，s t b 实 现解码功能，输出视频信号送到电视机上显示。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章i p t v 核心技术 二亟巫二 国固 孵罅载 二二二二蔓巫e 二二 i a d s l 播入 li l a n 撂a l l w l a n j 啻入 i 。= ；。；i ；“o 用户终端 二 二巫至二 图2 1i p t v 的业务系统( 华为公司) 另外一种是以流服务子系统为核心，其他子系统围绕支持该子系统来 划分1 1 8 l ，如图2 2 所示。一般认为，i p t v 系统在逻辑上可以划分成五个部 分：流服务子系统、媒体处理予系统、媒体管理子系统、电子节目单子系 统、运营支撑子系统。 1 ) 流服务子系统：该子系统是为用户直接提供流服务的子系统，是系 统的核- t l , 。i p t v 系统最终通过流服务子系统来提供服务。终端总是和流服 务子系统进行流媒体的交互，其他的子系统都是直接或间接为流服务子系 统提供服务的。 2 ) 媒体处理子系统：该子系统的主要任务是将原始的节目源转化成符 合规定编码格式的流媒体节目源。 3 ) 媒体管理子系统：该子系统的主要任务是对媒体资源进行管理，包 括媒体的内容管理，计划的编排，e p g 信息的采集与生成，报表信息的采 集与生成。 。 4 ) 电子节目单子系统：该子系统的主要任务是为用户提供业务的入口 服务，是直接呈现给用户的界面，是供用户选择的系统服务索引，它同时 要协助完成用户的接入请求。 5 ) 运营支撑子系统：该子系统的目的是打造一个可运营的电信级系统 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章i p r i v 核心技术 的关键，是为运营商的运营管理服务的系统，包括用户管理、计费管理、 定价策略管理、网络设备管理等和运营相关的一些管理工作。 4 运营支撑子系 统包括用户管 理、计费和定价 策略管理及网络 设备管理 1 媒体处理子系统把原 始节目源转换成符合规 定编码格式的流撵体节 目源 5 流媒体子系统 为用户提供寅接的流媒体 服务和增值业务 3 电子节目单服务子系 统为用户提供业务的入 口服务，完成用户的业 务请求 2 媒体管理子系统包 括媒体内容管理，计 划安捧e p g 信息采 集与生产和报表信息 采集和生成 图2 2i p t v 业务逻辑图 总之，i p t v 系统可以归纳为内容制作部分，运营部分( 网点链接服务 器、i p t v 接入门户、i p t v 节目管理、l p t v 计费系统) ，用户终端部分。 2 1 2i p t v 系统接口协议 i p t v 系统的接口协议【1 9 】如图2 3 所示分为两大类，一类是媒体数据相 关协议，一类是控制数据相关协议。对于媒体数据主要涉及编码协议和传 输协议，系统支持m p e gi m p e gi i m p 3 h 2 6 3 多种媒体格式，媒体流数据 可以通过t c p ( 传输控制协议) 、u d p ( 用户数据包协议) 和r t p r t c p ( 实 时传输协议实时流协议) 打包三种方式传输；控制数据相关协议主要涉及 接口协议，其中调度和管理接口通过c o r b a i i o p ( 公共对象请求代理结 构对象请求代理协议) 协议实现，用户v c r 操作接口协议为r t s p 协议， 媒体服务器问媒体流推送通过t c p 传输，媒体节目的发布则通过h t t p 协 议展现。 图2 3i p t v 系统接口协议 9 重庆邮电大学硕士论文第二章i 町v 核心技术 2 1 3l p t v 业务功能及工作原理 i p t v 系统的业务是非常丰富的，它已经不仅仅是宽带的增值业务那么 简单，而是为运营商和用户之间搭建了一个平台，利用这个平台，可以实 现更多的业务。下面是i p t v 业务的整体网络流程【20 1 。如图2 4 所示： 节目制作 内容管理 节目打包加 密版权管理 骧 + 用户认证 流媒体 服务 堡厂 石是否高 嗡 鬲赢荐磊卜叫运营商l 图2 4i p t v 整体业务流程 下面重点介绍i p t v 的二种基本业务视频点播业务和直播电视业 务的功能及原理。 1 、视频点播( v o d ) 业务原理 i p t v 的视频点播( v o d ) 也称为交互式点播，即根据用户的需要播放 相应的视频节日，从根本上改变了过去被动式的收视方式，它能够让用户 在任何时间任何地点观看系统可提供的任何内容。在内容制作端，将收集 的内容素材，比如各种音乐，各种娱乐节目，各种影视节目等进行转码处 理，然后上传到点播管理单元和流媒体服务器进行保存，以备用户点播。 由点播管理单元负责制作相关点播内容提要信息添加到系统e p g 中，以便 用户点播观看。v o d 基本实现原理图如图2 5 所示： 重庆邮电大学硕士论文第二章i f r v 核心技术 囝 机项盒， 电视 家庭网络 图2 5v o d 基本实现原理图 2 1 直播电视( b t v ) 业务原理 直播电视( l i v e t v ) 是指类似无线电视、有线电视及卫星电视所提的 传统电视服务，是宽带服务提供商提供给宽带用户的广播电视增值业务的 一种方式。直播电视通过组播方式实现直播功能。在内容制作的部分，对 各种直播信号，比如卫星电视，有线数字电视，无线广播电视的信号进行 转码处理，并将码流推送到直播管理单元和流媒体服务器，最后用组播的 方式推送到用户终端。由直播管理单元制作相关频道信息添加到系统e p g 中，用户可以浏览选定。直播电视实现原理图如图2 6 所示： 节目源 t 编解码器 j r l 内容引擎 j 2 宽带网络 j r 3 l 终端( p c 或机顶 盒+ 电视) 图2 6 直播电视实现原理图 1 l 陀 重庆邮电大学硕士论文第二章i 丌v 核心技术 2 2 流媒体相关技术 流媒体技术是i p t v 的技术基础，i p t v 技术的推广应用随着流媒体技 术的进步而发展。本节将对流媒体编码技术和流媒体传输技术进行详细介 绍。 2 2 1 流媒体编解码技术 视音频压缩编码技术1 2 1 l 是多媒体计算机、多媒体数据库、多媒体通信、 数字电视和交互式系统中的关键技术，它也是流媒体技术的核心之一，它 是将原来不适合当今网络传输的大体积文件转化成可以适合网络传输的小 体积文件的关键，通常称之为压缩编码技术。文件传输到用户端，将编码 后的数据流恢复成原来的视音频信号，就是所谓的解码过程。编解码的方 案是多种多样的，流媒体技术的核心价值在于能尽可能降低文件大小且保 证视音频的质量。 流媒体的本质是媒体，流是媒体传递过程中的一种表现形式。媒体的 编码本质就是视音频的编码，然后将两者同步传送，形成媒体流。如前面 所说，流媒体编码方法在于降低文件大小，使之能够减少带宽压力，即除 了要做到和传统编码相同的功能外，压缩是流媒体编码的重点考虑因素。 目前得到市场认可的压缩编码技术主要由i s o 的移动图像专家组( m p e g ) 开发的m p e g 系列标准【2 孙、微软的w m v 标准【2 3 1 ，以及i t u t 和i s o 两 个国际标准化组织的有关视频编码的专家联合组成的j v t ( j o i n tv i d e o t e a m ，视频联合工作组) 开发的h 2 6 4 标准【2 。 1 ) m e p g 系列标准 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t g r o u p ) 即：活动图像专家小组。它是国际 化标准组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 联合技术委员会1 ( j t c l ) 的2 9 分会( $ 2 9 ) 的第1 1 工作组( w g l l ) ，工作组的全称是：w g l l o fs c 2 9 o fi s o i e cj t c l 。该小组成立于1 9 8 8 年，经过十几年卓有成效工作，为 多媒体计算机系统、运动图像压缩编码标准的指定和实用化做出了巨大贡 献。 组织成立的最初任务是实现：1 5 m b i t s 、l o m b i t s 、4 0 m b i t s 压缩标准， 即m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 3 ，但由于m p e g 2 的功能已使m p e g 3 成 为多余而被取消。 重庆邮电大学硕士论文 第二章i f r v 核心技术 m p e g 图像编码包含三个成分：i 帧、p 帧和b 帧。在m p e g 编码过程 中，些图像压缩成i 帧，一些压缩成p 帧，另一些压缩成b 帧。i 帧压 缩可以得到6 ：1 的压缩比而不产生任何可觉察的模糊现象。i 帧压缩的同 时使用p 帧压缩，可以达到更高的压缩比而无可觉察的模糊现象b 帧压 缩可以达到2 0 0 ：1 的压缩比，其文件尺寸一般为i 帧压缩尺寸的1 5 ，不 到p 帧压缩尺寸的一半。l 帧压缩去掉图像的空间冗余度，p 帧和b 帧去掉 时间冗余度。 1 9 9 0 年m p e g 组织提出并建立了第一个m p e g 标准草案，1 9 9 1 年底 提出了i s 0 i e c l l l 7 2 号建议，即用于数字存储媒介上的码率为1 5 m b p s 的 运动图像及伴音的压缩编码方案，并于1 9 9 2 年正式通过，命名为：m p e g 1 标准。 1 9 9 3 年1 1 月在汉城会议上，又正式通过了i s o i e c l 3 8 1 8 号建议，定 为m p e g - 2 标准。目前，m p e g 1 、m p e g 2 都已经成为正式的国际标准， 支持m p e g 标准的软硬件产品纷纷问世，市场竞争异常激烈。 1 9 9 8 年m p e g 组织又推出m p e g 4 标准，该标准具有基于内容交互性 的特点，提供高压缩率和灵活多样的存取模式，为流媒体研究和应用开辟 了更加广阔的空问。 1 9 9 8 年提出的m p e g 一7 与2 0 0 0 年提出的m p e g 2 1 也成为了m p e g 家族中的新成员。 2 ) w m v 标准 w m v ( w i n d o w sm e d i av i d e o ) 是微软为了和现在的r e a ln e t w o r k s 的 r e a l v i d e o 竞争而发展出来的一种可以直接在网上观看视频节目的文件压 缩格式。w m v 是一种数据格式，音频、视频、图像以及控制命令脚本等 多媒体信息通过这种格式以网络数据包的形式传输，实现流式多媒体内容 发布。它的压缩率和图像的质量都很不错，在同等视频质量下，体积非常 小，适合网络传输。 3 ) h 2 6 4 标准 i t u t 和i s o 两个国际标准化组织的j v t 开发出新的视频压缩编码标 准称为h 2 6 4 。h 2 6 4 标准压缩系统由视频编码层( v i d e oc o d i n gl a y e r v c l ) 和网络提取层( n e t w o r k a b s t r a c t i o n l a y e r ，n a l ) 两部分组成。v c l 中包括v c l 编码器与v c l 解码器，主要功能是视频数据压缩编码和解码， 它包括运动补偿、变换编码和熵编码等压缩单元。n a l 则用于为v c l 提 供一个与网络无关的统一接口，它负责对视频数据进行封装打包后使其在 网络中传送，它采用统一的数据格式，包括单个字节的包头信息、多个字 重庆邮电大学硕士论文第二章i p l v 核心技术 节的视频数据、组帧、逻辑信道信令、定时信息及序列结束信号等。包头 中包含存储标志和类型标志，存储标志用于指示当前数据不属于被参考的 帧；类型标志用于指示图像数据的类型。v c l 可以传输按当前的网络情况 调整的编码参数。h 2 6 4 的主要特点是引入了新的编码方式，提高了编码 效率，更贴近实际应用。 2 2 2 流媒体传输相关协议 完成流媒体的压缩编码以后，流媒体如何在网络上有效传输成了另一 个需要考虑的重要问题。网络的环境是复杂的，因特网一直都是以“尽力而 为”为目的，在网络拥挤的情况下，没有办法保证流媒体文件的及时有效传 输。虽然数据缓冲技术可以缓解数据实时传输的压力，但是单纯依靠数据 缓冲技术依然无法满足顺畅欣赏网络媒体的要求，而且会造成延时，出现 缓冲区溢出而产生数据包丢失。确保流媒体文件高效快速传输的技术，成 为迫切的需求，r t p r t c p 协议【2 5 l 【2 6 1 ，r t s p 协议【2 7 】都是为在因特网中保 证流媒体高效、实时传输的技术体制。 1 ) r t p r t c p 协议 r t p 协议是一种传输协议，主要针对因特网上的多媒体数据流，它不 涉及质量保证等实时服务，r t c p 协议扩充数据传输以允许监控数据传送， 提供最小的控制和识别功能。因此，r t p 和r t c p 协议一起提供浏览控制 和拥塞控制服务。 r t p 协议工作模式是一对一或一对多的传输，其目的是提供时间信息， 实现流同步。当应用程序开始一个r t p 会话时，将使用两个端口；一个给 r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送 机制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。在r t p 会话期间，各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含有已发送的数据 包的数量和丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用这些 信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。通常，r t p 算法并不 作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分，它与 r t c p 一起设计成独立传输和网络层配合使用，能以有效的反馈和最小的开 销使传输效率最佳化，因而，特别适合传送网上的实时数据。 a r t p 数据传输协议 实时传输协议r t p ( r f c 3 5 5 0 ) 提供了实时信息的端对端传输业务，如交 互的语音和图像；这些业务包括负载类型识别，序列编号，加入时问标志，传 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章u 町v 核心技术 输监视。r t p 通常使用u d p 来传送数据，但也可以在t c p 或a t m 等其他 协议之上工作。r t p 包包含一个载荷( 有效数据可以是音频或视频数据) 、 一个r t p 报头，以及一个i p 报头。r t p 包头有以下格式，如图2 7 所示： v = 2pxc cmp t顺序号 时间戳 同步资源标识符 提供源标识符 图2 7r t p 分组头格式 前1 2 个字节出现在每个r t p 包中，仅仅在被混合器插入时，才出现 提供源表示符c s r c 识别符列表。这些域有以下意义： 版本域( v ) ：2 比特。此域定义了r t p 的版本。此协议定义的版本是2 。 ( 值1 被r t p 草案版本使用，值0 用在最初“v a t ”语音工具使用的协议中。) 填充域( p ) ：1 比特。若填充比特被设置，此包包含一到多个附加在末 端的填充比特，但不是负载的一部分，只是用来填充字节长度的。这些比 特的设置表示采用一些加密算法，这些算法要求加密数据块必须有固定长 度，或者表示采用低层协议数据单元来传输几个r t p 分组。 扩展域( x ) ：1 比特，也是作为标记位。若设置扩展比特，指示固定头 后面跟随扩展部分。 提供源资源标识计数域( c c ) ：4 比特，该域用来表示c s r c 标识的数 目，c s r c 计数包含了跟在固定头部后面c s r c 识别符的数目，“提供源资 源”这一术语主要表示r t p 分组的数据流来源，因为这些分组通过r t p 混 合器将其组合为一个数据流。 标记域( m ) ：1 比特。标记的解释由具体协议规定。它用来允许在比特 流中标记重要的事件，如帧范围。规定该标志在静音后的第一个语音包时 置位。 有效负荷类型域( p t ) ：7 比特。此域定义了负载的格式，由具体应用决 定其解释。协议可以规定负载类型码和负载格式之间一个默认的匹配，其 他的负载类型码可以通过非r t p 方法动态定义r t p 发射机在任意给定时 间发出一个单独的r t p 负载类型。 顺序号域：1 6 比特。顺序号域给接收方提供了探测分组丢失率的机制。 然而，如何补偿丢失的分组则是应用软件的事。 时间戳：3 2 比特。时间戳域记录了r t p 数据分组中第1 个8 b i t 比特组 串的采样时刻，接收方能根据该域来确定分组的到达是否受到了延迟抖动 的影响。然而至于如何来补偿延时抖动则是要在应用程序中来完成。通过 重庆邮电大学硕士论文 第二章i p l v 核心技术 使用统一的时间戳域，开发者可以采用随意的空间来接收分组，并在语音 重构之前将它们缓冲起来。然后每个分组根据时间戳域的值大小从缓冲区 中移出、提供统一的语音重构方法，从而来减少损害语音质量的延迟抖动。 同步资源标识域：3 2 比特。在实际应用时，有一种算法用来产生随机 的标识符，可以使得在同一r t p 会话中的两个同步资源有相同的标识符。 b r t c p 控制协议 r t c p 控制协议与r t p 数据协议配合使用。r t c p 协议将控制包周期发 送给所有连接者，应用与数据包相同的分布机制。应用程序接收r t c p 控 制分组，从中获得会话参加者的有关信息如网络状况、分组丢失数等反馈 信息，可以用于服务质量控制和网络状况诊断。 r t c p 协议的功能是通过不同的r t c p 控制分组实现的。r t c p 协议规 范定义了五种不同类型的r t c p 控制分组( 其分组类型划分是通过报头中 p t 域区分) ： s r (