基于ICN的IPTV傳輸和監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

付樹平

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 吉林省分公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引 言

IP承載網(wǎng)是交互式網(wǎng)絡(luò)電視（Internet Protocol Television，IPTV）業(yè)務(wù)傳輸?shù)闹匾A(chǔ)設(shè)施，對(duì)該網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)正常功能的重要保障，通過將IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)位置進(jìn)行安全檢查和確認(rèn)，保證數(shù)據(jù)不會(huì)被篡改和丟失。通過網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)各端口數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、糾正錯(cuò)誤。信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information-Centric Networking，ICN）通過網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)控制器（網(wǎng)關(guān)）來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)路由的選擇，確保數(shù)據(jù)的可靠與安全。IPTV業(yè)務(wù)傳輸以IP協(xié)議技術(shù)為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)、視頻會(huì)議、圖像瀏覽、電子商務(wù)以及遠(yuǎn)程教育等應(yīng)用服務(wù)。隨著IPTV業(yè)務(wù)的發(fā)展，其服務(wù)種類也越來越多，涉及通信、多媒體技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時(shí)，可以使用IP協(xié)議及相關(guān)通信協(xié)議來分析與監(jiān)控相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)[1-5]。

1 基于ICN的IPTV傳輸方式與特點(diǎn)

IPTV是基于IP協(xié)議的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，由于多個(gè)控制服務(wù)器之間需要進(jìn)行通信，并通過交換協(xié)議對(duì)IP信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此IPTV傳輸網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)設(shè)備較多。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)控制器都需要通過路由器選擇來實(shí)現(xiàn)操作，選擇過程主要包括路由的建立和撤銷、路由的刪除以及路由重選與重用等。IPTV傳輸所涉及的設(shè)備都是以IP協(xié)議為基礎(chǔ)，當(dāng)各設(shè)備連接到一起時(shí)，相互之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換都不會(huì)受到干擾[6]。IPTV傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IPTV傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）是一種應(yīng)用層協(xié)議，其核心任務(wù)是使不同的計(jì)算機(jī)建立連接，并實(shí)現(xiàn)IP信息傳輸。TCP/IP使用用戶/服務(wù)器（Client/Server，C/S）模型工作，需要客戶端提供一個(gè)鏈接到服務(wù)器的地址，并在其中加入一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器。TCP/IP協(xié)議使用域/路徑模型來建立連接并分配主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)資源，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸提供保障，通過特定的方法來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流與用戶組之間的雙向通信[7]。

在IP網(wǎng)絡(luò)中，通過在每個(gè)IP分組和ICN網(wǎng)關(guān)之間建立隧道，可以使各個(gè)分組能夠獨(dú)立訪問ICN網(wǎng)關(guān)。由于IP網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都有一個(gè)自己獨(dú)立的IP地址包，如果某個(gè)分組到達(dá)某個(gè)子網(wǎng)時(shí)發(fā)生丟失，就會(huì)使分組無法在ICN網(wǎng)關(guān)上建立路由。因此，可以通過將所有數(shù)據(jù)包封裝到同一個(gè)數(shù)據(jù)集來增加分組可讀性。將每個(gè)子網(wǎng)的IP地址封裝成一個(gè)地址串并命名為一個(gè)IP包，則ICN網(wǎng)關(guān)上的所有分組都可以被訪問[8]。當(dāng)子網(wǎng)IP分組到達(dá)其對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)時(shí)，按照其對(duì)應(yīng)關(guān)系查找所指向網(wǎng)關(guān)下的所有相關(guān)子網(wǎng)，無須重復(fù)發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)包和查找隧道。

從IPTV業(yè)務(wù)平臺(tái)的角度來看，用戶在傳送網(wǎng)中接入視頻流時(shí)，由于IPTV業(yè)務(wù)平臺(tái)中的每個(gè)用戶終端都是獨(dú)立的，傳輸時(shí)應(yīng)該選擇專線傳送，同時(shí)還要確保每一個(gè)用戶終端都是在本地接入。IPTV業(yè)務(wù)平臺(tái)是將視頻流轉(zhuǎn)發(fā)到用戶終端上的橋梁，需要保證視頻數(shù)據(jù)信息的安全性和可靠性。對(duì)于傳送網(wǎng)而言，一般通過以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可以很好地控制傳輸速率和數(shù)據(jù)可靠性。但是這種方式無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸，不能保證用戶接收數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理提出了很高的要求[9]。

2 視頻流與圖像數(shù)據(jù)在ICN網(wǎng)絡(luò)中的傳輸方式

根據(jù)用戶終端和業(yè)務(wù)平臺(tái)的需求，視頻流和圖像數(shù)據(jù)在ICN網(wǎng)絡(luò)中通過ICN節(jié)點(diǎn)傳輸至IP層，再由IP層傳送至應(yīng)用層。IPTV網(wǎng)絡(luò)為用戶提供了多種接入方式，根據(jù)不同業(yè)務(wù)平臺(tái)的需求選擇不同的接入方式，通過IP協(xié)議對(duì)視頻流進(jìn)行編碼處理后傳送到ICN。由于視頻碼流比較大，為了提高傳輸速率并保證圖像質(zhì)量，可以采用幀間緩沖的方式實(shí)現(xiàn)預(yù)處理。

幀間緩沖技術(shù)可以將較大的圖像數(shù)據(jù)壓縮成一個(gè)幀緩沖數(shù)據(jù)流，在網(wǎng)絡(luò)上不進(jìn)行任何處理即可發(fā)送。在IP層和應(yīng)用層之間使用MPEG-2/H.264格式視頻壓縮算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮。采用視頻壓縮算法時(shí)必須進(jìn)行解碼處理，并在傳送前進(jìn)行預(yù)編碼[10]。在IPTV傳輸中，應(yīng)用MPEG-4視頻編碼技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 IPTV業(yè)務(wù)平臺(tái)視頻流傳輸方式

在IPTV業(yè)務(wù)平臺(tái)中，為了呈現(xiàn)不同類型的節(jié)目，需要傳輸不同類型的數(shù)據(jù)。目前，主要采用以下2種方式實(shí)現(xiàn)視頻流傳輸。

（1）內(nèi)容提供者與用戶之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。用戶與服務(wù)提供商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商之間缺乏互動(dòng)機(jī)制，這種方式只能進(jìn)行單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸

（2）通過內(nèi)容提供商和用戶雙向連接。這種方式只需2臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化管理，傳送的視頻流質(zhì)量將大大提高[11]。

4 IPTV監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而言，從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)可以了解其狀態(tài)，通過監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中存在的故障進(jìn)行定位、隔離以及修復(fù)。對(duì)于自動(dòng)監(jiān)測(cè)，可以通過監(jiān)控系統(tǒng)從外部獲取網(wǎng)絡(luò)資源和外部相關(guān)資料，分析其運(yùn)行狀態(tài)，確定異常情況并及時(shí)處理。此外，利用路由器上提供的相關(guān)資料與已有的數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)IPTV平臺(tái)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，通過分析找到異常節(jié)點(diǎn)和異常設(shè)備所處的位置。利用恢復(fù)系統(tǒng)從外部獲取相關(guān)資料，通過與已有數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備異常的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定位。此外，還可以利用現(xiàn)有系統(tǒng)與相應(yīng)的平臺(tái)進(jìn)行連接，對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行測(cè)試等，從而準(zhǔn)確定位故障。

5 結(jié) 論

為了滿足IPTV在日益增長(zhǎng)且快速變化的市場(chǎng)環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)的需求，需要建立一套完善、可靠、可持續(xù)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用在接入層、控制層、管理層等多個(gè)層面上的數(shù)據(jù)采集傳輸，完成各個(gè)數(shù)據(jù)包與源IP地址之間的轉(zhuǎn)發(fā)控制等多項(xiàng)功能。通過對(duì)各類業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)對(duì)各種異常情況進(jìn)行報(bào)警，并提供相應(yīng)的處理意見。