基于UPnP發現與組播技術的IPTV終端實現

作者：時間：2007-12-24 來源：網絡

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摘要：本文設計并實現的終端系統工作在mClinux操作系統下，通過應用UPnP中的SSDP服務發現協議，實現在局域網中IPTV終端的自動發現，并使用IP組播技術將TV視頻信號及本地的AV視頻信號。通過數字化處理和MEPG-2編碼壓縮后封裝為RTP包發送到組播地址，供局域網內的合法用戶觀看。
關鍵詞：IPTV;UPnP;IP組播技術; MPEG-2

　　引言

　　IPTV是一項系統技術，可使音/視頻內容節目或信號以IP 包的方式在不同物理網絡中被安全、有效和保質地傳送或分發給不同用戶。

　　基于 UPnP中的簡單服務發現協議(SSDP，Simple Service Discovery Protocol)和IP組播技術，本文提出并實現了一種新的IPTV終端系統。該系統不僅能將CATV(有線電視網)模擬信號和本地AV模擬信號轉換為數字信號，并通過MPEG-2編碼，再使用RTP/RTCP協議組播到家庭網絡，而且提供了實時串流視頻、本地視頻定時存儲播放和VoD(Video On Demand)服務。

　　UPnP協議棧中的SSDP協議

　　UPnP(Universal Plug and Play――通用即插即用)是針對局域網絡范圍內對等(peer-to-peer)互聯而設計的一種應用層技術標準，旨在為家庭、小型企業、公共場所提供基于IP技術、易于使用的網絡服務自動發現機制。

　　SSDP用于服務發現，控制點借此可定位其感興趣的資源在網絡中的位置，設備可借此告之它們的可用性。SSDP客戶(控制點)可往本地保留的多播地址的SSDP端口(239.255.255.250:1900)發送發現(Discovery)消息來尋找SSDP服務;SSDP服務(設備)也可以同樣的方式發送SSDP指示來宣告它的存在。

　　本文IPTV終端的UPnP發現過程，即控制點(運行在mClinux上的服務器程序)搜索網絡上的UPnP設備(運行在PC上的客戶端程序)，同時，UPnP設備也要宣告自己的存在。當用戶在PC上打開一個新的客戶端程序時，它會通過標準的本地多播地址發送多播發現消息宣告一個新的用戶存在。控制點監聽該多播地址，獲取用戶的可用信息。同樣，當控制點被添加到網絡時，它會多播一條發現消息來搜索是否已有客戶端存在。

　　IPTV終端系統設計

　　系統軟件架構及

　　子系統模塊設計

　　IPTV終端系統軟件架構分為服務器和客戶端兩部分，如圖1所示。

圖2 IPTV終端系統軟件架構圖

　　服務器軟件部分包括：

　　RTP/RTCP模塊：該模塊包含RTP/RTCP協議棧，負責將視頻信息打包成RTP組播或單播到局域網中。

　　串流模塊：客戶端用戶選擇本地音/視頻文件或VoD服務器里存有的音/視頻文件，將其發送到VLC播放器中處理并轉發到服務器的串流模塊，由此模塊在局域網內組播，供在線合法用戶觀看。

　　定時音/視頻存儲、播放模塊：管理員選擇本地音/視頻文件，將其發送到VLC播放器中處理并轉發到服務器的定時音/視頻存儲、播放模塊，由此模塊異步寫入Flash中存儲。管理員可以設定要播放存儲視頻的時間、播放次數、連續播放時間間隔、播放長度和結束時間等。

　　用戶合法性管理模塊：該模塊在用戶登錄時檢查普通用戶或系統管理員的合法性，并實時管理所有在線用戶信息，定時顯示所有在線用戶的IP地址。

　　UPnP服務發現模塊：該模塊負責使用UPnP中簡單服務發現協議監聽局域網內客戶端程序的運行，并在客戶端程序發出SSDP Notify消息時響應。

　　服務控制模塊：由管理員更改服務器IP地址，用戶更改音量、頻道、畫質等模塊組成。

　　硬件驅動模塊：該模塊由服務器上的硬件驅動程序組成。

　　客戶端軟件部分包括：

　　UPnP服務發現模塊：客戶端應用程序運行時，在局域網內發送UPnP SSDP宣告消息。

　　用戶登錄模塊：當收到服務器的UPnP響應消息時，運行此模塊，檢查用戶合法性。

　　VoD上傳模塊：通過VLC播放器和服務器上的串流模塊，將音/視頻上傳到本地VoD服務器。

　　遙控器程序：系統UI部分，提供友好的系統管理員和普通用戶操作界面。

　　VLC播放器：一種強大的跨平臺媒體播放軟件，支持多種音/視頻格式(MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-4、DivX、MP3、ogg...)、流媒體協議和串流組播。

　　系統硬件體系結構設計與實現

　　本方案是以華邦ARM W90N740芯片為主控制器的硬件平臺，在W90N740的外圍添加網絡模塊、串口接口模塊、調諧器模塊、音/視頻解碼及數字化處理模塊、MPEG-2音/視頻壓縮模塊和USB模塊等。系統硬件體系結構如圖2所示。

圖2 系統硬件體系結構框圖

　　1、CPU部分

　　CPU(W90N740)、ROM(512KB)、Flash(8MB)、SDRAM(32MB)、SRAM(32K32b)和CPLD構成了最基本的處理系統。ROM存放BOOT程序，每次RESET后，CPU從這里運行，該部分程序主要作硬件初始化，為運行mClinux作準備。Flash存放mClinux和用戶程序。SDRAM是程序運行時存放mClinux和用戶程序的地方。SRAM是PCI橋成為本地總線主機時，寫入數據的地方，由于PLX9080不能操作SDRAM，所以，要用一個SRAM來做數據緩存。CPLD主要完成PCI總線的仲裁、地址譯碼、RESET信號的產生、中斷信號的匯總、SRAM的片選，以及一些信號的電平或時序轉換。在CPU與 SRAM的數據總線和地址總線之間有一個開關，用于解決當CPU訪問PCI設備和PCI設備訪問SRAM同時發生時引起的死鎖。當這種情況發生時，開關將斷開CPU的數據總線和地址總線，同時輸出WAIT信號，讓CPU處于等待中，而讓PCI設備先訪問SRAM，完成后，再恢復CPU對PCI設備的訪問。

　　2、PLX9080部分

　　PLX9080將PCI總線和本地總線連接起來，它主要提供本地地址到PCI地址的雙向轉換，本地控制到PCI控制的雙向轉換。PLX9080收到CPU的命令后，首先向CPLD的PCI仲裁器申請，獲得許可后，開始進行PCI讀寫。PCI設備(比如SAA7134)也是通過PLX9080將數據寫入本地存儲器，當外部設備向PLX9080發起PCI寫操作后，PLX9080將向CPU申請本地總線的使用權，CPU釋放總線的控制權，PLX9080就將PCI的地址翻譯成本地地址，將數據寫入SRAM中。

　　3、SAA7134HL部分

　　SAA7134HL主要將SIF和CVBS信號進行解碼、取樣，然后數字化，組合成ITU-R BT.656格式的視頻數據和I2S格式的音頻數據送給MPEG-2壓縮，同時接收MPEG-2壓縮器已經壓縮好的傳輸流數據，進行緩沖后，將數據通過PLX9080寫入SRAM中，完成后向CPU發出中斷，請求CPU進行處理。SAA7134HL還包含了一個I2C MASTER總線控制器，可以完成對調諧器和SAA6752HS的控制。

　　4、SAA6752HS部分

　　SAA6752HS主要對SAA7134HL送來的視頻和音頻數據按照MPEG-2標準進行壓縮，完成壓縮后將數據回送給SAA7134HL進行傳送。

　　硬件功能說明如下：

　　*調諧器：該部分是將從天線或同軸電纜接收進來的TV射頻信號進行解調，輸出視頻信號和音頻信號。

　　*視頻、音頻解碼和數字化：該部分將復合的視頻信號(CVBS)解碼，取出其中的Y、U、V分量信號，然后對這些信號取樣作A/D轉換，再把這些數據組合成滿足ITU-R BT.656的數據，輸出給MPEG-2壓縮部分。同時，也對音頻信號取樣作A/D轉換，再把這些數據組合成I2S格式的數據輸出給MPEG-2壓縮部分。

　　*MPEG-2壓縮部分：這部分將滿足ITU-R BT.656規定的視頻數據和I2S格式的音頻數據按照MPEG-2標準進行壓縮，生成MPEG-2傳輸流輸出到PCI傳輸部分。

　　*PCI傳輸部分：該部分將MPEG-2傳輸流的數據經過緩沖后，將其經過PCI總線寫入到系統的內存中，然后發中斷給處理器，通知其有數據要處理。

　　*PCI橋：PCI橋是將處理器的本地總線和PCI總線連接起來的部件，主要完成對PCI 總線和本地總線的申請，以及PCI總線地址與本地總線地址之間的轉換、PCI總線地址與本地總線之間的控制時序的轉換。

　　*處理器及其外圍部件：該部分主要由CPU和能讓其運行起來的基本外圍器件組成。包括地址譯碼、SDRAM、Flash、ROM器件。

　　*接口部分：與外部進行通信的接口，由兩個以太網端口和一個RS-232，以及一個USB口組成。

　　測試運行情況

　　服務器平臺配置：CPU (W90N740)、ROM(512KB)、Flash(8MB)、SDRAM(32MB)、SRAM(32K32b)，及mClinux操作系統。

　　客戶端平臺配置: 奔騰 CPU(2.4GHz)、內存(256MB)、Windows XP 操作系統。

　　在測試中，普通用戶使用IPTV終端在局域網內接收并流暢播放CATV電視、本地AV，觀看實時串流或定時存儲的音/視頻，通過終端系統正常進行VoD點播。系統管理員可以設置服務器IP地址、接收TV頻道的范圍、允許同時存在普通用戶的最大個數、用戶密碼、實時串流、定時存儲及上傳到服務器的音/視頻文件路徑等功能。

　　在播放的同時，用戶可以通過遙控器程序設置播放色彩，畫質，音量，頻道及AV->TV->VoD->AV循環切換。

　　系統運行性能指標：

　　(1)丟包率

　　丟包率=(理論發包數-實際收包數)/理論發包數

　　本系統在運行時可以根據上述公式動態計算傳輸丟包率，并在任何用戶丟包率大于10%時自動斷開用戶與服務器的連接。

　　(2)時延

　　系統運行時，用戶可以在線流暢地觀看TV/AV/VoD視頻流。

　　如圖3所示，當用戶數量從1個增加到10個時，時延將隨之從2ms增加到4.2ms。