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【摘要】本文阐述了当前开展多媒体数据服务的迫切需要，详述了利用现有的两大主要传输网络——有线电视网络和基于 IPv4 协议的 Internetr－－进行多媒体数据服务所存在的本质缺陷。在此基础上提出了在 IPv6 上实现多媒体数据服务的可能性，并提出了基于 IPv6 组播方式的视频广播／点播系统。
1、Internet 上多媒体应用的需求
随着Internet的发展和普及，上网已经成为现代人们日常生活的一部分。目前网络所提供的服务虽然较前几年丰富了很多，但是基本上还是停留在电子邮件和主页浏览以及文字交谈的服务上。虽然主负的形式和内容越来越丰富多彩，但是从本质上来说并没有出现质的飞跃，网上的主要信息还是来自于文本和静态图像。
出现上述情况的主要因素在于目前的 Internet 还是基于窄带网络，从根本上无法实现大数据量的传输，这是造成网络服务无法突破的瓶颈。
可以看到，目前的网络发展有两方面的趋势：用户数量的急剧增长和网络服务的多媒体化。甚至在将来很长的一段时间内，这也是一个不可逆转的趋势。人们将越来越注重交互式的多媒体信息服务。要实现这一点要具备两方面的条件：高网络带宽和适用于多媒体信息传输的协议。两者分别属于硬件和软件的要求，相辅相成，缺一不可。
基于Internet的多媒体应用很广泛，包括网上的视频点播和广播、语音电话、交互式电视会议系统、远程教育、远程医疗、交互式3D游戏、网络图书馆等。但是我们可以看到，这些应用中有很多项的核心技术都是音频规频信息在网络上的传输。而这一核心技术在视频广播和点播系统中可以得到最好的体现，因此本文着重讨论视频广播和点播的问题。
2、目前进行视频广播存在的问题
在目前的网络条件下，进行多媒体视频/音频广播的途径可以有两个：Internet上和有线电视网上。但是它们都存在难以克服的弱点，其中很多是由于这两个网络在早期设计时没有预料到今天的应用造成的，因此是网络固有的弱点，除了进行彻底改造之外很难克服。
Internet是在 90 年代初期发展起来的，基于的协议是IPv4，早期的Internet主要是用于科研目的，所以传输的数据主要是基于文本的，设计者并末考虑到后来商业公司的加盟和今天的规模。在多媒体信息需求日益增多的今天，现有的 Internet 虽然经过多次改造和带宽扩容，但是仍然无法满足现在和以后的需求[6］。
它的根本缺陷集中在以下几个方面：
（1）地址空间的严重不足和寻址方式的局限性。
（2）数据传输缺乏质量保证（QoS）。
（3）数据安全性难以保证。
（4）对组播功能支持有限，大多数只支持 IPv4 协议的路由器，并不支持组播。
相对于以上几点而言，带宽所带来的影响似乎还不是那么明显，因为我国的国情是Internet起步较晚，所以各地铺设的网络干线大多数都是采用光纤，某些新建的小区也采用光纤到户的方案。再加上不断扩容，我们有理由相信至少在某一个范围内带宽将不会成为发展的障碍。
由于Internet上用户数目的爆炸性增长，地址空间的局限在几年前就体现出来了。未来三网融合是必然的趋势，参与视频广播和点播的用户将是现在数目巨大的有线电视用户，所以现在的地址空间必然是不够用的。IPv4 采用 32 位的地址，因此无法克服这一问题。此外，lnternet上的视频广播和点播采用的主要技术将是组播，但是 IPv4 协议对于组播的支持很少，在实际应用中也缺乏具体实现，一个明显的地方就是基于 IPv4 的路由器很少有支持组播功能的。
目前很多人认为网络的瓶颈在于带宽，只要解决带宽问题，那么一切都解决了，其实这种观点是错误的。首先，网络带宽在很长一段时间内是无法完全满足每一个人的需求的，即使在光纤到户的情况下，对每一个用户提供相同质量的服务也是骨干网所无法承受的。事实上，未来的网络多媒体信息服务需要实现的是针对每一个用户的要求提供服务。例如，对于视频广播会议而言，用户会提出很高的实时性数据传输要求，不允许有较大的数据延时出现，对于视频点播和广播来说，则要求传输率不低于某一个数值，但是允许一定范围内的数据丢失。而对于电子邮件来说，则不允许数据有丢失现象，但是对于实时性要求则没有那么高。因此，针对不同的数据类型就可以采用不同的服务类型，所以也就有可能在当前有限的网络带宽下很好地实现多媒体数据通讯服务。实际上，上面所说的需求归结到一点就是多媒体通信对服务质量（QoS）的要求。
服务质量通常集中在以下四个方面：
（1）一定带宽需求。例如传输 MPEG-2的节目，则每一路节目的带宽为 6M 左右。
（2）较低的端到端延迟。对于视频节目而言，若是延迟太大就会造成节目的断续，这是用户无法接受的。
（3）延迟变化在一定范围内。若是变化太大，则接收端就会产生数据的上溢或者下溢，同样影响收看质量。
（4）误码率和接收的错误可以接受（无重传）。对于多媒体数据通信而言，重新传输是不可能的，那将会造成数据传输出现不可接受的大延迟。所以出现数据错误只能丢失，但是可以把它控制在一定范围内，使收看的用户可以接受。
网络的安全性同样是需要考虑的重点，特别是对于视频点播而言，一般采用的是用户点播加付费的方式，所以播放的节目应该都是加密的，否则就会被其他用户免费看到。其次，如果采用网上支付费用的话，用户数据的加密也是非常重要的。目前网络采用的加密方法大多集中在应用层，这种加密方法的安全系数是相对较低的。这是因为IPv4在设计的时候并未太多的考虑数据安全的因素。
3、有线电视网进行视频广播／点播存在的问题
针对当前电信网络存在的主要问题——带宽窄，有人提出了采用有线电视网络进行多媒体数据通信的可能性，它的优势在于网络带宽大，而且终端在每一家都已经铺设完成。所以在这个上面实现广播还是比较快的，但是要实现点播的话则困难得多，因为它需要上行信道实现用户点播信息的反馈。实现这一目的就需要对当前有线电视网络进行改造，从目前来看主要的方式仍然是对现有的HFC接入实现双向改造。但是这种改造的代价是很高的，目前只有经济较为发达城市的部分小区实现了这一改造。特别是对于双向传输要求很高的交互式视频会议等应用来说，利用目前的有线电视网络是难以实现的。
此外，有线电视由于缺乏软件灵活性（因为大多数的部件都是采用硬件实现的），采用的加密算法必然缺乏灵活性和多样性，被破译的可能性更大一些。
4、IPv6在多媒体业务时代的巨大优势
IPv6是下一代Internet将会采用的新的协议，它是在IPv4的基础上加以修改和扩充而形成的，目前正在加以推广应用。它可以有效地解决目前Internet上实现多媒体业务所存在的问题。目前在国际上已经有几个全球范围内的实验网，例如NGI，vBNS，Internet2，6BONE等骨干网。新一代的路由器也已经开始支持IPv6。
首先，从IPv4升级到IPv6，地址空间无论从容量上还是类型上都做了重大的改进。IPv6采用的是 128位的 Internet地址，这意味着地址空间将会是 3．4×1038，这足以为每一个移动设备都配置一个IP地址，所以不会再有地址捉襟见肘的现象出现。而且我们要看到，IPv6的地址变化不是简单意义上的规模扩大，更是对原有地址结构的修改。IPv6的地址结构可以提高选路效率，从而减轻路由器负担，提高数据吞吐量，这对于大数据量的传输是必须的。
此外IPv6加强了组播功能，组播的意义在于只有用户加入相应的组播组才能收到发给该组的信息，这对于视频节目的发送来说意义尤其重大。模拟电视中的频道概念就完全可以用组播组的概念来代替。而且组播组的范围可以包括同一本地网、同一机构网、甚至IPv6全球地址空间中的任何位置的节点。这就为网络多媒体信息服务提供了更大的灵活性。
IPv6对于 IPv4的最大革新之处在于它对于 QoS的考虑。 QoS的重要性在前面已经介绍过了。IPv6的包头结构有所变化，采用了业务流字段和流标签字段，业务流字段扩大到1个字节，这就可以定义256个级别的优先级，对各种多媒体信息根据紧急性确定数据包的优先级，从而保证每一项服务都能达到用户满意的质量。流标签的出现是因为原来的IPv4被描述为无连接的协议，IPv4为了让每一个包找到自己的路径以到达目的地址，同一数据流的包和包之间并没有相关性，所以中间路由器对于每一个包都是单独处理的，结果是同一个业务流的前后两个数据包可能是通过不同的路径到达目的地址的。对每一个包的独立处理，就会略微增加每一个包的处理时间，对于文件传输等应用可能影响不大，但是对于视频广播或者点播来说，延时的增加和不确定性会造成收看质量的严重下降。在IPv6中，同一个业务流的所有数据包采用相同的流标签，这样当路由器检测到相同的流标签的时候就采用相同的路径发出去，而不需要为每一个数据包重新选择路由，从而大大提高了数据包转发的效率，降低了端到端的延迟。
至于误码率的降低，则在硬件结构和协议一致的情况下与编码方式有很大的关系，目前采用较多的是MPEG－2的编码方式。
IPv6采用的加密方式是把加密信息放在IP层，这是数据传输相对较低的一层了，因此对于目前的应用层加密办法来说可以收到更好的效果。
采用Internet进行多媒体数据服务的另外一个优点，在于它可以提供更为完善的附加信息。虽然DVB标准规定了SI信息，但是由于有线电视的交互性有限，所以不可能像Internet那样提供丰富多彩的内容和关于节目的大量信息，而且由于实现上的难度（包括服务器对节目信息的组织盒用户机顶盒对下行数据流包含信息的检索），目前很少有功能完善的DVB，VOD系统出现。但是结合Internet以后就不同了，由于软件的巨大灵活性，使多媒体信息包含复杂的附加信息成为可能，特别是MPEG－2、MPEG－4、MPEG－7的出现，使多媒体信息的高效组织和检索利用成为可能。利用Internet实现目前有线电视网上DVB的电子节目指南（EPG）功能将更加简单有效，同时也能为用户提供更多的内容和选择。
5、具体的实现方式
就目前的情况而言，数字有线电视实现途径有两种：
第一种是所有的节目频道都被传送到用户的机顶盒，用户在机顶盒上选择自己所要收看的节目频道。这种做法比较简单，节目流的解复用是在机顶盒内完成的。目前大多数的数字有线电视系统采用的都是这种做法，用户端采用的是HFC接入方式。但是目前HFC不适合交互式的双向数据传输服务，进行双向改造的成本又过高。
第二种方式采用的是 SDV（Switched Digital Video）方式，它的主要应用场合是在光纤到路边（FTTC）然后同轴电缆到户的方式，受制于同轴电缆的带宽，只能有一路节目经由电缆到达用户的机顶盒。这种结构对于机顶盒要求简单，但是会大大增加主数字终端（光纤和分到每一家用户的电缆之间的设备）的复杂度［2］。
基于Internet的视频数据发送系统和第二种方式类似，到达最终用户接收端的也是一路节目，而不是把所有的节目都发送给用户。但是存在以下的不同之处：
（1）传送MPEG－2流数据的是IP包。
（2）节目数据的发送采用的是组播（multicast）方式。
（3）频道选择的办法是离开一个组播组而加入另外一个组播组。
控制用户选择组的办法是，使机顶盒发送一个组管理协议消息（IGMP）给组播路由器或者组播访问服务器，它负责用户加入或者离开一个组播组。实际上在每一个组播组内都有一个路由器充当查询器，通过发送组成员报文检查和更新组播组成员，这样就能随时根据用户的选择确定用户所在的组播组（在这里就是节目频道）[2］。
从骨干网来看，目前的千兆位网络能够同时容纳150个数字节目频道，每一个频道的带宽为4～6MHz，从用户接入端来看，因为只是单路节目进入用户家庭，所以并不需要光纤到户。但是至少25Mbit／s的VDSL接入是必要的，因为用户家里可能有多个电视和PC要同时上网。此外，对于将来要开通的高清晰度电视来说，这个接入速度也是必需的。
提供多媒体数字服务很重要的一点就是服务的质量，具体来说应该注意以下几个方面：
（1)高级的图像和声音节目质量至少不能比卫星电视节目差。
（2）频道选择延迟小，期望值在1秒以内。
（3）支持一般有线电视不提供的服务内容，例如视频点播。
（4）友好的用户使用界面。
良好的视频节目服务离不开一个完善的电子节目指南（EPG），它是用户使用多媒体数字服务的界面。一个完善的EPG可以使用户轻松地享受到多媒体数字服务带来的舒适和便捷，但是一个糟糕的EPG则会使用户失去耐心，从而放弃服务供应商所提供的服务。
MPEG-2定义了关于节目和服务信息的PSI表，但是并没有规定它的具体实现方式。这一方面是为了增大灵活性和给各个厂商留出一定的发展空间，在竞争中产生好的解决方案，另一方面也是因为当时还没有对多媒体信息较好的描述方法[4］。相信随着MPEG-7标准的制定，对多媒体信息的描述将更为准确和方便。
此外，DVB标准详细规定了数字电视节目的服务信息表（SI表），包括网络信息表（N99v）、簇关联表（BAT）、服务描述表（SDT）和事件信息表（E99v）等，通过它们可以较好地描述每一个节目以及相关节目[5]。在当前阶段，由于关于节目的信息大多数还是基于文本而不是基于多媒体对象的，我们可以参考DVB的SI表结构制定符合MPEG-2标准的节目描述数据结构，从而形成IP网上的EPG。它可以包括以下几个方面：
（1）某个时间范围内的节目列表。
（2）节目查询功能。
（3）简单的频道切换界面。
（4）视频点播界面。
（5）付费方式选择界面。
使用IP网进行视频数据传输存在的一个主要问题在于它的实时性，由于基于服务器和路由器的网络都是“软实时”的，它不像硬件实现的有线电视网那样是“硬实时”的，所以数据传输量可能在不同的时刻变化很大。如果把收到的数据直接播放的话，将会造成很差的播放质量。解决这一问题的做法是在路由器或者用户接收端实现数据缓冲，当然网络质量需要保证缓冲区不至于上溢和下溢，这在IPv6网络上做到并不是很困难的事情。
可以有三种做法实现较实时：
（1）硬性保证：用户指定的服务质量必须得到 100％的保证，要做到这一点一般需要网络带宽能够满足最大需求值。做到这一点代价很高，不是很现实。
(2）基于统计规律的保证：用户指定的服务质量能在一定范围内得到保证，特别是对于视频节目服务来说，往往不需要数据 100％的准确性。一定范围的的误码率和丢包率是可以接受的。
（3）尽量保证：这是最差的一种保证，除非带宽足够大，否则在这种情况下进行有质量保证的视频节目的发送是不可能的。但是，对于文本传输这种实时性要求不高的事务来说，准确性是最重要的，那么采用这种发送方式是正确的。
由于IPv6新增了对于服务质量的规定，采用第二种方式实现软实时是完全有可能的。路由器完全可以针对不同的业务流类别（数据流的业务流类别可以由用户来指定）采用不同的处理方式，从而保证用户的收看质量。
IPv6实现QoS的协议是IETF的资源保留协议（RSVP）。它允许一台主机要求来自特定的应用程序数据流或者流程（指可以由路由器或者数据转发主机辨别的相关数据包的流，在IPv6协议下就是拥有相同的流标签）的网络指定的服务质量。例如基于平均值的最大带宽，最大接收延迟，优先队列以及其他参数，主机也可以指定一个特定的网络服务级别，这类似于DVB中网络信息表的概念。
由此可见，在网络带宽、节目的EPG、数据传输的QoS以及相应的发送、接收软件都得到保证的情况下，目前在一定的用户规模下建立一个完整的基于 IPv6的视频节目广播／点播系统是完全现实的。
来源：ZDNet
