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IPTV承载网解决技术探讨

　　【摘要】本文首先简述了IPTV平台总体结构、IPTV业务对承载网的要求以及电信IP网的网络现状，然后从组播部署、带宽需求、QoS保证、用户认证四个方面探讨如何在现有IP网的基础上建设可运营、可管理的IPTV承载网，最后给出了具体的解决方案。

　　由于固定电话业务收入的不断下降，中国电信将希望更多地寄托于宽带业务上。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经开始呈现疲态，宽带应用市场发展更是不如人意。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。

　　一　IPTV概述

　　1.1　IPTV平台总体结构

　　IPTV即交互式网络电视，是一种利用宽带网络，采用DSL或以太网等接入方式，通过网络机顶盒（STB，Set-Top Box）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、视频会议等业务。

　　IPTV 平台在总体结构上分为四层：运营支撑层、业务应用层、承载层和用户接入层。IPTV 平台总体结构示意图如图1所示：

　　1.2　IPTV业务对承载网的要求

　　IPTV业务传输语音、视频数据，实时性要求很强，业务流量也很大，因此其对于承载网有很高的要求。

　　●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。同时需要支持一定的组播控制。

　　●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。

　　●网络QoS要求

　　不同的IPTV业务对承载网络的QoS要求有所区别，如下表所示：

　　●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。

　　二　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

　　宽带城域网分为三个网络层次，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。对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，支持组播的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，业务接入路由器目前主要由三层交换机承担，在路由能力、多业务支持方面以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，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。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。

　　宽带城域网与宽带接入网网络示意图如图2所示。

　　三　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：①缺乏组播支持②网络带宽不足③缺乏QoS保证④缺乏运营能力。在下面的章节中本文将从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

　　对于视频点播业务，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。

　　对于视频直播业务，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，组播复制点建议设置在DSLAM/接入网交换机上，要求支持IGMP Proxy/Snooping。其次用户IGMP请求的终结点以及组播树的接收端路由器建议设置在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，利用核心节点设备做RP。对于业务量比较大的网络，为了增强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，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，组播复制点既可以选择DSLAM/L2，也可以选择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成本的急剧上升，所以建议选择DSLAM/L2为复制点，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加大，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。还有一点需要强调的是，无论复制点设在哪，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 ，或者支持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，也就是说，组播树的分枝是不可控的，组播源不了解组播树的范围与方向，安全性较低。为了实现对一些较重要的信息的保护，需要控制其扩散范围，要求RP支持配置组播静态树。静态组播树就是组播树事先配置，控制组播树的范围与方向，不允许其他动态的组播成员的加入，这样能使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，对现有网络产生了很大的压力，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三个方面：DSLAM的上联接口，DSLAM的二层交换能力或者上联接口板到用户板的总线带宽，以及用户接入带宽。对于前两者的解决方案只有通过上联板卡的更换、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2公里以内。LAN接入网由多台二层交换机级联而成，带宽瓶颈主要在于上联端口速率，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包转发能力都比较差，无法承受大的业务流量。我们假设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（这里是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，从去年开始许多厂商推出的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，因此将IPTV业务承载在新型的BRAS上是一个不错的选择，主要的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：

　　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×M＝200Mbps

　　点播业务：每个用户2M带宽，假设每个BRAS/L3下带10000个用户，则所需带宽为：10000×M＝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；因此，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

　　根据表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：①高带宽②低丢包率③优于Internet业务④高速组播转发能力⑤快速频道切换。

　　汇聚和核心层主要承担组播分发、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：①强大的MPLS VPN支持能力②支持MPLS DiffServ/TE③支持流分类，能基于组播地址设置优先级④根据频道数*节目带宽+点播用户数*节目带宽进行预留⑤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，能满足以上的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：①支持双向数据缓存②支持多种流分类：基于组播地址、用户帐号、VLAN/PVC、IGMP等③报文缓存能力④线速ACL⑤静态加入组播组。BRAS比起L3 在QoS方面的能力要强很多。

　　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来达到业务可控的目的。组播的控制策略有很多种，其中对组播用户的控制，其重要的一个技术手段就是对用户的认证、授权。原有的宽带网络中用户的认证多用于IP单播业务，并不能够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是PPPoE和DHCP两种。

　　对于采用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，同时也能够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OP-TION60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来执行IP地址分配策略或其它策略。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，OP-TION82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，但是需要通过BRAS来支持，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等。但是采用DHCP认证方式，IPTV业务流量可以从三层交换机走，投资较少。

　　3.5　解决方案综述

　　从以上的分析可知，在现网基础上建设IPTV业务网，建设思路如下：

　　●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的方式予以解决。

　　●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，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，可以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。

　　综上所述，建网初期IPTV承载网的解决方案如图3所示。

　　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的应用需求对于宽带IP网的发展而言，无疑具有重要意义。

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