| IPTV承载技术探讨 |
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慧聪网 2006年4月3日10时28分 信息来源：泰尔网
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【摘要】从IPTV业务系统的应用特点入手，讨论了IPTV业务对承载网所提出的需求，分析和对比了IPTV内容分发网络的两种组网模式。并对现阶段开展IPTV业务的承载网络优化改造提出了建议。
1、IPTV业务系统
随着宽带网络迅速推广，国内外运营商均感觉到宽带用户发展的后劲不足，新增用户为运营商带来的收益无法弥补恶性价格竞争带来的每用户平均收入(ARPU，Average Revenue Per User)的下降。很多地区单纯的宽带业务赢利曲线呈现下降趋势。究其原因，主要集中在两个问题上：一是个人计算机已经成为宽带用户发展的一个瓶颈，另一个是宽带增值业务的用户体验差别不大。而降低用户终端侧的消费门槛、为用户提供良好的增值业务体验成为运营商更应关注的问题。通过长时间的试点和实践，运营商发现IPTV业务能为以上问题的解决带来契机。
IPTV业务主要包括视频点播和视频广播业务，辅以游戏、信息服务、广播节目预订、通信服务、远程教育、音乐/卡拉OK、互动广告以及机顶盒上网浏览等。发展IPTV业务。对于运营商来说，具有以下意义：
(1)扩大宽带用户群：将TV转化为上网终端，降低宽带门槛，突破PC瓶颈，扩大潜在的宽带用户群；
(2)提高宽带ARPU值：丰富娱乐内容，实现内容消费,增加网络吸引力，增加用户在网时间，从而提高运营商的ARPU值；
(3)为3G到来进行业务运营的探索和准备：3G业务运营的亮点将是内容运营，发展IPTV可以积累业务加内容运营模式的经验，为即将到来的3G业务运营做好准备。
2、IPTV对承载网的需求
IPTV是承载于IP网络的一种电信级业务，根据功能操作特点。业务可分为四大类，即流媒体服务类、通信服务类、游戏服务类和信息服务类。其中，流媒体服务类是最基本、最重要的业务，包括视频直播(BTV，Broadcast Television)和视频点播(VOD，Video on Demanding)。与传统Internet业务相比，IPTV流媒体业务对承载层面提出了最高的要求。这些要求主要包括带宽、服务质量、可靠性、安全性以及可控组播几个方面。
2.1 带宽需求
根据IPTV编码标准，一个基本标清视频业务流采用MPEG4 ASP编码后的数据速率通常约为1.2～1.5Mbit/s；采用H.264编码后的数据速率在1Mbit/s左右。因此，结合业务传输、协议封装开销(约为20%-30%)、信令流及网络流量波动需求的考虑，IPTV业务必须满足的网络带宽要求是：用户下行网络带宽至少应达到2Mbit/s(视频点播)，用户上行网络带宽至少应达到384kbit/s(视频会议速率)。
IPTV业务特性决定了用户访问业务时会长时间在线，且会长时间占用网络带宽。因此，以上的带宽需求不是一个峰值速率，而是平均速率。由于高清电视等业务的需求，部分用户带宽需求甚至可达8M。因此，采用现行的ADSL技术无法满足IPTV业务的带宽需求。
2.2 服务质量需求
IPTV视频流媒体主要提供两种业务，一种是单播方式的VOD业务，另一种是组播方式的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。但BTV业务的实时性要求较高，对数据包时延的敏感度更高。其它音视频通信和联网游戏业务对实时性和时延也有较严格的要求。
针对IPTV业务端到端服务质量的要求，承载网需要在用户终端、机顶盒和服务器之间提供服务质量(QoS，Quality of Service)保证能力，根据国内外的研究成果，几种典型业务的端到端QoS要求如表1所示。
表1 IPTV业务服务质量要求
业务类型 | 时延 | 抖动 | 丢包率 | 错误率 | 视频直播 | 1s | 1s | 10-4 | 10-5 | 视频点播 | 2s | 1s | 10-4 | 10-5 | 可视电话 | 150ms | 50s | 10-4 | 10-5 | 视频会议 | 150ms | 50s | 10-4 | 10-5 | 游戏 | 200ms | N/A | N/A | N/A |
2.3 可靠性需求
为保证用户连续、不中断的收看视频节目，需要保证网络传送的可靠性，在故障的情况下，应在＜1s的时间内进行恢复。对可视电话来说，故障恢复时间应＜50ms。在BTV业务中，为了获得与传统电视一样的用户体验。在节目切换时，频道切换时间应＜1s。对于IPTV承载网中。组播源和运行组播协议中的关键设备(汇合点，RP，Rendezvous Point)，需要保证高可靠性，当一个节点出现故障时，应该能够迅速切换到备份节点，以保证业务的可靠性。
2.4 安全需求
IPTV业务系统的安全性主要包括的层面有：
(1)要保证业务系统CS，ES，SMS，EPG等设备的安全性，防止非法入侵；
(2)用户只能有限制地访问节目EPG和提供流媒体的CS及其CACHE(ES)；
(3)要保证用户PC或STB的安全性，防止非法用户的入侵；
(4)防止非法IPTV用户对IPTV资源的访问。
2.5 组播需求
VOD业务自身特性决定适于用单播方式实施，对现有IP网络的部署没有什么特殊的要求。BTV适于组播方式实现，要求承载网络支持组播。具体对应到承载网的各个层次上看，有以下需求：
(1)骨干网路由器应支持PIM-SM协议，若在全省范围内开展还需要支持跨域组播协议，骨干层应支持MP-BGP和MSDP协议；
(2)城域网路由器、三层交换机及宽带接入服务器应支持PIM-SM和IGMP协议；
(3)接入网二层交换机及DSLAM应支持IGMP Snooping/Proxy，实现可控组播。
3、IPIV内容分发组网模式
从IPTV内容网络系统部署角度来看，IPTV内容分发网络(CDN，Content Distribution Network)组网有两种模式，即集中式部署和分布式部署。
3.1 集中式部署
集中式部署采用集中的中心服务器(CS，Central Server)，特点是投资少，管理简单，容易部署，但是由于在集中式部署中，所有用户的VOD访问都要透过IP承载网，因此对于网络的带宽占用较大，尤其是当用户数增多时，占用的带宽呈线性增长，因此造成带宽浪费严重，增大了中心服务器的压力。
3.2 分布式部署
分布式部署除了在IP承载网核心部署中心服务器CS外，还在网络边缘部署一定数量的边缘服务器(ES，Edge Server)，作为内容Cache，将经常点播的内容缓存到ES上，也就是在IP承载网上叠加了内容网络，实现服务器的负载均衡。通过分布式部署ES，可以缓解中心服务器的压力，大大节省承载网的带宽，也可以提供较好的QoS保证，因此分布式部署的方式适合大规模IPTV业务的开展。在实际中，可以根据业务和用户的发展情况，逐步部署ES，实现按需发展。表2所示为集中式和分布式部署的比较。
表2 CDN集中式和分布式组网比较
| 优势 | 弱点 | 应用场合 | 集中式 | 设备集中，便于维护
可实施小范围内的负载均衡
可集中扩容 | 对骨干网带宽要求高
对数据中心出口带宽要求大
对用户QoS难以保障 | 用户数量少
业务规模小
对媒体质量要求不高 | 分布式 | 节省骨干网带宽
有效保证用户QoS
易于实现基于骨干网络的负载均衡
降低骨干网络改造建设成本
对数据中心出口带宽要求不高 | 设备分散，管理开销大
增加业务系统平台建设投资 | 用户数量较多
业务规模较大
对媒体质量要求较高 |
综上所述，运营商大规模部署电信级IPTV业务网络时。推荐选择分布式组网模型。在分布式部署内容服务器情况下的视频业务流程如图1所示。通过部署CDN后，视频业务对骨干网的带宽需求(尤其是VOD业务)将大大降低。
图1 分布式IPTV组网业务流程 点击此处查看全部新闻图片
4、IPTV承载网改造
根据IPTV业务对承载网需求的分析，开展IPTV业务需要对现网进行改造或新建部分专用网络。现阶段开展IPTV业务。尤其是VOD和BTV业务，一般都在城域网范围内部署实施，跨域访问的情况基本不可能出现，所以对IPTV承载网的改造仅分析城域网和接入网的改造。
4.1 城域网改造
对城域网的优化应该遵循的原则是：
(1)IPTV业务与传统数据业务尽量分离，可以采用单独物理通道或者逻辑通道方式结合QoS机制来传送IPTV业务。以保障视频业务所需的质量要求；
(2)升级城域网骨干、汇聚层节点设备和链路，提升带宽，满足IPTV业务对带宽的要求；
(3)业务开展初期可建设核心层的CS服务器，集中式组网，随着用户增多，逐步在汇聚层部署ES，以降低VOD业务对承载网带宽的需求；
(4)网络控制功能向边缘推进。在边缘层采用BRAS和路由设备。直接下挂DSLAM和以太网交换机；
(5)城域网范围开启组播路由协议PIM-SM，通过可控组播网管，实现对组播用户的控制和管理。
对于IPTV业务的组播复制方式有两种方案，即BRAS可直接以面向用户的PPP组播方式向用户进行组播复制，也可以将BTV业务推送到DSLAM或者L2以太交换机上。由DSLAM或者以太交换机面向用户复制。
●BRAS复制：视频终端发送IGMPJoin报文切换至某频道给BRAS，BRAS根据组播权限控制(NMS下发)完成组播控制，根据用户组播权限模板判断用户是否被授予权限访问该频道，若合法则通过用户VLAN，PVC向用户转发组播视频；
●DSLAM/L2 Switch复制：视频终端发送IGMP Join报文切换至某频道给DSLAM/L2 Switch，DSLAM/L2 Switch根据组播权限控制(NMS下发)完成组播控制，根据用户组播权限模板判断用户是否被授予权限访问该频道，若合法则通过用户VLAN，PVC向用户转发组播视频。
在IPTV业务开展初期，由于用户数和业务较少，可采用BRAS复制的方式，基本不需要改造接入网，当用户增多时。采用DSLAM/L2 Switch复制的方式。
4.2 接入网改造
考虑国内宽带接入技术应用状况，满足IPTV业务的接入网改造主要考虑DSL接入网和LAN接入网改造。
(1)DSL接入网改造
●以DSLAM作为组播用户权限控制和组播复制点。能够最大限度地利用带宽，并能有效解决组播业务的可运营、可管理问题。因此要求DSLAM应支持可控组播，并提供足够的背板带宽、组播转发性能以及QoS保障能力；
●考虑未来容量需求以及扩容成本因素，将ATM-DSLAM改造为IP-DSLAM；
●在ADSL2+接入半径不超过3km环境下，可提供8M下行、1.3M上行的速率支持，基本可达到高端家庭用户对带宽的要求，因此应该大力发展ADSL2+以及能提供更高带宽的接入技术。
(2)LAN接入网改造
运营商现有的以太接入网交换机虽然有一部分支持IGMP Snooping，但无法进行组播权限控制。因此需要进行改造。主要是更换末端交换机，将接入交换机全部改造为支持IGMP Snooping，IGMP Filter和组播VLAN的交换机，从根本上解决组播的复制和控制问题。
末端交换机通过组播VLAN降低组播对接入层带宽的要求，组播向下传递到末端交换机只需要复制一份。采用末端控制，对于BAS的复制压力小，带宽利用率高。此时，BAS及其以下设备设置相同组播VLAN用于转发组播业务，所有IPTV用户采用相同VLAN。
末端交换机通过IGMP Snooping实现组播业务流在各端口的按需转发，根据端口对IGMP消息过滤—IGMP Filter，末端交换机通过IGMP Filter控制组播用户的加入，组播不向非法用户复制，实现强管理控制(每物理端口直接对应用户)。
5、结束语
IPTV业务及网络技术的发展不是一蹴而就的，IPTV承载网技术也必然在IPTV业务的推动下，结合IP网络技术的变革而不断发展。当前IPTV业务发展尚处于一个试探性的阶段，在这个阶段，对于IPTV业务的开展是以点为单位进行实施的，各省、市以试验点的形式进行IPTV业务的建设。业务开展初期，用户规模不大，业务前景也不是非常明朗，投资回报比也无法保证，在这种情况下，可以尽量基于现网设备进行相应的优化改造，以适应小规模IPTV业务的基本需求。
随着IPTV业务的大规模发展，IPTV用户数可能会呈现几何级数的增长。IPTV尤其是直播业务的流量模型将会与常规数据业务呈现出完全不同的流量模型，某些业务集中的节点，用户的收敛比可能达到1：2以上，甚至会经常出现1：1的情况。此时，可以考虑在城域骨干及汇聚层采用独立的网络来专门承载IPTV业务，甚至在接入层利用独立的物理或者逻辑端口来承载IPTV业务，保障IPTV业务的传送质量和带宽需求。
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作者：蔡庆君 田辉
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