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关于IPTV中的流传输技术研究与分析

时间:2006-10-04 来源: 作者: 点击:
IPTV是随着宽带网络、流传输、编解码和海量存储等技术的发展而出现的互联网新业务,被业界认为是“Triple Play”业务的体现,因此得到了业界的广泛关注。尽管国外已有IPTV的实际运营案例,但在中国开展大规模的IPTV业务,需要结合国内的网络环境,仔细研究端到端的关键
     IPTV是随着宽带网络、流传输、编解码和海量存储等技术的发展而出现的互联网新业务,被业界认为是“Triple Play”业务的体现,因此得到了业界的广泛关注。尽管国外已有IPTV的实际运营案例,但在中国开展大规模的IPTV业务,需要结合国内的网络环境,仔细研究端到端的关键技术。

  一 IPTV技术框架

  IPTV是一个完整的端到端业务,技术设计面广,包括了节目接收/采集、编码/转码、DRM、EPG管理、组播路由、内容分发以及相应的业务管理、运维支撑等。图1仅从媒体流的流向角度给出IPTV的技术框架。


图1 IPTV技术框架图

  如图1,虚线即为流传输技术在IPTV系统框架中的位置。流媒体服务器或CDN的边缘服务器通过流传输技术将媒体内容传送到机顶盒。

  二 IPTV流传输技术分析

  IPTV系统中,视频点播内容主要通过内容分发网络(CDN:Content Delivery Network)完成,即视频数据通过内容分发网络被复制到位于网络边缘的边缘服务器中,然后通过流传输技术传送到机顶盒,实现“边下载边播放”的功能。流传输包括了流会话的建立、数据包封装格式、数据包传输格式、用户的暂停/快进/快退请求处理等,对应的,流传输技术包括了流控制协议、文件打包格式、流传输协议等。

  当前在IPTV系统中,主要采用的流传输技术主要为ISMA方式和MPEG-2 TS over IP方式。

1. ISMA方式

  ISMA(Internet Streaming Media Alliance)即互联网流媒体联盟,是在2000年12月成立的标准化组织,其目标就是制定互联网流媒体编码器、服务器和播放器之间的开放标准,其原则是最大程度的利用现有互联网国际标准。

  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SDK。2001年2月发布的ISMA1.0版本规定了基于MPEG-4的音视频格式和流传输,2005年4月发布的ISMA2.0版本在1.0版本基础上,扩充了对H.264标准的支持。ISMA的基本传输过程如图2所示。


图2 ISMA的流传输基本过程

  从图2可见,ISMA通过服务器/客户端的结构实现流数据的传输,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TCP或UDP上,并通过RTP/RTCP协议进行传输质量的监测。

  ISMA协议栈如图3所示。


图3 ISMA的协议栈

  需要指出的是,ISMA协议栈中,媒体数据需要经过流化处理,MPEG-4格式遵循MP4文件格式规范(即ISO/IEC 14496-14:MP4 file format),H.264格式遵循高级视频编码文件格式规范(即ISO/IEC 14496-15:Advanced Video Coding file format)。二者在规范中均采用了Hint track索引方式,使得流服务器能够通过实时流方式传输媒体轨道的信息。Hint track中将视频和音频媒体信息是分开的,因此在图1中,是把媒体数据按照视频流和音频流分开传输的。

  2. MPEG-2 TS over IP方式

  MPEG-2 TS(Transport Stream)参考标准为MPEG-2的系统层,即ISO/IEC 13818-1。MPEG-2 TS是广播电视领域广泛采用的流传输标准。

  MPEG-2 TS标准定义了复用一个或多个音频、视频和数据元素流的方法。为应用于IPTV,媒体数据经过MPEG-2 TS封装后,再通过TCP/IP协议栈,封装成IP数据包。

  MPEG-2 TS over IP方式的基本流传输过程如图4所示。


图4 MPEG-2 TS over IP 方式的流传输基本过程

  MPEG-2 TS over IP方式同样采用服务器/客户端的结构。因为ISO/IEC 13818-1标准并未定义控制层协议,应用于IPTV后,MPEG-2 TS over IP方式在控制层可采用RTSP或HTTP协议,媒体数据采用MPEG-2 TS封装后,一般承载在UDP上。为了网络抖动等,也可在UDP之上采用RTP协议封装TS包。

  MPEG-2 TS over IP方式流传输协议栈如图5所示:


图5 MPEG-2 TS over IP 方式的流传输协议栈

  如图5所示,媒体数据流被打包,加上时间标识,通过元素流(PES)打包和复用后形成可存储和传输应用的单一输出TS流。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,MPEG-2 TS over IP方式是将视、音频数据复用后在封装成TS包,因此输出流是单一的。

  三 两种传输方式的比较

  虽然ISMA和MPEG-2 TS over IP方式均可用于IPTV的流传输,但由于标准制定的机构和初衷不同,在对IPTV业务支持方面存在一定的差异,具体分析如下:

  1. 对业务功能的支持

  ISMA目前支持MPEG-4和H.264,不支持其他的编码标准。由于将视、音频流分开传输,ISMA对于多音轨、多字幕等DVD体验功能和未来交互式场景的观看支持更灵活,且无需占用额外带宽资源。由于ISMA采用互联网已有协议,对于互动性业务的支持也更灵活。并且,未来要支持视频通信、VOIP等通行类业务,ISMA的协议栈在视音频数据封装上也可直接支持,无需做扩展。

  MPEG-2 TS over IP方式对编解码标准无限制,可支持MPEG-2/4,H.264以及VC-1等多种编解码标准。但由于是将视、音频流复用后单一流传输,MPEG-2 TS over IP方式对于多音轨、多字幕和未来交互式场景的观看的支持需要将所有流信息统一封装,势必要浪费用户不需要的那部分带宽。如果视频通信、VOIP等通行类业务,MPEG-2 TS over IP方式也需做扩展才能支持。

  2. 对业务性能的支持

  ISMA引入了RTP/RTCP协议,因此可以通过RTCP来监测网络状况,便于对业务QOS控制。接收端通过RTP协议的时间戳实现视、音频数据流的同步。但由于采用了SDP描述流建立需要的信息,当进行直播频道切换时,客户端需要重新获取SDP文件,可能带来一定的切换时延。ISMA的封装协议开销主要来自RTP、TCP/UDP和IP的包头,开销相对较小,带来的传输效率就高。一般采用UDP承载,如果未部署应用层丢包重传措施,当网络出现丢包时就容易出现画面马赛克等现象。接收端用PES包中的DTS/PTS作为解码和显示时间戳,时间信息更丰富,频道切换时间的延迟则主要来自网络。由于采用固定长度的包结构,MPEG-2 TS over IP方式需要占用更多的开销相,也导致了其传输效率比ISMA低。

  总体来说,ISMA最大的优势在于是面向互联网应用而制定的开放标准,IP网的双向互动性带来对未来增值业务的支持更灵活,而MPEG-2 TS over IP方式最大的优势是成熟,尤其适合广播类业务,对互动性业务的支持则需要做一定的扩展。

  值得一提的是,虽然目前也有IPTV解决方案不是采用上述两种协议,而是采用私有的第三方协议,但其基本思想也是利用互联网已有协议,与ISMA相近,只是在具体实现时略有差别。

  四 结束语

  IPTV是一个跨行业、跨产业链、融合了多种技术的综合性业务,流传输技术是其端到端系统的关键技术之一。流传输机制的选择,不仅与技术本身的特点相关,还与相应的产业链成熟度、系统成熟度和网络环境等因素相关。目前业界也在积极探讨和制定相关的技术标准,相信随着IPTV业务的开展,流传输技术也将逐步的成熟和完善,并形成统一的标准。


作者:中国电信股份有限公司上海研究院 罗斯青 摘自:现代电视技术

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