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IPTV LAN接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )解決方案

2007/11/20

　　前言

　　IPTV即交互式網(wǎng)絡(luò )電視，是一種利用寬帶有線(xiàn)電視網(wǎng)，集互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、通訊等多種技術(shù)于一體，向家庭用戶(hù)提供包括數字電視在內的多種交互式服務(wù)的嶄新技術(shù)。它能夠很好地適應當今網(wǎng)絡(luò )飛速發(fā)展的趨勢，充分有效地利用網(wǎng)絡(luò )資源。

　　IPTV包含了BTV、VOD、nVOD等業(yè)務(wù)內容，有效開(kāi)展IPTV業(yè)務(wù)必須有接入承載網(wǎng)、終端、內容網(wǎng)絡(luò )以及業(yè)務(wù)軟件系統等各組件的支持。僅接入承載網(wǎng)就包含了DSL接入、LAN接入、FTTx等多種模式，本文將重點(diǎn)描述LAN接入網(wǎng)承載IPTV業(yè)務(wù)的相關(guān)技術(shù)。

　　方案簡(jiǎn)介

　　在本方案中，根據IPTV業(yè)務(wù)特性，對VOD、接入認證等這部分通常采用單播方式來(lái)處理，對于BTV、nVOD這樣的業(yè)務(wù)則采用組播方式來(lái)處理。

　　針對上網(wǎng)業(yè)務(wù)精細化管理的需求，對上網(wǎng)用戶(hù)采用PUPV的VLAN劃分方式，而對于IPTV用戶(hù)，可以根據具體情況，采用PUPV(一用戶(hù)一VLAN)或PSPV（一業(yè)務(wù)一VLAN）方式來(lái)進(jìn)行VLAN劃分。對于VOD和認證等基于單播數據流的業(yè)務(wù)，數據轉發(fā)比較簡(jiǎn)單，這里不再贅述。IPTV接入網(wǎng)的難點(diǎn)在于BTV業(yè)務(wù)組播流的處理，結合IPTV在國內尚處于初期發(fā)展階段，現網(wǎng)中設備大都無(wú)法直接支持IPTV業(yè)務(wù)的現狀，提出了集中組播復制和邊緣組播復制兩種解決方案。在IPTV發(fā)展初期，用戶(hù)量較少時(shí)，采用集中復制。而在業(yè)務(wù)規模開(kāi)展時(shí)，采用邊緣復制。這樣將組播復制的壓力分散在樓道交換機上，可以滿(mǎn)足大量IPTV用戶(hù)接入的要求。

　　方案支持PPPOE和DHCP+認證方式。通過(guò)VLAN隔離或端口隔離來(lái)避免用戶(hù)間的影響。同時(shí)通過(guò)靈活QINQ來(lái)解決精確定位用戶(hù)和VLAN資源問(wèn)題。另外，利用BRAS和家庭網(wǎng)關(guān)對用戶(hù)的流量和優(yōu)先級進(jìn)行設定，可以有效的控制接入網(wǎng)中的流量，配合QOS的隊列調度機制保證IPTV業(yè)務(wù)的視頻質(zhì)量。

　　方案中關(guān)注如下問(wèn)題: 　　用戶(hù)業(yè)務(wù)主要為HSI（上網(wǎng)業(yè)務(wù)）、IPTV業(yè)務(wù)和VOIP業(yè)務(wù)，每種業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò )的要求各不相同，為了便于QOS和安全策略的部署，因此我們必須將業(yè)務(wù)進(jìn)行區分。最簡(jiǎn)單的辦法就是通過(guò)不同VLAN來(lái)標記不同的業(yè)務(wù)。

　　考慮到業(yè)務(wù)特性，上網(wǎng)業(yè)務(wù)通常需要對用戶(hù)進(jìn)行精細化管理，而對IPTV業(yè)務(wù)通常采用較粗獷的管理模式，因此我們建議通過(guò)如下方式來(lái)做VLAN規劃：對上網(wǎng)業(yè)務(wù)，采用PUPV（每用戶(hù)一VLAN），對于IPTV/VOIP業(yè)務(wù)，采用PSPV（每業(yè)務(wù)一VLAN），即同一園區內的IPTV用戶(hù)采用同一VLAN，不同園區的IPTV/VOIP用戶(hù)采用不同的業(yè)務(wù)VLAN，在局端，通過(guò)靈活QINQ對上網(wǎng)業(yè)務(wù)的VLAN打外層標簽，對于IPTV業(yè)務(wù)的VLAN不打外層標簽。


　　如上圖所示，VLAN21和VLAN22為上網(wǎng)業(yè)務(wù)，在局端打上外層標簽100透傳到BRAS，而VLAN3和VLAN4分別為IPTV和VOIP的業(yè)務(wù)VLAN，VLAN5為組播VLAN（為了節約帶寬而專(zhuān)門(mén)承載組播業(yè)務(wù)的VLAN，其對IPTV用戶(hù)不可見(jiàn)），對于VLAN3/4/5在局端不作處理，直接透傳到BRAS或SR上。

　　不同業(yè)務(wù)的VLAN具體劃分是通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現的。

　　需要強調的是，若樓道交換機比較老僅支持VLAN劃分但無(wú)法支持如IGMP SNOOPIGN、邊緣復制等組播特性時(shí)，則不能采用上述的將IPTV用戶(hù)都劃分到一個(gè)VLAN內（因為組播流將會(huì )在VLAN內廣播），而是需要將IPTV用戶(hù)也劃分到不同VLAN內（即PUPV方式），此時(shí)需要通過(guò)園區交換機進(jìn)行集中復制才能開(kāi)展IPTV業(yè)務(wù)，后面會(huì )詳細介紹這一點(diǎn)。

　　接入認證

　　本方案中，上網(wǎng)業(yè)務(wù)采用PPPOE的認證方式，IPTV業(yè)務(wù)可以采用PPPOE或DHCP+認證。PPPOE認證方式應用已經(jīng)很廣泛了，在此不再贅述。

　　DHCP+認證方式是利用DHCP定義的一些OPTION字段來(lái)實(shí)現的，如通過(guò)OPTION60來(lái)識別終端類(lèi)型，通過(guò)OPTION82來(lái)識別用戶(hù)位置（實(shí)際上就是標記用戶(hù)）。

圖1 DHCP+認證

　　當網(wǎng)絡(luò )設備收到STB的DHCP請求報文時(shí)，需要在報文后添加OPTION82字段，此時(shí)有兩種模式進(jìn)行DHCP+認證，一種是直接把DHCP報文送給DHCP服務(wù)器，由DHCP服務(wù)器根據OPT82字段來(lái)判斷該用戶(hù)是否為合法用戶(hù)，從而決定是否為其分配IP地址。另一種是DHCP報文先送到BRAS，由BRAS將OPT82字段放到RADIUS的一個(gè)子域里，通過(guò)RADIUS服務(wù)器來(lái)進(jìn)行用戶(hù)合法性認證，若用戶(hù)合法，再由DHCP服務(wù)器分配IP地址。

　　組播復制

　　根據樓道交換機支持的能力，組播復制方式可以采用邊緣復制或集中復制。

　　若樓道交換機比較早時(shí)，則不能采用PSPV的VLAN劃分方式，而是需要將IPTV用戶(hù)分到不同VLAN內，此時(shí)采用集中組播復制方式。否則可以采用組播邊緣復制。

　　通常在組播點(diǎn)播時(shí)，若用戶(hù)處在不同的VLAN內，則每個(gè)VLAN都會(huì )有一個(gè)組播流，即使用戶(hù)點(diǎn)播的是同一個(gè)頻道，鏈路上也會(huì )有多份相同的組播流，這樣就浪費了大量的帶寬。因此我們引入組播VLAN這個(gè)概念，目的就是使用戶(hù)共用一個(gè)走組播業(yè)務(wù)的VLAN，組播流只在這個(gè)VLAN內傳輸，直到面向最終用戶(hù)時(shí)才進(jìn)行復制，從而達到節省帶寬的目的。不管是集中復制還是邊緣復制，都會(huì )有一個(gè)走組播業(yè)務(wù)的VLAN，只不過(guò)集中復制時(shí)這個(gè)組播VLAN在園區交換機（集中復制點(diǎn)）上，而邊緣復制則在樓道交換機（邊緣復制點(diǎn)）上。

　　邊緣復制特性：

　　邊緣復制是在末端L2交換機上實(shí)現的特性，其作用有兩個(gè)：1 將交換機下用戶(hù)VLAN內的IGMP報文轉到組播VLAN內上行；2 將下行組播VLAN內的組播流面向用戶(hù)端口復制，此時(shí)面向用戶(hù)端口出去的組播報文是不帶VLAN TAG的。


　　在邊緣復制中，支持對上行IGMP加入報文抑制和最后用戶(hù)離開(kāi)機制，當交換機收到多個(gè)對同一個(gè)組的加入報文時(shí)，將在組播VLAN內只向上透傳一份，同樣，當有用戶(hù)離開(kāi)某個(gè)組播組時(shí)，只有這個(gè)組的最后一個(gè)用戶(hù)的IGMP離開(kāi)報文才會(huì )在組播VLAN內向上透傳。從而大大減輕了了上層設備對IGMP報文的處理。

　　集中復制特性：

　　集中復制特性是在支持L3特性的交換機上實(shí)現的特性。上行IGMP加入報文處理基本上同邊緣復制特性。但下行組播數據流時(shí)，是根據組播轉發(fā)表項來(lái)將走組播業(yè)務(wù)的VLAN內的組播數據流復制到用戶(hù)VLAN中，從而在下行端口的組播數據流是帶有用戶(hù)VLAN ID的，這也是和邊緣復制特性的主要不同之處。同樣集中復制特性也支持IGMP加入報文抑制和最后用戶(hù)離開(kāi)機制。


　　集中復制特性通常是在園區交換機上實(shí)現，由于需要面向用戶(hù)進(jìn)行跨VLAN的組播復制，因此對設備性能要求較高，同時(shí)這樣的機制相比邊緣復制而言，會(huì )占用較多的園區和樓道之間的帶寬，因此建議只在IPTV業(yè)務(wù)開(kāi)展初期，用戶(hù)量較小且樓道交換機功能較弱時(shí)采用。若IPTV業(yè)務(wù)規模發(fā)展，用戶(hù)量較大，則采用邊緣復制更為適合。

　　QOS

　　方案中通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)設備在業(yè)務(wù)終端接入時(shí)就分配vlan和優(yōu)先級標志，在網(wǎng)絡(luò )中采用的是diffserv模型，針對不同的業(yè)務(wù)定義不同的COS值，L2交換機上采用SP隊列調度，保證端口擁塞時(shí)高優(yōu)先級業(yè)務(wù)優(yōu)先傳輸。

　　安全

　　IPTV承載網(wǎng)的安全性包括業(yè)務(wù)本身的安全（主要只防止非授權訪(fǎng)問(wèn)）和承載網(wǎng)自身的安全。

　　對于防止非授權用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)，可以通過(guò)在組播復制點(diǎn)上配置IGMP權限控制，丟棄非授權用戶(hù)發(fā)出的IGMP加入報文，從而達到防止非法用戶(hù)收看BTV頻道的目的。

　　對于承載網(wǎng)自身的安全，主要依賴(lài)于用戶(hù)隔離（通過(guò)VLAN隔離或端口隔離來(lái)實(shí)現）方式，這樣避免了用戶(hù)間的互相干擾，同時(shí)也避免了非法服務(wù)器接入等安全隱患。另外可以通過(guò)DHCP SNOOPING OPT82來(lái)防范DHCP請求攻擊造成的DHCP地址池枯竭問(wèn)題，這是因為支持DHCP OPT82的DHCP服務(wù)器可以根據OPT82制定地址分配策略，保證對帶有相同OPT82信息的DHCP請求只分配一個(gè)IP地址。

　　頻道快速切換

　　正常情況下，IGMP-Snooping在接收到IGMP Leave報文時(shí)不會(huì )直接將端口從組播組中刪除，而是發(fā)送特定組查詢(xún)報文，如果等待一段時(shí)間后沒(méi)有得到響應，才將該端口從組播組中刪除。這樣當用戶(hù)切換頻道時(shí)，就會(huì )出現在一個(gè)時(shí)段內，有多路組播流流向用戶(hù)端口，占用帶寬，甚至可能影響STB的收視效果。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在面向用戶(hù)組播復制點(diǎn)上要支持Igmp fastleave功能，使交換機收到Leave報文后，直接刪除對應的組播轉發(fā)表項。使得STB不會(huì )同時(shí)收到多份組播流。Igmp fastleave功能通常在組播復制點(diǎn)等能唯一標識用戶(hù)的設備上實(shí)現。

　　接入交換機未知組播丟棄

　　邊緣復制下，接入交換機使能了igmp fastleave功能時(shí)，會(huì )出現接入交換機刪除了組播轉發(fā)表項但上面的組播流仍然在短時(shí)間內會(huì )流到接入交換機上，這些組播流對接入交換機而言會(huì )當作未知組播處理，在同VLAN廣播。影響STB的收視效果，若多個(gè)用戶(hù)在同VLAN時(shí)還會(huì )互相影響。因此需要在接入交換機上使能未知組播丟棄，使這類(lèi)組播流進(jìn)入接入交換機后直接丟棄，不作為廣播處理。

　　總結

　　IPTV LAN接入解決方案采用多樣化的部署方式，在業(yè)務(wù)發(fā)展初期集中復制可以幫助運營(yíng)商迅速開(kāi)展IPTV業(yè)務(wù)且有效的保護現網(wǎng)接入設備的投資，而在業(yè)務(wù)規模發(fā)展時(shí)可以平滑過(guò)渡到邊緣復制方案，滿(mǎn)足大量接入IPTV用戶(hù)的需求。利用家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現業(yè)務(wù)分離，針對業(yè)務(wù)實(shí)現端到端的QOS，保證了IPTV業(yè)務(wù)的需求。快速切換頻道、未知組播丟棄等技術(shù)可以帶給用戶(hù)良好的業(yè)務(wù)感受。

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