IPTV組播技術中服務質量策略分析

劉劍東 秦金廷

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IPTV組播技術中服務質量策略分析

劉劍東 秦金廷

中國移動通信集團重慶有限公司，重慶 400000

互聯網時代，視頻會議、視頻通信、視頻點播和視頻廣播等多媒體視聽業務的飛速發展的同時，也對承載網絡規模、帶寬資源等提出了更高要求，如何在滿足業務應用需求的前提下盡可能降低網絡帶寬資源的消耗，也成為當前重要課題之一。現階段，采用傳統單播技術進行高帶寬業務應用，極易導致網絡帶寬的嚴重浪費，而組播技術則能夠有效地解決網絡帶寬浪費的問題，故組播技術的應用也成為電信運營商緩解帶寬資源消耗的重要技術措施。將針對IPTV組播技術的實際應用，對IPTV系統的組播技術進行深入研究，同時對基于MPLS網絡的體系結構和協議方面的差分服務模型進行研究，并探討在QoS參數基礎上對PIM-SM協議進行補充，完善對IPTV組播服務質量的策略分析。

IPTV；組播技術；服務質量；策略

隨著“寬帶中國”戰略的不斷推進，人們對各類網絡應用需求不斷增加，新的多媒體應用研發有效促進了電信網、廣電網以及互聯網的相互滲透和融合，這讓三者之間的關系變得更加緊密，也讓三者之間的經營效益得到有效提升。IPTV即交互式網絡電視，是一種利用寬帶網，集互聯網、多媒體、通訊等技術于一體，將家庭電視作為主要終端，通過互聯網協議等向家庭用戶提供包括數字電視直播、點播等多種交互式服務的嶄新技術。[1]

對于IPTV業務而言，以高效的組播技術來保障QoS的良好運行，是其業務開展的基礎性保障。通常QoS能夠提供三種服務模型：Best-Effort service（盡力而為服務模型）、Integrated service（綜合服務模型，簡稱Int-Serv）、Differentiated service（區分服務模型，簡稱Diff-Serv）。而在以互聯網絡為基礎的情況下，視音頻的應用基于不同的QoS策略與要求，需要匹配不同的服務模型。但現階段主要應用場景也只能在單播環境下的業務服務質量得到保障，并不能讓組播業務的服務質量得到保障。[2]因此我們還需要研究更加高效的傳輸方案，來保證IPTV組播的服務質量。

1 MPLS網絡下的IPTV區分服務模型

對于IPTV傳輸而言，集成服務模型是理論上保證其質量的最好技術，但由于集成服務模型的費用支出相對較高，并且擴展性不能滿足需求，所以在實際應用中不會將其作為首選。[3]而QoS技術是一種差分服務模型，其能夠讓運營實際情況和IPTV業務特點被真正結合在一起。而將多協議標記交換技術使用在網絡核心中，就能讓服務質量得到更好的保障。

1.1 IPTV系統與MPLS協議

在不進行服務質量保證、不設置排隊和擁塞管理機制、不區分業務流類型的情況下將IPTV直接增加到原有的網絡中，就很可能出現網絡擁塞，這樣將會導致代價大的路徑被閑置，而代價小的路徑卻成為所有數據流搶占的對象。[4]所以可以設想選擇一條能夠滿足IPTV服務質量的次優路徑作為數據流傳輸的載體，這樣就需要利用MPLS技術對資源進行邏輯隔離處理。

對于MPLS而言，其主要是將二層交換協議和三層IP技術結合在一起，將一個定長的標簽作為傳輸過程中唯一的處理對象，將面向連接的機制引入到無連接的IP網絡中，以運行過程中建立的標記交換通路進行轉發分組，這樣就能讓IP業務的服務質量得到保障。對于單播通信而言，MPLS的應用為其帶來了很多便利，但MPLS并不能適用于組播。而要在MPLS中應用組播技術，必須要解決的問題就是將第三層主播書映射到第二層鏈路上。[5]

1.2 以MPLS疊加差分業務模型為基礎的組播

對于MPLS而言，其本身沒有固定的服務質量特性和服務類型，其只能為IP基礎上的服務質量特性和服務類型提供一個體系結構。所以在單獨使用MPLS的情況下，并不能讓服務質量得到有效保障。在使用服務體系結構DiffSer的情況下，能夠讓網絡內部節點的結構得到簡化，以報文內容對各種業務的流量進行區分，同時完成對優先級的分配并保證讓高優先級先轉發，這種良好的擴展性能夠在路由器上輕松實現，所以其是一種很好的IP服務質量控制模型。但逐跳路由是區分服務體系結構使用的分組轉發方式，所以并不能較好地完成對端到端服務質量結構的提供。MPLS的標簽分配與區分服務體系結構對服務質量的分類有很多相似的地方，所以MPLS能夠為區分服務體系結構提供很好的支持。[6]

在啟用MPLS協議標簽交換路由器（LSR）在標簽交換的轉發過程中并不檢查IP頭，所以MPLS標簽交換路由器利用MPLS標簽中的EXP比特來配置QoS策略。因此，在MPLS網絡中可以利用MPLS標簽中的EXP比特來設置MPLS報文的優先級別，從而實現區分服務。故在MPLS疊加區分服務體系結構的過程中，必須要將DSCP的值映射到,MPLS的標簽中。[7]其主要是在使用某種方法的基礎上，讓其相應的PHB能夠在標簽頭中得到確定。

在本文的研究中，將引用一種擴展的區分服務體系結構框架，用以保證組播的服務質量，以原有的單播服務為基礎，添加更多的多播服務類型。在這一框架中，需要有相應的工具并滿足一些必要的條件。其中主要是需要完成對流量的分類和調整，需要PHB和PHB組，因為對于特定應用的組播流而言需要對相同的QoS策略進行指定，所以將會在組播環境中應用PHB組，同時還要設定排隊機制和服務類型。在應用這種區分服務體系結構框架的情況下，原有的區分服務體系結構支持組播服務時存在的發送方任意動態改變、被忽視的預留子樹和擴展的區分服務體系結構寬假對異構組播等問題都能得到一定的改善。[8]

對于IPTV業務而言，其對時延和丟包的敏感度適中，所以在部署多協議標簽交換疊加差分業務模型的過程中，其并不一定設置最高優先級。對于MPLS網絡而言，其中的LSP機制能夠根據不同的業務建立有針對性的轉發路徑。通過將該LSP設置在區分模型中，并且建立顯示路徑，從而為IPTV業務提供其專用的能夠讓其服務質量得到保障的轉發路徑，這樣就能讓傳統業務的傳輸路徑與IPTV的傳輸路徑分開，同時完成對IPTV多播數據流的實時組播服務類型進行DSCP標記。通過這樣的方式完成對流量的合理分流，相較于傳統組播技術，能夠讓網絡擁塞得到更加有效的緩解，從而保證IPTV組播技術的服務質量。

2 以QoS策略為基礎的PIM-SM協議的擴展

為了更加有效地解決組播的QoS策略部署問題，還可以將以QoS為基礎的組播路由方案引入到其中。對于這個質量控制方案，其主要是在構建組播樹的時候，對網絡資源的總體使用率和用戶的QoS保障要求進行合理考慮，并將理論研究重點放在這個問題上。根據目前的情況來看，主要有QMRP和QoSMIC等多播/組播路由協議能夠為基于QoS參數進行路由尋徑提供直接的支持，但在應用這些協議的過程中，當出現新的組成員加入的時候，其會存在延遲較高、控制過于復雜和搜索范圍過大等難以解決的問題，并且這些協議的應用并不能在現有組播路由協議的基礎上以擴充的形式得到實現，所以其開發的過程中會有很大的工作量。根據IPTV的實際應用情況，組播路由協議通常選用使用十分廣泛的PIM-SM協議，這樣就能在PIN-SM協議的基礎上通過擴充的方式讓組播的QoS得到一定程度的滿足。在基于PIM-SM的QoS模型中，接收者需要先進入到沒有QoS保障的共享樹，當接收者需要加入到具有特定QoS約束的源樹的時候，只需要切換到相應的源樹就能實現。

有研究者提出了兩種組播構造的算法，基于簡單單播的QoS組播nuqm算法和以樹信息為基礎的QoS組播TIQM算法，前者使用下層的支持QoS的單播路由算法，后者基于全局組播組信息，兩種算法存在一定的互補性。也有研究者提出了另一種以QoS策略為基礎的PIM-SM擴充方案，即PUQM（pwe-hop unieast QoS nultiest）方案。

在PUQM中，使用了NUQM的逆向單播加入尋徑機制，并在Join/prune數據包中寫入了預留帶寬請求，這樣能夠讓接收者在從SPT樹切換到ST樹的時候完成相應的帶寬預留。

通過對IPTV的應用，用戶的觀看行為共有兩大類型，分別是觀看模式和來回切換頻道模式。用戶一般為了瀏覽自己感興趣的節目或打發廣告時間而進行頻道的切換，這樣的情況下對視頻流QoS的要求就相對較低，而對快速切換頻道的要求較高。但在長時間觀看某一個頻道的時候，就會對QoS的視頻流要求很高。根據實際情況對上述方案進行比較可以知道：能夠更好地適應用戶的行為模式的方案是PUQM。

所以，可以將PUQM方案引入到PIM-SM協議中。在用戶進入到穩定的觀看模式之后，通過SPT樹和ST樹的來回切換就能夠預留出相應的帶寬，從而讓用戶的觀看質量得到有效保障。

3 總結

IPTV利用寬帶有線網絡，能夠滿足用戶的節目觀看需求，在使用IPTV的情況下，用戶能夠得到高清、超清標準的數字媒體服務，同時用戶可以根據自己的喜好選擇網上各種網站提供的視頻節目。IPTV采用的播放平臺是新一代家庭數字媒體終端的典型代表，它能根據用戶的實際需求完成對多種多媒體服務功能的配置。另外，通過對IPTV技術的應用，能夠為網絡發展商和節目提供商提供更加廣闊的市場。本文對基于MPLS協議組播技術進行了研究，并將QoS策略引入PIM-SM協議中，提出了一種擴展優化方案，使視頻流接收者在從SPT樹切換到ST樹的時候完成相應的帶寬預留，從而提升視頻類應用感知，讓用戶的觀看質量得到有效保障。

[1]吳曉靈.IPTV業務平臺在運營商網絡上的設計與實現[D].吉林大學，2014.

[2]董賓.IPTV網絡規劃及其保障系統的研究與應用[D].北京郵電大學，2012.

[3]郭寧.基于城域網的IPTV的設計與實現[D].西安電子科技大學，2014.

[4]沈躍輝.SDN網絡平臺面向組播業務關鍵技術的研究與實現[D].北京郵電大學，2015.

[5]李國慶.面向高性能寬帶信息網絡IPTV業務的組播技術研究[D].華南理工大學，2011.

[6]劉紹東，馬靜靜，董云峰.城域網IPTV組播技術在網絡優化改造中的應用[J].齊魯工業大學學報（自然科學版），2015（29）：92-95.

[7]邱志彬.關于組播技術在IPTV中的應用探究[J].無線互聯科技，2013（2）：15.

[8]孫涵.淺談組播技術在IPTV集成播控平臺中的應用[J].現代電視技術，2013（14）：113-116.

Analysis of Service Quality Strategy in IPTV Multicast Technology

Qin Jinting Liu Jiandong

China Mobile Communications Group Chongqing Co.，Ltd.，Chongqing 400000

the rapid development of the Internet era，video conferencing，video communication，video on demand and video broadcasting of multimedia services at the same time，the bearing，the size of the network bandwidth resources proposed higher requirements，how to under the precondition of satisfying the need of business application as far as possible to reduce the consumption of network bandwidth resources，has become one of the important topics. At this stage，the traditional unicast technology for high bandwidth applications，extremely easy to lead to serious waste of network bandwidth，multicast technology can effectively solve the problems of the waste of network bandwidth，so the application of multicast technology has become a bandwidth resource consumption the important technical measures to alleviate the telecom operators. The IPTV multicast technology for the practical application，the multicast technology in the IPTV system for in-depth study，at the same time the difference based on the system structure and protocol of MPLS network is divided into service model research，and explore in QoS parameters on the basis of PIM-SM protocol supplement and improve the IPTV multicast service quality strategy analysis.

IPTV；multicast technology；quality of service；strategy

TN949.2

A

1009-6434(2016)6-0036-03