廣電IP直播網構建問題研究

 
摘要：當前，廣電網絡已經進入到光纖化、IP化的新時代，廣電網絡全面采用無源光網絡技術(PON) 來建 設下一代全IP廣電固網是大勢所趨。IPTV以及IP廣播等方式都是可選擇的方案。而視頻的高質量傳輸、安全播出不僅是廣電網絡的重要要求，也是特色所在。本文分析了如果采用IPTV方式來建設廣電的直播IP網，在視頻的高質量傳輸、安全播出方面可能遇到的種種問題。
關鍵詞：光纖接入網 視頻傳輸質量 安全播出 IPTV 萬兆 IP 廣播
 
1.引言
       我國有線電視網絡有其獨特性。一方面，廣電網絡自運營以來一直保持著高質量傳輸的特點，對視頻節目傳輸質量一直有著很高的要求，這也是廣電網絡核心競爭優勢之一；另一方面，我國廣電網絡肩負著黨和政府的宣傳職能，具有明顯的政治屬性，這決定了安全播出的重要性。正因如此，視頻內容的高質量和安全傳輸成為廣電網絡需要重點關注的問題。同時，廣電網絡資金鏈普遍比較緊張，網絡建設投資收益比也是重點考量因素。
本文嘗試分析如果采用基于PON的IPTV方案來建設廣電IP直播網會遇到哪些關鍵問題。
 
2.高質量視頻傳輸問題 
2.1  視頻傳輸的網絡協議
       互聯網視頻服務商和網絡運營商通過IP網絡傳輸視頻業務，但采用的基本傳輸協議不同?；ヂ摼W視頻服務商的各種視頻業務一般采用TCP協議與HLS協議。TCP協議屬于點到點的傳輸協議，通信前雙方需要握手建立會話，接收報文時會檢查包序號，出現丟包后，會引起重傳；HLS協議建立在TCP協議之上，是基于HTTP的自適應碼率流媒體傳輸協議。HLS協議的原理是將整條流切割成一個小的可以通過HTTP下載的媒體文件，然后給客戶端提供一個配套的媒體列表文件，使客戶端能夠按順序拉取這些媒體文件播放，從而實現看上去是在播放一條流的效果?；ヂ摼W視頻具有非實時和并發率低的特點，考慮到HLS協議具有“盡力” 傳輸的特點，傳輸視頻對網絡質量要求不高，所以，HLS協議在互聯網上得到了應用。
       與中國移動、中國聯通、中國電信三大電信運營商一樣，部分廣電有線運營商的點播業務采用 TCP 和 HLS 協議，直播采用 UDP+ 組播或 IP 廣播技術。UDP 協議的特點是無連接協議，采用努力交付，丟包不重傳，支持一對一、一對多、多對一和多對多的交互通信。因此，傳輸線路及網絡設備決定了傳輸過程中是否丟包。
 
2.2  不同行業標準對直播傳輸的丟包率要求
       按照 ITU-T-REC-G.1080《IPTV的體驗質量(QoE) 要求》，ITU對 IPTV的丟包率標準為 8Mbps 的高清直播視頻網絡丟包率須低于1.28×10-6；華為《體驗驅動的 4K 承載網白皮書》和《8K超高清視頻全光品質承載技術白皮書》給出的 4K 和 8K 視頻的丟包率標準為超過 30Mbps的 4K 直播節目網絡丟包率須低于 10-6，超過120Mbps的 8K 直播節目網絡丟包率須低于 5×10-7；工信部 2011 年發布的《IPTV質量監測系統技術要求》中，對 IPTV 高清數字電視業務丟包率的可接受標準為直播丟包率要求是 5×10-4，IPTV組播方案的網絡建設指標一般參考這個標準。因為當時的IPTV采用的是TCP+ 單播的丟包率要求，而TCP是可重傳機制，所以標準上比現在低?，F在，IPTV 采用的是UDP+ 組播的方式，而這個標準實際上已滿足不了超高清的傳輸要求。廣電行業要求的丟包率是按照《有線數字電視系統技術要求和測量方法》中對有線電視網絡 HFC 的要求設立的，即糾錯后誤碼率低于 10-11 ，換算到 IP 丟包率，大約是 188×7×8×10-11 ≈10-7。從這些數據來看，廣電行業的標準要求無疑是高的。廣電新的萬兆 IP 廣播標準的誤碼率指標更是達到10- 12 ，遠遠優于電信行業和互聯網行業。
 
2.3  接入網采用無源光網絡技術 (PON)傳輸直播節目的問題
       因采用無源光網絡技術來建設下一代廣電接入網，故基于 IGMP/MLD 協議的 IPTV 組播方案成了廣電行業關 注的重要方案之一。
       IPTV 組播方案采用 UDP+ 組播方式傳輸直播視頻流，直播視頻流的 UDP 報文必然經過多級 IP 交換設備，包括 GPON/10GPON OLT。10GPON OLT 的下行流量出口是下聯口(PON口)，對于每個 10Gbps 速率(線 速 度) 的 PON 口而言，都有多個 10Gbps 上聯口作為流量入口。如圖1所示，對于每個 PON 口，入口線速度之和是3×10Gbps，出口線速度是10Gbps。因此，這是典型的“入口線速度之和大于出口線速度”的場景，報文需要在緩存隊列緩存。這種場景下，遇到報文突發就會造成丟包。通常，網絡設備的緩存低于 50ms，而報文的突發強度一般在 20ms~50ms，這樣就很容易造成丟包。此時，只有降低鏈路利用率才可以降低丟包率。
 
 
       根據華為《體驗驅動的 4K 承載網白皮書》給出的丟包率和鏈路利用率關系圖可知，在網絡緩存為 50ms 的情況下，只有鏈路利用率低于70%時，丟包率才可接受。實測 OLT 在同時承載視頻業務和數據業務時，較重負荷下的丟包率情況，具體如表1所示。
       實測結果表明，OLT要滿足丟包率低于10-6，預留空閑帶寬占比(預留空閑帶寬占比 = 100% - 鏈路利用率) 需超過35%，這與華為《體驗驅動的 4K 承載網白皮書》中“鏈路利用率低于 70%”的理論數據接近。
因此，采用 IPTV 組播方案承載直播電視業務時，由于其固有的網絡結構，如果要滿足直播視頻傳輸要求，就要在鏈路上預留超過30%的空閑帶寬。這也是電信行業 GPON 網絡運營綜合業務時，需要經常關注各個 OLT 的帶寬占用，如果達到70%鏈路利用率，就必須及時擴容的原因。而廣電網絡，因為直播視頻走獨立通道，所以雙向接入網絡的鏈路利用率則不用太關注，其常?？梢赃h高于70%，甚至超過90%。   
 
3、安全播出問題
       當前，網絡攻擊事件正在全球頻發，網絡與信息安全風險與日俱增。廣電運營商是數字信息基礎設施的建設者、運營者和安全守護者，承擔著維護國家網絡安全空間的責任和義務。例如，2018年平昌冬奧會的 IPTV 系統因受到攻擊而不得不停播；2022年9月，美國國家安全局先后使用41種專用網絡攻擊武器裝備，持續對西北工業大學開展攻擊竊密，竊取該校關鍵網絡設備配置、網管數據、運維數據等核心技術數據，其中，內部滲透的攻擊鏈路達1100余條。網絡空間已經成為大國較量的新戰場，這些都給我們廣電網絡敲響了警鐘。
 
3.1  國家安全播出標準
       國家廣播電視總局對有線電視安全播出和網絡安全的重視程度有增無減，陸續出臺了安播和網絡安全規范，這體現了對廣播電視安全播出和網絡安全的高度重視?！稄V播電視安全播出管理規定》內容要點匯總 如表 2 所示。
   

	要素	主要含義	要點
安全播出 定義	內容完整	完整并準確地播出、集成、傳輸、分發廣播電視內容	播出、傳輸、分發過程要求完整、準確
	信號安全	電、光信號不間斷，高質量	信號穩定、不間斷
	網絡安全	網絡處于穩定可靠運行狀態，業務數據完整、保密、可用	網絡穩定，數據完整
	技術安全	參與人員的人身安全和廣播電視設施安全	人員和設施安全
基本保障	技術系統 配置要求	針對播出系統特點采取相應的防范干擾、插播、阻斷、篡改、攻擊 等惡意破壞的技術措施	針對系統特點采取防范干擾和攻擊等技術措施
日常管理	技術系統 運行管理	(1)按照廣播電視行政部門批準的節目、傳輸方式、覆蓋范圍以 及相關技術參數播出、集成、傳輸、分發、發射廣播電視信號； (2)播出質量、技術運行指標符合國家、行業有關標準	播出質量、傳輸方式以及技術參數，必須符合國 家、行業標準，必須得到廣電行政部門批準
應急管理	安播突發 事件分類	分為破壞侵擾事件、網絡安全事件、自然災害事件、技術安全事件、 其他事件五類；按級別分為特大、重大、較大、一般四個級別	事件分類包含破壞侵擾、網絡安全和自然災害等
	突發事件 處置原則	應當立即切斷異常信號傳播，并在可能的情況下倒換正常信號；阻 止有害信息傳播，及時恢復正常播出秩序，并向所在地廣播電視行 政部門和網絡安全有關部門報告	立即切斷異常、倒換正常；阻止有害信息，及時 恢復正常，并向上報告
	應急方案	投入必要的資金用于應急資源儲備和維護更新，在緊急狀態下，安 全播出責任單位應當確保重要節目安全播出	應急方案和資源準備，確保重要節目安全播出

 
       國家廣播電視總局頒布的《廣播電視網絡安全等級保護基本要求》，將有線電視平臺和基礎網絡定為第三級安全等級，要求非常嚴格。其內容要點的匯總如表3所示。
   

	要素	主要含義	要點提示
安全等級 保護概述	等級保護對象	等級保護對象根據其在國家安全、經濟建設、社會生活中的重要程度，遭到破壞 后對國家安全、社會秩序、公共利益以及公民、法人和其他組織的合法權益的危 害程度等，由低到高被劃分為五個安全保護等級	根據重要程度、遭到破壞后的危 害程度，分為五個等級
	第三級安全保護 能力	應能夠在統一安全策略下防護免受來自外部有組織的團體、擁有較為豐富資源的 威脅源發起的惡意攻擊、較為嚴重的自然災難，以及其他相當危害程度的威脅所 造成的主要資源損害，能夠及時發現、監測攻擊行為和處置安全事件，在自身遭 到損害后，能夠較快恢復絕大部分功能	防護擁有較為豐富資源的威脅源、 較嚴重自然災難。發現、監測攻 擊行為和處置安全事件，較快恢 復絕大部分功能
定級指南 要求	有線電視平臺	播出系統、互動系統、寬帶系統、運營支撐、媒資系統、制作系統，全省或跨地 市，定為第三級安全等級	全省或跨地市的互動系統、寬帶 系統，屬第三級
	集成平臺 (含 IPTV、 互聯網電視等)	播控系統、互動系統定為第三級安全等級，媒資系統、運營支撐系統、管理支撐 系統定為第二級	IPTV 和互聯網電視的播控和互動 系統定為第三級，媒資和運營支 撐系統是第二級(顯然低于有線 電視平臺要求)
第三級 安全要求	安全通信網絡之 網絡架構	(1)應保證網絡設備的業務處理能力滿足業務高峰期需要； (2)應保證網絡各個部分的帶寬滿足業務高峰期需要； (3)應劃分不同網絡區域，并為各網絡區域分配地址； (4)重要網絡區域與其他網絡區域之間應采取可靠的技術隔離手段；   (5)  應具備通信線路、關鍵網絡設備、關鍵安全設備和關鍵計算設備的硬件冗余； (6)應具備不同路由的雙鏈路接入保障	網絡設備和帶寬滿足高峰期需要； 重要網絡區域與其他網絡區域之 間應采取可靠的技術隔離；具備 線路和設備冗余；具備雙鏈路接 入保障
	安全區域邊界之 入侵防范	(1)應在關鍵網絡節點處檢測、防止或限制從外部發起的網絡攻擊行為； (2)應在關鍵網絡節點處檢測、防止或限制從內部發起的網絡攻擊行為；   (3)應采取技術措施對網絡行為進行分析，實現對網絡攻擊，特別是新型網絡 攻擊行為的分析；   (4)當檢測到攻擊行為時，記錄攻擊源 IP、攻擊類型、攻擊目的、攻擊時間， 在發生嚴重入侵事件時應提供報警	檢測和防止攻擊行為；及時采取 技術措施，實現對新型網絡攻擊 行為的分析
	安全計算環境之 業務連續性保障	(1)播出直接相關系統應保證節目傳輸鏈路的冗余， 并能夠在發生故障時切換；   (2)播出直接相關系統關鍵設備應配置冗余，當某節點設備出現故障時，切換 到備份設備繼續運行，切換過程不能對正常播出產生影響	傳輸鏈路要求有冗余，能夠在發 生故障時切換

 
3.2  IPTV 網絡架構和安全分析
 
3.2.1 IPTV 網絡架構
       部分廣電運營商和中國移動、中國聯通、中國電信三大運營商采用基于 GPON 網絡的 IPTV 方案。其主要特點是端到端全 IP 化、全光纖化；業務 混合傳輸(直播、點播、互聯網業務)；終端統一采用光貓(家庭網關ONU) 和 IP 機頂盒(無CA)。
       IPTV 組網架構如圖2所示。其中，RP 是匯聚核心路由器；SR 是業務路由器，負責 DHCP 分配、組播轉發及QoS 等功能。

3.2.2 直播流程
       IPTV直播主要采用組播技術。STB（機頂盒）要獲取 IP 地址，完成認證鑒權等一系列過程后才可以收看節目。直播流程步驟如下所示。
（1）STB（機頂盒）發起 DHCP請求。
（2）SR（ 業務路由器）為 STB分配 IP 地址。
（3）STB 發起到業務管理服務器（業管）的認證請求。
（4）業管根據機頂盒屬性分配至對應的能力平臺。
（5）STB 根據業管分配的能力平臺地址，向中心平臺申請調度。
（6）中心平臺為 STB 分配 ES（邊緣節點）地址。
（7）STB 向 ES 請求服務。
（8）ES 向 STB 推送 EPG（電子節目單）。
（9）用戶點擊EPG中的頻道A（組播G），STB 發起加入組播G的 IGMP Join消息。
（10）OLT 收到 IGMP Join 消息，向 STB 推送組播G。
（11）收視過程中，OLT 與 STB 保持雙向通信，OLT 周期性地發送通用組查詢消息進行成員關系維護，通過 IGMP 查詢和應答維護連接。
（12）結束直播收視時 STB 發送 IGMP 開消息，OLT 進行記錄。
3.2.3 IPTV 直播風險點
（1）邊緣節點的 SR 或 BRAS 可能受到攻擊而引起 DHCP 地址分配問題。
（2）中心平臺的業務管理服務器可能受到內、外網攻擊，從而引起認證異常。
（3）中心平臺各種業務服務器可能受到內外網攻擊，從而引起業務調度異常。
（4）ES 網絡設備和服務器可能受到內外網攻擊，從而引起 EPG 頁面異?；蚬澞客扑?/ 復制異常。
（5）OLT 本身可能受到流氓 ONU或 MLD 報文攻擊造成工作異常，無法為 ONU 提供正常連接或組播服務。
 
3.2.4 實際網絡安全案例
       IPTV 網絡架構本身源自面向公眾接入的寬帶互聯網架構。無論是數據通道（GPON/XG-PON），還是終端設備（ONU）、網絡側設備（OLT、SR、BRAS、邊緣服務器節點），抑或是中心服務器平臺，它們和寬帶互聯網平臺基本采用同一個架構，而且不同平臺的網絡互通點較多。因此，各種網絡安全事件幾乎都可以對 IPTV 網絡架構產生類似攻擊效果。我們在互聯網上搜集到36起網絡安全事件，并對這36起安全事件進行了一個簡單統計，具體如表4所示。
       從這些案例可知，網絡安全問題和網絡攻擊可以發生在網絡各個位置，而且出現的問題和攻擊的形式種類繁多，層出不窮?？梢哉f，只要是連接在雙向互聯網上，就存在被攻擊的可能性。  

位置分類	具體位置	數量
終端	ONU	2
	機頂盒	2
網絡邊緣	OLT	1
	BRAS	1
	CDN	19
業務平臺	服務器等	11

 
3.2.5 應對措施存在的問題
       參考廣電運營 IPTV 的部分省網和中國移動、中國聯通、中國電信三大運營商的已公開資料，IPTV 組播方案對于冗余和切換要求的處理方法主要采用部分 IP 阻斷方案和單組播切換方案。
       部分 IP 阻斷方案中，全 IP 播控平臺是一個交互式的系統，因此，接口性能存在上限。當出現接口請求瞬間異常大時，可能會造成系統接口壓力過大，在這種情況下，還會形成惡性循環，接口的請求會越來越大。因此，需要在網絡層面建立一個阻斷機制，以阻斷部分 IP 訪問，降低系統接口壓力，等接口壓力降低后再逐步放通。
       單組播切換方案中，全 IP 直播為降低推流壓力，對收視率高的頻道采取了組播方案傳輸；當網絡不穩定或故障時，可能會出現組播中斷情況，而單播對網絡的要求稍低。因此，機頂盒直播應用應增加組播中斷后自動切換請求單播的機制。
       2種處理方案中，部分 IP 阻斷方案采用的是“等待壓力釋放”和“逐步放通”。這2種方式會強行關停部分用戶的直播收視，部分用戶會被迫長時間的等待恢復；單組播切換方案在網絡不穩定或故障時，如果是因為有效帶寬不夠造成擁塞，此時用單播代替組播會增加系統帶寬負荷，從而加劇擁塞，無疑是“飲鴆止渴”。因此，IPTV 組播方案無法滿足《廣播電視網絡安全等級保護基本要求》中“切換過程不能對正常播出產生影響”的要求。
       除此之外，IPTV 組播方案為了確保直播節目高峰期的播出質量，必須預留30%以上的空閑帶寬，這就需要綜合采用多種運維手段。例如，采用OLT流量控制、BRAS 用戶限速、 服務器限制接入等來進行流量干預控制，這使得運維難度加大，難以做到《廣播電視網絡安全等級保護基本要求》中規定的“滿足業務高峰期需要”。
只要有聯網的軟件和系統，就會有攻防互搏，再加上技術升級，循環往復，沒有絕對的安全。因此，IPTV的直播需要持續投入大量資金和資源實施專業的防護并不斷更新安全技術手段，而且始終存在漏洞和隱患。
網絡安全防護是一個動態攻防、不斷更新的過程，沒有絕對的安全，只有越來越高超的攻防手段。IPTV 系統的安全性需要依靠專業的網絡安全防護，而這需要很大的花費。但即便如此，在不考慮代價的情況下，基于交互式組播的 IPTV 系統在安全播出和網絡安全方面仍然存在一些難以解決或者無法解決的問題。
（1）IPTV 系統不能完全滿足《廣播電視網絡安全等級保護基本要求》中的“業務連續性保障。播出直接相關系統關鍵設備應配置冗余，當某節點設備出現故障時，切換到備份設備繼續運行，切換過程不能對正常播出產生影響”。
（2）IPTV 規范未進入廣電行業標準，因此不符合《廣播電視安全播出管理規定》中的第十九條第二項“播出質量、技術運行指標符合國家、行業有關標準”。
（3）《廣播電視網絡安全等級保護定級指南》指出，IPTV 和互聯網電視的播控系統、互動系統定為第三級，運營支撐系統是第二級；有線電視平臺的播出系統、互動系統、運營支撐系統在“全國或跨省”和“全省或跨市”網絡下定為第三級。由此可見，IPTV 和互聯網電視的運營支撐系統的定級是低于有線電視平臺的。
因此，IPTV 系統雖然被中國移動、中國聯通、中國電信三大運營商普遍用于提供電視業務，但對于廣電行業而言，其在安全方面難以滿足廣電網絡的嚴格要求，落后于廣電網絡獨立廣播通道。
 
4、經濟效益分析
       在 IPTV 方案中，直播業務通過與寬帶業務共用通道來實現電視業務。高質量的組播傳輸對網絡要求極為苛刻，經測算，為了實現 4K 直播丟包率低于 10-6，雙向網絡鏈路利用率需要低于70%。也就是說，預留空閑需要達到 30% 以上，加上直播節目本身的流量，平均下來相當于40%的成本用在了直播電視業務上。換算到10G GPON 戶均成本，直播相當于占用150元；換算到 GPON 戶均成本，直播相當于占用110元。也就是說，IPTV 直播電視業務成本實際上高于所有規范（RF-Overlay、I-PON 等）的獨立廣播通道方案成本（戶均 50~70 元），而 IPTV 組播視頻傳輸質量卻低于所有獨立通道廣播。
       如果采用 10G PON 建設接入網，需要有 40% 的網絡資源用于保障直播節目傳輸質量，雙向可用寬帶就剩下60% 可用，在雙向效能上，已經接近于32分光的 GPON 寬帶效能，這是資源的極大浪費。而且，隨著視頻產業的發展，4K、8K、VR 等超高清視頻節目會逐漸增多，視頻業務對寬帶的占比就會逐漸增大，從而帶來繼續投資進行網絡升級的壓力。因此，采用無源光網絡技術（PON）的 IPTV 方案來建設廣電的直播 IP 網并不符合廣
電資金缺乏的現狀。
 
5、結語
       綜上所述，構建廣電直播 IP 網如果參考 IPTV 的直播方案，運營過程中將面臨傳輸質量、安全播出、投資收益比低等諸多問題，很難滿足廣電網絡的多方面要求，也不符合廣電的現狀?，F如今，視頻產業已經進入 4K、8K、VR 超高清視頻時代，這也是廣電網絡延續優勢、逆襲而上的新機遇。所以，有線網絡不僅僅需要建設一個光纖化、IP 化的雙向網絡，更需要找到一種符合廣電網絡現狀，能夠滿足廣電行業一貫高要求，并能凸顯廣電差異化競爭優勢的技術方案。