IPTV直播业务实现方案探讨

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IPTV视频类业务包括点播类业务和直播类业务。点播类业务和普通上网业务类似，业务控制由媒体服务系统和终端实现。而直播类业务的实现，主要采用多播技术，其控制和管理方式相对复杂，同时要提供更完善的业务支撑系统以实现直播业务的控制管理以及QoS。　　采用多播技术，依赖于网络设备所支持的多播路由协议IGMP、IGMP Proxy等以及不同网络设备之间的兼容性。基于现有的宽带网进行多播部署有多种方式，比如全网多播方式、隧道多播透传方式、多播中继方式等，鉴于跨域多播的开放还缺乏实际经验，在实际操作中选择多播中继方式比较可行。即在骨干网上采用单播方式，然后通过直播中继服务器在城域网内进行多播转发，最终到达用户STB，如图1所示。

图1　多播中继系统方案示意图

　　基于现网开放多播实现IPTV直播业务主要涉及到以下关键问题：多播与QoS的部署，多播的复制点选择，多播的静态加入和动态加入，多播的控制管理等。
1、多播部署
　　直播节目的节目源通过传输或卫星落地到中心机房，片源处理平台对直播节目源进行编码、加密后，以多播或单播的形式发往IPTV中心平台，中心服务器以单播的形式发送给各直播中继服务器，中继服务器将视频流通过多播方式分发至BRAS，由BRAS或DSLAM复制给用户。每个Channel对应一个多播组。中继服务器接入侧的设备要求提供多播支持，支持多播路由协议，包括PIM-SM、IGMP协议，并具备多播管理、多播安全控制、静态多播配置等可控多播的能力。
　　在城域网中运行PIM-SM协议。PIM-SM采用共享树进行多播数据包转发。同时必须设置RP（Rendezvous Point），作为PIM的集合点，负责本区域内的多播源的注册服务和控制。由于视频源通过多播中继集中在城域网的核心层，所以RP可选择设置在核心路由设备上，从网络的可靠性、可用性等方面综合考虑，要设置两个RP。一般采用静态设置RP的方法，RP之间配置内部MSDP对等，通过Anycast RP技术实现负载均衡及冗余，保证可靠性和安全性。
　　在Anycast RP环境下，2个RP在Loopback接口配置相同的IP地址，例如10.10.10.1。所有下游的路由器都配置10.10.10.1为它们的RP地址。IP路由协议自动为每个多播源和接受者选择拓扑上最近的RP。多播源沿最短路径向RP发送数据，再由RP沿最短路径将数据发送到各个接收端。
2、QoS保障
　　IPTV直播业务有较高的QoS要求。
　　首先要根据带宽需求保证直播业务的带宽。与点播业务相比，直播频道的节目在核心汇聚层只会复制一份，一般每频道占用2Mbit/s的带宽，因此在设计带宽需求时，只需考虑节目频道的数量。业务控制点和接入层的中继带宽需求与用户业务使用习惯、设备接入用户数等因素密切相关。为保证IPTV业务的正常使用，同时不影响普通上网业务，在IPTV业务开放前，需根据带宽需求详细测算设备业务开放规模；业务开放后，结合网管监控和网络分析动态调整带宽需求。具体测算时应考虑的因素如下：
　　●用户收敛比；
　　●用户普通上网业务的平均使用带宽；
　　●BRAS下联DSLAM的总端口数；
　　●视频流对带宽的需求；
　　●DSLAM端口利用率；
　　●IPTV频道数量；
　　●同时在线用户使用点播与多播的比例。
　　同时，整个城域需部署QoS保证直播业务的服务质量。在城域网中采用DiffServ QoS机制来保证IPTV的业务，主要采用以下措施：
　　●优先级转发：根据IP Precedence标识对IPTV业务流优先转发。
　　●队列带宽：根据视频业务的带宽测算，从而确定多播链路上的带宽需求，通过QoS队列进行保证。
　　●拥塞管理：在拥塞管理和队列调度方面，必须具备4个以上的优先级队列，支持FIFO、PQ、CQ、WFQ、CBWFQ等一种或多种拥塞管理和队列调度机制，以保证不同优先级的报文进入不同的队列，从而设置不同的调度优先级、概率或带宽。
3、多播复制点选择
　　多播复制应在尽量靠近用户端的网络设备上实现。结合现网架构，目前主要有两种多播复制实现方式：一是在BRAS设备上实现；二是在DSLAM设备上实现。
　　1.在BRAS上实现多播复制
　　如图2所示。BAS面向用户进行多播复制，并对用户的业务权限进行控制。每个用户单独设置一个VLAN或PVC，单播和多播共用一个VLAN或PVC。

图2　BRAS实现多播复制

　　其优点是BRAS设备对用户的业务控制能力较强，便于业务的精细运营。同时二层接入设备主要负责视频流的转发，对多播及其控制功能没有特别要求，但对BRAS设备多播业务流的复制能力以及下行带宽要求高。在小规模开展IPTV业务的情况下可以采用这种方式。
　　2.在DSLAM上实现多播复制
　　如图3所示，DSLAM或二层交换机面向用户进行多播复制；单播、多播使用不同PVC和VLAN，同时整个接入网需要有一个多播VLAN，专门用于传送IPTV多播流。DSLAM设备运行IGMP Proxy，通过多播VLAN上行到BRAS。

图3　DSLAM实现多播复制

　　其优点是DSLAM内部完成视频流复制，减轻了BRAS的复制压力以及带宽压力，多播延迟小。但这种方案对二层设备要求较高，需要支持IGMP、IGMP Proxy协议，同时必须配套相应的业务运营系统来实现对直播用户的控制和管理。适合大规模开展IPTV业务的情况。
　　对于LAN接入用户，由交换机面向用户进行复制，交换机要求支持IGMP Snooping，末端交换机需支持IGMP Snooping及IGMP Filter。
　　在业务开放初期，从经济的角度可以考虑通过BRAS进行多播数据的复制和控制；当用户量达到一定程度时应尽快采用DSLAM复制方案。
4、多业务承载方案
　　对于IPTV用户，多业务承载有两种方案，一是采用单PVC方案，二是采用多PVC方案，现以DSLAM复制方式进行分析。
　　单PVC方案：用户终端和DSLAM之间采用一条PVC承载多业务，DSLAM对不同业务的报文标记不同的802.1P。
　　优点：配置工作量小，对ADSL Modem要求不高。
　　缺点：存在上行大包问题，可能会对时延要求高的业务产生影响；此方案不适用于PPPoE接入方式。DSLAM到BRAS之间无法划分业务VLAN，需要终端和BRAS支持DHCP Option 60，以便BRAS区分业务。
　　多PVC方案：用户终端和DSLAM之间采用多条PVC承载多业务；DSLAM完成PVC到上行业务VLAN的映射。
　　优点：BRAS可以根据VLAN划分业务，可实行不同业务QoS策略，无上行大包时延问题，不影响有时延要求业务。
　　缺点：要求多端口Modem，且支持端口和PVC绑定，运营成本增加。
　　从实施效果及未来发展趋势看，多PVC方案较好。
5、多播路由选择
　　多播路由可分为静态多播和动态多播。
　　静态多播情况下，需从多播源接入侧节点到多播复制点静态配置基于多播源的多播树，将多播流推送到多播复制点。一旦用户提出申请，就可以直接收到数据流，频道切换时间小于1s。其优点是容易控制多播源的接入和多播的范围，但在频道数量较多时，静态多播需要占用较多中继带宽，且较难进行多播路径的备份。
　　动态多播情况下，只有用户加入多播组时，才建立多播树。动态多播节省中继带宽，容易进行多播路径的备份；然而较难控制多播源的接入范围，存在安全隐患；由于动态路由协议的特性使得在多播组切换时，必须重新建共享树，因而时延是肯定存在，主要视路由器处理的速度和网络的跳数影响，频道切换时间相对较长，约为3-5s。
　　在实施过程中，需结合城域网的特点及业务开展情况进行合理配置。业务开展初期，直播源较少，可直接采用静态多播；业务发展到一定阶段后，直播源大为丰富，对用户量大的节目源可采用静态多播，以提高热门频道的切换速度，其余节目源采用动态多播的方式，以减少中继带宽占用。
6、直播业务安全管理
　　IPTV直播业务需要更多的业务控制和管理功能。比如支持CAC（Channel Access Control）频道访问控制功能，控制用户访问多播频道的范围，包括禁止、预览、允许等。因此需要开启多播的安全控制和管理，包括多播源控制、多播范围的控制、合法用户的准入等几个方面。
　　三层多播的多播控制：在每台开启PIM-SM的路由器上，可根据实际情况，配置相应的多播控制策略，控制多播路由器产生的（*，g）和（s，g）状态。
　　二层多播的控制：通过IGMP过滤技术在二层多播层面进行多播控制。通过过滤来自某一个用户或某一群用户的IGMP多播组成员报告（group membership reports），从而限制用户加入特定IPTV频道。
　　同时需注意多播业务设备安全问题。由于用户上行的多播流量均为IGMP报文，通常流量不大，为防止从用户端发起的多播攻击，可对上行的多播流量进行控制。一般情况下，可限制在5kbit/s左右。同时通过网络设备限制互联网对多播业务相关网络设备的访问。
7、直播业务的业务流程
　 直播业务的业务流程如图4所示。

图4　IPTV直播业务流程

　　1.机顶盒开机，进行PPPoE认证获得IP地址。STB向IPTV业务系统登录，通过认证后下载EPG，其内容根据STB权限不同而不同，其中包括基本频道、收费频道、VOD、Game和上网浏览（通过IPTV系统的代理服务器）等。
　　2.用户通过EPG访问某直播频道，发起IGMP多播请求，DSLAM进行多播权限认证（查多播权限映射表），以实现物理层的多播业务控制，允许定购该频道内容的用户收看节目。
　　3.DSLAM启用IGMPSnooping和IGMP Proxy协议。
　　4.汇聚层路由器打开IGMP Snooping协议，业务路由器打开PIM-SM协议，把来自直播内容源的内容发送到DSLAM。
　　5.DSLAM对内容进行复制，推送给有权用户。