基于ICN 的IPTV 傳輸和監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

◆才宏

（中國(guó)電信股份有限公司天津分公司 天津 300385）

IPTV 也就是交互式網(wǎng)絡(luò)電視，這是一種先進(jìn)的電視業(yè)務(wù)，IPTV為受眾傳送內(nèi)容主要是借助IP，最終的展示終端包括電視、計(jì)算機(jī)等。IPTV 技術(shù)集成了交互性、創(chuàng)新性的特點(diǎn)，作為視頻音頻服務(wù)的集合能夠最大范圍的整合互聯(lián)網(wǎng)、流媒體播放、視頻編碼、數(shù)字通信等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)字多媒體的有效發(fā)展。

1 IPTV 技術(shù)

1.1 IPTV 組播技術(shù)

當(dāng)電視用戶收看IPTV 提供的節(jié)目時(shí)，終端會(huì)與視頻服務(wù)器建立一個(gè)較為具體的鏈接。如果存在大量用戶去同時(shí)收看IPTV 提供的節(jié)目時(shí)，為了可以有效滿足收看需求則要求視頻服務(wù)器建立起大量的網(wǎng)絡(luò)連接，才能夠滿足具體需要。選擇這種服務(wù)模式的局限性在于如果遇到了較大文件，則傳輸會(huì)受到一定影響，從而增大視頻服務(wù)器壓力。因此，為了能夠?qū)⒎?wù)器壓力有效緩解，則可以借助IPTV 組播技術(shù)來讓用戶終端進(jìn)行身份驗(yàn)證，身份驗(yàn)證通過以后用戶被加入播放組中從而有效避免增加太大壓力。用戶量越大則越能夠?qū)⒔M播技術(shù)優(yōu)勢(shì)充分體現(xiàn)出來，越能夠體現(xiàn)出其價(jià)值。

對(duì)于IPTV 服務(wù)器所制造出的視頻/音頻流（電視頻道）有要求，其要求每個(gè)流要具備單獨(dú)IP 組播地址，地址發(fā)送要在IPTV 的核心網(wǎng)絡(luò)落實(shí)。利用應(yīng)用協(xié)議獨(dú)立組播（PIM）這一技術(shù)手段，能夠有效實(shí)現(xiàn)各個(gè)核心路由器之間IPTV 核心網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)流傳輸有效性。借助視頻流，用戶能夠接收到IPTV 核心網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)網(wǎng)以后可以利用Internet 組管理協(xié)議（IGMP）實(shí)現(xiàn)各個(gè)用戶組信號(hào)接收，最后信號(hào)被機(jī)頂盒解碼并最終在屏幕顯示出來。電視用戶控制機(jī)頂盒設(shè)備的手段為遙控器，利用遙控器可以發(fā)送指令，主要指令包括“連接”和“離開”，接收方為機(jī)頂盒。

為了能夠有效避免所有組向所有客戶轉(zhuǎn)發(fā)這種情況，借助IGMP窺探技術(shù)可以讓IPTV 核心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)包頭讀取并對(duì)IGMP消息進(jìn)行檢測(cè)。交換機(jī)如果沒有IGMP 窺探會(huì)造成其向每個(gè)端口進(jìn)行組播數(shù)據(jù)包的注入，這樣會(huì)有可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。所以，使用IGMP窺探技術(shù)以后，交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)“偵聽”功能，能夠?qū)⒙酚善骱徒K端主機(jī)之間的IGMP 實(shí)現(xiàn)消息交換，能夠搭建列表針對(duì)請(qǐng)求特定組播組的所有端口?！癹oin”消息經(jīng)由IGMP 發(fā)送并傳送在端口以后，在端口上流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)；“l(fā)eave”消息經(jīng)由IGMP 發(fā)送以后，則停止被轉(zhuǎn)發(fā)活動(dòng)。利用IGMP 窺探技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)每一個(gè)通道限制一個(gè)流實(shí)現(xiàn)每個(gè)交換機(jī)經(jīng)過，交換機(jī)進(jìn)行負(fù)責(zé)工作并復(fù)制流，與此同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)所需要的端口。因此，利用IPTV 核心路由器作為根，利用機(jī)頂盒等用戶接收終端設(shè)備作為葉，通過組成組播樹來實(shí)現(xiàn)各個(gè)IPTV 流傳送工作。

1.2 基于CDN 的IPTV 技術(shù)

通常來講，IPTV 所能提供的視頻點(diǎn)播服務(wù)主要借助CDN 技術(shù)來完成，CDN 技術(shù)是Content Delivery Network（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）的縮寫。這一技術(shù)手段的原理是通過CDN 將視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)，分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)邊緣比用戶距離近的“邊緣服務(wù)器”，再向用戶機(jī)頂盒傳輸，最后實(shí)現(xiàn)“邊下載邊播放”的功能。

1.3 IPTV 視頻流編碼傳輸技術(shù)

當(dāng)前IPTV 視頻流數(shù)據(jù)壓縮編碼主要有兩種廣泛的傳輸方式，這兩種方式分別是ISMA、MPEG-2 TS。ISMA 也就是互聯(lián)網(wǎng)流媒體聯(lián)盟，其英文全稱為Internet Streaming Media Alliance；MPEG-2 TS 是傳送流，其英文全稱為Transport Stream。ISMA 模式為S/C，屬于傳統(tǒng)形式，借助RTSP 協(xié)議封裝在傳輸層，對(duì)于這種模式則是以RTP協(xié)議為基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)傳輸信號(hào)；MPEG-2 TS 方式屬于當(dāng)前廣泛應(yīng)用視頻壓縮解碼方式，但隨著當(dāng)前越來越多方式出現(xiàn)，且壓縮效率更高，則逐漸淘汰了這種方式。

借助ISMA 方式，可以利用ISMA 方式來實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)、視頻信號(hào)相互同步，然后再用QOS 實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，這個(gè)程序是確保IPTV節(jié)目信號(hào)傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)的核心技術(shù)點(diǎn)。

2 IPTV 發(fā)展現(xiàn)狀

截止到2018 年底，廣電總局通過調(diào)研了解當(dāng)前覆蓋全國(guó)的IPTV數(shù)量，根據(jù)調(diào)研結(jié)果了解到當(dāng)前全國(guó)用戶總量已經(jīng)達(dá)到了2 億，而且每年呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢(shì)，與之相對(duì)應(yīng)的則是有線電視用戶數(shù)量呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢(shì)。

現(xiàn)階段IPTV主要運(yùn)營(yíng)的業(yè)務(wù)有三類，這三類分別是電視類業(yè)務(wù)、通信類業(yè)務(wù)、增值業(yè)務(wù)。其中電視類業(yè)務(wù)包括廣播電視、點(diǎn)播電視、個(gè)人視頻錄制等；通信類業(yè)務(wù)包括基于IP 的語音業(yè)務(wù)、即時(shí)通信服務(wù)、電視短信等；增值業(yè)務(wù)則包括電視購(gòu)物、互動(dòng)廣告、在線游戲、遠(yuǎn)程教育等等。

從現(xiàn)階段的IPTV 運(yùn)營(yíng)情況來看還存在一些問題，在內(nèi)容集成以及信息傳輸方面還存在與政策方針、具體要求不相符的情況。為了改善這些問題，《國(guó)家廣播電視總局關(guān)于開展IPTV 專項(xiàng)治理的通知（廣發(fā)[2019]45 號(hào)）》中明確提出要從六個(gè)方面進(jìn)行治理：第一，對(duì)違反IPTV 內(nèi)容審查的問題重點(diǎn)治理，播出管理規(guī)定問題也同樣重點(diǎn)治理；第二，對(duì)違反境外電視節(jié)目管理規(guī)定重點(diǎn)治理，對(duì)于境外電視節(jié)目變相落地問題也同樣重點(diǎn)治理；第三，對(duì)違反電視頻道管理規(guī)定問題進(jìn)行重點(diǎn)治理；第四，沒有取得IPTV 內(nèi)容服務(wù)許可就直接將節(jié)目推出這種違規(guī)行為，要重點(diǎn)治理；第五，違規(guī)進(jìn)行IPTV 連接公網(wǎng)問題，需要重點(diǎn)進(jìn)行治理；第六，其他違背IPTV 管理規(guī)定的問題，重點(diǎn)進(jìn)行治理。

3 基于ICN 的IPTV 核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

對(duì)于IPTV 解決方案，其解決方法主要技術(shù)基礎(chǔ)為組播技術(shù)，組播技術(shù)通過利用ICN 和IGMP 技術(shù)作為基礎(chǔ)來建立組播通道。ICN通信上所用到的IP 組播，IGMP 控制（C）和IP 組播數(shù)據(jù)（D）信道兩個(gè)子名，以及下面的控制和數(shù)據(jù)信道共同組成平面名稱空間。對(duì)于發(fā)送IP 組播組的，能夠當(dāng)做相應(yīng)控制通道訂閱者，這樣能夠方便相關(guān)連接信息告知且做好信息預(yù)留。再有就是，對(duì)于接收IP 組播組信息的，能夠當(dāng)做相應(yīng)數(shù)據(jù)信道訂閱者，做好數(shù)據(jù)包接收任務(wù)。對(duì)于接收端，落實(shí)連接發(fā)送以及消息離開時(shí)，要發(fā)布通道并做好轉(zhuǎn)換，與此同時(shí)要將數(shù)據(jù)通道開展隱式訂閱或者取消訂閱。

發(fā)送IGMP 成員報(bào)告。收到信息以后，cNAP 要進(jìn)行檢查，通過確認(rèn)來了解是否收到了該組信息。檢查過程中如果發(fā)現(xiàn)沒有收到，就安排cNAP 發(fā)送隱式訂閱消息，將消息發(fā)送給相應(yīng)控制信道；這是由于代表相應(yīng)IP 組播發(fā)送方開展信道訂閱活動(dòng)，sNAP 屬于接收方。對(duì)于sNAP，要通過及時(shí)檢查來確認(rèn)其是否已經(jīng)接收到這個(gè)組。如果接收到以后，就可以將信息作為副本進(jìn)行忽略，如果不是就可以將cNAP 添加到組的收件人中。如果出現(xiàn)了這種情況變化，底層ICN 系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)重新計(jì)算，重新計(jì)算組播樹的FID，允許IP 數(shù)據(jù)包借助本機(jī)組播進(jìn)行正確的c NAP 傳遞。

對(duì)于IPTV 服務(wù)器來講，數(shù)據(jù)包發(fā)送任務(wù)主要交與NAP 來進(jìn)行，利用NAP 向IP 組播組進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)包被發(fā)送過去以后檢查工作交與sNAP，其興趣程度主要是通過檢查是否存在cNAP。如表示有興趣，數(shù)據(jù)包會(huì)由sNAP 發(fā)布到IP 地址對(duì)應(yīng)的組名之下。cNAP 接收工作主要是利用常規(guī)IP 組播來進(jìn)行，有效實(shí)現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。組別不同，用到的sNAP 也是不盡相同的，可以將其作為網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入的切入點(diǎn)，通過落實(shí)sNAP 配置工作進(jìn)行相應(yīng)控制通道展開活動(dòng)，其稱之為訂閱活動(dòng)?？刂仆ǖ肋M(jìn)入以后，由sNAP 接收cNAP 然后做出相對(duì)應(yīng)的處理活動(dòng)。

現(xiàn)階段，網(wǎng)絡(luò)故障形式多種多樣，經(jīng)常出現(xiàn)的故障包括鏈路故障、交換機(jī)故障、路由器故障。因此，為了有效避免因?yàn)楣收蠁栴}造成的服務(wù)器中斷，可以考慮選擇冗余鏈路和節(jié)點(diǎn)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)階段IPTV網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)交換機(jī)會(huì)包含多條路徑，這樣能夠創(chuàng)建生成樹到拓?fù)渖先?，也可以選擇禁用一些鏈路，這樣不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)問題。借助IGMP窺探交換機(jī)，查看IGMP 內(nèi)部消息的本質(zhì)是學(xué)習(xí)樹中位置，也就是考慮IP 組播消息從哪里來（IPTV 服務(wù)器的端口），還有就是考慮要去哪里（機(jī)頂盒的端口）。

針對(duì)生成樹上的鏈接，如果鏈接出現(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致失敗問題發(fā)生時(shí)就會(huì)對(duì)生成樹進(jìn)行重新計(jì)算。但是，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾?huì)有一定程度變化，因此導(dǎo)致部分由IGMP 窺探交換機(jī)所收集到的組播轉(zhuǎn)發(fā)樹出現(xiàn)無效信息。為了應(yīng)對(duì)這種情況，要求立刻停止交換機(jī)流量轉(zhuǎn)發(fā)工作，需要等待一會(huì)兒能夠重新接收新的IGMP 消息后再安排交換機(jī)開展組播樹的重新創(chuàng)建。對(duì)于鏈路故障問題發(fā)生且轉(zhuǎn)移的時(shí)間過程中，服務(wù)中斷時(shí)間要以秒為單位順序進(jìn)行預(yù)計(jì)，一直到生成樹被重新創(chuàng)建，交換機(jī)報(bào)告接收工作要從所有活動(dòng)機(jī)頂盒來進(jìn)行。兩個(gè)交換機(jī)的中間出現(xiàn)主鏈路故障問題時(shí)，要對(duì)入口交換機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)工作，自動(dòng)將流量切換到主接口配置的輔助接口，這樣的做法能夠有效避免重新進(jìn)行組播樹或者FID 的計(jì)算。以ICN 技術(shù)為基礎(chǔ)的IPTV 網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比傳輸質(zhì)量可以得到有效保證，丟包率和服務(wù)中斷故障率相對(duì)來講都是非常低的。

4 IPTV 未來發(fā)展趨勢(shì)

作為一種高新技術(shù)傳輸服務(wù)形式，IPTV 能夠有效改善傳統(tǒng)模式存在的局限，而且IPTV 自身具備非常強(qiáng)的交互性能，具有非常高的靈活性，能夠促進(jìn)當(dāng)前相關(guān)產(chǎn)業(yè)的多元化發(fā)展。同時(shí)，IPTV 關(guān)鍵技術(shù)在諸多領(lǐng)域都可以實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用，比如當(dāng)前酒店智能化IPTV系統(tǒng)。IPTV 技術(shù)引導(dǎo)下，能夠較大程度、方便快捷的實(shí)現(xiàn)各類功能，比如實(shí)時(shí)點(diǎn)播、在線付費(fèi)等等，還能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化預(yù)約、私人訂制節(jié)目菜單等功能，為用戶提供非常良好、快捷的體驗(yàn)。還有就是，社會(huì)其他專業(yè)領(lǐng)域都可以用到IPTV 系統(tǒng)，其能夠?yàn)樯鐣?huì)整體運(yùn)行提供助力特別是基礎(chǔ)保障，能夠促進(jìn)信息化以及技術(shù)化的整體發(fā)展。當(dāng)前IPTV系統(tǒng)在未來發(fā)展過程中，考慮的核心內(nèi)容還是核心承載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架問題，而且未來IPTV 用戶數(shù)量會(huì)成倍數(shù)增加，因此必須要保證核心構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。最后，要充分注重網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣?，確保網(wǎng)絡(luò)傳輸畫面具備高清晰度，及時(shí)快速的解決寬帶延伸等問題，充分保證IPTV 系統(tǒng)的運(yùn)行工作效率。

總而言之，對(duì)于傳統(tǒng)電視行業(yè)來講IPTV 技術(shù)是一次非常成功的變革，也是運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)戰(zhàn)視頻服務(wù)行業(yè)的重要標(biāo)志。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)有了非常快速的發(fā)展，相應(yīng)的信號(hào)傳輸帶寬、傳輸速率也有了較大的增加，因?yàn)榫W(wǎng)速導(dǎo)致IPTV 業(yè)務(wù)無法有效開展的問題也得到了很好地解決。因此，要加強(qiáng)基于ICN 的IPTV 傳輸和監(jiān)測(cè)技術(shù)研究工作，促進(jìn)IPTV 進(jìn)步和發(fā)展。