IPTV承载网的相关技术介绍及问题研究
发布时间: 2011-09-13   浏览次数: 335

来源:云南新视源科技有限公司

    随着宽带接入的发展,用户不再满足简单的Internet上网,对通过Internet提供更多的宽带增值业务已显得越来越迫切。近来,一个新兴的热点——IPTV正在吸引着越来越多的目光。开展IPTV业务,能以简单的方式为运营商带来宽带用户的大幅度增长。为了迎接这一变革时代的到来,运营商应着眼长远,把握时机,建设面向IPTV等下一代网络应用的承载网。

    一、IPTV对承载网的要求

    IPTV承载的最主要内容包括视频点播(VOD)和电视频道(TV)节目。为了保证IPTV的收看质量与目前的有线电视网收看质量相当,IPTV承载网要求能在带宽、频道切换时延、网络QoS等方面提供保证。

    1.用户接入带宽

    如果为用户提供DVD效果的IPTV业务,利用现有广泛使用的编码技术,用户至少需要3~4Mbit/s(使用MPEG-2编码)或2Mbit/s(使用MPEG-4或更高压缩率的编码)的下行接入带宽。

    2.IP网络对组播技术的支持

    有线电视网的频道切换非常快,IPTV也应尽量减少端到端的时延,据IPTV用户调查,用户可接受1s的TV频道切换时间及10s以下的VOD切换时间。为了保证IPTV用户在不同频道之间的切换具有和普通电视切换相同的性能,IPTV业务的广泛部署至少要求DSLAM设备支持IP组播技术。根据IPTV不同的部署策略以及节约城域网带宽的考虑,核心网、城域网必须支持IP组播技术。

    3.网络QoS

    丢包、抖动等都会严重影响IPTV的收看质量,会让用户觉得IPTV比不上有线电视。在IPTV业务中,网络服务质量的保证一方面通过IP组播+核心网(CDN)的方式来实现,另一方面就要通过现在普遍使用的区分服务、流量工程等技术来实现。

    二、宽带承载网技术的现状

    承载网必须为IPTV业务的运营提供强大的网络支撑,如内容的分发等。因此,承载网的好坏直接影响到业务本身及其QoS。目前,宽带IP承载网络技术还存在许多不足之处,主要表现在以下几方面。

    1.国内电信宽带接入主要采用ADSL技术,受线路质量及DSLAM设备的影响,该技术存在以下缺点:速率低,有选线率问题;有效传输距离短;丢包率高,QoS无法保证;安全性差;ADSL对组播功能支持有限,大多数只支持IPv4协议的路由器,不支持组播。

    2.原有的CDN(内容分发网络)无法承载完整的IPTV业务。CDN主要传送RM、WMV等流媒体文件,与广播电视信号(MPEG-2/4)所采用的视频编码技术大不相同,无法满足电视观众对视频信号的高质量及实时性要求。

    3.在全网开展IPTV业务势必造成网络带宽的消耗急剧增加,而现有的城域网,特别是接入层的网络结构、业务能力、QoS保证、认证方式、设备性能等都是基于普通Internet上网业务设计的,无法满足多媒体业务的大规模开展。

    IPTV承载网的技术要求对国内电信运营商的宽带网络提出了新的挑战,如果不在目前的宽带网络上应用组播/CDN等新技术,以目前的宽带网络的性能是无法满足大规模开展商用IPTV业务的要求的。目前,组播技术在国内电信运营商还没大规模应用,但它的特点使其特别适合IPTV这类用户量大,消耗大带宽的业务,在宽带IP承载网络建设演进中必将大放异彩。

    三、IPTV的两大传输模式与关键协议

    IPTV视频流的传播方式有点播和广播两种。其中点播方式为用户提供了更具个性化的选择,具有实时交互的特点;广播方式提供不同的内容供用户选择,具体表现为不同的频道。然而从技术角度看,支持IP网络实现点播和广播功能的技术是截然不同的。广播方式对IP网络提出了组播功能(Multicast)要求;点播方式要求IP网络能有效地将视频流传送到用户接入网络(VDN/CDN)。

    1.组播

    IPTV的TV类节目是最适合利用组播技术传输的,因为TV类节目所有用户收看的都是同一个内容。在IPTV中应用组播需要考虑以下几个问题。

    (1)组播复制点问题

    组播复制点即用户IGMP请求的终结点。在组播复制点,网络设备根据端口是否有IGMP请求向端口复制组播流。组播复制点越接近用户越能节省网络带宽。对ADSL宽带网而言,组播复制点可选于BAS或DSLAM。新一代的BRAS已经具备2Mbit/s组播的复制能力,如果按照512kbit/s/packet计算,达到8Gbit/s的吞吐量,达到4000用户同时复制的能力,组播复制性能在技术上已经基本解决。由于DSLAM数量多而分散,组播业务的管理控制基本不可能实现;同时将DSLAM由纯粹的二层传输变成三层网络设备,提升了DSLAM的复杂度,影响DSLAM的稳定性和成本,不是将来的发展方向。

    (2)静态组播VS动态组播

    由于动态组播需要建立组播分发树再进行组播数据的传输,而静态组播已经把组播数据传输到组播复制点,用户的IGMP请求一经接收即可进行分发,所以静态组播的时延比动态组播小,适合IPTV使用。

    (3)组播管理

    组播管理包括对用户接收组播数据的可控管理、组播源的管理、组播分发范围的管理等,它是电信运营商开展组播类业务的前提条件。目前路由器设备具备一定的组播控制管理能力,新一代的BRAS已经提供了基于RADIUS协议的可控组播解决方案,但是这些技术缺乏统一的标准,缺少相应的专业管理系统。所以目前大规模使用存在一定的困难,估计将来两年内基本可以解决组播管理问题。

    (4)组播QoS

    组播是基于UDP的,这意味着组播没有丢包重传机制。为了克服这缺点,可靠组播一直在研究中,但还没到实用阶段。骨干网络和城域网路由器的更新换代,QoS的保证能力大大提高,在将来2~3年内组播业务的QoS保证可以得到解决。

    (5)IPTV组播业务开展模式

    集成模式

    组播业务的传送网与单播业务传送网物理上重合、无分界点的建网模式,称为集成模式。

    集成模式的工作方式如下:借助于CDN,将组播类节目预分发到靠近接入点的流媒体服务器上,由DSLAM和BAS向用户进行复制分发。同时CDN还能为单播类业务提供分布式缓存、内容路由、负载均衡、就近服务、对外接口等功能。
    分离模式

    组播业务传送网与单播业务传送网物理上分开,在BAS或者DSLAM上融合的组网模式,称为分离模式。将单播业务传送网与组播业务传送网分开,有助于保证组播业务的服务质量。同时由于组播业务在传送网络上的流量相对比较固定,只跟组播源的数目和内容有关,不随用户的操作变化而变化,因而单独组建传送网便于网络规划和低成本建设。分离模式的工作方式为:对于源端网络,单播业务进入现有宽带城域网,组播业务进入组播业务传送网。组播业务传送网是个单向网络,负责组播数据报文的传送,而组播控制报文终结在DSLAM或者BAS设备上。对于IPTV业务,用户“被动式”收看的内容,如直播类节目,直接由直播服务器输入到组播业务传送网络,而用户“主动式”个性化收看的内容,如点播或者录播节目,进入城域传送网,由CDN传送到靠近用户的流媒体服务器上,并以单播的形式传递给用户。

    国外电信运营商在利用组播开展IPTV业务时往往把IPTV的网络与普通PC上网业务分离,建立专门的组播通道,以此来保证组播的QoS。但此方法可扩展性较差,只适用于小规模的试验网络。

    (6)IPTV组播业务建网方案

    电讯盈科等运营商的成功运营经验值得我们借鉴和参考:创立一个支持IPTV组播业务的最佳网络和技术环境,特别是要保证足够的传输带宽。

    选用标准化程度及互通性较好的PIM-SM作为主干组播路由协议,另外选用IGMPv2版本作为组播管理协议。

    构建可控可运营的组播网络。从控制组播流量和非法组播源两方面进行实施,具体包括四种措施:在骨干路由器上对组播源进行过滤,只允许预先设定的组播源发出流量;在城域网边缘汇聚交换机端口上对用户能加入的组播业务进行控制;在城域网边缘汇聚交换机上对用户的组播业务进行控制;在DSLAM、BAS和接入交换机上控制组播总流量。

    l、方便组播用户的开通。专线用户和DHCP用户开通组播只要在相应的网关上启用IGMP或IGMPPROXY,然后在客户端安装视频播放软件就可以接收相应组播流。对于在BAS上终结的拨号用户,可利用RADIUS的扩展属性IGMPENABLE,修改RADIUS和后台数据库结构,给用户增加该属性后便可开通IP组播服务。

    2、CDN

    CDN(内容分发网络)是构建在数据网络上的一种分布式的内容分发网。CDN在初始服务器和缓存服务器之间的链路上,带宽占用的空间和时间远少于用户对中心流媒体服务器集中访问方式的非CDN环境。IPTV可利用CDN为用户提供VOD的内容,通过CDN把视频内容分发到靠近用户端的CDN节点后,很好地解决了访问量大、服务器分布不均对骨干网造成的拥塞问题,可以在一定程度上保证了端到端的服务质量,扩大了用户访问流媒体内容的范围,减轻IPTV业务对骨干网络的冲击,提高了用户的响应速度,是视频点播业务非常有效的组网方式。

    为了保证CDN的利用率,在IPTV中规划CDN需要根据用户的“80/20”规律合理设计。“80/20”规律即80%的VOD用户在收看20%的节目。基于这个规律,CDN的Cache节点的空间应是中心节目库的空间大小的20%,这样可以保证80%的用户可在Cache节点直接得到节目,不需从中心节目库下载节目,这样有利于提高用户的响应速度及减小网络流量。

    为提高宽带业务的服务质量,瞄准日益增长的网上视频服务需求,国内运营商已着手建设流媒体CDN系统。建设流媒体CDN系统在思路上与新出现的IPTV业务有一定的相同之处,能够在一定程度上满足部分IPTV业务,但是,现有CDN系统主要还是面向PC设计的,它与IPTV系统存在很大的差异,完全依靠CDN系统来发展IPTV是不现实的。

    首先,目前的CDN系统采用不同于数字电视的视频编码格式,无法提供广播级的视频服务。CDN系统支持的视频编码格式主要是REAL和WMV,对主流的MPEG-2、MPEG-4和H.264支持都非常有限。未来视频格式通常不会选择某一个厂商专有的视频压缩技术,所以,现有的CDN不支持IPTV的大规模发展。同时,直播电视是IPTV的主要业务之一,REAL和WMV视频编码格式采用的软件压缩技术,有5~10s的时延,它无法支持IPTV业务的高质量实时直播服务。更为重要的是,如果在CDN系统上承载IPTV业务,意味着所有的内容都要重新转码,这对现存的数十万个小型的ICP来说,将是一项巨大的工作,而且要新建一套同等规模的存储系统,不仅运营维护成本大大提高,还将面临管理复杂、视频质量明显降低的缺点。

    其次,CDN面向PC用户设计,在节目适应性、安全性能上都与TV的要求相距甚远。在IPTV业务中,电视为用户提供电视节目的虚拟录像,对直播电视可以进行暂停、快进、快退等操作,同时,用户不用自己预先录制就可以方便地观看以前播过的节目,这种功能对用户具有非常大的吸引力,也是和有线数字电视竞争的有力武器,而目前的CDN系统无法提供这种功能。另外,CDN系统基本上都采用微软的Windows操作系统,容易受到黑客的网络攻击和病毒攻击,无法保证系统的可靠性。

    第三,现有的CDN系统并不能提供IPTV业务,还要做很多复杂的集成工作。在IPTV系统中,为了在大规模部署的情况下保证服务质量,往往采用分布式部署,分成中心节点和边缘节点,边缘节点一般位于接入网络的前端,在这种情况下,IPTV系统需要采用CDN技术来将媒体内容从中心节点分发到边缘节点。现有的CDN系统能够满足IPTV系统的部分功能。为了提供完整的IPTV业务,在原有的CDN基础上还需要集成多个其它子系统,多个子系统之间还要进行协调工作,而这种协调工作是非常繁杂的,将给系统的后续管理带来巨大的工作量。

    最后,采用CDN技术的内容分发方式要具有一定的可管理性,以提高业务的服务质量,减轻骨干网络的传输压力,但目前还没有能被普遍采用的缓存服务器内容更新策略。当前的做法是CDN的具体实施者根据各自的经验选择更新缓存服务器的策略,如存储在特定时间内用户点击率最高的信息,或者存储某段时间内可能是用户最需要的信息,删除那些已经过时的、用户不再需要的信息。实现这些策略需要做的统计管理工作量相对也较大,CDN设备对于提供多是免费服务的ICP而言价格相对较高。

    基于组播的内容分发技术实现内容分发时,信息可以在同一时间内发送到多个需要该信息的用户。但该种方式或者要求构建IP网络的路由器具有组播功能,或者要求配备有具有较高处理能力的设备来完成信息多地点发送功能。另外无限制的组播会给网络增加很多的业务流量。
    由此看出,由于CDN的建设规模和应用数量成比例增长,网络的可扩展性比较差,平均用户的建设成本较大,在国内cableTV价格优势下,不具备竞争能力,并且提供的是VOD业务,不是真正意义上广播型的TV业务,所以CDN网络只适用于VOD业务,但是不适合IPTV广播业务的承载技术,只适用于小规模的试验网络和过渡方案,大规模的IPTV业务必须依赖于可控组播技术的成熟和应用。

    3.协议

    在IPTV中主要采用的协议包括:IGMPRTP(实时传输协议)、RTCP(实时传输控制协议)、RSVP(带宽预留协议)、TCP(传输控制协议)、IP网间协议、RTSP(实时流协议)以及IP多点广播(多播)协议。

    IPv6协议具有广阔的地址空间、内置的安全性、较好的网络QoS支持等优点,可以作为更好的IPTV业务的承载协议。随着CNGI(中国下一代互联网示范项目)工程的部署,紧密跟踪IPv6的IPTV业务。

    四、IPTV承载网的几大主流宽带接入技术

    宽带接入网最主要的目的是解决用户的接入能力和接入途径问题。IPTV业务接入网的接入能力解决关键在于提供一个大容量、高速率的接入系统,在满足宽带高速上网业务基础上,构建适应IPTV业务接入承载的网络环境。

    在宽带接入业务推广初期,高速上网为主要的宽带应用,带宽要求相对较低,一般为512kbit/s,但随着互联网内容的不断丰富、IPTV等宽带视频应用的高速发展,业务所需要的带宽在提高。尤其当承载终端由PC逐步走向TV时,用户所需要的是可与有线电视所提供的视频业务质量抗衡的服务,其所需带宽甚至可能达到十几兆。对此,要求运营商必须提供更高带宽,具有高QoS保证的满足各种业务需求的宽带接入网络,从网络运行层面为实现IPTV等网络应用业务打下坚实的基础,保证业务的大规模开展。

    IPTV宽带IP承载网络涵盖内容网络、汇聚网络、接入网络与家庭网络各层次,承载网的分发能力及接入带宽直接影响网络的性能和用户的体验。目前IP网中的流量,特别是IPTV视频流量主要以单播或者广播的形式向下发送,对网络造成了巨大的压力,因此,各种网络分发技术,如组播、CDN等方式将逐渐在网络中被引入,并且随着网络复杂程度的提高和解决网络分发技术的发展,靠近用户侧的接入网逐渐成为影响网络分发,特别是IPTV视频流分发的重要瓶颈。

    1.ADSL

    ADSL作为国内最主要的固定宽带接入网技术,正呈现蓬勃发展的态势,但由于受到本身技术的制约,因而在距离、速率和出线率等方面还存在不少问题。

    为全面构建高带宽、稳定性强的ADSL宽带接入网络,实现服务的差异化和规模化,满足IPTV业务开展。运营商尚需对规模庞大的ADSL接入网实施优化建设:一是开展“带宽加速”行动,包括对用户线路、DSLAM、汇聚网络和BRAS以及网管的全面提速;二是大量采用ADSL2/2+技术的IP内核的DSLAM;三是要求新建DSLAM设备具备:实现高性能硬件组播处理;具备充足的N*FE、N*GE的上行带宽;实现可控组播,支持频道权限控制、统计、用户管理等;支持单PVC方案和多PVC方案,保证组播业务的QoS;支持成百个组播频道,频道切换时间〈100ms;支持IGMPProxy功能,减轻上层组播路由器的IGMP处理负担。
    2.FTTX

    随着网络的迅猛发展,面对电信运营商扩充容量、提供IPTV等新的可赢利的增值应用服务、简化部署、降低运营成本的需求,光网络和光纤通讯由于其具有的大容量、高速的特点,已逐渐成为网络基础建设中主角。同时接入网交换机对组播业务的支持性能日趋成熟、稳定,价格不断下降。FTTB+LAN和GPON都是基于以太网技术的光纤接入手段。因以太网技术的成熟和简单,且都采用廉价稳定高速的光纤作为传输介质,这两种方式已经渐渐脱颖而出,成为IPTV宽带接入手段中的有效方式。,

    FTTB+LAN宽带接入是基于以太网技术的,采用光纤高速网络实现千兆到社区,结合一般双绞线实现百兆到楼宇,十兆到用户。FTTB+LAN接入方式技术的实质是采用一种二层的媒质访问控制技术,直接向用户提供基于IP业务的传送通道。

    FTTB+LAN作为一种高速的宽带接入方式,开展IPTV宽频业务时简单易用,成本较低,用户无需添加专用的调制解调器,但是缺点我们也应该看到,尤其是其带来的楼内综合布线的问题和采用双绞线造成的传输距离的限制。

    在宽带接入的多种方式中,PON是后起之秀。在PON系统中,下行数据以TDM广播方式从OLT发送到所有ONU,而上行数据则采用TDMA(时分多址接入)方式,从各个ONU统一汇聚到中心局端OLT。而且可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构(典型结构为树形结构)。

    GPON支持多种速率等级,可支持上下行不对称速率,上行不一定要支持1Gbit以上速率。能在PON网络上传送高速以太数据,视频和TDM业务,同时能获得令人满意的E1抖动和延迟性能。国内运营商已将GPON技术成功应用于宽带接入网络,证明了GPON技术已经成为一种可靠且具有成本效益的IPTV宽带接入技术。

    FTTH是将光纤作为物理媒介实现用户和运营商连接的一种技术。FTTH这种能够提供高带宽的接入方式则可以轻松提供以上功能,并能够实现对称的双向传输,这是其他接入方式无法相比的。

    从技术角度考虑,FTTH采用的技术方案与用户的地理分布有关,通常FTTH可采用两类网络结构。一是无源光网PON结构,二是点对点PtoP结构。FTTH的两种实现方式的上下行都可以达到100Mbit/s。在未来家庭中,IPTV以及高清晰度数字电视对接入带宽都有着明确的高要求,实现100Mbit/s接入将是很有必要的,要达到这样的高带宽,别的手段都难以实现,唯有FTTH。然而目前有关试验的结果表明,用户通过FTTH方式使用IPTV等宽带多媒体业务的成本还比较高。

    五、结束语

    对于承载多业务的IP网络而言,IPTV提出了更高的要求,即在提供原有通信功能的基础上,还需要更高的带宽、更强的控制能力以及更高的传输连续性和稳定性。提供IPTV的应用需求对于宽带IP网的发展而言,无疑具有重要意义。

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