CDN和IPQAM構建分布式VOD平臺討論
2008/06/20
數(shù)字化革命帶來了HFC的變化，媒體和網絡的雙重融合將在今后改變廣播電視系統(tǒng)的結構和運營模式，對傳統(tǒng)廣電傳輸網絡提出了新的挑戰(zhàn)。對于如何構建面向未來的廣電交互信息傳輸網絡，現(xiàn)在已形成共識的是采用IP技術和光纖傳輸技術建設寬帶骨干傳輸網絡，接入網部分的數(shù)據(jù)下行仍通過HFC網絡傳輸至用戶端。源于互聯(lián)網的內容分發(fā)網絡技術（ContentDeliveryNetworks，即CDN），將在廣電骨干傳輸網絡中發(fā)揮重要的作用;另一方面IPQAM技術的迅速發(fā)展和普及,使得基于HFC＋IP網絡的業(yè)務模式得以全面推廣。IPTV技術的成熟與應用，為電信行業(yè)開展視頻業(yè)務提供了技術上的解決手段，也給廣電行業(yè)的傳統(tǒng)視頻業(yè)務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電視網開展基于IPQAM技術的互動電視業(yè)務運營，積極推進IPQAM、CDN等技術在有線電視系統(tǒng)中的應用，才能穩(wěn)固廣電在視音頻交互業(yè)務方面的優(yōu)勢。以VOD業(yè)務為代表的交互電視是當前的發(fā)展熱點，如何充分結合CDN網絡和IPQAM技術，構建新型的大規(guī)模商用VOD體系平臺，是本文討論的重點。
初識CDN與IPQAM
CDN是構建在IP網絡上的一種分布式的內容分發(fā)網，主要采用“中心—邊緣”的存儲與服務分布方式。它的基本原理就是在分布的地區(qū)或網絡中部署邊緣服務器，首先將所有的節(jié)目都在中心服務器存儲，再通過骨干網把用戶訪問相對集中的內容分發(fā)到邊緣服務器，直接由邊緣路由器提供用戶服務。
在VOD業(yè)務中，由于電視觀眾對視頻信號的高質量及實時性要求，CDN的地位顯得尤為重要，不僅承擔著提高用戶響應速度的重任，而且還可以減輕海量數(shù)據(jù)流量對骨干網造成的巨大壓力。
基于HFC網的分布式VOD體系結構充分利用現(xiàn)有的CATV網絡，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(jié)目流重新復用在指定的MPTS中，再進行
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；邊緣視頻服務器收到用戶的請求后將音視頻流以恰當?shù)姆獍问捷敵鲋罥PQAM設備，IPQAM將音視頻流調制為RF信號后通過HFC網絡傳輸給機頂盒，機頂盒對音視頻流進行解調和解碼。
采用IPQAM技術后，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，更適合高清業(yè)務對傳輸網絡的高下行帶寬要求；另一方面降低了視頻服務對IP網絡的要求，不再要求IP網絡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。
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(jù)合適的策略推送到邊緣節(jié)點，然后通過IPQAM設備將IP數(shù)據(jù)封包調制發(fā)送到HFC接入網中，典型的部署。
在結合IPQAM和CDN技術開展VOD業(yè)務的網絡體系中，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的網絡特性，需要考慮終端用戶與IPQAM端口的數(shù)據(jù)可達，并進行相關的網絡規(guī)劃和資源管理；
- CDN與IPQAM技術在數(shù)據(jù)層面的結合，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(tǒng)中，用戶所點播的視頻內容的下行是由HFC網絡承載的，通過IPQAM設備將IP數(shù)據(jù)包調制發(fā)送到有線網絡中。鑒于HFC網絡的共享特性，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)，因此需要對服務區(qū)域有明確的規(guī)劃和管理，一般將這樣的服務區(qū)域定義為Region。
Region即預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)點所覆蓋的服務區(qū)域，可全部或部分重復使用該網的VOD頻率規(guī)劃單元，對擁有相同路徑的服務區(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)務中采用RegionID來進行機頂盒用戶的定位，機頂盒請求服務時需要向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，從而分配對應的路由來供視頻服務器傳送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)則應該全網統(tǒng)一設置，以對所有資源按照統(tǒng)一的算法調度，映射規(guī)則可以通過SNMP或者API進行設置。因為IPQAM以及相應的頻點和通道資源是有限的，因此要求系統(tǒng)在服務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絡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)域漫游或者頭端網絡結構調整時需要重新綁定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)務需求方式。
在實時下發(fā)方式下，RegionID信息是通過IPQAM經HFC通道下發(fā)給機頂盒的，具體發(fā)送方式可以通過設置并實時廣播DVB網絡參數(shù)至機頂盒，機頂盒根據(jù)預設的規(guī)則解析得到RegionID。具體設置RegionID的相關參數(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在全網內是唯一的，機頂盒開機后在劃分為點播業(yè)務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)層面的結合
經過路由選擇和資源分配后，CDN的邊緣視頻服務器將向IPQAM輸出視頻流數(shù)據(jù)。根據(jù)IPQAM設備的傳輸特性，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網絡發(fā)送給IPQAM設備；
- IPQAM將TS數(shù)據(jù)取出調制成RF信號通過HFC網絡傳輸；
- 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網絡發(fā)送給IPQAM；
- IPQAM將TS數(shù)據(jù)取出調制成RF信號通過HFC網絡傳輸；
- 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設備對碼流變化的適應能力相對較弱，因此視頻服務器單純依靠以往在以太網上的發(fā)包策略往往會導致某個時刻發(fā)包過快，因IPQAM緩存不足而導致Overflow錯誤。針對這種情況，視頻服務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，對每個時間片內發(fā)送的數(shù)據(jù)總量進行限制。當片源由于某一段碼流過大導致?lián)砣翱诒惶顫M時，服務器將停止發(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，確定服務器在發(fā)包過程中可以提前發(fā)送的最大數(shù)據(jù)。當發(fā)送的進度還沒有達到Prebuffer指定的量時，服務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允許范圍內的超前數(shù)據(jù)，當碼流變大時，服務器即使降速發(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.路由層面的結合
大型VOD業(yè)務系統(tǒng)往往采用分布式的組網模式，可以根據(jù)業(yè)務和網絡情況選擇“核心－邊緣”的兩級組網模式或者“核心－骨干－邊緣”的三級組網模式。
在路由層面，帶有RegionID和機頂盒標識的視頻訪問請求提交到頭端系統(tǒng)后，資源管理設備會根據(jù)網絡規(guī)劃和資源情況為其分配合適的IPQAM設備和端口，而CDN體系則會分配合適節(jié)點的合適服務器向該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)列表結合應用層重定向，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。本地負載均衡實現(xiàn)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，可以為用戶選擇節(jié)點內最優(yōu)的視頻服務器（單元），向用戶提供服務。
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，同時也負責本地的負載均衡和為用戶選擇最優(yōu)的流媒體服務引擎的功能。SLB內部需要維護一個包括整個節(jié)點內的所有服務器負載情況和內容情況，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)表和應用表。
當某個節(jié)點的視頻服務器發(fā)送故障時，系統(tǒng)將根據(jù)既定的路由策略和網絡部署情況，調度備用節(jié)點的視頻服務器繼續(xù)提供視頻數(shù)據(jù)到原節(jié)點的IPQAM設備，用戶服務將不會受到影響。
通過對CDN網絡技術和IPQAM技術的合理結合利用，廣電運營商將可以在汲取IP網絡先進技術的同時，充分發(fā)揮HFC網絡的優(yōu)勢特點，打造低成本高效率的VOD傳輸和服務平臺。
中國信息產業(yè)網(www.cnii.com.cn)
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