基于NGN的IPTV相关研究进展及关键问题分析

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摘要  结合ITU FG IPTV和TISPAN针对IPTV方面的最新研究成果和标准化情况，对IPTV研究中涉及的部分关键问题，如IPTV的定义和需求、IPTV体系架构、组播控制、内容安全和版权保护进行了分析和阐述。
1、引言
    目前，IPTV在全球范围内迅速发展，2006年6月30日，全球IPTV用户数达到300万，是2005年同期两倍。其中欧洲用户数最多并且在2006年发展最快，包括法国电信、意大利电信、英国电信都提供了IPTV业务，并且从相关咨询机构对IPTV的预测来看，IPTV业务的发展前景非常乐观。在中国，IPTV也在向积极的方向发展，中国电信和中国网通分别在6个地市获得了IPTV落地许可。
    但是，由于缺少标准方面的支持，IPTV在发展过程中受到了一定程度的限制，当然其中还包含用户的使用习惯和内容缺乏等方面的限制。为了推进IPTV的标准化，适应IPTV快速推进迅速发展的需求，包括：MPEG，DVB等，本文主要结合电信领域两大国际标准组织ITU FG IPTV和ETSI TISP AN关于IPTV的最新研究进展，对基于NGN的IPTV所涉及的关进问题进行阐述和分析。
2、IPTV的定义和需求
    FG IPTV给出的IPTV的定义为：IPTV是在IP网络上传送包含电视、视频、文本、图形和数据等，提供QoS/QoE、安全、交互性和可靠性的可管理的多媒体业务。IPTV需要能够提供一定的服务质量保证，并满足可控可管和交互性的相关要求。
    FG IPTV在IPTV业务需求文档中专门对IPTV的业务需求进行要求和说明，TISPAN则将对IPTV的需求分成两个文档分别进行研究，分别是：支持IPTV业务的网络传送能力要求和综合NGN业务和IPTV业务的业务层要求。
    对于IPTV需要支持的业务，FG IPTV和TISPAN的描述虽不尽相同，但是可以看出都需要支持各种广播业务、点播业务、各种交互业务（如信息类、商务类、通信类、娱乐类、学习类等交互业务）。并且将IPTV业务所涉及的四个角色分别提出了相关需求，包括内容提供商、业务提供商、网络提供商和终端用户。目前我国网络提供商业务提供商都是由运营商承担的，内容提供者很多来自于广电的内容源。
3、IPTV体系架构
    对于IPTV的架构，两个标准组织从两个方面都在进行研究：一种是非基于NGN的IPTV架构（也称为Non-NGN-Based IPTV）；另一种是基于NGN的IPTV架构（也称为NGN-Based IPTV）。对于基于NGN的IPTV架构，又根据是否重用IMS相关功能部件而分成基于IMS的IPTV架构（也称为IMS-Based IPTV）和非基于IMS的IPTV架构（也称为Non-IMS-Based IPTV）。
    从FG IPTV的情况来看，由于IPTV三种架构统一放在一个工作文件中进行研究，三种架构基本上在同步推进，但从会议讨论情况来看，相对来说，IMS-Based IPTV架构讨论得激烈一些。TISPAN则分成三个文档对IPTV的架构进行研究，分别是：IPTV公共架构、IMS-based IPTV架构、IPTV架构特定子系统，在TISPAN参会代表对三种架构的热衷程度表现的比较明显，大部分文稿都针对IMS-Based IPTV。
    两个组织的具体研究情况分别如下。
    3.1　FG IPTV
    IPTV架构文档中给出了IPTV高层体系架构以及具体的IPTV功能架构。目前的输出文档中IPTV高层架构有两套体系，图1是中国代表图提出的IPTV高层架构。

图1　IPTV高层体系架构（FG IPTV）

     ●内容提供：负责提供与IPTV相关的内容，包括对IPTV进行一些预处理，如格式转换、根据版权管理的要求对内容加密等。
     ●IPTV控制：提供对IPTV业务的预处理和业务提供处理，预处理包括向内容提供请求内容、生成内容分发策略、通过EPG部件发布业务信息；业务提供处理包括向用户分发业务信息，根据用户的定制信息提供内容授权信息，同时至少维护三类信息，包括内容清单、业务清单和用户清单。
     ●内容分发：在提供IPTV业务之前或提供IPTV业务过程中，要将内容信息传送给内容分发部分，同时为了实现内容的有效传送，内容分发还提供对内容的存储/缓存功能。当用户请求内容时，由IPTV控制指示内容分发功能获取相关的内容。内容分发支持和用户之间的直接交互，如播放、暂停控制等，并控制IP承载网实现资源预留。
     ●端系统：对应IPTV业务用户终端需要提供的相关功能，包括采集用户的相关控制命令，和IPTV控制功能进行交互获得业务信息（如EPG）、内容授权信息和加密密钥。还包括内容获取、内容解密和内容解码能力。
     ●IPTV系统管理和安全：负责对整个系统的状态监测、配置和安全。
    图2是FG IPTV体系架构文档中输出的NGN-Based IPTV架构，在该架构中同时给出了IMS-Based IPTV和Non-IMS-Based IPTV两种架构，并且从目前对两种架构的观点来看，两种基于NGN的架构完全可以共存的。

图2　NGN-Based IPTV架构

    （1）用户端系统包含的功能
     ●IPTV设备功能（IPTV Device）
     客户端控制功能（Control Client）：和IPTV网络控制部分进行交互，协商建立相关的IP连接。
     应用客户端（Application Client）：用户终端和IPTV应用服务器之间的接口。
     媒体客户端（Media Client）：提供媒体流的接收和控制功能。
     ●客户端系统传送功能（Customer Transport Functions）
     提供客户端设备和外部网络之间的连通性。包括对IP连通性的管理、获取IP地址、配置客户端IPTV设备。
    （2）网络功能（Network Functions），包括接入网、边节点功能、核心传送、鉴权和IP地址分配、资源控制功能。NGN-Based IPTV架构和Non-NGN-Based IPTV之间的区别在于，在网络控制部分利用了NGN中定义的NACF（网络附着控制功能）和RACF（资源接纳控制功能）两个子系统。
    （3）业务部件（Service Component）
    提供IPTV控制（IPTV Control），负责建立和维护网络资源，以便支持媒体流的传送。包括：
     ●分发/发布广播/VOD（Distribution & Delivery Broadcast & VOD）：提供对广播/VOD相关内容信息的分发及发布控制。
     ●用户清单功能（User Profile Functions）：提供用户清单的存储和管理。
     ●IPTV控制（IPTV Control）：提供建立和维护网络资源的相关控制功能。IMS-Based IPTV架构和Non-IMS-Based IPTV架构之间当前区别在于，IMS-Based IPTV架构在IPTV控制部分利用了IMS提供的会话控制功能，其中用户清单功能包含3GPP定义的HSS全部功能。客户端系统和IMS核心控制部分利用SIP协议进行交互。
    （4）应用部件（Application Component）
    包含各种IPTV应用部件，用户能够通过IPTV终端来选择或购买相关的内容，同时提供内容保护相关功能。
     ●IPTV应用（IPTV Application）：通常提供IPTV业务选择、IPTV内容预览和选择功能，如向客户终端提供相关内容的URL信息。在IMS-Based IPTV架构下IPTV应用相当于IMS架构中的应用服务器AS。
     ●IPTV用户管理（IPTV Subscriber Management）：提供对用户的应用级管理。
    （5）DRM相关功能：包括DRM客户端、DRM服务器和DRM&版权源，主要用来提供对内容版权的描述和保护，通常情况下，内容提供商负责提供IPTV业务内容源，并定义相应的版权；DRM服务器对内容实施保护，DRM客户端必须获取相应的密钥才能够接入到相应的内容。
    （6）IPG相关功能：包括IPG客户端、IPG服务器和IPG数据源，主要用来提供和分发描述IPTV业务和相关内容的元数据。
    （7）运营支撑系统OSS/BSS，内容提供商相关功能，如内容源和格式转换。
    3.2　TISPAN
    IPTV公共架构的研究还处于刚刚起步阶段，目前该项目最新输出文档只给出了IPTV需要提供的公共部件包括计费和记账功能（负责管理用户的计费和业务定制）、UPSF（用户业务清单功能，User Profile Serving Function）、SPDF（业务策略决策功能，Service Policy Decision Function）、A-RACF（接入—资源接纳控制功能，Access-Resource Admission Control Function）、RCEF（资源控制执行功能，Resource Control Enforcement Function）、BGF（边界网关功能，Border Gateway Function）。
    IMS-Based IPTV架构将重用NGN IMS架构和相关特征，可能重用的IMS特征包括：用户和网络双向鉴权、IMS信任模型、能力交互、多媒体会话控制、计费、用户清单、和其他NGN业务之间的交互。
    IMS-Based IPTV高级功能架构如图3所示。

图3　IMS-Based IPTV高级功能架构

     ●用户设备（UE）：终止IPTV控制和媒体信令，将相应的详细显示给用户，用户通过UE可以选择节目、内容、业务描述。
     ●IPTV业务支持功能（IPTV Service Supporting Function）：为各种IPTV业务和应用提供相应的支持功能，并为IPTV业务和应用提供相应的能力，如内容管理、业务选择和发现、EPG等。
     ●IPTV应用（IPTV Application）：执行IPTV业务控制功能，向用户提供各种IPTV业务。
     ●UPSF（用户业务清单功能）：存储和提供和用户相关的业务清单功能。
     ●计费（Charging）：提供计费相关功能。
     ●TISPAN IMS核心（TISP AN Core-IMS）：提供鉴权、授权，以及和业务提供和内容分发相关的信令处理。它负责将信令消息路由到相应的应用服务器，或根据UPSF中信息执行业务触发，同时和RACS（资源接纳控制子系统）进行交互完成资源预留和接纳控制。
     ●传送控制（Transport Control）：主要包括RACS和NASS相关功能。
     ●传送处理功能（Transport Process Functions）：指接入网和IP承载网。
     ●媒体分发、发布和存储（Media Delivery，Distribution and Storing）：媒体分发和发布功能接收和保存从内容提供商进入到IPTV系统中的直播信息和媒体流，主要提供媒体处理、分发、存储和发布功能，所有的功能在IPTV业务以及相关的控制之下完成。
    IMS-Based IPTV功能架构如图4所示。

图4　IMS-Based IPTV功能架构

    每类IPTV业务都包含一对IPTV业务控制和IPTV媒体功能。其中IPTV业务控制功能（SCF-Service Control Function）主要提供会话初始阶段的业务认证、根据用户的IPTV业务清单确定是否允许用户使用相关的业务、信用控制、选择相应的IPTV媒体功能，可以看作NGN架构中的SIP应用服务器，SCF和IMS核心之间通过ISC接口进行交互。UE和SCF通过IMS核心网进行会话相关的信息交互，UE也可以通过Ut接口进行业务清单配置。
    IPTV媒体功能负责控制和分发媒体流，包括媒体控制功能（MCF-Media Control Functions）和媒体分发功能（MDF-Media Delivery Functions）。MCF提供媒体流的控制功能、对MDF的状态进行监控、管理和UE之间的交互（如IGMP命令或播放等控制命令）、当MCF控制多个MDF时负责选择一个MDF、跟踪不同MDF的状态和内容发布情况、产生计费信息；MDF提供媒体流的分发，向MCF发送状态报告（如报告IPTV媒体流的建立）。MCF和UE通过Xc’接口执行媒体控制，MDF和UE通过Xc’’接口执行媒体分发。
    UPSF保存IMS用户清单以及IPTV特定的用户清单数据，并通过Sh接口和SCF进行交互。通过Cx接口和IMS核心交互。当有多个UPSF时，IMS核心和SCF也可以使用SLF（Subscription Locator Function，签约定位器功能）获取UPSF的地址。
    SISF (Service Discovery and Selection Information Serving Function，业务发现和选择信息服务功能）向UE提供相应的信息以便选择IPTV业务。SISF支持的程序包含两步：首先SISF向UE提供业务附着信息，包括地址信息（如URI或IP地址），EPG服务器地址、CoD SCP地址；随后向UE提供可用业务的列表，UE预览或进行业务选择。
    IPTV特定子系统的功能架构类似于FG IPTV所提出的Non-IMS-Base IPTV架构。IMS核心控制子系统和IPTV核心控制子系统为并列存在的子系统，分别对应的上层应用将采用互通的方式。其中IPTV核心控制部分提供运营控制和管理、内容预处理、内容授权管理、用户管理、IPTV分发管理、用户清单管理功能。
    关于IMS-Base IPTV架构，已经明确将采用NGN中提出的公共部件NASS（网络附着子系统）和RACS（资源接纳控制子系统），目前主要研究的关键点如下：
     （1）重用哪些IMS核心控制提供的相关功能
     包括IPTV业务应用控制平台是否能够直接和IPTV中媒体分发网络进行交互，还是必须要经过IMS核心控制部件。从目前的研究情况来看，FG IPTV采用直接交互的方式，而TISPAN经过会议讨论采用了经由IMS核心控制间接交互的方式。
     为了支持IPTV业务，需要对IMS核心中的实体MRFC和MRFP进行扩展，以便能够实现对IPTV相关媒体的控制，并能够接收来自用户的控制命令，如播放、暂停等。FG IPTV对IPTV中提供媒体资源以及媒体控制功能还缺少明确的规定，在TISPAN基本已经明确为IPTV提供相关资源和控制功能的实体和MRFC以及MRFP之间存在关系，并已经给3GPP发送联络函提请分析。
     （2）关于用户业务清单
     用户业务清单UPSF是NGN中提出的一个公共部件，主要存储和用户相关数据。为了支持IPTV业务，需要对该功能实体进行一定程度的扩展。FG IPTV针对IPTV提出了三种清单的概念，包括内容清单、用户清单和业务清单，但具体的数据组织形式以及和NGN中UPSF的关系还缺乏详细的论述。在TISPAN采用了直接在UPSF已经定义的数据结构上进行扩展的方式，如图5所示。

图5　IPTV用户数据模型

     （3）关于内容定位
     用户所请求的IPTV资源可能同时分布在多个服务器上，如果确定为某次用户请求提供服务的服务器也是IPTV体系架构中需要深入研究的一个关键问题。在FG IPTV关于这一点在体系架构中还没有明确的反映和说明。在TISPAN，曾经讨论过增加媒体资源Broker功能实体来实现内容定位功能。媒体资源Broker可以采用两种工作模式——重定向模式和代理模式，当Broker工作在代理模式时，只参与选择MCF的初始过程。但是会议没有达成一致的意见。
     （4）内容发现
     主要关于如何向用户呈现IPTV内容相关的信息。FG IPTV和TISPAN都在IPTV体系架构中提出了相关的控制功能实体，在FG IPTV为IP应用（IPTV Application），在TISPAN为业务发现和选择功能实体（SD&S）。在向用户呈现内容相关的信息时，可能需要和其他功能实体进行交互获得相关的信息，如用户的Profile信息，以便提供个性化的内容信息。该功能实体的功能还需要深入的讨论。
4、组播控制方面
    为了支持广播类IPTV业务，IPTV架构还需要考虑提供组播相关的功能，包括组播的实现和组播相关的控制。
    在FG IPTV有专门的工作文档研究IPTV组播架构（IPTV Multicast Frameworks），组播控制可以采用CDN，P2P和Overlay控制方式，或者采用不同控制方式相结合，FG IPTV在组播控制文档中对Overlay这种组播控制架构进行了详细描述。在Overlay这种控制方式下，承载网络中每个节点动态建立组播分发路径（工作方式类似于IP组播路由器），路径中的每个网络节点负责向下行节点前传送上行节点收到的媒体信息，承载网络之上的组播控制节点之间可以进行能力交互，这些组播控制节点中的某些节点将针对IPTV相关的业务部件执行策略管理、配置和监视功能，组播控制节点结合动态信息处理用户的业务请求。
    在TISPAN，关于IPTV组播的研究在RACS体系架构中体现。为了支持组播，目前关于RACS的输出草案中提出了新的功能实体MPF（组播处理功能，Multicast Processing Function），对应到承载网中的DSLAM或第一个三层IP节点主要处理组播树的接入、离开请求。并且针对组播给出了三种控制方式，一种是RACS不参与组播控制，用于组播和单播等资源分别通过运营维护子系统（OSS）进行分配，也称为Exclusive scenario模式；第二种方式是RACS控制MPF中组播资源的门限，RACS负责设置MPF可服务的频道数据，如果在提供业务时需要更多的资源，RACS可以调整相应的门限，MPF也可以向RACS发送资源监测报告，也称为Provisioning Scenario模式；第三种方式是RACS参与组播和单播的控制和管理，MPF向RACS请求相关的资源。当然，为了提高效率，MPF可以一次向RACS请求块资源（对应多个频道），这种方式也称为Dynamic scenario。
    目前关于组播控制的方式还需要深入的研究和探讨，并且组播控制方式还需要考虑用户感知和性能等方面的要求，如频道切换的时间至少要小于2s等，在实际实现时可能需要将IP层组播和业务层组播控制相结合。
5、内容安全和版权保护
    对于以内容为主要卖点的IPTV来说，离开了内容的保障，开展业务将面临极大的风险。IPTV的内容安全与业务开展息息相关，只有采用了完整的内容安全解决方案，才能保证IPTV业务的正常运营。通过对访问权限进行控制管理，充分保障用户的合法权限，从而有效地防止内容被非法盗看和篡改。而且，只有在充分的内容安全条件下，内容提供商才会愿意提供他们的宝贵内容。
    FG IPTV有专门的工作文档（IPTV Security Aspects）对IPTV面临的安全威胁、安全要求、安全架构以及相应的安全机制进行研究，目前该文档关于安全威胁和安全要求方面的内容相对已经比较完善，但具体的解决方案还需要深入研究；TISPAN关于IPTV安全方面的研究主要反映在IPTV需求文档中。
    在目前的IPTV系统中应用较多的是IP-CAS技术、DRM技术和数字水印技术。
6、结束语
    本文主要结合FG IPTV和TISPAN对IPTV的最新研究进展，对IPTV研究中的部分关键技术问题进行了分析和探讨。
    从目前来看我国现网上已经部署实施的IPTV的产品和设备属于非标准化的非基于NGN产品和设备。在研究基于NGN的IPTV架构时还需要考虑如何支持这些已有的产品和设备。