IPTV系统监控（精选7篇）

IPTV系统监控 第1篇

关键词：Cacti,RrdTool,IPTV,网络流量

一、引言

随着湖北省电信IPTV用户的增长, 网络规模的不断扩大, IPTV网络流量也不断上升, IPTV业务是一项对网络质量要求相对较高的新业务, 即使网络中实施QOS后, 但IP网的流量和结构都会随着用户的变化而变化, 所以要保证网络的质量, 还需要对网络进行实时的监控, 然后根据实际情况及时进行调整。在开展IPTV业务的同时, 我们还需要考虑如何让传统的运维模式能够适应新型业务的需求, 例如:如何定位网络的瓶颈点?如何能够实时、主动验证网络运营状况和精确测量网络端到端性能?如何能验证网络自身的服务水平和服务能力?这些问题都需要十分具体的关于网络性能的统计数字和历史记录, 通过比较得出科学准确的结论, 所以对IPTV业务流量进行实时监控和精确的统计和分析, 建立一套完整的适合IPTV业务的流量模型分析机制是很必要的, 而目前由于IPTV毕竟是一种新型的业务, 厂商均还无法提供一套有效的性能和流量监控分析软件, 基于此前提, 我们特开发了IPTV网络性能和流量监控分析系统。

二、研制过程

“IPTV网络性能和流量监控分析系统”的开发目的是建立一套科学的、标准化的针对IPTV网络的各种流量的监控和分析系统, 以改变目前对于IPTV网络流量的被动维护局面, 开发项目启动之后, 我们首先面临着几个问题。第一个问题就是流量监控软件的选择问题。针对IP网的流量监控的软件比较多, 目前应用较多的是Cacti, Mrtg, Sniffer, Net Detector等, 到底是用何种软件更能适应IPTV网络的各种特性化要求, 何种软件能有效节省成本, 这是我们首先要思考的问题。第二个问题就是此套系统的主要使用者是电信机房的普通监控维护人员, 对于普通监控人员而言, 监控界面一定要是直观化和简单化的, 告警的方式也要求是多样化, 所以说在开源软件的基础上如何实现图形化的监控界面, 也是需要重点考虑的问题。第三个问题就是此套系统还必须能够对监控的网络流量数据进行保存, 并且能够在调用历史数据时能用多种自定义的图形化模式显示出历史数据以供我们进行数据分析。所以说必须有成熟的数据库系统进行后台支撑。针对上述问题, 我们解决方法如下:

2.1第一个问题:如何选择开源监控软件。

为了解决此问题我们对目前的常用流量监控软件进行了一个比较, 首先针对这些软件的性能情况进行了比较, 具体情况见下表:

其次我们对软件的优缺点进行比较:

通过上述比较, 从性能和节省成本等多方面考虑, 确定采用Cacti此套开源软件作为流量的监控软件,

2.2第二个问题:如何实现图形化的流量监控界面。

在确定了采用Cacti作为监控软件时, 我们对其进行了深入研究, 发现Cacti可以通过与另一套开源软件RrdTool进行结合, 从而实现对流量监控数据的图形化显示。Rrdtool的优点: (1) 使用rrd存储格式, 数据能重复使用, 效率高; (2) 可以查看任意时间段的流量数据, 可进行流量之间的比较、汇总; (3) 流量监控图能画任意个DS。rrdtool的缺点: (1) rrdtool的作用只是存储数据和制作流量监控图, 它没有MRTG中集成的数据采集功能; (2) 在命令行的使用非常复杂, 参数极多。 (3) 无管理功能。

所以RrdTool就是一个强大的流量监控图绘图的引擎, 但是由于其配置命令非常复杂, 用户界面极不友好, 使用不广泛, 但是我们通过将RrdTool与Cacti相结合有效的规避了其上述缺点, 有效利用了其强大的绘图引擎功能。

2.3第三个问题:数据如何保存。

此套系统还必须能够对监控的网络流量数据进行保存, 这就涉及到一个后台数据库的选择和配置问题。从节省成本等多方面考虑, 项目组选择了MySQL数据库管理系统。MySQL 5.0.45是目前最受欢迎的开源SQL数据库管理系统, 具有快速的、多线程、多用户和健壮的特性、支持关键任务、重负载生产环境。

基于上述比较最后我们确实IPTV流量监控系统采用“cacti+rrdtool+netsnmp+mysql”这一套开源PHP程序来实现。

三、关键技术

3.1 Cacti概述缺点

Cacti作为一个监控网络链路流量负载的工具软件, 在实际应用中不仅可以采集、分析网络流量, 更能采集所有基于IP的支持SN M P的数据, 象CPU、M EM ERY、BAS IPPOOL占用率, 以及路由器端口状态等重要参数, 从而能更加全面了解网络的状况。通过该系统可以提高管理员工作效率, 实时反映网络健康状况, 分析网络运行的可靠及稳定性, 及时处理、报告网络运行出现的故障。

3.1.1 Cacti系统结构

Cacti通过Net-Snmp协议对路由器或交换机定时进行轮询, 从设备得到其流量及其它性能信息, 并将这些数据信息以rrd格式存储至MySql数据库, 当网络管理员需要查看某设备某时间段网络流量时, Cacti将在MySql数据库中查找该设备对应的rrd文件, 并通过RrdTool来绘制出网络流量负载图形, 以非常直观的形式显示流量负载, 网络管理员通过流量分析, 监控网络健康状况, 为网络建设提供依据。下图是Cacti的系统结构。

3.1.2 Cacti工作流程

下图是Cacti的工作流程情况:首先Cacti通过Netsnmp采集设备性能数据, 然后通过RrdTool存储采集到的性能数据;当网络管理员打开Cacti的WEB界面要查看流量监控图时, Cacti又通过MySql来查找设备对应的rra文件名, 找到rra文件后Cacti通过RrdTool绘制性能监控图, 最后Cacti将监控图呈现给网络管理员。

3.2 Rrdtool

Rrdtool是环状数据库工具, 使用rrd存储格式, 数据能重复使用, 可以定义任意时间段画图;效率高。其优点: (1) 使用rrd存储格式, 数据能重复使用, 效率高; (2) 可以查看任意时间段的流量数据, 可进行流量之间的比较、汇总; (3) 流量监控图能画任意个DS。rrdtool的缺点: (1) rrdtool的作用只是存储数据和制作流量监控图, 它没有MRTG中集成的数据采集功能; (2) 在命令行的使用非常复杂, 参数极多。 (3) 无管理功能。

3.3 PHP

一种嵌入在HTML并由服务器解释的脚本语言。可用于管理动态内容、支持多种流行数据库。

3.4 MySQL

最受欢迎的开源SQL数据库管理系统, 具有快速的、多线程、多用户和健壮的特性、支持关键任务、重负载生产环境。

四、实施效果

4.1功能实现情况

IPTV网络性能和流量监控分析系统于2008年2月开始开发, 2008年7月开发完毕后投入使用, 系统能完全满足以下功能:

1、能够对所监控的网络设备的端口进行7*24小时全年的数据图表化存储。

目前可管理的数据有:端口比较流量分析图;单端口小时、每日、每周、每月、每年流量分析图;端口自定义时刻流量分析图;设备整体流量分析云图。

2、生成动态表, 维护人员可选择任意时间或时刻对该端口进行流量的分析与比对;

表准表的维护功能, 可对表准图形的时间轴进行放大、缩小、下载等操作。

3、网络设备镜像监控功能。

4、提供设备云图的端口流量差异比较。

(1) 总体差异:在一个云图中可全局比较各个入/出端口的流量数据差异, 并以色差的形式表现端口流量的拥塞程度;

(2) 个体差异:对单个端口提供5种按时间定义的记录图, 并以图表形式存储, 便于维护人员后期的查询。

5、提供了流量分析图的历史查询与打印功能, 便于查询不同时间段的数据变化情况。

下图为某条中继流量监控的实时监控界面:

4.2经济效益

在本系统完成前, 维护人员是采用手工的方式对全省网络设备运行情况进行巡视, 每天约3人耗费约4小时时间进行设备运行情况检查, 本系统投入使用后, 可以实时监控运行状态, 不再需要手工登录每台设备巡视, 每年可节约人力资源成本约64800元 (每月节约成本估算为4工时/人3人30天/月15元/工时=5400元, 总计每年节约资金540012月/年=64800元) , 而本系统包括硬件部分总投资仅2万元, 在4个月就完全收回了投资, 经济效益明显, 极大的提高了维护人员的工作效率。

4.3社会效益

本系统基于Cacti网络链路流量监控工具进行开发, 通过整合RrdTool等工具来实现优质的网络流量分析及性能监控, 通过对IPTV网络服务质量及业务流量的实施监测和长期统计, 可以预先定位到网络中潜在的故障点, 及时排除故障, 从而减少用户投诉, 提高用户满意度。同时在面对实际数据脱节、数据差异难以发现、核对异动工作量大等诸多问题上, 使用该系统后大大节省了维护成本, 使维护人员的工作能更加得心应手, 又能充分发挥数据库的优点, 利用IT支撑, 提高工作效率;同时为维护人员提供了有利的数据支撑, 在数据稳定性, 查询快捷, 方便等方面都具有无可比拟的优势。

五、结束语

为了改变目前湖北省IPTV网络设备的被 (下转第68页) (上接第47页) 动维护局面, 提高IPTV网络设备的故障发现及时率和网络安全性, 有效的减短网络故障预判时间, 我自行开发了基于“Cacti+RrdTool+Mysql+Net-Snmp”的IPTV网络性能和流量监控分析系统, Cacti虽然不是一个直接的网络监控工具, 但是它通过整合RrdTool、Net-Snmp、MySql和Apache这几种工具软体, 达到了优质的网络流量性能监控分析效果, 为我们的维护、分析工作带来极大方便。

参考文献

[1]Martin P.Clark《数据网络、IP与internet技术》电子工业出版社

[2]JoeCen《使用cacti监测系统性能》ChinaUnix电子论坛

IPTV系统监控 第2篇

浙江IPTV集成播控平台, 是浙江省IPTV业务的核心平台, 它上连中央IPTV集成播控平台, 左右连接省市两级广电媒体和华数、百视通等内容提供商, 下联浙江电信IPTV CDN网络和BOSS系统, 是一个可管理、可运营的平台 (见图1) 。为确保IPTV集成播控平台的正常运行, 方便故障判断, 需在平台设置一些监测监看点 (见图2) 。

北京市博汇科技有限公司根据浙江IPTV集成播控平台的具体情况, 为实现前端平台信源的统一监看监控, 保障平台提供优异的IPTV音视频服务质量, 在内容安全、内容质量、传输质量、值班情况等多方面, 建立了完善的IPTV集成播控平台安全播出监看监控系统, 系统具有同时在网络层、码流层、图像层等多层面, 监看监控高标清数字音视频信号的功能 (见图3) 。

1. IPTV全链路监测解决方案

系统提供从接收信源、集成播控平台到电信传输节点、用户终端的IPTV全链路监管解决方案, 充分解决信号传送过程中故障环节不确定、责任不明晰, 信号数量庞大, 不便于工作人员及时发现故障源等问题。

针对主、备路传输系统的各个关键节点, 部署博汇BHIP59 IP码流监测分析设备, 全部实时进行IP码流各项指标的监测报警, 利用博汇Trinity Ares-Display多画面监测报警系统对A、B、C、D、G节点进行实时内容质量监测, 对E、H节点进行轮巡内容质量监测。

2. 设备集成度高, 监测参数全面、准确

系统中使用到的BHIP59 IP码流监测仪, 采用嵌入式架构, 每台设备可插入4个监测模块, 支持热插拔。每个模块支持来自2个千兆网口的IP流监测, 最大支持直播或点播流数目为512个。集成度高, 可监测码流路数多, 每个点配置的监测仪均有余量支持今后系统扩展, 充分保护客户的利益。

支持IP网络层MDI传输指标实时监测, 包括MLR (媒体丢包速率) 、DF (延迟因素) , 支持TR101 290三级错误、PID带宽等指标的测量。

3. 提供模拟IPTV机顶盒功能

博汇IPTV虚拟终端系统软件, 实现对各种业务在最终用户端的呈现进行核查;包括内容、EPG的核查, 对新EPG页面、增值业务页面进行测试等。

系统提供EPG交互展示功能, 可模拟IP机顶盒进行操作。通过EPG交互展示, 可了解IPTV中的所有业务, 可手动查看其他不在监测范围内的游戏、新闻、股票、在线支付等增值业务。

对IPTV信号可以展示监测频道名称、频道标识、平均带宽、抖动、丢包数等等信息。

4. 系统集中监测管理

采用博汇Trinity Ares-IP IP码流分析系统, 实现对系统中各监测点的IP码流进行统一配置管理及监测信息的查询管理。

采用博汇Trinity Ares-Alarm Center广电机房全景监测系统, 集中分组显示IPTV信号传输链路中所有监测数据, 通过对故障报警信息的处理, 进行故障定位, 通过对码流的分析监测功能, 找出故障原因。

IPTV系统监控 第3篇

保护IPTV系统播出安全和媒体内容版权安全,需要建立起一套完善的保护体系,通过媒体内容加密、数字证书认证、用户权利许可等安全手段,使得只有授权的用户才能消费特定的节目,只有允许的节目才能在系统上进行传播,只有合法的终端设备才能播放IPTV内容,从而构建一套完善可靠的IPTV安全保护体系。

结合以上应用需求,本文就如何在新的业务环境下,对IPTV的内容分发、安全播出提出了一套全面的解决方案ProDRMTM系统。

1 ProDRMTM系统总体框架

1.1 系统模型

IPTV系统由服务端系统和客户端系统两部分构成(图1)。服务端系统中与数字版权管理(DRM)相关的功能主要包括:内容管理系统(CMS)、实时加扰器和预加扰器、数字版权管理服务端、用户管理系统(SMS)、推播服务器等。客户端系统中与DRM相关的功能主要包括:内容接收和解扰、数字版权管理客户端ProDRMTMClient等。

各系统的功能如下:

1)内容管理系统,主要负责节目的编排、打包、存储控制并提供各种节目内容。

2)用户管理系统,主要负责用户注册和身份的管理,包括发卡和授权控制、计费、SP(增值服务提供商)/CP(内容提供商)鉴权、各种统计等等。

3)内容加扰系统,主要负责将媒体内容进行加扰,并按照指定格式对码流进行封装,内容加扰系统分为与预加扰系统和实时加扰系统两种。

4)ProDRMTM,服务端安全系统的重要组成部分,主要负责用户授权信息管理(授权的产生、加密、签名等)、节目相关信息管理(节目信息的生成与加密)、用户信息管理(包括用户密钥、授权等)、用户申请内容认证等等。

5)视频服务器,用于加扰后的点播和时移内容的存储及播控控制。

6)内容分发和传输网络,利用内容分发网络(CDN)技术、流媒体分段技术、网络负载均衡技术等把媒体内容分配到各边缘服务器,以平衡网络负载,并尽可能让用户请求得到最近边缘服务器的响应。

7)用户终端,负责内容解扰,授权解密和身份认证以及用户服务申请信息的产生、加密或签名等。

1.2 系统实现的主要功能

ProDRMTM系统通过对内容生成使用权限信息,并对内容预加扰和授权加密来实现对内容消费的控制。

ProDRMTM系统实现的功能主要包括以下几个方面:

1)内容预加扰、实时加扰和授权加密。

2)内容既可以按产品授权,也可以对直播节目独立时间段授权或对点播节目独立节目授权。

3)内容按使用权限的控制范围来消费,这些权限包括观看权限、观看的范围控制、设备控制等。

4)实现授权、反授权、冻结、解冻以及OSD(屏幕显示)和E-mail等功能。

5)支持动态负载平衡、主备服务器、系统监控等系统稳定性措施。

6)同时支持直播(Live TV)、视频点播(VOD)、即时时移、准视频点播(NVOD)、按次付费观看(PPV)、个人视频录像(PVR)等业务内容的版权保护。

7)客户端对正在播放的节目可以进行快进、快退或跳转功能的版权保护。

2 ProDRMTM服务端和客户端系统

2.1 ProDRMTM服务端系统

ProDRMTM服务端系统主要实现直播频道实时加扰、点播和时移等内容预加扰,并生成用于客户端安全管理的授权信息,存储并维护用户安全信息、节目信息,对用户授权等的申请作出响应。

DRM服务端系统包括:安全管理平台(SMP)、加密机、数据库及实时加扰器和预加扰器等(图2)。

各部分介绍如下:

1)安全管理平台,包括实现网络服务功能网络服务器WebService、授权控制中心、用户服务器、证书服务器等。

2)加密机,产生和维护密钥,并完成对各种数据加密。

3)数据库,用户和节目等关键信息的存储和维护。

4)实时加扰器,负责直播节目的实时加扰和复用。

5)预加扰器,负责点播节目的预加扰,并把加扰后的节目送至节目存储设备存储。

2.2 ProDRMTM客户端系统

ProDRMTM系统对节目和用户消费控制,采用授权制信息来实现。在此方式下,客户端系统要有解析和处理授权信息的功能,这些功能要求对授权信息进行解密以提取加扰内容的密钥。

ProDRMTM客户端主要包括内容的解扰模块、客户端管理模块、安全模块、上行申请模块以及内容解码等部分(图3)。

客户端系统对接收的码流进行解析,把节目内容送解扰器,把输入的授权信息送入客户端管理模块,并通过双向的回传通道向ProDRMTM服务端申请用户的授权、E-mail等信息。

3 关键核心技术

3.1 密钥及密钥管理

3.1.1 密钥

为保障运营安全,系统采用多层密钥体系。

本方案是基于PKI的技术体系,用于系统各部分之间的身份认证和授权的加解密。

3.1.2 密钥管理

密钥的安全是整个系统的核心问题。密钥的安全存在于产生、传输、存储以及使用等的各个方面。

1)密钥的产生。

密钥的产生具有随机性。

2)密钥的传输机制。

所有密钥加密传输,并附加签名信息。

3)密钥的安全存储。

在服务端,所有需要存储的密钥都是安全存储的,不能以任何方式明文导出。在客户端,所有需要存储的密钥都以密文形式存储于终端的安全管理模块中,不能以明文形式出现在安全模块之外。

4)密钥的使用。

控制字CW用于节目内容的解扰,在终端使用时,要保证CW传输的安全。本方案采用机卡之间建立的安全通道传送CW。

其他密钥的使用要求在终端的安全管理模块内完成,使用时不会以任何形式出现在安全模块之外。

3.2 密码算法

密码算法主要有:

1)内容加扰算法。

本方案支持的加解扰算法有AES和DVB-CAS。支持DVB同密。

2)加密算法。

本方案支持的加密算法包括对称密码算法(如3DES和AES)与非对称密码算法(如RSA)。

3)Hash算法。

支持SHA-1算法。

3.3 PKI证书机制

PKI证书是系统服务端和用户之间以及不同用户之间进行身份认证的基础。

PKI有两种基本操作:证书的建立(是一个将公钥和所有者绑定的过程)和证书的吊销(是验证证书是否有效的过程,如果失效或过期,则需要被吊销)。

系统由服务端的DRM系统担任CA证书中心,负责证书的申请、发放、维护和吊销。

系统采用X.509国际标准证书格式。

3.4 克隆检测

永新视博的克隆检测技术(图4)是通过对终端行为的统计模型来有效地检测被克隆的终端,并利用DRM手段禁止被克隆的终端收看运营商提供的服务。每个终端都有一个唯一的ID和终端设备绑定,在申请业务时需要对终端进行认证。服务端会对每个终端的行为进行统计,在发生一定的冲突后会停止所有冲突终端的服务,直至问题排除。

3.5 追踪技术

3.5.1 数字水印技术

数字水印是永久镶嵌在其他数据(宿主数据)中具有鉴别性的数字信号或模式,而且并不影响宿主数据的可用性。数字水印应具有安全性、可证明性、不可感知性和稳健性。

目前永新视博在应用系统中采用的是一种基于空域的局域图像水印嵌入方法,此方法能有效地防止一定的几何攻击(如旋转、缩放和剪切、图像仿射变换等)和一些传统的数字信号处理攻击(如加噪声、幅值变化、平滑、量化、增强、线性滤波、有损压缩等)。此水印技术被用于系统的版权检测和盗版跟踪(图5)。

3.5.2 CW染色追踪

CW染色追踪(图6)是通过对CW染色使得不同分组的CW有差别从而确定CW扩散源的一种实现技术。此技术主要用于直播节目的CW扩散源追踪。

4 两级平台部署

针对IPTV业务运营中出现的业务多级部署架构,ProDRMTM系统构建了两级部署能力(图7)。

ProDRM实现了中央DRM系统的两级部署。中央平台完成对中央直播内容和点播内容的加扰,以及对内容的打包生成产品信息,并将这些内容和产品信息下发至地方平台。由部署在地方的中央授权分中心完成对中央产品的授权。

地方的节目由地方的DRM系统完成加密和授权。中央DRM系统和地方DRM系统可以相同,也可以不同。机顶盒必须同时具有中央DRM客户端和地方DRM客户端。

基于二级平台体系,可以实现运营商对用户信息及内容信息的数据反馈,从而获得一手市场资料,用以辅助IPTV业务的运营。

5 系统特点

5.1 系统的安全性

ProDRMTM安全设计方面充分考虑了系统可能受到的攻击,采用了国际流行且经过验证的开放的加密算法,密钥等数据的安全存储方法,基于PKI体系的认证方法,使得我公司的ProDRMTM系统从前端到终端都足够安全。

5.2 系统的可靠稳定性

ProDRMTM在系统设计上充分考虑了运行可靠性,所使用设备的可靠性和稳定性都经过了严格考验。所有模块支持主备、负载均衡技术。任何一个模块运行发生故障,都可做到无缝切换,保证业务不间断。ProDRMTM的主备和负载均衡无需第三方软件支持。

5.3 系统的可管理性

系统具备健全的网管功能,采用一站式管理,在控制台上可完成系统各模块的配置修改,并可对系统各模块进行启动、停止控制,可对系统各模块以及和周边设备(加扰器、SMS)连接状态进行实时全面的监控。

系统具有完善的分级日志管理系统,并可记录SMS发包的数量及包的内容,对系统各模块运行中的各种状态具有完善的跟踪机制,一旦运行发生故障,可以快速准确定位故障点,并分析获得故障原因。

5.4 系统的可扩展性

ProDRMTM的可扩展性设计主要基于用户和业务两个方面设计。ProDRMTM根据不同业务类型采用面向对象的设计方法,同一个对象可以在系统内启动多个实例,同一个对象的各个实例之间或为主备或为负载均衡方式共同运行。用户量和业务数量增长的情况下,只需要简单扩展硬件的性能,如添加CPU、内存和硬盘,或者增加硬件设备,并且在硬件设备上配置新的实例,不用中断系统的运行。

5.5 系统的实用性及高效性

ProDRMTM是一个实用的条件接收系统(CAS),有多种配置可供用户选择,拥有极高的性能价格比,系统在最初运行的时候,可以采用较低的硬件配置,随着业务增加,可以渐进配置,提高系统容量。如果有新的业务需求,可以替换对应的业务对象模块,完成系统的平滑升级。无论用户选择哪一种ProDRMTM配置都可以保证用户前期投资具有连续性,稳定性和可靠性。同时机顶盒ProDRMTM模块也可以在运营商的控制下,完成新功能的在线升级。最大限度的保护并且节约运营商的投资。

5.6 系统的灵活性及可兼容性

ProDRMTM条件接收系统的所有产品具有高度的灵活性,无论是软件平台还是硬件平台都统一遵循平稳升级、安全过渡的原则,同时产品全部采用了标准化的产品,新版本全部兼容以前的老版本,最大程度上保证用户选择时的灵活性和可兼容性。

5.7 网络规模的支持能力

永新视博公司自主开发的数字电视有条件接收系统所支持的用户量小到几万、几十万,大到百万级、千万级,是一个能平滑过渡升级的大型稳定可靠的系统。

6 结语

随着三网融合产业不断推进,以IPTV为代表的互动视频服务占据着越来越重要比重,视频影像技术和通信技术不断进步,为数字多媒体内容的传播带来更多途径,极大地方便了广大受众,对于促进信息产业发展、提高人民群众文化生活起到重要作用。

但同时也要看到,不断前行的市场发展过程中,诸如内容侵权、非法插播等问题也会随之而来,防患于未然,为IPTV营造一个良好发展环境是作为政府及行业各个环节必须要考虑的问题,安全有效的DRM解决方案是IPTV平稳有序发展的必要条件。

本文就IPTV发展的形态、DRM的基本原理作了阐述,继而结合IPTV直播、点播、回看等业务特点提出了ProDRMTM应用解决方案,希望能为业界IPTV的健康发展尽到添砖加瓦之力。

摘要：提出了一种在IPTV系统中实现数字版权管理(DRM)的端到端解决方案——ProDRMTM。方案包括总体结构、服务端系统和客户端系统三部分,阐述了系统所用到的关键技术以保证IPTV的内容版权和运营安全,最后列出了ProDRMTM系统的主要优势特点。

IPTV系统测试仪表现状(下) 第4篇

对视频观看有明显的影响。比如, 黑屏、严重马赛克;第二级是音视频解码问题, 一定情况下会对视频观看效果有影响。比如, 音视频不同步, 频道切换速度。第三级是更严格的告警级别, 主要针对高要求的视频传输。TR101 290本身没有针对特定传输媒体的测量方法, 因为网络传输的故障将反映到第一级告警中。在跨媒体的视频传输系统中, 运维人员可能无法直接从监测点的TR101290第一级告警定位故障。

(2) RFC4445 MDI (Media Delivery Index)

MDI是IneoQuest与思科公司于2006年4月正式发布的RFC 4445规范, 主要针对IP层传输视频流的视频质量指标, 反映IP传输网损伤对IPTV媒体质量的影响, 此IP视频测试标准也被IP视频质量联盟 (IPVQA) 所采纳, 成为业界在IP层上测量视频媒体质量的主流标准。由于MDI指标具有很多优点, 如扩展性好, 可评估上百个频道, 上千个用户的视频流质量;直接表现出和视频质量有关的网络问题;对上层传输的媒体流类型透明, 与编码类型无关;可实时对视频流进行质量评估等, 并且是正式的RFC标准, 所以被业内普遍认可, 是目前应用最广泛的视频质量评定指标之一。该指标目前支持ISMA和MPEG-2 TS的应用。

在MDI标准中主要定义了两个参数, 即DF和MLR。因此, 通常MDI由两个数字表示, 并用冒号隔开, DF:MLR。例如:4.11:0.01 (DF:MLR) 代表时延系数为4.11毫秒, 媒体丢帧率为0.01帧/秒。

(1) DF (Delay Factor, 延迟系数) 。该数值表明被测试视频流的延迟和抖动状况。DF的单位是毫秒 (ms) 。DF将视频流抖动的变化换算为对视频传输和解码设备缓冲的需求。被测试视频流抖动越大, DF值越大。在采样周期中, 首先计算测量点处每个IP视频数据包到达的时间变化, 然后与预期的视频流速度对比, 从而得出DF。采样周期默认为1 s, DF的数值在每次周期完成后更新。

DF指标是专门针对媒体流的, 其计算因子是媒体流速率, 而不是一般的物理传输速率。因此可以被用来很好地评估视频的传输和播放质量。MDI:DF的最大值应该避免和平均值偏离超过50%。比如, 平均MDI:DF为100 ms。当MDI:DF出现最大值为200 ms时候, 这意味着视频流会出现明显的抖动变化。如果MDI:DF Minimum和MDI:DF Maximum在50 ms和150 ms范围内, 认为视频质量是好的。根据机顶盒缓冲区的大小, 可接受的延迟系数 (DF) 一般在9～50 ms。

(2) MLR (Media Loss Rate, 媒体丢包速率) 。MLR是选定的时间间隔内媒体数据包丢失数量。由于视频信息的数据包丢失将直接影响视频播放质量, 理想情况下的IP视频流传输要求MLR的数值为零, 也就是不允许有丢包, 但是极少量的丢包可以通过视频解码器进行补偿或者丢包重传, 在实际测试中MLR的阈值可以相应调整。

MLR=媒体数据包丢失总数/采样周期, 默认采样周期为1 s。MPEG-2 TS数据包格式是指有效的MPEG数据包, 不包括填充MPEG Frame。

一般情况下, 可接受的MLR如表1所示:

MDI可用于定位和表征对媒体质量和用户的体验质量造成不利影响的网络故障。如果在传输网络的中间点跟踪MDI, 则DF和MLR要素在连续网络元素之间的差值可以帮助迅速隔离潜在的问题或已经存在的损坏。如果在IPTV数据流路径中的前一跳 (Hop) 的MLR为零, 而经过某路由器后引入了一个较大的MLR, 这就明显表明该路由器中存在性能问题, 例如缓冲器上溢或数据包遭到破坏。同样, 如果延迟系数DF在两个连续跳跃 (Hop) 中的变化非常明显, 表示由于数据包拥塞而造成较长的队列延迟, 这种情况还可预警即将发生的数据包丢失。

(3) 频道切换时间

用户能否快速、准确的切换频道也是影响IPTV用户体验的重要指标。一般而言, 用户可接受的频道切换延迟时间应维持在1秒之内。若频道切换时延在100～200毫秒, 则给用户的感受是“瞬间”的, 即非常快的。

频道切换的延迟主要来自于网络设备和机顶盒。由于机顶盒内部的切换命令处理、缓冲延迟、MPEG解码器时延和视频缓冲时延等因素, 它一般会引入几百毫秒的时延。好在端到端IPTV路径中只有一个机顶盒, 并且机顶盒的大部分功能是通过硬件来处理的, 因此机顶盒所引入的频道切换时延是相对稳定和可重复的。由于IPTV采用组播协议作为频道切换的技术, IGMP协议的离开和加入时延才是频道切换延迟的主要来源。为了确保频道切换总延迟在1秒钟之内, 每个网络元器件的组播离开/加入延迟必须保持在10～200 ms之间。

一般的IPTV测试仪在计算从频道1切换到频道2的时延时, 只是考虑机顶盒发出IGMP离开 (频道1) 命令到收到频道2的第一个MPEG图像帧之间的时延。然而, 这个测量结果不一定能准确反映用户真实感受到的频道切换延迟。因为机顶盒只有在收到MPEG TS流中的第一个PAT (节目关联表格) 后才能开始视频解码, 所以IGMP离开命令到第一个PAT帧之间的间隔才更能更准确地反映用户的真实IPTV频道切换体验。

综上所述, IP层测试仅仅对IP层进行原始数据分析, 不针对特定业务和视频编码格式。TR101-290针对MPEG-2 TS视频流进行质量分析。RFC4445 MDI主要针对IP视频流进行质量分析, 支持MPEG-2 TS和ISMA。

4 IPTV测试仪表对比

尽管还没有完整的IPTV业务质量监测技术标准, 但由于IPTV业务的快速发展, 市场上已经有多家测试仪表厂商能够提供IPTV监测仪表。根据测试需求, 可将IPTV测试工具分为以下3大类:

IPTV网络设备性能测试仪。对网络设备进行高可靠性测试。可模拟产生真实的三重播放业务 (数据、VoIP和视频) 流量, 验证IPTV设备在不同流量负荷情况下的各项QoE指标, 如MDI、频道切换性能。可对IPTV网络设备进行QoS性能测试, 如吞吐率、丢包、时延等。主要用于在网络开通前, 模拟大规模的IPTV用户流量, 对网络进行性能验证。

IPTV网络监测仪表和系统。在IPTV网络的各关键节点和网段进行实时QoE指标监测。可对IPTV网络设备之间的信令协议进行监测, 诊断设备间的协议互操作性问题。可同IPTV网络设备性能测试仪配合使用, 监测其与网络设备之间的流量, 验证QoE指标和进行故障诊断。在IPTV网络开通阶段, 可用于验证其性能是否达到网络设计目标。在IPTV网络运行维护阶段, 可对QoE指标进行长期监测, 以进行网络故障诊断和定位以及优化IPTV网络性能。

手持式IPTV测试仪。主要用于端到端IP网络QoS性能测试, 以及对IPTV家庭网络中存在的QoE问题进行故障查找。

以下主要对市场上主流厂家的手持式IPTV测试仪进行技术对比。信息依据各产品公司网页。如表2所示。

5 结束语

各厂家产品对IPTV测试的主要功能基本可以实现, 因为标准尚未统一, 手持式仪表对网络的支撑能力还有待于在现网上进一步测试验证, 仪表的性能也有待于跟随网络的发展进一步完善。

参考文献

[1]黎致斌.IPTV测试仪表技术规格.http://blog.lmtw.com/b/iptv-viewer/archives/2007/47115.html, 2007.06

[2]吴雪波.IPTV测试技术详解, 中国数字电视, 2007.05

IPTV质量分系统的研究 第5篇

2 IPTV质量分析系统

2.1 IPTV系统描述及系统总体结构

目前,虽然IPTV业务正在迅速的发展,但是仍然缺少一个明确的标准来对IPTV做出定义,从表现形式上看,是一种采用IP网络作为媒介进行传输以MPEG或H.264为编码核心的流媒体文件[21]。为用户提供高质量的流媒体服务就是IPTV系统的终极目标和中心任务。IPTV系统为用户提供服务时经常采用分布式体系结构。

IPTV系统的构架主要分为两种类型,一种是端到端的,一种是基于一系列的子系统,由流服务子系统担任核心子系统。图1就是一个端到端的类型。

2.2 IPTV系统质量评价指标及影响因素

近年来,对QoS、QoE指标以及IPTV的质量测试都有大量的研究,其中文献[2,3]对测试系统的环境和系统的整体架构进行了研究。接下来以指标方式来分析IPTV系统质量。

QoE,是用诸如时延、丢包率和抖动等来对设备或网络服务的性能进行评价,虽然不是业界通常采用的各种专业指标,但是这种评价基于普通用户体验,是一种更直观的角度。也容易大众接受理解,所以目前广泛认可和应用的就是QoE。从用户QoE角度来看,IPTV相关质量分析主要关心两个方面,即频道切换时延和视频质量评定[4]。

视频质量主要由丢包率以及延迟因素来评定。数据报文在传输过程中由于信道质量造成的丢包对视频的质量有着直接的关系,当出错的报文得不到恢复时会造成视频质量的下降。延迟因素是一个时间值,用来表示缓冲区必须包含多少毫秒的数据才能消除抖动,丢包带来的不良影响。每一个1s的计算间隔时间结束时,DF值都会被刷新显示出来。DF的计算公式:假设在测量点有虚拟缓存大小为N,N=[接收到的字节数一流出的字节数]。DF=[最大值(N)一最小值(N)]/媒体流速率。为了保证解码器的缓存内容不会被耗尽,解码器的缓存保存媒体信息必须大于或者等于DF的数值。

经典测试方案中的QoE指标如图2所示。

图2对系统质量的评价指标做了分析,下面将分析影响IPTV系统质量的因素。系统质量将会受到很多方面的影响,如信源端编码方式的选择,网络传输以及传输链路的环境,终端解码的播放技术。任何一个环节都必须很好的处理。在对这些环节进行了解之后,总结出主要有两个方面影响IPTV系统质量,一个是视频内容本身带来的影响,另一个是网络传输,并列出一些影响IPTV系统质量的因素[5,6]。片源编码的过分压缩导致分辨率的降低;低码流速率和片源的低质量;采样频率偏大。以上因素造成的损伤就是来自视频内容本身。而对于网络传输而言,视频数据(MPEG Frame)在传输的过程中产生丢失;传输信道中的随机噪声;数据包接收的顺序和数据包的发送不一致。以上由网络传输带来的因素对系统服务质量造成损伤。

2.3 IPTV质量分析系统的设计

2.3.1 质量分析系统模型介绍

思科公司和lneoQuest公司联合提出的MDI(Media Delivery Index)媒体传输质量指标,用来评估视频流在IP网络中的传输质量。在2006年,由IETF RFC 4445[7]定义和描述。不管视/音频数据源采取何种的编码方式,MDI对网络中视频的质量进行测试时,都能够快速、准确的进行评估衡量。作为IP视频流传输质量分析的行业标准,MDI指标广泛地应用于IPTV和IP有线数字电视网络质量评估和监测[8]。MDI由延迟参数(DF)和媒体丢失率(MLR)组成。

媒体丢包速率(MLR):MLR的单位是每秒的媒体封包丢失数量。MLR的值会不断地改变如果受到本地电气噪音干扰造成的间歇性错误的影响。由上文可以得知,在视频流过快时会产生上溢现象,通过记录被扔掉的数据包可以表明网络的阻塞的情况。但是在网络负载较低的情况下还是有丢包的情况,或者说MLR的数值不为0,那么问题可能出在服务器或者是信号源上面。理想传输时,MLR数值等于0。

2.3.2 质量分析系统结构及原理

IPTV质量分析系统的结构分为两个部分:视频分析程序和IPTV质量分析程序。

视频质量分析仪表的功能,顾名思义,当视频流在服务器内部经过压缩处理,编码等操作后,对其进行质量分析。当视频流分析结果出来以后,就存储在视频质量分析结果存储模块中,接下来将得到的视频流分析结果进行计算,得到一个质量的评分,最后将视频质量评分存储起来并放到数据库中。在进行数据采集的时候,数据采集模块获取来自视频流的某个镜像端口网卡上的数据包,将获取到的数据包传给后续模块,对数据包做进一步的操作。获取数据包以后,需要对数据包进行解码操作,然后把需要的信息序列提取出来,这些功能由数据解码模块来完成。解码模块将提取出来的字段信息交给指标计算模块,由计算模块得出指标,通过对计算得到的质量指标进行分析,可以清楚的了解当前的IPTV系统质量。所计算以及分析出的结果最终由指标显示分析模块显示出来。

对于系统的原理分析,对视频质量的分析主要是视频分析程序和质量分析程序相互结合,相互协作来完成的。视频分析程序利用视频分析仪表得到视频质量评分QE和视频流的其他信息,诸如编码格式、码率等。然后质量分析程序在客户终端根据自己的四个功能模块,计算出DF以及PLR等指标。由QE和PLR,得出客户端的QR。最后,通过DF,QE,QR三个方面来分析网络抖动或延时,视频压缩损伤,网络丢失对于系统质量的影响,能够较全面的给出对整个IPTV系统质量的分析。

3 结论

首先对IPTV系统以及IPTV系统的总体结构进行了分析了,列举了相关IPTV系统质量分析指标,并研究了影响这些质量指标的因素。接下来对MDI以及MPQM两种质量分析模型进行了介绍,详细分析了模型的结构以及特点,研究了模型存在的一些问题,在了解了模型原理的基础上提出了相关解决方案。

摘要：随着IPTV业务的快速发展,对现在承载网络带宽的要求越来越高。由网络性能原因导致的视频质量下降,成为了制约IPTV业务发展的关键因素之一。对IPTV系统的基本结构进行了阐述,研究了影响系统质量的主要因素,分析了各种指标。对MPQM模型和MDI模型的基本原理做出分析,结合这两个模型,设计了IPTV质量分析系统的总体结构。

关键词：IPTV,质量分析系统,指标

参考文献

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[2]唐宏,苏军根,李江蒇.基于分布式IPTV业务质量监测方案研究[J].中国数字电视,2006(21):44-46.

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[4]吴雪波.用户体验质量测试是IPTV成功的关键要素,安捷伦科技有限公司,2007.

[5]QoS研究及展望[EB/OL].http://www.pcdog.com/network/special/2005/12/h052949.html,2005。

[6]胡永传,唐宏基.基于分布式IPTV业务质量监测方案的研究[J].电脑与电信,2007,12(1):21-24.

[7]RFC4445,A Proposed Media Delivery Index(MDI),April 2006.

IPTV测试仪系统设计与实现 第6篇

IPTV即交互式网络电视,是一种利用宽带有线电视网,集互联网、多媒体、通信等多种技术于一体,向授权用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。其基于宽带IP传输网,利用宽带接入技术,是一种个性化、交互式服务的崭新的媒体形态。随着交互式网络电视(IPTV)技术发展和商用规模的逐步扩大,相关的网络测试和运行维护变得日益迫切,为此设计开发了IPTV测试仪。IPTV测试仪主要应用在IPTV业务最后一公里的线路开通和故障排查。截至目前,中国IPTV技术规范仍在标准化进程中,各地的IPTV网络有不同的部署架构、技术规格和网络设置,因此,研究和开发适合中国IPTV测试需求的测试仪表具有现实意义。

2 IPTV业务平台概述

IPTV业务平台决定了测试仪表的工作环境,理解IPTV系统业务平台可以增强测试系统设计的合理性和可靠性。

根据IPTV业务功能,可以将IPTV系统理解为分层结构[1],如图1所示。

其中,业务支撑层主要包含运营支撑系统,数字版权管理(DRM)系统,网络管理系统和与其他支撑系统对接的接口系统。业务服务平台主要包括内容制作平台,增值业务平台,流媒体服务平台和电子节目指南(EPG)系统;网络承载主要是各种级别的网络实体,很明显,网络级别越高,数据量和数据速率越大;用户终端种类繁多,主要有STB+TV,PC(具有相关播放软件),3G手机等。

运营支撑子系统是为运营商的运营管理服务的系统,包括用户管理、计费管理、定价策略管理、网络设备管理以及运营相关的一些管理工作。支撑子系统无论是对增值业务运营商还是电信运营商都非常重要,一方面它管理着为用户提供服务的服务器和网络资源,另一方面它需要对相关服务的资费策略进行定制。

DRM系统,包括许可服务器和其他对密钥进行引用和控制的组件,DRM技术主要包括数字识别技术、安全和加密技术以及电子交易技术。

网络管理为监视、控制和管理网络资源提供一种有效的方法,使网络能够安全、可靠、高效地进行,以达到最优的网络性能。

业务服务平台主要涉及服务内容的制作,存储,分发以及相关的增值业务等。此部分包含了各种服务器,如编码加密服务器,流媒体服务器,节目指南服务器等。

网络承载层指的是已有的互联网络(无线或者有线),IPTV目前主要有3种接入方式,即x DSL,Cable Modem和光纤。

3 系统简介与功能需求分析

3.1 测试仪系统简介

这里提出的新款IPTV测试仪由硬件平台和配套的软件控制台两大部分组成。其中硬件平台主要负责承载操作系统,对来自网络的IP数据包进行接收、分析、过滤、转发和存储,分析IPTV协议帧和相关数据以及与软件控制台通信;软件控制台负责IPTV相关协议统计分析、提供友好的用户界面和对硬件平台进行配置管理等。本文着重从硬件角度阐述IPTV测试仪系统设计与实现。

3.2 功能需求分析

合理的测试指标能够帮助运维人员准确的判断故障类型和提高基层维护人员的工作效率[2]。IPTV业务涉及了多个部门的协调,包括内容提供商(如上海文广)、视频头端、核心网、汇聚网和宽带接入网。IPTV测试仪表主要应用在宽带接入网的维护。在进行IPTV故障排查和端到端质量监测中,测试仪表的读数应该与头端和骨干网监测设备的读数具有一致性。

笔者研发的IPTV测试仪表主要是提供给电信运营商的网络运维部使用,所以必须满足相关技术规格和功能指标。根据目前国内运营商所提供的IPTV业务开通状况,测试仪必须符合以下技术规格:1)物理层接口为ADSL接口(RJ-11),以太网接口(RJ-45),FTTx(光口,少量);2)数据链路层封装格式为以太网封装,PPPo E和VLAN;3)网络层封装格式为UDP,RTP和TCP;4)MPEG层封装格式为MPEG-2 Transport Stream(TS码流);5)视频压缩格式为H.264,MPEG-4和AVS;6)测试方式为串接和仿真STB。

由于IPTV是基于宽带接入网的,完整的IPTV测试需要提供以下功能指标:1)ADSL、LAN线路质量和参数;2)以太网CRC/FCS等错误;3)IP包速率,丢包率;4)RTP,RTCP丢包和抖动;5)RFC 4445 MDI(媒体传输质量指标);6)PCR速率,抖动,延迟;7)TR 101-290告警(针对MPEG-2 TS流)。

4 系统设计与实现

4.1 系统总体结构

基于以上技术规格和功能指标,给出IPTV测试仪的系统总体结构,如图2所示。

系统包括ARM处理器及与其连接的FPGA处理模块、ADSL模块、STB模块和电源管理模块,同时包含与FPGA模块连接的网络数据处理模块、线缆测试模块和LCD显示模块。本测试仪测试内容包括IPTV业务质量各种参数以及直观视频效果、IPTV接入方式、通信线路质量和电特性,同时,增加的光接口模块可以满足测试未来通过光网络传输IPTV数据的需求。

4.2 硬件平台的设计及实现

4.2.1 ARM模块

作为系统的控制中心和软件控制台,ARM模块完成的任务有:

1)承载操作系统,实现多任务调度,这里选用Windows CE操作系统。

2)配置系统工作状态。系统上电时,ARM通过串口分别对ADSL模块、STB模块进行工作模式配置,通过总线对FPGA完成配置等;系统工作中,ARM接收用户定制信息,重新配置和切换系统各模块工作状态。

3)通过I/O口控制电源管理模块,实现动态电源管理。电源管理是手持设备必有的特性。采用查询方式定时读取系统的电池电量,给出实时电量信息、估计续航时间,提醒用户是否需要充电等。

4.2.2 FPGA模块

FPGA模块是测试系统的核心功能,其完成的主要工作有[3]:

1)处理接收到的网络数据。以数据处理单元送来的接收时钟(RCLK)为同步时钟,接收来自网络数据处理单元的IPTV数据帧,对采集到的数据帧进行分析、过滤、转发和存储。根据帧头内容校验,错误的帧将被丢弃,同时暂存有效帧;根据测试配置参数将不同的有效帧封装成IP包发送到相应的模块进一步处理。例如将协议控制帧封包发送至ARM单元进行上层交互,将视频数据帧封包发送至STB模块进行解码等。完成这些工作需要在FPGA内部建立查找表,以提高分析和转发效率。

2)发送网络数据。以数据处理单元发来的发送时钟(TCLK)为同步时钟,发送系统内部的数据帧到数据处理单元,这些MAC帧可能是与系统外的上层通信的协议帧,也可能是只有测试仪自身才认识的自定义测试帧。如进行网络带宽测试时,就需要FPGA完成造包、发送、接收和统计等任务。

3)配合线缆测试模块,完成线缆测试必须的脉冲产生、发射和接收等任务,实现线路质量测试中的参数提取。

4)实现画中画功能,驱动LCD。接收来自STB的视频和来自ARM的图文界面信息,实现基于时分复用技术的画中画(PIP)功能。同时,FPGA在内部为ARM和触摸屏建立实时数据通道,并驱动LCD显示。

5)通过MII接口,用以太网帧的形式采集来自AD-SL模块的IPTV协议帧,实现通过电话线网络拨号上网等一系列功能。

4.2.3 ADSL模块

ADSL模块的本质就是调制解调器,是IPTV测试仪表实现桥接或路由功能的必备组件。此模块的主要功能作用为:

1)与ARM实现串口通信,提交参数。通过本身的串口接收来自ARM的串口指令,将对应的数据参数反馈给处理器。这些参数包括交织延时、数据速率、线路衰减、噪声容限、输出功率等,这些参数与线缆测试数据共同反映是否适合IPTV业务开通以及业务质量。

2)应用于拨号测试和PC仿真中。ADSL通过RJ-11接口与电话线网络连接,测试仪通过ADSL模块的LAN口PPPo E拨号上网,实现访问远程主机的功能,验证用户到ISP服务商的连通性。

4.2.4 STB模块

STB模块作为音视频数据处理单元[4],是测试仪表不可或缺的组件。其主要作用为:

1)提取测试参数。从接收到IP包的第一个字节开始解析,提取IP包头参数,但并不是IP包头的所有参数都要提取,而是根据ARM对测试需求的参数配置进行提取。涉及的参数主要是RFC 4445 MDI(主要在RTP与TS层)和TR 101 290(主要是在TS层),通过这两个指标可以检测到媒体流在网络中的传输质量,排查故障原因。

2)音视频解码。解析FPGA送来的含有TS流的IP数据包,形成视频数据流,通过数字RGB接口把视频流输出到FPGA。

4.2.5 线缆测试模块

线缆测试模块主要测试用户线路的物理特性。其中,线路的绝缘性能主要影响到线路上原来的电话业务是否能够正常工作,严重时可影响到ADSL的传输性能,同时,这些性能参数也作为能否开通IPTV业务的依据;环路阻抗决定线路是否适合开通ADSL业务或者IPTV业务;通断测试则能解决线路是否出现断路以及断点的位置等问题。

4.2.6 其他模块

电源管理模块内部包括电压转换模块、电池电量检测模块和电池充电模块,可为系统各模块提供多种电压,检测系统电池实时电压及电量值并上报ARM,在需要时候为电池安全充电。

LCD模块,具有触摸屏功能,为系统提供界面显示和人机交互接口。

5 小结

简要说明了研究开发IPTV测试仪的意义,描述了IPTV系统的业务平台,着重阐述了系统中主要功能模块硬件平台的设计和实现。系统设计已应用于“重邮东电IPTV测试仪”中。测试结果证实,基于此系统设计的IPTV测试仪可以有效地帮助网络运营商进行IPTV网络性能测试和运行维护。

参考文献

[1]舒毅,欧阳春.IPTV系统架构的分析与研究[J].现代通信,2007(3):51-54.

[2]林建俊.IPTV系统的性能指标[J].有线电视技术,2006(9):62-64.

[3]陈玉花,张治中,杜西亚.IPTV测试仪测试指标提取方案研究[J].电视技术,2009,32(2):78-81.

基于IPTV的故障诊断专家系统 第7篇

随着现网IPTV用户的增长, 运维人员每天要面临各种用户问题和投诉, 在定位问题的时候往往需要大量MD/ME的log才能查出原因。而且这种做法比较复杂繁琐,对现场维护人员来说不具备可操作性,通常还是要靠后方开发人员支持。但是,重复、机械的思考和操作加大了开发人员的负担,浪费大量的人力资源。另一方面,各网元的开发专家之间的知识和经验不易在空间和时间上共享。为了解决这个问题,需要寻找一种方案来帮助运维人员和开发人员更快速地找到导致异常现象的原因。

1 系统的总体架构

1.1 专家系统的总体架构

专家系统=知识库+推理机。IPTV故障诊断专家系统也是由这两个部分组成。它是基于规则的专家系统(Rule-Based Expert Systems),由产生式系统发展起来的。

1.2 知识表示

此系统的知识表示方法为产生式规则,简称产生式,其基本形式为:P→Q。这里P是产生式的前提,也被称为产生式的前件,由事实的逻辑组合构成;Q是一组结论或操作,也被称为产生式的后件。产生式的含义是:如果前提P满足,则可推出结论Q或执行Q所规定的操作。以下是几条产生式规则的例子:

(1)MD进程没有启动成功→MD收不到其他进程发给它的消息。

(2)MD收不到其他进程发给它的消息→log文件没有写入MD收到的消息。

(3)MD进程意外中止→MD收不到其他进程发给它的消息。

1.3 推理机设计

此系统采用归结演绎推理,归结演绎推理是基于一种称为归结原理(亦称消解原理principle of resolution)的推理规则的推理方法。归结原理是由鲁滨逊于1965年首先提出。它是谓词逻辑中一个相当有效的机械化推理方法。归结原理的出现,被认为是自动推理,特别是定理机器证明领域的重大突破。以下是运用归结原理来解决一个SIT问题的实例:

SIT人员报告“在EMS层有2个STB在播放组播频道,streamUtil 表中没有任何单播记录,但是发现NMS上单播liveTV统计为2”。

在这里,归结原理将用于判断此描述是否是一个需要解决的问题,即系统是否正常(不正常包括代码有bug和网元在某环境运行中出错两种情况)。

定义谓词:

P1(X):有X个STB在单播。

P2(X):streamUtil 表中有X条记录。

P3(X):NMS上单播liveTV统计为X。

P4(X):有X个STB在组播。

P5(X):NMS上组播liveTV统计为X。

NE(X,Y):X不等于Y。

知识库中相关的几条规则如下:

(1)P2(X):-P1(X):如果有X个STB在单播,则streamUtil 表中有X条记录。

(2)P1(X):-P2(X):如果streamUtil 表中有X条记录,则有X个STB在单播。

(3)P3(X):-P1(X):如果有X个STB在单播,则NMS上的单播统计为X。

(4)P1(X):-P3(X):如果NMS上的单播统计为X,则有X个STB在单播。

(5)P4(X):-P5(X):如果NMS上的组播统计为X,则有X个STB在组播。

(6)P5(X):-P4(X):如果有X个STB在组播,则NMS上的组播统计为X。

(7)P1(X),P1(Y),NE(X,Y):P1(X)∧P1(Y)∧NE(X,Y)恒假。

(8)P2(X),P2(Y),NE(X,Y):P2(X)∧P2(Y)∧NE(X,Y)恒假。

(9)P3(X),P3(Y),NE(X,Y):P3(X)∧P3(Y)∧NE(X,Y)恒假。

现在有事实:

(10)P4(2)。

(11)P2(0)。

(12)P3(2)。

推理过程如下:

(13)在规则(2)中用0替换x并和规则(11)归结得:P1(0)。

(14)在规则(3)中用0替换x并和规则(13)归结得:P3(0)。

在规则(9)中用0替换x,用2替换y并和(14)归结得到空子句,因此子句集(1)～(14)不可满足。测试人员描述的事实和系统正常运行时的各个网元的事实的并集是不可满足的,因此必定至少有一个地方出错。

2 关键问题分析及讨论

2.1 log分析描述语言(LADL)

针对MD、ME、UA的log文件的格式特点,本文定义了一种语言,称为 LADLlog分析描述语言。这种语言以成熟、通用、描述能力强大的正则表达式作为基础,在其上面进行了浅层封装,以方便描述多行文件以及行与行之间的时间关系。

以下首先用自然语言来描述一下LADL的语法定义:

LADL由头部和行描述序列组成。头部为log文件的类型,取值为:logUA、logMD、logME。行描述序列是这样的:[s1]...[s2]...[s3]...[sn],用中括号括起来的部分是正则表达式,用来描述一行log的特征(不包括date、time、微秒数和线程ID),中括号之间表示行与行之间的关系,可以为空,也可以为小于或大于号跟一个毫秒数表示两行之间的时间关系。

2.2 不确定性知识的表示

不确定性知识的表示,关键是如何把不确定性用量化的方法加以描述,而其余部分的表示模式与前面介绍的(确定性)知识表示方法基本相同。在这里只分别举一个例子来说明随机性知识的表示和模糊性知识的表示。

随机性知识的表示:

如果访问了受保护的内存区,那么是向没有分配内存的指针指向的区域拷贝数据(0.8)。

如果访问了受保护的内存区,那么是读写了下标越界的数组元素(0.2)。

这里的0.8和0.2就是对应规则的信度,它们代替了原命题中的“很可能” 和“大概”。

模糊性知识的表示:

ME上报segment信息到MD的速度慢(0.8)。

建流速度很快(0.9)。

MD频繁重启(0.6)。

这里的0.8、0.9、0.6就表示了慢、快、频繁的程度。

3 系统运行的具体实现

3.1 Windows+Access+VB6+C/S的一个具体实现

这个系统的通信子系统在传输层采用TCP协议,在应用层,S发向C的报文采取“命令字节+三位十进制数表示的数据长度+数据”的格式。

图1是服务端的LADL构造器,用来方便地构造LADL语句,同时防止语法错误。当然也可以直接在文本框输入LADL语句,系统内部会 有语法分析器来检测语法错误并显示出错误类型,然后定位到错误发生的位置。

图2是专家系统客户端的log分析子系统,用户输入了问题发生开始时刻的年、月、日、时、分、秒以及时间长度后,再选择分析哪种log,远程还是本地,等等设置好后该系统将会自动去获取log并和命题表中的LADL进行匹配,匹配成功的命题将会添加到事实中,供服务端的推理机进行推理。

4 结束语

借鉴专家系统在其他领域已取得的成果,针对IPTV的日常维护工作,建立了IPTV系统故障诊断知识库模型。针对人类专家分析log时的思维特点,提出了一种log分析描述语言,用它跟产生式系统相结合来模拟人类的思维方式,然后设计了解释子系统来作为推理的输出,帮助研发、维护人员进行故障的定位,并构建系统加以实现。实验结果说明了LADL+产生式算法模型的有效性和较好的通用性,基本达到研究目标。但这个系统存在不少缺陷,具体表现在:(1)只利用了log文件,没利用到Segment、Program、Channel、Node、Stream等各种表,以及内核文件,CPU内存的使用情况等;(2)用产生式来表示知识。无法将知识分解得足够基本,从而模拟人类进行灵活的“思考”和推理。也许语义网络和框架表示法还有一阶谓词逻辑能解决这个问题。

摘要：针对IPTV研发、测试、运行、维护人员日常的故障诊断和定位工作,开展了有关专家系统设计及其实现方法的探索性研究。研究工作主要根据IPTV系统故障诊断特点设计了基于产生式规则的知识表示方式、基于log分析描述语言对log文件进行模式匹配的算法、采用客户端/服务器的分布式结构,构建了一种基于知识的智能推理模型并进行了系统实现。实验结果表明,所建立的产生式规则模型及其软件系统,初步实现了机器自动诊断IPTV系统故障的目标,能够自动生成对人类专家有一定帮助的诊断推理报告。

关键词：人工智能,专家系统,知识库,推理机,IPTV

参考文献

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