淺析在IPTV下的流媒體技術(shù)

◆劉 毅 袁少瑋 王喜仁

淺析在IPTV下的流媒體技術(shù)

◆劉 毅 袁少瑋 王喜仁

(陸軍裝甲兵學(xué)院教研保障中心 北京 100072)

為推進(jìn)軍隊(duì)院校信息化、數(shù)字化建設(shè)，保證合理使用網(wǎng)絡(luò)資源，本文依托現(xiàn)有的校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)架構(gòu)，進(jìn)一步分析掌握IPTV搭建的關(guān)鍵技術(shù)，解決在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式下、校園網(wǎng)用戶對(duì)帶寬需求等各個(gè)方面無(wú)法滿足的問(wèn)題。一方面，對(duì)校園網(wǎng)絡(luò)起到數(shù)據(jù)導(dǎo)流的作用，緩解校園網(wǎng)出口帶寬的壓力；另一方面，可以以此為依托，為學(xué)校開(kāi)展視頻教學(xué)、精品課點(diǎn)播等服務(wù)工作提供更加高速、穩(wěn)定全面的服務(wù)平臺(tái)，為學(xué)員、教員提供更加便利的上網(wǎng)環(huán)境。下面對(duì)搭建校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)所需要的基本技術(shù)一個(gè)簡(jiǎn)單的解析，為更好構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)做好鋪墊。

IPTV；流媒體；流媒體播放方式

0 前言

IPTV稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議電視或者被稱為交互式網(wǎng)絡(luò)電視，它不同于傳統(tǒng)的模擬信號(hào)電視，同時(shí)與數(shù)字電視技術(shù)也不同。IPTV是結(jié)合數(shù)字、計(jì)算機(jī)、多媒體技術(shù)等日益密切科技的產(chǎn)物，利用寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把互聯(lián)網(wǎng)、多媒體和通訊等多種技術(shù)集合于一體，以IPTV機(jī)頂盒或者PC計(jì)算機(jī)做為主要接收設(shè)備，電視機(jī)和電腦顯示器作為主要顯示設(shè)備，為終端設(shè)備提供各種交互服務(wù)技術(shù)，例如休閑娛樂(lè)、電子商務(wù)、互動(dòng)服務(wù)，同時(shí)需要通過(guò)TCPIP協(xié)議來(lái)完成網(wǎng)頁(yè)瀏覽、電子郵件、廣告互動(dòng)、在線信息咨詢、娛樂(lè)等，正是IPTV的出現(xiàn)，有效的集成了電視、通信、計(jì)算機(jī)等各個(gè)領(lǐng)域，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和內(nèi)容提供商提供了無(wú)限的市場(chǎng)商機(jī)。

1 IPTV系統(tǒng)組成

IPTV是基于TCPIP網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上為用戶終端提供流媒體服務(wù)，從邏輯上是可以劃分為5大部分：流服務(wù)系統(tǒng)、多媒體處理系統(tǒng)、內(nèi)容管理系統(tǒng)、電子節(jié)目單服務(wù)系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)支持平臺(tái)。

1.1流服務(wù)系統(tǒng)

無(wú)論電視直播還是視頻點(diǎn)播方式等，IPTV的核心都需要流媒體的方式來(lái)為終端用戶提供服務(wù)。

1.2多媒體處理系統(tǒng)

主要用來(lái)處理多種節(jié)目源轉(zhuǎn)換成數(shù)字化方式，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)接收視頻、音頻等流媒體節(jié)目源，IPTV提供終端的流媒體服務(wù)。

1.3內(nèi)容管理系統(tǒng)

主要是對(duì)媒體資源進(jìn)行管理，包括了內(nèi)容管理、編排和報(bào)表信息的采集和生成，最重要的是對(duì)客戶的需求進(jìn)行更深入的分析，才可以保證提供最為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

1.4電子節(jié)目單服務(wù)系統(tǒng)

為用戶提供更加方便、快捷、可視化的業(yè)務(wù)界面，供用戶選擇自己喜歡的視頻，起到了索引的效果，也就是為用戶完成了接入請(qǐng)求。

1.5運(yùn)營(yíng)支持系統(tǒng)

整個(gè)運(yùn)用體系是需要運(yùn)營(yíng)商來(lái)提供服務(wù)和管理，這就包括設(shè)備的管理，定價(jià)策略，終端用戶管理、平臺(tái)計(jì)費(fèi)等后期的維護(hù)。

IPTV平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)分為4層：支撐層、媒體業(yè)務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)承載層和用戶終端層。

2 流媒體技術(shù)

在Internet發(fā)展的初期階段，網(wǎng)絡(luò)在多媒體中的傳輸方式為靜態(tài)數(shù)據(jù)傳輸“先下載，后享用”，為欣賞豐富的視頻信息、音頻信息等，需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的數(shù)據(jù)下載時(shí)間，同時(shí)要提供大容量的本地磁盤來(lái)進(jìn)行緩沖，這種方式越來(lái)越不可行，而且對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)很不方便。為適應(yīng)Internet的傳輸，提出了數(shù)據(jù)傳輸模式“流傳輸”，并得到了快速的發(fā)展。與傳統(tǒng)“先下載，后享用”的傳輸模式不同，流媒體的傳輸方式 “邊下載，邊享用”。采用“流媒體傳輸”模式時(shí)，先把連續(xù)的媒體數(shù)據(jù)劃分為小的數(shù)據(jù)包，然后按照一定的時(shí)間間隔依次連續(xù)發(fā)送給接收方。接收方在收到一部分?jǐn)?shù)據(jù)包后進(jìn)行重組，來(lái)獲得播放媒體的連續(xù)的小片段。這樣的傳輸方式中，接收方一邊接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，一邊同時(shí)可以連續(xù)播放媒體片段，而不需要很長(zhǎng)的等待時(shí)間和本地大容量的磁盤進(jìn)行緩沖。

表1 IPTV系統(tǒng)組成

應(yīng)用服務(wù)EPG 內(nèi)容制作內(nèi)容管理 流媒體服務(wù)增值業(yè)務(wù)

國(guó)家主干網(wǎng) 省主干網(wǎng)/城域網(wǎng) ADSL接入LAN接入WLAN接入GEPON接入

機(jī)頂盒/PC/移動(dòng)終端

2.1流媒體傳輸技術(shù)

在IPTV系統(tǒng)中，流媒體的傳輸技術(shù)分為：實(shí)時(shí)流傳輸（Real-time Streaming）和順序流傳輸（Progressive Streaming）。一般實(shí)時(shí)流傳輸是采用實(shí)時(shí)協(xié)議或者流式傳輸媒 對(duì)實(shí)時(shí)流傳輸?shù)拿襟w信號(hào)與寬帶信號(hào)進(jìn)行匹配，使用戶媒體能夠?qū)崟r(shí)觀看或者進(jìn)行隨機(jī)訪問(wèn)，快進(jìn)或者后退來(lái)觀看前面或后面的內(nèi)容；順序流傳輸是通過(guò)Http或者FTP，傳輸方式可以用Web來(lái)進(jìn)行傳輸，用戶在線觀看媒體的時(shí)候，只能觀看已經(jīng)下載了的部分媒體信息，沒(méi)有下載的是不能看到的。理論上來(lái)說(shuō)，在實(shí)時(shí)流播放過(guò)程中是不能停止的，如果發(fā)生暫停，就需要再次進(jìn)行與寬帶連接進(jìn)行匹配，對(duì)流媒體進(jìn)行解碼和壓縮操作。

RTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)在TCP協(xié)議和UDP協(xié)議中的應(yīng)用層來(lái)完成，因?yàn)門CP協(xié)議中包含了擁塞控制和自動(dòng)重傳請(qǐng)求機(jī)制，不能達(dá)到流媒體連續(xù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。

表2 RTP協(xié)議

RTP協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的之間的關(guān)系。

RTP協(xié)議中兩個(gè)基本的協(xié)議報(bào)頭為數(shù)據(jù)包序列號(hào)和時(shí)間戳，利用數(shù)據(jù)包序列號(hào)，接收者可以很方便的判斷在數(shù)據(jù)包的前后次序中是否發(fā)生丟失；利用時(shí)間戳來(lái)確定數(shù)據(jù)包的內(nèi)容的播放時(shí)間，同時(shí)可以推算出網(wǎng)絡(luò)傳輸經(jīng)歷的延遲和抖動(dòng)情況。在傳輸?shù)倪^(guò)程中可以RTP控制協(xié)議一直在監(jiān)控RTP數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，控制接收方和發(fā)送方的通信。

2.2流媒體播放方式

可以通過(guò)單播的方式為用戶傳送流媒體數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)多個(gè)用戶傳送流媒體數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)在線視頻點(diǎn)播技術(shù)或者直播技術(shù)。

（1）單播

采用單播的方式傳輸流媒體數(shù)據(jù)，在服務(wù)器和客戶端之間建立點(diǎn)到點(diǎn)的單獨(dú)數(shù)據(jù)通道。它的特點(diǎn)是服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間段內(nèi)只能有一個(gè)客戶端可以接收，當(dāng)有大量客戶在同一時(shí)間段發(fā)生請(qǐng)求是無(wú)法完成的，這對(duì)服務(wù)器產(chǎn)生大量負(fù)荷，同時(shí)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的速度產(chǎn)生要求。

（2）廣播

數(shù)據(jù)流統(tǒng)一發(fā)送所有用戶，不管用戶是否有需求，通過(guò)這種方式是可以減少對(duì)服務(wù)器的負(fù)載，但用戶端是被動(dòng)接收，無(wú)法滿足用戶的個(gè)性化需求。

（3）組播

結(jié)合了單播和廣播的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)分組的模式把數(shù)據(jù)包發(fā)送給多個(gè)用戶，從而保證服務(wù)器的最小負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用，同時(shí)也滿足網(wǎng)絡(luò)底層對(duì)組播的支持。

2.3流媒體系統(tǒng)特點(diǎn)

因?yàn)椴煌牧髅襟w應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨笫遣幌嗤?要根據(jù)實(shí)際情況也有很大差別，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求對(duì)流媒體進(jìn)行傳輸，可將流媒體系統(tǒng)分為四大類，如表3。

表3 流媒體基本應(yīng)用模型和特征

2.4流媒體系統(tǒng)功能要求

（1）端到端的質(zhì)量問(wèn)題：能夠很好接收從媒體源接收媒體傳輸過(guò)來(lái)的信息是保證，也是流媒體系統(tǒng)的基本功能需求。它有以下幾個(gè)因素的影響:第一，媒體質(zhì)量：衡量流媒體整體性能的主要指標(biāo)，對(duì)于視頻可以用峰值信噪比來(lái)進(jìn)行媒體質(zhì)量，也可以通過(guò)衡量媒體話音質(zhì)量來(lái)進(jìn)行衡量；第二，延遲：從終端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求接收多媒體數(shù)據(jù)所用的間隔時(shí)間；第三，抖動(dòng)：流媒體數(shù)據(jù)之間時(shí)間相關(guān)度，也就是媒體播放的不連貫性，數(shù)據(jù)包達(dá)到了接收端的間隔時(shí)間一致。

（2）可擴(kuò)展性：流媒體應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)中達(dá)到的最大會(huì)話規(guī)模，例如視頻點(diǎn)播和直播支持大量用戶訂閱，網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議和網(wǎng)絡(luò)電話支持大量并發(fā)會(huì)話，能夠支持媒體源和接收端口同時(shí)蔡玉大規(guī)模的流媒體會(huì)話。

（3）系統(tǒng)效率：解決提供各種服務(wù)成本和代價(jià)，實(shí)現(xiàn)高的系統(tǒng)效率才能在系統(tǒng)性能和部署成本中取得平衡。

（4）會(huì)話管理：終端客戶與服務(wù)器之間雙方會(huì)話，如視頻點(diǎn)播，對(duì)每個(gè)視頻節(jié)目的點(diǎn)播都是一個(gè)獨(dú)立的雙方會(huì)話，會(huì)話管理還可以為用戶提供豐富的VCR操作，例如暫停、快進(jìn)退等隨機(jī)定位模式，也可以為多個(gè)終端客戶之間進(jìn)行多方會(huì)話，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議，實(shí)時(shí)通話邀請(qǐng)，建立一個(gè)會(huì)話小組驚醒討論。

（5）安全性：流媒體系統(tǒng)的安全性包括會(huì)話、功能的安全性和基礎(chǔ)設(shè)施的安全性。會(huì)話的安全性指要對(duì)終端客戶進(jìn)行用戶的身份認(rèn)證，媒體數(shù)據(jù)加密認(rèn)證；功能的安全性是指會(huì)話管理協(xié)議在傳遞身份認(rèn)證信息和協(xié)商會(huì)話密鑰，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送和接收信息?；A(chǔ)設(shè)施的安全性需要借助服務(wù)節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)接觸設(shè)施提供服務(wù)，這些服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供了足夠的保障，有效避免受惡意攻擊破壞和干擾，保障流媒體系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的工作。

3 小結(jié)

通過(guò)淺析IPTV系統(tǒng)中所涉及的相關(guān)技術(shù)，可以基本確定在搭建校園網(wǎng)的IPTV系統(tǒng)過(guò)程中所需要的條件和一系列的視頻流的操作，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)初步總體模型的架構(gòu)做好鋪墊。

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