IPTV系统架构及主要技术

曾爱华， 刘 捷， 冼 进

0 引言

IPTV即交互式网络电视，是一种集互联网、多媒体、通讯等多种技术于一体，利用宽带资源为主要传输网络提供多媒体信息服务，以电视机、计算机等为显示终端的媒体服务，是互联网业务和传统电视业务融合后产生的新业务[1]。IPTV是利用计算机或机顶盒加电视完成接收视频点播节目、时移电视、视频广播及虚拟频道等功能。

1 IPTV系统架构

本文介绍的是电信级多媒体流平台IPTV系统的架构，电信级系统具有可扩充性、易管理性、可运营性、高安全性、高可用性、开放性及扩展性等特点。

1.1 IPTV系统网络架构

IPTV系统技术能用来提供将视/音频流媒体节目从节目中心播出，并通过骨干网、城域网和宽带接入网传输，直到被用户接收至端到端的完整技术解决方案，IPTV系统网络架构如图1所示。

图1 IPTV系统网络架构

按照用户的分布范围的需要，可分为分布式和集中式组网结构。分布式结构主要应用大规模网络部署；集中式结构主要应用于小规模网络部署。从逻辑上，分布式结构可以分为三层，即中央媒体平台（CMS）层、归宿媒体平台（HMS）层和边缘媒体平台（EMS）层。

1.2 IPTV系统功能架构

如图2所示，IPTV系统包括内容制作、内容存储/加密、内容分发、内容播放和终端显示的各个方面[2]，都可提供基于电信级的解决方案。同时，IPTV系统也是一个开放的系统，可提供基于中间件形式的系统整合能力，集成第三方的产品，诸如数字版权管理DRM系统、机顶盒和内容编码器等。IPTV从功能上分，整体分为运营支撑层、媒体平台层和终端层三大部分。

图2 IPTV系统功能架构

1.2.1 运营支撑层

运营支撑层是IPTV系统的核心组件之一，主要负责互动电视系统的业务管理（产品及业务定义、计费和统计等）、用户管理（开销户、认证和查询等）、用户自我服务和设备管理（系统部件的操作、维护和日志等）、媒体内容管理（节目信息和EPG等媒体内容的引入、查询、分发和调度等）、DRM系统、数据库存储系统及第三方业务平台对接等功能。运营支撑层主要又由运营支撑系统（OSS）、网络管理系统（NMS）、事务服务系统（TS）、数据库系统（DB）和内容服务系统等组成，如图3所示。

图3 运营支撑层模块图

1.2.2 媒体平台

媒体平台（MS）负责媒体内容存储和向机顶盒（STB）提供媒体服务，也就是负责媒体内容的存储和转发，这是IPTV系统的另一个核心组件。

如图4所示，MS主要由以下组件组成：用户会话控制器（USC）负责用户鉴权和发起计费事务；EPG获取元数据信息后，为用户创建动态EPG页面；MD/ME储存用户媒体内容和向STB提供服务，MD/ME基于HMFS文件系统，在50毫秒内响应媒体服务请求，多备份机制使得多个ME可以同时提供同一内容。CEC/CE将电视节目和影片实时编码和转换码型，然后进行组播。媒体内容管理（MCM）提供图形管理界面，实现三层结构中的媒体内容分发和复制。DNDL负责各种型号STB的软件下载和升级。MELoader负责编码、上载媒体内容到MS。MS还包括元数据复制（MDR）、License服务器（MLS/SLS）、虚拟频道控制器（VCC）、DNS和动态主机配置协议（DHCP）服务器。所有的媒体内容都存放于CMS中，然后按照一定的策略推送到HMS和EMS。

图4 媒体平台主要模块图

1.2.3 终端层

终端层是整个多媒体业务的最末端，典型设备有机顶盒+电视机和计算机两种，通过电子节目菜单（EPG）的客户端软件和解码设备（支持MPEG1/2/4、WMV、REAL和H.264等格式）来完成媒体节目的解码播放。目前各个厂家可以提供高、中、低不同档次、不同业务的机顶盒。

2 IPTV的主要技术

IPTV系统的中心任务是如何为用户提供高质量的流媒体服务。因此，IPTV的主要技术也是以流媒体为重点。它的主要技术有：流媒体编解码、流媒体传输、组播技术、媒体内容存储与分发、数字版权及电子节目菜单等，目前这些技术正在不断发展和完善之中[3]。

2.1 流媒体编解码技术

流媒体是当一段数据到达用户端时，流媒体播放器就开始播放媒体文件，在播放的同时，后续数据源源不断地像水一样“流”向用户端传输，直到该媒体文件全部传完或者点播请求结束。视/音频编解码技术是流媒体技术的核心之一，编码技术是将原来不适合当今网络传输的大体积文化转化成可以适合网络传输的小体积文件。解码技术是将编码后的数据流恢复成原来的视/音频信号。降低文件大小，使之能够减少带宽压力，是流媒体编码技术的关键，从目前编解码技术来看，被市场认可的主要技术有WMV标准、MPEG系列标准和 H.264标准。IPTV系统支持第三方的编码器，如Harmonic、Envivo等编码器。

2.2 流媒体传输技术

流媒体压缩编码之后如何在网络上高效、实时传输又是一个需要重点考虑的问题，也就是流媒体传输技术。RTP/RTCP，RTSP和RSVP这三种协议都是保证流媒体有效传输的技术体制。

实时传输协议RTP (Real-time Transport Protocol)和实时传输控制协议RTCP（Real-time Control Protocol）都是基于IP的应用层协议。RTP为实时音/视频数据提供端到端的传送服务，包括有效载荷类型标识、序列标号、时间标签和源标识，可以提供时间信息和实现流同步，由于TCP中重传机制会引起时延，通常RTP运行于UDP之上，但是也可以在TCP或者ATM等协议之上运行。实时流协议RTSP（Real-time Streaming Protocol）由RealNetworks和Netscape共同提出的一个应用层协议。它可以在媒体服务器和客户端之间建立和控制连续的音/视频媒体流，协同更低层协议RTP、RSVP等一起来提供基于 Internet的整套流式服务，目的在于控制多个数据发送连接。

流媒体的播送方式主要有三种:单播、组播和广播。由于IPTV中直播电视传输的特殊性，IP组播技术在流媒体传输技术中得到了很好的利用，实现了IP网络中点到多点的高效数据传送，能够有效的节约网络带宽，降低网络负载。组播（Multicast）是媒体服务器只需要发送一个数据包，并且将数据包复制到多个通道上，这样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无延时。

2.3 媒体内容存储与分发

IPTV系统所有的媒体内容首先都存在于 CMS中，然后按照一定的策略推送到HMS和EMS。为了保证系统的响应速度，同时节省存储空间，一般将节目按照热门程度进行分级。只在CMS里面存有其全部内容，而在HMS和EMS里面只存储节目的开始部分，用户在点播这类节目的时候，系统一边为用户提供服务，一边从上层服务器获取节目的剩余部分，如图5所示。

图5 媒体存储和分发机制

内容存储是一种复杂的技术，IPTV系统存储解决方案应该能够实现网络资源中存储资源和服务的集中化管理，超媒体文件系统HMFS（Hyper Media File System）是针对流媒体内容海量存储开发的一种文件存储技术，克服了直接文件拷贝带来的种种弊端，创造性采用了片段（Segment）技术，HMFS以流广播形式传送新拷贝的片段，到终端用户处的总延迟在50ms以内，这样的延迟用户是完全觉察不到的。

内容分发技术主要目的是通过网络的构建减小IP骨干网络的传输压力，将连接到IP网络上的内容信息更迅速的分发到IP网络上的用户终端上。媒体内容分发包括从内容源到客户终端的过程，从实现上看，有两种主流的内容分发技术：Push和Pull。Push是一种主动分发的技术，由内容管理系统发起，将内容从源或者中心媒体资源库分发到各边缘的Cache节点。分发的协议可以采用HTTP/FTP等，通过Push分发的内容一般是热门的内容。Pull是一种被动的分发技术，通常由用户请求驱动，当用户请求的内容在本地的边缘Cache上不存在时，Cache启动Pull方法，从内容源或者其他节点实时获取内容，IPTV系统的MLR驱动宽带媒体分发（BMDP）协议实现Push和Pull分发机制，并按照预定的策略触发分发服务，记录整个系统中媒体内容的存放位置信息，保持实时的更新。

2.4 数字版权管理

随着信息技术的发达，数据文件的存储、拷贝以及传送变得越来越方便、快捷。从而对数字版权的保护造成了严重的威胁，所以数字版权管理（DRM）是流媒体中对于版权控制的关键性技术。根据实现机理不同，DRM技术主要有两类：一是数字水印技术；一是以数据加密和防拷贝，IPTV系统主要基于数据加密和防拷贝为核心的技术，确保数字媒体信息在整个传输链中可控制方面的安全问题，应满足IPTV中的媒体内容安全需求，传输安全需求、存储与使用安全需求，终端系统安全需求，服务端与终端之间的身份认证需求等[4]。

本文的IPTV DRM系统方案整体框架如图6所示，对于VOD节目，MEloader或者MEService会先对其分段，然后从MLS（Master License Server）获取License对分过段的VOD节目进行加密，再将其传送到媒体平台上，MLS将所有节目的License存放于数据库中，并且分发到所有的SLS（Sevice License Server）。对于TV节目，CEC会从MLS获取 License，然后交给 CE，CE对媒体节目进行在线编码和使用License加密。STB成功登陆系统后，USC会向SLS发出License请求，SLS将其请求的License送回。这样，STB收到的媒体流才能够被正确的解码。为了提高性能，SLS不仅将License存于数据库，而且会存到Cache DB中。

图6 IPTV系统数字版权管理

2.5 EPG

EPG（Electronic Program Guide）即电子节目向导，是IPTV最重要要素之一，为用户提供界面，供用户浏览系统提供的节目信息并选择要欣赏的节目，提供互动的交互式界面，需要给用户提供一个直观，易用，友好，稳定，美观的交互界面，也是EPG的首要目标。EPG模块是整个系统中需求变化最快的模块。本文EPG实现选择交互式方案，由EPG服务器给机顶盒提供HTML页面，将系统的节目信息存储在数据库中，服务器从数据库中检索节目信息，以HTML页面的形式提供给机顶盒，机顶盒解析页面后呈现给用户。

3 结语

IPTV为电视业和电信业带来新的业务增长点，它将作为“三网合一”的一个很好切入点。作为一个新兴的产业，也存在一些问题，比如新增业务的开发速度过慢，三大网络标准尚未统一，各行业各部门之间利益冲突问题，政府政策问题等等[5]。但是随着信息产业的发展，三网融合已是大势所趋，前景无限，IPTV将起到关键性的作用。

[1] 许永明,谢质文,欧阳春.IPTV技术于应用实践[M].北京：电子工业出版社,2006.

[2] 谢质文,许永明,杨滔.IPTV 产品、运营与案例[M]. 北京：电子工业出版社,2008

[3] 张佳杰,扈红超,刘强,等.基于接入汇聚路由器的 IPTV 组播的实现[J].计算机工程,2007(11)：107 -109.

[4] 施颜媛,向兵,程德杰.基于OPNET的IPTV业务网络仿真与现实[J].通信技术，2009,42（01）：155-157.

[5] 康芳,王道彬,钟朗.P2P技术在网络电视中的应用研究[J].通信技术，2007,40（07）：11-12.