基于 IP 的 VOD 关键技术的相关研究

2019-11-04 20:44:55

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供稿：网友

　　随着网络和计算机技术的不断发展，真正的数字视频点播宽带通信业务——VOD进入家庭已经为期不远。VOD是一项集电视、电影、电脑软硬件、电信和数据通信网于一体的综合集成技术，涉及影视节目源的制作、视频显示终端、系统调度治理、网络组织结构、宽带治理与优化、QoS控制策略等方面的问题。本文主要论述基于ip的VOD要害技术。
　　
　　1 引言
　　当前关于VOD的研究重点主要集中在两个方面：设备开发和服务治理。前者是指媒体服务器、机顶盒和用户接入网设备等。后者是为了满足用户需求，例如服务质量QoS等，需要开发网络实时处理控制软件。在全球范围内广泛开展的VOD实验项目中，主要存在以下几个问题：
　　
　　（1）与传统的电影或模拟电视用户相比，VOD用户数相对较少，规模较小，没有实现真正的商用化；
　　
　　（2）应用规模相对较大的VOD实验，都只能提供有限的交互性，真正的交互式VOD应用的大规模使用目前还很难实现。
　　
　　2 VOD体系结构
　　VOD实质是一个远程接入的数字化家庭影院，人们可以坐在家中的电视机前，使用遥控器点播存储在远程视频服务器数据库中的视频节目，被点播的节目通过视频传输网络送到本地解码器在显示终端播放出来，实现足不出户观看环球影视的目的。这需要大量的网络带宽、在线存储和资源处理，才能满足用户的需要。为了解决这些问题，必须采用与VOD相关的适用的体系结构来保证服务质量。
　　
　　以ATM为基础的VOD网络体系结构是当前使用最多的方案，它答应使用各种带宽，支持各种服务类型如视频、音频、数据、图像等。
　　
　　（1）在一个大规模的VOD系统中，服务器的类型比较多，主要有视频服务器、治理调度服务器、编辑服务器、数据库服务器等，这些服务器主要完成资源存储、用户入口控制、计费、存储治理等功能。
　　
　　（2）传输网络
　　
　　视频点播系统因采用的基础网络不同可以有不同的实现方案：
　　
　　①利用公共电话网作为上行信道，HFC作为下行信道，其特点是可充分利用现有的网络设施，无需大的线路改造。上行信道负责将用户的请求指令传输到服务器，数据量非常小，实时性要求也不高，只需要窄带通路就可以满足要求；而下行信道负责将用户请求的视频数据传输到用户的终端设备，数据的传输量大、实时性强，必须是宽带通路。
　　
　　② ATM是宽带ISDN中信息表达、传送和交换的基本方式，称为异步传输模式，它采用固定长度（53 Byte）的信元，其中信头为5 Byte，信息域为48 Byte。建立基于ATM的宽带多媒体信息网络，实现“三网合一”已得到高度重视并付诸实施，其中视频点播是多媒体业务的核心内容之一。
　　
　　总体来说，传输网络就是服务器与交换机、交换机与交换机之间的连接网络，按照规模大小可分为骨干网和接入网，骨干网主要指电信网或广电网的骨干网，如HFC等，而接入网主要有xDSL、Cable Modem（线缆调制解调器）接入、FTTH（光纤到家）和局域网接入。
　　
　　（3）客户端设备
　　
　　客户端设备主要包括连接电视机的机顶盒（STB）和通用的PC机等解码设备。机顶盒至少实现如下功能：通信接口、模拟信号的输出、外设控制能力、视频解码以及嵌入式实时操作系统，通过机顶盒用户可以进行业务请求、视频/音频数据接收以及网络服务等。
　　
　　3 IP新技术
　　3.1下一代网际协议IPv6概述
　　
　　网际协议是Internet中的要害协议，IPv4无论从计算机本身的发展还是从Internet的规模和网络的传输速率来看都已经很不适用了，其中最主要的问题是32比特的IP地址不够用，为此，1995年后陆续公布了一系列有关IPv6的协议、编址方法、路由选择以及安全等问题的RFC文档：RFC1752，1809，1883，1884，1886等。
　　
　　IPv6仍支持无连接的传送，答应发送方选择分组的长度，要求发送方指明分组在到达终点前的最大跳数，IPv6保留了IPv4选项的大多数概念，包括分段和源站选路，其主要变化如下：
　　
　　(1)更大的地址空间。由32位增加到128位，地址空间非常大，在可预见的将来是不会耗尽的。
　　
　　(2)扩展的地址层次结构。IPv6使用更大的地址空间创建额外级别的地址层次。
　　
　　(3)灵活的首部格式。IPv6用一种全新的数据报格式，且答应与IPv4在若干年内共存。在IPv4中使用了固定格式的数据报首部，而IPv6与此不同，它使用了一组可选的首部。
　　
　　(4)答应对网络资源预分配。支持实时视像等要求保证一定的带宽和时延的应用。
　　
　　(5)引入流量标识位,可以处理实时业务。
　　
　　(6)为实现安全性，定义了实现协议认证、数据完整性、报文加密所需要的有关功能。
　　
　　(7)对协议扩展的保障。IPv6协议答应新增特性，摆脱了要全面指定所有细节情况。
　　
　　目前涉及IPv6的主要研究课题有：域名服务器的构成、IPv6路由器以及与IPv4的Internet平滑过度等。IPv6和与之相配套的资源预留协议（RSVP）和实时传输协议（RTP）将使新一代Internet有选址和配置功能，可为某些应用预留带宽，再借助现在正在研究开发中的宽带接入技术，将使Internet能提供多媒体业务。
　　
　　3.2IP传输新技术
　　
　　IP是一个面向无连接的网络，信息流在网络上是以数据包的形式传输的。早期在网上传输数据包采用路由选择方式，根据源地址和目的地址，数据包经过路由器的若干次转发，最终达到主机。然而，由于CPU的处理能力和传统路由器软件结构的限制，同时路由器的时延和抖动都很大，到了90年代中期，这种传统路由器都已经发展到其生命的顶点。随着Internet技术在全球的广泛应用，人们迫切需要有新的技术去支撑IP的发展，这里简要讨论IP over ATM，IP over SDH，IP over WDM等技术。
　　
　　（1）IP over ATM
　　
　　ATM是一种目前在电信网中广泛应用的快速分组交换技术，它采用固定信元长度和面向连接的机制，具有传输速度快、服务质量保证等特点。
　　
　　此技术是将IP数据包在ATM层全部封装成ATM信元，以ATM信元方式在信道中传输，当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，首先根据其IP地址进行路由地址处理，按路由转发，随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚通路（VC），IP数据包在此虚通路VC上以直通方式传输而不再经过路由器，大大提高了IP数据包的传输速度，从而有效地解决了IP路由器的“瓶颈”问题。
　　
　　从目前的技术发展来看，实现IP与ATM的结合（IP over ATM）有重叠模式和集成模式两种。重叠模式的实现方式主要有：IPOA（Classic IP over ATM）、LANE（LAN Emulation）和MPOA（MultiPRotocol over ATM）。集成模式的实现技术主要有：IP交换（IP Switch）、标记交换（Tag Switch）和MPLS（MultiProtocol Label Switching）。
　　
　　IP over ATM的优点：
　　
　　①由于ATM技术本身能提供QoS保证，可以利用此特点提高IP业务的服务质量；
　　
　　②具有良好的流量控制均衡能力以及故障恢复能力，网络可靠性高；
　　
　　③适应于多任务，具有良好的网络可扩展能力；
　　
　　④对其他几种网络协议如IPX等能提供支持。
　　
　　IP over ATM的缺点：
　　
　　①对IP路由的支持一般，IP数据包分割加入大量头信息，造成很大的带宽浪费（20%~30%）；
　　
　　②在复制多路广播方面缺乏高效率；
　　
　　③由于ATM本身技术复杂导致治理复杂。
　　
　　（2）IP over SDH
　　
　　SDH是一种新的传输机制，SDH网络由一些SDH网元组成，是一种在光纤、微波上进行同步信息传输、复用的网络。 IP over SDH技术以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络，它使用链路协议以及PPP协议对IP数据包进行封装，根据RFC1662规范把IP数据包简单地插入到PPP帧中的信息段，然后再由SDH通道层的业务适配层把封装后的IP数据包影射到SDH的同步净荷中，再经过SDH传输层，加上相应的开销，把净荷装入SDH帧中，最后到达光层，在光纤中传输。
　　
　　（3）IP over WDM
　　
　　WDM（波分复用）是在1根光纤中能同时传输多个波长光信号的一种技术。它在发送端将不同波长的光信号组合（复用）送入1根光纤中传输，在接收端将组合的光信号分开（解复用）并送入不同的终端。IP over WDM是利用波分复用技术将IP数据包直接放在光路上传输，它省掉了中间的ATM层和SDH层，减少了网络设备，减轻了网管的复杂性。在这种系统中，高性能路由器通过光分插复用器（OADM）或WDM耦合器直接连接WDM光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。
　　
　　与IP over WDM相关的主要技术有DWDM技术和吉位路由交换技术。DWDM在1根光纤上可以同时支持ATM、SDH和吉位以太网信号的传输，这样和现在已经建成的各种网络（ATM、SDH、吉位以太网）都可以兼容，使原来的网络能被充分利用，既保护了已有投资，又提供了极大的灵活性。
　　
　　视频业务在网上的传输问题是基于IP的视频传输的要害技术，它有待于进一步完善。
　　
　　3.3流媒体技术
　　
　　流媒体是在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体，在播放流式媒体前并不下载整个文件，只是将开始部分内容存入内存，流式媒体的数据流随时播放，只是在开始时有些延迟，当声音等时基媒体在客户端播放时，文件的剩余部分将从后台服务器内继续下载。流式不仅使启动延时大大缩短，而且不需要太大的缓存容量。流式传输弥补了用户等待整个文件全部从Internet上下载才能观看的缺陷。
　　
　　实现流式传输有两种方法：实时流式传输和顺序流式传输。一般来说，基于IP网络的VOD系统中，使用实时流式传输媒体服务器，或应用如RTSP等实时协议，实现实时流式传输。如使用HTTP服务器，文件通过顺序流传输。
　　
　　①顺序流式传输即顺序下载

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