CDN和IPQAM构建分布式VOD平台讨论_增值电信_IPTV_融合通信

CDN和IPQAM构建分布式VOD平台讨论

2008/06/20

　　数字化革命带来了HFC的变化，媒体和网络的双重融合将在今后改变广播电视系统的结构和运营模式，对传统广电传输网络提出了新的挑战。对于如何构建面向未来的广电交互信息传输网络，现在已形成共识的是采用IP技术和光纤传输技术建设宽带骨干传输网络，接入网部分的数据下行仍通过HFC网络传输至用户端。源于互联网的内容分发网络技术（ContentDeliveryNetworks，即CDN），将在广电骨干传输网络中发挥重要的作用;另一方面IPQAM技术的迅速发展和普及,使得基于HFC＋IP网络的业务模式得以全面推广。IPTV技术的成熟与应用，为电信行业开展视频业务提供了技术上的解决手段，也给广电行业的传统视频业务造成了巨大的冲击与威胁。要应对外界的竞争压力，广电必须充分应用双向有线电视网开展基于IPQAM技术的互动电视业务运营，积极推进IPQAM、CDN等技术在有线电视系统中的应用，才能稳固广电在视音频交互业务方面的优势。以VOD业务为代表的交互电视是当前的发展热点，如何充分结合CDN网络和IPQAM技术，构建新型的大规模商用VOD体系平台，是本文讨论的重点。

初识CDN与IPQAM

　　CDN是构建在IP网络上的一种分布式的内容分发网，主要采用“中心—边缘”的存储与服务分布方式。它的基本原理就是在分布的地区或网络中部署边缘服务器，首先将所有的节目都在中心服务器存储，再通过骨干网把用户访问相对集中的内容分发到边缘服务器，直接由边缘路由器提供用户服务。

　　在VOD业务中，由于电视观众对视频信号的高质量及实时性要求，CDN的地位显得尤为重要，不仅承担着提高用户响应速度的重任，而且还可以减轻海量数据流量对骨干网造成的巨大压力。

　　基于HFC网的分布式VOD体系结构充分利用现有的CATV网络，可以将海量的节目迅速高效地提供给用户，为开展VOD等多媒体互动业务提供了一种合理的框架。这种框架的核心设备IPQAM调制设备集“复用、加扰、调制、频率变换”功能为一体，可以将DVB/IP_GbE输入的节目流重新复用在指定的MPTS中，再进行

　　QAM调制和频率变换，输出至RF。在使用IPQAM之后，机顶盒和边缘视频服务器之间的控制信息和视频流将分别通过不同的通路传输：机顶盒的接入认证、EPG信息浏览等流程通过双向回传通道进行交互；边缘视频服务器收到用户的请求后将音视频流以恰当的封包形式输出至IPQAM设备，IPQAM将音视频流调制为RF信号后通过HFC网络传输给机顶盒，机顶盒对音视频流进行解调和解码。

　　采用IPQAM技术后，一方面可以充分利用HFC的带宽资源以及传输特性，向用户提供有QoS保障的视频服务，更适合高清业务对传输网络的高下行带宽要求；另一方面降低了视频服务对IP网络的要求，不再要求IP网络接入层提供较高的带宽，使广电运营商可以以较低的成本实现交互视频业务。

结合利用CDN与IPQAM

　　在大型的交互电视平台中，CDN将视频内容根据合适的策略推送到边缘节点，然后通过IPQAM设备将IP数据封包调制发送到HFC接入网中，典型的部署。

　　在结合IPQAM和CDN技术开展VOD业务的网络体系中，与电信IPTV和广电传统集中式VOD的传输模式都有所区别，涉及的主要问题有：

因为HFC的网络特性，需要考虑终端用户与IPQAM端口的数据可达，并进行相关的网络规划和资源管理；

CDN与IPQAM技术在数据层面的结合，包括对视频流数据封包和码率控制的要求；

CDN与IPQAM技术在路由层面的结合，包括全局路由管理、负载均衡、冗余机制和QAM资源管理调度等。

1.资源管理调度

　　基于HFC的VOD系统中，用户所点播的视频内容的下行是由HFC网络承载的，通过IPQAM设备将IP数据包调制发送到有线网络中。鉴于HFC网络的共享特性，某个特定的机顶盒只能接收到来自特定的一组IPQAM频点的数据，因此需要对服务区域有明确的规划和管理，一般将这样的服务区域定义为Region。

　　Region即预先定义的一组频率资源，或者为一个IPQAM通道资源规划单元。

　　在不同节点所覆盖的服务区域，可全部或部分重复使用该网的VOD频率规划单元，对拥有相同路径的服务区域即为一个Region。为识别不同的Region，每一个Region都有一个唯一的ID号，即RegionID。VOD业务中采用RegionID来进行机顶盒用户的定位，机顶盒请求服务时需要向VOD头端系统提交该信息，头端系统根据此信息就可以区分是哪个区域的机顶盒发出的请求，从而分配对应的路由来供视频服务器传送TS流。

（1）QAM资源管理

　　VOD头端系统资源管理模块SRM（Session&ResourceManager），需要了解每个实际部署的IPQAM的资源使用情况以完成资源的分配和回收，要求IPQAM设备提供接口供SRM完成心跳维护和状态查询，接口可以通过IPQAM的SNMP方式提供，也可以通过其他API方式提供。

　　IPQAM的UDP端口和频点、节目号的映射规则应该全网统一设置，以对所有资源按照统一的算法调度，映射规则可以通过SNMP或者API进行设置。因为IPQAM以及相应的频点和通道资源是有限的，因此要求系统在服务过程中对上述资源进行管理。

（2）RegionID管理

　　机顶盒可以通过固定分配或网络自动下载的方式获取RegionID。固定分配的方式实施较为简单，但有机顶盒在跨区域漫游或者头端网络结构调整时需要重新绑定RegionID的缺点；而采用通过头端实时下发RegionID，机顶盒可以动态更新，更为灵活，是运营商普遍的业务需求方式。

　　在实时下发方式下，RegionID信息是通过IPQAM经HFC通道下发给机顶盒的，具体发送方式可以通过设置并实时广播DVB网络参数至机顶盒，机顶盒根据预设的规则解析得到RegionID。具体设置RegionID的相关参数可以采用TSID或NID两种方式。

　　TSID方式：按照系统的频段规划和部署完成对IPQAM中每个通道TSID的配置，确保IPQAM每个流的TSID在全网内是唯一的，机顶盒开机后在划分为点播业务的频段扫描获得能够接收到的TSID并保存。

　　在所有的IPQAM中设置TSID，由IPQAM通过实时广播PAT表来下传TSID信息。这样机顶盒将能够通过扫描方式，探测到能够到达该机顶盒所有的IPQAM的TSID信息。机顶盒可能获得属于一个Region的多个TSID，机顶盒按照设定的规则解析TSID，获得RegionID。

　　NID方式：在每个非点播频点的NIT表格插入服务入口描述符，机顶盒通过该描述符获得点播主频点信息，然后机顶盒根据点播主频点上的NIT信息，获取到的NetworkID信息即为RegionID。当无法读到描述符中的点播主频点信息或RegionID信息时，采用机顶盒存储的信息。

2.数据层面的结合

　　经过路由选择和资源分配后，CDN的边缘视频服务器将向IPQAM输出视频流数据。根据IPQAM设备的传输特性，需要考虑合适的数据封包和码率控制方式。（1）数据封包

　　运营商目前普遍选择的视频编码格式为MEPG2TS或MPEG4/H.264ISMA，这两类格式采用不同的封包流程：

MPEG2TS封包流程

具体流程如下：

文件以MPEG2TS的文件格式存放；

视频服务器U-Server读取文件数据封装成TS包方式，加上IP包头，通过IP网络发送给IPQAM设备；

IPQAM将TS数据取出调制成RF信号通过HFC网络传输；

STB接收到TS数据后对其进行解码播放。

MPEG4/H.264封包流程

基于RTSP协议传输的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;

视频服务器U-Server读取文件，先封装成RTP格式，然后加上TS的包头，再加上IP包头，通过IP网络发送给IPQAM；

IPQAM将TS数据取出调制成RF信号通过HFC网络传输；

DVB解码芯片接收到TS数据后，将TS包头数据去掉，将TS的Payload信息也就是RTP数据传递给MPEG4/H.264Chip；

MPEG4/H.264解码芯片对RTP数据信息处理，对音视频数据进行解码播放。

（2）码率控制

　　IPQAM设备对码流变化的适应能力相对较弱，因此视频服务器单纯依靠以往在以太网上的发包策略往往会导致某个时刻发包过快，因IPQAM缓存不足而导致Overflow错误。针对这种情况，视频服务器需要对每个点播流的码流动态地进行精确控制，使码流尽可能平稳，从而减少或消除IPQAM的Overflow异常。

　　在编写码流控制算法时，可以从两方面入手使码率趋于平滑。

　　限速控制：引入拥塞窗口机制，记录每个时间片发送的数据量，对每个时间片内发送的数据总量进行限制。当片源由于某一段码流过大导致拥塞窗口被填满时，服务器将停止发包，到下一个时间片再尝试进行发送。这样就能有效限制住码流的峰值，避免出现剧烈的码流波动。

　　加速控制：引入Prebuffer（前置缓冲）机制，确定服务器在发包过程中可以提前发送的最大数据。当发送的进度还没有达到Prebuffer指定的量时，服务器将在带宽允许的条件下尽力发送，直到进度达到或超过Prebuffer的设置值再停止发送。这样在片源码流不大时，可以多发送一些Prebuffer允许范围内的超前数据，当码流变大时，服务器即使降速发送，终端的Buffer（缓冲区）也不会很快就消耗光。此外在点播启动阶段通过这种加速能缩短启动时间，提供较好的观感。

　　这两种控制逻辑，限速控制是优先考虑的，只有在限速控制允许发送的前提下加速控制才有可能运作。

3.路由层面的结合

　　大型VOD业务系统往往采用分布式的组网模式，可以根据业务和网络情况选择“核心－边缘”的两级组网模式或者“核心－骨干－边缘”的三级组网模式。

　　在路由层面，带有RegionID和机顶盒标识的视频访问请求提交到头端系统后，资源管理设备会根据网络规划和资源情况为其分配合适的IPQAM设备和端口，而CDN体系则会分配合适节点的合适服务器向该IPQAM端口输出视频流。

　　CDN系统采用GSLB（全局负载均衡）→SLB（负载均衡）的两级负载均衡模式。全局负载均衡方式为静态列表结合应用层重定向，采用这种方式可以做到为用户选择最近、最优的站点提供服务。本地负载均衡实现方式可以是基于应用，基于负载和健康状况的应用层重定向，可以为用户选择节点内最优的视频服务器（单元），向用户提供服务。

　　这种全局负载均衡方式采用GSLB为入口点，用户请求均进入GSLB。GSLB的功能是根据健康状况和就近性做全局负载均衡和最优站点的选择，将用户请求重定向到骨干/边缘节点设备的SLB组件上。SLB既配合GSLB，共同提供全局负载均衡功能和站点选择，同时也负责本地的负载均衡和为用户选择最优的流媒体服务引擎的功能。SLB内部需要维护一个包括整个节点内的所有服务器负载情况和内容情况，同时SLB还需要向GSLB报告整个站点的健康状态以便于更新GSLB的动态表和应用表。

　　当某个节点的视频服务器发送故障时，系统将根据既定的路由策略和网络部署情况，调度备用节点的视频服务器继续提供视频数据到原节点的IPQAM设备，用户服务将不会受到影响。

　　通过对CDN网络技术和IPQAM技术的合理结合利用，广电运营商将可以在汲取IP网络先进技术的同时，充分发挥HFC网络的优势特点，打造低成本高效率的VOD传输和服务平台。

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