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IPTV（網(wǎng)絡(luò )電視）測試應用場(chǎng)景介紹

2008/08/13

1引言

　　截至2007年6月，全球范圍內已經(jīng)有超過(guò)200個(gè)包括設備制造商、運營(yíng)商在內的用戶(hù)在使用IXIA所提供的業(yè)界領(lǐng)先的IPTV測試解決方案。

　　不同的用戶(hù)對IPTV測試關(guān)注的重點(diǎn)也有所不同，IXIA整體的IPTV測試解決方案包括IPTV網(wǎng)絡(luò )部署前的設備測試以及部署后的驗收測試和日常維護測試。本文介紹的IXIA IPTV測試解決方案主要是針對部署前的測試，包括兩個(gè)方面：設備制造商研究開(kāi)發(fā)IPTV相關(guān)網(wǎng)絡(luò )設備（VOD服務(wù)器，IPTV網(wǎng)關(guān)，DSLAM，IPTV組播交換機和路由器等）所需要進(jìn)行的設備性能測試；運營(yíng)商在實(shí)驗室建立模擬環(huán)境，驗證所規劃的網(wǎng)絡(luò )是否能夠很好地承載IPTV業(yè)務(wù)的系統測試。

　　圖1是一個(gè)典型的IPTV網(wǎng)絡(luò )，IXIA可以提供整個(gè)系統端到端的業(yè)務(wù)測試以及系統的各個(gè)組成部分的設備性能測試。主要包括VOD視頻服務(wù)器測試；組播視頻流質(zhì)量測試；頻道切換時(shí)間測試；網(wǎng)絡(luò )承載視頻能力測試；邊緣網(wǎng)絡(luò )測試；接入網(wǎng)絡(luò )測試；網(wǎng)絡(luò )視頻流被動(dòng)監測與質(zhì)量分析測試以及網(wǎng)絡(luò )架構中DNS，DHCP，LDAP，RADIUS等各種服務(wù)器的性能測試。本文主要對最常見(jiàn)的測試應用場(chǎng)景做一介紹。

2 常見(jiàn)IPTV測試應用

2.1 VOD業(yè)務(wù)測試

　　VOD業(yè)務(wù)通常采用點(diǎn)播方式進(jìn)行傳送，各種編碼的視頻流，如H.264，MPEG-4，MPEG-2和VC-1等通常封裝成傳輸流（Transport Stream）通過(guò)RTP/UDP或者UDP協(xié)議直接承載并傳送，并通過(guò)RTSP協(xié)議自由控制節目的進(jìn)度，終止節目的播放。但每個(gè)點(diǎn)播用戶(hù)都需要占用一定的網(wǎng)絡(luò )帶寬，因此并發(fā)用戶(hù)數受到網(wǎng)絡(luò )帶寬、服務(wù)器性能的限制。

　　和VOD業(yè)務(wù)相關(guān)主要有3個(gè)協(xié)議，RTSP（Real Time Streaming Protocol）是一種會(huì )話(huà)控制協(xié)議，用于在IPTV網(wǎng)絡(luò )中傳送（如VOD業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)交互內容），該協(xié)議基于TCP以保證可靠的控制信令傳送。RTP(Real Time Protocol)是一種無(wú)狀態(tài)的媒體流傳送協(xié)議，用于傳送多媒體內容，該協(xié)議基于UDP或者TCP。MPEG TS（MPEG Transport Stream）包括多元的語(yǔ)音和視頻流封裝并承載在RTP/UDP或者直接在UDP上進(jìn)行視頻傳送。并且通過(guò)PID進(jìn)行語(yǔ)音和視頻的同步。TS流分為單節目的TS流（SPTS，Single Program TS）和多節目的TS流（MPTS，Multiple Program TS）兩種（見(jiàn)圖2）。通常情況下，一個(gè)UDP或者RTP/UDP數據包中，可以包括1~7個(gè)TS幀，一個(gè)TS幀長(cháng)為188個(gè)字節。每個(gè)IP包里面包括整個(gè)或者部分視頻圖像信息。


　　VOD業(yè)務(wù)性能的測試指標主要有最大并發(fā)視頻流數量、每個(gè)視頻流的質(zhì)量、帶寬波動(dòng)、所使用的平均帶寬、丟包率和平均響應時(shí)間等。需要說(shuō)明的是，下面定義的指標有的是被業(yè)界廣泛認可和接受的指標，有的是和協(xié)議相關(guān)的術(shù)語(yǔ)。兩者的有效結合，可以全面評估相關(guān)設備對VOD業(yè)務(wù)的承載能力。

　　最大并發(fā)視頻流數量是指視頻流系統在同一時(shí)間內所能夠支持和處理的最大在線(xiàn)用戶(hù)數目，且要求每個(gè)用戶(hù)都可以在保證視頻質(zhì)量的情況下正常收看完整的視頻節目。在用戶(hù)數目逐步增加到最大值之前，系統不會(huì )使已經(jīng)在線(xiàn)的用戶(hù)因為新增加了用戶(hù)而出現不能獲得服務(wù)的情況。有的視頻系統雖然能夠提供數目巨大的并發(fā)流，但是失敗的數量很多，由于用戶(hù)大都采用TCP協(xié)議以保證可靠的控制信令傳送，因此重傳以后并發(fā)流數目并沒(méi)有降低，但是對于原來(lái)已失敗的視頻流而言，這些用戶(hù)已經(jīng)無(wú)法繼續得到視頻服務(wù)。因此，最大并發(fā)視頻流數量應該是視頻系統所能支持的有效的、能夠同時(shí)在線(xiàn)正常觀(guān)看節目和保證視頻質(zhì)量的最大用戶(hù)數目。這也就需要在網(wǎng)絡(luò )的接入部分對VOD視頻流提供相應的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證。

　　視頻流質(zhì)量是指視頻流在網(wǎng)絡(luò )中傳輸由于網(wǎng)絡(luò )的各種損傷對視頻流造成的影響，評定視頻流的質(zhì)量一般有兩種方法和指標：一種從網(wǎng)絡(luò )層進(jìn)行評定的MDI以及采用各種客觀(guān)指標對視頻質(zhì)量主觀(guān)評定的

　　MOS_V，另一種是視頻的全參考（Full Reference）質(zhì)量評定。幾種評定方面的簡(jiǎn)單比較如表1所示，相應指標的介紹可以參考《電信網(wǎng)技術(shù)》2007年第12期的《IPTV QoE測試指標概述》。


　　（1）帶寬波動(dòng)：視頻流一般有CBR和VBR兩種。常見(jiàn)的MPEG-4和H.264就屬于VBR類(lèi)型。視頻文件在播放過(guò)程中，由于畫(huà)面的變化會(huì )造成媒體流的帶寬變化。CBR節目碼速率比較恒定，帶寬波動(dòng)相對較小；對于VBR類(lèi)節目而言，連續的畫(huà)面前后變化較大，故節目碼速率變化也相應較大，帶寬波動(dòng)也隨之較大。節目碼速率波動(dòng)的大小對視頻服務(wù)器的吞吐量是個(gè)嚴峻的考驗，如果過(guò)多的用戶(hù)點(diǎn)播較高碼速率的節目，則很有可能出現服務(wù)器所能支持的用戶(hù)數減少的現象，或者視頻服務(wù)器會(huì )降低節目流的輸出帶寬。

　　（2）所使用的平均帶寬：在用戶(hù)觀(guān)看節目過(guò)程中所有用戶(hù)使用的帶寬平均值。該值越大說(shuō)明流媒體視頻系統所能提供的帶寬能力越強。

　　（3）丟包率：用戶(hù)在接收視頻點(diǎn)播服務(wù)的時(shí)候需要從服務(wù)器獲取視頻文件，在視頻文件傳輸過(guò)程中是否發(fā)生丟包的情況。丟包率的數值一般比較小，但是對用戶(hù)的影響非常大，是影響視頻質(zhì)量的殺手，尤其是目前使用的壓縮比率都比較高，即使丟失很少的視頻包也會(huì )影響到用戶(hù)的觀(guān)賞甚至出現視頻不清楚、馬賽克或者斷掉連接的現象。在沒(méi)有機頂盒對視頻流做數據包補償的情況下，視頻點(diǎn)播端到端的丟包率上限不應該超過(guò)0.001%。

　　（4）平均響應時(shí)間：用戶(hù)從發(fā)出點(diǎn)播請求到得到視頻服務(wù)的時(shí)間總體分布情況。當然，平均響應時(shí)間是越短越好。一般而言，視頻點(diǎn)播端到端平均時(shí)延不應超過(guò)2s。

　　從測試對象上來(lái)說(shuō)，設備制造商主要用VOD業(yè)務(wù)評估視頻服務(wù)器的性能，另外還用來(lái)驗證接入和匯聚網(wǎng)絡(luò )設備對VOD視頻流的QoS保障能力。對于運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，主要驗證IPTV網(wǎng)絡(luò )對VOD業(yè)務(wù)的承載能力。本文主要介紹視頻服務(wù)器的測試。

　　測試視頻服務(wù)器，除了關(guān)心上面介紹的指標之外，還有下面指標：連接（Connection）一個(gè)采用3次TCP握手建立起來(lái)的TCP連接。并發(fā)連接數（Concurrent Connections），客戶(hù)端和服務(wù)器端建立起來(lái)的多個(gè)TCP連接。吞吐量（Throughput），被測設備發(fā)送或者接收數據的速率，單位為bit/s。視頻碼流速率（Video Bitrate）評估視頻流信息內容的速率，單位為bit/s或者M(jìn)bit/s，通常高碼流速率有更好的視頻質(zhì)量。有效帶寬（Effective Bandwidth）包括協(xié)議信息開(kāi)銷(xiāo)的數據速率，有效帶寬總是大于視頻碼流速率，并且和數據鏈路層技術(shù)以及傳輸層所采用的協(xié)議有關(guān)。

　　IXIA視頻測試方案可以很好地對VOD視頻服務(wù)器進(jìn)行支持，由于目前各個(gè)廠(chǎng)家對VOD業(yè)務(wù)所采用的RTSP控制協(xié)議進(jìn)行了不同程度和不同方式的修改和定制，要和VOD服務(wù)器進(jìn)行互通有一定的難度，IXIA根據這一特定的測試要求，可以對RTSP的流程進(jìn)行靈活定制和調整，支持RTSP各個(gè)命令信息交互的定制，支持的命令包括Describe，Setup，Play，Pause，Get Parameter，Set Parameter，Teardown等，這些靈活的特性可以保證IXIA能夠和業(yè)界幾乎所有的VOD服務(wù)器進(jìn)行互通并進(jìn)行性能測試。這是IXIA在視頻服務(wù)器測試方面非常重要的特性。目前，IXIA是Seachange公司視頻服務(wù)器認證的測試工具。可以和Thompson，Bitband，Harmonic，Darwin以及Windows Media Server等業(yè)界常見(jiàn)的視頻服務(wù)器互通并提供性能測試。圖3是VOD服務(wù)器交換過(guò)程與IXIA進(jìn)行性能測試示意。


2.2 視頻組播測試

　　TV節目通常采用組播方式進(jìn)行傳送。組播是一種允許一個(gè)或多個(gè)發(fā)送者（組播源）一次同時(shí)發(fā)送單一的數據包到多個(gè)接收者的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。組播源把數據包發(fā)送到特定組播組，而只有屬于該組播組的地址才能接收到數據包。在IPTV里，組播源往往僅有一個(gè)，即使用戶(hù)數量成倍增長(cháng)，主干帶寬也不需隨之增加，因為無(wú)論有多少個(gè)目標地址，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的任何一條主干鏈路上只傳送單一視頻流，即所謂“一次發(fā)送，組內廣播”。組播提高了數據傳送效率，減少了主干網(wǎng)出現擁塞的可能性。對于TV系統而言，其所能夠支持的用戶(hù)數目?jì)H僅受到接入網(wǎng)絡(luò )能力的限制，與前端推送系統的推送能力無(wú)關(guān)。因此，TV業(yè)務(wù)性能的主要測試指標包括所推送的最大頻道數目、頻道平均帶寬、平均頻道切換時(shí)間、I幀加入延時(shí)、平均頻道離開(kāi)延時(shí)、平均頻道加入延時(shí)、頻道重疊時(shí)間和頻道間隔時(shí)間。

　　（1）所推送的最大頻道數目：流媒體系統所能夠提供的最多頻道數量，用戶(hù)能夠在很短的時(shí)間內遍歷所有的頻道。

　　（2）頻道平均帶寬：每個(gè)頻道節目所占用的帶寬。標清節目（SDTV）和高清節目（HDTV）所占用的帶寬不一樣，HDTV節目所占用的帶寬遠遠高于SDTV節目的帶寬。表2列出了MPEG-2和MPEG-4典型的標清與高清碼流速率與應用。


　　（3）平均頻道切換時(shí)間：從發(fā)出IGMP Leave消息直到接收到所請求頻道的第一個(gè)組播包之間的時(shí)間。由于在IP網(wǎng)絡(luò )上TV節目的頻道切換只能通過(guò)IGMP來(lái)實(shí)現，相比之下，傳統電視機的頻道切換則要快很多。因此，根據個(gè)人主觀(guān)感覺(jué)，通常IPTV頻道切換時(shí)間不應超過(guò)2s，否則用戶(hù)難以忍受頻道切換的等待時(shí)間。目前，IPTV頻道切換時(shí)間過(guò)慢也是急待解決的重點(diǎn)問(wèn)題。由于處理IGMP主要由接入設備來(lái)進(jìn)行，所以測試接入端的組播交換機、組播路由器和DSLAM等設備的組播復制與處理能力是視頻組播測試的重點(diǎn)，本文也會(huì )重點(diǎn)討論。

　　（4）I幀加入延時(shí)：客戶(hù)端發(fā)出觀(guān)看節目的請求成功，并不意味著(zhù)視頻流已經(jīng)送達到用戶(hù)的接收終端上，視頻幀有3種，承載整個(gè)圖片信息的I幀、通過(guò)前面的I幀或P幀作為參考計算得到的P幀以及以I幀或P幀作為參考計算得到的B幀。只有在接收端收到I幀時(shí)，才表示用戶(hù)看到了視頻節目，才是真正的頻道切換成功。因此，得到I幀加入延時(shí)對于頻道切換時(shí)間的測試才更有意義。

　　（5）平均頻道離開(kāi)延時(shí)：從發(fā)出IGMP leave消息直到接收到該頻道的最后一個(gè)組播包之間的時(shí)間。通常頻道離開(kāi)延時(shí)越短越好。

　　（6）頻道重疊時(shí)間：如果系統頻道切換采取接收到所請求頻道的組播包之后才停止原頻道的組播包的方式，則頻道重疊時(shí)間即指接收到所請求頻道的第一個(gè)組播包與接收到原頻道的最后一個(gè)組播包之間的時(shí)間間隔。

　　（7）頻道間隔時(shí)間：如果系統頻道切換采取先停止原頻道的組播包再接收所請求頻道的組播包的方式，則頻道間隔時(shí)間即指接收到原頻道的最后一個(gè)組播包與接收到所請求頻道的第一個(gè)組播包之間的時(shí)間間隔。

上述和頻道切換相關(guān)的定義，可以參考圖4。



　　頻道切換時(shí)間的快慢直接影響用戶(hù)對IPTV業(yè)務(wù)的體驗質(zhì)量（QoE）。所以對IPTV網(wǎng)絡(luò )中處理IGMP請求報文的設備，比如邊緣組播交換機、IP DSLAM或者組播路由器的組播復制與處理能力測試就顯的尤其重要。IXIA在測試頻道切換時(shí)間方面具有顯著(zhù)特點(diǎn)： 　　上述特點(diǎn)決定了IXIA的IPTV頻道切換時(shí)間為業(yè)界最優(yōu)的、最真實(shí)的測試方案，并在設備制造商和運營(yíng)商的測試中得到普遍應用。

2.3 寬帶接入和匯聚設備的IPTV測試

　　由于寬帶接入和匯聚設備越來(lái)越多地承載語(yǔ)音和IPTV的業(yè)務(wù)流量，因此對其承載能力也提出了更高的要求。

　　傳統的寬帶接入和匯聚設備的測試方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足其對新型業(yè)務(wù)承載能力的要求。在這種情況下，對相應的測試方法也提出了更高的要求。

　　這就需要測試儀表能夠仿真IPTV業(yè)務(wù)并且承載在PPPoE，DHCP，VLAN，Q-in-Q和IPSec等多種接入方式上。



　　從圖5測試DSLAM的示意可以看出，在用戶(hù)側配置PPPoE接口，同時(shí)使用不同VLAN區分數據、語(yǔ)音和視頻的流量，并對不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)流量配置不同的ToS/DSCP等QoS優(yōu)先級，采用該方式，可以全面評估DSLAM對三重播放業(yè)務(wù)的承載能力，同時(shí)得到用戶(hù)體驗（QoE）的各項指標。

　　IXIA在實(shí)際的寬帶接入和匯聚設備測試中，特點(diǎn)和優(yōu)勢非常明顯，可以仿真真實(shí)用戶(hù)的行為，比如PPPoE接入方式上運行HTTP和VoIP的流量，同時(shí)在Q-in-Q接口上運行IPTV業(yè)務(wù)，這種測試方式完全以家庭用戶(hù)為單位，非常真實(shí)地評估寬帶接入設備的性能。

2.4 IPTV系統視頻流質(zhì)量被動(dòng)監測

　　另外一種常見(jiàn)的應用場(chǎng)景是對網(wǎng)絡(luò )中存在的IPTV組播流和單播流能夠進(jìn)行被動(dòng)實(shí)時(shí)監測并能夠評估相應視頻流的視頻質(zhì)量。IXIA獨特的視頻流提取模塊AFM支持該特性的測試（見(jiàn)圖6）。



　　IXIA的以太網(wǎng)流提取模塊AFM1000SP是一種以千兆線(xiàn)速進(jìn)行數據和媒體流分析的理想解決方案。該模塊從以太網(wǎng)中提取IP數據包，并可在監視器中顯示所提取的數據包以進(jìn)行深入的數據包分析。

　　流提取模塊以串聯(lián)的方式與以太網(wǎng)鏈路相連，而IP數據包則通過(guò)該以太網(wǎng)鏈路提取。兩個(gè)雙介質(zhì)（銅纜和光纖）兼容以太網(wǎng)測試端口用于互相連接。串聯(lián)的測試端口承載網(wǎng)絡(luò )數據傳輸，而不改變以太網(wǎng)鏈路的網(wǎng)絡(luò )特性。提取的數據包流都將經(jīng)過(guò)鏡像處理，然后被轉發(fā)到第3個(gè)千兆以太網(wǎng)標準兼容的監視器端口，該端口可連接到外部設備以便進(jìn)行數據包流分析。這種測試方式，真正實(shí)現了視頻質(zhì)量主觀(guān)和客觀(guān)評定的有效結合，在得到視頻流各個(gè)用戶(hù)體驗質(zhì)量客觀(guān)指標的同時(shí)，還可以實(shí)時(shí)主觀(guān)地觀(guān)看視頻節目質(zhì)量。這是目前最為全面、最為有效的視頻質(zhì)量評定方式（見(jiàn)圖7）。



2.5 MS IPTV系統測試

　　微軟IPTV的實(shí)現特點(diǎn)結合了業(yè)界的一些技術(shù)特點(diǎn)并且增加了微軟公司特有的一些協(xié)議。運行在微軟公司平臺上的一些高性能服務(wù)器在運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )上，為用戶(hù)提供內容存儲和高效的視頻分發(fā)服務(wù)。在MSTV系統中，主要有獲取服務(wù)器和分發(fā)服務(wù)器兩種類(lèi)型（見(jiàn)圖8）。



　　獲取服務(wù)器（A-Server，Acquisition Servers）是從本地或者遠端的視頻源實(shí)時(shí)獲取內容并提供視頻組播服務(wù)。分發(fā)服務(wù)器（Distribution Servers）是用于從運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )中的多個(gè)采集點(diǎn)分發(fā)視頻內容以保證視頻的快速傳送以及最快的頻道切換時(shí)間。在用戶(hù)側的IP機頂盒則運行微軟公司獨有的軟件和協(xié)議以保證最優(yōu)的性能。

　　MS IPTV本身的私有性和復雜性給測試帶來(lái)了挑戰，為此，IXIA專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了針對MS IPTV的測試方案，主要特點(diǎn)包括：

　　（1）微軟機頂盒客戶(hù)端仿真，支持快速頻道切換行為和MS IPTV流量模式仿真。

　　（2）獲取服務(wù)器仿真，可以從網(wǎng)絡(luò )中獲取組播視頻流。

　　（3）分發(fā)服務(wù)器仿真，支持視頻內容的本地復制以及處理相應的頻道切換。

　　通過(guò)IXIA MS IPTV測試方案，可以評估MS IPTV部署網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中的頻道切換時(shí)間，包括單播加入和單播到組播的延遲；可以評估網(wǎng)絡(luò )承載微軟協(xié)議下的視頻流、語(yǔ)音和數據流的能力；可以評估業(yè)界認可的客觀(guān)視頻流質(zhì)量評定指標MOS_V和RFC4445規范的MDI指標。

3 結束語(yǔ)

　　IXIA統一的IP測試平臺為IPTV的全方位評估提供了保證，IXIA IPTV測試方案的主要特點(diǎn)包括：
  1. 支持真實(shí)視頻流存在的頻道切換時(shí)間的測試，支持I幀加入延遲測試。

  2. 支持基于每條流的視頻質(zhì)量測試并得到MDI和MOS_V客觀(guān)視頻質(zhì)量指標。

  3. 視頻質(zhì)量的主觀(guān)與客觀(guān)結合的評定方式。

  4. 視頻質(zhì)量的Full-Reference 分析——PEVQ。

  5. 視頻流的監測和質(zhì)量分析（Passive Video Monitoring）。

  6. 支持MPEG I.B.P Frames的統計。

  7. 支持H.264，MPEG-4，MPEG-2，VC-1通過(guò)MPEG-2傳輸流封裝并承載在RTP/UDP上，或者直接承載在UDP之上的測試。

  8. 支持MPEG-2，MPEG-4，H.264或AVC-1碼流支持承載在RTP/UDP或者UDP之上的測試。

  9. 支持Microsoft IPTV（MSTV）系統測試。
　　使用IXIA全面領(lǐng)先的測試解決方案，可以十分方便地實(shí)現Triple Play網(wǎng)絡(luò )端到端的性能測試、VOD視頻服務(wù)器的性能測試、IP DSLAM和IGMP Switch的性能測試以及IP機頂盒(STB)的測試。為網(wǎng)絡(luò )設備制造商IPTV網(wǎng)絡(luò )設備研發(fā)以及運營(yíng)商IPTV網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)承載能力評估提供有力地幫助。

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