IPTV承载网解决方案探讨

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　　由于固定电话业务收入的不断下降，使中国电信将希望更多地寄托于宽带业务。但是受计算机普及率等因素的限制，从去年开始宽带用户的发展已开始出现增长乏力的趋势，宽带应用市场发展更是不尽如人意。开展IPTV业务是维系中国电信自身持续发展的需要，有利于提高ARPU值，保留用户，降低离网率，更重要的是它打开了一扇大门，提供了潜在的新业务、新收入、新商务模式的机遇，同时它也是关系到中国电信未来网络和技术业务转型的战略性领域。因此，IPTV对于处于转型期的中国电信而言非常重要。近期，中国电信计划在5个省、17个地区开展IPTV商业试验，以期尽快进入全面商用阶段。目前，IPTV还处于起步阶段，无论是技术方面还是运营管理方面都还很不成熟，本文撇开商业模式和产业链的问题不谈，主要从技术角度出发，探讨在IPTV的建网初期，建设可运营可管理的网络需要注意和思考的一些问题。
1、IPTV概述
　　1.1　IPTV平台总体结构
　　IPTV即交互式网络电视，它利用宽带网络，采用DSL或以太网等接入方式，通过网络机顶盒（STB）或PC向用户提供多种交互式的宽带视频业务，包括视频直播、视频点播、游戏、视频会议等。
　　IPTV平台在总体结构上分为运营支撑层、业务应用层、承载层和用户接入层，其总体结构如图1所示。

图1　IPTV平台总体结构

　　1.2　IPTV业务对承载网的要求
　　IPTV业务传输语音和视频数据，实时性要求很强，业务流量也很大，因此，它对承载网有很高的要求。
　　1）组播功能要求
　　网络必须支持CDN和IP组播技术以及二层的组播技术，减少对骨干网的带宽需求，同时应支持一定的组播控制。
　　2）网络带宽要求
　　视频压缩编码技术的选取决定了IPTV业务用户的带宽要求。在业务开展初期建议使用MPEG4，然后过渡到H.264。建议每个用户规划带宽为2Mbps以上。
　　3）网络QoS要求
　　不同的IPTV业务对承载网络QoS的要求不同（见表1）。

　　4）用户管理

　　网络必须支持用户认证等业务运营管理方面的功能。

2、典型的宽带城域网和宽带接入网结构
　　2.1　典型的宽带城域网结构
　　宽带城域网分为3个网络层次，分别为接入层、汇聚层、核心层。核心层和汇聚层采用高端路由器组网，提供强大的路由处理和流量的快速转发。高端路由器具备强大的MPLS VPN支持能力，支持线速的MPLS转发，支持业务隔离和用户隔离。它为不同的业务流提供不同的QoS保证，支持MPLS和QoS结合的技术，支持QoS的线速处理。同时，高端路由器还具备强大的组播支持能力，支持组播的高速转发和组播的QoS保证。接入层由业务接入控制点设备组成，包括宽带接入服务器（BRAS）和业务接入路由器，现网运行的大多数BRAS在支持组播、QoS、包转发能力等方面能力较差。目前业务接入路由器主要由三层交换机承担，在路由能力、多业务支持及业务处理能力方面尚显不足。
　　2.2　典型的宽带接入网结构
　　典型的宽带接入网主要提供ADSL和LAN两种接入方式。ADSL用户通过ADSL Modem接入到局端的DSLAM设备，再通过二层网络（Ethernet或ATM）接入到BRAS。LAN用户通过楼道、小区、局端的以太网交换机接入到BRAS。目前，接入网中的DSLAM设备包括ATM内核和IP内核两种，其中ATM内核的DSLAM既有ATM接口的，也有IP接口的。
　　宽带城域网和宽带接入网网络结构如图2所示。

图2　电信宽带网示意图

3、IPTV承载网解决方案探讨
　　IPTV是一个全新的业务网，现有的宽带城域网及宽带接入网在开展IPTV业务方面还存在着许多问题：a）缺乏组播支持；b）网络带宽不足；c）缺乏QoS保证；d）缺乏运营能力。本文将从IPTV对承载网的要求着手，讨论如何在现有IP网络的基础上建设可运营可管理的IPTV网。
　　3.1　网络功能部署
　　对视频点播业务，需要通过内容分发网络（CDN）把节目源推送到足够靠近用户的CDN边缘节点，再由CDN节点分发给用户。在建设初期，建议将CDN的边缘节点设置在城域网的业务控制点位置，即旁挂BRAS或者L3。同时建议采用两级CDN网，核心节点设置在城域网核心层位置。CDN的应用相对比较成熟，部署起来比较简单。
　　对视频直播业务，为了节省传输带宽，提高网络的可扩展性，应使用IP和二层的组播技术为用户分发数据。首先，建议将组播复制点设置在DSLAM/接入网交换机上，要求支持IGMP Proxy/Snooping。其次，建议将用户IGMP请求的终结点以及组播树的接收端路由器设置在BRAS或L3上，要求支持IGMP v2/3以及PIM-SM。再者，要求IPTV三层网络上的设备支持PIM-SM协议，利用核心节点设备作RP。对于业务量较大的网络，为了提高PIM-SM中RP节点的可靠性及对网络的组播流量进行分担，可选取多个RP点，并进行Anycast RP，达到冗余备份和负载分担的目的。
　　组播复制点的选择十分重要。当业务量较小时，通过模型测算可知，若DSLAM/L2上的组播用户数与用户选择的频道数相当时，组播复制点既可选择DSLAM/L2，也可选择BRAS/L3。当然，考虑到将来业务的发展，在接入层设备能够支持组播复制和用户侧的组播控制的情况下，建议选择DSLAM/L2为复制点。当IPTV业务量较大时，DSLAM/L2到BRAS过高的链路带宽需求会导致DSLAM和BRAS成本急剧增加，所以建议选择DSLAM/L2为复制点，其代价是较高的接入网改造成本。当然选择L3作为复制点并不会导致成本的急剧增加，也能满足业务的基本要求，但代价是QoS和业务控制很难保证。还有一点需要强调，无论复制点设在何处，为了避免二层广播风暴，LAN接入网设备都要求支持IGMP SNOOPING、IGMP PROXY或支持CISCO的CGMP。
　　在标准的组播模型中，接收者可以加入任意的组播组，即组播树的分枝是不可控的，组播源不了解组播树的范围和方向，安全性较低。为了保护一些较重要的信息，需要控制其扩散范围，要求RP支持配置组播静态树。静态组播树就是事先配置组播树，控制组播树的范围和方向，不允许其他动态的组播成员加入，这样能保证组播源的报文在规定的范围内扩散。通过在RP上配置静态组播树，可以满足高价值用户的安全需求。
　　3.2　网络宽带化
　　IPTV是承载于IP网上的业务，所以利用现有IP网进行承载既能节约成本，保证业务的覆盖面，缩短业务的提供时间，又符合网络融合的发展趋势，但是，由于IPTV业务对于带宽的需求很高，给现有网络带来了很大压力，网络多处存在瓶颈。
　　首先是接入网，由于接入网投资大，建设时间长，所以建议IPTV的接入网尽量利用现有的宽带接入网提供接入，不再单独建设。但是目前的宽带接入网并不能完全满足IPTV业务的要求。ADSL接入的带宽瓶颈包括DSLAM的上联接口、DSLAM的二层交换能力或上联接口板到用户板的总线带宽以及用户接入带宽3个方面。对于前两者，只有通过更换上联板卡、用户割接以及新增一些能够满足要求的DSLAM来解决。用户接入带宽与DSLAM的覆盖半径、线路质量以及用户端Modem的接入方法有关，建议覆盖半径在2km以内。LAN接入网由多台二层交换机级联而成，带宽瓶颈主要在上联端口速率，这需要通过减少网络层数，增加具备GE接口的设备来解决。
　　其次是BRAS，现网运行的BRAS包转发能力都较差，无法承受大的业务流量。假设BRAS提供的最大上联接口为2GE，除去开销，实际可承载流量为1.6Gbps。假设上网并发用户数为x，每用户流量为160kbps，IPTV并发用户数为上网用户数的20%，每用户流量为2Mbps。1.6×1000=0.16x+2×0.2x，x=2850。这个值比起现网BRAS上的并发用户数小得多（这里指经济发达的大中城市的电信城域网），因此，除了一些极少数的IPTV用户，在无法通过其他途经提供业务的情况下，可以通过现网的BRAS承载。经过几年的技术发展和市场培育，许多厂商推出的BRAS设备无论是在包转发能力、GE端口的密度、组播性能、QoS等方面都有了很大的提升，在承载IPTV业务上体现了强大的能力，因此在新型的BRAS承载IPTV业务是一个不错的选择，其主要不足是成本相对较高。
　　最后，我们测算一下从BRAS/L3到汇聚层/核心层设备的流量：
　　1）TV直播业务：每个用户2M带宽，假设有100个频道，则所需带宽为100×2M=200Mbps。
　　2）点播业务：每个用户2M带宽，假设每个BRAS/L3下带10000个用户，所需带宽为10000×2M=20Gbps。

　　假设，80%的用户欣赏20%的热门节目，所以只有20%的用户流量是从接入节点到汇聚节点。同时，按经验值，取1:3的并发收敛比计算，从BRAS/L3到汇聚层/核心层设备所需带宽为20×（1/3）×（1/5）=1.33Gbps，不会对网络有大的影响。

　　3.3　QoS要求
　　由表1可知，IPTV业务对于时延和丢包要求较高，因此，IPTV承载网应能提供以下的QoS保证：a）高带宽；b）低丢包率；c）优于Internet业务；d）高速组播转发能力；e）快速频道切换。
　　汇聚和核心层主要承担组播分发及CDN服务器之间的内容分发流量。这个层面的设备要求提供以下QoS保障：a）强大的MPLS VPN支持能力；b）支持MPLS DiffServ/TE；c）支持流分类，能基于组播地址设置优先级；d）根据频道数×节目带宽+点播用户数×节目带宽进行预留；e）支持拥塞管理，限制服务器源的速率。现网的核心/汇聚设备均为高端路由器，能满足以上QoS要求。
　　边缘节点设备主要承载VOD流量和组播流量，向用户分发媒体流。这个层面的设备要求提供以下QoS保障：a）支持双向数据缓存；b）支持多种流分类：基于组播地址、用户帐号、VLAN/PVC、IGMP等；c）报文缓存能力；d）线速ACL；e）静态加入组播组。在QoS方面，BRAS的能力比L3要强很多。
　　接入网设备应支持PVC/VLAN隔离（PSPT），支持802.1p以及双向带宽控制CAR、组播静态注入等。现网的接入网设备在QoS方面能力都很弱，需要进行优化改造。
　　3.4　用户认证
　　在组播业务中，要保证业务的可运营可管理，就要通过一些必要的策略达到业务可控的目的。组播的控制策略有很多种，对组播用户的控制是其中之一，一个重要的技术手段就是对用户的认证和授权。原有的宽带网络中用户的认证多用于IP单播业务，并不能完全满足组播认证的要求，这就需要对原有的认证体系进行改造，以适应IPTV业务的开展要求。按用户与网络设备之间的通信方式，目前使用较多的网络层接入认证方式主要有PPPoE和DHCP两种。
　　要采用PPPoE进行认证的方式，主要需要解决的问题是组播数据的下发，因此，可以针对用户的不同业务采用不同的业务分发通道，也就是说，一方面要求BRAS设备支持IPTV业务的PPPoE认证，其相关的单播数据通过PPPoE的通道下发，另一方面组播数据通过IPOE的通道进行下发，这就要求BRAS通过认证信息能够区分用户业务种类，而DLSAM设备需要支持组播分发及组播组的控制，同时要求STB设备支持双协议栈。这样既可以保证原有认证系统的功能，同时也能保证组播业务的顺利开展。
　　对于DHCP认证方式，其主要问题是保证DHCP接入的安全性和真实性，这就需要在DHCP包文中引入OPTION82选项。对于存在多个终端同时使用DHCP的场合，为了区分这些终端，还需引入OPTION60选项。DHCP Option82选项通常由DSLAM设备将用户的端口信息和设备信息插入到用户的DHCP报文，DHCP服务器通过识别OPTION82执行IP地址分配策略或其他策略。OPTION60选项通常由终端自带，不同类型的终端可以通过设置不同的OPTION60来识别。通过OPTION60选项，可以实现对不同的终端分配不同的地址空间。但是，OPTION82的引入需要DSLAM的支持，目前网络上使用的设备大部分并不具备该功能，因此需要进行接入设备的改造。
　　两种认证方式各有优缺点，PPPOE认证技术比较成熟，安全性高，不需要进行接入网设备的改造，但是需要BRAS的支持，投资较大。DHCP认证方式安全性较差，为保证接入的安全性需要进行接入网的改造，如要求接入网设备支持OPTION82，为防止DHCP Server欺骗需要进行二层的用户隔离，而目前LAN接入网大部分还无法提供。但是采用DHCP认证方式，IPTV业务流量可以从三层交换机传输，投资较少。
　　3.5　解决方案综述
　　在现网基础上建设IPTV业务网，建设方案如下：
　　a）接入网部分利用现有的宽带接入网，主要进行设备带宽以及二次组播功能方面的改造，对于无法进行改造的设备可以通过新增接入设备予以解决。
　　b）骨干网边缘节点可以设置在BRAS上，也可以设置在新增的L3上。采用BRAS进行承载的优点是QoS和用户管理较好，而且可以充分利用城域网设备，当然只有新型的BRAS才可以，现网上大多数的BRAS不适合用户承载IPTV业务，缺点是投资大，覆盖面不够。采用L3进行承载，优点是在投资较小的情况下，可实现大面积的业务覆盖。缺点是QoS和用户管理不好，网络健壮性和发展性较差。
　　建网初期IPTV承载网解决方案如图3所示。

图3　IPTV承载网方案示意图

4、结束语
　　对承载多业务的宽带IP网络，IPTV提出了很高的要求，即在提供原有通信功能的基础上，还需要更高的带宽、更强的控制能力以及更高的传输连续性和稳定性。当然，IPTV业务刚刚起步，在承载网方面还有许多技术问题需要进一步的分析探讨，但是提供IPTV的应用需求对宽带IP网的发展无疑具有重要意义。