IPTV系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)分析

靳瑞濤

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IPTV系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)分析

靳瑞濤

國家新聞出版光電總局二九三臺，河南 鄭州 450001

近年來，IPTV產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。結(jié)合IPTV系統(tǒng)架構(gòu)，對IPTV中的視頻編解碼、流媒體、IP組播、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字版權(quán)管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，為IPTV的部署提供了理論依據(jù)。

IPTV；視頻編解碼；流媒體；組播；CDN；DRM

1 IPTV系統(tǒng)架構(gòu)

IPTV即交互式網(wǎng)絡(luò)電視，將電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效地融合，利用流媒體技術(shù)將電視、視頻、數(shù)據(jù)、文本等多媒體信息通過寬帶IP網(wǎng)絡(luò)傳送至用戶終端[1]。IPTV將互聯(lián)網(wǎng)作為傳播載體，能夠提供良好的交互式服務(wù)，可以充分的利用網(wǎng)絡(luò)資源。IPTV可以提供豐富的業(yè)務(wù)內(nèi)容，其業(yè)務(wù)特點(diǎn)也決定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此有必要對IPTV的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以促進(jìn)IPTV系統(tǒng)的部署。

圖1 IPTV系統(tǒng)功能架構(gòu)

圖1所示為IPTV系統(tǒng)的功能性架構(gòu)[2]，從直播電視或DVD等渠道獲取內(nèi)容資源，經(jīng)編碼處理后發(fā)送至內(nèi)容制作單元。具體的編碼格式符合IPTV平臺業(yè)務(wù)編碼標(biāo)準(zhǔn)，如轉(zhuǎn)為為MEPG-2、MEPG-4、H.264等編碼格式。經(jīng)內(nèi)容制作單元處理后生成流媒體文件傳輸至內(nèi)容加密存儲單元。內(nèi)容加密存儲單元在獲取內(nèi)容資源后，首先由數(shù)字版權(quán)管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的加密處理以保護(hù)內(nèi)容版權(quán)。數(shù)字版權(quán)管理系統(tǒng)利用生成的密鑰加密內(nèi)容資源后，將解密密鑰傳送至用戶端的機(jī)頂盒中以便于播放解密。加密處理后的內(nèi)容資源經(jīng)內(nèi)容分發(fā)單元進(jìn)行發(fā)布，內(nèi)容分發(fā)單元采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）將用戶點(diǎn)播的內(nèi)容資源實(shí)時分發(fā)到用戶附件的邊緣服務(wù)器，以提高響應(yīng)速率。內(nèi)容播出單元從內(nèi)容分發(fā)單元接收到內(nèi)容資源后經(jīng)用戶端的機(jī)頂盒進(jìn)行內(nèi)容播放。當(dāng)用戶在使用機(jī)頂盒時，首先進(jìn)行業(yè)務(wù)認(rèn)證，經(jīng)認(rèn)證管理系統(tǒng)認(rèn)證通過后，用戶根據(jù)節(jié)目內(nèi)容發(fā)起內(nèi)容請求。機(jī)頂盒利用獲取到的解密密鑰對接收的內(nèi)容資源解密后輸出至用戶電視或PC端播放。

2 IPTV系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 視頻編解碼技術(shù)

為了在有限的帶寬條件下傳輸高質(zhì)量的音視頻資源，通過視頻編解碼技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和解壓縮處理是IPTV開展業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國際電信聯(lián)盟ITU和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已制定了一系列視頻編解碼技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)，其中在IPTV系統(tǒng)中應(yīng)用相對廣泛的是MEPG-4、H.264和AVS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

MEPG技術(shù)是目前最成熟也是應(yīng)用最廣泛的視頻壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。MEPG-4編碼是將視頻、音頻編碼綜合考慮，對于不同的傳輸數(shù)據(jù)采用不同的編碼方法，通過在編碼器端重新組合，可以有效提高傳輸效率以及傳輸?shù)撵`活性。MEPG-4技術(shù)可以支持點(diǎn)播、直播、信息瀏覽與發(fā)布、以及可視電話等多種多媒體業(yè)務(wù)。MPEG技術(shù)經(jīng)過長期的商業(yè)應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)品和供應(yīng)商都較多，對芯片廠商和IPTV設(shè)備商均可以提供完善的解決方案。

H.264標(biāo)準(zhǔn)于2003年5月正式公布，相對于MEPG-4技術(shù)具有更高的壓縮比，對于標(biāo)清（720×576）質(zhì)量的節(jié)目使用1.5?M的帶寬即可，相比MPEG-4可以節(jié)省約30%的帶寬，對于高清（1980×1020i）質(zhì)量的節(jié)目可以節(jié)約50%的帶寬。同時H.264技術(shù)支持基于通用的中間件平臺進(jìn)行開發(fā)，相關(guān)開發(fā)使用Java進(jìn)行，便于運(yùn)營商快速開發(fā)和推出新業(yè)務(wù)。并且增值業(yè)務(wù)只需要一次開發(fā)即可在所有的機(jī)頂盒上部署使用。基于帶寬利用率高、容錯率及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)、傳輸質(zhì)量高等特點(diǎn)，H.264技術(shù)目前具有廣泛的應(yīng)用場景。

AVS（音視頻編解碼）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是我國自主開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型編碼方式。其采用的技術(shù)框架與H.264類似，采用混合編碼的方式有效提高了編碼效率，與H.264相比算法復(fù)雜度更低。由于MPEG-4和H.264技術(shù)都面臨專利使用費(fèi)用的問題，給設(shè)備制造商和運(yùn)營商都增加了經(jīng)營成本。AVS技術(shù)許可政策在產(chǎn)業(yè)鏈形成之后，可以減輕大量的產(chǎn)業(yè)運(yùn)營成本，提供更好的發(fā)展機(jī)會。

2.2 流媒體技術(shù)

經(jīng)過視頻編解碼處理之后需要將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高效、實(shí)時的傳輸。流媒體傳輸技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)以流式傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行傳輸播放，提高了傳輸效率。流媒體傳輸技術(shù)可以將數(shù)據(jù)文件壓縮成分塊的壓縮包，經(jīng)由視頻服務(wù)器實(shí)時連續(xù)的向用戶傳輸。通過流傳輸?shù)男问剑脩艚?jīng)過短暫的啟動延時即可對接收到的壓縮包進(jìn)行解壓播放，未接收的壓縮包可以在后臺繼續(xù)下載，通過邊下載邊播放的方式可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，同時降低對系統(tǒng)緩存容量的需求。

流媒體傳輸協(xié)議包括RTP/RTCP、RTSP和RSVP三種。RTP（實(shí)時傳輸協(xié)議）和RTCP（實(shí)時傳輸控制協(xié)議）將流媒體數(shù)據(jù)封裝為RTP包，使用UDP、TCP或者ATM等協(xié)議采用點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的方式來傳輸數(shù)據(jù)。RTCP協(xié)議通過控制數(shù)據(jù)包按順序傳輸，為其提供連續(xù)可靠的傳送機(jī)制。RTP會話建立時會打開RTP和RTCP兩個會話端口，從而可以使用RTP和RTCP提供擁塞控制和流量控制服務(wù)，兩者配合使用可以減小反饋數(shù)據(jù)及降低系統(tǒng)開銷使傳輸效率最優(yōu)化。RTSP（實(shí)時流協(xié)議）用于在媒體服務(wù)器和用戶客戶端之間傳輸連續(xù)的音視頻媒體流，與RTP、RSVP（資源預(yù)留協(xié)議）協(xié)作提供完善的流傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多個數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送。

2.3 IP組播技術(shù)

流媒體傳輸中常用的播放方式包括點(diǎn)播、單播、組播、廣播以及P2P播放，其中單播和組播方式被廣泛使用。單播具有較快的響應(yīng)速度，然而其很難滿足大量用戶的傳輸需求。組播技術(shù)中媒體服務(wù)器只需發(fā)送一份數(shù)據(jù)，通過將數(shù)據(jù)進(jìn)行多份復(fù)制發(fā)送至多個接收端，減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸流量，從而有效地提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，并節(jié)省了服務(wù)器資源。組播技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的高效傳輸，使得單臺媒體服務(wù)器可以向數(shù)十萬計(jì)的客戶端實(shí)時傳送連續(xù)數(shù)據(jù)流。在IPTV系統(tǒng)中開展直播頻道電視業(yè)務(wù)時，采用組播技術(shù)可以將頻道節(jié)目端的視頻數(shù)據(jù)一次發(fā)送給大量服務(wù)用戶，保障了眾多用戶同時在線播放，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率，節(jié)約了運(yùn)營成本。

2.4 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

IPTV系統(tǒng)中的核心業(yè)務(wù)之一是點(diǎn)播業(yè)務(wù)，大量用戶的點(diǎn)播對網(wǎng)絡(luò)的需求巨大，通過CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)可以將用戶頻繁點(diǎn)擊的內(nèi)容由中央服務(wù)器推送至網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)器，從而使用戶可以在附近的服務(wù)器獲取內(nèi)容，大大提高了網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速率。同時，由于將內(nèi)容資源大量分布在邊緣服務(wù)器，有效的減輕了中央服務(wù)器集中訪問的壓力以及對骨干網(wǎng)帶寬資源的消耗，避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞。

CDN技術(shù)對媒體內(nèi)容進(jìn)行分發(fā)時采用PUSH和PULL兩種形式。PUSH為主動分發(fā)技術(shù)，由存儲內(nèi)容源的中心服務(wù)器將內(nèi)容經(jīng)由HTTP/FTP協(xié)議主動推送至各邊緣服務(wù)器。采用PUSH方式推送的一般是用戶頻繁請求獲取的內(nèi)容，即熱點(diǎn)內(nèi)容。PULL屬于被動分發(fā)技術(shù)，當(dāng)用戶請求的內(nèi)容未存儲在用戶附近的邊緣服務(wù)器時，采用PULL方式存儲內(nèi)容源的中心服務(wù)器實(shí)時獲取內(nèi)容資源。而由于現(xiàn)有的CDN網(wǎng)絡(luò)時基于計(jì)算機(jī)端的流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展而來，當(dāng)大量用戶同時請求同一內(nèi)容資源時，仍存在重定向復(fù)雜、服務(wù)效率低等問題。目前基于P2P形式的CDN網(wǎng)絡(luò)通過點(diǎn)對點(diǎn)形式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將內(nèi)容流化處理后分片存儲在多個邊緣節(jié)點(diǎn)，然后通過一定的分發(fā)機(jī)制以及不同的分發(fā)策略推送至業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，可以有效地解決上述問題，是目前IPTV系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向[3]。

2.5 數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)

在信息網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的存儲、復(fù)制及傳輸都變得更加方便、快捷。在IPTV系統(tǒng)中，數(shù)字版權(quán)管理（DRM）是流媒體中實(shí)現(xiàn)版權(quán)控制，保證內(nèi)容提供商利益的關(guān)鍵所在。數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)包括數(shù)字安全加密技術(shù)、數(shù)字識別技術(shù)和電子交易技術(shù)。其中數(shù)字安全加密技術(shù)是IPT V系統(tǒng)中的核心技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)媒體數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的安全控制，確保媒體數(shù)據(jù)的內(nèi)容安全、傳輸安全、存儲安全以及使用安全等。

在具體開展IPTV業(yè)務(wù)時，業(yè)務(wù)運(yùn)營商需要使用內(nèi)容提供商指定的數(shù)字版權(quán)管理方案，因此IPTV系統(tǒng)需要支持多個內(nèi)容提供商提供的數(shù)字版權(quán)管理系統(tǒng)，以滿足不同內(nèi)容提供商的需求，而開放式移動聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)化方案需要支付高昂的專利使用費(fèi)。因此目前IPTV系統(tǒng)的數(shù)字版權(quán)管理系統(tǒng)并沒有統(tǒng)一的解決方案，多種數(shù)字版權(quán)管理方案并存的局面，還需要進(jìn)一步研究制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化方案來解決。

3 小結(jié)

IPTV以IP網(wǎng)絡(luò)為傳輸載體可以提供豐富的節(jié)目內(nèi)容，具有較強(qiáng)的實(shí)時性和交互性。IPTV系統(tǒng)的研究和部署正在世界各國被大力推廣普及。本文簡要介紹了IPTV系統(tǒng)的功能性架構(gòu)，對IPTV系統(tǒng)中的視頻編解碼、流媒體、IP組播、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字版權(quán)管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，為IPTV系統(tǒng)的部署提供了一定的理論依據(jù)[4]。

[1].許永明，謝質(zhì)文，歐陽春：IPTV技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐[M]北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2].閆飛燕，張麗娟：IPTV系統(tǒng)中的QoS性能優(yōu)化[J].電視技術(shù)，2015（9）：266-268.

[3].徐貴寶，CDN網(wǎng)絡(luò)及其在IPTV中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電信科技，2005（11）：38-42.

[4].盛志凡.機(jī)遇與挑戰(zhàn)：淺談IPTV系統(tǒng)技術(shù)及其在廣電的應(yīng)用團(tuán)[J].廣播電視信息，2012（2）:63.

IPTV System Architecture and Key Technology Analysis

Jin Ruitao

State Press and Publication of photoelectric General Administration of the 293，Henan Zhengzhou 450001

In recent years, the rapid development of IPTV industry, this paper combines IPTV system architecture, IPTV in the video codec, streaming media, IP multicast, content distribution network, digital rights management and other key technologies were analyzed for the deployment of IPTV provided Theoretical basis.

IPTV; video codec; streaming media; multicast; CDN; DRM

TN949.2

A

1009-6434（2017）04-0137-03

靳瑞濤（1986—），男，學(xué)士，國家新聞出版光電總局二九三臺，從事無線電及廣播檢測等。