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IP城域网IPTV业务的技术保障

张奕| IPTV,QoS,QoE,城域网| 2010-12-27
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【中心议题】

  •        * IPTV业务发展的网络技术保障
  •        *网络优化保障后的IPTV业务现网效果测评

【解决方案】

  •        * IPTV网络优化
  •        * QoS部署及策略

1.前言

IPTV,互联网协议电视(Internet ProtocoTelevision),集网络和电视媒体特点于一身,未来几年将步入高速稳定的成长期,这也对IPTV的质量保障提出了严峻挑战。IPTV的关键技术包括:电子节目导航、交换、编解码、承载网、安全加密、信令和组播、内容分发、数字版权管理、机顶盒技术等,本文主要关注IPTV在承载网方面的技术发展。

2IPTV业务发展的前瞻和压力

传统IP网络的尽力服务不可能识别和区分网络中的语音、视频以及数据等各种通信类别,而具备区分能力正是为不同的通信提供差异化服务的前提,QoSQuality of Service服务质量)技术的出现便是致力于解决这个问题。

国务院决定推动电信网、广电网及互联网三网融合,IPTV产业作为中国电信三网融合的主打品牌,在未来政务、教育、科研、医疗、娱乐等领域将得到越来越广泛的应用,成为一个新的可持续发展的利润增长点。

IP宽带城域网是为了客户上互联网而设计的,HTTPWEBFTP等传统的互联网业务对网络的质量并没有过高的要求,轻微的网络质量下降不会对客户体验产生很大的影响。但对于IPTV业务而言,如果网络质量略微下降,马上会出现如:画面停顿、马赛克或者等待信号的现象,这将极大降低客户体验效果。

由于IPTV对承载网的高要求,电信原有IP宽带城域网无法达到承载IPTV业务的需要,必须通过大量的网络优化来提升城域网服务能力。为了在Internet上提供有质量保证的服务,必须制订有关服务数量和服务质量水平的规定。规定中需要在网络方面增加一些协议,对具有严格时延要求的业务和能够容忍迟延、抖动和分组丢失的业务进行分类,同时采用多种分组调度机制和算法对这些业务进行处理,这就是QoS机制的职责。也就是说,QoS机制不是用来增加网络带宽,而是通过最优化的使用和管理网络资源使其尽可能满足多种业务的需求。

3IPTV业务发展的网络技术保障

1IPTV网络优化

一般来说,IPTV系统主要由四部分组成,其中CMSHMSEMS构成内容分发网络(CDN),STB位于用户端,通过接入网络与CDN网络连接。

中心媒体基站(CMS):位于城域网的核心层,提供所有流媒体片源的存储,直播视频信号的编码、转码、流化、存储和播放,以及后台完整的运营支撑系统(OSS),包括:媒体管理、用户管理、内容管理、用户自助服务、计费和网管系统等。归属媒体基站(HMS):尽量部署在靠近城域网的核心层,提供流媒体的分布式存储功能。边沿媒体基站(EMS):部署在城域网的汇聚层,提供分布式存储和直接向用户提供端到端的流媒体服务。机顶盒(STB):部署在用户的家里,提供向上的宽带接口和向下的视频、PC机接口。

IPTV网络采用分布式的系统架构,由内容分发网和用户接入网组成。CMS为省中心平台,HMS为市中心平台,EMS分布市区多个局向,各个局向的用户就近归属至本地的EMS.实现了IPTV专网旁挂城域网。

2QoS部署

电信公司致力建设高带宽的骨干网、覆盖全省的宽带IP城域网和多种接入方式的宽带校园驻地网等。应用丰富的互联网络、先进的通信网络为宽带用户的规模发展提供了必要的基础,然而,IP城域网建设过程还存在以下问题:1)业务多元化,传统IP城域网无法满足要求。2)带宽利用率低。3)垃圾流量占用大量带宽资源。

QoS是运营商对用户实施SLA服务的关键技术,在IP城域网实施QoS不仅能够帮助运营商降低频繁扩容带宽带来的压力,而且能够提供差异化服务,提高网络服务质量,增加用户黏性,提高在网用户的忠诚度和满意度。

城域网采用以DiffServ为主的QoS技术,采用DSCPIP Precedence相兼容的标记方式。业务接入控制点设备实现业务的分类、标记和带宽控制,城域网骨干路由器根据DSCP等级标记按优先顺序进行IP包的转发。

3QoS策略

IPTV是一种对时延抖动、带宽都相当敏感的业务,按照电信的部署规范,IPTV业务被归为中国电信的白金业务,需要提供较高等级的差异化保障。

IPTV业务全程需要流经IP城域网和旁挂于IP城域网的CDN专网。由于CDN专网内完全是纯粹的IPTV业务流量,因此无需部署QoS,对于从服务器向用户侧推送的下行流量的DSCP标记,是在专网边缘的EMS交换机到城域网的出口上完成,打上DSCP标记。在进入城域网后,流量将分别流经三层的城域骨干网和二层的城域接入网。三层网络的设备采用1P+4Q(或1P+7Q)的队列调度模式,根据IP报头的DSCP值进行调度;二层网络则采用1P+2Q方式,依据VLAN标签中的COS字段进行调度。DSCPCOS间的相互标记转换在二、三层交界的业务控制层(SRBAS)上完成。

 

虽然IPTV属于典型的带宽非对称业务,但依然需要重视对上行的机顶盒信令流量的保障。比如,在ADSL用户边进行BT下载,边观看IPTV的应用场景中,BT的上载流量颇为可观,甚至与下载流量等量齐观,而ADSL的上行带宽先天不足,这极容易造成机顶盒上行的信令流量由于拥塞而丢失,从而导致生用户遥控器失灵,感知下降,甚至会因为机顶盒与服务器平台长时间失去心跳联系引起死机。对上行流量的标记在用户终端上完成(ADSL modemLAN家庭网关)。

4.网络优化保障后的IPTV业务现网效果测评

目前业界主要将QoS理解为底层分组数据传输的性能指标,如时延、抖动、带宽、误码等。对于IPTV业务而言,要想更好的表达QoS的理念,就要引入QoE的概念。QoS机制主要负责从网络的角度进行业务管理和提供业务的差异性,网络实体根据不同的质量需求来处理不同业务。但从终端用户的角度来体验QoS是一个更广、更主观的问题,即QoE所定义的范畴。要想获得更好的QoE的最佳方案就是提供一个优良的端到端的QoS

QoEQuality of Experience的简称,从用户QoE角度来看,IPTV相关测试主要关心两个方面,即频道切换时间和视频质量评定。

1)频道切换时间

2)视频质量评定主要有3个指标:MDIMOS_V和视频质量的全参考质量评定指标PEVQMDI20064月正式发布的RFC 4445规范,对IP视频流的传输质量标识为:DFMLR

1Delay Factor(延迟因素,简称DF):该数值表明被测试视频流的延迟和抖动状况。DF的单位是毫秒(ms)。DF将视频流抖动的变化换算为对视频传输和解码设备缓冲的需求。被测试视频流抖动越大,DF值越大。

2Media Loss Rate(媒体丢包速率,简称MLR):MLR的单位是每秒的媒体数据包丢失数量。该数值表明被测试视频的传输丢包速率。由于视频信息的数据包丢失将直接影响视频播放质量,理想情况下的IP视频流传输要求MLR的数值为零。

IPTV是一项高带宽需求、对时延抖动高敏感的业务,在城域网QoS策略部署完成后,为了检验其对现网IPTV业务的差异化保障效果,实施了针对IPTV业务的QoS测评。本次测评采用Agilent公司的三重播放分析仪应用软件进行测试,该软件支持对IP网络上的实时话音、数据和视频业务进行故障诊断、监测和分析。

IPTV测试模块可以在提取并分析视频流量的各项指标参数的同时,对实时视频进行解码播放。测试相关结果如下:

1)启用QoS策略测试,MDI各项相关指标:

1)视频流throughput值稳定在1.6Mbps附近,与标准码流速率吻合。

2MLR值在整个测试过程中保持为0,没有丢包发生。通过TPA播放的视频图像保持清晰流畅,没有出现马赛克、卡片、信号中断等现象。

3DF值基本保持在100ms以下,突发峰值不超过150ms,不影响测试视频播放质量。

启用QoS后,在端口流量拥塞的情况下,具有高优先级别的视频流量带宽资源受到保证,不受其他低优先级流量变化的影响;DF值保持在较小的范围内,降低了对终端解码设备的需求;MLR值为0,没有丢包的现象,满足理想的IP视频流传输要求。测试结果符合测试预期。

2)取消QoS策略测试,MDI各项相关指标:

1)视频流的throughput一项极不平滑,在1.40Mbps-1.75Mbps范围内频繁变化,峰谷值之差接近0.4Mbps,说明视频流的带宽未受保证,受下载流量占用带宽的影响较大,难以支持视频数据的稳定传输。

2DF值相对受保障时有所上升,基本在100ms-200ms间。该项值上升表示对机顶盒缓冲区大小的要求相应提高,需要提升终端性能才能保证视频流的理想播放。

3)最关键的MLR指标,显示视频数据的丢包现象非常明显。占测试时长一半的时间内,丢包率都维持在10Kpps左右,且频繁出现突发的峰值,部分峰值时刻甚至达到了40Kpps以上。TPA的实时播放功能出现了明显的马赛克和卡片现象,平均2s左右发生一次,已经无法正常观看。

 

在端口流量拥塞的情况下,视频流带宽受到高速下载流量的影响非常明显,传输速率吞吐量出现频繁抖动;DF值相对受保障时有所增大,对终端解码器性能提出更高要求;视频数据丢包严重,无法满足基本的观看质量要求。测试结果符合测试预期。

5.对现网维护的建议

Qos在网络发生拥塞时候能对不同业务产生差异化保障效果。虽然目前网络拥塞大部分发生在最末梢的接入网,城域网内部的互联中继一般不是带宽的瓶颈,但是不排除网络内部由于偶发的流量突增导致瞬时中继拥塞发生,这种现象对IPTV业务的影响范围更大,引起的故障也更难以排查定位与发现。QoS在理论上能够消弭这种问题,因此下一阶段的重点将放在这方面,一方面收集QoS部署前后用户的申告量变化,另一方面将通过在网络中层层布放监控探针进行长期监控,提取量化指标完成验证确认。

6.结束语

视频业务对网络的时延抖动、带宽等质量指标要求很高,在用户的接入带宽有限的情况下,做好不同业务的差异化保障,只能依靠QoS的部署来实现。本文结合电信IPTV网络实际,给出了一种基于QoSIPTV业务差异化保障方案,同时针对用户同时观看IPTV和进行高速下载这种十分常见的家庭网络使用场景,在现网实际环境中完成了相关测评,验证了在ADSLLAN两种主要接入方式下,该QoS保障方案对IPTV业务能够发挥明显而有效的保障效果。在验证了QoS的效果的同时,也为今后IPTV业务的维护提供了在一个中型城域网中不同网络接入环境下的量化参考指标。

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