一種新型交互式網(wǎng)絡電視監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

陳東亞, 袁三男, 黃 勇, 吳立新

(1.上海電力學院, 上海 200090;2.上?？平娮有畔⒓夹g(shù)有限公司, 上海 200030)

隨著交互式網(wǎng)絡電視(Internet Protocol Television,IPTV)的迅速發(fā)展,其自身的開放性、交互性、多樣性等特點,使得在開展IPTV業(yè)務的過程中,會出現(xiàn)比傳統(tǒng)電視節(jié)目更為嚴重的故障。

由于IPTV依靠網(wǎng)絡進行節(jié)目的實時傳輸,因此需要有較大的帶寬支持。而且IPTV通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸,攻擊者只需通過網(wǎng)絡便可傳播有害內(nèi)容,而無需攻擊衛(wèi)星信道這種專業(yè)通信方式,攻擊手段也更為隱蔽,成本消耗更低。此外,運營商的某些行為如私自增加隱藏頻道、未經(jīng)允許插播節(jié)目等,會出現(xiàn)大量的違規(guī)節(jié)目,從而導致信息安全方面存在一定的隱患。由于IPTV業(yè)務的逐漸發(fā)展且影響力日趨增大,因此針對IPTV業(yè)務的監(jiān)管也顯得更為重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計需求分析

我國對IPTV系統(tǒng)的監(jiān)管,主要由兩大部門共同完成:一是國家廣播電影電視總局(簡稱“廣電總局”),二是中華人民共和國工業(yè)和信息化部(簡稱“工信部”)。其中,電信運營商,也就是工信部下屬單位,主要針對網(wǎng)絡安全、質(zhì)量等方面,而對于節(jié)目內(nèi)容的監(jiān)管并不關(guān)心;而廣電總局的監(jiān)管主要著重于節(jié)目內(nèi)容質(zhì)量、播出安全等方面。因此,對IPTV的監(jiān)測需要從內(nèi)容、質(zhì)量及安全3個層面進行考慮。

與傳統(tǒng)的數(shù)字電視相比,IPTV系統(tǒng)更為靈活。這種靈活表現(xiàn)在不僅可以提供電視節(jié)目和一些熱門的電影,還能提供多種多樣的增值服務。IPTV依靠網(wǎng)絡來傳輸數(shù)據(jù),不會出現(xiàn)模擬電視失真的現(xiàn)象,但如果網(wǎng)絡不夠穩(wěn)定,則會出現(xiàn)丟包,因此在設(shè)計時需要考慮丟包及包的順序等因素。目前市場上也有IPTV網(wǎng)絡測試儀,若在各個網(wǎng)絡節(jié)點處部署,則數(shù)量過于龐大,且價格昂貴。

因此,在系統(tǒng)設(shè)計時,需要滿足以下幾個功能需求:一是能夠采集電子節(jié)目菜單(Electronic Program Guide,EPG)信息,自動檢測違規(guī)節(jié)目,調(diào)整報警門限值;二是在發(fā)現(xiàn)直播異常時能自動報警并且顯示故障類型,定位故障點;三是能夠查看并下載故障節(jié)目,實現(xiàn)多路節(jié)目同時監(jiān)測。此外,整個系統(tǒng)也要便于工作人員操作和維護,且易于擴容。

2 現(xiàn)有方案比較

針對IPTV系統(tǒng)的監(jiān)測方案已有大量的研究成果,文獻[1]將IPTV監(jiān)測系統(tǒng)分別從信源、播出、傳輸和用戶抽樣等方面進行了監(jiān)測。但在此方案中,位于用戶端的解調(diào)器到數(shù)字用戶線接入復用設(shè)備(Digital Subscriber Line Access Multiplexer,DSLAM)中間可能會因為DSLAM部分設(shè)備的不穩(wěn)定而出現(xiàn)掉線等嚴重故障。究其原因,就在于其設(shè)備上組播復制的技術(shù)還不夠成熟。

文獻[2-3]提出采用專家系統(tǒng)來對IPTV業(yè)務質(zhì)量情況進行實時監(jiān)測。此方案在業(yè)務處理上較為智能,但也有不足之處:首先,要有大量數(shù)據(jù)的知識庫才能使得專家系統(tǒng)有一定的參考價值,而知識庫的建立需要花費一定的時間;其次,由于推理機在處理過程中需要對使用人員提出問題,以此來確定具體所需解決的問題,而在此過程中,若使用人員對問題情況描述不夠清晰,則會導致無法快速準確地找到問題所在。

文獻[4]提出在國家級、省級和地市級形成監(jiān)測網(wǎng),以監(jiān)測網(wǎng)分層的形式達到對全國IPTV平臺的監(jiān)測。此方案在地級市監(jiān)測中心建設(shè)的可行性較高,但由于涉及不同的省份以及眾多的地區(qū),具體實施的難度較高。文獻[5]采用一種基于標記識別的內(nèi)容監(jiān)管方法,引入帶密鑰的散列函數(shù)(Hash)概念,實現(xiàn)對IP電視系統(tǒng)內(nèi)容的監(jiān)管。該方案使用密鑰來驗證用戶身份,但在選擇密鑰上是否為動態(tài)類型、如何獲取密鑰以及密鑰的管理等方面有待完善。文獻[6]采用在網(wǎng)絡側(cè)部署硬探針和在機頂盒部署軟探針的方式,對節(jié)目源以及機頂盒播放的視頻質(zhì)量進行監(jiān)測。但目前針對機頂盒軟探針的標準還未統(tǒng)一,因此由軟探針提取的數(shù)據(jù)而得到的平均主觀得分(Mean Opinion Score,MOS)算法會有所不同。

文獻[7]提出在中心平臺和用戶家中部署帶有信令分析功能的測試儀。由于測試儀需要放入用戶家中,這對廣電總局來說是一個艱巨的任務,需要為眾多用戶家中安裝此儀器;且現(xiàn)有的用戶也頗多,如何能夠在管理中心平臺對測試儀上傳回來的數(shù)據(jù)進行管理也是一大難題。文獻[8]采用C/S的架構(gòu),利用核心交換機,在前端設(shè)置監(jiān)測點以實現(xiàn)從傳輸層、碼流層和視音頻層的全面信號監(jiān)測。此方案需要考慮整體性,若系統(tǒng)想要升級,可能需要再做一個全新的系統(tǒng),且不利于維護。文獻[9-10]通過在IPTV網(wǎng)絡關(guān)鍵處布置節(jié)點,采用主動監(jiān)測和被動監(jiān)測的方式,對IPTV業(yè)務質(zhì)量進行監(jiān)測。此方案中只對各個網(wǎng)絡節(jié)點的視頻質(zhì)量以媒體傳輸索引(Media Delivery Index,MDI)指標作為參考進行監(jiān)測,缺少了對節(jié)目內(nèi)容的監(jiān)測。

上述文獻均對 IPTV系統(tǒng)的監(jiān)測提出了解決方案,但都存在著一些不足之處。考慮到 IPTV監(jiān)測系統(tǒng)的實際情況與設(shè)計原則,急需一個能夠針對IPTV系統(tǒng)進行全面監(jiān)測的解決方案——不僅能夠提高IPTV的監(jiān)測效率,而且具有高可靠性,方便維護。在設(shè)備出現(xiàn)任何問題或者想要升級時,能夠輕松更換設(shè)備或者升級程序,且能夠?qū)⒏鞣N狀態(tài)實時上傳至監(jiān)管平臺,便于工作人員查看和處理。

3 新型IPTV監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及其應用

本文根據(jù)上述各個IPTV監(jiān)測系統(tǒng)的特點和廣電總局頒布的《全國IPTV監(jiān)管平臺技術(shù)方案》的要求,以及文獻[11-16]中各個監(jiān)管平臺建設(shè)的情況,針對用戶終端監(jiān)管前端進行了設(shè)計。結(jié)合系統(tǒng)的實際需求,將嵌入式系統(tǒng)應用于IPTV監(jiān)測系統(tǒng)中,提出了同時監(jiān)測IPTV系統(tǒng)8路節(jié)目的方案。此方案不僅能夠提升監(jiān)管效率,加強系統(tǒng)的運行效率,而且能夠降低硬件成本。

本監(jiān)測系統(tǒng)部署在用戶終端監(jiān)管前端處,其網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。

圖1 IPTV監(jiān)測系統(tǒng)用戶終端監(jiān)管前端網(wǎng)絡架構(gòu)

采用嵌入式設(shè)備向IPTV服務器請求采集EPG信息,檢測是否存在違規(guī)節(jié)目,并對解析EPG信息得到的數(shù)據(jù)包進行監(jiān)測,將EPG信息、告警信息、違規(guī)節(jié)目等相關(guān)數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)上傳至監(jiān)管平臺,確保用戶終端這一最后環(huán)節(jié)的業(yè)務質(zhì)量。監(jiān)管平臺接收來自用戶終端監(jiān)管前端的數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總。工作人員可以通過點擊網(wǎng)頁界面上的模塊來查看各種統(tǒng)計結(jié)果、上傳的數(shù)據(jù)以及告警信息,及時了解故障站點和故障原因,避免造成危害或引起用戶的不滿。

3.1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)將嵌入式板卡裝載于嵌入式機箱,其硬件設(shè)備主要部署在用戶終端監(jiān)管前端。硬件設(shè)備主要包含了嵌入式機箱、嵌入式主控板和嵌入式解碼板。嵌入式解碼板單板卡包含8個獨立的解碼小板,可完成對H.264,MPEG-2,AVS 等多種視頻格式的解碼,也可同時對8路信號解碼。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

當嵌入式主控板通過以太網(wǎng)交換機接收到IP數(shù)據(jù)包后,下發(fā)指令給嵌入式解碼板接收IP數(shù)據(jù)包開始解碼,解碼之后得到的視音頻信號由嵌入式主控板進行參數(shù)和內(nèi)容的監(jiān)測。嵌入式主控板的主要工作是:將采集到的EPG信息上傳至監(jiān)管中心,檢測節(jié)目是否存在隱藏頻道和新增節(jié)目等,對解碼后的視音頻內(nèi)容進行監(jiān)測,查看是否存在靜幀、黑場、彩條等異態(tài),以及對視音頻信號以H.264的格式重新編碼,并通過網(wǎng)絡進行存儲,同時上傳至中心監(jiān)管平臺,以備后續(xù)中心監(jiān)管平臺的回放和歷史查看。

3.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件部分包括了EPG數(shù)據(jù)采集模塊、違規(guī)檢測模塊、解碼模塊、視音頻監(jiān)測報警模塊、編碼模塊、存儲模塊和數(shù)據(jù)對接模塊。軟件系統(tǒng)功能實現(xiàn)框圖如圖3所示。圖3中,部署在用戶終端監(jiān)管前端處的監(jiān)測系統(tǒng)對IPTV節(jié)目進行EPG數(shù)據(jù)采集、違規(guī)檢測和節(jié)目內(nèi)容監(jiān)測,一旦發(fā)現(xiàn)異常則立即報警,并將報警信息通過專門的數(shù)據(jù)接口上傳至監(jiān)管平臺。監(jiān)管平臺對收到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和匯總,以網(wǎng)頁界面的形式讓工作人員通過點擊相應的模塊將指令下發(fā)給監(jiān)管前端,從而完成對監(jiān)管前端的數(shù)據(jù)采集、節(jié)目內(nèi)容的監(jiān)測、故障信息的處理以及對平臺的管理等工作。

(1) EPG數(shù)據(jù)采集模塊 采用網(wǎng)絡爬蟲技術(shù)采集用戶終端的直播、點播和回看的EPG信息。

圖3 軟件系統(tǒng)功能實現(xiàn)框圖

(2) 違規(guī)檢測模塊 對歸類好的直播和點播的EPG信息進行違規(guī)檢測,采用縱向比較的方式,查找是否存在隱藏頻道、新增頻道或節(jié)目。

(3) 解碼模塊 解析EPG信息中的統(tǒng)一資源定位符(Uniform Resource Locator,URL),對獲取的IP數(shù)據(jù)包進行解碼,在解碼過程中通過對數(shù)據(jù)包的解析來提取相關(guān)的字段信息,再結(jié)合指標要求,檢測是否存在丟包和同步字節(jié)錯誤等現(xiàn)象,提高解碼效率。

(4) 視音頻監(jiān)測報警模塊 對解碼后的視音頻信號進行監(jiān)測,一旦發(fā)現(xiàn)存在視頻或音頻問題(如無音頻、靜幀、黑場等異態(tài)),則立即告警,并自動生成告警記錄,實時上傳至中心監(jiān)管平臺,以便平臺工作人員進行故障查詢、定位等操作。

(5) 編碼模塊 將解碼后的視音頻信號以H.264的格式重新進行統(tǒng)一編碼。

(6) 存儲回看模塊 采用網(wǎng)絡存儲技術(shù),存儲經(jīng)過編碼的流媒體數(shù)據(jù)。如果中心監(jiān)管平臺下發(fā)下載指令,則可以提供節(jié)目監(jiān)看和下載等功能。

(7) 數(shù)據(jù)對接模塊 用于與監(jiān)管平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸,響應平臺下發(fā)的指令。

3.3 新型IPTV監(jiān)測系統(tǒng)的應用

目前,整個系統(tǒng)已應用于廣西廣播電視監(jiān)測中心的IPTV監(jiān)管平臺。通過綜合調(diào)試,軟件和硬件部分均運行穩(wěn)定,效果良好。在實際應用中,工作人員可以通過點擊界面模塊對直播節(jié)目進行監(jiān)看,能夠快速鎖定故障點和故障類型,及時發(fā)現(xiàn)點播節(jié)目中的違規(guī)節(jié)目,驗證了該系統(tǒng)的有效性、可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

本文針對IPTV監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求著手,通過對現(xiàn)有方案的比較分析,提出了一套經(jīng)濟實用且高效的IPTV監(jiān)測系統(tǒng)解決方案。該方案不僅提高了系統(tǒng)的運行效率,降低了硬件成本,而且便于工作人員及時發(fā)現(xiàn)和鎖定故障,其應用價值較高,應用前景廣闊。