(2008-02-01 13:11:44)
摘要 简述了IPTV的含义、发展驱动力、IPTV业务对接入网的要求以及现有接入网的网络现状，从组网方案、认证方式、组播方案和QoS保证四个方面进行论述，提出了IPTV接入网方案设计。
1、IPTV是发展视频业务的良好选择
1.1IPTV的含义
IPTV（Internet protocol television）是指利用宽带网的基础设施，以计算机（PC）或“普通电视机+网络机顶盒（TV+IPSTB）”作为主要终端设备，向用户提供直播电视、视频点播等基于视频内容应用的崭新技术[1]。
1.2发展IPTV的驱动力
随着Internet向宽带时代的挺进，Internet技术及应用越来越多的融入了国内消费者的生活、娱乐与工作中。宽带Internet应用的美好前景引导着全球的电信行业加大Internet应用内容的研发、培育和市场推进，而IPTV能够解放传统广播电视对人们的时间限制，使电视的个性化和互动性得以真正实现。
对于国内固网运营商而言，发展IPTV业务有着内部和外部多种必然的驱动力：
1）传统电信业务持续下滑加剧，视频类业务的增值新途径成为其谋求持续发展的良好选择；
2）仅依托Internet业务，由于其内容匮乏、获利欠佳，不妨充分利用其自身既有宽带网络优势切入，从而为发展IPTV业务提供了原始驱动力；
3）从NGN演进发展观点看，IPTV是其未来典型业务，有很大的产业发展前景[2]；
4）由于国外部分固网运营商开展的IPTV业务发展趋势看好，国内外设备提供商、内容提供商投入了大量的人力、财力，产业环境已经初具规模，增强了固网运营商涉足IPTV的信心与决心。
IPTV的一个最主要特点在于其实时宽带交互性，从而使其既不同于传统的有线电视，也不同于目前正在兴起的常规数字电视。IPTV使用户不受时间限制，能随时选择形式多样化、操作简易及个性化的互动多媒体服务，并可采取多种有效的宽带接入，诸如xDSL、LAN、FTTH/FTTP（光纤到户/光纤到驻地）、WiMAX等高速接入技术，以最大限度地方便用户个性化宽带应用。
2、IPTV业务对现有接入网络的挑战
2.1IPTV业务对网络的要求
IPTV业务主要为用户提供高质量的数字音视频业务，对图像的效果有着较高的要求，需要对图像的质量进行控制。视频信号的速率决定了IPTV图像的质量档次，越高的速率，图像质量档次也相应越高，对宽带的要求也相应增高。
IPTV业务中，高清（HD：high definition）或标清（SD：standard definition）质量的未压缩数字视频要以几十Mbit/s的速率才能传送，为了降低传输带宽和存储要求，视频必须以压缩形式传送。视频压缩编码技术的选取决定了IPTV业务用户的带宽需求。目前业界采用的两种主流技术是MPEG4和H.264。MPEG4格式编码的方案提供标清质量节目一般需要给客户开通3 Mbit/s以上的宽带，并且几乎没有改进的可能；而H.264格式编码的方案提供相应质量节目一般需要给客户开通1.5 Mbit/s以上的带宽即可，同时，随着H.264编码技术的发展，今后有望发展在1 Mbit/s以下提供DVD质量的标清图像。
综合以上两种编码的分析，IPTV用户在接收视频流数据时，一般最少需要1.5 Mbit/s的带宽需求，再加上10%-20%的协议封装开销、信令控制信道流量以及适当的IP波动余量，建议每个IPTV用户规划2Mbit/s以上带宽。
IPTV平台承载网应首先保证IPTV业务的可用性，即保证通过鉴权的用户可以随时随地使用业务；其次，要保证业务响应时间在用户可忍受的范围之内，使用户不会因为连接建立时间过长而放弃使用业务；再次，要保证业务的直观效果，尤其是音视频业务的清晰度和流畅度。这些要求反映到承载网络层面，即对带宽、网络时延、抖动、丢包和可靠性的要求。足够的带宽是提供良好业务质量的基本条件，时延、抖动、丢包3个网络参数是最基本的网络层QoS指标；另外，网络还要提供有效的可靠性，在出现链路或节点故障的情况下，要及时检测并采取相应的措施，来保证业务的不间断或迅速重启动。
2.2现有IP网络的不足之处
现有宽带接入网基本上是为WWW、E-mail、FTP等传统Internet业务设计的，虽然也能够提供基于Web的视频（如在线电视，视频通信）等内容，但距离真正商业规模运营仍存在较大差距，表现在如下方面：
1）架构不合理，带宽不足。
现有宽带网络多采用集中式外挂BRAS（宽带接入服务器），单个BRAS处理数千至上万用户的业务流，吞吐量有限，同时接入层DSLAM（数字用户线接入复用器）/LAN switch均采用多级汇聚，带宽收敛比很大，每用户实际平均带宽仅100 kbit/s左右，与IPTV业务所需IPTV所需兆比特级带宽，差距甚远。
2）无法支持全程全网组播。
由于历史原因，现有城域网/接入网路由器、L3/L2 switch、DSLAM组播能力参差不齐，无法全程全网支持组播[3]。虽然通过单播方式也可以提供直播电视服务，但视频服务器，网络设备不堪重负，网络扩容跟不上用户发展，迅速导致网络拥塞，服务质量下降。
3）缺乏QoS保证。
早期的城域网/接入网设备在DiffServ（区分服务）/802.1P等QoS保障机制方面的能力参差不齐，无法保障QoS，导致视频断断续续，时好时坏，用户无法尽情享受IPTV业务体验。
4）缺乏运营能力。
网上大量接入设备支持可控组播能力差，缺乏对业务、用户的控制能力，增值业务得不到增值收入。非法用户可以轻而易举盗用业务，私设视频服务器，甚至恶意插播非法内容。
3、IPTV接入网方案设计
IPTV承载网接入层是整个承载网最关键的环节，负责IPTV用户的业务接入认证、面向用户组播复制、区分于宽带上网业务的QoS保证等等。目前，现有接入网设备厂家型号五花八门，用于提供IPTV接入业务的可选性方案较多。本文在固网运营商现有的网络结构基础之上，提出了一套可行的接入网解决方案。
3.1组网方案
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，然后再通过二层网络（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。图1所示的组网方案，在原有的典型网络结构基础上，增加了支持QinQ（IEEE 802.1Q-in-Q VLAN Tag）的接入网交换机和汇聚交换机。
图1IPTV接入网网络结构
3.1.1ADSL接入方式
对于ADSL用户，使用支持组播技术IP DSLAM的设备提供接入，具体实施如图2所示。
图2IP DSLAM接入实现方式
如图2所示，接入用户使用单PVC（永久虚电路）上行，IP DSLAM实现每用户PVC跟一个VLAN（virtual local area network）的一一映射，即从VLAN100-VLAN500作为用户的单播业务VLAN，而VLAN 1000为专门独立的组播VLAN。
接入交换机支持QinQ技术，把CVLAN 100-CVLAN500封装到SVLAN2000承载，而对组播的VLAN1000只作透传。SVLAN（stackable VLAN）等同于QinQ功能，经过二层以太汇聚网，到BRAS终结。支持QinQ技术的BRAS最终实现为每用户提供一个VLAN（CVLAN：client VLAN；内层VLAN标签）的接入方式。
3.1.2LAN接入方式
LAN接入方式与ADSL接入方式类似，楼道交换机对每个用户使用一个VLAN上行，由接入交换机进行SVLAN承载，最终到BRAS终结，也实现每用户提供一个VLAN（CVLAN）的接入方式。
3.1.3业务提供方式
业务实现如图3所示，宽带上网业务用PPPoE（PPP over Ethernet）的认证方式实现，而STB（机顶盒）通过DHCP（动态主机配置协议）获得IP地址，以IPoE（IP over Ethernet）的方式实现IPTV业务的访问。组播数据流从专门的VLAN下发到IP DSLAM/LAN switch设备，并由IP DSLAM/LAN switch设备面向用户进行组播复制。
图3IPTV业务提供方式
3.2认证方式
网络接入层采用DHCP的认证方式，STB作为DHCP client，BRAS作为DHCP server。考虑到DHCP协议本身没有AAA（认证、授权和计费）功能，BRAS设备需要满足以下的一些功能，以实现DHCP认证的可管理性和安全性：
1）用户端设备（包括PC机或STB）私配地址无法实现网络访问，只能通过DHCP获得IP地址后才能进行访问。
2）当分配给用户IP地址时，BRAS需要通过RADIUS（远程认证拨号用户服务）属性发送相应的用户信息给RADIUS后台，让后台系统了解用户上网行为，包括：
●用户STB设备的MAC地址；
●用户所获得的IP地址；
●用户的上下网时间；
●用户所属的BRAS标号；
●用户的接入链路信息（例如用户的CVLAN ID，后台可查出用户所属的ADSL链路信息和物理位置）。
3）要求BRAS和STB都支持DHCP option60属性，并预先设定信息配置，通过option60信息协商，保证只有STB设备的DHCP请求才能获得IP地址，而用户其他不支持option60的设备（如普通的PC机）的DHCP请求不能获得IP地址。为了避免用户使用机顶盒的IP地址进行其他业务的Internet访问，必须限定IPTV业务IP地址的访问范围，使其只能用于完成IPTV业务的访问流程，超出IPTV业务系统之外的目的IP地址一概不能访问。
3.3组播方案
3.3.1组播实现方式
IPTV组播经过汇聚层设备到达BRAS，由BRAS通过专用的VLAN，把组播流推送到IP DSLAM/LAN switch设备，IP DSLAM/LAN switch设备要求支持IGMP（Internet组管理协议）proxy功能，获知用户的IGMP join信息，杭州华数宽带，并最终实现面向用户的组播复制。接入层组播实现方式如图4所示。
图4接入层组播实现方式
IP DSLAM/LAN switch设备开启IGMP proxy功能，获知用户的IGMP join信息，并通过IGMP proxy功能从组播VLAN发给BRAS。BRAS根据用户的IGMP join信息，把组播数据流从专门的组播VLAN下发到IP DSLAM/LAN switch设备，并最终实现面向用户的组播复制。
3.3.2组播访问控制
IP DSLAM设备要实现组播访问控制功能，过滤用户非法的IGMP join信息。组播控制的方式可使用基于端口、IP/MAC精细控制每个端口、每个频道的组播权限和每个用户可同时观看的频道数。以便有效杜绝非法IPTV用户。另外，IP DSLAM设备必须实施组播安全措施，主要包括：
●对每个用户端口进行IGMP reports数量限制，防止IGMP DoS（拒绝服务）攻击；
●对每个用户端口进行同时加入组数量限制，防止用户无限制地加入很多组；
●限制每个用户端口进行组播流发送。
3.4QoS方案
在本方案中，IPTV业务的QoS策略将在不同的层面得到保证。
3.4.1BRAS层面
●根据IPTV业务数据包的DSCP（DiffServ code point）值，保证IPTV业务的优先级别高于宽带业务；
●在BRAS的用户接入侧，实现每用户一个CVLAN接入，需对CVLAN子端口的流量控制，保证宽带流量加IPTV流量的总和不能超过ADSL线路的调制带宽；
●在BRAS的用户接入侧，根据IP数据包的DSCP值，实现802.1P的映射标记。
3.4.2IP DSLAM层面
宽带接入网以基于802.1P为主的QoS技术提供突发拥塞时的QoS保证。IP DSLAM与园区交换机根据VLAN完成不同用户或业务的CoS（class of service）分类和标记；汇聚交换机设备再根据内层VLAN的CoS标记直接映射成外层VLAN的CoS。由IP DSLAM和园区交换机实现xDSL和LAN接入用户上行流量的限速。为提高连接的稳定性，在DSLAM上设置DSLAM到modem的握手速率上限。
4、结束语
对于承载多业务的宽带IP网络而言，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IP接入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的应用需求对于整个宽带IP网的发展而言，无疑具有重要意义。
参考文献
[1]许永明，谢质文，欧阳春.IPTV技术与应用实践[M].北京：电子工业出版社.2006.
[2]HOU Zi-qiang.Issues of IPTV’s location and development [A] .IPTV World Forum [C]. London UK：[s,n.]，2006.
[3]侯自强.发展IPTV应该关注的几个问题[J].世界电信，2006，19(2)：30-32.
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