IPTV质量分系统

IPTV质量分系统（精选7篇）

IPTV质量分系统 第1篇

2 IPTV质量分析系统

2.1 IPTV系统描述及系统总体结构

目前,虽然IPTV业务正在迅速的发展,但是仍然缺少一个明确的标准来对IPTV做出定义,从表现形式上看,是一种采用IP网络作为媒介进行传输以MPEG或H.264为编码核心的流媒体文件[21]。为用户提供高质量的流媒体服务就是IPTV系统的终极目标和中心任务。IPTV系统为用户提供服务时经常采用分布式体系结构。

IPTV系统的构架主要分为两种类型,一种是端到端的,一种是基于一系列的子系统,由流服务子系统担任核心子系统。图1就是一个端到端的类型。

2.2 IPTV系统质量评价指标及影响因素

近年来,对QoS、QoE指标以及IPTV的质量测试都有大量的研究,其中文献[2,3]对测试系统的环境和系统的整体架构进行了研究。接下来以指标方式来分析IPTV系统质量。

QoE,是用诸如时延、丢包率和抖动等来对设备或网络服务的性能进行评价,虽然不是业界通常采用的各种专业指标,但是这种评价基于普通用户体验,是一种更直观的角度。也容易大众接受理解,所以目前广泛认可和应用的就是QoE。从用户QoE角度来看,IPTV相关质量分析主要关心两个方面,即频道切换时延和视频质量评定[4]。

视频质量主要由丢包率以及延迟因素来评定。数据报文在传输过程中由于信道质量造成的丢包对视频的质量有着直接的关系,当出错的报文得不到恢复时会造成视频质量的下降。延迟因素是一个时间值,用来表示缓冲区必须包含多少毫秒的数据才能消除抖动,丢包带来的不良影响。每一个1s的计算间隔时间结束时,DF值都会被刷新显示出来。DF的计算公式:假设在测量点有虚拟缓存大小为N,N=[接收到的字节数一流出的字节数]。DF=[最大值(N)一最小值(N)]/媒体流速率。为了保证解码器的缓存内容不会被耗尽,解码器的缓存保存媒体信息必须大于或者等于DF的数值。

经典测试方案中的QoE指标如图2所示。

图2对系统质量的评价指标做了分析,下面将分析影响IPTV系统质量的因素。系统质量将会受到很多方面的影响,如信源端编码方式的选择,网络传输以及传输链路的环境,终端解码的播放技术。任何一个环节都必须很好的处理。在对这些环节进行了解之后,总结出主要有两个方面影响IPTV系统质量,一个是视频内容本身带来的影响,另一个是网络传输,并列出一些影响IPTV系统质量的因素[5,6]。片源编码的过分压缩导致分辨率的降低;低码流速率和片源的低质量;采样频率偏大。以上因素造成的损伤就是来自视频内容本身。而对于网络传输而言,视频数据(MPEG Frame)在传输的过程中产生丢失;传输信道中的随机噪声;数据包接收的顺序和数据包的发送不一致。以上由网络传输带来的因素对系统服务质量造成损伤。

2.3 IPTV质量分析系统的设计

2.3.1 质量分析系统模型介绍

思科公司和lneoQuest公司联合提出的MDI(Media Delivery Index)媒体传输质量指标,用来评估视频流在IP网络中的传输质量。在2006年,由IETF RFC 4445[7]定义和描述。不管视/音频数据源采取何种的编码方式,MDI对网络中视频的质量进行测试时,都能够快速、准确的进行评估衡量。作为IP视频流传输质量分析的行业标准,MDI指标广泛地应用于IPTV和IP有线数字电视网络质量评估和监测[8]。MDI由延迟参数(DF)和媒体丢失率(MLR)组成。

媒体丢包速率(MLR):MLR的单位是每秒的媒体封包丢失数量。MLR的值会不断地改变如果受到本地电气噪音干扰造成的间歇性错误的影响。由上文可以得知,在视频流过快时会产生上溢现象,通过记录被扔掉的数据包可以表明网络的阻塞的情况。但是在网络负载较低的情况下还是有丢包的情况,或者说MLR的数值不为0,那么问题可能出在服务器或者是信号源上面。理想传输时,MLR数值等于0。

2.3.2 质量分析系统结构及原理

IPTV质量分析系统的结构分为两个部分:视频分析程序和IPTV质量分析程序。

视频质量分析仪表的功能,顾名思义,当视频流在服务器内部经过压缩处理,编码等操作后,对其进行质量分析。当视频流分析结果出来以后,就存储在视频质量分析结果存储模块中,接下来将得到的视频流分析结果进行计算,得到一个质量的评分,最后将视频质量评分存储起来并放到数据库中。在进行数据采集的时候,数据采集模块获取来自视频流的某个镜像端口网卡上的数据包,将获取到的数据包传给后续模块,对数据包做进一步的操作。获取数据包以后,需要对数据包进行解码操作,然后把需要的信息序列提取出来,这些功能由数据解码模块来完成。解码模块将提取出来的字段信息交给指标计算模块,由计算模块得出指标,通过对计算得到的质量指标进行分析,可以清楚的了解当前的IPTV系统质量。所计算以及分析出的结果最终由指标显示分析模块显示出来。

对于系统的原理分析,对视频质量的分析主要是视频分析程序和质量分析程序相互结合,相互协作来完成的。视频分析程序利用视频分析仪表得到视频质量评分QE和视频流的其他信息,诸如编码格式、码率等。然后质量分析程序在客户终端根据自己的四个功能模块,计算出DF以及PLR等指标。由QE和PLR,得出客户端的QR。最后,通过DF,QE,QR三个方面来分析网络抖动或延时,视频压缩损伤,网络丢失对于系统质量的影响,能够较全面的给出对整个IPTV系统质量的分析。

3 结论

首先对IPTV系统以及IPTV系统的总体结构进行了分析了,列举了相关IPTV系统质量分析指标,并研究了影响这些质量指标的因素。接下来对MDI以及MPQM两种质量分析模型进行了介绍,详细分析了模型的结构以及特点,研究了模型存在的一些问题,在了解了模型原理的基础上提出了相关解决方案。

摘要：随着IPTV业务的快速发展,对现在承载网络带宽的要求越来越高。由网络性能原因导致的视频质量下降,成为了制约IPTV业务发展的关键因素之一。对IPTV系统的基本结构进行了阐述,研究了影响系统质量的主要因素,分析了各种指标。对MPQM模型和MDI模型的基本原理做出分析,结合这两个模型,设计了IPTV质量分析系统的总体结构。

关键词：IPTV,质量分析系统,指标

参考文献

[1]张应福.IPTV业务及其技术实现方法[C].四川省通信学会2006年学术年会论文集,2006.

[2]唐宏,苏军根,李江蒇.基于分布式IPTV业务质量监测方案研究[J].中国数字电视,2006(21):44-46.

[3]肖晴,姚良.IPTV端到端质量保证的实现[J].电信技术,2008(06):19-22.

[4]吴雪波.用户体验质量测试是IPTV成功的关键要素,安捷伦科技有限公司,2007.

[5]QoS研究及展望[EB/OL].http://www.pcdog.com/network/special/2005/12/h052949.html,2005。

[6]胡永传,唐宏基.基于分布式IPTV业务质量监测方案的研究[J].电脑与电信,2007,12(1):21-24.

[7]RFC4445,A Proposed Media Delivery Index(MDI),April 2006.

IPTV服务质量关键技术研究 第2篇

随着信息技术的迅速发展和市场竞争的日益加剧, 多元化业务不断出现, 电信、广电、互联网正通过各种方式相互渗透和融合。IPTV改变了传统电视业务的收视方式, 提供交互服务和按需收视, 更加符合高效率、个性化的时代需求。

IPTV是视频压缩编码、宽带接入、流媒体网络等各种技术综合发展的结果。集互联网、多媒体通信、广播电视及下一代网络等基本技术于一体, 通过有利于多业务增值的IP协议, 提供包括视频节目在内的各种数字媒体交互性业务, 实现宽带IP多媒体信息服务。长久以来, 用户习惯了传统电视不间断的业务可用性、快速的频道切换时间和低廉的费用, 而IPTV由于其固有的网络架构复杂性和IP协议的“尽力传送”特性, 在语音、视频质量和频道切换性能方面有先天的缺陷, 因此, 如何保证IPTV服务质量达到甚至超过有线电视成为IPTV成功的关键要素, 提供高质量的语音、图像业务和保证终端用户的体验质量是IPTV服务质量的关键。

IPTV服务质量直接影响用户的体验和感受, 是IPTV运营亟待解决的问题。目前国内外机构致力于IPTV服务质量的提高, 尚未形成标准。本文结合服务质量 (Qo S, Quality of Service) 和体验质量 (Qo E, Quality of Experience) 分析IPTV服务质量的关键技术, 从区分服务模型、媒体流传输指标 (MDI, Media Deliver Index) 和基于IPv6的频道切换技术的角度提出改进IPTV服务质量的方案。

2 IPTV服务质量

IPTV是基于IP网络承载音视频、数据业务及其他增值业务的交互服务系统, 从两方面分析其服务质量:第一, IPTV以IP网络为基础架构, IP网络的Qo S是IPTV服务质量的基础保证;第二, IPTV业务直接面向用户, 以用户体验为中心, 用户Qo E是IPTV服务质量的重要衡量指标。下面结合IP网络Qo S和Qo E分析IPTV服务质量的关键技术。

2.1 Qo S

Qo S是网络提供更高优先服务的一种能力, IP网络Qo S的主要指标是时延、抖动和丢包。这三个指标对于IPTV系统的影响如下:

(1) 时延表示数据包从网络入点到出点的时间间隔。对于视频业务, 系统内网络节点和视频解码器需要对视频流进行缓冲, 以避免抖动产生的视频效果恶化。恒定的时延表现为视频观看时间的推迟, 但不影响视频观看的质量。

(2) 抖动表示网络时延的变化, 为同向传输的相邻数据包之间的时间差。视频服务器的性能变化、网络拓扑变化等都可能造成抖动, 抖动变化有助于判断视频传输质量恶化的趋势。

(3) 丢包表示从网络入点到出点之间发生数据包丢失的现象, 丢包对视频播放质量有直接的影响。实验表明, 无论视频丢包的类型 (I、B、P帧) , 在没有适当的视频解码补偿或者丢包重传机制下, 视频播放质量都会出现不同程度的下降。

Qo S是为用户在时延、抖动和丢包等方面获得预期服务水平所采取的一系列技术的集合。Qo S可根据不同需求, 提供不同服务质量的网络服务。当网络过载或拥塞时, Qo S能确保重要业务量不受延迟或丢弃, 同时保证网络的高效运行。Qo S主要提供以下三种服务质量的网络服务:

(1) 尽力而为服务模型:应用程序可以在任何时候发出任意数量的报文, 不需要事先获得批准, 也不需要通知网络, 是Internet的默认服务模型。使用该模型的网络尽最大可能发送报文, 采用先进先出 (FIFO, First In First Out) 策略, 因此无法对时延和可靠性等提供保证。

(2) 综合服务模型:应用程序在发送报文前, 先向网络申请特定的Qo S服务, 网络在流量参数描述范围内, 预留资源以满足该请求。该模型采用资源预留协议 (RSVP, Resource Reservation Protocol) 传送Qo S请求, 对所有应用都预留资源, 因此不适合多业务应用。

(3) 区分服务模型:根据业务的不同服务等级, 有差别地进行流量控制和转发来解决网络拥塞问题。该模型在网络边缘对不同业务进行分类, 打上不同的Qo S标记;在网络内部, 根据不同标记进行相应的转发处理。从而获得端到端不同业务类别的服务质量保障。

综上所述, 尽力而为模型和综合服务模型无法满足IPTV系统对于可靠性、多业务应用等基本要求, 而区分服务模型由于其对不同业务采取不同优先级处理的策略更适用于IPTV系统。

2.2 Qo E

Qo E在Qo S的基础上, 从用户体验角度进一步确定了IPTV服务质量的范畴, Qo E重视用户的主观感受, 目标面向完整的端到端Qo S。对IPTV系统而言, 用户视频体验质量和频道切换性能是Qo E的重要指标。

IPTV对网络带宽的要求高, 对时延、抖动和丢包的容限较低, 这就要求网络设备具有较高的承载能力。为了有效评价网络设备对IPTV业务的支持能力, Qo E采用MDI在网络层上衡量预期的用户视频体验质量。MDI结合抖动和丢包率两个指标衡量高品质视频的网络质量, 反映IP传输网损伤对IPTV媒体质量的影响。

IPTV频道切换性能也是Qo E的重要性能之一。在传统的有线电视网络中, 视频终端同时接收所有的频道信号, 所以频道切换几乎是“即时”的。但是IPTV在很大程度上受到接入网的带宽限制, 终端不能同时接收所有的频道;而且, IPTV的频道切换过程需要复杂的网络信令交互, 包括组播组的离开和加入过程、组播流的前向传送过程。这会造成频道切换产生较大的延迟, 引起用户不满意。

以下将从区分服务模型、MDI和频道切换技术的角度研究IPTV服务质量关键技术, 提出改进IPTV服务质量的方案。

3 IPTV服务质量关键技术

3.1 区分服务

区分服务模型可应用于IPTV承载网和接入网中, 结合弹性分组环 (RPR, Resilient Packet Ring) 技术, 实现IPTV系统端到端的Qo S保证。

RPR是IEEE 802.17工作组定义的MAC层标准, 提供弹性、快速故障自愈能力和性能监视能力, 可运行于多种物理网络上。在RPR技术中, IPTV业务划分为A0、A1、B、C四类, 如表1所示。

表中, 对于IPTV组播业务始终保留带宽, 完全不受链路切换的影响;对于IPTV单播业务优先处理, 主要用于IPTV系统间的信令交互。

在IPTV承载网中, 根据不同的IPTV业务划分VLAN, 再将不同的VLAN与RPR类进行映射[4]。不同VLAN打上不同的Qo S标记, 采用区分服务模型, 依据报文携带的二层和三层信息, 包括报文的VLAN信息及源、目的IP地址等, 采用承诺访问速率 (CAR, Committed Access Rate) 完成流量的度量和监管, 通过优先队列 (PQ, Priority Queue) 、定制队列 (CQ, Custom Queue) 机制进行拥塞管理, 对不同的VLAN报文按预先制定的优先策略进行调度。

3.2 MDI

MDI结合抖动和丢包率两个指标衡量高品质视频的网络质量, 反映IP传输网损伤对IPTV媒体质量的影响。MDI包括延迟系数 (DF, Delay Factor) 和MLR (Media Loss Rate, 媒体丢失率) 两个指标[1]。

(1) DF

DF表示缓冲器为了消除抖动而允许包含数据的时间, 以毫秒为单位。反映视频是否会出现图像失真, 从而在一定层面获得用户体验质量。DF还可确定每个网元在视频流传输路径中的影响。通过比较流入设备的DF与流出设备的DF, 可确定该设备是否注入过多的抖动以至于影响视频传输[1]。

流媒体应用有实时性的特点。在流媒体通过IP网络传输的同时, 终端解码器在消耗已接收到的媒体流信息。IP网络传输媒体流出现的抖动表现为同一媒体流的IP封包传输的间隔不均匀。在采样周期中, DF首先计算在测量点每个IP视频封包到达时间变化。然后, 与预期的视频流速度对比得出。采样周期默认为1秒, DF的数值在每次采样周期完成后更新。具体DF的计算公式如下:

假设在测量点有虚拟缓存大小为M, 则:

M=|Nr-Nd|

其中, Nr是设备接收到的字节数, 由实际测试获得;Nd是解码需要的字节数, 通过对视频流解码分析得到。

那么

其中, Mmax是虚拟内存最大值, Mmin是虚拟内存最小值, 都是采样周期内所得数值;R是视频流码率, 单位是:字节/秒。

在理想状态下, 假设媒体流在完全通畅的网络传输时, Mmax为一个IP包封装的媒体流字节数, Mmin为0。假设每个IP包封装的媒体流字节数为Pm, 每个IP包封装n个MPEG包, 媒体流以Rc的固定码率 (CBR, Content Bit Rate) 传输, 则DF期望值为:

由上可知, 网络抖动可以转变为对媒体流解码缓冲的需求。当解码器的缓存小于DF值时, 解码器会出现缓存内容耗尽的情形。因此, 只要保证设备缓存大于DF值, 并且端到端网络设备的DF值恒定, 抖动就不会影响视频播放的质量。

(2) MLR

MLR是每秒钟丢包数或乱序包的数量。由于许多设备往往不对接收到的数据包进行重新排序, 而直接将其发送到解码器, 所以对乱序数据包的检测非常重要。任何数据包丢失都会对视频质量带来不利影响, 并造成视觉失真或异常以及不均匀的视频回放[1]。

设采样周期为T, 单位是秒;采样次数为K, 第k次采样丢包数为Nl (k) , 则:

MLR可以反应单位时间的丢包数, 但不能反应丢包的持续性。实验数据表明, 持续的少量丢包比一次大量丢包对视频观看质量有更明显的影响。因此, 引入了M L T (Media Loss Total, 媒体丢包总数) 。MLT-15表示过去十五分钟媒体丢失总数, MLT-24表示过去24小时媒体丢失总数, MDI配合这两个参数可以帮助确定测试时间内的累计丢包数目。

采用以上指标可以衡量视频服务器输出性能、网络设备视频流的承载性能、机顶盒容忍能力等, 在IPTV视频Qo E中有重要的作用。

3.3 频道切换技术

IPTV频道切换时间主要由硬件设备性能和网络信令交互延时决定。硬件设备主要有机顶盒和路由器、交换机等网络设备。对于机顶盒而言, 其内部对于频道切换命令的处理、MPEG解码和视频缓冲等都会引起延时。网络信令延时主要由组播协议机制引起, 组播协议交互的复杂性决定了IPTV频道切换的复杂性, 制约了其频道切换的性能。对于硬件延时, 本文不做赘述。下面基于IPv6组播侦听协议组播侦听发现 (MLD, Multicast Listener Discovery) 分析网络延时对IPTV频道切换时间的影响。

分析可知, 网络延时由以下因素决定:组播组离开报告的传输时间、特定组查询及等待的时间、组播组加入报告的传输时间、组播路由协议传输组加入消息的时间、以及组播流到STB的传输时间。完整的频道切换时间组成如图1所示。

其中, 频道切换时间主要由以下指标确定:

频道切换延时 (CSD, Channel Switch Delay) :机顶盒内部处理离开组和加入组请求之间经历的时间。

加入延时:发送MLD加入组报告消息和收到该组播组第一个字节数据所经历的时间。在MLD协议机制中, 在发送MLD加入组报告前要启动计时器, 等待一段随机时间[2]。

离开延时:发送MLD组播侦听完成消息到收到该组播组最后一个字节数据所经历的时间。在MLD协议机制中, 主机向路由器发送MLD组播侦听完成消息, 路由器收到后, 会发送一个特定组播地址查询消息确认该组是否还有成员, 并启动计时器等待一段时间后才离开[2]。

切换延时T1:频道间切换的延时, 也就是发送离开上一个频道的请求和接受到新组播频道的第一个字节数据之间的时间。

切换延时T2:离开组命令到第一个节目关联表 (PAT, Program Association Table) 帧之间的间隔, 因为机顶盒只有在收到TS流的第一个PAT后才能开始视频解码, 所以T2更准确反映用户真实的IPTV频道切换体验。

由以上分析可知, 频道切换过程中, 组播协议交互相对复杂。MLD在发送加入组播组报告前要启动计时器等待, 当组播路由器接收到离开组报告时, 也启动应答计时器等待响应。对于带宽资源有限的IPTV网络, 必然会造成更大的延时。

鉴于此种情况, 在IPTV系统中, 应尽量减少时间可以保证接收到响应, 同时减少带宽资源的浪费。在此基础上, 直接将定时器时间设置为0。当组播路由器接收到离开组报告时, 立即修改转发表, 切断对应端口的组播流量。流程如图2所示。

4 总结

目前国内外运营商正在积极进行IPTV商用网络的建设和运营, 为IPTV网络的大规模开通和部署积累经验。本文通过对IPTV服务质量关键技术的研究, 从区分服务模型、MDI和频道切换技术的角度提出改进IPTV服务质量的方案。对于实现IPTV服务质量的有效监测提供重要的技术基础, 对于IPTV的标准化和IPTV业务的部署有积极的推动作用。

摘要：IPTV服务质量直接影响用户的体验, 是IPTV得以运营的关键技术之一。目前国内外致力于提高服务质量的技术研究, 尚未形成标准。本文结合QoS和QoE分析IPTV服务质量的关键技术, 从区分服务模型、MDI和基于IPv6的频道切换技术的角度提出改进IPTV服务质量的方案。

关键词：QoS,QoE,IPTV,MDI,频道切换

参考文献

[1]　RFC4445:　A　Proposed　Media　Delivery　Index　 (MDI) [S].2006.

[2]　RFC2710:　Multicast　Listener　Discovery　 (MLD) 　for　IPv6, [S].　1999.

[3]　周贤伟.　IPTV组播与安全[M].　北京:国防工业出版社, 2006.

[4]　许永明, 谢质文, 欧阳春.　IPTV-技术与应用实践[M].　北京:电子工业出版社, 2006.

IPTV业务端到端质量保障的探讨 第3篇

IPTV是一种多媒体业务, 对网络的QoS具有非常严格的要求。首先, 由于视频成分的存在, IPTV要求很高的传输带宽。其次, IPTV中的音频成分对传输时延提出了很高的要求。为了保证理想的声音质量, 端到端的传输时延应小于200毫秒, 时延抖动应小于数十毫秒。由于多种媒体成分的同时存在, 在播放时要保证各种媒体的时间同步。与用户的交互能力是IPTV业务的重要特征, 具备交互能力的同时保证良好的业务体验对IPTV业务部署提出了更高的要求。

为了保证运营商的正常运营, 端到端的业务保障是IPTV运营商的强烈需求, 但无论是视频质量管理还是IP网络资源管理, 对电信运营商而言都是全新的挑战。IPTV业务质量保障的目标是提供理想的用户体验质量。通常业务质量通过业务提供商与用户之间的服务等级约定 (SLA) 来确定。IPTV系统由多个独立的部分组成, 问题可能出现在电视机、机顶盒、内容编码/加密、用户家庭网络、接入网络或核心网络等。认真分析各个方面存在的问题并加以解决, 将会使IPTV业务端到端质量得到可靠保障, 为未来IPTV业务规模发展打下良好的基础。

二、IPTV平台保障方案

一般地, IPTV系统设计要求支持智能分发、手动分发等多种分发机制。但在实际运行过程中, 存在以下问题:内

体服务器繁忙;热片上映后, 由于未能及时下推到二级节点甚至边缘节点, 导致用户向上级节点请求服务过于频繁, 从而影响用户使用感知。为此, 可采取以下措施:

(1) 协商内容提供商, 请其下传片源应选择在业务闲时进行, 尽量避开业务高峰时段对省中心节点流媒体处理能力的占用。

(2) 主动采用手动分发策略。依靠设置阀值进行智能分发可能存在以下问题:阀值设置过低, 省中心平台FTP服务器将持续下传影片, FTP服务器持续繁忙;设置过高, 用户在二级节点未命中率提高, 同样需要到省中心平台点播, 流媒体服务器压力过大。换言之, 依靠调整阀值来解决各级几点服务器处理能力效果将不会很理想。因此, 对于热片, 应及时与百事通沟通, 采取人工干预的方式下推, 既可减轻FTP服务器的负担, 同时不会影响用户的使用感知。

三、城域网网络质量保障方案

1、组播部署

直播业务是IPTV业务最基本的业务形式之一, 应采用组播技术在IP承载网络上传送。直播节目内容推送到IPTV承载网后, 由组播源通过组播发送到业务接入控制点, 再由业务接入控制点通过宽带接入网提供给用户。

以业务接入控制点为分界点, IPTV承载网的城域/汇聚网部分应支持IP组播路由 (包括PIM-SM、PIM-SSM协议) ;宽带接入网部分应支持二层组播用户管理功能 (如IGMP snooping、IGMP proxy) ;而业务接入控制点应支持组播用户管理和相应的组播路由功能。IPTV承载网组播要求如下图所示:

IPTV承载网采用PIM-SM协议作为组播路由协议。

从BRAS/SR到核心/汇聚路由器沿途设备部署PIM-SM, 具体设备包括核心路由器、汇聚路由器、SR和BRAS上的IPTV VR。

为减少用户切换频道时的延时, SR可以静态成员的方式加入每个频道对应的组播组, 从而省去了节目由直播源到组播复制点的传输时延, 并可有效减少机顶盒缓冲时延, 进一步提高直播业务的服务质量。

IPTV承载网的直播业务中, 对各网元的组播要求如下:

●核心路由器:应支持组播路由协议PIM-SM/PIM-SSM, 建立组播转发路径。

●接入控制点:应支持组播路由协议PIM-SM/PIM-SSM, 建立组播转发路径。还应支持IGMP协议。

●汇聚节点:应支持IGMP Proxy或Snooping功能, 能够根据STB的IGMP Report消息决定是向上转发组播请求还是在本地复制组播流。

●接入节点:应支持IGMP Proxy或Snooping功能, 能够根据STB的IGMP Report消息决定是向上转发组播请求还是在本地复制组播流。还应从用户端口分离出IGMP消息转发到上行的组播VLAN里, 能把下行组播VLAN中的BTV流复制到合适的用户端口。还应具备控制用户加入组播组的权限控制功能, 仅对有权限的用户转发IGMP消息或复制组播流, 丢弃无权限用户的IGMP消息。接入节点的组播权限控制表可静态配置或动态查询, 对于动态查询到的组播权限, 并可缓存查询结果。这就要求城域网内所有设备支持以上相应组播协议, 并进行组播部署和全网测试。

2、QoS保障

IP城域网内多业务的QoS保障, 现阶段以适度轻载和静态规划相结合的方式实现。业务控制点 (BRAS/SR) 和家庭/企业网关将作为业务QoS实现的关键设备, 负责将不同用户的不同业务隔离在不同QoS属性的物理或逻辑接入通道中, 实现业务的区分、标记和优先级调度功能。城域骨干网应能根据IP优先级标记实现8个队列的优先级调度功能。二层汇聚网络可通过轻载和部署QoS进行保证, 建议能够支持3-4个队列的QoS保证。

IPTV中的流媒体业务有两种提供方式, 一种是单播方式的视频点播 (VOD业务) , 另一种是组播方式的视频直播 (BTV业务) 。VOD视频点播是非交互式的流媒体应用, 对实时性的要求不是很高, 可以通过设置缓存来降低对时延的敏感度。BTV是单向式流媒体传送, 但实时性要求比较高, 对数据包时延的敏感度高。音视频通信和联网游戏业务属于交互类的应用, 对实时性和时延的要求也比较高。

以下是IPTV视频类业务对承载网QoS保障的各种要求:

3、城域网中继带宽保障

城域网中继带宽对I P T V业务的影响主要为B A S至S R和B A S至G SR的中继带宽, 以下简单计算IP T V业务对城域网中继链路带来的新增流量, 为城域网中继带宽扩容提供参考依据。

(1) BAS-SR

BAS至SR的中继链路主要承载边缘节点至用户的点播业务流, 计算模型如下:边缘节点IPTV用户数*并发率*点播比*码流=8000*50%*50*2M=4000M, 按照每个片区SR下挂4台BAS估算, 则每台BAS至SR的中继链路新增1G流量。

可根据城域网BAS设备上行带宽和实际流量情况进行扩容。

(2) BAS-GSR

BAS至GSR的中继链路主要承载三种业务流, 分别为直播业务流、二级节点点播业务流、中心节点点播业务流, 计算模型分别如下:

1、直播业务流:直播频道数*码流=100*2M=200M。

2、二级节点点播业务流:按照每台BAS所带IPTV用户数为2000户估算, 则该部分流量=2000 (BAS所带IPTV用户数) *50% (IPTV用户并发) *50% (点播业务并发) *20% (在边缘节点点播未命中率) *2M (码流) =200M。

3、中心节点点播业务流:按照每台BAS所带IPTV用户数为2000户估算, 则该部分流量=2000 (BAS所带IPTV用户数) *50% (IPTV用户并发) *50% (点播业务并发) *10% (省中心节点10%流媒体服务能力容灾) *2M (码流) =100M。

综上, B A S至G S R新增流量合计为200+200+100=500M。

同样地, 可根据城域网BAS设备上行带宽和实际流量情况进行扩容。

四、宽带接入网网络质量保障方案

目前, 宽带接入网建设模式主要有以下几种:DSALM、LAN、FTTX和点到点光纤, 以下分别介绍。

1、DSLAM

作为目前宽带接入的主流技术, ADSL接入网络规模在各大运营商的宽带接入网络中均占有较大比例。当前DSLAM设备主要存在以下问题, 对ITV业务质量造成影响:

(1) 部分DSALM设备上行带宽不足;

(2) ATM内核的DSLAM设备不支持组播;

(3) 由于用户接入铜缆距离过长, 用户接入带宽不达标。

解决以上问题主要有以下途径:

(1) 对于新建DSLAM设备, 严格控制一个上行GE口最大不超过1920线, 建议控制在1500线以内。一方面使用户接入带宽得到保障;另一方面, 确保每用户每业务一个VLAN, 即PUPSPV, 以便在城域网实施对ITV业务的识别和业务优先级的保障。

(2) 对于原有DSLAM设备, 在ITV业务相对集中的区域, 实施上行带宽改造扩容, 采用FE口上行的DSLAM设备, 超过480线, 即需新增1条上行FE链路。

(3) 对于ATM内核的DSLAM设备, 可不急于改造, 若用户较为密集, 在机房条件许可的条件下, 可考虑新建1套IP DSLAM设备, ITV业务割接到IP DSLAM设备上来, ATM内核的DSLAM设备仅接入宽带上网用户。

(4) 对于用户接入带宽因铜缆距离过长不达标而对ITV业务质量造成影响的, 可考虑实施宽带下沉, 通过新建更靠近用户的DSALM设备或FTTX设备, 对用户带宽实施提速。

2、LAN

在L A N的建设模式下, 用户接入带宽理论上可达100M, 在用户数量不大时, 接入带宽不会成为影响ITV业务质量的因素。

目前LAN建设范围主要集中在高校学生公寓, 有少量住宅小区亦采用LAN建设。后期当这些小区ITV用户较为密集, 且并发比较高时, 影响ITV业务质量的主要因素是园区中心交换机的上行带宽, 此时可通过增加园区中心交换机的上行带宽解决。

当全网组播复制点下沉到DSLAM时, LAN小区的组播复制点亦需相应下沉到园区中心交换机, 以节约其上行带宽。

3、FTTX

当用户接入设备为A类ONU (FTTH建设模式) 和B类ONU (FTTB建设模式) 时, 用户接入带宽理论上分别可达1000M和100M, 在用户数量不大的情况下, 接入带宽同样不会成为影响ITV业务质量的因素。

当用户接入设备为C类ONU (FTTN建设模式) , 其接入设备性质本质上采用的是ADSL技术, 用户板卡一般采用ADSL2+技术, 铜缆距离对接入带宽影响较大。

采用C类ONU, 利用FTTN建设模式对中心城区以及农村地区用户接入铜缆距离过长进行光进铜退改造, 可有效缩短用户接入铜缆长度, 显著提高用户接入带宽。

当全网组播下沉到DSLAM一级时, FTTX建设方式组播复制点亦需相应下沉到OLT。

4、点到点光纤

点到点光纤理论上用户接入速率可达100M或1000M, 在用户数量不大的情况下, 接入带宽同样不会成为影响ITV业务质量的因素。影响用户接入带宽可能会在用户局域网范围内用户数量和并发比。

五、业务接入控制和网络安全保障方案

解决了网络质量, 并不能使ITV业务质量得到可靠保障, 城域网业务接入控制和网络安全同样很重要。目前, 主要通过以下途径实现:

防级联平台:建设IP业务监控分析系统, 该系统可实现的功能包括:防非法接入、P2P流量分析与监控、VOIP流量分析与监控, 等等。

规模部署DHCP平台: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。

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, 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。

建设防DDOS攻击业务平台:目前, 由于商业竞争、政治情绪、经济勒索等因素的驱动, DDoS攻击越来越呈现出组织化、规模化、专业化的特点, 攻击流量动辄数G、数十G, 攻击频率也大有愈演愈烈之势。在这种紧迫形势下, 配合电信运营商当前的转型战略, 建设专门的DDoS攻击流量监测和清洗平台是一个必然之选。基于该平台, 一方面可以为运营商自身的生产网络提供安全保障, 有效提高生产网络的健壮性;另一方面可对IPTV的业务质量提供一定的网络保障。

建设IPTV业务质量监测系统:在条件成熟时, 可考虑建设1套IPTV业务质量检测系统。该系统是一个独立的分布式系统, 叠加在现有IPTV业务网络中, 通过部署监测代理或测试探针的方式来获得IPTV业务运行时各个网络节点的相关质量参数数据, 并由监测平台进行集中采集、分析和统计, 以获得IPTV业务总体质量情况, 从而可以及时地发现各环节存在的问题并加以解决。

六、终端保障方案

终端侧两个影响业务服务质量的因素是视频解码器差错控制隐藏机制和缓冲区大小。

视频数据在传送到终端后不可避免的产生误码和丢包现象, 在一个端到端的传输系统中, 差错控制隐藏是通过编码端的信源编码、信道编码和解码端的错误隐藏措施联合实现的。在信源编码和信道编码确定的情况下, 解码端可以利用人类感觉系统可以容忍一定程度视觉失真的特点进行差错隐藏, 这一般是通过空间和时间内差实现的。终端应能对缓冲区大小进行调节以在平滑网络抖动和由此产生的延时之间找到合理的平衡点。

摘要：IPTV是电信运营商从传统电信网络运营商向综合信息服务提供商转型的一项战略性业务, 它充分体现了“Triple-Play”的优势, 是三网融合的典型代表。由于IP网络是一个尽力而为 (BE) 的普遍服务型网络, 而IPTV是一个对实时性、音视频质量要求较高的业务, 因此, 深入分析影响IPTV业务质量的因素并有针对性地加以解决, 将有效提高IPTV业务质量, 提高IPTV业务的社会认同感, 有利于IPTV业务广泛开展。本文从IPTV平台、承载网络、终端等层面分析, 提出了IPTV业务端到端的质量保障方案。

关键词：IPTV,QoS,端到端

参考文献

[1]中国电信集团网络发展指导意见 (2008年)

IPTV质量分系统 第4篇

部署高效的组播技术，保证良好的QoS，是IPTV业务顺利开展的关键环节。互联网络为数据、音视频等应用提供了不同的QoS策略，如综合服务体系结构IntServ、区分服务体系结构DiffServ和多协议标签交换MPLS等。上述技术适用于满足服务质量的单播应用，但不能有效地为组播提供端到端的服务质量。为了解决IPTV组播的服务质量问题，迫切需要更高效的传输方案[1]。

1 基于MPLS网络的IPTV区分服务模型

理论上最好的保证IPTV传输服务质量的技术是集成服务模型(IntServ)，但其开销较大、扩展性不好且效率低，故不作为优先选择。真正结合了IPTV业务特点和运营实际情况的QoS技术是差分服务模型(DiffServ)。如果在网络核心使用多协议标记交换技术，就可以得到更好的服务质量保证[2]。

1.1 MPLS协议与IPTV系统

如果直接在原有网络上增加IPTV系统，而不区分业务流类型、不设置排队和拥塞管理机制、不进行服务质量保证(即所有数据流都采用尽力而为服务类型)，那么将很有可能出现网络拥塞，所有数据流都去抢占代价小的路径，而代价大的路径却空闲了[3]。我们提出这样一种设想，选择一条次优且满足IPTV服务质量的路径来传输数据流，这就需要MPLS技术进行资源隔离。

MPLS(多协议标签交换)将三层IP技术和二层交换技术结合在一起，传输中只处理一个定长的标签，在无连接的IP网络中引入面向连接的机制，采用建立标记交换通路来转发分组，提供IP业务时能确保服务质量。MPLS不但支持流量工程，也是当前最有前景的VPN的主要实现技术[4]。MPLS为单播通信带来诸多利益，但是它的提出并未充分考虑对组播的支持。在MPLS中应用组播技术的核心问题就是如何将第三层组播树映射到第二层链路上。图1为MPLS协议实现组播的模型。

1.2 MPLS叠加差分业务模型的组播

由于MPLS本身没有固有的服务类型(CoS)或服务质量(QoS)特性，它仅仅是为基于IP的QoS或CoS提供一个体系机构。因此，它单独使用并不能提供QoS的保证。区分服务体系结构DiffServ简化了网络内部节点的结构，可以根据报文内容区分各种业务的流量，分配优先级，保证高优级先转发，体现出良好的扩展性，容易在路由器上实现，是一种良好的IPQoS控制模型。但DiffServ仍采用了逐跳路由的分组转发方式，还不能完全依靠自己来提供很好的端到端的QoS结构[5]。DiffServ对服务质量的分类和标签机制与MPLS的标签分配十分相似，使得MPLS可以很容易支持DiffServ体系。

在MPLS中的LSR(标记交换路由器)中不检查IP数据包头，其相应的DSCP对LSR是不可见的，因此在MPLS叠加DiffServ体系结构中，必须把DSCP值映射到MPLS标签中。其核心机制是提供某种方法，使在标签头中能确定其相应的PHB，目前IETF工作组提出了两种方案：E-LSP模型和L-LSP模型[6]。

为了保证组播服务质量，本文引用一种扩展的DiffServ框架[7]，在原有单播服务类型的基础上增加多播服务类型。此框架需要包括一些必要的因素和工具，例如：1)流量分类和调整;2)PHB;3)PHB组：PHB组将被用在组播环境中，因为对于特定应用的组播流来说，我们需要指定相同的QoS策略;4)排队机制：典型的排队机制仍然适用于此模型中;5)服务类型：在原有单播流服务类型的基础上，增加三类组播流服务类型：实时多播，重要数据多播和尽

IPTV业务与其他业务相比，对丢包和时延的敏感度居中，所以在进行多协议标签交换叠加差分业务模型部署时，其优先级不是最高。MPLS网络的LSP机制允许我们为不同的业务建立专门的转发路径，我们在区分模型中设置显示的LSP，建立显示路径，为IPTV业务建立专门的能够满足IPTV业务传输质量要求的转发路径，而传统业务则通过其他路径传输，同时把IPTV多播数据流标记为实时组播服务类型，以这样的方式进行流量的合理分流，一定程度上控制了网络拥塞。

2 IPTV系统中基于QoS策略的PIM-SM协议的扩充

为了解决组播的QoS问题，人们还引入了基于QoS的组播路由方案。该方案的主要思想是在构建组播树之初就考虑用户的QoS要求和网络资源的总体使用率，更多的理论研究也聚焦在这个问题上。现有的可直接支持基于QoS参数进行路由寻径的组播路由协议有QMRP、QoSMIC等，但这些协议在新的组成员加入过程中存在搜索范围过大、控制复杂、延迟较高等问题，且无法从现有组播路由协议扩充实现，开发工作量较大。针对IPTV系统采用广泛使用的PIM-SM作为组播路由协议，可以考虑基于PIM-SM协议进行扩充以满足一定的组播QoS。在PIM-SM QoS模型中，接收者首先加入无QoS保证的共享树，一旦接收者决定加入有特定QoS约束的有源树时，再切换到相应的源树。

文献[8]提出了两种组播构造算法：基于树信息的QoS组播TIQM算法和基于简单单播的QoS组播NUQM算法，前者基于全局传播组播组信息，后者使用下层的支持QoS的单播路由算法。这两个方案存在一定的互补性。文献[9]提出了另一种基于QoS策略的PIM-SM扩充方案：PUQM(per-hop unicast QoS multicast)方案。PUQM采纳了NUQM的逆向单播加入寻径机制，并将预留带宽请求也写入Join/prune信息包，从而使接收者从SPT树切换到ST树的同时完成相应的带宽预留。

在IPTV系统中，用户的观看行为可以归为两大类：来回切换频道模式和观看模式，用户通常在广告时间或者为了浏览其他更感兴趣的节目而切换频道，这时候对视频流的QoS要求比较低，对频道的快速切换要求较高，而当进入某个频道进行长时间的观看时，就要求高QoS的视频流。综合比较上述方案，PUQM方案的思想更好地契合了用户的行为模式。因此我们在PIM-SM协议中引入PUQM方案。当用户进入稳定的观看模式时，通过SPT树到ST树的切换，完成了相应的带宽预留，保证了稳定的观看质量。

3 结束语

该文首先提出了IPTV系统使用组播技术的必要性，然后针对IPTV系统中组播的服务质量问题提出两种策略：1)MPLS叠加差分业务的体系结构，并对DiffServ模型进行相应扩展，提出一种保证IPTV组播服务质量的体系结构;2)PIM-SM QoS模型，对PIM-SM协议基于QoS进行扩充，结合IPTV系统的用户行为特性，探讨了这一扩充协议应用于IPTV系统的优越性。目前组播技术还在不断的研究与发展之中，它的成熟必将推动IPTV等多媒体应用的快速发展。

摘要：随着网络技术的飞速发展,新的多媒体应用,如视频广播、视频点播、会议电话等不断涌现。如果仅仅使用传统单播技术,将会给电信运营商带来巨大的带宽浪费,而组播技术能在一定范围内有效缓解带宽消耗。该文通过深入研究IPTV系统的组播技术,分别从体系结构和协议方面提出基于MPLS网络的差分服务模型、基于QoS参数的PIM-SM模型等策略保证IPTV组播的服务质量。

关键词：IPTV,差分服务模型,MPLS,PIM-SM,QoS

参考文献

[1]陈琳.基于服务质量实现多播技术策略的研究[J].现代电子技术,2008(12).

[2]郭锋.IPTV内容分发网络端到端QoS的部署研究[J].电信科学,2009,25(5).

[3]秦全钢,钱光明,谌德林.基于MPLS的IPTV QoS研究[J].微计算机信息,2008(24):2-3.

[4]秦全钢.基于MPLS的IPTV QoS研究[D].长沙:湖南师范大学,2007.

[5]刘勇.基于MPLS/DiffServ组播方案的研究[D].长沙:中南大学,2008.

[6]李海霞.基于DiffServ Over MPLS模型的组播[D].南宁:广西大学,2006.

[7]M Dafer,GDCoS:A Group Dedicated Class of Service for QoS Multicast Provisioning in ISP Communication Networks[C].2009First In-ternational Conference on Evolving Internet.2009:77-82.

[8]S K Biswas,R Izmailov.A QoS-Aware Routing Framework for PIM-SM Based IP-Multicast[J].IEEE Global Telecommunication Confer-ence,2000:376-381.

IPTV质量分系统 第5篇

保护IPTV系统播出安全和媒体内容版权安全,需要建立起一套完善的保护体系,通过媒体内容加密、数字证书认证、用户权利许可等安全手段,使得只有授权的用户才能消费特定的节目,只有允许的节目才能在系统上进行传播,只有合法的终端设备才能播放IPTV内容,从而构建一套完善可靠的IPTV安全保护体系。

结合以上应用需求,本文就如何在新的业务环境下,对IPTV的内容分发、安全播出提出了一套全面的解决方案ProDRMTM系统。

1 ProDRMTM系统总体框架

1.1 系统模型

IPTV系统由服务端系统和客户端系统两部分构成(图1)。服务端系统中与数字版权管理(DRM)相关的功能主要包括:内容管理系统(CMS)、实时加扰器和预加扰器、数字版权管理服务端、用户管理系统(SMS)、推播服务器等。客户端系统中与DRM相关的功能主要包括:内容接收和解扰、数字版权管理客户端ProDRMTMClient等。

各系统的功能如下:

1)内容管理系统,主要负责节目的编排、打包、存储控制并提供各种节目内容。

2)用户管理系统,主要负责用户注册和身份的管理,包括发卡和授权控制、计费、SP(增值服务提供商)/CP(内容提供商)鉴权、各种统计等等。

3)内容加扰系统,主要负责将媒体内容进行加扰,并按照指定格式对码流进行封装,内容加扰系统分为与预加扰系统和实时加扰系统两种。

4)ProDRMTM,服务端安全系统的重要组成部分,主要负责用户授权信息管理(授权的产生、加密、签名等)、节目相关信息管理(节目信息的生成与加密)、用户信息管理(包括用户密钥、授权等)、用户申请内容认证等等。

5)视频服务器,用于加扰后的点播和时移内容的存储及播控控制。

6)内容分发和传输网络,利用内容分发网络(CDN)技术、流媒体分段技术、网络负载均衡技术等把媒体内容分配到各边缘服务器,以平衡网络负载,并尽可能让用户请求得到最近边缘服务器的响应。

7)用户终端,负责内容解扰,授权解密和身份认证以及用户服务申请信息的产生、加密或签名等。

1.2 系统实现的主要功能

ProDRMTM系统通过对内容生成使用权限信息,并对内容预加扰和授权加密来实现对内容消费的控制。

ProDRMTM系统实现的功能主要包括以下几个方面:

1)内容预加扰、实时加扰和授权加密。

2)内容既可以按产品授权,也可以对直播节目独立时间段授权或对点播节目独立节目授权。

3)内容按使用权限的控制范围来消费,这些权限包括观看权限、观看的范围控制、设备控制等。

4)实现授权、反授权、冻结、解冻以及OSD(屏幕显示)和E-mail等功能。

5)支持动态负载平衡、主备服务器、系统监控等系统稳定性措施。

6)同时支持直播(Live TV)、视频点播(VOD)、即时时移、准视频点播(NVOD)、按次付费观看(PPV)、个人视频录像(PVR)等业务内容的版权保护。

7)客户端对正在播放的节目可以进行快进、快退或跳转功能的版权保护。

2 ProDRMTM服务端和客户端系统

2.1 ProDRMTM服务端系统

ProDRMTM服务端系统主要实现直播频道实时加扰、点播和时移等内容预加扰,并生成用于客户端安全管理的授权信息,存储并维护用户安全信息、节目信息,对用户授权等的申请作出响应。

DRM服务端系统包括:安全管理平台(SMP)、加密机、数据库及实时加扰器和预加扰器等(图2)。

各部分介绍如下:

1)安全管理平台,包括实现网络服务功能网络服务器WebService、授权控制中心、用户服务器、证书服务器等。

2)加密机,产生和维护密钥,并完成对各种数据加密。

3)数据库,用户和节目等关键信息的存储和维护。

4)实时加扰器,负责直播节目的实时加扰和复用。

5)预加扰器,负责点播节目的预加扰,并把加扰后的节目送至节目存储设备存储。

2.2 ProDRMTM客户端系统

ProDRMTM系统对节目和用户消费控制,采用授权制信息来实现。在此方式下,客户端系统要有解析和处理授权信息的功能,这些功能要求对授权信息进行解密以提取加扰内容的密钥。

ProDRMTM客户端主要包括内容的解扰模块、客户端管理模块、安全模块、上行申请模块以及内容解码等部分(图3)。

客户端系统对接收的码流进行解析,把节目内容送解扰器,把输入的授权信息送入客户端管理模块,并通过双向的回传通道向ProDRMTM服务端申请用户的授权、E-mail等信息。

3 关键核心技术

3.1 密钥及密钥管理

3.1.1 密钥

为保障运营安全,系统采用多层密钥体系。

本方案是基于PKI的技术体系,用于系统各部分之间的身份认证和授权的加解密。

3.1.2 密钥管理

密钥的安全是整个系统的核心问题。密钥的安全存在于产生、传输、存储以及使用等的各个方面。

1)密钥的产生。

密钥的产生具有随机性。

2)密钥的传输机制。

所有密钥加密传输,并附加签名信息。

3)密钥的安全存储。

在服务端,所有需要存储的密钥都是安全存储的,不能以任何方式明文导出。在客户端,所有需要存储的密钥都以密文形式存储于终端的安全管理模块中,不能以明文形式出现在安全模块之外。

4)密钥的使用。

控制字CW用于节目内容的解扰,在终端使用时,要保证CW传输的安全。本方案采用机卡之间建立的安全通道传送CW。

其他密钥的使用要求在终端的安全管理模块内完成,使用时不会以任何形式出现在安全模块之外。

3.2 密码算法

密码算法主要有:

1)内容加扰算法。

本方案支持的加解扰算法有AES和DVB-CAS。支持DVB同密。

2)加密算法。

本方案支持的加密算法包括对称密码算法(如3DES和AES)与非对称密码算法(如RSA)。

3)Hash算法。

支持SHA-1算法。

3.3 PKI证书机制

PKI证书是系统服务端和用户之间以及不同用户之间进行身份认证的基础。

PKI有两种基本操作:证书的建立(是一个将公钥和所有者绑定的过程)和证书的吊销(是验证证书是否有效的过程,如果失效或过期,则需要被吊销)。

系统由服务端的DRM系统担任CA证书中心,负责证书的申请、发放、维护和吊销。

系统采用X.509国际标准证书格式。

3.4 克隆检测

永新视博的克隆检测技术(图4)是通过对终端行为的统计模型来有效地检测被克隆的终端,并利用DRM手段禁止被克隆的终端收看运营商提供的服务。每个终端都有一个唯一的ID和终端设备绑定,在申请业务时需要对终端进行认证。服务端会对每个终端的行为进行统计,在发生一定的冲突后会停止所有冲突终端的服务,直至问题排除。

3.5 追踪技术

3.5.1 数字水印技术

数字水印是永久镶嵌在其他数据(宿主数据)中具有鉴别性的数字信号或模式,而且并不影响宿主数据的可用性。数字水印应具有安全性、可证明性、不可感知性和稳健性。

目前永新视博在应用系统中采用的是一种基于空域的局域图像水印嵌入方法,此方法能有效地防止一定的几何攻击(如旋转、缩放和剪切、图像仿射变换等)和一些传统的数字信号处理攻击(如加噪声、幅值变化、平滑、量化、增强、线性滤波、有损压缩等)。此水印技术被用于系统的版权检测和盗版跟踪(图5)。

3.5.2 CW染色追踪

CW染色追踪(图6)是通过对CW染色使得不同分组的CW有差别从而确定CW扩散源的一种实现技术。此技术主要用于直播节目的CW扩散源追踪。

4 两级平台部署

针对IPTV业务运营中出现的业务多级部署架构,ProDRMTM系统构建了两级部署能力(图7)。

ProDRM实现了中央DRM系统的两级部署。中央平台完成对中央直播内容和点播内容的加扰,以及对内容的打包生成产品信息,并将这些内容和产品信息下发至地方平台。由部署在地方的中央授权分中心完成对中央产品的授权。

地方的节目由地方的DRM系统完成加密和授权。中央DRM系统和地方DRM系统可以相同,也可以不同。机顶盒必须同时具有中央DRM客户端和地方DRM客户端。

基于二级平台体系,可以实现运营商对用户信息及内容信息的数据反馈,从而获得一手市场资料,用以辅助IPTV业务的运营。

5 系统特点

5.1 系统的安全性

ProDRMTM安全设计方面充分考虑了系统可能受到的攻击,采用了国际流行且经过验证的开放的加密算法,密钥等数据的安全存储方法,基于PKI体系的认证方法,使得我公司的ProDRMTM系统从前端到终端都足够安全。

5.2 系统的可靠稳定性

ProDRMTM在系统设计上充分考虑了运行可靠性,所使用设备的可靠性和稳定性都经过了严格考验。所有模块支持主备、负载均衡技术。任何一个模块运行发生故障,都可做到无缝切换,保证业务不间断。ProDRMTM的主备和负载均衡无需第三方软件支持。

5.3 系统的可管理性

系统具备健全的网管功能,采用一站式管理,在控制台上可完成系统各模块的配置修改,并可对系统各模块进行启动、停止控制,可对系统各模块以及和周边设备(加扰器、SMS)连接状态进行实时全面的监控。

系统具有完善的分级日志管理系统,并可记录SMS发包的数量及包的内容,对系统各模块运行中的各种状态具有完善的跟踪机制,一旦运行发生故障,可以快速准确定位故障点,并分析获得故障原因。

5.4 系统的可扩展性

ProDRMTM的可扩展性设计主要基于用户和业务两个方面设计。ProDRMTM根据不同业务类型采用面向对象的设计方法,同一个对象可以在系统内启动多个实例,同一个对象的各个实例之间或为主备或为负载均衡方式共同运行。用户量和业务数量增长的情况下,只需要简单扩展硬件的性能,如添加CPU、内存和硬盘,或者增加硬件设备,并且在硬件设备上配置新的实例,不用中断系统的运行。

5.5 系统的实用性及高效性

ProDRMTM是一个实用的条件接收系统(CAS),有多种配置可供用户选择,拥有极高的性能价格比,系统在最初运行的时候,可以采用较低的硬件配置,随着业务增加,可以渐进配置,提高系统容量。如果有新的业务需求,可以替换对应的业务对象模块,完成系统的平滑升级。无论用户选择哪一种ProDRMTM配置都可以保证用户前期投资具有连续性,稳定性和可靠性。同时机顶盒ProDRMTM模块也可以在运营商的控制下,完成新功能的在线升级。最大限度的保护并且节约运营商的投资。

5.6 系统的灵活性及可兼容性

ProDRMTM条件接收系统的所有产品具有高度的灵活性,无论是软件平台还是硬件平台都统一遵循平稳升级、安全过渡的原则,同时产品全部采用了标准化的产品,新版本全部兼容以前的老版本,最大程度上保证用户选择时的灵活性和可兼容性。

5.7 网络规模的支持能力

永新视博公司自主开发的数字电视有条件接收系统所支持的用户量小到几万、几十万,大到百万级、千万级,是一个能平滑过渡升级的大型稳定可靠的系统。

6 结语

随着三网融合产业不断推进,以IPTV为代表的互动视频服务占据着越来越重要比重,视频影像技术和通信技术不断进步,为数字多媒体内容的传播带来更多途径,极大地方便了广大受众,对于促进信息产业发展、提高人民群众文化生活起到重要作用。

但同时也要看到,不断前行的市场发展过程中,诸如内容侵权、非法插播等问题也会随之而来,防患于未然,为IPTV营造一个良好发展环境是作为政府及行业各个环节必须要考虑的问题,安全有效的DRM解决方案是IPTV平稳有序发展的必要条件。

本文就IPTV发展的形态、DRM的基本原理作了阐述,继而结合IPTV直播、点播、回看等业务特点提出了ProDRMTM应用解决方案,希望能为业界IPTV的健康发展尽到添砖加瓦之力。

摘要：提出了一种在IPTV系统中实现数字版权管理(DRM)的端到端解决方案——ProDRMTM。方案包括总体结构、服务端系统和客户端系统三部分,阐述了系统所用到的关键技术以保证IPTV的内容版权和运营安全,最后列出了ProDRMTM系统的主要优势特点。

IPTV质量分系统 第6篇

近年来,IPTV吸引了越来越多的目光,他能向用户提供各种数字媒体业务以及相关增值业务,包括电视节目、视频点播、时移播放等[1]。由于目前业界还没有形成对IPTV服务质量衡量标准,所以用户感知成了IPTV最重要的衡量标准。然而从用户感知角度来考虑,IPTV视频图像传输质量成为影响用户感知度的重要因素。所以,除了采用不同编解码技术以保证视频图像质量外,图像的传输质量成为IPTV业务主要追求的指标。因此有必要从满足IPTV网络图像传输质量要求的角度出发,在IPTV承载接入技术、纠错编码及差错控制技术、计算机网络技术等主要方面开展分析研究。

1 几种影响IPTV图像传输质量的关键技术简介

传输高质量的IPTV视频图像,需要承载接入、纠错编码及差错控制、计算机网络等关键技术的支持,因此体系架构必须满足多种业务、多种技术的特定需求。

1.1 承载接入技术

视频点播(VOD)、电视频道(TV)节目和时移播放等是IPTV业务承载的最主要内容。目前有线电视网播放质量已被多数用户认可,为了保证IPTV的视频图像质量与之相当,IPTV业务在带宽、频道切换时延、QoS等方面对承载网提出了要求。如果采用MPEG-2编码或MPEG-4编码的视频源为用户提供DVD效果的视频业务,单用户至少需要3~4 Mbit/s或2 Mbit/s的下行带宽,若为用户提供标清电视或高清电视业务,则需要更高的下行接入带宽。目前国内主流IPTV承载接入技术主要有DSLAM和PON(无源光网络),PON又分为EPON和GPON两大类。

1.2 纠错编码及差错控制

IPTV业务承载于IP网络上,网络的阻塞、延时和抖动丢包等问题是造成IPTV视频图像传输质量不高的根源。针对这种现象,在不改变原有网络拓扑的前提下,可以在编解码过程中加入如拥塞控制、差错控制等应用层的控制策略。主流的IPTV纠错控制技术包括应用层差错控制技术和应用层前向纠错技术。

1.3 计算机网络技术

为了实现IPTV业务实时交互(即向用户提供个性化的选择)的特点,视频流须采用点播的方式进行传播;而为了向用户提供不同内容(表现为不同节目频道),则要求采用广播的方式进行传播。其中,IPTV业务视频流的广播方式对IP网络提出了组播的要求;而点播方式则要求能够将视频流完整可靠地传送到用户终端。目前,实现IPTV业务传输方式的网络技术主要包括可控组播技术和CDN(内容分发网络)技术。

2 几种影响IPTV图像传输质量的关键技术分析

2.1 承载接入技术

目前适合IPTV网络的承载接入技术主要包括DSLAM和xPON。DSLAM是目前网络运营商现网存量较大的一种接入方式(见图1),而xPON则是新增用户主推的一种承载接入方式(见图2),同时也代表了未来承载接入技术的主要发展方向。针对这两种承载接入技术,各大运营商也提出了相关的IPTV解决方案。

DSLAM简称为数字用户线路接入复用器。早期DSLAM主要提供ADSL业务接入。随着电信设备的IP化,是目前国内现网大量运营的承载接入方式。在DSLAM承载接入的基础上,各大运营商提出了针对DSLAM承载接入技术的IPTV解决方案,如图1所示。

由于DSLAM技术标准、上下行带宽和最大传输距离的限制(见表1),虽然能满足IPTV的基本带宽要求,但是无法满足多业务数据传输的要求及IPTV网络建设需求。这个致命缺点,导致DSLAM技术很难在今后多种业务并存时得到大规模应用。

PON(Passive Optical Network)主要分为EPON和GPON两大类。EPON(Ethernet PON)是一种近年来新兴的光纤接入技术,它采用p2mp拓扑结构,传输过程中不含有源器件,在成熟的以太网协议基础上提供多种业务;GPON(Gigabit-capable PON)技术是最新一代无源光网络接入标准,具有高带宽、覆盖范围大等优点。PON技术是国内网络运营商新增用户的主要承载接入方式和接入网发展方向。图2为IPTV在PON承载接入技术基础上的解决方案。PON技术可以提供非常高的带宽,并且覆盖范围也有很大的提高,相比DSLAM而言,PON更加适用于IPTV的网络建设(见表2)。

2.2 纠错编码及差错控制

传统的IP网络并不能保证数据通信的实时性,但是IPTV业务恰恰具有实时性强的特点。那么网络中存在的延时、抖动和阻塞等现象,就会导致视频图像质量不高的问题,降低用户感知度。为了解决此类问题,在编解码过程中加入一些工作于应用层的控制策略,一种是应用层差错控制技术,另一种是应用层前向纠错(AL-FEC)技术[3]。

2.2.1 应用层差错控制技术

应用层差错控制技术解决方案主要以终端为中心通过在接收终端以及信源编码中加入如拥塞控制、差错控制等策略,来改善图像质量。应用层差错控制技术主要分为编码端前向纠错编码、解码端后处理差错隐藏、编解码端交互差错控制等。

这些技术可以在一定程度上改善视频传输的稳健性,但同时也存在明显的缺点。编码端前向纠错编码技术是在视频编码流的基础上,依据信道的最坏情形来增加冗余纠错编码,它浪费有限的带宽资源且改变了原始码流的结构,不利于编解码的进行;解码端后处理差错隐藏技术只能针对误码率较低的情况,一旦传输误码率较高,视频图像质量受损过多,就无法还原出可接受的视频图像质量;编解码端交互差错控制技术依靠重传机制来实现,如果网络出现阻塞或丢包较多,就可能进一步恶化网络状况。

2.2.2 AL-FEC技术

AL-FEC技术能够较好地解决网络阻塞丢包引起的IPTV业务视频图像传输质量问题。它同样工作于网络模型的应用层,能够在有丢包的情况下,使终端用户接收到的视频和原始视频质量一样高。AL-FEC基于纠删码的运用,在发送端,先将视频流分割成大小相同的数据包,然后对这些数据包产生修复数据包,并将视频流数据包和修复数据包同时传输到接收端;在接收端,通过修复数据包和视频流数据包的处理,还原出原始的视频数据。在网络出现阻塞丢包的时候,接收端只需接收到发送端发送的部分数据包,就能够完全恢复所有的数据。整个过程如图3所示。IPTV中的AL-FEC编码大致可分为Raptor编码、Pro-MPEG CoP3编码以及FEC与重传相结合。

1)Raptor编码

Raptor码基于数字喷泉技术,它针对原始数据流进行分割并产生无限序列的编码包,对于被分割成N个数据包的某一原始消息,在解码端只需要接收到其中任意K个数据包,就能够完全重构这一消息,可以不考虑传输信道的删除概率,具有很低的接收开销。这样的特点,使得Raptor码完全能够胜任IPTV视频图像传输的要求,数字视频广播、多媒体广播在IPTV中的应用都选择Raptor码作为AL-FEC编码。

2)Pro-MPEG CoP3编码

Pro-MPEG CoP3编码基于奇偶校验技术,它可以单独对行或列进行编码(Cop3 1D),也可以同时对行和列进行编码(Cop3 2D)。1D编码只能保证网络出现一个丢包情况下的视频质量,出现连续的两个或两个以上的丢包时,视频数据就会出现损坏;2D编码则要有20%的冗余数据来保证多个丢包情况下的视频质量。Pro-MPEG CoP3编码是一类操作简单的奇偶校验码,但是需要大量冗余视频数据,使其大量消耗网络带宽,利用率很低。

3)FEC与重传相结合

这种方式通过AL-FEC技术恢复传输的视频数据,丢失的视频数据通过重传机制来获取。它可以减轻重传对网络造成的负担,增大视频数据的恢复概率。但是由于重传过程的存在,较难适用于频道快速切换的业务场景。

2.3 计算机网络技术

2.3.1 组播技术

在IPTV的直播(TV)类业务中,所有终端用户都在观看同一个内容,这个特点表明此类业务是最适合采用组播技术来进行传输的。组播技术在IPTV中的应用必须考虑下面几个可能造成视频图像传输质量受损的问题[4]。

1)组播复制点

用户IGMP的终结点就是组播复制点,网络设备在组播复制点根据用户的IGMP请求来向端口复制组播流。为了不引起网络繁忙,往往将组播复制点配置得比较接近用户。

2)静态组播和动态组播

动态组播每次根据用户的请求,通过组播路由技术实时生成组播树,再进行节目源的传输。而静态组播不需要实时生成组播树,根据用户请求直接在承载网组播数据的传输通道将节目源进行传输。从响应时间角度考虑,静态组播技术更加适用于现阶段的IPTV业务。

3)组播服务质量(QoS)

组播基于UDP协议,仅提供不可靠的数据传输,这个缺点导致视频图像传输的质量低下。目前可靠组播技术一直在研究中,还没有进入商用阶段,但现网设备QoS能力的提升,未来数年内组播QoS还能够基本保证。

2.3.2 CDN技术

CDN存在于视频源服务器和缓存服务器之间的网络链路上,是一种分布式内容发布网络。IPTV通过CDN网络,将视频流内容发布到靠近用户端的CDN节点后,就可以为用户提供视频点播服务。它能够比较好地解决由于点播业务量大、视频服务器分布不均匀而造成的网络阻塞问题,保证了服务器端到用户终端的QoS,提高点播业务的响应速度,是IPTV中视频点播业务的有效技术。

但是CDN系统采用不同于数字电视的视频编码格式(主要是REAL和WMV),对主流的MPEG-2,MPEG-4和H.264支持都非常有限,无法提供广播级的视频服务;它主要面向PC用户设计,与TV节目源的要求相距甚远。并且,现有的CDN系统并不能提供完整的IPTV业务,还需要做很多复杂的集成工作。由此看出,CDN并不适合IPTV广播业务的网络技术,大规模的广播型TV业务必须依赖于可靠组播技术的成熟和应用。

3 小结

DSLAM作为国内最主要的固定宽带接入网技术,由于受到本身技术的制约,在距离、速率和出线率等方面还存在不少问题,且IPTV业务对接入带宽有着明确的高要求,采用PON技术是较为理想的。在应用层编解码角度,基于Raptor编码的AL-FEC技术已经在IPTV业务中广泛使用。在计算机网络技术角度,CDN网络的可扩展性较差,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目前仅适用于VOD业务,不适合作为IPTV广播业务的承载技术。随着CDN技术和可靠组播技术的进一步完善,未来的IPTV业务很可能会复用这两种技术。

参考文献

[1]Nortel Networks.Solutuions reference design:IP multicast televisiondistribution version 1.2[EB/OL].[2011-10-28].http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.197.8451&rep=rep1&type=pdf.

[2]张鹏,张兴明.支持IPTV业务的可控组播设计[J].电视技术,2007,31(11):60-62.

[3]夏宏飞,吕晓鹏.IPTV业务中的应用层差错控制技术分析[J].中兴通讯技术,2009(6):49-52.

IPTV系统测试仪表现状(下) 第7篇

对视频观看有明显的影响。比如, 黑屏、严重马赛克;第二级是音视频解码问题, 一定情况下会对视频观看效果有影响。比如, 音视频不同步, 频道切换速度。第三级是更严格的告警级别, 主要针对高要求的视频传输。TR101 290本身没有针对特定传输媒体的测量方法, 因为网络传输的故障将反映到第一级告警中。在跨媒体的视频传输系统中, 运维人员可能无法直接从监测点的TR101290第一级告警定位故障。

(2) RFC4445 MDI (Media Delivery Index)

MDI是IneoQuest与思科公司于2006年4月正式发布的RFC 4445规范, 主要针对IP层传输视频流的视频质量指标, 反映IP传输网损伤对IPTV媒体质量的影响, 此IP视频测试标准也被IP视频质量联盟 (IPVQA) 所采纳, 成为业界在IP层上测量视频媒体质量的主流标准。由于MDI指标具有很多优点, 如扩展性好, 可评估上百个频道, 上千个用户的视频流质量;直接表现出和视频质量有关的网络问题;对上层传输的媒体流类型透明, 与编码类型无关;可实时对视频流进行质量评估等, 并且是正式的RFC标准, 所以被业内普遍认可, 是目前应用最广泛的视频质量评定指标之一。该指标目前支持ISMA和MPEG-2 TS的应用。

在MDI标准中主要定义了两个参数, 即DF和MLR。因此, 通常MDI由两个数字表示, 并用冒号隔开, DF:MLR。例如:4.11:0.01 (DF:MLR) 代表时延系数为4.11毫秒, 媒体丢帧率为0.01帧/秒。

(1) DF (Delay Factor, 延迟系数) 。该数值表明被测试视频流的延迟和抖动状况。DF的单位是毫秒 (ms) 。DF将视频流抖动的变化换算为对视频传输和解码设备缓冲的需求。被测试视频流抖动越大, DF值越大。在采样周期中, 首先计算测量点处每个IP视频数据包到达的时间变化, 然后与预期的视频流速度对比, 从而得出DF。采样周期默认为1 s, DF的数值在每次周期完成后更新。

DF指标是专门针对媒体流的, 其计算因子是媒体流速率, 而不是一般的物理传输速率。因此可以被用来很好地评估视频的传输和播放质量。MDI:DF的最大值应该避免和平均值偏离超过50%。比如, 平均MDI:DF为100 ms。当MDI:DF出现最大值为200 ms时候, 这意味着视频流会出现明显的抖动变化。如果MDI:DF Minimum和MDI:DF Maximum在50 ms和150 ms范围内, 认为视频质量是好的。根据机顶盒缓冲区的大小, 可接受的延迟系数 (DF) 一般在9～50 ms。

(2) MLR (Media Loss Rate, 媒体丢包速率) 。MLR是选定的时间间隔内媒体数据包丢失数量。由于视频信息的数据包丢失将直接影响视频播放质量, 理想情况下的IP视频流传输要求MLR的数值为零, 也就是不允许有丢包, 但是极少量的丢包可以通过视频解码器进行补偿或者丢包重传, 在实际测试中MLR的阈值可以相应调整。

MLR=媒体数据包丢失总数/采样周期, 默认采样周期为1 s。MPEG-2 TS数据包格式是指有效的MPEG数据包, 不包括填充MPEG Frame。

一般情况下, 可接受的MLR如表1所示:

MDI可用于定位和表征对媒体质量和用户的体验质量造成不利影响的网络故障。如果在传输网络的中间点跟踪MDI, 则DF和MLR要素在连续网络元素之间的差值可以帮助迅速隔离潜在的问题或已经存在的损坏。如果在IPTV数据流路径中的前一跳 (Hop) 的MLR为零, 而经过某路由器后引入了一个较大的MLR, 这就明显表明该路由器中存在性能问题, 例如缓冲器上溢或数据包遭到破坏。同样, 如果延迟系数DF在两个连续跳跃 (Hop) 中的变化非常明显, 表示由于数据包拥塞而造成较长的队列延迟, 这种情况还可预警即将发生的数据包丢失。

(3) 频道切换时间

用户能否快速、准确的切换频道也是影响IPTV用户体验的重要指标。一般而言, 用户可接受的频道切换延迟时间应维持在1秒之内。若频道切换时延在100～200毫秒, 则给用户的感受是“瞬间”的, 即非常快的。

频道切换的延迟主要来自于网络设备和机顶盒。由于机顶盒内部的切换命令处理、缓冲延迟、MPEG解码器时延和视频缓冲时延等因素, 它一般会引入几百毫秒的时延。好在端到端IPTV路径中只有一个机顶盒, 并且机顶盒的大部分功能是通过硬件来处理的, 因此机顶盒所引入的频道切换时延是相对稳定和可重复的。由于IPTV采用组播协议作为频道切换的技术, IGMP协议的离开和加入时延才是频道切换延迟的主要来源。为了确保频道切换总延迟在1秒钟之内, 每个网络元器件的组播离开/加入延迟必须保持在10～200 ms之间。

一般的IPTV测试仪在计算从频道1切换到频道2的时延时, 只是考虑机顶盒发出IGMP离开 (频道1) 命令到收到频道2的第一个MPEG图像帧之间的时延。然而, 这个测量结果不一定能准确反映用户真实感受到的频道切换延迟。因为机顶盒只有在收到MPEG TS流中的第一个PAT (节目关联表格) 后才能开始视频解码, 所以IGMP离开命令到第一个PAT帧之间的间隔才更能更准确地反映用户的真实IPTV频道切换体验。

综上所述, IP层测试仅仅对IP层进行原始数据分析, 不针对特定业务和视频编码格式。TR101-290针对MPEG-2 TS视频流进行质量分析。RFC4445 MDI主要针对IP视频流进行质量分析, 支持MPEG-2 TS和ISMA。

4 IPTV测试仪表对比

尽管还没有完整的IPTV业务质量监测技术标准, 但由于IPTV业务的快速发展, 市场上已经有多家测试仪表厂商能够提供IPTV监测仪表。根据测试需求, 可将IPTV测试工具分为以下3大类:

IPTV网络设备性能测试仪。对网络设备进行高可靠性测试。可模拟产生真实的三重播放业务 (数据、VoIP和视频) 流量, 验证IPTV设备在不同流量负荷情况下的各项QoE指标, 如MDI、频道切换性能。可对IPTV网络设备进行QoS性能测试, 如吞吐率、丢包、时延等。主要用于在网络开通前, 模拟大规模的IPTV用户流量, 对网络进行性能验证。

IPTV网络监测仪表和系统。在IPTV网络的各关键节点和网段进行实时QoE指标监测。可对IPTV网络设备之间的信令协议进行监测, 诊断设备间的协议互操作性问题。可同IPTV网络设备性能测试仪配合使用, 监测其与网络设备之间的流量, 验证QoE指标和进行故障诊断。在IPTV网络开通阶段, 可用于验证其性能是否达到网络设计目标。在IPTV网络运行维护阶段, 可对QoE指标进行长期监测, 以进行网络故障诊断和定位以及优化IPTV网络性能。

手持式IPTV测试仪。主要用于端到端IP网络QoS性能测试, 以及对IPTV家庭网络中存在的QoE问题进行故障查找。

以下主要对市场上主流厂家的手持式IPTV测试仪进行技术对比。信息依据各产品公司网页。如表2所示。

5 结束语

各厂家产品对IPTV测试的主要功能基本可以实现, 因为标准尚未统一, 手持式仪表对网络的支撑能力还有待于在现网上进一步测试验证, 仪表的性能也有待于跟随网络的发展进一步完善。

参考文献

[1]黎致斌.IPTV测试仪表技术规格.http://blog.lmtw.com/b/iptv-viewer/archives/2007/47115.html, 2007.06

[2]吴雪波.IPTV测试技术详解, 中国数字电视, 2007.05