IPTV中的关键技术

网络电视的关键技术摘要：介绍了IPTV在当前宽带网络上的具体实现方法，并结合IPTV的特点，阐述了IPTV涉及的几项关键技术，并对每项技术进行了概述。关键词网络电视宽带接入组播编码1.网络电视的实现方法宽带网络数字电视，也称为IPTV或BTV，或交互式网络电视，是一种全新的技术，它使用宽带互联网、多媒体和其他技术向家庭用户提供包括数字电视在内的各种交互式服务。它能很好地适应当今网络的快速发展趋势，充分有效地利用现有的宽带网络资源。在目前的商用宽带网络中，用户可以通过两种方式在家中享受网络电视服务：(1)电脑：在第一种模式下，用户可以在通过电脑上网的同时收听广播节目或欣赏音乐，也可以直接在电脑上观看电视或电影等视频节目。(2)网络机顶盒普通电视。网络机顶盒(STB)是新添加到用户家中的。机顶盒提供视听接口，并直接连接到普通电视。用户通过控制机顶盒选择观看宽带网络电视节目。如图1所示，它是用于通过综合接入设备(MSA)上的xDSL宽带线路向用户提供视频服务的框图。用户不仅可以通过电脑享受传统的互联网数据服务和网络游戏，还可以通过专用转换设备机顶盒观看电视、电影等宽带视频节目。2.网络电视的关键技术网络电视应用的本质是流媒体在宽带网络上的传输和分发。因此，网络电视的应用和发展是以下关键技术同时应用的结果。(1)宽带接入技术：快速发展的宽带接入技术为媒体流的传输提供了通道。在目前使用的宽带接入技术中，DSL是一种可以通过普通电话线提供宽带数据服务的技术。常用的ADSL(非对称数字用户环路)技术可以提供8M的下行带宽。国际电信联盟的992.1已经详细定义了ADSL标准。随着科技的飞速发展，国际电信联盟于2002年6月和2003年1月分别推出了两种新一代的非对称数字用户线标准：非对称数字用户线2(992.3)和非对称数字用户线2(992.5)。ADSL2支持1.3M/15M的最大上行和下行速率，而ADSL2支持1.3M/24M的最大上行和下行速率。更高的带宽使得传输大量流媒体成为可能。(2)IP组播路由技术：对流媒体分发的强大支持。IP组播路由技术实现了IP网络中高效的点到多点数据传输。它能有效节省网络带宽，降低网络负载。多播是一种网络技术，允许一个或多个发送方(多播源)同时向多个接收方发送相同的数据包。这是一种有效的方案，可以在不增加骨干网负载的情况下增加服务用户的数量。因此，它已成为当前高流量视频服务的首选方案。在IPTV应用中，IP组播路由技术可以有效地分发媒体流，减少网络流量。目前，接入设备通过IGMPProxy功能实现了用户的按需加入和离开功能，从而实现了媒体流的按需分发。而且减少了多播对带宽的过渡占用。随着IP组播技术在综合接入设备中的应用，大多数设备都支持组播侦听和组播代理功能。组播监听是解决第2层网络设备上IP组播广播泛滥的一个基本解决方案。通过在二层网络设备上监听用户终端与组播路由设备之间的IGMP协议消息，获取组播业务的用户列表信息，并根据当前用户信息转发组播数据，从而达到抑制二层组播泛滥的目的。IGMPproxy通过代理机制为第2层设备的组播服务提供了一个完整的解决方案。实现IGMPproxy的两层网络设备对用户侧承担服务器的角色，定期查询用户信息，对网络路由侧承担客户端的角色，必要时向网络发送当前用户信息。它不仅可以达到抑制第二层组播泛洪的目的，而且可以有效地获取和控制用户信息，同时对减少网络侧协议报文、降低网络负载起到一定的作用。(3)数字编码技术：传输可靠性的技术支持。通过网络传输诸如音频/视频之类的多媒体信息涉及流媒体的可靠实时传输。因此，数字编解码技术是网络电视的关键技术之一。目前，适用于宽带网络环境的编码标准有MPEG-4、AC-1和H.264等。MPEG-4是由MPEG制定的国际标准化组织/国际电工委员会标准。目前，使用的是MPEG-4第2部分。264是由VCEG国际电信联盟和JVT国际标准化组织/国际电工委员会联合开发的视频编码标准。它不仅是国际电信联盟264，而且是国际标准化组织/国际电工委员会MPEG-4第10部分；AC-1是微软的视频编码标准，是WMV9在向编解码器标准组织提交数据后使用的编码标准的名称。然而，网络带宽的不断提高，例如ADSL2或ADSL2技术的应用，可以将用户的上行和下行速率提高到1.3M/24M。然而，如果使用ITU-T的H.264或WMV9对媒体流进行编码，则80万码率已经可以提供接近于DVD质量的质量，这完全满足当前用户的要求。因此，两者的结合保证了网络电视媒体流的传输可靠性。虽然没有相应的国家标准对网络电视采用数字编码技术，但是mpeg-4、h . 264和WMV9编码技术都不能满足网络电视应用的要求。有了新的宽带接入技术，任何编码的流媒体视频节目都可以实时传输。3.摘要网络电视作为一种新的应用，不仅仅是宽带网络上的应用。它是随着网络传输技术、IP组播路由技术和流媒体编码技术的发展而产生的。这是这些关键技术强有力结合的结果。IPTV将为宽带运营商和节目提供商注入新的活力。除了为用户提供通信和信息服务外，宽带运营商还可以通过网络电视为用户提供丰富的个性化电视节目，这对吸引用户、提高用户满意度大有帮助。多播，IGMP，IGMP探听通过多播，一台主机可以同时向组中的多台主机发送数据，从而节省网络带宽。组播ip地址范围为224.0.0.0-239.255.255.255，其中224.0.0-224.0.0.255为专用预留地址，239.0.0-239.255.255.255为专用网络地址，224.0.1.0-238.255.255.255为公网组播地址。多播有一系列协议支持，包括：1.主机和路由器之间使用的IGMP协议。它可以实现主机加入和退出组播组。2.路由器之间的组播协议是点对点协议和点对点协议。实现嫁接、修剪等功能。还有一种IGMP探听，用于开关。具有IGMP监听功能的交换机可以分析通过它的IMGP消息并建立组播转发表，这样交换机就可以根据组播转发表转发组播数据。如果IGMP监听没有打开，交换机只能广播多播数据。IGMP侦听的实际应用意义在于减少网络上的主机接收不必要的多播消息所造成的处理负载。IGMP探听不是一个协议，而是一个实现细节和一个应用。IGMP探听分为两种类型，一种是被动的，另一种是主动的。被动仅分析多播消息，不过滤消息。活动将过滤掉一些对路由器没有意义的多播消息。例如，交换机下有两台主机加入同一个组，因此在路由器的交换机上方会有一个条目与之对应。如果主机想要离开该组，它将向路由器发送一条退出消息(通过交换机转发)。但此时，即使路由器收到离开消息，它也不会删除该条目，因为多播组中还有另一台主机。主动IGMP监听使交换机能够过滤掉这些信息。IGMP是这样工作的：IGMP目前有三个版本，IGMPV1、IGMPV2和IGMPV3，它们的功能正在逐步增强。IGMPV1定义了三种类型的消息：加入消息、查询消息和响应消息。1.当主机加入多播组时，它将向路由器发送加入消息，告知路由器它已加入多播组，路由器将记录一个多播表条目。2.查询路由器(具有最小IP的路由器)将定期从所有端口发送查询消息(由VLAN查询，如果多个虚拟局域网被添加到端口，发送查询消息几次)，并检查这些端口下是否有属于多播组的主机。3.主机收到查询消息后，如果没有加入任何组播组，则不响应；如果您已经加入了一个多播组，您将会找到一条响应消息。4.当主机离开多播组时，它不发送任何消息，并且悄悄地离开。由于查询超时，路由器中记录的多播条目将自动老化。5.查询消息的目的地址是224.0.0.1(表示所有支持IGMP的路由器和主机)，组地址是0(表示查询所有多播组)6.响应消息的目的地址是主机所在组的地址，组地址也是主机所在组的地址。如果网络上的多台主机加入同一个组，只有一台主机(随机选择)会发送响应消息。因为响应消息的目的地址是主机组的地址，所以响应消息将被发送到主机组中的所有主机。收到消息后，其他主机会发现有人向路由器报告，因此它们不会发送其他响应消息。IGMPV2定义了出发信息。当主机离开多播组时，它会向路由器发送一条离开消息。收到离开消息后，路由器将发送一条查询消息，询问是否有其他主机属于组播组。如果没有多播表条目，它将不会删除它。应当注意，路由器此时发送的查询消息的组地址不是0，而是特定的组地址(发送传出消息的主机组)。因为路由器只想知道这个特定组中是否有主机。这也是IGMPV2对IGMPV1的改进。它的名称是特定组查询。IGMPV1没有此功能。注意：1.无论是IGMPV1还是IGMPV2，所有传入和传出的消息都必须报告给查询路由器。2.收到查询消息后，非查询路由器从所有端口转发该消息3.在接收到一组特定的查询消息后，非查询路由器根据组播表转发它们4.特定组查询消息的目的地址是要查询的组地址5.传出消息的目的地址是224.0.0.2(表示所有路由器)IGMP消息格式：8位消息类型-8最大响应时间-16位校验和-32位组地址消息类型：0x11表示查询消息，包括一般查询和特定群组查询消息0x16表示加入消息0x17表示离开消息0x12表示IGMPV1查询消息IGMPV3将继续。双层多播协议IGMP代理或IGMP窥探第2层组播协议IGMP代理或IGMP监听采用的基本方法是传输每个组播数据包。下面分析这两个协议的实现。一、IGMP探听IGMP探听与IGMP协议相同。它们都用于多播组的管理和控制。他们都使用IGMP信息。IGMP协议运行在网络层，而IGMP探听运行在链路层。当第二层以太网交换机接收到主机和路由器之间传输的IGMP报文时，IGMP监听分析IGMP报文携带的信息，在第二层建立并维护媒体访问控制组播地址表，然后根据媒体访问控制组播地址表转发路由器传输的组播报文。当IGMP监听从一个端口接收到IGMP离开消息时，或者当一个端口的老化时间定时器到期时，它将只主动向一个端口发送IGMP特定组查询消息。此外，它不会向该端口发送任何IGMP消息。IGMP监听通过监听用户和路由器之间传递的IGMP消息来维护多播地址和VLAN对应表之间的对应关系。它将同一个多播组的活动成员映射到VLAN，并在接收到多播分组后，仅将多播分组转发给对应于该多播组的VLAN成员。主要操作流程如下：(1)主机和BAS协商PPPoE并通过PPPoE认证。(2)主机向路由器发送IGMP成员报告包，BAS监听该包，从PPPoE数据包中获取组播组地址，将该用户添加到相应的VLAN，如果该用户是组播组的第一个用户，则为组播组生成组播条目，并将该包转发给上层路由器以更新组播路由表。(3)基站收到来自路由器的组播数据报文后，根据组播地址和组播地址的对应关系找到对应的VLAN，然后将数据包封装成PPPoE会话包转发给VLAN的成员。(4)当从主机接收到请求离开多播组的分组时，BAS从相应的VLAN删除接收分组的端口。如果用户是多播组的最后一个用户(此时VLAN为空)，BAS将删除VLAN，并通过上行链路端口转发数据包内容。IGMP窥探的规则相对简单。查询数据包在下行方向透明传输，而传入或传出的数据包根据需要在上行方向转发。但是，BAS需要具有三层提取功能，这对于主机和路由器是透明的。IGMP代理IGMP代理通过截取用户和路由器之间的IGMP消息来建立多播表。代理设备的上行端口扮演主机的角色，下行端口扮演路由器的角色。以下是一个简单的过程：(1)主机和BAS协商PPPoE并通过PPPoE认证。(2)上行端口扮演主机的角色，响应路由器的查询，并在新用户组或组中的最后一个用户退出时主动发送成员报告包或离开包。(3)根据组播表转发下行方向的业务包。(4)下行端口完全按照IGMP V2规定的机制来扮演路由器的角色，包括搜索器选举机制、定期发送一般查询信息、接收到出站数据包时发送特定查询等。IGMP代理分别在两个端口实现不同的功能，工作量相对较大。其优点是当网络中没有路由器时，IGMP代理设备可以充当查询者，如果要扩展组播路由功能，代理比窥探更方便。考虑到BAS复制PPP