4 IPTV网络电视基本技术原理

4.1 组播

要理解组播，得同时理解单播和广播。

单播

在单播中每个视频流都精确的送往每个受体， 如果多个受体需要同一个视频，那么信号源就要对每个用户产生独立的单播流，然后这些独立的流从信号源经过IP网络流向每一个受众。

如上图，网络中存在信息发送者Source，UserA和UserC提出信息需求，网络采用单播方式传输信息。

发送流程：

•一份单播报文，使用一个单播地址作为目的地址。Source向每个Receiver地址发送一份独立的单播报文。N个Receiver需要发送N份单播报文。如图中所示：packets for UserA；packets for UserC。

•网络为每份单播报文建立一条独立的数据传送通路。N份单播报文需要建立N条相互独立的传输路径。如图中所示：Source→ RouterB → RouterE → RouterD → UserA；Source → RouterB → RouterE → RouterF → UserC。

广播

IP网络也支持叫作广播的功能，在那里一个单一的包送往局域网的每个设备，接收广播包的每一个设备必须处理这个包，假如有这个设备的信息。但广播包不会在流媒体里使用，因为即使是一个小的流也会灌满所有局域网所有设备，另外广播包一般不由路由器从一个局域网传播到另外的局域网，这就是说，这些情况对于流应用是不希望的。在真正的IP组播中，这些包仅仅送往特别需要接收它们的设备上。

如上图，网络中存在信息发送者Source，UserA和UserC提出信息需求，网络采用广播方式传输信息。

发送流程：

•一份广播报文，使用一个广播地址作为目的地址。Source向网络广播地址发送且仅发送一份报文。如图中所示：packets for all the network。

•报文被拷贝并传送到每个网段，不管是否有需求，保证报文到达网络中所有的路由器和用户。如图中所示：不需要此报文的用户UserB也能够接收到一份拷贝。

组播

在组播中，一个单独的视频流同时送往多个用户，虽然使用特别协议，网络定向为每个受众复制视频流。这种复制发生在网络内部而不是在信号源。复制是在受众需要的网络点上进行。

如上图，网络中存在信息发送者Source，UserA和UserC提出信息需求，网络采用组播方式传输信息。

发送流程：

•一份组播报文，使用一个组播地址作为目的地址。Source（组播源）向一个组播地址发送且仅发送一份报文。如图中所示：packets for all the multicast group

•网络中部署的组播协议为此组播报文建立一棵树型路由，根连接Source，分支连接所有组播组成员。如图中所示：Source→ RouterB → RouterE [ →RouterD → UserA | → RouterF → UserC ] 。

▲单播与组播环境下的数据流

组播的优势

组播在点对多点的网络中优势很明显：单一的信息流沿树型路径被同时发送给一组用户，相同的组播数据流在每一条链路上最多仅有一份。相比单播来说，使用组播方式传递信息，用户的增加不会显著增加网络的负载，减轻了服务器和CPU的负荷。不需要此报文的用户不能收到此数据。相比广播来说，组播数据仅被传输到有接收者的地方，减少了冗余流量、节约了网络带宽、降低了网络负载。因此可以说组播技术有效地解决了单点发送多点接收的问题，实现了IP网络中点到多点的高效数据传送。

▲直播业务采用组播和单播比较

若IPTV单播流量和用户上网流量混跑在宽带网络上，接入端无法实现QOS质量保障，会出现IPTV卡顿，上网测速不达标，用户使用感知下降；城域网OLT至CR的流量也会变得很大，容易出现拥塞。

概括一下：组播解决了单播方式在源主机上多次”打包”，在网络上重复”投递”这种极其消耗服务器资源和网络资源的缺陷，同时也解决了广播方式缺乏足够安全机制（只有加入到组才能接收），消耗传输链路带宽的缺陷。

组播基本概念

组播组：组播组使用一个IP组播地址标识。任何用户主机（或其他接收设备），加入一个组播组，就成为了该组成员，可以识别并接收以该IP组播地址为目的地址的IP报文。如：在你收听汽车收音机时，当收音机调频在FM98.8时，说明你加入了某个电台的组，那么你就接收到这个频道的信息。

组播源：以组播组地址为目的地址，发送IP报文的信源称为组播源。一个组播源可以同时向多个组播组发送数据。多个组播源可以同时向一个组播组发送报文。

组播路由器：网络中支持组播功能的路由器称为“组播路由器”。和单播路由器一样，组播路由器的功能是寻址和转发。组播路由器通过组播路由协议发现和选择路由，最终形成组播路由表，对组播数据进行前转。

组播树：使用组播就是”种植”和”维护”一棵或两棵树。学习组播最重要的是理清这些树是如何形成、如何收敛、如何变化、数据在树上是如何传递的。至于是一棵还是两棵树，关键取决于使用哪种组播路由协议。组播树在组播路由器上最好的体现是组播路由表项（*,G）和(S,G)。组播中常见的就是以下两棵树：源树和共享树。

IGMP：IGMP协议是主机和路由器进行组播通信的语言，对应到OSI模型属于第三层协议，是我们所说的三层组播协议中关键组件。

组播路由协议：组播路由协议是组播路由器之间的组播通信语言。如同OSPF是单播路由协议一样。组播路由协议可以按照使用的范围大小划分为IGP和EGP，这也和单播路由协议一样。

PIM：PIM是使用较广泛的组播路由协议， PIM（Protocol Independent Multicast）称为协议无关组播。什么是协议无关？简单理解PIM是”拿来主义者”,PIM不自己去发现路由，而是使用现成的单播路由表中的路由条目，不管这些单播路由条目是哪种单播路由协议发现和传递的，这就是与协议无关的含义。PIM利用现有的单播路由信息，对组播报文执行RPF（Reverse Path Forwarding）检查，从而创建组播路由表项，构建组播分发树。PIM不维护专门的单播路由，也不依赖某具体的单播路由协议，它直接利用单播路由的结果。

PIM支持两类组播路由模型：PIM-DM和PIM-SM。PIM-DM称为协议独立组播－密集模式，适合规模较小、组播组成员相对比较密集的局域网。PIM-SM称为协议独立组播－稀疏模式，适合网络中的组成员相对比较稀疏，分布广泛的大型网络。

RP：RP （Rendezvous Point）是PIM SM中源树和共享树的汇聚点，是两棵树的总根。一般情况下全网设备对于RP地址的认识是一致的，否则两棵树无法汇聚，导致源发送的流量无法达到组。

4.2 流媒体

流媒体(Streaming Media)是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体，如音频、视频和其它多媒体文件。流媒体技术一般是指把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放在流媒体服务器上，让用户一边下载一边观看、收听，而不需要等整个压缩文件下载到自己机器后才可以观看的视频/音频传输、编解码技术。流媒体技术不是单一的技术，它是建立在很多基础技术之上的技术。流媒体实现的关键技术是流式传输。流媒体的主要技术特征就是采用流式传输，即通过网络将流媒体内容传送到客户机。

流媒体基础网络协议：

•TCP、UDP（传输层）

•IP协议（互联网层）。

流媒体传输协议：

•RTP、RTCP，RTP为实时传输协议，通过UDP协议传输，RTCP为实时传输控制协议，可以通过TCP协议传输，也可以通过UDP协议传输，但与RTP采用不同的端口号，加以分离。

RTP是一种提供端对端传输服务的实时传输协议，用来支持在单目标广播和多目标广播网络服务传输实时数据，而实时数据的传输则由RTCP协议来监视和控制。

•RTSP，RTSP为实时流协议，也可以说是话路控制协议，支持如像VCR那样的操作控制，如暂停、快进、快退等。RTSP也通过UDP来传输。

•RSVP，RSVP协议为资源预留协议，属传输层范围的协议，对沿路由的路由器提出控制带宽（预留）的要求，以保证某些信号带宽稳定的需求。

流媒体的网络传输特征：

•高带宽和高压缩率

•低传输延迟

•支持组播模式

•可靠性高

•通道同步，视频流、音频流及其他数据流从不同的传输通道经由不同的路由到达终端节点时，有必要采取一定的机制实现异种数据流之间的同步问题，这称为通道同步问题。

4.3 视频编码

由于视频数据的庞大，未压缩的数字视频数据量对于网络来说无论是存储或传输都是是压力，因此数字视频的关键问题是数字视频的压缩技术，而视频是由连续的图像帧形成的图像序列，由于景物变换速度的限制，相邻帧之间存在很高的相关性，因此利用运动补偿技术结合变换编码，构成了序列图像编码的主要方法。

H.264视频编码：

H.264是国际标准化组织（ISO）和国际电信联盟（ITU）共同提出的继MPEG4之后的新一代数字视频压缩格式，主要特点有：

•低码率：和MPEG2和MPEG4 ASP等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG2的1/8，MPEG4的1/3。 

•高质量的图像：H.264能提供连续、流畅的高质量图像（DVD质量）。 

•容错能力强：H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。

•网络适应性强：H.264提供了网络抽象层（Network Abstraction Layer），使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输。

H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。举个例子，原始文件的大小如果为88GB，采用MPEG-2压缩标准压缩后变成3.5GB，压缩比为25∶1，而采用H.264压缩标准压缩后变为879MB，从88GB到879MB，H.264的压缩比达到惊人的102∶1。低码率（Low Bit Rate）对H.264的高的压缩比起到了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4 ASP等压缩技术相比，H.264压缩技术将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。尤其值得一提的是，H.264在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像，正因为如此，经过H.264压缩的视频数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。

H.265视频编码：

高效率视频编码（High Efficiency Video Coding，简称HEVC）是一种视频压缩标准，被视为是ITU-T H.264/MPEG-4 AVC标准的继任者。2004年开始由ISO/IEC Moving Picture Experts Group（MPEG）和ITU-T Video Coding Experts Group（VCEG）作为ISO/IEC 23008-2 MPEG-H Part 2或称作ITU-T H.265开始制定。第一版的HEVC/H.265视频压缩标准在2013年4月13日被接受为国际电信联盟（ITU-T）的正式标准。

HEVC被认为不仅提升视频质量，同时也能达到H.264/MPEG-4 AVC两倍之压缩率（等同于同样画面质量下比特率减少到了50%），可支持4K分辨率甚至到超高清电视（UHDTV），最高分辨率可达到8192×4320（8K分辨率）。

4.4 宽带需求

IPTV的各种业务中的流媒体业务所需的带宽要求较高。不同的节目类型、编码方式的节目，对网络带宽的需求也不同。

标清节目的分辨率一般为720×480，视觉体验与DVD相当，当前常用的标清节目编码方式为MPGE-2和H.264，对应带宽需求分别为3.75M和2M；

高清节目标准分为720P和1080i两种，视觉体验高于DVD，分别对应分辨率为1280×720和1920×1080，MPGE-2编码高清节目所需带宽为12M，H.264编码高清节目所需带宽为8M。

对于4K超高清IPTV，物理分辨率为3840×2160，采用H.265编码技术，带宽需求约为27M。

4.5 机顶盒（STB）

机顶盒（set-top-box），将数字电视信号转换为模拟电视信号的设备。

主要功能：接收数字电视节目，同时具有所有广播、点播和交互式多媒体应用功能。

•电子节目指南（EPG）

•交互式应用：为用户提供视频点播、组播和互动游戏。通过交互功能的应用，人们在点播时可以像操作家用DVD一样进行快进、快退、暂停；在组播时可以快速切换电视频道。通过交互功能的应用，人们还可以进行互动游戏。 

•软件在线升级：利用机顶盒中间件插件可以提供机顶盒能力探测，在线安装和更新机顶盒应用软件。机顶盒能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新。 

•互联网浏览和其它功能（VoIP, 游戏，Web，Email…）

IPTV机顶盒关键技术包括：视频解码和播放，流式传输技术，图像和图形显示技术，中间件技术和嵌入式应用系统。

机顶盒硬件架构：

机顶盒软件构架：

机顶盒开机到进入EPG界面分以下几个阶段：

1）网络认证阶段（0%-7%）

2）载入机顶盒固件（7%-52%）

3）解析域名服务器（52%-61%）

4）IPTV业务账号认证（61%-83%）

5）载入EPG（83%-100%）

因此，可根据机顶盒开机后在哪一阶段发生故障，来判断故障原因。比如，开机时停止在7%的地方，说明网络连接可能有问题。