CDN和IPQAM構(gòu)建分布式VOD平臺討論
2008/06/20
數(shù)字化革命帶來了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(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運營模式，對傳統(tǒng)廣電傳輸網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)。對于如何構(gòu)建面向未來的廣電交互信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在已形成共識的是采用IP技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)建設(shè)寬帶骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)部分的數(shù)據(jù)下行仍通過HFC網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶端。源于互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)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(yīng)用，為電信行業(yè)開展視頻業(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(tǒng)視頻業(yè)務(wù)造成了巨大的沖擊與威脅。要應(yīng)對外界的競爭壓力，廣電必須充分應(yīng)用雙向有線電視網(wǎng)開展基于IPQAM技術(shù)的互動電視業(yè)務(wù)運營，積極推進IPQAM、CDN等技術(shù)在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用，才能穩(wěn)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(dāng)前的發(fā)展熱點，如何充分結(jié)合CDN網(wǎng)絡(luò)和IPQAM技術(shù)，構(gòu)建新型的大規(guī)模商用VOD體系平臺，是本文討論的重點。
初識CDN與IPQAM
CDN是構(gòu)建在IP網(wǎng)絡(luò)上的一種分布式的內(nèi)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(qū)或網(wǎng)絡(luò)中部署邊緣服務(wù)器，首先將所有的節(jié)目都在中心服務(wù)器存儲，再通過骨干網(wǎng)把用戶訪問相對集中的內(nèi)容分發(fā)到邊緣服務(wù)器，直接由邊緣路由器提供用戶服務(wù)。
在VOD業(yè)務(wù)中，由于電視觀眾對視頻信號的高質(zhì)量及實時性要求，CDN的地位顯得尤為重要，不僅承擔(dān)著提高用戶響應(yīng)速度的重任，而且還可以減輕海量數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)充分利用現(xiàn)有的CATV網(wǎng)絡(luò)，可以將海量的節(jié)目迅速高效地提供給用戶，為開展VOD等多媒體互動業(yè)務(wù)提供了一種合理的框架。這種框架的核心設(shè)備IPQAM調(diào)制設(shè)備集“復(fù)用、加擾、調(diào)制、頻率變換”功能為一體，可以將DVB/IP_GbE輸入的節(jié)目流重新復(fù)用在指定的MPTS中，再進行
QAM調(diào)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雙向回傳通道進行交互；邊緣視頻服務(wù)器收到用戶的請求后將音視頻流以恰當(dāng)?shù)姆獍问捷敵鲋罥PQAM設(shè)備，IPQAM將音視頻流調(diào)制為RF信號后通過HFC網(wǎng)絡(luò)傳輸給機頂盒，機頂盒對音視頻流進行解調(diào)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，使廣電運營商可以以較低的成本實現(xiàn)交互視頻業(yè)務(wù)。
結(jié)合利用CDN與IPQAM
在大型的交互電視平臺中，CDN將視頻內(nèi)容根據(jù)合適的策略推送到邊緣節(jié)點，然后通過IPQAM設(shè)備將IP數(shù)據(jù)封包調(diào)制發(fā)送到HFC接入網(wǎng)中，典型的部署。
在結(jié)合IPQAM和CDN技術(shù)開展VOD業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)體系中，與電信IPTV和廣電傳統(tǒng)集中式VOD的傳輸模式都有所區(qū)別，涉及的主要問題有：
- 因為HFC的網(wǎng)絡(luò)特性，需要考慮終端用戶與IPQAM端口的數(shù)據(jù)可達，并進行相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和資源管理；
- CDN與IPQAM技術(shù)在數(shù)據(jù)層面的結(jié)合，包括對視頻流數(shù)據(jù)封包和碼率控制的要求；
- CDN與IPQAM技術(shù)在路由層面的結(jié)合，包括全局路由管理、負載均衡、冗余機制和QAM資源管理調(diào)度等。
1.資源管理調(diào)度
基于HFC的VOD系統(tǒng)中，用戶所點播的視頻內(nèi)容的下行是由HFC網(wǎng)絡(luò)承載的，通過IPQAM設(shè)備將IP數(shù)據(jù)包調(diào)制發(fā)送到有線網(wǎng)絡(luò)中。鑒于HFC網(wǎng)絡(luò)的共享特性，某個特定的機頂盒只能接收到來自特定的一組IPQAM頻點的數(shù)據(jù)，因此需要對服務(wù)區(qū)域有明確的規(guī)劃和管理，一般將這樣的服務(wù)區(qū)域定義為Region。
Region即預(yù)先定義的一組頻率資源，或者為一個IPQAM通道資源規(guī)劃單元。
在不同節(jié)點所覆蓋的服務(wù)區(qū)域，可全部或部分重復(fù)使用該網(wǎng)的VOD頻率規(guī)劃單元，對擁有相同路徑的服務(wù)區(qū)域即為一個Region。為識別不同的Region，每一個Region都有一個唯一的ID號，即RegionID。VOD業(yè)務(wù)中采用RegionID來進行機頂盒用戶的定位，機頂盒請求服務(wù)時需要向VOD頭端系統(tǒng)提交該信息，頭端系統(tǒng)根據(jù)此信息就可以區(qū)分是哪個區(qū)域的機頂盒發(fā)出的請求，從而分配對應(yīng)的路由來供視頻服務(wù)器傳送TS流。
（1）QAM資源管理
VOD頭端系統(tǒng)資源管理模塊SRM（Session&ResourceManager），需要了解每個實際部署的IPQAM的資源使用情況以完成資源的分配和回收，要求IPQAM設(shè)備提供接口供SRM完成心跳維護和狀態(tài)查詢，接口可以通過IPQAM的SNMP方式提供，也可以通過其他API方式提供。
IPQAM的UDP端口和頻點、節(jié)目號的映射規(guī)則應(yīng)該全網(wǎng)統(tǒng)一設(shè)置，以對所有資源按照統(tǒng)一的算法調(diào)度，映射規(guī)則可以通過SNMP或者API進行設(shè)置。因為IPQAM以及相應(yīng)的頻點和通道資源是有限的，因此要求系統(tǒng)在服務(wù)過程中對上述資源進行管理。
（2）RegionID管理
機頂盒可以通過固定分配或網(wǎng)絡(luò)自動下載的方式獲取RegionID。固定分配的方式實施較為簡單，但有機頂盒在跨區(qū)域漫游或者頭端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整時需要重新綁定RegionID的缺點；而采用通過頭端實時下發(fā)RegionID，機頂盒可以動態(tài)更新，更為靈活，是運營商普遍的業(yè)務(wù)需求方式。
在實時下發(fā)方式下，RegionID信息是通過IPQAM經(jīng)HFC通道下發(fā)給機頂盒的，具體發(fā)送方式可以通過設(shè)置并實時廣播DVB網(wǎng)絡(luò)參數(shù)至機頂盒，機頂盒根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則解析得到RegionID。具體設(shè)置RegionID的相關(guān)參數(shù)可以采用TSID或NID兩種方式。
TSID方式：按照系統(tǒng)的頻段規(guī)劃和部署完成對IPQAM中每個通道TSID的配置，確保IPQAM每個流的TSID在全網(wǎng)內(nèi)是唯一的，機頂盒開機后在劃分為點播業(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(shè)置TSID，由IPQAM通過實時廣播PAT表來下傳TSID信息。這樣機頂盒將能夠通過掃描方式，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Region的多個TSID，機頂盒按照設(shè)定的規(guī)則解析TSID，獲得RegionID。
NID方式：在每個非點播頻點的NIT表格插入服務(wù)入口描述符，機頂盒通過該描述符獲得點播主頻點信息，然后機頂盒根據(jù)點播主頻點上的NIT信息，獲取到的NetworkID信息即為RegionID。當(dāng)無法讀到描述符中的點播主頻點信息或RegionID信息時，采用機頂盒存儲的信息。
2.數(shù)據(jù)層面的結(jié)合
經(jīng)過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(shù)據(jù)。根據(jù)IPQAM設(shè)備的傳輸特性，需要考慮合適的數(shù)據(jù)封包和碼率控制方式。（1）數(shù)據(jù)封包
運營商目前普遍選擇的視頻編碼格式為MEPG2TS或MPEG4/H.264ISMA，這兩類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(shù)據(jù)封裝成TS包方式，加上IP包頭，通過IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給IPQAM設(shè)備；
- IPQAM將TS數(shù)據(jù)取出調(diào)制成RF信號通過HFC網(wǎng)絡(luò)傳輸；
- STB接收到TS數(shù)據(jù)后對其進行解碼播放。
MPEG4/H.264封包流程
基于RTSP協(xié)議傳輸?shù)腗PEG4/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IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給IPQAM；
- IPQAM將TS數(shù)據(jù)取出調(diào)制成RF信號通過HFC網(wǎng)絡(luò)傳輸；
- DVB解碼芯片接收到TS數(shù)據(jù)后，將TS包頭數(shù)據(jù)去掉，將TS的Payload信息也就是RTP數(shù)據(jù)傳遞給MPEG4/H.264Chip；
- MPEG4/H.264解碼芯片對RTP數(shù)據(jù)信息處理，對音視頻數(shù)據(jù)進行解碼播放。
（2）碼率控制
IPQAM設(shè)備對碼流變化的適應(yīng)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)包策略往往會導(dǎo)致某個時刻發(fā)包過快，因IPQAM緩存不足而導(dǎo)致Overflow錯誤。針對這種情況，視頻服務(wù)器需要對每個點播流的碼流動態(tài)地進行精確控制，使碼流盡可能平穩(wěn)，從而減少或消除IPQAM的Overflow異常。
在編寫碼流控制算法時，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，記錄每個時間片發(fā)送的數(shù)據(jù)量，對每個時間片內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)總量進行限制。當(dāng)片源由于某一段碼流過大導(dǎo)致?lián)砣翱诒惶顫M時，服務(wù)器將停止發(fā)包，到下一個時間片再嘗試進行發(fā)送。這樣就能有效限制住碼流的峰值，避免出現(xiàn)劇烈的碼流波動。
加速控制：引入Prebuffer（前置緩沖）機制，確定服務(wù)器在發(fā)包過程中可以提前發(fā)送的最大數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送的進度還沒有達到Prebuffer指定的量時，服務(wù)器將在帶寬允許的條件下盡力發(fā)送，直到進度達到或超過Prebuffer的設(shè)置值再停止發(fā)送。這樣在片源碼流不大時，可以多發(fā)送一些Prebuffer允許范圍內(nèi)的超前數(shù)據(jù)，當(dāng)碼流變大時，服務(wù)器即使降速發(fā)送，終端的Buffer（緩沖區(qū)）也不會很快就消耗光。此外在點播啟動階段通過這種加速能縮短啟動時間，提供較好的觀感。
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(jié)合
大型VOD業(yè)務(wù)系統(tǒng)往往采用分布式的組網(wǎng)模式，可以根據(jù)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(biāo)識的視頻訪問請求提交到頭端系統(tǒng)后，資源管理設(shè)備會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和資源情況為其分配合適的IPQAM設(shè)備和端口，而CDN體系則會分配合適節(jié)點的合適服務(wù)器向該IPQAM端口輸出視頻流。
CDN系統(tǒng)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(jié)合應(yīng)用層重定向，采用這種方式可以做到為用戶選擇最近、最優(yōu)的站點提供服務(wù)。本地負載均衡實現(xiàn)方式可以是基于應(yīng)用，基于負載和健康狀況的應(yīng)用層重定向，可以為用戶選擇節(jié)點內(nèi)最優(yōu)的視頻服務(wù)器（單元），向用戶提供服務(wù)。
這種全局負載均衡方式采用GSLB為入口點，用戶請求均進入GSLB。GSLB的功能是根據(jù)健康狀況和就近性做全局負載均衡和最優(yōu)站點的選擇，將用戶請求重定向到骨干/邊緣節(jié)點設(shè)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選擇，同時也負責(zé)本地的負載均衡和為用戶選擇最優(yōu)的流媒體服務(wù)引擎的功能。SLB內(nèi)部需要維護一個包括整個節(jié)點內(nèi)的所有服務(wù)器負載情況和內(nèi)容情況，同時SLB還需要向GSLB報告整個站點的健康狀態(tài)以便于更新GSLB的動態(tài)表和應(yīng)用表。
當(dāng)某個節(jié)點的視頻服務(wù)器發(fā)送故障時，系統(tǒng)將根據(jù)既定的路由策略和網(wǎng)絡(luò)部署情況，調(diào)度備用節(jié)點的視頻服務(wù)器繼續(xù)提供視頻數(shù)據(jù)到原節(jié)點的IPQAM設(shè)備，用戶服務(wù)將不會受到影響。
通過對CDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和IPQAM技術(shù)的合理結(jié)合利用，廣電運營商將可以在汲取IP網(wǎng)絡(luò)先進技術(shù)的同時，充分發(fā)揮HFC網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢特點，打造低成本高效率的VOD傳輸和服務(wù)平臺。
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