1、基于 IPv6 的视频广播点播系统基于 IPv6 的视频广播/点播系统袁潮尔桂花陈峰戴琼海(清华大学自动化系,北京 100084)E-mail:yuancha099mails.tsinghua.edu.en摘要文章阐述了当前开展多媒体数据服务的迫切需要,详述了利用现有的两大主要传输网络有线电视网络和基于 1Pv4 协议的 Intemet进行多媒体数据服务所存在的本质缺陷.在此基础上提出了在 1Pv6 上实现多媒体数据服务的可能性,并提出了基于 IPv6 组播方式的视频广播 /点播系统关键词多媒体数据服务有线电视网 1Pv41Pv6 组播视频广播视频点播服务质量文章编号 10028331 一(2
2、002)14021503 文献标识码 A 中图分类号 TN919.8VideoBroadcastandVideo-on-DemandSystemBasedonIPv6YuanChaoErGuihuaChenFengDaiQionghai(DepartmentofAutomation,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract:ThispaperspecifiesthenecessarytoputupthemultimediaservieenOW,anddetailedlyexplainstheradicaldisadvantageofcurrentm6h
3、imediadataStransfermodewhichmakeuseofCAFVorInternetwhichbasedonIPv4.Thenthepossibilitythatrealizesmultimediaservieefoundedon1Pv6isbroughtforward.Attheendofthispaper,aDVB/VODsystemon1Pv6isexplained.Keywords:muhimediaserviceCAFV,IPv4,IPv6multicast,DVB,VOD,Q0SlInternet 上多媒体应用的需求随着 lnternet 的发展和普及,卜网已经成
4、为现代人 13 常乍活的一部分.日前网络所提供的服务虽然较前几年丰富了很多,但是基本上还是停留在电子邮件和主页浏览以及文字交淡的形式.虽然主页的外观和内容越来越丰富多彩,但是该浼并没有出现质的飞跃,网 1-_的主要信息还是来 fl 于义本和静态图象.可以看到,目前的网络发展有两方面的趋势:用户数量的急剧增长和网络服务的多媒体化.甚至在将来很 K 的一段时间内这也是一个不可逆转的趋势.人们将越来越注重交瓦式的多媒体信息服务.实现这一点要具备两方面的条件:高网络带宽和适用于多媒体信息传输的协汉.两者分别属于软件和硬件的要求,相辅相成,缺一小可.基于 Internet 的多媒体应用很泛,包括网上的视
5、频点播和广播,语音电话,交互式电视会议系统,远程教育,远程医疗,交互式 3D 游戏,网络图书馆等.但是可以看到,这些应用的核心技术集中在音频和视频信息在网络上的传输.而这一核心技术在视频广播和点播系统中口以得到最好的体现,因此文章着重讨论视频广播和点播的问题.2 目前进行视频广播存在的问题在目前的网络条件下,进行多媒体视频/音频广播的途径可以有两个,lnternet 和有线电视网.但是它们都存在难以克服的弱点,其中很多弱点是由于这两个网络在早期设计时候没有预料到今灭的应用而造成的,它们是网络固有的弱点,除 r 进行彻底改造之外很难克服.lnternet 足在 90 年代初期发展起来的,于的协议
6、是1Pv4,早期的 lntemet 主要足刖于科研一的,所以传输的数据主要是于文本的,设讣者并未考虑列后来商业公司的加盟和今大的规模,在多媒体信息需求 13 益增多的今天,现有的 lntemet虽然经过多次改造和带宽扩容,但是仍然无法满足现在和以后的需求 161.它的根小缺陷集中在以下几个方而:(1)地址空问的严蕈足和寻 tal:方式的局限件.(2)数据传输缺乏质量保汪(QoS).(3)数据安全性难以保证.(4)对组播功能支持有限,F=j 前使用的大多数路由器并不支持组播【“.就以上几点而占,在我同带宽所带来的影响似乎还是那么明显.因为我国的国情是 Internet 起步较晚,所以各地铺设的网
7、络干线大多都足采用光纤,甚至某些新建的小区也采用光纤到户的方案,再加不断扩容,有理由相信至少在某一个范围内带宽将不会成为发展的障碍.山于 Internet 上用户数 H 的爆炸性增长,地址问的局限在几年前就体现出来了,未来 j 网合一足必然的趋势 ,参视频广播和点播的用户将是现在数目巨大的有线电视用,所以现在的地址空间然是不够用的.IPv4 采用 32 位的地址 ,此无法克服这一难题.此外,Internet 上的视频广播和点播采用的主要技术将是组播,但足 IPv4 协汉对于组播的支持很少 ,在实际应用中也缺乏具体实现,一个明显的地方就是基于 1Pv4 的路由器很少有支持组播功能的.目前很多人认
8、为网络的瓶颈在于带宽,只要解决带宽问题,那么一切都解决了,其实这种观点是错误的.首先网络带宽在很长一段时间内是无法完全满足每一个人的需求的,即使在作者简介:袁潮,清华大学自动化系硕士研究生.尔桂花 ,清华大学自动化系副教授.陈峰,清华大学自动化系讲师.戴琼海,清华大学自动化系副教授.计算机工程与应用 2002.14215光纤到户的情况下,对每一个用,rLI 提供相同质量的服务也是骨十网所无法承受的.事实上,未来的网络多媒体信息服务需要实现的是针对每一个用户的要求提供服务.例如对于视频广播会议而言,用户会提出很高的实时性数据传输要求,不允许有较大的数据延时出现;对于视频点播和广播来说,则要求传输
9、率不低于某一个数值,但是允许一定范嗣内的数据丢失.而对于电子邮件来说,则不允许数据有丢失现象,但是对于实时件要求则没有那么高.因此钊对不同的数据类型就可以采用不同的服务类型,所以也就有可能在当前有限的网络带宽下很好地实现多媒体数据通讯服务.实际上上面所说的需求归结到一点就是多媒体通讯对服务质量(QoS)的要求.服务质量通常集中在以下四个方而:(1)一定带宽需求.例如传输 MPEG 一 2 的节目,则每一路节目占用带宽为 46M.(2)较低的端到端延迟.对于视频节目而言,若是延迟太大就会造成节目的断续,这是用户无法接受的.(3)延迟变化在一定范围内.若是变化太大,则接收端就会,生数据的上溢或者下
10、溢,同样影响收看质最.(4)误码率可以接受(无重传情况下). 对于多媒体数据通讯而言,重新传输是不可能的,那将会造成数据传输出现不可接受的大延迟.所以出现数据错误只能丢失,但足呵以把它控制在一定范围内,使收看的用户可以接受 I31.网络的安全性同样是需要考虑的重点,特别是对于视频点播而言,一般采用的足用户点播加付费的方式,所以播放的节目应该都是加密的,否则就会被其他用户免费看到,其次如果采用网上支付费用的话,用户数据的加密也是非常重要的.目前网络采用的加密方法大多集中在应用层,这种加密方法的安全系数是相对较低的.这是因为 IPv4 在设计的时候并未太多地考虑数据安全的因素.3 有线电视网进行视
11、频广播/点播存在的问题针对当前电信网络存在的主要问题带宽窄,有人提出了采用有线电视网络进行多媒体数据通讯的可能性,它的优势在于网络带宽大,而且终端在每一家都已经铺设完成.所以在这个上面实现广播还是比较快的,但是要实现点播的话则困难得多,因为它需要上行信道实现用户点播信息的反馈.实现这一目的就需要对当前有线电视网络进行改造,从目前来看,主要的方式仍然是对现有的 HFC 接入实现双向改造,但是这种改造的代价是很高的,目前只有经济较为发达城市的部分小区实现-r 这一改造 .特别是对于双向传输要求很高的交互式视频会议等应用来说,利用目前的有线电视网络是难以实现的.此外有线电视由于缺乏软件灵活性(因为大
12、多数的部件都是采用硬件实现的),所以采用的加密算法必然缺乏灵活性和多样性,被破译的可能性更大一些.4IPv6 在多媒体业务时代的巨大优势lPv6 是下一代 Intemet 将会采用的新协议 ,它是在 IPv4 的基础上加以修改和扩充而形成的,目前正在加以推广应用,它可以有效地解决目前 Intemet 上实现多媒体业务所存在的问题.目前在国际上已经有几个全球范围内的实验网,例如 NGI,vBNS,Internet2,6BONE 等骨干网 .新一代的路由器也已经开始支持 IPv6.首先,从 IPv4 升级到 IPv6,地址空间无论从容量上还是类2162002.14 计算机工程与应用型都做 J,重大
13、的改进.IPv6 采用的是 I28 位的 lntemet 地址,这意味着地址空间将会是 3_4IO,这足以为每一个移动设备都配置一个 IP 地址,所以不会再有地址捉襟见肘的现象出现.而且 lPv6 的地址变化/f 是简单意义卜的规模扩大,而是对原有地址结构的修改.lPv6 的地址结构町以提高选路效率,从而减轻路山器负担,提高数据吞吐昔,这对于大数据最的传输是必须的.此外 IPv6 加强了组播功能,组播的意义在于只有刖户加入相应的组播组才能收到发给该组的信息,这对于视频 Fl 的发送来说意义尤其蘑大,模拟电视中的频道概念完全就可以用组播组的概念来代替.析且组播组的范嗣口以包括同?小地网,同一机构
14、网,甚至 IPv6 全球地址窄间中的任何 f 置的点.这就为网络多媒体信息服务提供更大的灵活件lPv6 对于 lPv4 的最大革新之处在于它对于 QoS 的考虑 .QoS 的重要性在前面已经介绍过了.IPv6 的包头结构有所变化,采用了业务流字段和流标签字段,业务流字段扩大到 1 个字节,这就可以定义 256 个级别的优先级,对符种多媒体信息根据紧急性确定数据包的优先级,从保证每一项服务都能达到用厂 1 满意的质量.流标签的 fI 现是因为原来的 lPv4 被描述为无连接的协议,lPv4 为 J,让每一个包找到自己的路径以到达目的地址,同一数据流的包和包之问并没有相天性,所以巾问路由器对于每一
15、个包都是单独处理的,结果足同一个业务流的前后两个数据包可能是通过不同的路径到达目的地址的.对每一个包的独立处理会略微增加每一个包的处理时,对于文件传输等应用_口能影响不大,但是对于视频广播或者点播来说,延时的增加和不确定性会造成收看质量的严重下降在 IPv6中,同一个业务流的所有数据包采用相吲的流标签,这样当路山器检测到相同的流标签的时候就采用相同的路径发出去,而不需要为每一个数据包苇新选择路由,从而大大提高 r 数据包转发的效率,降低了端到端的延迟.至于误码率的降低则在硬件结构和议一致的情况下编码方式有很大的关系,目的采用较多的是 MPEG 一 2 的编码方式.IPv6 采用的加密方式足把加
16、密信息放在 IP 层,这是数据传输相对较低的一层了,因此对于目前的应用层加密办法来说可以收到更好的效果.采用 Intemet 进行多媒体数据服务的另外一个优点在于它可以提供更为完善的附加信息.虽然 DVB 标准规定了 sI 信息,但是由于有线电视的交互性有限,所以可能像 lntemet 那样提供丰富多彩的内容和关于节目的大量信息,而且由于实现上的难度(包括服务器对节目信息的组织盒用户机顶盒对下行数据流包含信息的检索),所以目前很少有功能完善的 DVB,VOD 系统的出现.但是结合 lntemet 以后就小同了,由于软件的巨大灵活性,使多媒体信息包含复杂的附加信息成为町能,特别是 MPEG 一
17、2,MPEG 一 4,MPEG 一 7 的出现 ,使多媒体信息的高效组织和检索利用成为可能,利用 lntemet 实现目前有线电视网上 DVB 的电子节目指南(EPG)功能将更加简单有效,同时也能为用户提供更多的内容和选择.5 具体的实现方式就目前的情况而言,数字有线电视实现途径有两种.第一种是所有的节目频道都被传送到用户的机顶盒,用户在机顶盒上选择自己所要收看的节目频道.这种做法比较简单,节目流的解复用是在机顶盒内完成的.目前大多数的数字有线电视系统采用的都是这种作法,用户端采用的是 HFC 接入方式.但是目前 HFC 不适合交互式的双向数据传输服务,进行双向改造的成本又过高.第二种方式采用
18、的是 SDV(SwitchedDigitalVideo)方式,它的主要应用场合是在光纤到路边(FIrrC)然后同轴电缆到户的方式,受制于同轴电缆的带宽,只能有一路节目经由电缆到达用户的机顶盒,这种结构对于机顶盒要求简单,但足会大大增加主数字终端(光纤和分到每一家用户的电缆之间的设备)的复杂度21.基于 lnternet 的视频数据发送系统和第二种方式类似,到达最终用户接收端也是一路节日,而不是把所有的节目都发送给用户.但是存在以下的不同之处:(1)传送 MPEG 一 2 流数据的是 IP 包,可是说是 TSoverIP.(2)节目数据的发送采用的是组播(muhicast) 方式.(3)频道选择
19、的办法足离开一个组播组而加入另外一个组播组.控制用户选择组的办法是使机顶盒发送一个组管理协议消息(IGMP)给组播路由器或者组播访问服务器,它负责用户加入或者离开一个组播组.实际在每一个组播组内都有一个路由器充当查询器,通过发送组成员报文检查和更新组播组成员,这样就能随时根据用户的选择确定用户所在的组播组(在这里就是节目频道)12.从骨干网来看,目前的千兆位网络能够同时容纳 150 个数字节目频道,每一个频道的带宽为 46MHz,从用户接入端的来看,因为只是单路节日进入用户家庭,所以并不需要光纤到户,但是至少 25Mbit/s 的 VDSL 接入是必要的,因为用户家里可能有多个电视和 PC 要
20、同时上网 ,此外对于将来要开通的高清晰度电视来说,这个接入速度也是必须的.提供多媒体数字服务很重要的一点就是服务的质量,具体来说应该注意以下几个方面:(1)高级的图象和声音质量节目的质量至少不能比卫星电视节目差.(2)频道选择延迟小,期望值在 1 秒以内.(3)支持一般有线电视不提供的服务内容,例如视频点播.(4)友好的用户使用界面.良好的视频节目服务离不开一个完善的电子节目指南(EPG),它是用户使用多媒体数字服务的界面.一个完善的EPG 可以使用户轻松地享受到多媒体数字服务带来的舒适和便捷,但是一个糟糕的 EPG 则会使用户失去耐心,从而放弃服务供应商所提供的服务.MPEG 一 2 定义了
21、关于节目和服务信息的 PSI 表,但是并没有规定它的具体实现方式,这一方面是为了增大灵活性和给各个厂商留出一定的发展空间,在竞争中产生好的解决方案,另一方面也是因为当时还没有对多媒体信息较好的描述方法 141.相信随着 MPEG 一 7 标准的制定,对多媒体信息的描述将更为准确和方便.此外,DVB 标准则详细规定了数字电视节目的服务信息表(SI 表),包括网络信息表(NIT),簇关联表(BAT),服务描述表(SDT) 和事件信息表(EIT)等,通过它们可以较好地描述每一个节目以及相关节目.实现对用户的导航功能并且保证节目供应商的投资回收利益51.在当前阶段,由于关于节目的信息大多数还是基于文本
22、而不是基于多媒体对象的,可以参考 DVB 的 SI 表结构制定符合MPEG 一 2 标准的节目描述数据结构,从而形成 IP 网七的 EPG.它应该包括以下几个方面:(1)某个时间范围内的节目列表.(2)节目查询功能.(3)简单的频道切换界面.(4)视频点播界面.(5)付费方式选择界面.使用 IP 网进行视频数据传输存在的一个主要问题足它的实时性,由于基于服务器和路由器的网络都是“软实时“ 的,它不像硬件实现的有线电视网那样足“硬实时“ 的,所以数据传输量可能在不同的时刻变化很大,如果把收到的数据直接播放的话将会造成很差的播放质量,解决这一问题的做法是在路由器或者用户接收端实现数据缓冲,当然网络
23、质量需要保证缓冲区不至于上溢和下溢,这对于 IPv6 网络并小是很困难的事情 .可以有三种做法实现软实时:硬性保证:用户指定的服务质量必须得到 100%的保让 ,要做到这一点一般需要网络带宽能够满足最大需求值,做到这一点代价很高,不是很现实.基于统计规律的保证:用户指定的服务质量能在一定范围内得到保证,特别是对于视频节目服务来说,往往需要数据100%的准确性.一定范嗣的误码率和丢包率是可以接受的尽量保证:这是最差的一种保证,除非带宽足够大,否则住这种情况下进行有质量保证的视频节日的发送是不町能的.但是对于文本传输这种实时件要求小高的事务来说,准确性是最重要的,那么采用这种发送方式是止确的 I.
24、由于 IPv6 新增了对于服务质量的规定,所以采用第二种方式实现软实时是完全有可能的.路由器完全可以针对不同的业务流类别(数据流的业务流类别可以由用户来指定)采用不同的处理方式,从而保证用户的收看质量 161.IPv6 实现 QoS 的协议是 IETF 的资源保留协议(RSVP)I1.它允许一台主机要求来自特定的应用程序数据流或者流程(指可以由路由器或者数据转发主机辨别的相关数据包的流,在IPv6 协议下就是指拥有相同的流标签)具有指定的服务质量 .例如基于平均值的最大带宽,最大接收延迟,优先队列以及其他参数,主机也可以指定一个特定的网络服务级别,这类似于DVB 中网络信息表的概念.由此可见,
25、在网络带宽,节目的 EPG,数据传输的 QoS 以及相应的发送,接收软件都得到保证的情况下,目前在一定的区域和有限的用户规模下建立一个完整的基于 IPv6 的视频节目广播/点播系统是完全现实的.并且上述要求已经可以通过搭建试验网实现了.(收稿日期:2001 年 6 月)参考文献1.KevinCAlmeroth.TheEvolutionofMuhieast:FromtheMbonetoInterdomainMuhieasttoIntemet2DeploymenLIEEENetwork,2000-01/042.KevinHastings.ChallengesofOpportunitiesofDeliveringIPBased
