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最全IPTV科普

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網路視聽生態圈

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1 什麼是IPTV?

IPTV,(網路協議電視,Internet Protocol Television),即通過互聯網協議來提供包括電視節目在內的多種數字媒體服務。

1.1 模擬電視、數字電視、OTT和IPTV的區別

模擬電視:從衛星接收到模擬信號之後,把這些信號通過廣播的方式全部推送到用戶電視機終端,終端通過選擇不同的頻點來選擇不同的節目。

數字電視:從衛星接收信號,通過視頻壓縮和數字化處理,然後再經過QAM調製,再通過網路廣播到用戶終端。數字電視和模擬電視的區別是傳送的內容變成了數字的方式。

IPTV:從衛星接收下來的信號,經過視頻壓縮處理,然後把壓縮后的報文經過IP流化,變成IP報文,通過IP網路傳送到用戶家裡,因此可以充分利用IP網路的可達性以及IP網路傳送效率的優越性。

OTT TV是「Over The Top TV」的縮寫,是指基於開放互聯網的視頻服務,意指在網路之上提供服務,強調服務與物理網路的無關性。通過互聯網傳輸的視頻節目。

簡單的講,IPTV與OTT之間的區別是:

1)IPTV採用獨立組網,而OTT疊加在寬頻網上;

2)IPTV有QoS保障,而OTT無;

3)IPTV各地廣電提供節目源,有電視直播,而OTT無。

1.2 IPTV的定義和特徵

所有IPTV系統傳送視頻用IP網,這是對的,但反過來說,用IP網傳送視頻的系統都是IPTV,那就不對了。

IPTV是在一個IP網上傳送傳統廣播頻道到消費者,用以取代地面廣播、CATV和衛星服務。儘管都使用IP網路,但與互聯網視頻在公共互聯網上傳播不同,IPTV服務幾乎是通過專用網進行傳輸的。

從終端來看,IPTV 機頂盒是需要的,他把進入的IPTV信號變換成標準的視頻信號,以供家中電視機顯示。

IPTV的主要特徵是:

1)連續的視頻流:具有專業製作的內容(如電視廣播網路送來的);

2)成百個不停止、連續播出的頻道;

3)統一的內容形式(所有通道共享一種壓縮方式和使用同一個碼率 )

4)在專用網上傳輸;

5)通過機頂盒在家庭電視機上觀看

2 IPTV產業鏈

截至目前,廣電總局共頒發了七張互聯網電視集成業務牌照,均為廣電系,分別是央視國際CNTV(中央電視台為申請主體)、杭州華數(浙江、杭州電視台聯合申請)、上海文廣百視通(上海電視台為申請主體)、南方傳媒(廣東電視台為申請主體)、湖南電視台、國際廣播電台以及中央人民電台。

主要合作模式:

IPTV業務模式:

IPTV內容運營商負責內容集成運營,提供牌照、自身的內容和其他CP的內容

網路運營商負責傳送內容。

兩個運營商合作運營,收入分成。

所以,IPTV是電信網、廣播電視網、互聯網的三網融合運營。

3 IPTV網路構架

3.1 IPTV系統部署架構

IPTV系統構架可分簡單分為內容層、業務層、承載層和接入層。

內容層包括內容組織、內容製作、內容集成、內容計費、DRM加密等。

業務層負責直播、點播、回看、時移等,負責內容分發、增值業務平台、運營支撐管理和業務管理等。

承載層指網路運營商的寬頻骨幹網、城域網、寬頻接入網路。

接入層指用戶接入設備,例如機頂盒(STB)。

CMS(內容合成管理系統)構架:

BMS(業務管理系統)構架:

CDN平台構架:

EPG系統架構:

終端管理平台:

EPG:電子節目指南。

DRM:數字版權管理。內容加密,防止被任意分發;防止解密后的內容被任意複製或修改;防止內容被任意使用。DRM流程圖如下:

3.2 IPTV網路構架

典型的網路部署架構:

網路承載模型:

流量承載模型:

3.3 IPTV業務流程

用戶接入流程:

直播流程:

點播流程:

4 IPTV基本技術原理

4.1 組播

要理解組播,得同時理解單播和廣播。

單播

在單播中每個視頻流都精確的送往每個受體, 如果多個受體需要同一個視頻,那麼信號源就要對每個用戶產生獨立的單播流,然後這些獨立的流從信號源經過IP網路流向每一個受眾。

如上圖,網路中存在信息發送者Source,UserA和UserC提出信息需求,網路採用單播方式傳輸信息。

發送流程:

一份單播報文,使用一個單播地址作為目的地址。Source向每個Receiver地址發送一份獨立的單播報文。N個Receiver需要發送N份單播報文。如圖中所示:packets for UserA;packets for UserC。

網路為每份單播報文建立一條獨立的數據傳送通路。N份單播報文需要建立N條相互獨立的傳輸路徑。如圖中所示:Source→ RouterB → RouterE → RouterD → UserA;Source → RouterB → RouterE → RouterF → UserC。

廣播

IP網路也支持叫作廣播的功能,在那裡一個單一的包送往區域網的每個設備,接收廣播包的每一個設備必須處理這個包,假如有這個設備的信息。但廣播包不會在流媒體里使用,因為即使是一個小的流也會灌滿所有區域網所有設備,另外廣播包一般不由路由器從一個區域網傳播到另外的區域網,這就是說,這些情況對於流應用是不希望的。在真正的IP組播中,這些包僅僅送往特別需要接收它們的設備上。

如上圖,網路中存在信息發送者Source,UserA和UserC提出信息需求,網路採用廣播方式傳輸信息。

發送流程:

一份廣播報文,使用一個廣播地址作為目的地址。Source向網路廣播地址發送且僅發送一份報文。如圖中所示:packets for all the network。

報文被拷貝並傳送到每個網段,不管是否有需求,保證報文到達網路中所有的路由器和用戶。如圖中所示:不需要此報文的用戶UserB也能夠接收到一份拷貝。

組播

在組播中,一個單獨的視頻流同時送往多個用戶,雖然使用特別協議,網路定向為每個受眾複製視頻流。這種複製發生在網路內部而不是在信號源。複製是在受眾需要的網路點上進行。

如上圖,網路中存在信息發送者Source,UserA和UserC提出信息需求,網路採用組播方式傳輸信息。

發送流程:

一份組播報文,使用一個組播地址作為目的地址。Source(組播源)向一個組播地址發送且僅發送一份報文。如圖中所示:packets for all the multicast group

網路中部署的組播協議為此組播報文建立一棵樹型路由,根連接Source,分支連接所有組播組成員。如圖中所示:Source→ RouterB → RouterE [ →RouterD → UserA | → RouterF → UserC ] 。

▲單播與組播環境下的數據流

組播的優勢

組播在點對多點的網路中優勢很明顯:單一的信息流沿樹型路徑被同時發送給一組用戶,相同的組播數據流在每一條鏈路上最多僅有一份。相比單播來說,使用組播方式傳遞信息,用戶的增加不會顯著增加網路的負載,減輕了伺服器和CPU的負荷。不需要此報文的用戶不能收到此數據。相比廣播來說,組播數據僅被傳輸到有接收者的地方,減少了冗餘流量、節約了網路帶寬、降低了網路負載。因此可以說組播技術有效地解決了單點發送多點接收的問題,實現了IP網路中點到多點的高效數據傳送。

▲直播業務採用組播和單播比較

若IPTV單播流量和用戶上網流量混跑在寬頻網路上,接入端無法實現QOS質量保障,會出現IPTV卡頓,上網測速不達標,用戶使用感知下降;城域網OLT至CR的流量也會變得很大,容易出現擁塞。

概括一下:組播解決了單播方式在源主機上多次」打包」,在網路上重複」投遞」這種極其消耗伺服器資源和網路資源的缺陷,同時也解決了廣播方式缺乏足夠安全機制(只有加入到組才能接收),消耗傳輸鏈路帶寬的缺陷。

組播基本概念

組播組:組播組使用一個IP組播地址標識。任何用戶主機(或其他接收設備),加入一個組播組,就成為了該組成員,可以識別並接收以該IP組播地址為目的地址的IP報文。如:在你收聽汽車收音機時,當收音機調頻在FM98.8時,說明你加入了某個電台的組,那麼你就接收到這個頻道的信息。

組播源:以組播組地址為目的地址,發送IP報文的信源稱為組播源。一個組播源可以同時向多個組播組發送數據。多個組播源可以同時向一個組播組發送報文。

組播路由器:網路中支持組播功能的路由器稱為「組播路由器」。和單播路由器一樣,組播路由器的功能是定址和轉發。組播路由器通過組播路由協議發現和選擇路由,最終形成組播路由表,對組播數據進行前轉。

組播樹:使用組播就是」種植」和」維護」一棵或兩棵樹。學習組播最重要的是理清這些樹是如何形成、如何收斂、如何變化、數據在樹上是如何傳遞的。至於是一棵還是兩棵樹,關鍵取決於使用哪種組播路由協議。組播樹在組播路由器上最好的體現是組播路由表項(*,G)和(S,G)。組播中常見的就是以下兩棵樹:源樹和共享樹。

IGMP:IGMP協議是主機和路由器進行組播通信的語言,對應到OSI模型屬於第三層協議,是我們所說的三層組播協議中關鍵組件。

組播路由協議:組播路由協議是組播路由器之間的組播通信語言。如同OSPF是單播路由協議一樣。組播路由協議可以按照使用的範圍大小劃分為IGP和EGP,這也和單播路由協議一樣。

PIM:PIM是使用較廣泛的組播路由協議, PIM(Protocol Independent Multicast)稱為協議無關組播。什麼是協議無關?簡單理解PIM是」拿來主義者」,PIM不自己去發現路由,而是使用現成的單播路由表中的路由條目,不管這些單播路由條目是哪種單播路由協議發現和傳遞的,這就是與協議無關的含義。PIM利用現有的單播路由信息,對組播報文執行RPF(Reverse Path Forwarding)檢查,從而創建組播路由表項,構建組播分發樹。PIM不維護專門的單播路由,也不依賴某具體的單播路由協議,它直接利用單播路由的結果。

PIM支持兩類組播路由模型:PIM-DM和PIM-SM。PIM-DM稱為協議獨立組播-密集模式,適合規模較小、組播組成員相對比較密集的區域網。PIM-SM稱為協議獨立組播-稀疏模式,適合網路中的組成員相對比較稀疏,分佈廣泛的大型網路。

RP:RP (Rendezvous Point)是PIM SM中源樹和共享樹的匯聚點,是兩棵樹的總根。一般情況下全網設備對於RP地址的認識是一致的,否則兩棵樹無法匯聚,導致源發送的流量無法達到組。

4.2 流媒體

流媒體(Streaming Media)是指在網路中使用流式傳輸技術的連續時基媒體,如音頻、視頻和其它多媒體文件。流媒體技術一般是指把連續的影像和聲音信息經過壓縮處理後放在流媒體伺服器上,讓用戶一邊下載一邊觀看、收聽,而不需要等整個壓縮文件下載到自己機器后才可以觀看的視頻/音頻傳輸、編解碼技術。流媒體技術不是單一的技術,它是建立在很多基礎技術之上的技術。流媒體實現的關鍵技術是流式傳輸。流媒體的主要技術特徵就是採用流式傳輸,即通過網路將流媒體內容傳送到客戶機。

流媒體基礎網路協議:

TCP、UDP(傳輸層)

IP協議(互聯網層)。

流媒體傳輸協議:

RTP、RTCP,RTP為實時傳輸協議,通過UDP協議傳輸,RTCP為實時傳輸控制協議,可以通過TCP協議傳輸,也可以通過UDP協議傳輸,但與RTP採用不同的埠號,加以分離。

RTP是一種提供端對端傳輸服務的實時傳輸協議,用來支持在單目標廣播和多目標廣播網路服務傳輸實時數據,而實時數據的傳輸則由RTCP協議來監視和控制。

RTSP,RTSP為實時流協議,也可以說是話路控制協議,支持如像VCR那樣的操作控制,如暫停、快進、快退等。RTSP也通過UDP來傳輸。

RSVP,RSVP協議為資源預留協議,屬傳輸層範圍的協議,對沿路由的路由器提出控制帶寬(預留)的要求,以保證某些信號帶寬穩定的需求。

流媒體的網路傳輸特徵:

高帶寬和高壓縮率

低傳輸延遲

支持組播模式

可靠性高

通道同步,視頻流、音頻流及其他數據流從不同的傳輸通道經由不同的路由到達終端節點時,有必要採取一定的機制實現異種數據流之間的同步問題,這稱為通道同步問題。

4.3 視頻編碼

由於視頻數據的龐大,未壓縮的數字視頻數據量對於網路來說無論是存儲或傳輸都是是壓力,因此數字視頻的關鍵問題是數字視頻的壓縮技術,而視頻是由連續的圖像幀形成的圖像序列,由於景物變換速度的限制,相鄰幀之間存在很高的相關性,因此利用運動補償技術結合變換編碼,構成了序列圖像編碼的主要方法。

H.264視頻編碼:

H.264是國際標準化組織(ISO)和國際電信聯盟(ITU)共同提出的繼MPEG4之後的新一代數字視頻壓縮格式,主要特點有:

低碼率:和MPEG2和MPEG4 ASP等壓縮技術相比,在同等圖像質量下,採用H.264技術壓縮后的數據量只有MPEG2的1/8,MPEG4的1/3。

高質量的圖像:H.264能提供連續、流暢的高質量圖像(DVD質量)。

容錯能力強:H.264提供了解決在不穩定網路環境下容易發生的丟包等錯誤的必要工具。

網路適應性強:H.264提供了網路抽象層(Network Abstraction Layer),使得H.264的文件能容易地在不同網路上傳輸。

H.264最大的優勢是具有很高的數據壓縮比率,在同等圖像質量的條件下,H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上,是MPEG-4的1.5~2倍。舉個例子,原始文件的大小如果為88GB,採用MPEG-2壓縮標準壓縮后變成3.5GB,壓縮比為25∶1,而採用H.264壓縮標準壓縮后變為879MB,從88GB到879MB,H.264的壓縮比達到驚人的102∶1。低碼率(Low Bit Rate)對H.264的高的壓縮比起到了重要的作用,和MPEG-2和MPEG-4 ASP等壓縮技術相比,H.264壓縮技術將大大節省用戶的下載時間和數據流量收費。尤其值得一提的是,H.264在具有高壓縮比的同時還擁有高質量流暢的圖像,正因為如此,經過H.264壓縮的視頻數據,在網路傳輸過程中所需要的帶寬更少,也更加經濟。

H.265視頻編碼:

高效率視頻編碼(High Efficiency Video Coding,簡稱HEVC)是一種視頻壓縮標準,被視為是ITU-T H.264/MPEG-4 AVC標準的繼任者。2004年開始由ISO/IEC Moving Picture Experts Group(MPEG)和ITU-T Video Coding Experts Group(VCEG)作為ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Part 2或稱作ITU-T H.265開始制定。第一版的HEVC/H.265視頻壓縮標準在2013年4月13日被接受為國際電信聯盟(ITU-T)的正式標準。

HEVC被認為不僅提升視頻質量,同時也能達到H.264/MPEG-4 AVC兩倍之壓縮率(等同於同樣畫面質量下比特率減少到了50%),可支持4K解析度甚至到超高清電視(UHDTV),最高解析度可達到8192×4320(8K解析度)。

4.4 寬頻需求

IPTV的各種業務中的流媒體業務所需的帶寬要求較高。不同的節目類型、編碼方式的節目,對網路帶寬的需求也不同。

標清節目的解析度一般為720×480,視覺體驗與DVD相當,當前常用的標清節目編碼方式為MPGE-2和H.264,對應帶寬需求分別為3.75M和2M;

高清節目標準分為720P和1080i兩種,視覺體驗高於DVD,分別對應解析度為1280×720和1920×1080,MPGE-2編碼高清節目所需帶寬為12M,H.264編碼高清節目所需帶寬為8M。

對於4K超高清IPTV,物理解析度為3840×2160,採用H.265編碼技術,帶寬需求約為27M。

4.5 機頂盒(STB)

機頂盒(set-top-box),將數字電視信號轉換為模擬電視信號的設備。

主要功能:接收數字電視節目,同時具有所有廣播、點播和互動式多媒體應用功能。

電子節目指南(EPG)

互動式應用:為用戶提供視頻點播、組播和互動遊戲。通過交互功能的應用,人們在點播時可以像操作家用DVD一樣進行快進、快退、暫停;在組播時可以快速切換電視頻道。通過交互功能的應用,人們還可以進行互動遊戲。

軟體在線升級:利用機頂盒中間件插件可以提供機頂盒能力探測,在線安裝和更新機頂盒應用軟體。機頂盒能識別該軟體的版本號,在版本不同時接收該軟體,並對保存在存儲器中的軟體進行更新。

互聯網瀏覽和其它功能(VoIP, 遊戲,Web,Email…)

IPTV機頂盒關鍵技術包括:視頻解碼和播放,流式傳輸技術,圖像和圖形顯示技術,中間件技術和嵌入式應用系統。

機頂盒硬體架構:

機頂盒軟體構架:

機頂盒開機到進入EPG界面分以下幾個階段:

1)網路認證階段(0%-7%)

2)載入機頂盒固件(7%-52%)

3)解析域名伺服器(52%-61%)

4)IPTV業務賬號認證(61%-83%)

5)載入EPG(83%-100%)

因此,可根據機頂盒開機后在哪一階段發生故障,來判斷故障原因。比如,開機時停止在7%的地方,說明網路連接可能有問題。

5 IPTV常見故障與維護

5.1 直播點播卡、花屏

1)所有直播頻道、點播節目都卡

解決辦法:查網路!多半是接入網問題,在其他節點觀測是否有同樣的卡頓、花屏現象。此類故障區域性、時段性、連續性強,同一個用戶可能連續一段時間都是這樣的問題。

典型案例: 某區域部分用戶出現嚴重卡頓,后經排查原因為:OLT上行鏈路帶寬利用率已達100%,BAS上行鏈路帶寬利用率達80%問題,需擴容。

2)個別直播頻道卡、花屏

解決辦法:這個有兩種可能:一個是網路帶寬不夠,用戶帶寬不足以支持用戶觀看某些碼率過高的節目,這種現象的特點就是只要是高清的頻道或節目就卡,普通的很流暢。另個一個是某某節目或頻道卡頓、花屏,這個極有可能是節目源的問題。

典型案例: CCTV1高清頻道每隔5,6分鐘會出現一次馬賽克花屏現象,且回看時移時在同樣位置都會出現,其他頻道無此現象。后檢查為廣電編碼器故障。

5.2 用戶無法登陸

1)新裝機無法登陸

解決辦法:檢查網路及賬號,首先檢查用戶家寬頻能否正常上網,接著找本地增值查機頂盒的接入賬號及業務賬號是否正常。

典型案例: 某市多家酒店上班故障,晚上8點至9點半左右看不了電視,打開機頂盒ITV連接進度7%,故障原因為BAS上單板容量達到超處理能力。將該單板上部分用戶割接到另一台BAS上,故障消除。

2)突然無法登陸

解決辦法:檢查網路,找BOSS查業務賬號是否欠費。

5.3 直播黑屏

1)高清頻道黑屏

解決辦法:帶寬不夠

2)單個頻道黑屏

解決辦法:多半是直播節目源斷流。

3)都黑屏

解決辦法:如果同一PON口下,換光貓。更換機頂盒,或聯繫本地其他點直播是否正常 。

5.4 首頁展示及圖片展示不全

能正常登陸,單用戶首頁展示及圖片展示不全,多半是機頂盒問題。

5.5 無圖像有聲音,有圖像無聲音

可能故障為電視機和機頂盒的連接不正常。

5.6 聲音和圖像不同步

障礙可能原因:片源問題或機頂盒故障。

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