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CDN和IPQAM構建分布式VOD平臺討論

2008/06/20

　　數字化革命帶來(lái)了HFC的變化，媒體和網(wǎng)絡(luò )的雙重融合將在今后改變廣播電視系統的結構和運營(yíng)模式，對傳統廣電傳輸網(wǎng)絡(luò )提出了新的挑戰。對于如何構建面向未來(lái)的廣電交互信息傳輸網(wǎng)絡(luò )，現在已形成共識的是采用IP技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)建設寬帶骨干傳輸網(wǎng)絡(luò )，接入網(wǎng)部分的數據下行仍通過(guò)HFC網(wǎng)絡(luò )傳輸至用戶(hù)端。源于互聯(lián)網(wǎng)的內容分發(fā)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（ContentDeliveryNetworks，即CDN），將在廣電骨干傳輸網(wǎng)絡(luò )中發(fā)揮重要的作用;另一方面IPQAM技術(shù)的迅速發(fā)展和普及,使得基于HFC＋IP網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)模式得以全面推廣。IPTV技術(shù)的成熟與應用，為電信行業(yè)開(kāi)展視頻業(yè)務(wù)提供了技術(shù)上的解決手段，也給廣電行業(yè)的傳統視頻業(yè)務(wù)造成了巨大的沖擊與威脅。要應對外界的競爭壓力，廣電必須充分應用雙向有線(xiàn)電視網(wǎng)開(kāi)展基于IPQAM技術(shù)的互動(dòng)電視業(yè)務(wù)運營(yíng)，積極推進(jìn)IPQAM、CDN等技術(shù)在有線(xiàn)電視系統中的應用，才能穩固廣電在視音頻交互業(yè)務(wù)方面的優(yōu)勢。以VOD業(yè)務(wù)為代表的交互電視是當前的發(fā)展熱點(diǎn)，如何充分結合CDN網(wǎng)絡(luò )和IPQAM技術(shù)，構建新型的大規模商用VOD體系平臺，是本文討論的重點(diǎn)。

初識CDN與IPQAM

　　CDN是構建在IP網(wǎng)絡(luò )上的一種分布式的內容分發(fā)網(wǎng)，主要采用“中心—邊緣”的存儲與服務(wù)分布方式。它的基本原理就是在分布的地區或網(wǎng)絡(luò )中部署邊緣服務(wù)器，首先將所有的節目都在中心服務(wù)器存儲，再通過(guò)骨干網(wǎng)把用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)相對集中的內容分發(fā)到邊緣服務(wù)器，直接由邊緣路由器提供用戶(hù)服務(wù)。

　　在VOD業(yè)務(wù)中，由于電視觀(guān)眾對視頻信號的高質(zhì)量及實(shí)時(shí)性要求，CDN的地位顯得尤為重要，不僅承擔著(zhù)提高用戶(hù)響應速度的重任，而且還可以減輕海量數據流量對骨干網(wǎng)造成的巨大壓力。

　　基于HFC網(wǎng)的分布式VOD體系結構充分利用現有的CATV網(wǎng)絡(luò )，可以將海量的節目迅速高效地提供給用戶(hù)，為開(kāi)展VOD等多媒體互動(dòng)業(yè)務(wù)提供了一種合理的框架。這種框架的核心設備IPQAM調制設備集“復用、加擾、調制、頻率變換”功能為一體，可以將DVB/IP_GbE輸入的節目流重新復用在指定的MPTS中，再進(jìn)行

　　QAM調制和頻率變換，輸出至RF。在使用IPQAM之后，機頂盒和邊緣視頻服務(wù)器之間的控制信息和視頻流將分別通過(guò)不同的通路傳輸：機頂盒的接入認證、EPG信息瀏覽等流程通過(guò)雙向回傳通道進(jìn)行交互；邊緣視頻服務(wù)器收到用戶(hù)的請求后將音視頻流以恰當的封包形式輸出至IPQAM設備，IPQAM將音視頻流調制為RF信號后通過(guò)HFC網(wǎng)絡(luò )傳輸給機頂盒，機頂盒對音視頻流進(jìn)行解調和解碼。

　　采用IPQAM技術(shù)后，一方面可以充分利用HFC的帶寬資源以及傳輸特性，向用戶(hù)提供有QoS保障的視頻服務(wù)，更適合高清業(yè)務(wù)對傳輸網(wǎng)絡(luò )的高下行帶寬要求；另一方面降低了視頻服務(wù)對IP網(wǎng)絡(luò )的要求，不再要求IP網(wǎng)絡(luò )接入層提供較高的帶寬，使廣電運營(yíng)商可以以較低的成本實(shí)現交互視頻業(yè)務(wù)。

結合利用CDN與IPQAM

　　在大型的交互電視平臺中，CDN將視頻內容根據合適的策略推送到邊緣節點(diǎn)，然后通過(guò)IPQAM設備將IP數據封包調制發(fā)送到HFC接入網(wǎng)中，典型的部署。

　　在結合IPQAM和CDN技術(shù)開(kāi)展VOD業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò )體系中，與電信IPTV和廣電傳統集中式VOD的傳輸模式都有所區別，涉及的主要問(wèn)題有：

因為HFC的網(wǎng)絡(luò )特性，需要考慮終端用戶(hù)與IPQAM端口的數據可達，并進(jìn)行相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )規劃和資源管理；

CDN與IPQAM技術(shù)在數據層面的結合，包括對視頻流數據封包和碼率控制的要求；

CDN與IPQAM技術(shù)在路由層面的結合，包括全局路由管理、負載均衡、冗余機制和QAM資源管理調度等。

1.資源管理調度

　　基于HFC的VOD系統中，用戶(hù)所點(diǎn)播的視頻內容的下行是由HFC網(wǎng)絡(luò )承載的，通過(guò)IPQAM設備將IP數據包調制發(fā)送到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中。鑒于HFC網(wǎng)絡(luò )的共享特性，某個(gè)特定的機頂盒只能接收到來(lái)自特定的一組IPQAM頻點(diǎn)的數據，因此需要對服務(wù)區域有明確的規劃和管理，一般將這樣的服務(wù)區域定義為Region。

　　Region即預先定義的一組頻率資源，或者為一個(gè)IPQAM通道資源規劃單元。

　　在不同節點(diǎn)所覆蓋的服務(wù)區域，可全部或部分重復使用該網(wǎng)的VOD頻率規劃單元，對擁有相同路徑的服務(wù)區域即為一個(gè)Region。為識別不同的Region，每一個(gè)Region都有一個(gè)唯一的ID號，即RegionID。VOD業(yè)務(wù)中采用RegionID來(lái)進(jìn)行機頂盒用戶(hù)的定位，機頂盒請求服務(wù)時(shí)需要向VOD頭端系統提交該信息，頭端系統根據此信息就可以區分是哪個(gè)區域的機頂盒發(fā)出的請求，從而分配對應的路由來(lái)供視頻服務(wù)器傳送TS流。

（1）QAM資源管理

　　VOD頭端系統資源管理模塊SRM（Session&ResourceManager），需要了解每個(gè)實(shí)際部署的IPQAM的資源使用情況以完成資源的分配和回收，要求IPQAM設備提供接口供SRM完成心跳維護和狀態(tài)查詢(xún)，接口可以通過(guò)IPQAM的SNMP方式提供，也可以通過(guò)其他API方式提供。

　　IPQAM的UDP端口和頻點(diǎn)、節目號的映射規則應該全網(wǎng)統一設置，以對所有資源按照統一的算法調度，映射規則可以通過(guò)SNMP或者API進(jìn)行設置。因為IPQAM以及相應的頻點(diǎn)和通道資源是有限的，因此要求系統在服務(wù)過(guò)程中對上述資源進(jìn)行管理。

（2）RegionID管理

　　機頂盒可以通過(guò)固定分配或網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)下載的方式獲取RegionID。固定分配的方式實(shí)施較為簡(jiǎn)單，但有機頂盒在跨區域漫游或者頭端網(wǎng)絡(luò )結構調整時(shí)需要重新綁定RegionID的缺點(diǎn)；而采用通過(guò)頭端實(shí)時(shí)下發(fā)RegionID，機頂盒可以動(dòng)態(tài)更新，更為靈活，是運營(yíng)商普遍的業(yè)務(wù)需求方式。

　　在實(shí)時(shí)下發(fā)方式下，RegionID信息是通過(guò)IPQAM經(jīng)HFC通道下發(fā)給機頂盒的，具體發(fā)送方式可以通過(guò)設置并實(shí)時(shí)廣播DVB網(wǎng)絡(luò )參數至機頂盒，機頂盒根據預設的規則解析得到RegionID。具體設置RegionID的相關(guān)參數可以采用TSID或NID兩種方式。

　　TSID方式：按照系統的頻段規劃和部署完成對IPQAM中每個(gè)通道TSID的配置，確保IPQAM每個(gè)流的TSID在全網(wǎng)內是唯一的，機頂盒開(kāi)機后在劃分為點(diǎn)播業(yè)務(wù)的頻段掃描獲得能夠接收到的TSID并保存。

　　在所有的IPQAM中設置TSID，由IPQAM通過(guò)實(shí)時(shí)廣播PAT表來(lái)下傳TSID信息。這樣機頂盒將能夠通過(guò)掃描方式，探測到能夠到達該機頂盒所有的IPQAM的TSID信息。機頂盒可能獲得屬于一個(gè)Region的多個(gè)TSID，機頂盒按照設定的規則解析TSID，獲得RegionID。

　　NID方式：在每個(gè)非點(diǎn)播頻點(diǎn)的NIT表格插入服務(wù)入口描述符，機頂盒通過(guò)該描述符獲得點(diǎn)播主頻點(diǎn)信息，然后機頂盒根據點(diǎn)播主頻點(diǎn)上的NIT信息，獲取到的NetworkID信息即為RegionID。當無(wú)法讀到描述符中的點(diǎn)播主頻點(diǎn)信息或RegionID信息時(shí)，采用機頂盒存儲的信息。

2.數據層面的結合

　　經(jīng)過(guò)路由選擇和資源分配后，CDN的邊緣視頻服務(wù)器將向IPQAM輸出視頻流數據。根據IPQAM設備的傳輸特性，需要考慮合適的數據封包和碼率控制方式。（1）數據封包

　　運營(yíng)商目前普遍選擇的視頻編碼格式為MEPG2TS或MPEG4/H.264ISMA，這兩類(lèi)格式采用不同的封包流程：

MPEG2TS封包流程

具體流程如下：

文件以MPEG2TS的文件格式存放；

視頻服務(wù)器U-Server讀取文件數據封裝成TS包方式，加上IP包頭，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給IPQAM設備；

IPQAM將TS數據取出調制成RF信號通過(guò)HFC網(wǎng)絡(luò )傳輸；

STB接收到TS數據后對其進(jìn)行解碼播放。

MPEG4/H.264封包流程

基于RTSP協(xié)議傳輸的MPEG4/H.264ISMA格式文件播放封包解包流程如下：

文件以Mpeg4/H.264ISMA文件格式存放;

視頻服務(wù)器U-Server讀取文件，先封裝成RTP格式，然后加上TS的包頭，再加上IP包頭，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給IPQAM；

IPQAM將TS數據取出調制成RF信號通過(guò)HFC網(wǎng)絡(luò )傳輸；

DVB解碼芯片接收到TS數據后，將TS包頭數據去掉，將TS的Payload信息也就是RTP數據傳遞給MPEG4/H.264Chip；

MPEG4/H.264解碼芯片對RTP數據信息處理，對音視頻數據進(jìn)行解碼播放。

（2）碼率控制

　　IPQAM設備對碼流變化的適應能力相對較弱，因此視頻服務(wù)器單純依靠以往在以太網(wǎng)上的發(fā)包策略往往會(huì )導致某個(gè)時(shí)刻發(fā)包過(guò)快，因IPQAM緩存不足而導致Overflow錯誤。針對這種情況，視頻服務(wù)器需要對每個(gè)點(diǎn)播流的碼流動(dòng)態(tài)地進(jìn)行精確控制，使碼流盡可能平穩，從而減少或消除IPQAM的Overflow異常。

　　在編寫(xiě)碼流控制算法時(shí)，可以從兩方面入手使碼率趨于平滑。

　　限速控制：引入擁塞窗口機制，記錄每個(gè)時(shí)間片發(fā)送的數據量，對每個(gè)時(shí)間片內發(fā)送的數據總量進(jìn)行限制。當片源由于某一段碼流過(guò)大導致?lián)砣翱诒惶顫M(mǎn)時(shí)，服務(wù)器將停止發(fā)包，到下一個(gè)時(shí)間片再?lài)L試進(jìn)行發(fā)送。這樣就能有效限制住碼流的峰值，避免出現劇烈的碼流波動(dòng)。

　　加速控制：引入Prebuffer（前置緩沖）機制，確定服務(wù)器在發(fā)包過(guò)程中可以提前發(fā)送的最大數據。當發(fā)送的進(jìn)度還沒(méi)有達到Prebuffer指定的量時(shí)，服務(wù)器將在帶寬允許的條件下盡力發(fā)送，直到進(jìn)度達到或超過(guò)Prebuffer的設置值再停止發(fā)送。這樣在片源碼流不大時(shí)，可以多發(fā)送一些Prebuffer允許范圍內的超前數據，當碼流變大時(shí)，服務(wù)器即使降速發(fā)送，終端的Buffer（緩沖區）也不會(huì )很快就消耗光。此外在點(diǎn)播啟動(dòng)階段通過(guò)這種加速能縮短啟動(dòng)時(shí)間，提供較好的觀(guān)感。

　　這兩種控制邏輯，限速控制是優(yōu)先考慮的，只有在限速控制允許發(fā)送的前提下加速控制才有可能運作。

3.路由層面的結合

　　大型VOD業(yè)務(wù)系統往往采用分布式的組網(wǎng)模式，可以根據業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò )情況選擇“核心－邊緣”的兩級組網(wǎng)模式或者“核心－骨干－邊緣”的三級組網(wǎng)模式。

　　在路由層面，帶有RegionID和機頂盒標識的視頻訪(fǎng)問(wèn)請求提交到頭端系統后，資源管理設備會(huì )根據網(wǎng)絡(luò )規劃和資源情況為其分配合適的IPQAM設備和端口，而CDN體系則會(huì )分配合適節點(diǎn)的合適服務(wù)器向該IPQAM端口輸出視頻流。

　　CDN系統采用GSLB（全局負載均衡）→SLB（負載均衡）的兩級負載均衡模式。全局負載均衡方式為靜態(tài)列表結合應用層重定向，采用這種方式可以做到為用戶(hù)選擇最近、最優(yōu)的站點(diǎn)提供服務(wù)。本地負載均衡實(shí)現方式可以是基于應用，基于負載和健康狀況的應用層重定向，可以為用戶(hù)選擇節點(diǎn)內最優(yōu)的視頻服務(wù)器（單元），向用戶(hù)提供服務(wù)。

　　這種全局負載均衡方式采用GSLB為入口點(diǎn)，用戶(hù)請求均進(jìn)入GSLB。GSLB的功能是根據健康狀況和就近性做全局負載均衡和最優(yōu)站點(diǎn)的選擇，將用戶(hù)請求重定向到骨干/邊緣節點(diǎn)設備的SLB組件上。SLB既配合GSLB，共同提供全局負載均衡功能和站點(diǎn)選擇，同時(shí)也負責本地的負載均衡和為用戶(hù)選擇最優(yōu)的流媒體服務(wù)引擎的功能。SLB內部需要維護一個(gè)包括整個(gè)節點(diǎn)內的所有服務(wù)器負載情況和內容情況，同時(shí)SLB還需要向GSLB報告整個(gè)站點(diǎn)的健康狀態(tài)以便于更新GSLB的動(dòng)態(tài)表和應用表。

　　當某個(gè)節點(diǎn)的視頻服務(wù)器發(fā)送故障時(shí)，系統將根據既定的路由策略和網(wǎng)絡(luò )部署情況，調度備用節點(diǎn)的視頻服務(wù)器繼續提供視頻數據到原節點(diǎn)的IPQAM設備，用戶(hù)服務(wù)將不會(huì )受到影響。

　　通過(guò)對CDN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和IPQAM技術(shù)的合理結合利用，廣電運營(yíng)商將可以在汲取IP網(wǎng)絡(luò )先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，充分發(fā)揮HFC網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢特點(diǎn)，打造低成本高效率的VOD傳輸和服務(wù)平臺。

中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)(www.cnii.com.cn)

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