IPTV测试应用场景介绍

截至2007年6月，全球范围内已经有超过200个包括设备制造商、运营商在内的用户在使用IXIA所提供的业界领先的IPTV测试解决方案（http://www.catr.cn/ctu/cshdt/200707/t20070706_597416.htm）。

不同的用户对IPTV测试关注的重点也有所不同，IXIA整体的IPTV测试解决方案包括IPTV网络部署前的设备测试以及部署后的验收测试和日常维护测试。本文介绍的IXIA IPTV测试解决方案主要是针对部署前的测试，包括两个方面：设备制造商研究开发IPTV相关网络设备（VOD服务器，IPTV网关，DSLAM，IPTV组播交换机和路由器等）所需要进行的设备性能测试；运营商在实验室建立模拟环境，验证所规划的网络是否能够很好地承载IPTV业务的系统测试。图1是一个典型的IPTV网络，IXIA可以提供整个系统端到端的业务测试以及系统的各个组成部分的设备性能测试。主要包括VOD视频服务器测试；组播视频流质量测试；频道切换时间测试；网络承载视频能力测试；边缘网络测试；接入网络测试；网络视频流被动监测与质量分析测试以及网络架构中DNS，DHCP，LDAP，RADIUS等各种服务器的性能测试。本文主要对最常见的测试应用场景做一介绍。

图1  典型的IPTV网络组成

 

2  常见IPTV测试应用

2.1  VOD业务测试

VOD业务通常采用点播方式进行传送，各种编码的视频流，如H.264，MPEG-4，MPEG-2和VC-1等通常封装成传输流（Transport Stream）通过RTP/UDP或者UDP协议直接承载并传送，并通过RTSP协议自由控制节目的进度，终止节目的播放。但每个点播用户都需要占用一定的网络带宽，因此并发用户数受到网络带宽、服务器性能的限制。

和VOD业务相关主要有3个协议，RTSP（Real Time Streaming Protocol）是一种会话控制协议，用于在IPTV网络中传送（如VOD业务的实时交互内容），该协议基于TCP以保证可靠的控制信令传送。RTP(Real Time Protocol)是一种无状态的媒体流传送协议，用于传送多媒体内容，该协议基于UDP或者TCP。MPEG TS（MPEG Transport Stream）包括多元的语音和视频流封装并承载在RTP/UDP或者直接在UDP上进行视频传送。并且通过PID进行语音和视频的同步。TS流分为单节目的TS流（SPTS，Single Program TS）和多节目的TS流（MPTS，Multiple Program TS）两种（见图2）。通常情况下，一个UDP或者RTP/UDP数据包中，可以包括1~7个TS帧，一个TS帧长为188个字节。每个IP包里面包括整个或者部分视频图像信息。

图2  MPEG-2 TS流格式

 

VOD业务性能的测试指标主要有最大并发视频流数量、每个视频流的质量、带宽波动、所使用的平均带宽、丢包率和平均响应时间等。需要说明的是，下面定义的指标有的是被业界广泛认可和接受的指标，有的是和协议相关的术语。两者的有效结合，可以全面评估相关设备对VOD业务的承载能力。

最大并发视频流数量是指视频流系统在同一时间内所能够支持和处理的最大在线用户数目，且要求每个用户都可以在保证视频质量的情况下正常收看完整的视频节目。在用户数目逐步增加到最大值之前，系统不会使已经在线的用户因为新增加了用户而出现不能获得服务的情况。有的视频系统虽然能够提供数目巨大的并发流，但是失败的数量很多，由于用户大都采用TCP协议以保证可靠的控制信令传送，因此重传以后并发流数目并没有降低，但是对于原来已失败的视频流而言，这些用户已经无法继续得到视频服务。因此，最大并发视频流数量应该是视频系统所能支持的有效的、能够同时在线正常观看节目和保证视频质量的最大用户数目。这也就需要在网络的接入部分对VOD视频流提供相应的服务质量（QoS）保证。

视频流质量是指视频流在网络中传输由于网络的各种损伤对视频流造成的影响，评定视频流的质量一般有两种方法和指标：一种从网络层进行评定的MDI以及采用各种客观指标对视频质量主观评定的MOS_V，另一种是视频的全参考（Full Reference）质量评定。几种评定方面的简单比较如表1所示，相应指标的介绍可以参考《电信网技术》2007年第12期的《IPTV QoE测试指标概述》。

 

表1  各种视频质量评定指标比较

 

（1）带宽波动：视频流一般有CBR和VBR两种。常见的MPEG-4和H.264就属于VBR类型。视频文件在播放过程中，由于画面的变化会造成媒体流的带宽变化。CBR节目码速率比较恒定，带宽波动相对较小；对于VBR类节目而言，连续的画面前后变化较大，故节目码速率变化也相应较大，带宽波动也随之较大。节目码速率波动的大小对视频服务器的吞吐量是个严峻的考验，如果过多的用户点播较高码速率的节目，则很有可能出现服务器所能支持的用户数减少的现象，或者视频服务器会降低节目流的输出带宽。

（2）所使用的平均带宽：在用户观看节目过程中所有用户使用的带宽平均值。该值越大说明流媒体视频系统所能提供的带宽能力越强。

（3）丢包率：用户在接收视频点播服务的时候需要从服务器获取视频文件，在视频文件传输过程中是否发生丢包的情况。丢包率的数值一般比较小，但是对用户的影响非常大，是影响视频质量的杀手，尤其是目前使用的压缩比率都比较高，即使丢失很少的视频包也会影响到用户的观赏甚至出现视频不清楚、马赛克或者断掉连接的现象。在没有机顶盒对视频流做数据包补偿的情况下，视频点播端到端的丢包率上限不应该超过0.001%。

（4）平均响应时间：用户从发出点播请求到得到视频服务的时间总体分布情况。当然，平均响应时间是越短越好。一般而言，视频点播端到端平均时延不应超过2s。

从测试对象上来说，设备制造商主要用VOD业务评估视频服务器的性能，另外还用来验证接入和汇聚网络设备对VOD视频流的QoS保障能力。对于运营商来说，主要验证IPTV网络对VOD业务的承载能力。本文主要介绍视频服务器的测试。

测试视频服务器，除了关心上面介绍的指标之外，还有下面指标：连接（Connection）一个采用3次TCP握手建立起来的TCP连接。并发连接数（Concurrent Connections），客户端和服务器端建立起来的多个TCP连接。吞吐量（Throughput），被测设备发送或者接收数据的速率，单位为bit/s。视频码流速率（Video Bitrate）评估视频流信息内容的速率，单位为bit/s或者Mbit/s，通常高码流速率有更好的视频质量。有效带宽（Effective Bandwidth）包括协议信息开销的数据速率，有效带宽总是大于视频码流速率，并且和数据链路层技术以及传输层所采用的协议有关。

IXIA视频测试方案可以很好地对VOD视频服务器进行支持，由于目前各个厂家对VOD业务所采用的RTSP控制协议进行了不同程度和不同方式的修改和定制，要和VOD服务器进行互通有一定的难度，IXIA根据这一特定的测试要求，可以对RTSP的流程进行灵活定制和调整，支持RTSP各个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，这些灵活的特性可以保证IXIA能够和业界几乎所有的VOD服务器进行互通并进行性能测试。这是IXIA在视频服务器测试方面非常重要的特性。目前，IXIA是Seachange公司视频服务器认证的测试工具（http://www.catr.cn/ctu/cshdt/200710/t20071031_646571.htm）。可以和Thompson，Bitband，Harmonic，Darwin以及Windows Media Server等业界常见的视频服务器互通并提供性能测试。图3是VOD服务器交换过程与IXIA进行性能测试示意。

图3  VOD视频服务器测试过程示意图

 

2.2  视频组播测试

TV节目通常采用组播方式进行传送。组播是一种允许一个或多个发送者（组播源）一次同时发送单一的数据包到多个接收者的网络技术。组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。在IPTV里，组播源往往仅有一个，即使用户数量成倍增长，主干带宽也不需随之增加，因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条主干链路上只传送单一视频流，即所谓“一次发送，组内广播”。组播提高了数据传送效率，减少了主干网出现拥塞的可能性。对于TV系统而言，其所能够支持的用户数目仅仅受到接入网络能力的限制，与前端推送系统的推送能力无关。因此，TV业务性能的主要测试指标包括所推送的最大频道数目、频道平均带宽、平均频道切换时间、I帧加入延时、平均频道离开延时、平均频道加入延时、频道重叠时间和频道间隔时间。

（1）所推送的最大频道数目：流媒体系统所能够提供的最多频道数量，用户能够在很短的时间内遍历所有的频道。

（2）频道平均带宽：每个频道节目所占用的带宽。标清节目（SDTV）和高清节目（HDTV）所占用的带宽不一样，HDTV节目所占用的带宽远远高于SDTV节目的带宽。表2列出了MPEG-2和MPEG-4典型的标清与高清码流速率与应用。

 

表2  典型MPEG-2 和MPEG-4码流速率与应用

 

（3）平均频道切换时间：从发出IGMP Leave消息直到接收到所请求频道的第一个组播包之间的时间。由于在IP网络上TV节目的频道切换只能通过IGMP来实现，相比之下，传统电视机的频道切换则要快很多。因此，根据个人主观感觉，通常IPTV频道切换时间不应超过2s，否则用户难以忍受频道切换的等待时间。目前，IPTV频道切换时间过慢也是急待解决的重点问题。由于处理IGMP主要由接入设备来进行，所以测试接入端的组播交换机、组播路由器和DSLAM等设备的组播复制与处理能力是视频组播测试的重点，本文也会重点讨论。

（4）I帧加入延时：客户端发出观看节目的请求成功，并不意味着视频流已经送达到用户的接收终端上，视频帧有3种，承载整个图片信息的I帧、通过前面的I帧或P帧作为参考计算得到的P帧以及以I帧或P帧作为参考计算得到的B帧。只有在接收端收到I帧时，才表示用户看到了视频节目，才是真正的频道切换成功。因此，得到I帧加入延时对于频道切换时间的测试才更有意义。

（5）平均频道离开延时：从发出IGMP leave消息直到接收到该频道的最后一个组播包之间的时间。通常频道离开延时越短越好。

（6）频道重叠时间：如果系统频道切换采取接收到所请求频道的组播包之后才停止原频道的组播包的方式，则频道重叠时间即指接收到所请求频道的第一个组播包与接收到原频道的最后一个组播包之间的时间间隔。

（7）频道间隔时间：如果系统频道切换采取先停止原频道的组播包再接收所请求频道的组播包的方式，则频道间隔时间即指接收到原频道的最后一个组播包与接收到所请求频道的第一个组播包之间的时间间隔。

上述和频道切换相关的定义，可以参考图4。

图4  频道切换时间相关定义

 

频道切换时间的快慢直接影响用户对IPTV业务的体验质量（QoE）。所以对IPTV网络中处理IGMP请求报文的设备，比如边缘组播交换机、IP DSLAM或者组播路由器的组播复制与处理能力测试就显的尤其重要。IXIA在测试频道切换时间方面具有显著特点：

●一个测试可以得到和频道切换时间相关的所有指标，并且可以得到最为关键的I帧加入延时参数。

●可以基于每个视频流评定频道切换时间，也可以对整个系统的频道切换时间进行测试。

●可以仿真多个用户观看任意数量的频道，每个频道观看任意长的时间然后进行切换。

●支持“黄金时间”（Prime Time）的真实环境频道切换仿真。

●在测试频道切换时间时，采用的是真实的视频文件，可以同时得到每条组播视频流的视频质量，并且可以对相应的I，B，P帧进行统计。

上述特点决定了IXIA的IPTV频道切换时间为业界最优的、最真实的测试方案，并在设备制造商和运营商的测试中得到普遍应用。

2.3  宽带接入和汇聚设备的IPTV测试

由于宽带接入和汇聚设备越来越多地承载语音和IPTV的业务流量，因此对其承载能力也提出了更高的要求。传统的宽带接入和汇聚设备的测试方法已经不能满足其对新型业务承载能力的要求。在这种情况下，对相应的测试方法也提出了更高的要求。这就需要测试仪表能够仿真IPTV业务并且承载在PPPoE，DHCP，VLAN，Q-in-Q和IPSec等多种接入方式上。从图5测试DSLAM的示意可以看出，在用户侧配置PPPoE接口，同时使用不同VLAN区分数据、语音和视频的流量，并对不同类型的业务流量配置不同的ToS/DSCP等QoS优先级，采用该方式，可以全面评估DSLAM对三重播放业务的承载能力，同时得到用户体验（QoE）的各项指标。

图5  宽带接入和汇聚设备的IPTV测试

 

IXIA在实际的宽带接入和汇聚设备测试中，特点和优势非常明显，可以仿真真实用户的行为，比如PPPoE接入方式上运行HTTP和VoIP的流量，同时在Q-in-Q接口上运行IPTV业务，这种测试方式完全以家庭用户为单位，非常真实地评估宽带接入设备的性能。

2.4  IPTV系统视频流质量被动监测

另外一种常见的应用场景是对网络中存在的IPTV组播流和单播流能够进行被动实时监测并能够评估相应视频流的视频质量。IXIA独特的视频流提取模块AFM支持该特性的测试（见图6）。

图6  网络中视频流被动监测

 

IXIA的以太网流提取模块AFM1000SP是一种以千兆线速进行数据和媒体流分析的理想解决方案。该模块从以太网中提取IP数据包，并可在监视器中显示所提取的数据包以进行深入的数据包分析。

流提取模块以串联的方式与以太网链路相连，而IP数据包则通过该以太网链路提取。两个双介质（铜缆和光纤）兼容以太网测试端口用于互相连接。串联的测试端口承载网络数据传输，而不改变以太网链路的网络特性。提取的数据包流都将经过镜像处理，然后被转发到第3个千兆以太网标准兼容的监视器端口，该端口可连接到外部设备以便进行数据包流分析。这种测试方式，真正实现了视频质量主观和客观评定的有效结合，在得到视频流各个用户体验质量客观指标的同时，还可以实时主观地观看视频节目质量。这是目前最为全面、最为有效的视频质量评定方式（见图7）。

图7  使用AFM模块实时监测视频流

 

2.5  MS IPTV系统测试

微软IPTV的实现特点结合了业界的一些技术特点并且增加了微软公司特有的一些协议。运行在微软公司平台上的一些高性能服务器在运营商的网络上，为用户提供内容存储和高效的视频分发服务。在MSTV系统中，主要有获取服务器和分发服务器两种类型（见图8）。

图8  MSTV 系统组成示意

 

获取服务器（A-Server，Acquisition Servers）是从本地或者远端的视频源实时获取内容并提供视频组播服务。分发服务器（Distribution Servers）是用于从运营商网络中的多个采集点分发视频内容以保证视频的快速传送以及最快的频道切换时间。在用户侧的IP机顶盒则运行微软公司独有的软件和协议以保证最优的性能。

MS IPTV本身的私有性和复杂性给测试带来了挑战，为此，IXIA专门开发了针对MS IPTV的测试方案，主要特点包括：

（1）微软机顶盒客户端仿真，支持快速频道切换行为和MS IPTV流量模式仿真。

（2）获取服务器仿真，可以从网络中获取组播视频流。

（3）分发服务器仿真，支持视频内容的本地复制以及处理相应的频道切换。

通过IXIA MS IPTV测试方案，可以评估MS IPTV部署网络环境中的频道切换时间，包括单播加入和单播到组播的延迟；可以评估网络承载微软协议下的视频流、语音和数据流的能力；可以评估业界认可的客观视频流质量评定指标MOS_V和RFC4445规范的MDI指标。

3  结束语

IXIA统一的IP测试平台为IPTV的全方位评估提供了保证，IXIA IPTV测试方案的主要特点包括：

（1）支持真实视频流存在的频道切换时间的测试，支持I帧加入延迟测试。

（2）支持基于每条流的视频质量测试并得到MDI和MOS_V客观视频质量指标。

（3）视频质量的主观与客观结合的评定方式。

（4）视频质量的Full-Reference 分析——PEVQ。

（5）视频流的监测和质量分析（Passive Video Monitoring）。

（6）支持MPEG I.B.P Frames的统计。

（7）支持H.264，MPEG-4，MPEG-2，VC-1通过MPEG-2传输流封装并承载在RTP/UDP上，或者直接承载在UDP之上的测试。

（8）支持MPEG-2，MPEG-4，H.264或AVC-1码流支持承载在RTP/UDP或者UDP之上的测试。

（9）支持Microsoft IPTV（MSTV）系统测试。

使用IXIA全面领先的测试解决方案，可以十分方便地实现Triple Play网络端到端的性能测试、VOD视频服务器的性能测试、IP DSLAM和IGMP Switch的性能测试以及IP机顶盒(STB)的测试。为网络设备制造商IPTV网络设备研发以及运营商IPTV网络业务承载能力评估提供有力地帮助。