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1、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
2、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
3、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
4、-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
5、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
6、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
7、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
8、、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
9、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
10、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：l 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；l 图像质量高。H.264能提供连续，流畅的高质量图像；l 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；l 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MPEG4H.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
11、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
12、)。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：l 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
13、 或投递到距离用户最近的远程服务点(POP) 处；l 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；l 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；l 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
14、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
15、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
16、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
17、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DH
18、CP 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IE
19、TF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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
26、通过PPPoE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功能，同时也能够保证组播业务的顺利开展。 对于DHCP认证方式，其主要问题是保证DHCP接入的安全性和真实性，这就需要在DHCP包文中引入OPTION82选项；对于存在多个终端同时使用DHCP的场合，为了区分这些终端，还需引入OPTION60选项。DHCP OPTION82选项通常由DSLAM设备将用户的端口信息和设备信息插入到用户的DHCP报文，DHCP服务器通过识别
27、OPTION82来执行IP地址分配策略或其它策略。OPTION60选项通常由终端自带，不同类型的终端可以通过设置不同的OPTION60来识别。通过OPTION60选项，可以实现对不同的终端分配不同的地址空间。但是，OPTION82的引入需要DSLAM的支持，目前网络上使用的设备大部分并不具备该功能，因此需要进行接入设备的改造。 两种认证方式各有优缺点，PPPoE认证技术比较成熟，安全性高，不需要进行接入网设备的改造，但是需要改造BRAS来支持，投资很大，不利于IPTV业务的拓展。而DHCP+Web可以实现较多的增值业务，同时又可以很好地支持组播业务。虽然DHCP认证方式安全性不如PPPoE，但
28、经过多年的发展，已具备相应的条件保证IPTV接入认证的安全。为保证接入的安全性可配合使用接入网设备支持的OPTION82特性，为防止DHCP Server欺骗，可进行二层的用户隔离。采用DHCP认证方式，IPTV业务流量可以从三层交换机走，投资很少，符合运营者发展IPTV的长远利益。总之，两种方式各有优缺点，基于PPPoE的认证方式，可管理性强，计费准确，其代价就是PPP本身限制了网络环境和组播业务的开展。而Web方式的认证，对网络环境不会造成任何影响，但在整个网络的用户可管理性、异常情况下计费准确度等方面都存在一定问题。目前，上海电信预备采用DHCP+Web认证方案，上海电信在投资BRAS做PPPoE的接入方式后，发现投资成本很高，今年开始和厂商一起开发上海电信的基于DHCP Option 60的接入方式。将15万用户彻底割接到DHCP的接入认证的方式上。韩国电信IPTV也采用了DHCP+方式。随着IPTV业务的用户数量的增加，DHCP认证方式的应用会逐步增多。
