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IPTV与流媒体技术的典型应用

童全盛; 王莎莎| 流媒体,IPTV| 2010-12-27
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【中心议题】

  •     *介绍了流媒体相关的技术和标准
  •     *指出了IPTV系统中流媒体传输技术的具体应用及相关特点

【解决方案】

  •     *在播放前只将部分内容缓存,并不下载整个文件
  •     *在数据流传送的同时,用户可在计算机上对压缩的流式多媒体文件解压后进行播放

0引言

随着互联网的广泛普及和计算机网络技术的快速发展,从国际互联网上获取音频、视频、图形、图像等多媒体信息是发展的必然趋势。现有传统的方式在传送文字、图形等离散媒体时尚能胜任,但在面对多媒体网络媒体实时性、等时性和高吞吐量的要求时,在传送声音、视频等连续媒体时则显得有些力不从心。为了满足多媒体网络的诸多新要求,网络流媒体技术就应运而生,相继出现了许多流媒体技术的应用。IPTV,也叫交互式网络电视,就是利用流媒体技术通过宽带网络传输数字电视信号给用户。流媒体技术在IPTV系统中发挥了十分重要的作用。

1 IPTV系统功能结构

IPTV的英文全称是Internet Protocol Based Television,即基于IP网络的电视系统。IPTV中的“TV”,应以内容为核心定义,仅指节目源是TV的,与显示终端是否是电视机无关。

IPTV系统横向分为制作、内容、分发、消费等几个层次,纵向分为内容服务、服务控制和业务管理3层。如图1所示。

1)节目提供制作部分。该部分主要完成节目的数字化,使原始节目成为能够在IP网络上传输的数字节目。其主要功能是直播节目的编码压缩、转换和传送。IPTV的节目制作系统通常包括内容采集、内容制作(包括编码与转码)、节目管理等组成部分。内容采集系统的节目源可以是摄像机、电视台节目、VCD光盘、卫星输入信号等等。

2)内容管理系统部分。内容管理系统主要功能是对IPTV的节目和内容进行管理,主要是内容管理和用户管理,功能包括:内容审核、内容发布、内容下载、用户管理以及用户认证计费等。内容管理系统需要对节目进行版权管理,为了防止用户采用虚拟播放器非法下载并传播流媒体文件,同时,为了提供可控流媒体文件下载观看服务,需要通过DRM版权管理进行控制。

3)流媒体传送系统。流媒体传送系统主要包括中心/边缘流媒体服务器和存储分发网络。流媒体服务器是提供流式传输的核心设备,要求有很高的稳定性,同时能满足支持多个并发流和直播流的应用需求。

4)接入系统。接入系统主要为IPTV终端提供接入功能,使STB能够顺利接入到IP网络,目前常见的接入方式为xDSLLAN方式。

2流媒体技术

流媒体是指运用可变带宽技术,在数据网络上按时间先后次序传输和播放的连续音/视频数据的一种格式。流媒体技术在播放前只将部分内容缓存,并不下载整个文件,在数据流传送的同时,用户可在计算机上利用相应的播放器或其它的硬件、软件对压缩的动画、视音频等流式多媒体文件解压后进行播放,这样就节省了下载等待时间和存储空间,使时延大大减少,而多媒体文件的剩余部分将在后台的服务器内继续下载。

2.1流媒体系统相关协议

流媒体系统相关协议仍处于发展过程中。目前,认为可能会成为流媒体系统的主流协议有:①Internet网络和传输协议,即IP协议、TCPUDF协议;②媒体投递和控制协议,即RTPRTCP;③媒体控制协议,即RTSPSIP;④媒体描述和说明协议,即SDPSAP等。目前网络上得到实际应用的协议有RTPRTCPRTSP

2.2流媒体发布方式

目前应用于互联网上的流媒体发布方式主要有单播(Singlecast)、广播(Broadcast)、多播(Multicast)、点播(Unicast)。

1)单播(Singlecast)。在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的资料信道,从一台服务器送出的每个资料包只能传送给一个客户机,这种传送方式称为单播。每个用户必须对媒体服务器发送单独的查询,而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的资料包拷贝。这种巨大冗余造成服务器负担沉重,响应需要很长时间,甚至停止播放;管理人员也会被迫购买硬件和带宽来保证一定的服务质量。单播一般用于广域网的流媒体传输。

2)广播(Broadcast)。广播指的是用户被动接收流。在广播过程中,客户端接收流,但不能控制流。例如,用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中资料包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户。使用单播发送时,需要将资料包复制多个拷贝,以多个点对点的方式分别发送到需要它的那些用户;而使用广播方式发送,资料包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户,而不管用户是否需要。单播和广播这两种传输方式都非常浪费网络带宽。

3)组播(Multicast)。IP组播技术构建一种具有多播能力的网络,允许路由器一次将资料包复制到多个信道上。采用组播方式,单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续数据流,而且没有时延。媒体服务器只需发送一个信息包,而不是多个;所有发出请求的客户端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机,减少网络上传输的信息包总量,网络利用效率大大提高,成本大为下降。组播一般只能用于局域网或专用网段内传播。

 

4)点播(Unicast)。点播连接是客户端与服务器之间的主动连接。在点播连接中,用户通过选择内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、暂停、快进、后退或停止流。点播连接提供了对流的最大控制,但这种方式由于每个客户端各自连接服务器,占用网络带宽很多。

3 IPTV系统中流媒体传输技术的具体应用

目前,在IPTV系统中,采用的流传输技术主要为ISMA方式和MPEG2 TS over IP方式。

3.1 ISMA方式

ISMAInternet流媒体联盟)是在200012月成立的标准化组织,其目标就是制定Internet流媒体编码器、服务器和播放器之间的开放标准,其原则是最大程度地利用现有Internet国际标准。ISMA规范范围涵盖音视频编解码、文件格式、流传输机制和参考SDKISMA的传输基本过程如图2所示。

从图2可见,ISMA方式通过服务器/客户端的结构实现流媒体的传输,在应用层采用了RTSP控制协议,媒体数据采用RTP封装后承载在TCPUDP上,并通过RTPRTCP协议进行传输质量的监测。

ISMA方式的流传输协议栈如图3所示。

ISMA协议栈中,媒体数据需要经过流式处理,MPEG4格式遵循MP4文件格式规范,H.264格式遵循高级视频编码文件格式规范。

3.2 MPEG2 TS over IP方式

MPEG2 TS参考标准为MPEG2的系统层,即ISOIEC138181MPEG2 TS是数字电视领域广泛采用的流式传输标准。

MPEG2 TS标准定义了复用一个或多个打包的基本码流(PES)的方法。为应用于IPTV,媒体数据经过MPEG2 TS封装后,再通过TCPIP协议栈封装成IP数据包。MPEG2 TS over IP方式的流传输基本过程如图4所示。

MPEG2 TS over IP方式同样采用服务器/客户端的结构。

因为ISOIEC 138181标准并未定义控制层协议,应用于IPTV后,MPEG2 TS over IP方式在控制层可采用RTSPHTTP协议,媒体数据采用MPEG2 TS封装后,一般承载在UDP上。为了克服网络抖动问题,也可在UDP之上采用RTP协议封装TS包。

MPEG2 TS over IP方式的流传输协议栈如图5所示。

TS包由包头、自适应区和包数据3部分组成。由于每个包长度为固定的188字节,在封装成UDP包和IP包后,需要考虑合适的包长度。与ISMA不同,MPEG2 TS over IP方式是将视、音频数据复用后再封装成TS包,因此输出流是单一的。

4结束语

IPTV(网络互动电视)作为流媒体的典型业务,被业界认为是三网融合的最佳切入点。受益于三网融合政策,有了电信和广电的共同推动,将加速流媒体技术研发,IPTV业务一定会拥有灿烂的明天。

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