[图文]IPTV技术、系统组成及其发展趋势

来源：中国联通网站第一章概述1.1IPTV综述宽带的蓬勃发展为IP网络运营商提供了一个难得的商业机会。各种应用，视频、游戏、股票、电子商务、都因宽带而变得空前精彩。被过滤广告为了抓住机遇，IP网络运营商需要在其物理网络基础上建设一套高效的宽带网络增值服务运营支撑平台。一方面，能够吸引各种增值服务提供商在这个平台上提供服务，另一方面，这个平台能够为用户提供一个简单的接受服务的桥梁。因此，IPTV服务作为一种收费增值服务已经具备了市场条件。IPTV视频广播系统主要是以存在了很久Multicast技术和IGMP协议为基础，针对现有IP城域网络的实际状况和运营商的运营需求，提出管理平台架构及软件架构设计，从理论上解决了从中心到客户端的视频广播的技术问题和管理问题。1.2IPTV的相关概念IPTV：实际就是利用宽带多媒体网络传送清晰的电视节目，其图像音响质量远远高于现在的有线电视的信号质量，可达到DVD环绕立体声伴音效果，甚至是AC-35.1声道效果。在传送节目“频道数”上也多于传统有线电视网，传统有线电视网最多可传送70个左右的模拟频道，而宽带多媒体网最多可传送200套以上DVD画质的数字电视节目。直播：是利用UDP协议，采用IP多点传送技术，通过内部局域网或互联网将数字视频节目向桌面电脑广播，客户可以采用PC机或机顶盒即可实时接受播放，它可以现场直播。编播：将存储的节目进行时间编排按多路数字视频节目同时在局域网或Internet上播放，每个用户可在电脑上以使用电视机的方式随意连接、选择、切换、接收所需的节目。1.3IPTV的关键技术——IP组播考虑IPTV的业务特性，要求网络环境支持IP组播。在视频传输中，IP组播技术有其独特的优越性——在组播网络中，即使用户数量成倍增长，主干带宽不需要随之增加，这样可以大大降低网络运营商的投资成本。组播是一种允许一个或多个发送者（组播源）发送单一的数据包到多个接收者（一次的，同时的）的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大的节省网络带宽，因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。它提高了数据传送效率，减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。其网络模型如下图所示：图1组播网络模型1.4本文要做的工作1、方案选型针对省级电信的网络实际状况，传送视频节目分多播Multicast和单播Unicast两种方式，提出多播作IPTV更符合现有网络接入带宽够而骨干带宽不足的现状，多播可以大幅度降低骨干带宽，而又使每个终端都收到高质量的视频节目。根据电信运营商以省级管理为核心的特点提出管理平台的设计以省级电信运营商为目标，因为地市级电信运营商没有完全的运营权利，所以放弃地市级的方案。根据多播对省级骨干的影响，提出了省级单中心式IPTV的方案和省级分布式IPTV方案，这两种方案在实际应用中都有可能用到，所以本文提出了这两种方案的设计。2、协议及其理论综述根据IPTV的业务特性，选择IP组播技术作为构建IPTV服务的基础。论述IP播技术、UDP协议的构成及相关技术，介绍加密技术、密钥技术、认证的工作原理。3、IPTV的系统构建论述IPTV服务的构成极其工作原理。4、IPTV系统构建及IPTV管理系统软件架构设计论述IPTV系统设计思路以及IPTV管理系统的软件架构设计第二章IPTV系统的组成2.1IPTV系统的构成及工作原理IPTV是利用UDP协议，采用IP多播技术，通过局域网或互联网将数字视频节目向用户广播，用户通过PC机配合媒体播放软件或IP机顶盒即可实时接受播放，它可以实现现场直播。（见图2）图2IPTV网络构成IPTV系统主要由IPTV服务器、IPTV管理系统、传输网络以及IPTV客户端四部分组成。IPTV服务器是在网络进行视频信号广播的专用设备，可用于卫星电视节目广播、实况播送等。IPTV管理系统是具有管理IPTV所需的各项功能，如：可按照运营商所需的运营模式而设置的预定管理、频道管理、视频加密管理、用户认证管理和影视资产管理等。IPTV客户端，可以采用IP机顶盒或者PC机配合媒体播放软件接收IPTV。被过滤广告2.2IPTV网络环境需求IPTV服务的特点是，有一个IPTV服务器在发布信息，而接收端数量很大，可能有成千上万个而且具体数目不固定。在这种方式下，我们可以使用传统的客户服务器（C/S）模型解决，按照下面的思为服务器；2.客户端每当想接受某个IPTV服务器的数据的时候，通过给出该IPTV服务器的IP地址，来跟该IPTV服务器建立连接（比如，TCP连接等）；3.IPTV服务器维护一个客户列表，采用轮循的方式向每个客户发送媒体流。不难看出，这样的解决方案有两个缺陷：1.客户数目很大的时候，IPTV服务器就有可能承受不了，因为这种媒体流跟传统的窄带业务（比如HTTP等）不同，它需要很高的带宽来传输，而且服务器还必须维护每个客户的信息；2.严重浪费网络资源，相同的数据可能在网上传播了很多次，在一些带宽较低的链路上，可能引起严重的通信瓶径。在这个时候，我们自然而然的想起了IP组播。这种技术最适合上面的这些新型业务。因为IP组播通信有下列优点：1.IPTV服务器不必知道某个客户端的存在，它只管把媒体流以组播地址播放出去即可，而且仅仅播放一份；2.媒体流数据在网上仅仅传送一份即可，即使有成千上万个客户端；3.客户端不必向IPTV服务器注册，如果想接收某个媒体流服务器的数据，仅仅加入该媒体流服务器所播放的数据所在的多播组即可。2.2.1IP组播技术在视频传输中的优势IPTV业务特性就是单点发送多点接收，因为广播服务器必须为每一个接收者提供一个相同内容的IP报文拷贝，同时网络上也重复地传输相同内容的报文，占用了大量资源，如图所示。虽然IP广播允许一个主机把一个IP报文发送给同一个网络的所有主机，但是由于不是所有的主机都需要这些报文，因而浪费了网络资源。在这种情况下组播（multicast）应运而生，它的出现解决了一个主机向特定的多个接收者发送消息的方法。1989年，IETF通过RFC1112，定义了Internet上的组播方式。（见图3）图3IP组播技术在视频数据传输方面具有很大的优势，当某个IP站点向网络中的多个IP站点发送同一视频数据时，IP组播技术可以减少不必要的重叠发送，与多次点对点的单播（Unicast）相比，减轻了系统和网络的负担，提高了CPU资源和网络带宽的利用率，极大地改善了视频数据传输的实时性。参与通信的各主机不论是源站点还是目的站点均使用同一程序，无客户机和服务器之分，从而具有对等性。[图文]IPTV技术、系统组成及其发展趋势2007/5/24/10:54来源：中国联通网站2.2.2成熟的IP组播组网1.主机和组播路由器之间的组播技术IGMP是惟一可选的协议，路由器通过使用该协议与主机进行通信，以了解局域网上的组播组，主机通过向路由器发送消息告诉路由器它希望“听”到哪个组的报文。目前，成熟的版本为2，IETF工作组正在开发版本3。被过滤广告2.路由协议对于大型的IP组播网，第三层的IP路由协议一般要分为域内组播协议和域间组播协议。域内由运营商或企业自行管理，域间通过共同的约定域间组播协议实现域间的组播。（1）域内组播路由协议包括DVMRP、PIM-DM、PIM-SM、MOSPF和CBT。随着技术的进步和市场的选择，其中的PIM-SM协议脱颖而出，成为广泛支持的组播协议。该协议的“显示加入”特性只会向需要组播报文的网络传播报文，同时组播源到接收者的网络延迟小，正是这两点因素使之成为域内组播协议的首选。另外，占有市场份额最大的Cisco仅支持PIM-SM和PIM-DM，而PIM-DM由于其带有“广播”的特点，不适合大型网络，因此Cisco也推荐使用该协议作为域内组播协议。（2）域间路由协议MBGP对BGP进行了一些扩展使之适合于多种协议的路由交换，但目前主要用于组播。该协议增加了路由信息的状态，每一条路由可以标记为是单播的还是组播的路由。这样就可以为组播维护其路由信息和状态，解决域间的组播路由问题。要完成域间组播，除了要使用MBGP解决路由问题，对于PIM-SM域互联还要辅助使用MSDP，该协议如其名字一样主要用于解决不同域之间的组播源的发现问题。通过组播源的发现，域之间可以互相知道存在的每一个域内的组播源，从而建立从组播源到组播接收者的组播分发树。3.对以太网交换机的要求组播技术的出现对以太网交换机也提出了一定的要求。在堆叠以太网交换机时，如果仅仅把组播报文当作广播报文进行泛洪式传播的话，势必造成局域网中不必要的流量。解决这个问题有两种成熟技术可供选择：IGMP窃听和CGMP。它们都是为了解决老式交换机无法知道组播组成员分布的问题。IGMP窃听是使交换机具有第三层意识，窃听主机和路由器之间发送的IGMP消息，从而确定组成员所在的位置。CGMP则是通过路由器和交换机之间的协议交互而使交换机了解组成员分布，但CGMP是Cisco的专有协议。2.3方案选型目前根据国内各省城域网的建设情和分布式IPTV系统（省级）。方案一：采用集中式IPTV系统采用集中式IPTV系统的方式，对于系统管理来说可以大大减少系统的维护工作量，全省视频广播节目由省业务中心进行编码压缩，同时在中心统一进行节目单系统的维护。省业务中心负责：1.视频源的管理：由省中心统一负责视频源的组织，并统一对这些视频源进行编码压缩，向所有的宽带用户提供IPTV服务。2.管理系统维护：由省中心统一负责节目单的制作与维护，视频信号的加密转发。方案二：采用分布式IPTV系统采用分布式IPTV系统的方式，各地市可以自己组织节目源，可以极大的丰富省级通信公司的IPTV内容。省中心和各地市分别负责各自视频源的组织及相应节目单系统的维护，各地市可以将自己的节目单信息上传到省中心，由省中心统一发布也可以自己独立发布用户。[图文]IPTV技术、系统组成及其发展趋势2007/5/24/10:54来源：中国联通网站第三章IPTV的相关技术3.1IP网络路由技术近几年来，基于TCP/IP协议的Internet已逐步发展成为当今世界上规模最大、拥有用户和资源最多的一个超大型计算机网络，TCP/IP协议也因此成为事实上的工业标准。IP网络正逐步成为当代乃至未来计算机网络的主流。被过滤广告IP网络是由通过路由设备互连起来的IP子网构成的，这些路由设备负责在IP子网间寻找路由，并将IP分组转发到下一个IP子网。IP地址是IP网络中数据传输的依据，它标识了IP网络中的一个连接，一台主机可以有多个IP地址。IP分组中的IP地址在网络传输中是保持不变的。1.基本地址格式现在的IP网络使用32位地址，以点分十进制表示，如172.16.0.0。地址格式为：IP地址=网络地址+主机地址或IP地址=主机地址+子网地址+主机地址。网络地址是由Internet权力机构（InterNIC）统一分配的，目的是为了保证网络地址的全球唯一性。主机地址是由各个网络的系统管理员分配。因此，网络地址的唯一性与网络内主机地址的唯一性确保了IP地址的全球唯一性。2.保留地址的分配根据用途和安全性级别的不同，IP地址还可以大致分为两类：公共地址和私有地址。公用地址在Internet中使用，可以在Internet中随意访问。私有地址只能在内部网络中使用，只有通过代理服务器才能与Internet通信。一个机构或网络要连入Internet，必须申请公用IP地址。但是考虑到网络安全和内部实验等特殊情况，在IP地址中专门保留了三个区域作为私有地址，其地址范围如下：10.0.0.0/8：10.0.0.0-10.255.255.255172.16.0.0/12：172.16.0.0-172.31.255.255192.168.0.0/16：192.168.0.0-192.168.255.255使用保留地址的网络只能在内部进行通信，而不能与其他网络互联