IPTV总体建设方案规划

IPTV 总体建设方案规划 【摘要】本文将 IPTV 的业务分为基础业务和增殖业务，对 IPTV 系统的总体方案进行了介绍，并针对性的 IPTV 建设中的几项关键技术进行了探讨。 H.264 编码格式应该作为 IPTV 系统建设的当前首选； IPTV 规模发展以后，用户的认证方式应该选择 DHCP+方式； CDN 子系统的内容分发和负载均衡策略直接影响用户的体验。 【关键词】 IPTV 方案 编码 CDN 认证 作为一项新的 应用系统 和 业务 ， 当前 IPTV 正是电信行业和广电行业关注的热点 ，其包含了传统电视和互联网的相关特性，是传统电视业 务和电信宽带互联网新兴业务的结合体。 目前 固网运营商 业务增长比较乏力， 通过 IPTV 业务挖掘数据业务在宽带上的优势不失为一种有效手段。 一、 IPTV 主要 业务 IPTV 业务不仅包括直播电视、视频点播和时移电视等 基础 业务 ，而且 包括多项增值业务。 1. 直播电视 IPTV 直播电视除具备 与传统电视相同 的频道播放、 频道 快速 切换 等功能以外，还具备其他的一些特色功能 。 如： 频道记忆 ： 开机时播放上次退出的频道或缺省频道。 频道导视 ： 支持三日的节目时间表的查询。节目表包括：节目名称、开始时间、节目时长、节目简介。 频道加锁 ： 家长可对敏感 频道进行加减锁，加锁频道必须输入密码才能选择播放； 频道收藏 ： 用户可把自己喜欢的频道置入收藏夹，通过收藏夹快速选择播放。 2. 视频点播 视频点播使用户能够随心所欲地支配自己的时间，欣赏自己想看的节目内容， 而 不需要出门买或租 DVD，或是按照电视节目单来固定自己的时间。通过各种分类和检索方法，用户 可以 在最短时间里找到自己想看的节目内容。系统还支持通过导演、电影演员等检索方式，使用户使用更方便、更快捷。 3. 时移电视 时移电视包括即时时移和菜单时移。 即时时移 提供直播电视的同时，支持暂停、快退、快进、定位、切换、状态显 示、时间显示等操作。使用户不再受节目播出时间的限制，而且可以直接挑选自己喜欢观看的节目，跳过不感兴趣的节目。 菜单时移 通过时移电视（ Time-shiftedTV）服务，打破了传统有线电视用户按固定的节目时刻表收看电视节目的方式，用户可以非常灵活地支配自己的时间。 菜单 时移电视（ Time-shiftedTV）是通过点播的方式来实现，但从用户的消费习惯角度看，与 VOD 有着不同。下图就是在 TV 终端上看到的时移电视的使用界面。 4. 虚拟频道 将一系列媒体内容按照一定规范或者分类组织起来，顺序播放。体现给用户的是一 个和普通频道没有任何区别的虚拟频道。用户可以象其他频道一样，定购虚拟频道。虚拟频道极大的方便了内容提供商进行内容的组织，然后呈现给用户。是实现节目定制，远程教育等功能很好的解决方案。 5. 增值业务 （ 1） 卡拉 OK 用户 可以 通过机顶盒及附加的功放、麦克风，进行卡拉 OK 娱乐。机顶盒支持左、右声道输出，从而支持原唱、伴唱。遥控器通过左、右声道的切换，从而实现原唱、伴唱的切换。 （ 2） 游戏 支持游戏服务导航，用户通过 IPTV 终端购买游戏服务并使用游戏。能与互联网棋牌类游戏（例如腾讯、中国游戏中心等）联网互通，需 第三方厂家提供接口；系统具备扩展升级支持能力，后期会支持更多的游戏业务。 （ 3） 信息浏览 信息服务以遥控器作为主要输入设备，通过机顶盒对信息进行浏览查询；信息内容可有文字、音视频等多种方式；机顶盒支持通用浏览器，支持 html 格式；信息的传递实现及时、稳定和安全。信息服务类业务可包括城市信息化、自助营业厅、个性化页面、电子商务、远程医疗保健、远程教育等。 （ 4） 互动消息业务 系统可以从后台发出消息显示在画面上，最终用户通过遥控器对该消息进行响应，响 应结果发回后台。这可以用于投票等增值业务。 二、 IPTV 系统总体架构 IPTV 系统 通过 IP 网络传送广播级视频质量的视频和互动娱乐服务，为 用户提供端到端数据、语音、多媒体（ Triple-play）业务。 其 端到端的业务解决方案如下图。包括内容制作、内容存储 /加密、内容分发、内容播放、终端显示的各个方面。系统 整体应该是 一个开放的系统，可提供基于中间件形式的系统整合能力， 可以 集成第 三 方的产品，诸如 DRM 系统、 STB、内容 Encoder 等等。 系统采用分布式 体系架构部署，整体分为内容服务平台、存储分发平台、运营支撑平台、网络分发平台、终端服务平台五大部分。其主要平台分类如下图所示： 1. 内容服务平台 主要完成头端电视节目的引入、编码、播控、管理和播出。主要构建由卫星接收机 /DVB 信号接收机、信号冗余交叉矩阵、设备管理平台、播控平台、内容编码设备和操作维护终端组成。 2. 运营支撑平台 运营支撑平台是系统的核心组件之一。其主要负责 IPTV系统的业务管理（产品及业务定义、计费、统计等）、用户管理（开销户、认证、查询等）、用户自我服务、设备管理（系统部件的操作、维护、日 志等）、媒体内容管理（节目信息、EPG 等媒体内容的引入、查询、分发和调度等）、 DRM 系统、数据库存储系统、第三方业务平台对接等功能。 3. 存储分发平台 存储分发平台是系统的另一核心组件。其主要负责 IPTV 系统的媒体内容的分发合存储。其中包含了不同网络层次的存储策略、未命中分发策略、媒体分发技术、媒体位置索引数据库 MLR、媒体服务器控制 、流媒体服务 等。 4. 网络承载平台 IPTV 系统对于宽带 IP 网络的容忍度 应该比较高 ，可以支持各种网络承载形式，也可支持各种接入方式。如 LAN 接入、 DSLAM 接入、 GEPON 接入。对于IPTV 系统，可建设专网， CMS 和 HMS、 EMS 直接相连，也可以旁挂在城域网上。另外，无论 PPPoE 还是 DHCP 上网方式都可以支持。 5. 终端服务平台 可提供丰富的、高中低不同档次、不同业务的 STB，并可集成第三方 STB。 三、 IPTV 系统 部分关键 技术 简析 IPTV 系统建设涉及的技术较多，笔者在此对自认为比较关键的技术进行简单的描述。 1. 编码格式选择 编码和解码技术是多媒体通信中使用的基本技术之一。多 媒体通信的一个显著特点就是要传输的信息量非常大，尤其是视频数据 ，因此视频编码技术在 IPTV中的地位非常重要。 视频编码标 准主要由国际标准化组织 ISO 和国际电信联盟 ITU- T 开发， ISO发布的 MPEG 标准主要有 MPEG-1、 MPEG-2、 MPEG-4 等 ， ITU-T 发布的视频编码标准有 H.261、 H.262、 H.263、 H.264 系列等。 AVS 为 我国第一个具有自主知识产权、达到国际先进水平的数字音视频编解码标准 ，目前阶段还不是非常成熟。 目前 IPTV 使用的编码技术主要有 MPEG4 和 H.264 两种， MPEG4 标准优势在于产业链成熟，成本较低； H.2 64 是 ITU-T 和 ISO MPEG 共同开发的视频处理 标准 。该标准于 2003 年 3 月 正式获得批准。 H.264 的优势在于 ： 码率低。和 MPG-4 等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用 H264 技术压缩后的数据量只有 MPEG-2 的 1/21/3； 图像质量高。 H.264 能提供连续，流畅的高质量图像 ； 容错能力强。 H264 提供了解决在不稳定网络环境下容易发生丢包错误等必要的工具 ； 网络适应性强。 H.264 提供了网络适应层，是其文件能够容易在不同网络上输 。 MPEG4 与 H.264 对比表 MPEG4 H.264 备注 DVD 质量传输占用带宽 约 1.8M 约 1.2M 相同图像码率占用比 率 100% 61% 以 MPEG-4 格式为参照 H.264 编码标准为当前技术发展方向，对网络带宽要求比较低 ，所以 在建设IPTV 系统时 建议选用 H.264 编码格式 。 2. 内容分发与负载均衡 IPT V系统对于用户的服务质量有很高的要求，画面质量至少要达到 DVD的水平，而且要保证播放的流畅。在 LAN的环境下要实现高质量的视频享受较容易做到，但是在广域网内，从用户的客户端到流媒体服务器之间经过了一个很复杂的路由以后，就很难保证播放的流畅了。为了克服网络复杂路线带来的制约，在IPTV中必须通过边缘节点来实现最终用户的点 播服务，所以要把内容从中心节点有效地分发到边缘节点。实现这个功能的网络体系，称为内容分发网络(ContentDeliveryNetwork， CDN)。 内容分发技术的核心思想是将内容从中心推倒靠近用户的边缘。使用户可以就近取得所需的内容，这样不但有效提高了用户访问内容的性能，而且有效减轻了中心设备和骨干网络的压力。通过内容分发网络，可以将内容分发从原来的单一中心结构变为分布式的结构，提高用户访问网站的响应速度。因而，内容分发网络可以提高网络中信息流动的效率，从技术上全面解决由于网络带宽小、用户访问量大、网点 分布不均等问题，提高用户访问的响应速度。其理想结果为： 边缘节点存储中心系统片库 20%的热片，其用户的边缘命中率达到 80。 内容分发技术的关键包含以下几个方面 ： 内容发布 ： 它借助于建立索引、缓存、流分裂、组播等技 术， 将 内 容 发 布 或投递到距离用户最近的远程服务点 (POP) 处 ； 内容路由 ： 它是整体性的网络负载均衡技术，通过内容路由器中的重定 向 (D NS ) 机制，在多个远程 POP上均衡用户的请求，以使用户请求得 到 最 近 内 容 源 的响应 ； 内容交换 ： 它根据内容的可用性、服务器的可用性以及 用户的背景，在 P OP 的 缓 存 服务器上，利用应用层交换、流分裂、重定向等技术，智能地平衡负载流量 ； 性能管理 ： 它通过内部和外部监控系统，获取网络部件的状况信息，测量内容发布的端到端性能 (如包丢失、延时、平均带宽、启动时间、帧速 率 等 ) ， 保证网络处于最佳的运行状态。 内容分发管理设计 IPTV系统采用中心存储和边缘存储的分布式存储结构。 IPTV平台同时支持多种内容分发方式和分发策略，实现内容在内容网络中的智能分布。为了保证对内容分布的集中管理，平台主要采用 PUSH方式（通过内容管理系统主动把 用户经常访问的内容推送到边缘服务器上），其中包含手动分发、定时分发、按区域分发、按策略分发多种内容分发方式。 （ 1） 手动立即分发 手动分发是最基本的内容发布形式，在 CA管理员发布新内容时采用，由 CA操作员发布内容时，指定内容要分发的范围（如是否要分发到边缘设备流媒体服务器，分发到哪些逻辑组群），操作员提交发布命令后，系统就立即从内容服务器取得内容并分发到网络中去。 （ 2） 自动定时分发 自动分发包括定时自动分发和周期性刷新两种方式。定时分发用于内容管理选择在 网络空闲的时间发布内容，与立即分发不同的是，系统不是将内容立即分发到边缘设备，而是在指定的时间才启动分发。在内容分发到边缘服务器的要求不是很急的情况下，建议使用自动定时分发的方式分发内容。 周期性的刷新由操作员指定刷新频率，用于对新闻内容的更新。在刷新时间到后，要重新到指定的内容服务器取内容，并分发到边缘服务器，使边缘节点上的内容得以定时更新。 自动定时分发功能可以使大量内容的分发安排在网络比较空闲的时刻，有效避免了网络的拥塞；另外，周期定时刷新内容的技术是开展新闻类业务的基本保证。 （ 3） 指定区域分发 指定区域分发的目的在于根据不同地区用户的不同爱好提供不同内容的分发策略。这种分发策略可以实现不同的边缘节点可以分发不同的内容。指定区域分发是通过划分逻辑群组实现的。 流媒体运营平台可以按地域分配边缘节点逻辑组群，系统可以在发布内容时通过选择分发的逻辑组群向指定的区域分发内容。 （ 4） 智能分发 在运营过程中，用户对内容的喜爱程度要随时发生变化，手动分发不能作到内容完全合理的发布。 IPTV运营平台采用智能分发的策略动态自动维护内容在网络中的分布。智能分发就是内容管理系统根据用户对内容的消费情况，自动统计内容的热 度（用户使用率）。当内容仅分布到存储中心由 CS服务，而热度高到分发阀值时，系统将内容自动分发到边缘服务器；对于分布在边缘服务器上的内容，当其热度低到删除阀值时，边缘服务器就自动删除该内容，并通知内容管理系统。 （ 5） PULL方式 单纯采用 PUSH方式，有些用户需要的内容不能即时达到边缘设备。华为 IPTV运营系统又结合使用 PULL方式（由边缘服务器在无内容时主动向中心 PULL内容），在用户向边缘设备请求本机没有的内容时，由边缘节点主动向中心服务器 PULL内容为用户服务。 3. IPTV 业务对承载网的要求 IPTV 业务的开展对 IP 承载网提出了很高的要求，比如带宽要求、 QoS 要求、可靠性要求和组播要求等。鉴于该方面的内容多而且复杂，笔者主要从用户认证方式上作一点探讨。 目前 IPTV 的接入 认证 主要 有三种 ： 1. PPPoE； 2. DHCP； 3. DHCP，包括 DHCP Option 82 认证、 DHCP Option 60认证方式。 对于运营商来说，最好的方式是 PPPoE 的接入方式，安全可靠，但代价 也较 高，需要投大量的资金到高性能的 BRAS 上；随着 DHCP 技术的发展，基于 DHCP Option 82 和 DHCP Option 60 的接入 方式，正逐渐走向统治地位。 （ 1） PPPoE 接入及认证方式 PPPoE 接入认证方式，是运营商最常用的一种宽带接入、认证的方式。PPPoE 全称 Point to Point Protocol over Ethernet，意思是基于以太网的点对点协议。这个协议基于两个广泛接受的标准即：局域网 Ethernet 和 PPP 点对点拨号协议，在 IETF 中由 RFC 2516 来定义。 PPPoE 继承了以太网的快速和 PPP 拨号的简单，用户认证， IP 地址分配等优势。这使得 PPPoE 在宽带接入服务中比其他协议更具有优势。 PPPoE 的接入、认证流程，主要分三个阶段：发现阶段、连接阶段、断线阶段。如图 1 所示： 图 1 IPTV 业务中的 PPPoE 的流程 1) 发现阶段： a) 机顶盒和 BRAS之间通过 PPPoE 发现阶段，建立两者之间的连接。 机顶盒以广播方式，寻找可以连接的所有的 BRAS，并获得其以太网 MAC 地址。然后选择需要连接的 BRAS 并确定所要建立的 PPP 会话识别标号，即 Session ID。 2) 连接阶段 a) 机顶盒客户端发起认证请求，认证包中含有用户名、密码等参数。 b) BRAS 端收到后，提取出其中的用户名和密码，通过 Radius 协议向 Radius 发起接入请求。 c) Radius 到数据库中提取用户信息，进行密码比较，如果一致，则将返回接入允许，否则拒绝。 d) 如果认证成功则进入 PPP 协议的 IPCP 阶段，完成 IP 地址、 DNS、GateWay 等参数的配置。 e) 至此， PPPoE Client 和 PPPoE Server 之间的 PPP 链路就建立完毕，可以开始传送用户数据包了。 BRAS 可通过 Radius 计费协议向Radiusr 发起计费请求，开始接入计费。 f) 连接阶段， BRAS 不时向 STB 发 Echo Request 数据包，确定 STB是否处于连接状态。 3) 断线阶段 a) STB 或 BRAS 都可以发起 PADT，结束一次 PPP 会话。 b) BRAS 向 Radius 发送计费停止信息，停止对用户的接入进行计费。 （ 2） DHCP/DHCP+接入及认证 方式 标准的 DHCP 对用户获得 IP 地址和网络访问权限并没有适当的限制机制，这样为网络和用户管理、对网络的可靠和安全都带来很大隐患。 DHCP+是在标准的 DHCP 方案上进行改良，达到对 STB 用户鉴权和管理的目的，使 IPTV 的应用网络更安全。 标准的 DHCP 流程如下： 1） host(DHCP client)通过广播发现 DHCP server，并从响应的多个 DHCP server 之中选出一个提出配置请求， 2） DHCP server 接受后，把配置参数 (主要包括 IP 地址、子网掩码、网关、DNS se rver 等 )发给 host，然后该 host 就可以使用得到的配置进行通信 (不再通过 DHCP server)。 3） 对这些配置 (主要是 IP 地址，因为要唯一 )是有一个租用期的，超过租用期后，除非续租，否则 DHCP server 会把 IP 地址标记为可分配，以后可以将 该IP 地址 分配给其他 host。 host也可以 主动发一个 DHCPRELEASE 消息给 DHCP server，以告之释放对 IP 地址的租用。 图中的 BRAS 可以是一个交换机设备。一般不需要专门的 BRAS。 这种方式的优势就是投资大幅度减少，由于不需要专门的 BRAS。缺点就是安全性差一些。要在网络上做相应的配置。如 DSLAM 支持 DHCP Snooping，防止用户自己开设 DHCP Server；同时每个用户都用 VLAN 隔离。工作量有一些。但价格便宜。 DHCP的接入方式和应用 DHCP的接入，即在提供 DHCP Server 的同时，对 DHCP 功能增 强，在D H C P S e r v e rB A S( R e l a y )D H C P _ D i s c o v a r yD H C P _ A c k ( I P D N S G W )D H C P _ R e q u e s tD H C P _ O f f e r( R e l a y )DHCP 报文的 Option 60/82 等字段增加标识信息、鉴权信息， DHCP Server 中增添认证代理（ Auth Proxy），用于处理与 Option 60 相关的流程，负责与 AAA交互。增强后的 DHCP Server 称之为 DHCP Plus Server。 本着网络与业务分离的原则，引入 DHCP 帐号和密码（如 UserID 和 PIN），DHCP 认证中心（ AAA）。 DHCP（ +） Server 和 AAA 都可能是第三方的设备和系统。此外，为保证系统的安全可靠性， Option 60 以采用密文传送。 DHCP的接入方案 （ 3）两种认证方式的特点比较 DHCP+Web 采用认证流和数据流相分离的方式，该方式决定了其对组播支持能力较强（只要局端设备支持），这种方式的带宽利用率均较高，同时可以避免城域网汇聚层同时作为 BRAS 使用，对 IPTV 等宽带业务非常适用。DHCP+Web 方式可以对接入的用户数量进行控制，由于采用 Portal 方式，其增值业务能力较强。从客户端支持来看，由于 DHCP+Web 不需要客户端软件，避免了放号困难及维护工作量较大的问题。总体而言， PPPoE 技术成熟，效率低。 IPTV 是对组播要求极高 的业务。在组播业务中，要保证业务的可运营、可管理，就要通过一些必要的策略来达到业务可控的目的。组播的控制策略有很多种，其中控制组播用户的一个重要技术手段就是对用户进行认证、授权。原有宽带网络中用户的认证多用于 IP 单播业务，并不能够完全满足组播认证的要求。这就需要对原有的认证体系进行改造，以适应 IPTV 业务的开展要求。 对于采用 PPPoE 进行认证的方式，主要需要解决的问题是组播数据的下发。因此，可以针对用户的不同业务采用不同的业务分发通道。也就是说，一方面要求 BRAS 设备支持 IPTV 业务的 PPPoE 认证 ，其相关的单播数据通过 PPPoED H C P + S e r v e rS T B D H C P S e r v e r1 : D H C P D i s c o v e r ( O p t i o n 60 t a k e s a f l a g )5 : D H C P O f f e r ( O p t i o n 60 t a k e s r a n d o m )6 : D H C P R e q u e s t ( o p t i o n 60 t a k e s e n c r y p t e d u s e r i d a n d p i n )A u t h P r o x y AAA2 : S e n d O p t i o n 604 : R e t u r n O p t i o n 60 ( r a n d o m )7 : S e n d O p t i o n 609 : A u t h R e q u e s t ( U s e r I D a n d P I N )10 : A u t h r e s u l t11 : R e t u r n Y e s o r N o12 : I f y e s , t h e n D H C P A C K ； e l s e D H C P N A C K3 : G e n e r a t e a r a n d o m8 : G e t U s e r I D a n d P I N13 : D H C P R e l e a s e ( O p t i n 60 ? )14 : S T B R e l e a s e15 : R e l e a s e t h e U s e r I D的通道下发；另一方面组播数据通过 IPOE 的通道进行下发。这就要求 BRAS通过认证信息能够区分用户业务种类，而 DSLAM 设备需要支持组播分发及组播组的控制，同时要求 STB 设备支持双协议栈。这样既可以保证原有认证系统的