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IPTV承载网解决方案探讨
2006年7月18日 14:1  来源:中国新通信  作者:陈巧熙
  【摘 要】 本文首先简述了IPTV平台总体结构、IPTV业务对承载网的要求以及电信IP网的网络现状,然后从组播部署、带宽需求、QoS保证、用户认证四个方面探讨如何在现有IP网的基础上建设可运营、可管理的IPTV承载网,最后给出了具体的解决方案。

  由于固定电话业务收入的不断下降,中国电信将希望更多地寄托于宽带业务上。但是受计算机普及率等因素的限制,从去年开始宽带用户的发展已经开始呈现疲态,宽带应用市场发展更是不如人意。开展IPTV业务是维系中国电信自身持续发展的需要,有利于提高ARPU值,保留用户,降低离网率,更重要的是它打开了一扇大门,提供了潜在的新业务、新收入、新商务模式的机遇,同时它也是关系到中国电信未来网络和技术业务转型的战略性领域。因此IPTV对于处于转型期的中国电信而言非常重要。近期,中国电信计划在5个省、17个地区开展IPTV商业试验,以期尽快进入全面商用阶段。目前IPTV还处于起步阶段,无论是技术方面还是运营管理方面都还很不成熟,本文主要从技术角度出发,探讨在IPTV的建网初期建设可运营、可管理的网络需要注意和思考的一些问题。

  一 IPTV概述

  1.1 IPTV平台总体结构

  IPTV即交互式网络电视,是一种利用宽带网络,采用DSL或以太网等接入方式,通过网络机顶盒(STB,Set-Top Box)或PC向用户提供多种交互式的宽带视频业务,包括视频直播、视频点播、游戏、视频会议等业务。

  IPTV 平台在总体结构上分为四层:运营支撑层、业务应用层、承载层和用户接入层。IPTV 平台总体结构示意图如图1所示:
  1.2 IPTV业务对承载网的要求

  IPTV业务传输语音、视频数据,实时性要求很强,业务流量也很大,因此其对于承载网有很高的要求。

  ●组播功能要求

  网络必须支持CDN和IP组播技术,以及二层的组播技术,减少对骨干网的带宽需求。同时需要支持一定的组播控制。

  ●网络带宽要求

  视频压缩编码技术的选取决定了IPTV业务用户的带宽要求。在业务初期建议使用MPEG4,然后过渡到H.264。建议每个用户规划带宽为2Mbps以上。

  ●网络QoS要求

  不同的IPTV业务对承载网络的QoS要求有所区别,如下表所示:
  ●用户管理  

  网络必须支持用户认证等业务运营管理方面的功能。

  二 典型的宽带城域网和宽带接入网结构

  2.1 典型的宽带城域网结构

  宽带城域网分为三个网络层次,分别为接入层、汇聚层、核心层。核心层和汇聚层采用高端路由器组网,提供强大的路由处理和流量的快速转发。高端路由器具备强大的MPLS VPN支持能力,支持线速的MPLS转发,支持业务隔离和用户隔离。对不同的业务流提供不同的QoS保证,支持MPLS和QoS结合的技术,支持QoS的线速处理。同时高端路由器还具备强大的组播支持能力,支持组播的高速转发,支持组播的QoS保证。接入层由业务接入控制点设备组成,包括宽带接入服务器(BRAS)和业务接入路由器,现网运行的大多数BRAS在支持组播、QoS、包转发能力等方面能力较差,业务接入路由器目前主要由三层交换机承担,在路由能力、多业务支持方面以及业务处理能力方面尚显不足。

  2.2 典型的宽带接入网结构

  典型的宽带接入网主要提供ADSL和LAN两种接入方式。ADSL用户通过ADSL Modem接入到局端的DSLAM设备,然后再通过二层网络(Ethernet或ATM)接入到BRAS。LAN用户通过楼道、小区、局端的以太网交换机接入到BRAS。目前接入网中的DSLAM设备包括ATM内核和IP内核两种,其中ATM内核的DSLAM既有ATM接口的,也有IP接口的。

  宽带城域网与宽带接入网网络示意图如图2所示。
  三 IPTV承载网解决方案探讨

  IPTV是一个全新的业务网,现有的宽带城域网及宽带接入网在开展IPTV业务方面还存在着许多问题:①缺乏组播支持②网络带宽不足③缺乏QoS保证④缺乏运营能力。在下面的章节中本文将从IPTV对承载网的要求着手,讨论如何在现有IP网络的基础上建设可运营、可管理的IPTV网。

  3.1 网络功能部署

  对于视频点播业务,需要通过内容分发网络(CDN)把节目源推送到足够靠近用户的CDN边缘节点,再由CDN节点分发给用户。在建设初期建议将CDN的边缘节点设置在城域网的业务控制点位置,即旁挂BRAS或者L3。同时建议采用两级CDN网,核心节点设置在城域网核心层位置。CDN的应用相对比较成熟,部署起来比较简单。

  对于视频直播业务,为了节省传输带宽,提高网络的可扩展性,应使用IP和二层的组播技术为用户分发数据。首先,组播复制点建议设置在DSLAM/接入网交换机上,要求支持IGMP Proxy/Snooping。其次用户IGMP请求的终结点以及组播树的接收端路由器建议设置在BRAS或L3上,要求支持IGMP v2/3以及PIM-SM。再者,要求IPTV三层网络上的设备支持PIM-SM协议,利用核心节点设备做RP。对于业务量比较大的网络,为了增强PIM-SM中RP节点的可靠性及对网络的组播流量进行分担,可选取多个RP点,并进行Anycast RP,达到冗余备份,负载分担的目的。

  组播复制点的选择十分重要。当业务量较小时,通过模型测算可知,若DSLAM/L2上的组播用户数与用户选择的频道数相当时,组播复制点既可以选择DSLAM/L2,也可以选择BRAS/L3。当然,考虑到将来业务的发展,在接入层设备能够支持组播复制和用户侧的组播控制的情况下,建议选择DSLAM/L2为复制点。当IPTV业务量较大时,DSLAM/L2到BRAS过高的链路带宽需求会导致DSLAM和BRAS成本的急剧上升,所以建议选择DSLAM/L2为复制点,代价是较高的接入网改造成本。当然选择L3作为复制点并不会导致成本的急剧加大,也能满足业务的基本要求,但代价是QoS和业务控制很难保证。还有一点需要强调的是,无论复制点设在哪,为了避免二层广播风暴,LAN接入网设备都要求支持IGMP SNOOPING、IGMP PROXY ,或者支持CISCO的CGMP。

  在标准的组播模型中,接收者可以加入任意的组播组,也就是说,组播树的分枝是不可控的,组播源不了解组播树的范围与方向,安全性较低。为了实现对一些较重要的信息的保护,需要控制其扩散范围,要求RP支持配置组播静态树。静态组播树就是组播树事先配置,控制组播树的范围与方向,不允许其他动态的组播成员的加入,这样能使组播源的报文在规定的范围内扩散。通过在RP上配置静态组播树,可以满足高价值用户的安全需求。

  3.2 网络宽带化

  IPTV是承载于IP网上的业务,所以利用现有IP网进行承载既能节约成本,保证业务的覆盖面,缩短业务的提供时间,又符合网络融合的发展趋势,但是由于IPTV业务对于带宽的需求很高,对现有网络产生了很大的压力,网络多处存在瓶颈。

  首先是接入网。由于接入网投资大,建设时间长,所以建议IPTV的接入网尽量利用现有的宽带接入网提供接入,不再单独建设。但是目前的宽带接入网并不能完全满足IPTV业务的要求。ADSL接入的带宽瓶颈包括三个方面:DSLAM的上联接口,DSLAM的二层交换能力或者上联接口板到用户板的总线带宽,以及用户接入带宽。对于前两者的解决方案只有通过上联板卡的更换、用户割接,以及新增一些能够满足要求的DSLAM来解决。用户接入带宽与DSLAM的覆盖半径,线路质量,以及用户端MODEM的接入方法有关,建议覆盖半径在2公里以内。LAN接入网由多台二层交换机级联而成,带宽瓶颈主要在于上联端口速率,这需要通过减少网络层数,增加具备GE接口的设备来解决。

  其次是BRAS。现网运行的BRAS包转发能力都比较差,无法承受大的业务流量。我们假设BRAS提供的最大上联接口为2GE,除去开销,实际可承载流量为1.6Gbps。假设上网并发用户数为x,每用户流量为160Kbps,IPTV并发用户数为上网用户数的20%,每用户流量为2Mbps。1.6*1000=0.16x+2*0.2x,x=2850。这个值比起现网BRAS上的并发用户数小得多(这里是指经济发达的大中城市的电信城域网),因此除了一些极少数的IPTV用户,在无法通过其他途经提供业务的情况下,可以通过现网的BRAS承载。经过几年的技术发展和市场培育,从去年开始许多厂商推出的BRAS设备无论是在包转发能力,GE端口的密度,组播性能、QoS等方面都有了很大的提升,在承载IPTV业务上体现了强大的能力,因此将IPTV业务承载在新型的BRAS上是一个不错的选择,主要的不足是成本相对较高。

  最后,我们测算一下从BRAS/L3到汇聚层/核心层设备的流量:

  TV直播业务:每个用户2M带宽,假设有100个频道,则所需带宽为:100×M=200Mbps

  点播业务:每个用户2M带宽,假设每个BRAS/L3下带10000个用户,则所需带宽为:10000×M=20Gbps

  假设,80%的用户欣赏20%的热门节目,所以只有20%的用户流量是从接入节点到汇聚节点。同时,按经验值,取1∶3的并发收敛比计算;因此,从BRAS/L3到汇聚层/核心层设备所需带宽为20*(1/3)*(1/5)=1.33Gbps,不会对网络有大的影响。

  3.3 QoS要求

  根据表1可知,IPTV业务对于时延和丢包要求较高,因此IPTV承载网应能提供以下的QoS保证:①高带宽②低丢包率③优于Internet业务④高速组播转发能力⑤快速频道切换。

  汇聚和核心层主要承担组播分发、CDN服务器之间的内容分发流量。这个层面的设备要求提供以下QoS保障:①强大的MPLS VPN支持能力②支持MPLS DiffServ/TE③支持流分类,能基于组播地址设置优先级④根据频道数*节目带宽+点播用户数*节目带宽进行预留⑤支持拥塞管理,限制服务器源的速率。现网的核心/汇聚设备均为高端路由器,能满足以上的QoS要求。

  边缘节点设备主要承载VOD流量和组播流量,向用户分发媒体流。这个层面的设备要求提供以下QoS保障:①支持双向数据缓存②支持多种流分类:基于组播地址、用户帐号、VLAN/PVC、IGMP等③报文缓存能力④线速ACL⑤静态加入组播组。BRAS比起L3 在QoS方面的能力要强很多。

  接入网设备应支持PVC/VLAN隔离(PSPT),支持802.1p,以及双向带宽控制CAR、组播静态注入等。现网的接入网设备在QoS方面能力都很弱,需要进行优化改造。

  3.4 用户认证

  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,其中对组播用户的控制,其重要的一个技术手段就是对用户的认证、授权。原有的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。按用户与网络设备之间的通信方式,目前使用较多的网络层接入认证方式主要是PPPoE和DHCP两种。

  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DLSAM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OP-TION60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,OP-TION82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,但是需要通过BRAS来支持,投资较大。DHCP认证方式安全性较差,为保证接入的安全性需要进行接入网的改造,如要求接入网设备支持OPTION82,为防止DHCP Server欺骗,需要进行二层的用户隔离,而目前LAN接入网大部分还无法提供等。但是采用DHCP认证方式,IPTV业务流量可以从三层交换机走,投资较少。
  3.5 解决方案综述

  从以上的分析可知,在现网基础上建设IPTV业务网,建设思路如下:

  ●接入网部分利用现有的宽带接入网,主要进行设备带宽以及二次组播功能方面的改造,对于无法进行改造的设备可以通过新增接入设备的方式予以解决。

  ●骨干网边缘节点可以设置在BRAS上,也可以设置在新增的L3上。采用BRAS进行承载,优点是QoS和用户管理较好,而且可以充分利用城域网设备(当然只有新型的BRAS才可以,现网上大多数的BRAS 不适合用户承载IPTV业务),缺点是投资大,覆盖面不够。采用L3进行承载,优点是在投资较小的情况下,可以实现大面积的业务覆盖。缺点是QoS和用户管理不好,网络健壮性和发展性较差。

  综上所述,建网初期IPTV承载网的解决方案如图3所示。

  结束语

  对于承载多业务的宽带IP网络而言,IPTV提出了很高的要求,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。当然,IPTV业务刚刚起步,在承载网方面还有许多技术问题需要进一步的分析探讨,但是提供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。
 
 [关键词]:IPTV 宽带网 组播  发表评论    【推荐】 【打印

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