随着交互式网络电视(Internet Protocol Television, IPTV)的迅速发展, 其自身的开放性、交互性、多样性等特点, 使得在开展IPTV业务的过程中, 会出现比传统电视节目更为严重的故障。

由于IPTV依靠网络进行节目的实时传输, 因此需要有较大的带宽支持。而且IPTV通过网络进行数据传输, 攻击者只需通过网络便可传播有害内容, 而无需攻击卫星信道这种专业通信方式, 攻击手段也更为隐蔽, 成本消耗更低。此外, 运营商的某些行为如私自增加隐藏频道、未经允许插播节目等, 会出现大量的违规节目, 从而导致信息安全方面存在一定的隐患。由于IPTV业务的逐渐发展且影响力日趋增大, 因此针对IPTV业务的监管也显得更为重要。

我国对IPTV系统的监管, 主要由两大部门共同完成:一是国家广播电影电视总局(简称“广电总局”), 二是中华人民共和国工业和信息化部(简称“工信部”)。其中, 电信运营商, 也就是工信部下属单位, 主要针对网络安全、质量等方面, 而对于节目内容的监管并不关心; 而广电总局的监管主要着重于节目内容质量、播出安全等方面。因此, 对IPTV的监测需要从内容、质量及安全3个层面进行考虑。

与传统的数字电视相比, IPTV系统更为灵活。这种灵活表现在不仅可以提供电视节目和一些热门的电影, 还能提供多种多样的增值服务。IPTV依靠网络来传输数据, 不会出现模拟电视失真的现象, 但如果网络不够稳定, 则会出现丢包, 因此在设计时需要考虑丢包及包的顺序等因素。目前市场上也有IPTV网络测试仪, 若在各个网络节点处部署, 则数量过于庞大, 且价格昂贵。

因此, 在系统设计时, 需要满足以下几个功能需求:一是能够采集电子节目菜单(Electronic Program Guide, EPG)信息, 自动检测违规节目, 调整报警门限值; 二是在发现直播异常时能自动报警并且显示故障类型, 定位故障点; 三是能够查看并下载故障节目, 实现多路节目同时监测。此外, 整个系统也要便于工作人员操作和维护, 且易于扩容。

针对IPTV系统的监测方案已有大量的研究成果, 文献[1]将IPTV监测系统分别从信源、播出、传输和用户抽样等方面进行了监测。但在此方案中, 位于用户端的解调器到数字用户线接入复用设备(Digital Subscriber Line Access Multiplexer, DSLAM)中间可能会因为DSLAM部分设备的不稳定而出现掉线等严重故障。究其原因, 就在于其设备上组播复制的技术还不够成熟。

文献[2-3]提出采用专家系统来对IPTV业务质量情况进行实时监测。此方案在业务处理上较为智能, 但也有不足之处:首先, 要有大量数据的知识库才能使得专家系统有一定的参考价值, 而知识库的建立需要花费一定的时间; 其次, 由于推理机在处理过程中需要对使用人员提出问题, 以此来确定具体所需解决的问题, 而在此过程中, 若使用人员对问题情况描述不够清晰, 则会导致无法快速准确地找到问题所在。

文献[4]提出在国家级、省级和地市级形成监测网, 以监测网分层的形式达到对全国IPTV平台的监测。此方案在地级市监测中心建设的可行性较高, 但由于涉及不同的省份以及众多的地区, 具体实施的难度较高。文献[5]采用一种基于标记识别的内容监管方法, 引入带密钥的散列函数(Hash)概念, 实现对IP电视系统内容的监管。该方案使用密钥来验证用户身份, 但在选择密钥上是否为动态类型、如何获取密钥以及密钥的管理等方面有待完善。文献[6]采用在网络侧部署硬探针和在机顶盒部署软探针的方式, 对节目源以及机顶盒播放的视频质量进行监测。但目前针对机顶盒软探针的标准还未统一, 因此由软探针提取的数据而得到的平均主观得分(Mean Opinion Score, MOS)算法会有所不同。

文献[7]提出在中心平台和用户家中部署带有信令分析功能的测试仪。由于测试仪需要放入用户家中, 这对广电总局来说是一个艰巨的任务, 需要为众多用户家中安装此仪器; 且现有的用户也颇多, 如何能够在管理中心平台对测试仪上传回来的数据进行管理也是一大难题。文献[8]采用C/S的架构, 利用核心交换机, 在前端设置监测点以实现从传输层、码流层和视音频层的全面信号监测。此方案需要考虑整体性, 若系统想要升级, 可能需要再做一个全新的系统, 且不利于维护。文献[9-10]通过在IPTV网络关键处布置节点, 采用主动监测和被动监测的方式, 对IPTV业务质量进行监测。此方案中只对各个网络节点的视频质量以媒体传输索引(Media Delivery Index, MDI)指标作为参考进行监测, 缺少了对节目内容的监测。

上述文献均对IPTV系统的监测提出了解决方案, 但都存在着一些不足之处。考虑到IPTV监测系统的实际情况与设计原则, 急需一个能够针对IPTV系统进行全面监测的解决方案——不仅能够提高IPTV的监测效率, 而且具有高可靠性, 方便维护。在设备出现任何问题或者想要升级时, 能够轻松更换设备或者升级程序, 且能够将各种状态实时上传至监管平台, 便于工作人员查看和处理。

本文根据上述各个IPTV监测系统的特点和广电总局颁布的《全国IPTV监管平台技术方案》的要求, 以及文献[11-16]中各个监管平台建设的情况, 针对用户终端监管前端进行了设计。结合系统的实际需求, 将嵌入式系统应用于IPTV监测系统中, 提出了同时监测IPTV系统8路节目的方案。此方案不仅能够提升监管效率, 加强系统的运行效率, 而且能够降低硬件成本。

本监测系统部署在用户终端监管前端处, 其网络架构如图 1所示。

图 1 IPTV监测系统用户终端监管前端网络架构

采用嵌入式设备向IPTV服务器请求采集EPG信息, 检测是否存在违规节目, 并对解析EPG信息得到的数据包进行监测, 将EPG信息、告警信息、违规节目等相关数据通过专网上传至监管平台, 确保用户终端这一最后环节的业务质量。监管平台接收来自用户终端监管前端的数据, 并对这些数据进行统计汇总。工作人员可以通过点击网页界面上的模块来查看各种统计结果、上传的数据以及告警信息, 及时了解故障站点和故障原因, 避免造成危害或引起用户的不满。

本系统将嵌入式板卡装载于嵌入式机箱, 其硬件设备主要部署在用户终端监管前端。硬件设备主要包含了嵌入式机箱、嵌入式主控板和嵌入式解码板。嵌入式解码板单板卡包含8个独立的解码小板, 可完成对H.264, MPEG-2, AVS等多种视频格式的解码, 也可同时对8路信号解码。整个系统的硬件结构如图 2所示。

图 2 硬件系统结构示意

当嵌入式主控板通过以太网交换机接收到IP数据包后, 下发指令给嵌入式解码板接收IP数据包开始解码, 解码之后得到的视音频信号由嵌入式主控板进行参数和内容的监测。嵌入式主控板的主要工作是:将采集到的EPG信息上传至监管中心, 检测节目是否存在隐藏频道和新增节目等, 对解码后的视音频内容进行监测, 查看是否存在静帧、黑场、彩条等异态, 以及对视音频信号以H.264的格式重新编码, 并通过网络进行存储, 同时上传至中心监管平台, 以备后续中心监管平台的回放和历史查看。

本系统的软件部分包括了EPG数据采集模块、违规检测模块、解码模块、视音频监测报警模块、编码模块、存储模块和数据对接模块。软件系统功能实现框图如图 3所示。图 3中, 部署在用户终端监管前端处的监测系统对IPTV节目进行EPG数据采集、违规检测和节目内容监测, 一旦发现异常则立即报警, 并将报警信息通过专门的数据接口上传至监管平台。监管平台对收到的数据进行统计和汇总, 以网页界面的形式让工作人员通过点击相应的模块将指令下发给监管前端, 从而完成对监管前端的数据采集、节目内容的监测、故障信息的处理以及对平台的管理等工作。

(1) EPG数据采集模块采用网络爬虫技术采集用户终端的直播、点播和回看的EPG信息。

图 3 软件系统功能实现框图

(2) 违规检测模块对归类好的直播和点播的EPG信息进行违规检测, 采用纵向比较的方式, 查找是否存在隐藏频道、新增频道或节目。

(3) 解码模块解析EPG信息中的统一资源定位符(Uniform Resource Locator, URL), 对获取的IP数据包进行解码, 在解码过程中通过对数据包的解析来提取相关的字段信息, 再结合指标要求, 检测是否存在丢包和同步字节错误等现象, 提高解码效率。

(4) 视音频监测报警模块对解码后的视音频信号进行监测, 一旦发现存在视频或音频问题(如无音频、静帧、黑场等异态), 则立即告警, 并自动生成告警记录, 实时上传至中心监管平台, 以便平台工作人员进行故障查询、定位等操作。

(5) 编码模块将解码后的视音频信号以H.264的格式重新进行统一编码。

(6) 存储回看模块采用网络存储技术, 存储经过编码的流媒体数据。如果中心监管平台下发下载指令, 则可以提供节目监看和下载等功能。

(7) 数据对接模块用于与监管平台之间的数据传输, 响应平台下发的指令。

目前, 整个系统已应用于广西广播电视监测中心的IPTV监管平台。通过综合调试, 软件和硬件部分均运行稳定, 效果良好。在实际应用中, 工作人员可以通过点击界面模块对直播节目进行监看, 能够快速锁定故障点和故障类型, 及时发现点播节目中的违规节目, 验证了该系统的有效性、可靠性和稳定性。

本文针对IPTV监测系统的实际需求着手, 通过对现有方案的比较分析, 提出了一套经济实用且高效的IPTV监测系统解决方案。该方案不仅提高了系统的运行效率, 降低了硬件成本, 而且便于工作人员及时发现和锁定故障, 其应用价值较高, 应用前景广阔。