IPTV与流媒体技术的典型应用

【中心议题】

•     *介绍了流媒体相关的技术和标准
•     *指出了IPTV系统中流媒体传输技术的具体应用及相关特点

【解决方案】

•     *在播放前只将部分内容缓存，并不下载整个文件
•     *在数据流传送的同时，用户可在计算机上对压缩的流式多媒体文件解压后进行播放

0引言

随着互联网的广泛普及和计算机网络技术的快速发展，从国际互联网上获取音频、视频、图形、图像等多媒体信息是发展的必然趋势。现有传统的方式在传送文字、图形等离散媒体时尚能胜任，但在面对多媒体网络媒体实时性、等时性和高吞吐量的要求时，在传送声音、视频等连续媒体时则显得有些力不从心。为了满足多媒体网络的诸多新要求，网络流媒体技术就应运而生，相继出现了许多流媒体技术的应用。IPTV，也叫交互式网络电视，就是利用流媒体技术通过宽带网络传输数字电视信号给用户。流媒体技术在IPTV系统中发挥了十分重要的作用。

1 IPTV系统功能结构

IPTV的英文全称是Internet Protocol Based Television，即基于IP网络的电视系统。IPTV中的“TV”，应以内容为核心定义，仅指节目源是TV的，与显示终端是否是电视机无关。

IPTV系统横向分为制作、内容、分发、消费等几个层次，纵向分为内容服务、服务控制和业务管理3层。如图1所示。

（1）节目提供制作部分。该部分主要完成节目的数字化，使原始节目成为能够在IP网络上传输的数字节目。其主要功能是直播节目的编码压缩、转换和传送。IPTV的节目制作系统通常包括内容采集、内容制作（包括编码与转码）、节目管理等组成部分。内容采集系统的节目源可以是摄像机、电视台节目、VCD光盘、卫星输入信号等等。

（2）内容管理系统部分。内容管理系统主要功能是对IPTV的节目和内容进行管理，主要是内容管理和用户管理，功能包括：内容审核、内容发布、内容下载、用户管理以及用户认证计费等。内容管理系统需要对节目进行版权管理，为了防止用户采用虚拟播放器非法下载并传播流媒体文件，同时，为了提供可控流媒体文件下载观看服务，需要通过DRM版权管理进行控制。

（3）流媒体传送系统。流媒体传送系统主要包括中心／边缘流媒体服务器和存储分发网络。流媒体服务器是提供流式传输的核心设备，要求有很高的稳定性，同时能满足支持多个并发流和直播流的应用需求。

（4）接入系统。接入系统主要为IPTV终端提供接入功能，使STB能够顺利接入到IP网络，目前常见的接入方式为xDSL和LAN方式。

2流媒体技术

流媒体是指运用可变带宽技术，在数据网络上按时间先后次序传输和播放的连续音／视频数据的一种格式。流媒体技术在播放前只将部分内容缓存，并不下载整个文件，在数据流传送的同时，用户可在计算机上利用相应的播放器或其它的硬件、软件对压缩的动画、视音频等流式多媒体文件解压后进行播放，这样就节省了下载等待时间和存储空间，使时延大大减少，而多媒体文件的剩余部分将在后台的服务器内继续下载。

2.1流媒体系统相关协议

流媒体系统相关协议仍处于发展过程中。目前，认为可能会成为流媒体系统的主流协议有：①Internet网络和传输协议，即IP协议、TCP／UDF协议；②媒体投递和控制协议，即RTP和RTCP；③媒体控制协议，即RTSP和SIP；④媒体描述和说明协议，即SDP和SAP等。目前网络上得到实际应用的协议有RTP／RTCP、RTSP。

2.2流媒体发布方式

目前应用于互联网上的流媒体发布方式主要有单播（Singlecast）、广播（Broadcast）、多播（Multicast）、点播（Unicast）。

（1）单播（Singlecast）。在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的资料信道，从一台服务器送出的每个资料包只能传送给一个客户机，这种传送方式称为单播。每个用户必须对媒体服务器发送单独的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的资料包拷贝。这种巨大冗余造成服务器负担沉重，响应需要很长时间，甚至停止播放；管理人员也会被迫购买硬件和带宽来保证一定的服务质量。单播一般用于广域网的流媒体传输。

（2）广播（Broadcast）。广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制流。例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中资料包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户。使用单播发送时，需要将资料包复制多个拷贝，以多个点对点的方式分别发送到需要它的那些用户；而使用广播方式发送，资料包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，而不管用户是否需要。单播和广播这两种传输方式都非常浪费网络带宽。

（3）组播（Multicast）。IP组播技术构建一种具有多播能力的网络，允许路由器一次将资料包复制到多个信道上。采用组播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送连续数据流，而且没有时延。媒体服务器只需发送一个信息包，而不是多个；所有发出请求的客户端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机，减少网络上传输的信息包总量，网络利用效率大大提高，成本大为下降。组播一般只能用于局域网或专用网段内传播。

（4）点播（Unicast）。点播连接是客户端与服务器之间的主动连接。在点播连接中，用户通过选择内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、暂停、快进、后退或停止流。点播连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自连接服务器，占用网络带宽很多。

3 IPTV系统中流媒体传输技术的具体应用

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

3.1 ISMA方式

ISMA（Internet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Internet流媒体编码器、服务器和播放器之间的开放标准，其原则是最大程度地利用现有Internet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。ISMA的传输基本过程如图2所示。

从图2可见，ISMA方式通过服务器／客户端的结构实现流媒体的传输，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方式的流传输协议栈如图3所示。

在ISMA协议栈中，媒体数据需要经过流式处理，MPEG－4格式遵循MP4文件格式规范，H.264格式遵循高级视频编码文件格式规范。

3.2 MPEG－2 TS over IP方式

MPEG－2 TS参考标准为MPEG－2的系统层，即ISO／IEC13818－1。MPEG－2 TS是数字电视领域广泛采用的流式传输标准。

MPEG－2 TS标准定义了复用一个或多个打包的基本码流（PES）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方式的流传输基本过程如图4所示。

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。为了克服网络抖动问题，也可在UDP之上采用RTP协议封装TS包。

MPEG－2 TS over IP方式的流传输协议栈如图5所示。

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、音频数据复用后再封装成TS包，因此输出流是单一的。

4结束语

IPTV（网络互动电视）作为流媒体的典型业务，被业界认为是三网融合的最佳切入点。受益于三网融合政策，有了电信和广电的共同推动，将加速流媒体技术研发，IPTV业务一定会拥有灿烂的明天。