【摘要】文章研究了IPTV業(yè)務(wù)系統(tǒng)的體系架構(gòu)，總結(jié)了IPTV業(yè)務(wù)的主要技術(shù)需求，對IP組播、CDN和P2P三種IPTV業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。
【關(guān)鍵詞】下一代網(wǎng)絡(luò) IPTV 技術(shù)需求 業(yè)務(wù)提供
1 引 言
下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN，Next Generation Networks）是基于分組技術(shù)的多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，能夠提供包括傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)，從而有效降低過去為每種業(yè)務(wù)建立一個專用網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運維成本。現(xiàn)階段，以話音業(yè)務(wù)為主固網(wǎng)電信運營商正在經(jīng)歷用戶ARPU值降低、贏利能力下降的困擾。為了增加運營收入，提供新的業(yè)務(wù)通過業(yè)務(wù)綁定提高用戶忠誠度被認為是最為有效的方法。IPTV正是被寄予厚望的NGN業(yè)務(wù)。
IPTV也稱為網(wǎng)絡(luò)電視。準(zhǔn)確地說，IPTV是利用寬帶網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施，以家用電視機或個人電腦作為主要顯示終端，利用一系列Internet協(xié)議承載和傳輸經(jīng)過編碼壓縮的多媒體數(shù)字信號，為家庭用戶提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種交互式數(shù)字多媒體服務(wù)以及各種增值服務(wù)的技術(shù)。人們可以通過PC個人電腦、機頂盒+電視機、智能移動終端等多種方式享受IPTV服務(wù)。從用戶角度看，IPTV業(yè)務(wù)可以提供具有個性化和實時交互特點的點播服務(wù)和類似于傳統(tǒng)電視的非交互式廣播服務(wù)。
IPTV業(yè)務(wù)的突出特點是具有交互性和實時性，從而改變了傳統(tǒng)電視的被動收看模式，實現(xiàn)了無論何時何地“按需觀看”的交互式電視功能。IPTV業(yè)務(wù)的實現(xiàn)過程對業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)、IP承載網(wǎng)、寬帶接入、終端，以及媒體編解碼、數(shù)字版權(quán)保護等一系列技術(shù)提出了新的要求。特別是由于視頻的高帶寬和實時性要求，視頻內(nèi)容存儲與分發(fā)是IPTV業(yè)務(wù)提供的關(guān)鍵技術(shù)。
2 IPTV業(yè)務(wù)系統(tǒng)體系架構(gòu)
IPTV是一個全新的業(yè)務(wù)，在商業(yè)模型上有別于其它傳統(tǒng)的電信和廣電業(yè)務(wù)。IPTV的產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成更加復(fù)雜，包括了內(nèi)容提供商、業(yè)務(wù)提供商、網(wǎng)絡(luò)運營商和最終用戶等主要環(huán)節(jié)。IPTV業(yè)務(wù)需要產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的支持才能構(gòu)成完整的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，從技術(shù)角度，IPTV系統(tǒng)可以分為三個組成部分：IPTV業(yè)務(wù)平臺、IP承載網(wǎng)絡(luò)和用戶終端，如圖1所示。每個組成部分由一些關(guān)鍵設(shè)備或軟件系統(tǒng)組成，完成相應(yīng)的基本功能。
圖1 IPTV系統(tǒng)體系架構(gòu)
2.1 IPTV業(yè)務(wù)平臺
根據(jù)業(yè)務(wù)運營需要，IPTV業(yè)務(wù)平臺包括內(nèi)容處理系統(tǒng)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)和運營管理平臺。內(nèi)容處理系統(tǒng)負責(zé)內(nèi)容的數(shù)字化、壓縮編碼以及分布式存儲等。視頻內(nèi)容信息極其豐富，經(jīng)過數(shù)字化后仍將需要大量的存儲空間，壓縮編碼技術(shù)可以減小視頻的存儲容量和傳送帶寬需求。即便經(jīng)過高度壓縮，數(shù)字化后的視頻文件仍然相當(dāng)龐大，因此存儲系統(tǒng)必須具備海量的特性。
由于多媒體內(nèi)容的高帶寬和實時性要求，底層的承載網(wǎng)絡(luò)通常難以滿足直接傳送視頻內(nèi)容的需求，而需要在承載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建設(shè)專用的IPTV內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。廣義而言，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)是在內(nèi)容源和用戶終端之間進行內(nèi)容分發(fā)的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)容源包括提供組播和點播服務(wù)的媒體服務(wù)器，它將存儲系統(tǒng)中經(jīng)過數(shù)字化和壓縮處理的媒體內(nèi)容以流化的形式推送到網(wǎng)絡(luò)中。
運營管理平臺包括用戶管理、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理以及其它運營信息管理功能。其中用戶管理包括對IPTV業(yè)務(wù)用戶的認證、計費、授權(quán)等功能，以保證合法用戶可以得到安全高質(zhì)量的服務(wù)。
2.2 IP承載網(wǎng)絡(luò)
IPTV承載網(wǎng)絡(luò)是運行TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，包括骨干/城域網(wǎng)絡(luò)及寬帶接入網(wǎng)絡(luò)。骨干/城域網(wǎng)絡(luò)是各種業(yè)務(wù)共享的通信平臺。目前城域網(wǎng)絡(luò)主要采用千兆/萬兆以太網(wǎng)絡(luò)，而長距離的骨干網(wǎng)絡(luò)則較多選用SDH或DWDM作為IP流量的傳送網(wǎng)絡(luò)。
寬帶接入網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)用戶到城域網(wǎng)絡(luò)的寬帶連接，目前常用的寬帶接入技術(shù)包括xDSL、LAN、WLAN和雙向HFC等，可以為用戶提供數(shù)百kb/s~100Mb/s的帶寬。
2.3 IPTV用戶終端
IPTV系統(tǒng)的用戶終端一般有三種類型，即PC（個人計算機）、機頂盒+電視和智能移動終端。PC終端包括了各種臺式計算機和筆記本式計算機，此類設(shè)備的特點是自身集成了較強的處理能力，不僅可以獨立完成視頻解碼回顯任務(wù)，還可以安裝其它軟件完成信息交互、自動升級和遠程管理等功能（如瀏覽器和終端管理代理等）。
電視機一般僅具備顯示模擬和數(shù)字視頻信號的能力，而不具備交互通信能力。機頂盒主要作為數(shù)字視頻信號的接收和處理設(shè)備并通過網(wǎng)絡(luò)與媒體服務(wù)器進行交互。因此，目前采用機頂盒+電視機的終端形式才能滿足全部的IPTV業(yè)務(wù)要求。
智能移動終端主要是指智能手機及個人數(shù)字助理（PDA）。目前，市場上具有顯示動態(tài)畫面功能的手機由于受網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和視頻解碼處理能力的限制還無法提供流暢的視頻信號，因此只有在無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，如3G網(wǎng)絡(luò)投入運營并結(jié)合更高效的編碼方案后，移動終端才會逐步成為IPTV的終端設(shè)備。
3 IPTV業(yè)務(wù)提供的技術(shù)需求
IPTV是一種三重播放業(yè)務(wù)，需要同時支持視頻、語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其系統(tǒng)架構(gòu)必須要滿足各種復(fù)雜的技術(shù)需求。用戶需求是業(yè)務(wù)發(fā)展的基礎(chǔ)，提供良好的用戶業(yè)務(wù)體驗是IPTV系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。對于一個新業(yè)務(wù)，用戶希望它在提供更加豐富的影視內(nèi)容的同時，還需要具有與傳統(tǒng)有線電視相比更加優(yōu)良的特點。除了與有線電視節(jié)目相當(dāng)?shù)母哔|(zhì)量圖像效果、類似于遙控器的簡單操作方式，用戶還需要個性化節(jié)目定制，需要能夠在任何時間和地點自由選擇觀看內(nèi)容的全新業(yè)務(wù)體驗。
為了滿足用戶的需求，IPTV業(yè)務(wù)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算技術(shù)、多媒體技術(shù)等都提出了很高的要求，對傳統(tǒng)的商業(yè)模型、網(wǎng)絡(luò)融合、安全機制等也提出了許多新的挑戰(zhàn)。IPTV業(yè)務(wù)的技術(shù)需求主要有以下幾點：
（1）承載網(wǎng)絡(luò)需求
為確保良好的服務(wù)質(zhì)量，需要底層的IP承載網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)具有足夠的容量，并可以靈活地管理和控制網(wǎng)絡(luò)資源。
（2）信源編解碼技術(shù)需求
要求在提供高質(zhì)量圖像畫面的同時盡量降低編碼速率，為了減少傳輸差錯的影響，還需要編碼具有一定的容錯能力。
（3）業(yè)務(wù)性能需求
IPTV系統(tǒng)需要提供明晰的節(jié)目單和業(yè)務(wù)導(dǎo)航能力以及大容量內(nèi)容存儲、管理與分發(fā)技術(shù)。IPTV是以內(nèi)容為中心的實時業(yè)務(wù)，用戶的使用目的多數(shù)是為了娛樂和消遣，因而需要高質(zhì)量保證。
（4）數(shù)字安全保護需求
出于對內(nèi)容提供商內(nèi)容資源的保護，IPTV系統(tǒng)要有良好的安全管理和版權(quán)保護措施，一方面對內(nèi)容進行管理，另一方面對用戶進行認證授權(quán)。針對用戶的游牧性，需要采取統(tǒng)一的認證機制。
綜上所述，IPTV業(yè)務(wù)提供對承載網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、信源編解碼、業(yè)務(wù)提供能力、內(nèi)容安全管理等提出了一系列的技術(shù)要求。在構(gòu)建IPTV業(yè)務(wù)體系架構(gòu)時要充分地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)優(yōu)勢，盡可能多地支持各類技術(shù)需求；在某些業(yè)務(wù)不明朗、技術(shù)不成熟的方面應(yīng)留有余地，以將IPTV系統(tǒng)建成具有融合、開放、安全特點的多媒體業(yè)務(wù)平臺。
4 IPTV業(yè)務(wù)提供方式分析
作為一種新的電信業(yè)務(wù)，IPTV在國內(nèi)的發(fā)展面臨著政策、商業(yè)和技術(shù)等方面的風(fēng)險。在技術(shù)層面，網(wǎng)絡(luò)容量和結(jié)構(gòu)的可擴展性是一個重大的挑戰(zhàn)。由于視頻信息需要消耗大量的帶寬資源，且流媒體內(nèi)容需要實時播放，與傳統(tǒng)的話音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相比，IPTV資源需求要大得多?，F(xiàn)在正進行的IPTV試點項目只支持數(shù)千用戶，而大規(guī)模部署需要支持百萬數(shù)量級用戶，給網(wǎng)絡(luò)容量帶來前所未有的挑戰(zhàn)。此外，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的保證、視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇、內(nèi)容的安全性保障以及用戶體驗質(zhì)量等問題都是IPTV系統(tǒng)亟待解決的技術(shù)問題。本文主要討論如何解決網(wǎng)絡(luò)容量的擴展性問題。
隨著高速路由設(shè)備、城域匯聚與接入設(shè)備的發(fā)展與成熟，承載網(wǎng)絡(luò)的容量已經(jīng)有了很大的提高。在城域網(wǎng)內(nèi)已經(jīng)達到10Gb/s的量級，核心網(wǎng)的超大容量路由器也有相應(yīng)產(chǎn)品可選。相對而言，寬帶接入技術(shù)有所落后，但高速DSL和無源光網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)有望提供大容量的接入帶寬。然而，根據(jù)美國AT&T（原SBC）公司的部署經(jīng)驗，為了支持高質(zhì)量的三重播放業(yè)務(wù)，每個家庭需要20M以上的帶寬。盡管承載網(wǎng)絡(luò)的容量已經(jīng)很大，還必須進行合理的利用才能在成本和質(zhì)量兩方面取得更好的平衡。當(dāng)前，為了提供大規(guī)模的IPTV業(yè)務(wù)，主要有三種技術(shù)可用于提高網(wǎng)絡(luò)容量的擴展性，分別是IP組播，CDN技術(shù)和P2P技術(shù)，下面分別對上述技術(shù)進行分析。
4.1 IP組播
IP組播中，接受相同內(nèi)容的所有用戶被分成一個組播組，并共享相同的IP組播地址。借助于路由協(xié)議，IP組播可以在網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的多點復(fù)制，從而避免了每一個用戶都要到最初的源結(jié)點獲取數(shù)據(jù)，在用戶數(shù)量較多的情況下，可以大大節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗。IP組播的提出最初是為了實現(xiàn)Internet中的多媒體會議系統(tǒng)，并通過MBone實驗網(wǎng)進行了驗證。當(dāng)前，在IPTV業(yè)務(wù)提供方案中，IP組播技術(shù)是重要的組成部分。
然而，IP組播組中的用戶可以動態(tài)地加入和退出，用戶的組管理增加了路由設(shè)備的復(fù)雜性和負擔(dān)，因而其本身具有可擴展性問題[1]。其次，IP組播遵循Internet設(shè)計中路由與傳輸分離的原則，只提供盡力而為的服務(wù)，為組播提供服務(wù)質(zhì)量保證比單播要復(fù)雜得多。此外，由于實現(xiàn)IP組播需要對IP路由協(xié)議進行修改，部署IP組播需要替換原來的IP路由器，因而會帶來很大的經(jīng)濟負擔(dān)。事實上，IP組播技術(shù)已經(jīng)有超過15年的歷史，但并沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。
相對于核心網(wǎng)絡(luò)，城域網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源更加緊張，而且由于城域網(wǎng)通常需要新建，因而在城域中部署減化的IP組播技術(shù)不失為一個可行的方案。為了實現(xiàn)城域組播，需要相應(yīng)的接入?yún)R聚、城域匯聚以及IP路由設(shè)備都支持組播能力，因而實現(xiàn)組播會帶來很大的成本負擔(dān)。由于組播技術(shù)存在可擴展性問題，它也不適合在核心網(wǎng)中部署。此外，組播技術(shù)只能用于廣播應(yīng)用，對點播能夠提供的幫助有限，因而并不能完全解決IPTV系統(tǒng)的容量可擴展性問題。
4.2 內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)
IP組播是一種承載網(wǎng)技術(shù)，具有較好的通用性。但由于IP組播的部署成本很高，還需要其它技術(shù)做為補充。應(yīng)用層組播技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種替代方案。應(yīng)用層組播不需要對IP層的協(xié)議進行修改，可以根據(jù)需要有選擇性的實施，因而具有良好的可部署性。內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)（CDN）技術(shù)可以看作是一種運用于多媒體傳輸?shù)膽?yīng)用層組播技術(shù)，已經(jīng)在Internet多媒體應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。
CDN是一個疊加在骨干/城域網(wǎng)絡(luò)之上的應(yīng)用系統(tǒng)，其主要任務(wù)是將節(jié)目內(nèi)容由中心服務(wù)器推送到盡量靠近用戶的邊緣服務(wù)器中，用戶終端依據(jù)就近原則和負載均衡原則選擇盡量接近用戶的邊緣服務(wù)器獲取節(jié)目內(nèi)容。目前的CDN大都依據(jù)“80/20”規(guī)律進行規(guī)劃，即80%的用戶可在邊緣服務(wù)器直接得到節(jié)目，而邊緣服務(wù)器只存貯占總體20%的熱點節(jié)目。邊緣服務(wù)器一般連接在靠近用戶的城域設(shè)備上，由于終端與服務(wù)器之間的路徑較短，可以大大提高響應(yīng)速度；媒體流量不需經(jīng)過骨干網(wǎng)絡(luò)，從而節(jié)約了骨干網(wǎng)資源，提高網(wǎng)絡(luò)容量的擴展性；媒體內(nèi)容均衡分布到大量邊緣服務(wù)器上，有效地減少網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器發(fā)生擁塞的可能。
相對而言，CDN是一個比較成熟的技術(shù)，國內(nèi)外有很多集成商可以提供相關(guān)方案。由于內(nèi)容已經(jīng)存儲在邊緣服務(wù)器中，點播應(yīng)用所消耗的網(wǎng)絡(luò)資源也很有限。盡管CDN可用于支持媒體廣播，但更多是用于IP組播進行補充以支持點播業(yè)務(wù)。部署CDN雖然沒有技術(shù)上障礙，由于需要購置大量的服務(wù)器和管理軟件，其成本投入從網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)移到應(yīng)用層，仍然是不容忽視的問題。
4.3 P2P技術(shù)
對等網(wǎng)絡(luò)（P2P）技術(shù)是近年來新興的內(nèi)容分發(fā)技術(shù)。P2P技術(shù)充分利用終端的資源，每個對等結(jié)點既是內(nèi)容的獲取者，同時又是內(nèi)容的提供者，為其它結(jié)點提供服務(wù)。P2P系統(tǒng)最初用于文件共享，但其內(nèi)容交換特性也可用于IPTV的流媒體應(yīng)用。PPLive是Internet中比較成功的P2P流媒體應(yīng)用[2]，圖2所示為PPLive的基本工作原理。需要獲取內(nèi)容的結(jié)點（終端1）先到頻道列表服務(wù)器中得到所需的頻道，然后登錄到結(jié)點列表服務(wù)器中獲取正在觀看同一頻道的其它結(jié)點列表，這樣該結(jié)點就可以和列表中的其它結(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，觀看感興趣的頻道內(nèi)容。
圖2 PPLive系統(tǒng)工作原理示意圖
P2P系統(tǒng)的最重要的特性是自擴展，即參加的結(jié)點越多，系統(tǒng)的容量就越大。在P2P系統(tǒng)中，對等結(jié)點不需要到源服務(wù)器就可以得到所需的內(nèi)容，因而服務(wù)器的連接帶寬和處理能力不再是系統(tǒng)的瓶頸。由于P2P系統(tǒng)通過終端軟件實現(xiàn)，因而也是一種應(yīng)用層組播技術(shù)。和CDN相比，區(qū)別在于P2P網(wǎng)絡(luò)不需要部署任何用于內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)的服務(wù)器，因而具有良好的經(jīng)濟性。但是P2P系統(tǒng)不關(guān)心底層網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)質(zhì)量，因而對等結(jié)點間的連接可以無法滿足流媒體的實時性要求。此外，P2P系統(tǒng)中結(jié)點可以自由地加入和退出，因而系統(tǒng)的容量不穩(wěn)定，難以提供可靠的性能。
除了使用單純的P2P技術(shù)，還可以將傳統(tǒng)的CDN技術(shù)與P2P技術(shù)結(jié)合起來。在CDN中，由中心服務(wù)器向邊緣節(jié)點分發(fā)節(jié)目內(nèi)容一般采用傳統(tǒng)的FTP技術(shù)，節(jié)目內(nèi)容采用文件格式或者分片文件格式。目前的一種趨勢是采用P2P技術(shù)構(gòu)建CDN網(wǎng)絡(luò)，將節(jié)目內(nèi)容預(yù)先進行流化處理后分塊存貯在多個邊緣服務(wù)器中，由調(diào)度服務(wù)器按照就近原則、負載均衡原則進行集中控制，并可基于網(wǎng)絡(luò)狀況實時選擇和切換向用戶提供流服務(wù)的邊緣服務(wù)器。圖3是一個基于P2P的CDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。采用這種分布式存貯和集中控制的CDN結(jié)構(gòu)，用戶觀看一個點播節(jié)目時通常是由多個邊緣服務(wù)器協(xié)同完成流服務(wù)，可以在用戶集中點播時將負載在整個CDN內(nèi)部進行更加合理的分布，避免過于集中在某個邊緣服務(wù)器中造成擁塞。采用基于P2P的內(nèi)容存儲與檢索技術(shù)，可以有效地降低CDN系統(tǒng)的存儲成本。
圖3 基于P2P的CDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
5 結(jié)論
下一代網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，在眾多的業(yè)務(wù)中，IPTV基于其三重播放能力可以有效地進行業(yè)務(wù)綁定，從而提高用戶忠誠度。本文研究了下一代網(wǎng)絡(luò)中IPTV業(yè)務(wù)系統(tǒng)的體系架構(gòu)，總結(jié)了IPTV業(yè)務(wù)的主要技術(shù)需求，對IP組播、CDN和P2P三種IPTV業(yè)務(wù)提供關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。盡管IP組播結(jié)合CDN的方式是當(dāng)前的主流方案，但P2P技術(shù)具有明顯的成本優(yōu)勢，在用戶活躍程度較高的地區(qū)或時段可以發(fā)揮作用，作為一種新的IPTV業(yè)務(wù)提供方式值得進一步研究。
參考文獻
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【作者簡介】
紀(jì)其進：2005年6月畢業(yè)于東南大學(xué)計算機科學(xué)與工程系，獲博士學(xué)位。曾在上海貝爾阿爾卡特股份有限公司從事博士后研究，現(xiàn)任教于蘇州大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，目前研究方向為多媒體通信與無線網(wǎng)絡(luò)等。
