IPTV组播技术中服务质量策略的研究

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摘要:随着网络技术的飞速发展,新的多媒体应用,如视频广播、视频点播、会议电话等不断涌现。如果仅仅使用传统单播技术,将会给电信运营商带来巨大的带宽浪费,而组播技术能在一定范围内有效缓解带宽消耗。该文通过深入研究iptv系统的组播技术,分别从体系结构和协议方面提出基于MPLS网络的差分服务模型、基于QoS参数的PIM-SM模型等策略保证IPTV组播的服务质量。

关键词:IPTV;差分服务模型;MPLS;PIM-SM;QoS

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)16-4401-02

Research of Multicast Strategies Based on Quality of Service in IPTV

LEI Ze-mei, LU An-jiang, HE Song, ZHANG Zheng-ping

(Department of Computer Science and Information, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Abstract: With the rapid development of network technology, new multimedia applications such as video broadcasting, video on demand, conference phones are emerging. If we only use traditional unicast technology, it will carry a tremendous waste of bandwidth. while multicast can effectively alleviate bandwidth consumption in some digree. Through studying multicast in IPTV systems in-depth, this paper proposed two strategies DiffServ over MPLS model and PIM-SM based on QoS parameters model from architecture and protocol to ensure quality of service multicast in IPTV.

Key words: IPTV; DiffServ; PIM-SM; QoS

随着信息技术的快速发展,新的应用不断涌现,电信、广电、互联网正通过各种方式相互渗透和融合。IPTV业务是IP业务发展到一定阶段的产物,它的出现迎合了三网合一的发展趋势,同时也向现有承载网提出了新的挑战,包括带宽、QoS等多方面的问题。组播作为一点对多点的通信,是节省网络带宽的有效方法之一。特别是IPTV中的电视直播(BTV)业务,特别适合利用组播技术对视频进行传输。

部署高效的组播技术,保证良好的QoS,是IPTV业务顺利开展的关键环节。互联网络为数据、音视频等应用提供了不同的QoS策略,如综合服务体系结构IntServ、区分服务体系结构DiffServ和多协议标签交换MPLS等。上述技术适用于满足服务质量的单播应用,但不能有效地为组播提供端到端的服务质量。为了解决IPTV组播的服务质量问题,迫切需要更高效的传输方案[1]。

1 基于MPLS网络的IPTV区分服务模型

理论上最好的保证IPTV传输服务质量的技术是集成服务模型(IntServ),但其开销较大、扩展性不好且效率低,故不作为优先选择。真正结合了IPTV业务特点和运营实际情况的QoS技术是差分服务模型(DiffServ)。如果在网络核心使用多协议标记交换技术,就可以得到更好的服务质量保证[2]。

1.1 MPLS协议与IPTV系统

如果直接在原有网络上增加IPTV系统,而不区分业务流类型、不设置排队和拥塞管理机制、不进行服务质量保证(即所有数据流都采用尽力而为服务类型),那么将很有可能出现网络拥塞,所有数据流都去抢占代价小的路径,而代价大的路径却空闲了[3]。我们提出这样一种设想,选择一条次优且满足IPTV服务质量的路径来传输数据流,这就需要MPLS技术进行资源隔离。

MPLS(多协议标签交换)将三层IP技术和二层交换技术结合在一起,传输中只处理一个定长的标签,在无连接的IP网络中引入面向连接的机制,采用建立标记交换通路来转发分组,提供IP业务时能确保服务质量。MPLS不但支持流量工程,也是当前最有前景的VPN的主要实现技术[4]。MPLS为单播通信带来诸多利益,但是它的提出并未充分考虑对组播的支持。在MPLS中应用组播技术的核心问题就是如何将第三层组播树映射到第二层链路上。图1为MPLS协议实现组播的模型。

1.2 MPLS叠加差分业务模型的组播

由于MPLS本身没有固有的服务类型(CoS)或服务质量(QoS)特性,它仅仅是为基于IP的QoS或CoS提供一个体系机构。因此,它单独使用并不能提供QoS的保证。区分服务体系结构DiffServ简化了网络内部节点的结构,可以根据报文内容区分各种业务的流量,分配优先级,保证高优级先转发,体现出良好的扩展性,容易在路由器上实现,是一种良好的IPQoS控制模型。但DiffServ仍采用了逐跳路由的分组转发方式,还不能完全依靠自己来提供很好的端到端的QoS结构[5]。DiffServ对服务质量的分类和标签机制与MPLS的标签分配十分相似,使得MPLS可以很容易支持DiffServ体系。

在MPLS中的LSR(标记交换路由器)中不检查IP数据包头,其相应的DSCP对LSR是不可见的,因此在MPLS叠加DiffServ体系结构中,必须把DSCP值映射到MPLS标签中。其核心机制是提供某种方法,使在标签头中能确定其相应的PHB,目前IETF工作组提出了两种方案:E-LSP模型和L-LSP模型[6]。

为了保证组播服务质量,本文引用一种扩展的DiffServ框架[7],在原有单播服务类型的基础上增加多播服务类型。此框架需要包括一些必要的因素和工具,例如:1)流量分类和调整;2)PHB;3)PHB组:PHB组将被用在组播环境中,因为对于特定应用的组播流来说,我们需要指定相同的QoS策略;4)排队机制:典型的排队机制仍然适用于此模型中;5)服务类型:在原有单播流服务类型的基础上,增加三类组播流服务类型:实时多播,重要数据多播和尽力而为多播。扩展的DiffServ框架对异构组播、被忽视的预留子树、发送方任意动态改变等原DiffServ模型支持组播存在的问题也有所改善。表1给出了广义服务类的实现。

IPTV业务与其他业务相比,对丢包和时延的敏感度居中,所以在进行多协议标签交换叠加差分业务模型部署时,其优先级不是最高。MPLS网络的LSP机制允许我们为不同的业务建立专门的转发路径,我们在区分模型中设置显示的LSP,建立显示路径,为IPTV业务建立专门的能够满足IPTV业务传输质量要求的转发路径,而传统业务则通过其他路径传输,同时把IPTV多播数据流标记为实时组播服务类型,以这样的方式进行流量的合理分流,一定程度上控制了网络拥塞。

2 IPTV系统中基于QoS策略的PIM-SM协议的扩充

为了解决组播的QoS问题,人们还引入了基于QoS的组播路由方案。该方案的主要思想是在构建组播树之初就考虑用户的QoS要求和网络资源的总体使用率,更多的理论研究也聚焦在这个问题上。现有的可直接支持基于QoS参数进行路由寻径的组播路由协议有QMRP、QoSMIC等,但这些协议在新的组成员加入过程中存在搜索范围过大、控制复杂、延迟较高等问题,且无法从现有组播路由协议扩充实现,开发工作量较大。针对IPTV系统采用广泛使用的PIM-SM作为组播路由协议,可以考虑基于PIM-SM协议进行扩充以满足一定的组播QoS。在PIM-SM QoS模型中,接收者首先加入无QoS保证的共享树,一旦接收者决定加入有特定QoS约束的有源树时,再切换到相应的源树。

文献[8]提出了两种组播构造算法:基于树信息的QoS组播TIQM算法和基于简单单播的QoS组播NUQM算法,前者基于全局传播组播组信息,后者使用下层的支持QoS的单播路由算法。这两个方案存在一定的互补性。文献[9]提出了另一种基于QoS策略的PIM-SM扩充方案:PUQM(per-hop unicast QoS multicast)方案。PUQM采纳了NUQM的逆向单播加入寻径机制,并将预留带宽请求也写入Join/prune信息包,从而使接收者从SPT树切换到ST树的同时完成相应的带宽预留。

在IPTV系统中,用户的观看行为可以归为两大类:来回切换频道模式和观看模式,用户通常在广告时间或者为了浏览其他更感兴趣的节目而切换频道,这时候对视频流的QoS要求比较低,对频道的快速切换要求较高,而当进入某个频道进行长时间的观看时,就要求高QoS的视频流。综合比较上述方案,PUQM方案的思想更好地契合了用户的行为模式。因此我们在PIM-SM协议中引入PUQM方案。当用户进入稳定的观看模式时,通过SPT树到ST树的切换,完成了相应的带宽预留,保证了稳定的观看质量。

3 结束语

该文首先提出了IPTV系统使用组播技术的必要性,然后针对IPTV系统中组播的服务质量问题提出两种策略:1)MPLS叠加差分业务的体系结构,并对DiffServ模型进行相应扩展,提出一种保证IPTV组播服务质量的体系结构;2)PIM-SM QoS模型,对PIM-SM协议基于QoS进行扩充,结合IPTV系统的用户行为特性,探讨了这一扩充协议应用于IPTV系统的优越性。目前组播技术还在不断的研究与发展之中,它的成熟必将推动IPTV等多媒体应用的快速发展。

参考文献:

[1] 陈琳.基于服务质量实现多播技术策略的研究[J].现代电子技术,2008(12).

[2] 郭锋.IPTV内容分发网络端到端QoS的部署研究[J].电信科学,2009,25(5).

[3] 秦全钢,钱光明,谌德林.基于MPLS的IPTV QoS研究[J].微计算机信息,2008(24):2-3.

[4] 秦全钢.基于MPLS的IPTV QoS研究[D].长沙:湖南师范大学,2007.

[5] 刘勇.基于MPLS/DiffServ组播方案的研究[D].长沙:中南大学,2008.

[6] 李海霞.基于DiffServ Over MPLS模型的组播[D].南宁:广西大学,2006.

[7] M Dafer,GDCoS:A Group Dedicated Class of Service for QoS Multicast Provisioning in ISP Communication Networks[C].2009 First International Conference on Evolving Internet.2009:77-82.

[8] S K Biswas,R Izmailov.A QoS-Aware Routing Framework for PIM-SM Based IP-Multicast[J].IEEE Global Telecommunication Conference,2000:376-381.

[9] 李钟辉.基于QoS策略的PIM-SM协议的扩充[J].计算机工程与设计,2009,30(5).