IPTV业务需求及其提供方式分析

【摘要】文章研究了IPTV业务系统的体系架构，总结了IPTV业务的主要技术需求，对IP组播、CDN和P2P三种IPTV业务的关键技术进行了分析。
【关键词】下一代网络   IPTV   技术需求   业务提供

1     引 言 
      下一代网络（NGN，Next Generation Networks）是基于分组技术的多业务网络，能够提供包括传统电信业务在内的多种业务，从而有效降低过去为每种业务建立一个专用网络的建设和运维成本。现阶段，以话音业务为主固网电信运营商正在经历用户ARPU值降低、赢利能力下降的困扰。为了增加运营收入，提供新的业务通过业务绑定提高用户忠诚度被认为是最为有效的方法。IPTV正是被寄予厚望的NGN业务。
       IPTV也称为网络电视。准确地说，IPTV是利用宽带网络作为基础设施，以家用电视机或个人电脑作为主要显示终端，利用一系列Internet协议承载和传输经过编码压缩的多媒体数字信号，为家庭用户提供包括电视节目在内的多种交互式数字多媒体服务以及各种增值服务的技术。人们可以通过PC个人电脑、机顶盒+电视机、智能移动终端等多种方式享受IPTV服务。从用户角度看，IPTV业务可以提供具有个性化和实时交互特点的点播服务和类似于传统电视的非交互式广播服务。
IPTV业务的突出特点是具有交互性和实时性，从而改变了传统电视的被动收看模式，实现了无论何时何地“按需观看”的交互式电视功能。IPTV业务的实现过程对业务网络、IP承载网、宽带接入、终端，以及媒体编解码、数字版权保护等一系列技术提出了新的要求。特别是由于视频的高带宽和实时性要求，视频内容存储与分发是IPTV业务提供的关键技术。

2      IPTV业务系统体系架构
        IPTV是一个全新的业务，在商业模型上有别于其它传统的电信和广电业务。IPTV的产业链构成更加复杂，包括了内容提供商、业务提供商、网络运营商和最终用户等主要环节。IPTV业务需要产业链各个环节的支持才能构成完整的业务系统，从技术角度，IPTV系统可以分为三个组成部分：IPTV业务平台、IP承载网络和用户终端，如图1所示。每个组成部分由一些关键设备或软件系统组成，完成相应的基本功能。

                                             图1  IPTV系统体系架构

2.1   IPTV业务平台
        根据业务运营需要，IPTV业务平台包括内容处理系统、内容分发网络和运营管理平台。内容处理系统负责内容的数字化、压缩编码以及分布式存储等。视频内容信息极其丰富，经过数字化后仍将需要大量的存储空间，压缩编码技术可以减小视频的存储容量和传送带宽需求。即便经过高度压缩，数字化后的视频文件仍然相当庞大，因此存储系统必须具备海量的特性。
       由于多媒体内容的高带宽和实时性要求，底层的承载网络通常难以满足直接传送视频内容的需求，而需要在承载网络的基础上建设专用的IPTV内容分发网络。广义而言，内容分发网络是在内容源和用户终端之间进行内容分发的业务网络。内容源包括提供组播和点播服务的媒体服务器，它将存储系统中经过数字化和压缩处理的媒体内容以流化的形式推送到网络中。
      运营管理平台包括用户管理、业务网络管理以及其它运营信息管理功能。其中用户管理包括对IPTV业务用户的认证、计费、授权等功能，以保证合法用户可以得到安全高质量的服务。
2.2   IP承载网络 
       IPTV承载网络是运行TCP/IP协议的网络，包括骨干/城域网络及宽带接入网络。骨干/城域网络是各种业务共享的通信平台。目前城域网络主要采用千兆/万兆以太网络，而长距离的骨干网络则较多选用SDH或DWDM作为IP流量的传送网络。
       宽带接入网络主要实现用户到城域网络的宽带连接，目前常用的宽带接入技术包括xDSL、LAN、WLAN和双向HFC等，可以为用户提供数百kb/s~100Mb/s的带宽。

2.3  IPTV用户终端
        IPTV系统的用户终端一般有三种类型，即PC（个人计算机）、机顶盒+电视和智能移动终端。PC终端包括了各种台式计算机和笔记本式计算机，此类设备的特点是自身集成了较强的处理能力，不仅可以独立完成视频解码回显任务，还可以安装其它软件完成信息交互、自动升级和远程管理等功能（如浏览器和终端管理代理等）。
       电视机一般仅具备显示模拟和数字视频信号的能力，而不具备交互通信能力。机顶盒主要作为数字视频信号的接收和处理设备并通过网络与媒体服务器进行交互。因此，目前采用机顶盒+电视机的终端形式才能满足全部的IPTV业务要求。
智能移动终端主要是指智能手机及个人数字助理（PDA）。目前，市场上具有显示动态画面功能的手机由于受网络传输速率和视频解码处理能力的限制还无法提供流畅的视频信号，因此只有在无线宽带接入网络，如3G网络投入运营并结合更高效的编码方案后，移动终端才会逐步成为IPTV的终端设备。

3    IPTV业务提供的技术需求
      IPTV是一种三重播放业务，需要同时支持视频、语音和数据业务，其系统架构必须要满足各种复杂的技术需求。用户需求是业务发展的基础，提供良好的用户业务体验是IPTV系统的设计目标。对于一个新业务，用户希望它在提供更加丰富的影视内容的同时，还需要具有与传统有线电视相比更加优良的特点。除了与有线电视节目相当的高质量图像效果、类似于遥控器的简单操作方式，用户还需要个性化节目定制，需要能够在任何时间和地点自由选择观看内容的全新业务体验。
       为了满足用户的需求，IPTV业务对现有网络技术、计算技术、多媒体技术等都提出了很高的要求，对传统的商业模型、网络融合、安全机制等也提出了许多新的挑战。IPTV业务的技术需求主要有以下几点：
（1）承载网络需求
为确保良好的服务质量，需要底层的IP承载网络和接入网络具有足够的容量，并可以灵活地管理和控制网络资源。
（2）信源编解码技术需求
要求在提供高质量图像画面的同时尽量降低编码速率，为了减少传输差错的影响，还需要编码具有一定的容错能力。
（3）业务性能需求
IPTV系统需要提供明晰的节目单和业务导航能力以及大容量内容存储、管理与分发技术。IPTV是以内容为中心的实时业务，用户的使用目的多数是为了娱乐和消遣，因而需要高质量保证。
（4）数字安全保护需求
        出于对内容提供商内容资源的保护，IPTV系统要有良好的安全管理和版权保护措施，一方面对内容进行管理，另一方面对用户进行认证授权。针对用户的游牧性，需要采取统一的认证机制。
       综上所述，IPTV业务提供对承载网络质量、信源编解码、业务提供能力、内容安全管理等提出了一系列的技术要求。在构建IPTV业务体系架构时要充分地利用现有网络和技术优势，尽可能多地支持各类技术需求；在某些业务不明朗、技术不成熟的方面应留有余地，以将IPTV系统建成具有融合、开放、安全特点的多媒体业务平台。

4    IPTV业务提供方式分析
      作为一种新的电信业务，IPTV在国内的发展面临着政策、商业和技术等方面的风险。在技术层面，网络容量和结构的可扩展性是一个重大的挑战。由于视频信息需要消耗大量的带宽资源，且流媒体内容需要实时播放，与传统的话音与数据业务相比，IPTV资源需求要大得多。现在正进行的IPTV试点项目只支持数千用户，而大规模部署需要支持百万数量级用户，给网络容量带来前所未有的挑战。此外，网络服务质量的保证、视频编码标准的选择、内容的安全性保障以及用户体验质量等问题都是IPTV系统亟待解决的技术问题。本文主要讨论如何解决网络容量的扩展性问题。
      随着高速路由设备、城域汇聚与接入设备的发展与成熟，承载网络的容量已经有了很大的提高。在城域网内已经达到10Gb/s的量级，核心网的超大容量路由器也有相应产品可选。相对而言，宽带接入技术有所落后，但高速DSL和无源光网络接入技术有望提供大容量的接入带宽。然而，根据美国AT&T（原SBC）公司的部署经验，为了支持高质量的三重播放业务，每个家庭需要20M以上的带宽。尽管承载网络的容量已经很大，还必须进行合理的利用才能在成本和质量两方面取得更好的平衡。当前，为了提供大规模的IPTV业务，主要有三种技术可用于提高网络容量的扩展性，分别是IP组播，CDN技术和P2P技术，下面分别对上述技术进行分析。

4.1  IP组播
       IP组播中，接受相同内容的所有用户被分成一个组播组，并共享相同的IP组播地址。借助于路由协议，IP组播可以在网络中间结点实现数据报文的多点复制，从而避免了每一个用户都要到最初的源结点获取数据，在用户数量较多的情况下，可以大大节约网络带宽的消耗。IP组播的提出最初是为了实现Internet中的多媒体会议系统，并通过MBone实验网进行了验证。当前，在IPTV业务提供方案中，IP组播技术是重要的组成部分。
      然而，IP组播组中的用户可以动态地加入和退出，用户的组管理增加了路由设备的复杂性和负担，因而其本身具有可扩展性问题[1]。其次，IP组播遵循Internet设计中路由与传输分离的原则，只提供尽力而为的服务，为组播提供服务质量保证比单播要复杂得多。此外，由于实现IP组播需要对IP路由协议进行修改，部署IP组播需要替换原来的IP路由器，因而会带来很大的经济负担。事实上，IP组播技术已经有超过15年的历史，但并没有得到大规模的应用。
       相对于核心网络，城域网络的带宽资源更加紧张，而且由于城域网通常需要新建，因而在城域中部署减化的IP组播技术不失为一个可行的方案。为了实现城域组播，需要相应的接入汇聚、城域汇聚以及IP路由设备都支持组播能力，因而实现组播会带来很大的成本负担。由于组播技术存在可扩展性问题，它也不适合在核心网中部署。此外，组播技术只能用于广播应用，对点播能够提供的帮助有限，因而并不能完全解决IPTV系统的容量可扩展性问题。

4.2  内容传送网络
       IP组播是一种承载网技术，具有较好的通用性。但由于IP组播的部署成本很高，还需要其它技术做为补充。应用层组播技术是近年来出现的一种替代方案。应用层组播不需要对IP层的协议进行修改，可以根据需要有选择性的实施，因而具有良好的可部署性。内容传送网络（CDN）技术可以看作是一种运用于多媒体传输的应用层组播技术，已经在Internet多媒体应用中得到了广泛的应用。
      CDN是一个叠加在骨干/城域网络之上的应用系统，其主要任务是将节目内容由中心服务器推送到尽量靠近用户的边缘服务器中，用户终端依据就近原则和负载均衡原则选择尽量接近用户的边缘服务器获取节目内容。目前的CDN大都依据“80/20”规律进行规划，即80%的用户可在边缘服务器直接得到节目，而边缘服务器只存贮占总体20%的热点节目。边缘服务器一般连接在靠近用户的城域设备上，由于终端与服务器之间的路径较短，可以大大提高响应速度；媒体流量不需经过骨干网络，从而节约了骨干网资源，提高网络容量的扩展性；媒体内容均衡分布到大量边缘服务器上，有效地减少网络和服务器发生拥塞的可能。
       相对而言，CDN是一个比较成熟的技术，国内外有很多集成商可以提供相关方案。由于内容已经存储在边缘服务器中，点播应用所消耗的网络资源也很有限。尽管CDN可用于支持媒体广播，但更多是用于IP组播进行补充以支持点播业务。部署CDN虽然没有技术上障碍，由于需要购置大量的服务器和管理软件，其成本投入从网络层转移到应用层，仍然是不容忽视的问题。

4.3   P2P技术
        对等网络（P2P）技术是近年来新兴的内容分发技术。P2P技术充分利用终端的资源，每个对等结点既是内容的获取者，同时又是内容的提供者，为其它结点提供服务。P2P系统最初用于文件共享，但其内容交换特性也可用于IPTV的流媒体应用。PPLive是Internet中比较成功的P2P流媒体应用[2]，图2所示为PPLive的基本工作原理。需要获取内容的结点（终端1）先到频道列表服务器中得到所需的频道，然后登录到结点列表服务器中获取正在观看同一频道的其它结点列表，这样该结点就可以和列表中的其它结点进行数据交换，观看感兴趣的频道内容。

                                           图2   PPLive系统工作原理示意图

       P2P系统的最重要的特性是自扩展，即参加的结点越多，系统的容量就越大。在P2P系统中，对等结点不需要到源服务器就可以得到所需的内容，因而服务器的连接带宽和处理能力不再是系统的瓶颈。由于P2P系统通过终端软件实现，因而也是一种应用层组播技术。和CDN相比，区别在于P2P网络不需要部署任何用于内容转发的服务器，因而具有良好的经济性。但是P2P系统不关心底层网络连接服务质量，因而对等结点间的连接可以无法满足流媒体的实时性要求。此外，P2P系统中结点可以自由地加入和退出，因而系统的容量不稳定，难以提供可靠的性能。
除了使用单纯的P2P技术，还可以将传统的CDN技术与P2P技术结合起来。在CDN中，由中心服务器向边缘节点分发节目内容一般采用传统的FTP技术，节目内容采用文件格式或者分片文件格式。目前的一种趋势是采用P2P技术构建CDN网络，将节目内容预先进行流化处理后分块存贮在多个边缘服务器中，由调度服务器按照就近原则、负载均衡原则进行集中控制，并可基于网络状况实时选择和切换向用户提供流服务的边缘服务器。图3是一个基于P2P的CDN网络结构示意图。采用这种分布式存贮和集中控制的CDN结构，用户观看一个点播节目时通常是由多个边缘服务器协同完成流服务，可以在用户集中点播时将负载在整个CDN内部进行更加合理的分布，避免过于集中在某个边缘服务器中造成拥塞。采用基于P2P的内容存储与检索技术，可以有效地降低CDN系统的存储成本。

                                    图3   基于P2P的CDN网络结构示意图

5     结论
      下一代网络的目标是多业务网络，在众多的业务中，IPTV基于其三重播放能力可以有效地进行业务绑定，从而提高用户忠诚度。本文研究了下一代网络中IPTV业务系统的体系架构，总结了IPTV业务的主要技术需求，对IP组播、CDN和P2P三种IPTV业务提供关键技术进行了分析。尽管IP组播结合CDN的方式是当前的主流方案，但P2P技术具有明显的成本优势，在用户活跃程度较高的地区或时段可以发挥作用，作为一种新的IPTV业务提供方式值得进一步研究。

参考文献
【1】C Diot, B Levine, B Lyles, et al. Deployment Issues for the IP Multicast Service and Architecture [J], IEEE Network 14（1）, 2000: 78~88.
【2】X Hei, C Liang, J Liang, et al.. Insights into PPLive: A Measurement Study of A Large-Scale P2P IPTV System, In Proc. of  IPTV Workshop, International World Wide Web Conference, 2006.     ★

【作者简介】

纪其进：2005年6月毕业于东南大学计算机科学与工程系，获博士学位。曾在上海贝尔阿尔卡特股份有限公司从事博士后研究，现任教于苏州大学计算机科学与工程学院，目前研究方向为多媒体通信与无线网络等。