基于分層聚類分析的IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量研究與應(yīng)用*

廖偉全，葉連響，江 圣

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司韶關(guān)分公司，廣東 韶關(guān) 512029）

0 引 言

隨著各電信運(yùn)營(yíng)商積極推廣交互式網(wǎng)絡(luò)電視（Internet Protocol Television，IPTV）業(yè)務(wù)，現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)基本已惠及普通家庭。因各電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)IPTV業(yè)務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)和用戶對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量要求的提高，IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量保障變得越來(lái)越重要。IPTV集合了直播、點(diǎn)播和時(shí)移電視等視頻功能，具有大帶寬、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)要求很高。過(guò)去“盡力而為”的IP網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為能夠容忍的一些問(wèn)題，給IPTV業(yè)務(wù)帶來(lái)了很多問(wèn)題，如承載IPTV數(shù)據(jù)包發(fā)生抖動(dòng)、時(shí)延、丟包都將使IPTV終端出現(xiàn)馬賽克、卡頓、黑屏等現(xiàn)象。為提高IPTV的業(yè)務(wù)質(zhì)量，出現(xiàn)了IPTV的Qos保障優(yōu)化措施，如根據(jù)視頻包內(nèi)I、B、P幀對(duì)視頻解碼復(fù)原影響程度在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行分優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列丟包保護(hù)措施[1]，也有采用對(duì)網(wǎng)絡(luò)各層級(jí)節(jié)點(diǎn)布放監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全局優(yōu)化和保障[2-4]，但較復(fù)雜，難以全面部署。

IPTV是端到端的業(yè)務(wù)，涉及全程全網(wǎng)?？紤]到現(xiàn)網(wǎng)保障中存在人力投入多、重復(fù)勞動(dòng)多、發(fā)現(xiàn)故障慢及用戶感知不佳等問(wèn)題，本文通過(guò)服務(wù)質(zhì)量管理（Service Quality Management，SQM）系統(tǒng)采集電視機(jī)頂盒（Set Top Box，STB）的丟包、電視卡頓時(shí)長(zhǎng)占比等指標(biāo)，和STB歸屬的BNG、OLT、小區(qū)等信息，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分層聚類，然后對(duì)問(wèn)題核查確認(rèn)。

1 IPTV業(yè)務(wù)承載情況

IPTV是端到端業(yè)務(wù)，采用點(diǎn)播、直播分離承載方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)解決方案。其中，點(diǎn)播業(yè)務(wù)采用“單播+CDN”模式構(gòu)建，直播業(yè)務(wù)采用組播技術(shù)構(gòu)建，單播、直播業(yè)務(wù)從業(yè)務(wù)流程上完全分離。以廣東某運(yùn)營(yíng)商為例（如圖1所示），IPTV平臺(tái)主要包括省中心節(jié)點(diǎn)（一級(jí)CDN）、區(qū)域中心（二級(jí)CDN）和邊緣節(jié)點(diǎn)（三級(jí)CDN）架構(gòu)，部分業(yè)務(wù)量小縣區(qū)采用二層CDN架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)層面主要包括省網(wǎng)、IP城域網(wǎng)和GPON承載[5]。內(nèi)容源經(jīng)專線下發(fā)給IPTV省中心節(jié)點(diǎn)。

圖1 某運(yùn)營(yíng)商城域網(wǎng)與GPON拓樸

1.1 點(diǎn)播業(yè)務(wù)承載介紹

點(diǎn)播業(yè)務(wù)主要采用單播路由，業(yè)務(wù)流為STB經(jīng)ONU上聯(lián)到OLT，然后OLT雙上聯(lián)到城域網(wǎng)BNG，然后通過(guò)城域網(wǎng)訪問(wèn)CDN。

主要流程如下。

（1）STB開機(jī)后，認(rèn)證信息通過(guò)ONUOLTBNG上送到省級(jí)radius系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)證。認(rèn)證通過(guò)后，DHCP服務(wù)器分配地址給STB，STB請(qǐng)求播放指定節(jié)目到EPG。

（2）EPG返回節(jié)目URL給STB，然后STB向二級(jí)/三級(jí)CDN點(diǎn)發(fā)起VOD點(diǎn)播請(qǐng)求。

（3）二級(jí)/三級(jí)CDN節(jié)點(diǎn)可以滿足時(shí)，與STB建立連接和發(fā)送碼流。若發(fā)現(xiàn)無(wú)法滿足STB的服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，向CDN Manager請(qǐng)求下一個(gè)有能力提供服務(wù)的CDN節(jié)點(diǎn)B。

（4）CDN Manager返回給二級(jí)/三級(jí)CDN節(jié)點(diǎn)下一個(gè)提供服務(wù)的CDN節(jié)點(diǎn)B。

（5）二級(jí)/三級(jí)CDN節(jié)點(diǎn)向STB返回下一個(gè)提供服務(wù)的CDN節(jié)點(diǎn)B的URL地址。

（6）STB向CDN節(jié)點(diǎn)B發(fā)起VOD請(qǐng)求。CDN節(jié)點(diǎn)B判斷本地內(nèi)容存在且配額滿足，然后給STB回響應(yīng)。

（7）STB向CDN節(jié)點(diǎn)B發(fā)起消息，申請(qǐng)建立媒體鏈路。

（8）CDN節(jié)點(diǎn)B給STB回響應(yīng)。

（9）STB向CDN節(jié)點(diǎn)B發(fā)送播放請(qǐng)求。

（10）CDN節(jié)點(diǎn)B向STB發(fā)送碼流。

CDN上面存儲(chǔ)的視頻點(diǎn)播次數(shù)少于設(shè)置的閥值時(shí)，將進(jìn)行內(nèi)容老化。

1.2 直播業(yè)務(wù)承載介紹

直播業(yè)務(wù)主要采用PIM組播協(xié)議實(shí)現(xiàn)，PIM利用單播路由協(xié)議生成的單播路由表為IP組播提供路由，并通過(guò)逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)（Reverse Path Forwarding，RPF）機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)組播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)在IP城域網(wǎng)部署PIM實(shí)現(xiàn)組播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，GPON接入網(wǎng)絡(luò)則通過(guò)IGMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)組播包的轉(zhuǎn)發(fā)。

組播流量轉(zhuǎn)發(fā)流程如下。

（1）內(nèi)容源始終向平臺(tái)的源DR發(fā)送組播數(shù)據(jù)。

（2）源DR至RP流量轉(zhuǎn)發(fā)：DR通過(guò)pim register消息用單播報(bào)文發(fā)送組播流量到RP。

（3）RP到接收者DR的流量轉(zhuǎn)發(fā)：根據(jù)RPT樹逐跳下發(fā)流量。

（4）接收者DR到客戶端的流量轉(zhuǎn)發(fā)：

①流量到達(dá)BNG，BNG查詢本機(jī)的二層組播表項(xiàng)，將流量發(fā)送至對(duì)應(yīng)組播VLAN，到達(dá)OLT。

②OLT將組播流量在組播VLAN中廣播，并支持跨VLAN組播復(fù)制功能，將組播流量復(fù)制到ONU上關(guān)聯(lián)組播VLAN的單播VLAN。

③ONU查詢本地二層組播表項(xiàng)，轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)頂盒STB。

④流量到達(dá)客戶端STB。

2 IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)化研究與應(yīng)用

2.1 IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量分析

IPTV業(yè)務(wù)流經(jīng)設(shè)備有終端、GPON接入網(wǎng)、IP城域/骨干網(wǎng)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）和內(nèi)容源，所以業(yè)務(wù)質(zhì)量排查涉及面較廣。因IPTV業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求很高，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響用戶感知，只是位置不同、影響程度不同且需全專業(yè)進(jìn)行排查，過(guò)程往往艱辛復(fù)雜[6]。

經(jīng)分析，某市運(yùn)營(yíng)商的IPTV業(yè)務(wù)故障原因匯總?cè)绫?所示。

表1 IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量原因表

2.2 基于分層聚類分析的IPTV質(zhì)量?jī)?yōu)化方案

IPTV業(yè)務(wù)中點(diǎn)播主要采用TCP傳輸協(xié)議，是面向連接有保障的。直播業(yè)務(wù)為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，對(duì)時(shí)延敏感，采用UDP協(xié)議承載，數(shù)據(jù)包丟失后沒(méi)有重傳保障，所以直播業(yè)務(wù)對(duì)丟包敏感，對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求高。

IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量提升需要全專業(yè)協(xié)同，現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商基本均有在STB部署軟探針和SQM系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)可以采集到STB的TS丟包、電視卡頓占比（卡頓和花屏?xí)r間與總播放時(shí)間的比值）等指標(biāo)來(lái)評(píng)估STB的性能，且可以采集到STB歸屬的小區(qū)、OLT及BNG等相關(guān)信息。

聚類分析又稱群分析，是研究（樣品或指標(biāo)）分類問(wèn)題的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，也是數(shù)據(jù)挖掘的一個(gè)重要算法。聚類分析普遍用于多種專業(yè)領(lǐng)域[7]。結(jié)合SQM系統(tǒng)，本文提出了基于分層聚類分析的IPTV質(zhì)量?jī)?yōu)化方案，主要實(shí)施流程為：

（1）SQM系統(tǒng)采集某市運(yùn)營(yíng)商各STB的電視卡頓占比，因?yàn)槊恳粋€(gè)STB數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)不同的網(wǎng)絡(luò)層（小區(qū)、OLT、BNG），通過(guò)分網(wǎng)絡(luò)層級(jí)的聚類可取出質(zhì)差BNG、質(zhì)差的OLT和質(zhì)差的STB；考慮到BNG及以上網(wǎng)絡(luò)層級(jí)出故障概率較少，所以主要以O(shè)LT為維度進(jìn)行分析。邏輯流程如下。

①取某小區(qū)平均電視卡頓時(shí)長(zhǎng)占比為X，閾值為全網(wǎng)平均電視卡頓時(shí)長(zhǎng)占比平均值Y，X大于Y分類為質(zhì)差小區(qū)，建立質(zhì)差小區(qū)表。后續(xù)核實(shí)確定為質(zhì)差小區(qū)時(shí)，將質(zhì)差小區(qū)X的最小值設(shè)為閾值Y。同理，建立質(zhì)差OLT類和質(zhì)差STB類。

②取質(zhì)差小區(qū)、STB中歸屬非質(zhì)差OLT設(shè)為嚴(yán)重質(zhì)差小區(qū)類和嚴(yán)重質(zhì)差STB類，優(yōu)先核實(shí)處理。

（2）使用一臺(tái)Windows Server 2012服務(wù)器搭建SQL2012數(shù)據(jù)庫(kù)，用visual studio 2015拱建WEB，然后調(diào)用python3執(zhí)行程序，并將結(jié)果輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。程序?qū)崿F(xiàn)輸入IPTV帳號(hào)OLT，然后輸出城域網(wǎng)、GPON的檢查報(bào)告，以確認(rèn)是否存在質(zhì)差問(wèn)題。邏輯流程如下。

①程序通過(guò)SQM導(dǎo)入的表格，核查業(yè)務(wù)歸屬的小區(qū)、OLT和BNG。

②程序分別登入OLT和BNG，在BNG提取上下聯(lián)端口的丟碼、鏈路利用率和收光情況。在OLT首先進(jìn)行拉流測(cè)試，通過(guò)拉流確定OLT接收的組播視頻包是否存在丟包問(wèn)題。若有，則上層存在問(wèn)題；沒(méi)有，則下層存在問(wèn)題。然后，通過(guò)指令核查OLT上聯(lián)端口收光、誤碼及鏈路利用率等信息，還有是否軟失效、內(nèi)聯(lián)板是否有丟包等問(wèn)題。

③通過(guò)上述核查確認(rèn)是否有隱患存在網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)層級(jí)，BNG通知城域網(wǎng)專業(yè)處理，OLT通知GPON專業(yè)處理。若未發(fā)現(xiàn)城域網(wǎng)和GPON問(wèn)題，則通知客戶側(cè)專業(yè)處理，如重啟、更換STB等。表2為某一次核查結(jié)果。

表2 IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量核查結(jié)果

若核查未發(fā)現(xiàn)原因又存在客戶投訴，則按照OLT拉流結(jié)果進(jìn)行問(wèn)題定界，確定核查的專業(yè)。由于電視質(zhì)差問(wèn)題原因眾多，甚至存在未發(fā)現(xiàn)過(guò)的原因，所以成立虛擬支撐團(tuán)隊(duì)（包含平臺(tái)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和裝維專業(yè)）將有助于支撐解決IPTV質(zhì)量問(wèn)題。

2.3 IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量保障方案測(cè)試

為驗(yàn)證基于分層聚類的IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量方案提升的有效性。經(jīng)過(guò)持續(xù)一月的實(shí)施，圖2展示了采用本文方案后電視卡頓和TS丟包率的明顯改善。可見，整個(gè)市運(yùn)營(yíng)商總電視卡頓占比減少了0.24%，TS丟包率減少到接近為0，效果明顯。

圖2 電視業(yè)務(wù)指標(biāo)比較

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從端到端角度分析影響IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量的因素，提出了基于分層聚類分析的IPTV質(zhì)量?jī)?yōu)化方法來(lái)提升用戶感知。某市運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐證明，本文方案可以迅速輸出各專業(yè)常見問(wèn)題的核查結(jié)果，減少不必要的人力成本和重復(fù)勞動(dòng)，提高運(yùn)維效率；可以提前進(jìn)行預(yù)判和發(fā)現(xiàn)隱患，于故障發(fā)生前解決問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)健康度，同時(shí)提高用戶感知；通過(guò)程序在OLT進(jìn)行拉流定界，可實(shí)現(xiàn)預(yù)判問(wèn)題所處專業(yè)，可有效減少專業(yè)間的溝通協(xié)調(diào)時(shí)間。本方案應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了IPTV業(yè)務(wù)質(zhì)量的改善，有推廣應(yīng)用價(jià)值。