新一代高速网络发展与应用- 3Tnet与IPTV的未来发展

新一代高速网络发展与应用-3Tnet与IPTV的未来发展邬江兴教授，工程院院士国家八六三计划3Tnet重大专项总体组国家数字交换系统工程技术研究中心摘要：本文首先介绍了国内外网络电视（IPTV）业务的发展趋势，分析了当前互联网承载IPTV业务时所面临的主要技术问题。然后，叙述了西方发达国家在高速网络方面的重要计划，指出了我国在发展高速网络方面所进行的努力，特别是国家863计划支持的高性能宽带信息网（3Tnet）重大项目，正是我国在通信网络领域追赶西方发达国家的重要举措。最后，详细介绍了3Tnet重大项目的主要创新、所取得的研究成果等，并对新一代网络与业务的发展作了简单预测。一国内外网络电视业务发展趋势1.1全球通信业务发展总体趋势o从服务对象上，全球通信业务越来越重视两个方面n提倡以人为本，提供高质量、个性化、人性化通信服务；n重视全民共享，推行无所不在的服务，缩小数字鸿沟。o从业务特征上，网络业务呈现移动化、宽带化、多媒体化的发展趋势o许多国家越来越重视通信网络和服务业在建设信息社会与可持续发展中的基础作用1.2通信业务主体发生变化o数据业务（特别是IP业务）对PSTN话音业务冲击明显n过去3年骨干网流量年增长率260％，2004年第3季度省际IP带宽是话音带宽的10倍；nIP流量占90％数据带宽；n预计未来5年骨干网带宽需求年增长约80％；o移动网替代固定网趋势正日益加速n2003年10月移动用户超固网用户；n2003年2月移动业务收入占50.28%；n移动通话次数接近，时长超过固网。1.3IP业务中以视频流媒体为主o简单推算n若视频流媒体服务（IPTV，VoD）的用户数从0.01%增加到1%，则其流量在整个IP业务总流量中将从9%增加到90%；o两点推论n在IP数据业务中唯视频流媒体服务独尊；n解决了网络支持流媒体服务问题，也就解决其他业务可能存在的问题。oIPTV是宽带市场的主要推动力！1.4IPTV业务全球趋势预测StrategyAnalytics对全球IPTV业务预测：2008年将达到2000万以上用户，全球IPTV前景光明。图1a全球IPTV预测用户数增长趋势图1b全球区域IPTV用户数增长趋势1.5影响IPTV发展的因素分析o据中国电信用户调查分析，影响用户购买IPTV业务的主要因素有：内容（含更新速度）、价格、图像质量、网络质量o用户对内容要求n视频点播以电影、电视剧为主；n信息服务以社会、体育、财经、彩票为主；n互动游戏以休闲、益智、对抗类游戏为主；n远程教育以时尚、烹饪、职业教育为主。o用户对终端要求n多数人喜欢机顶盒+电视机模式；n目前市场上机顶盒的质量与外观都有不足。o用户对网络要求n开机连接启动速度、网络连接稳定性、频道切换速度等存在问题1.6IPTV系统的一般组成图2IPTV系统组成1.7基于ADSL的IPTV解决方案图3一种IPTV解决方案二在互联网开展网络电视业务面临问题2.1视频流媒体业务的特征o与传统IP数据业务（FTP、HTTP、Telnet、Email等）相比，视频流媒体（IPTV、VoD等）需消耗更多网络带宽o“流”的本质–希望网络具有面向连接的特性n数据包有时间顺序（时序约束）；n数据包必须在限定时间内到达（有界时延抖动：TCP无用）；n数据包丢失率尽量小（优先丢失）；n在流数据传送期间需持续占据网络带宽（最小带宽保证）。2.2互联网的本质缺陷oInternet哲学是“尽力而为”；oIP是纯粹的分组交换体制；o无法保证端到端QoS（带宽、数据包丢失、包延迟等）；o基于大量IP路由器分布式互联而形成的互联网是不可预测的，其行为是异常复杂的；o现有QoS保障协议（例如DiffServ、IntServ、MPLS等）试图修补Internet的QoS缺陷，但是也只能在IP基础上提供尽可能好的QoS，不能从根本上解决QoS问题！2.3应积极探寻新的网络体系o视频流媒体业务中“流”的本质特征要求新一代互联网具有面向连接的特性n要求带宽独占和流速平稳；n要求大规模并发和组播；n要求突发数据访问；o在网络边缘用户设备接入时又必然要求IPnIP的开放特性（允许子网异构，全局寻址，透明）；n允许各类终端访问网络（普遍连接性要求）；n汇聚各种异构业务源的上下行流量（多路复用）。三西方发达国家高速网络发展计划简介3.1美国高速网络计划oNGI，Internet2o100×100研究计划n主要目标：美国NSF资助，提出到2010年100Mbps到1亿家庭用户、1Gbps到1百万中小企业，解决端到端QoS；n设计理念；致力于全新网络构架，不考虑后向兼容，只考虑前向兼容；n具体内容：除了考虑带宽、迟延、迟延抖动、安全等性能参数外，特别强调无处不在的接入、用户和网络运营的经济性、安全抗攻击性和易管理性等。3.2欧盟高速网络计划oe-Europe2002的重点是宽带接入oe-Europe2005主要关注如何推进业务、应用和内容，致力于宽带架构和安全事务的发展，提出了现代化的在线公众服务（电子政府、e-learning和e-health）和具有推动力的电子商务环境及应用支持基础（普遍可用的宽带接入和信息安全架构）的目标3.3日本高速网络计划oe-Japan战略计划使日本2003年实现宽带网络环境o2004年6月日本提出以发展Ubiquitous社会为目标的U-Japan构想，希望在2010年在日本建设成一个“anytime,anywhere,anything,anyone”可上网环境，其四大目标：n实现何时何地都可以舒适地利用网络的社会；n实现可以持续创造新商业及服务的社会；n实现任何人都可以安心且安全生活的社会；n实现充满活力的社会。o日本政府预测与U-Japan有关的市场规模达87.6万亿日元，影响日本经济120.5万亿日元3.4发展新一代网络是许多国家的战略选择o西方发达国家的战略选择n把对新一代网络技术的掌握视为提升经济实力和国家竞争力的重要手段；n高度重视通信网络和信息服务业在建设信息社会与推进可持续发展中基础性作用；n投入大量人力、物力，提出战略发展计划，分阶段、有步骤实施，取得明显成效。四我国863计划3Tnet重大专项介绍4.1十五期间我国网络发展计划o中国各级政府部门高度重视高速网络的发展n科技部八六三计划：高性能宽带信息网（3Tnet)n信息产业部：NGN发展战略研究（考虑运营和电信IP产业）n国家发改委：中国下一代互联网示范工程（CNGI，重点解决IPv6）n国信办：因特网技术现状、问题和发展趋势的研究（重点解决网络信息安全问题）n自然科学基金委：网络与信息安全重大研究计划4.23Tnet的来源o3Tnet是“高性能宽带信息网”的简称，是国家863计划“十五”期间信息领域重大科技专项；o国务院8号文件的要求：贯彻创新性、先进性、开放性和示范性的原则，以新产品和新业务开发为中心，自主研制Tbps级路由、交换、传输设备以及应用支撑环境，建设试验示范网，促进我国区域经济跨越式发展，使我国在新一代通信网核心技术方面进入世界前列。4.33Tnet的目标o自主研制Tbps网络设备，在长三角促进地方政府和运营公司建设下一代可运营、支持大规模并发流媒体和交互式多媒体业务的高性能宽带信息示范网n技术目标：突破关键技术屏障，自主研制Tbps级的光传输系统、自动交换传送网络、IPv4/v6双栈路由器等核心节点设备，研究开发相应的网络支撑环境；n网络目标：用Tbps级节点设备、网络支撑环境和相关业务资源促进地方政府和运营公司，建立一个实用化的、可管理、可运营的广域高性能宽带信息网；n应用目标：从宽带流媒体和互动多媒体业务开始，发展多种音视频服务，面向多种增值业务，推进示范区域信息一体化进程。4.43Tnet的研制思路o基于业务特征驱动网络渐进演变的一般规律，研究3Tnet整体构架（核心网和边缘网）；o研究核心网对流媒体业务的支持；o研究接入网对端到端带宽的保证（40Mbps）；o开展大规模试验和示范应用，以验证3Tnet的体制、技术、设备、业务的运营支撑环境和商业模式等。4.53Tnet的主要业务o支持流媒体业务：网络电视（IPTV）或视频点播（VoD）n利用[机顶盒+电视机]、电脑等终端设备，通过3Tnet接入网，按频道接收电视节目（包含HDTV）；n或按节目表点播视频节目。o支持话音业务：VoIPn利用[机顶盒+电视机]、电脑等终端设备，通过3Tnet接入网，打IP电话o支持上网业务：，Email，FTP等n浏览网页、收发邮件等五3Tnet的主要创新和重要成果介绍5.13Tnet的整体构架o核心网：使用电路交换ASON；o边缘网：使用大规模汇聚路由器ACR；o基本特征：电路和分组混合的交换体制。图43Tnet核心网与边缘网整体构架5.23Tnet的核心网（ASON）o上海—杭州：基于40Gbps的Tbps密集波分复用（DWDM）光传输系统n支持到80×40Gbps能力o城域网：Tbps级自动交换传送网ASTNn具有Tbps交换容量、多类型业务接入、动态资源分配、自动连接控制和网络保护恢复等功能的自动交换光网络(ASON)节点设备；n突发交换式连接、组播。图5核心网拓扑5.33Tnet的接入网（ACR）图6接入网与ACR组成o高度简化接入网络的拓扑结构（超级扁平树结构，端到端2跳），提供QoS保证和端口流量控制；o支持大规模用户端口数（最多可扩展到6万个端口）；o支持二层隔离和三层受控互访，支持一体化网管；o支持IPv4/v6；o支持100个频道数字电视业务，最大可支持30路HDTV和70路SDTV的组播或总带宽≤1Gbps电视频道数；o支持基于IPv4/IPv6的激活和休眠状态的受控组播树，组播树数量大于100个，用户在组播树间的切换时间：75%的情况下小于0.75s;85%小于1s；最长切换时间小于1.2s；o支持基于流聚合的动态组播树，提供VOD业务，动态组播树的数量大于2000个，流聚合的最大时延小于1分钟。5.43Tnet的拓扑图图73Tnet的实际部署拓扑图5.53Tnet对IPTV的支持oIPTV的内容分发方式：ASON组播+IP组播o性能指标：n2万个IPTV用户n70路SDTV（6Mbps）n30路HDTV（20Mbps）o主要瓶颈：网络带宽图83Tnet支持IPTV的框架5.63Tnet对VoD的支持oVoD内容分发方式n单播；聚链组播；nCDN框架：局部化VoD业务量，降低核心网络负载o性能指标：2000个并发用户；100路备选节目o主要瓶颈：网络带宽；服务器能力图93Tnet支持VoD的框架5.73Tnet的运营支撑环境o从媒体前端、媒体传输、运营保障、用户接入等方面入手，构建了集IPTV（含HDTV、互动）、VoD业务于一体的综合运营服务平台；o实现了用户一点认证付费，业务运营商（包括视频业务运营商、话音业务运营商、各种数据业务运营商等）、网络运营商、驻地网运营商的可独立管理各自业务和可信分帐的运营机制。5.83Tnet支持IPTV的技术关键oASON链路组播确保IPTV直播到边缘汇聚路由器ACR；oASON突发连接确保VoD节目下载到边缘媒体服务器；oACR受控组播技术实现对IPTV用户认证和授权；oACR的大规模汇聚和超强交换技术确保用户40Mbps带宽；o智能化内容分发提高系统的整体性能和效率；o运营支撑环境保证系统可管理和可运营。5.93Tnet的主要成果列举oTbps传输：全球第三个实际开通的、可扩展到80X40DWDM传输系统；oTbps交换：全球最早提出的基于ASON突发传输和组播的城域网；oTbps路由：融合电路交换和分组交换优势，研制大规模汇聚路由器；oIPTV业务：实时快速分发的城域ASON网和大规模接入路由器，确保对IPTV业务支持，并率先探索IPTV商业运营模式；o规模试验：国内规模最大的支持IPTV（含HDTV）业务的实验网–拥有20000用户，且用户可独享40Mbps带宽；o产业推进：引领网络技术创新和国家（国际）标准的制定，为宽带网络与IP