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IPTV（網絡電視）測試應用場景介紹

2008/08/13

1引言

　　截至2007年6月，全球范圍內已經有超過200個包括設備制造商、運營商在內的用戶在使用IXIA所提供的業(yè)界領先的IPTV測試解決方案。

　　不同的用戶對IPTV測試關注的重點也有所不同，IXIA整體的IPTV測試解決方案包括IPTV網絡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，包括兩個方面：設備制造商研究開發(fā)IPTV相關網絡設備（VOD服務器，IPTV網關，DSLAM，IPTV組播交換機和路由器等）所需要進行的設備性能測試；運營商在實驗室建立模擬環(huán)境，驗證所規(guī)劃的網絡是否能夠很好地承載IPTV業(yè)務的系統測試。

　　圖1是一個典型的IPTV網絡，IXIA可以提供整個系統端到端的業(yè)務測試以及系統的各個組成部分的設備性能測試。主要包括VOD視頻服務器測試；組播視頻流質量測試；頻道切換時間測試；網絡承載視頻能力測試；邊緣網絡測試；接入網絡測試；網絡視頻流被動監(jiān)測與質量分析測試以及網絡架構中DNS，DHCP，LDAP，RADIUS等各種服務器的性能測試。本文主要對最常見的測試應用場景做一介紹。

2 常見IPTV測試應用

2.1 VOD業(yè)務測試

　　VOD業(yè)務通常采用點播方式進行傳送，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RTP/UDP或者UDP協議直接承載并傳送，并通過RTSP協議自由控制節(jié)目的進度，終止節(jié)目的播放。但每個點播用戶都需要占用一定的網絡帶寬，因此并發(fā)用戶數受到網絡帶寬、服務器性能的限制。

　　和VOD業(yè)務相關主要有3個協議，RTSP（Real Time Streaming Protocol）是一種會話控制協議，用于在IPTV網絡中傳送（如VOD業(yè)務的實時交互內容），該協議基于TCP以保證可靠的控制信令傳送。RTP(Real Time Protocol)是一種無狀態(tài)的媒體流傳送協議，用于傳送多媒體內容，該協議基于UDP或者TCP。MPEG TS（MPEG Transport Stream）包括多元的語音和視頻流封裝并承載在RTP/UDP或者直接在UDP上進行視頻傳送。并且通過PID進行語音和視頻的同步。TS流分為單節(jié)目的TS流（SPTS，Single Program TS）和多節(jié)目的TS流（MPTS，Multiple Program TS）兩種（見圖2）。通常情況下，一個UDP或者RTP/UDP數據包中，可以包括1~7個TS幀，一個TS幀長為188個字節(jié)。每個IP包里面包括整個或者部分視頻圖像信息。


　　VOD業(yè)務性能的測試指標主要有最大并發(fā)視頻流數量、每個視頻流的質量、帶寬波動、所使用的平均帶寬、丟包率和平均響應時間等。需要說明的是，下面定義的指標有的是被業(yè)界廣泛認可和接受的指標，有的是和協議相關的術語。兩者的有效結合，可以全面評估相關設備對VOD業(yè)務的承載能力。

　　最大并發(fā)視頻流數量是指視頻流系統在同一時間內所能夠支持和處理的最大在線用戶數目，且要求每個用戶都可以在保證視頻質量的情況下正常收看完整的視頻節(jié)目。在用戶數目逐步增加到最大值之前，系統不會使已經在線的用戶因為新增加了用戶而出現不能獲得服務的情況。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，由于用戶大都采用TCP協議以保證可靠的控制信令傳送，因此重傳以后并發(fā)流數目并沒有降低，但是對于原來已失敗的視頻流而言，這些用戶已經無法繼續(xù)得到視頻服務。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、能夠同時在線正常觀看節(jié)目和保證視頻質量的最大用戶數目。這也就需要在網絡的接入部分對VOD視頻流提供相應的服務質量（QoS）保證。

　　視頻流質量是指視頻流在網絡中傳輸由于網絡的各種損傷對視頻流造成的影響，評定視頻流的質量一般有兩種方法和指標：一種從網絡層進行評定的MDI以及采用各種客觀指標對視頻質量主觀評定的

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


　　（1）帶寬波動：視頻流一般有CBR和VBR兩種。常見的MPEG-4和H.264就屬于VBR類型。視頻文件在播放過程中，由于畫面的變化會造成媒體流的帶寬變化。CBR節(jié)目碼速率比較恒定，帶寬波動相對較小；對于VBR類節(jié)目而言，連續(xù)的畫面前后變化較大，故節(jié)目碼速率變化也相應較大，帶寬波動也隨之較大。節(jié)目碼速率波動的大小對視頻服務器的吞吐量是個嚴峻的考驗，如果過多的用戶點播較高碼速率的節(jié)目，則很有可能出現服務器所能支持的用戶數減少的現象，或者視頻服務器會降低節(jié)目流的輸出帶寬。

　�。�2）所使用的平均帶寬：在用戶觀看節(jié)目過程中所有用戶使用的帶寬平均值。該值越大說明流媒體視頻系統所能提供的帶寬能力越強。

　�。�3）丟包率：用戶在接收視頻點播服務的時候需要從服務器獲取視頻文件，在視頻文件傳輸過程中是否發(fā)生丟包的情況。丟包率的數值一般比較小，但是對用戶的影響非常大，是影響視頻質量的殺手，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影響到用戶的觀賞甚至出現視頻不清楚、馬賽克或者斷掉連接的現象。在沒有機頂盒對視頻流做數據包補償的情況下，視頻點播端到端的丟包率上限不應該超過0.001%。

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

　　從測試對象上來說，設備制造商主要用VOD業(yè)務評估視頻服務器的性能，另外還用來驗證接入和匯聚網絡設備對VOD視頻流的QoS保障能力。對于運營商來說，主要驗證IPTV網絡對VOD業(yè)務的承載能力。本文主要介紹視頻服務器的測試。

　　測試視頻服務器，除了關心上面介紹的指標之外，還有下面指標：連接（Connection）一個采用3次TCP握手建立起來的TCP連接。并發(fā)連接數（Concurrent Connections），客戶端和服務器端建立起來的多個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Mbit/s，通常高碼流速率有更好的視頻質量。有效帶寬（Effective Bandwidth）包括協議信息開銷的數據速率，有效帶寬總是大于視頻碼流速率，并且和數據鏈路層技術以及傳輸層所采用的協議有關。

　　IXIA視頻測試方案可以很好地對VOD視頻服務器進行支持，由于目前各個廠家對VOD業(yè)務所采用的RTSP控制協議進行了不同程度和不同方式的修改和定制，要和VOD服務器進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的流程進行靈活定制和調整，支持RTSP各個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服務器進行互通并進行性能測試。這是IXIA在視頻服務器測試方面非常重要的特性。目前，IXIA是Seachange公司視頻服務器認證的測試工具�？梢院蚑hompson，Bitband，Harmonic，Darwin以及Windows Media Server等業(yè)界常見的視頻服務器互通并提供性能測試。圖3是VOD服務器交換過程與IXIA進行性能測試示意。


2.2 視頻組播測試

　　TV節(jié)目通常采用組播方式進行傳送。組播是一種允許一個或多個發(fā)送者（組播源）一次同時發(fā)送單一的數據包到多個接收者的網絡技術。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，即使用戶數量成倍增長，主干帶寬也不需隨之增加，因為無論有多少個目標地址，在整個網絡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，減少了主干網出現擁塞的可能性。對于TV系統而言，其所能夠支持的用戶數目僅僅受到接入網絡能力的限制，與前端推送系統的推送能力無關。因此，TV業(yè)務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、平均頻道切換時間、I幀加入延時、平均頻道離開延時、平均頻道加入延時、頻道重疊時間和頻道間隔時間。

　�。�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，用戶能夠在很短的時間內遍歷所有的頻道。

　�。�2）頻道平均帶寬：每個頻道節(jié)目所占用的帶寬。標清節(jié)目（SDTV）和高清節(jié)目（HDTV）所占用的帶寬不一樣，HDTV節(jié)目所占用的帶寬遠遠高于SDTV節(jié)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）平均頻道切換時間：從發(fā)出IGMP Leave消息直到接收到所請求頻道的第一個組播包之間的時間。由于在IP網絡上TV節(jié)目的頻道切換只能通過IGMP來實現，相比之下，傳統電視機的頻道切換則要快很多。因此，根據個人主觀感覺，通常IPTV頻道切換時間不應超過2s，否則用戶難以忍受頻道切換的等待時間。目前，IPTV頻道切換時間過慢也是急待解決的重點問題。由于處理IGMP主要由接入設備來進行，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，本文也會重點討論。

　　（4）I幀加入延時：客戶端發(fā)出觀看節(jié)目的請求成功，并不意味著視頻流已經送達到用戶的接收終端上，視頻幀有3種，承載整個圖片信息的I幀、通過前面的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，才表示用戶看到了視頻節(jié)目，才是真正的頻道切換成功。因此，得到I幀加入延時對于頻道切換時間的測試才更有意義。

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

　�。�6）頻道重疊時間：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，則頻道重疊時間即指接收到所請求頻道的第一個組播包與接收到原頻道的最后一個組播包之間的時間間隔。

　　（7）頻道間隔時間：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，則頻道間隔時間即指接收到原頻道的最后一個組播包與接收到所請求頻道的第一個組播包之間的時間間隔。

上述和頻道切換相關的定義，可以參考圖4。



　　頻道切換時間的快慢直接影響用戶對IPTV業(yè)務的體驗質量（QoE）。所以對IPTV網絡中處理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在測試頻道切換時間方面具有顯著特點： 　　上述特點決定了IXIA的IPTV頻道切換時間為業(yè)界最優(yōu)的、最真實的測試方案，并在設備制造商和運營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越多地承載語音和IPTV的業(yè)務流量，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不能滿足其對新型業(yè)務承載能力的要求。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，在用戶側配置PPPoE接口，同時使用不同VLAN區(qū)分數據、語音和視頻的流量，并對不同類型的業(yè)務流量配置不同的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)務的承載能力，同時得到用戶體驗（QoE）的各項指標。

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

2.4 IPTV系統視頻流質量被動監(jiān)測

　　另外一種常見的應用場景是對網絡中存在的IPTV組播流和單播流能夠進行被動實時監(jiān)測并能夠評估相應視頻流的視頻質量。IXIA獨特的視頻流提取模塊AFM支持該特性的測試（見圖6）。



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

　　流提取模塊以串聯的方式與以太網鏈路相連，而IP數據包則通過該以太網鏈路提取。兩個雙介質（銅纜和光纖）兼容以太網測試端口用于互相連接。串聯的測試端口承載網絡數據傳輸，而不改變以太網鏈路的網絡特性。提取的數據包流都將經過鏡像處理，然后被轉發(fā)到第3個千兆以太網標準兼容的監(jiān)視器端口，該端口可連接到外部設備以便進行數據包流分析。這種測試方式，真正實現了視頻質量主觀和客觀評定的有效結合，在得到視頻流各個用戶體驗質量客觀指標的同時，還可以實時主觀地觀看視頻節(jié)目質量。這是目前最為全面、最為有效的視頻質量評定方式（見圖7）。



2.5 MS IPTV系統測試

　　微軟IPTV的實現特點結合了業(yè)界的一些技術特點并且增加了微軟公司特有的一些協議。運行在微軟公司平臺上的一些高性能服務器在運營商的網絡上，為用戶提供內容存儲和高效的視頻分發(fā)服務。在MSTV系統中，主要有獲取服務器和分發(fā)服務器兩種類型（見圖8）。



　　獲取服務器（A-Server，Acquisition Servers）是從本地或者遠端的視頻源實時獲取內容并提供視頻組播服務。分發(fā)服務器（Distribution Servers）是用于從運營商網絡中的多個采集點分發(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間。在用戶側的IP機頂盒則運行微軟公司獨有的軟件和協議以保證最優(yōu)的性能。

　　MS IPTV本身的私有性和復雜性給測試帶來了挑戰(zhàn)，為此，IXIA專門開發(fā)了針對MS IPTV的測試方案，主要特點包括：

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

　�。�2）獲取服務器仿真，可以從網絡中獲取組播視頻流。

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

　　通過IXIA MS IPTV測試方案，可以評估MS IPTV部署網絡環(huán)境中的頻道切換時間，包括單播加入和單播到組播的延遲；可以評估網絡承載微軟協議下的視頻流、語音和數據流的能力；可以評估業(yè)界認可的客觀視頻流質量評定指標MOS_V和RFC4445規(guī)范的MDI指標。

3 結束語

　　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包括：
  1. 支持真實視頻流存在的頻道切換時間的測試，支持I幀加入延遲測試。

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

  3. 視頻質量的主觀與客觀結合的評定方式。

  4. 視頻質量的Full-Reference 分析——PEVQ。

  5. 視頻流的監(jiān)測和質量分析（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全面領先的測試解決方案，可以十分方便地實現Triple Play網絡端到端的性能測試、VOD視頻服務器的性能測試、IP DSLAM和IGMP Switch的性能測試以及IP機頂盒(STB)的測試。為網絡設備制造商IPTV網絡設備研發(fā)以及運營商IPTV網絡業(yè)務承載能力評估提供有力地幫助。

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