IPTV系统架构及关键技术分析

靳瑞涛



IPTV系统架构及关键技术分析

靳瑞涛

国家新闻出版光电总局二九三台，河南 郑州 450001

近年来，IPTV产业发展迅猛。结合IPTV系统架构，对IPTV中的视频编解码、流媒体、IP组播、内容分发网络、数字版权管理等关键技术进行了分析，为IPTV的部署提供了理论依据。

IPTV；视频编解码；流媒体；组播；CDN；DRM

1 IPTV系统架构

IPTV即交互式网络电视，将电视网、互联网、通信网等网络进行有效地融合，利用流媒体技术将电视、视频、数据、文本等多媒体信息通过宽带IP网络传送至用户终端[1]。IPTV将互联网作为传播载体，能够提供良好的交互式服务，可以充分的利用网络资源。IPTV可以提供丰富的业务内容，其业务特点也决定了系统结构的复杂性，因此有必要对IPTV的系统结构及关键技术进行研究，以促进IPTV系统的部署。

图1 IPTV系统功能架构

图1所示为IPTV系统的功能性架构[2]，从直播电视或DVD等渠道获取内容资源，经编码处理后发送至内容制作单元。具体的编码格式符合IPTV平台业务编码标准，如转为为MEPG-2、MEPG-4、H.264等编码格式。经内容制作单元处理后生成流媒体文件传输至内容加密存储单元。内容加密存储单元在获取内容资源后，首先由数字版权管理系统进行统一的加密处理以保护内容版权。数字版权管理系统利用生成的密钥加密内容资源后，将解密密钥传送至用户端的机顶盒中以便于播放解密。加密处理后的内容资源经内容分发单元进行发布，内容分发单元采用内容分发网络（CDN）将用户点播的内容资源实时分发到用户附件的边缘服务器，以提高响应速率。内容播出单元从内容分发单元接收到内容资源后经用户端的机顶盒进行内容播放。当用户在使用机顶盒时，首先进行业务认证，经认证管理系统认证通过后，用户根据节目内容发起内容请求。机顶盒利用获取到的解密密钥对接收的内容资源解密后输出至用户电视或PC端播放。

2 IPTV系统中的关键技术

2.1 视频编解码技术

为了在有限的带宽条件下传输高质量的音视频资源，通过视频编解码技术对数据进行压缩和解压缩处理是IPTV开展业务的关键技术之一。目前国际电信联盟ITU和国际标准化组织ISO已制定了一系列视频编解码技术的国际标准，其中在IPTV系统中应用相对广泛的是MEPG-4、H.264和AVS技术标准。

MEPG技术是目前最成熟也是应用最广泛的视频压缩技术标准。MEPG-4编码是将视频、音频编码综合考虑，对于不同的传输数据采用不同的编码方法，通过在编码器端重新组合，可以有效提高传输效率以及传输的灵活性。MEPG-4技术可以支持点播、直播、信息浏览与发布、以及可视电话等多种多媒体业务。MPEG技术经过长期的商业应用，相关产品和供应商都较多，对芯片厂商和IPTV设备商均可以提供完善的解决方案。

H.264标准于2003年5月正式公布，相对于MEPG-4技术具有更高的压缩比，对于标清（720×576）质量的节目使用1.5 M的带宽即可，相比MPEG-4可以节省约30%的带宽，对于高清（1980×1020i）质量的节目可以节约50%的带宽。同时H.264技术支持基于通用的中间件平台进行开发，相关开发使用Java进行，便于运营商快速开发和推出新业务。并且增值业务只需要一次开发即可在所有的机顶盒上部署使用。基于带宽利用率高、容错率及网络适应性强、传输质量高等特点，H.264技术目前具有广泛的应用场景。

AVS（音视频编解码）技术标准是我国自主开发拥有自主知识产权的新型编码方式。其采用的技术框架与H.264类似，采用混合编码的方式有效提高了编码效率，与H.264相比算法复杂度更低。由于MPEG-4和H.264技术都面临专利使用费用的问题，给设备制造商和运营商都增加了经营成本。AVS技术许可政策在产业链形成之后，可以减轻大量的产业运营成本，提供更好的发展机会。

2.2 流媒体技术

经过视频编解码处理之后需要将数据通过网络进行高效、实时的传输。流媒体传输技术可以保证数据以流式传输的方式进行传输播放，提高了传输效率。流媒体传输技术可以将数据文件压缩成分块的压缩包，经由视频服务器实时连续的向用户传输。通过流传输的形式，用户经过短暂的启动延时即可对接收到的压缩包进行解压播放，未接收的压缩包可以在后台继续下载，通过边下载边播放的方式可以有效提高数据传输的实时性，同时降低对系统缓存容量的需求。

流媒体传输协议包括RTP/RTCP、RTSP和RSVP三种。RTP（实时传输协议）和RTCP（实时传输控制协议）将流媒体数据封装为RTP包，使用UDP、TCP或者ATM等协议采用点到点、点到多点的方式来传输数据。RTCP协议通过控制数据包按顺序传输，为其提供连续可靠的传送机制。RTP会话建立时会打开RTP和RTCP两个会话端口，从而可以使用RTP和RTCP提供拥塞控制和流量控制服务，两者配合使用可以减小反馈数据及降低系统开销使传输效率最优化。RTSP（实时流协议）用于在媒体服务器和用户客户端之间传输连续的音视频媒体流，与RTP、RSVP（资源预留协议）协作提供完善的流传输服务，实现多个数据的连续发送。

2.3 IP组播技术

流媒体传输中常用的播放方式包括点播、单播、组播、广播以及P2P播放，其中单播和组播方式被广泛使用。单播具有较快的响应速度，然而其很难满足大量用户的传输需求。组播技术中媒体服务器只需发送一份数据，通过将数据进行多份复制发送至多个接收端，减少了网络传输流量，从而有效地提高网络带宽利用率，并节省了服务器资源。组播技术可以实现点到多点的高效传输，使得单台媒体服务器可以向数十万计的客户端实时传送连续数据流。在IPTV系统中开展直播频道电视业务时，采用组播技术可以将频道节目端的视频数据一次发送给大量服务用户，保障了众多用户同时在线播放，有效地提高了网络的利用率，节约了运营成本。

2.4 内容分发网络技术

IPTV系统中的核心业务之一是点播业务，大量用户的点播对网络的需求巨大，通过CDN（内容分发网络）技术可以将用户频繁点击的内容由中央服务器推送至网络边缘服务器，从而使用户可以在附近的服务器获取内容，大大提高了网络响应速率。同时，由于将内容资源大量分布在边缘服务器，有效的减轻了中央服务器集中访问的压力以及对骨干网带宽资源的消耗，避免了网络拥塞。

CDN技术对媒体内容进行分发时采用PUSH和PULL两种形式。PUSH为主动分发技术，由存储内容源的中心服务器将内容经由HTTP/FTP协议主动推送至各边缘服务器。采用PUSH方式推送的一般是用户频繁请求获取的内容，即热点内容。PULL属于被动分发技术，当用户请求的内容未存储在用户附近的边缘服务器时，采用PULL方式存储内容源的中心服务器实时获取内容资源。而由于现有的CDN网络时基于计算机端的流媒体业务发展而来，当大量用户同时请求同一内容资源时，仍存在重定向复杂、服务效率低等问题。目前基于P2P形式的CDN网络通过点对点形式的网络结构，将内容流化处理后分片存储在多个边缘节点，然后通过一定的分发机制以及不同的分发策略推送至业务节点，可以有效地解决上述问题，是目前IPTV系统的主要应用方向[3]。

2.5 数字版权管理技术

在信息网络中，数据的存储、复制及传输都变得更加方便、快捷。在IPTV系统中，数字版权管理（DRM）是流媒体中实现版权控制，保证内容提供商利益的关键所在。数字版权管理技术包括数字安全加密技术、数字识别技术和电子交易技术。其中数字安全加密技术是IPT V系统中的核心技术，可以实现媒体数据在网络传输中的安全控制，确保媒体数据的内容安全、传输安全、存储安全以及使用安全等。

在具体开展IPTV业务时，业务运营商需要使用内容提供商指定的数字版权管理方案，因此IPTV系统需要支持多个内容提供商提供的数字版权管理系统，以满足不同内容提供商的需求，而开放式移动联盟的标准化方案需要支付高昂的专利使用费。因此目前IPTV系统的数字版权管理系统并没有统一的解决方案，多种数字版权管理方案并存的局面，还需要进一步研究制定统一的标准化方案来解决。

3 小结

IPTV以IP网络为传输载体可以提供丰富的节目内容，具有较强的实时性和交互性。IPTV系统的研究和部署正在世界各国被大力推广普及。本文简要介绍了IPTV系统的功能性架构，对IPTV系统中的视频编解码、流媒体、IP组播、内容分发网络、数字版权管理等关键技术进行了分析，为IPTV系统的部署提供了一定的理论依据[4]。

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

[2].闫飞燕，张丽娟：IPTV系统中的QoS性能优化[J].电视技术，2015（9）：266-268.

[3].徐贵宝，CDN网络及其在IPTV中的应用[J].现代电信科技，2005（11）：38-42.

[4].盛志凡.机遇与挑战：浅谈IPTV系统技术及其在广电的应用团[J].广播电视信息，2012（2）:63.

IPTV System Architecture and Key Technology Analysis

Jin Ruitao

State Press and Publication of photoelectric General Administration of the 293，Henan Zhengzhou 450001

In recent years, the rapid development of IPTV industry, this paper combines IPTV system architecture, IPTV in the video codec, streaming media, IP multicast, content distribution network, digital rights management and other key technologies were analyzed for the deployment of IPTV provided Theoretical basis.

IPTV; video codec; streaming media; multicast; CDN; DRM

TN949.2

A

1009-6434（2017）04-0137-03

靳瑞涛（1986—），男，学士，国家新闻出版光电总局二九三台，从事无线电及广播检测等。