CDN網(wǎng)絡(luò)和IPQAM技術(shù)的分布式VOD體系

     數(shù)字化革命帶來了HFC的變化，媒體和網(wǎng)絡(luò)的雙重融合在今后將改變現(xiàn)有廣播電視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)營模式，對(duì)廣電傳輸網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)。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(shí)的是在主干線上采用IP技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)建設(shè)寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)。而源于互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（即CDN），將在廣電傳輸網(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＋I(xiàn)P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，但卻給廣電行業(yè)的傳統(tǒng)視頻業(yè)務(wù)造成巨大的沖擊與威脅。應(yīng)對(duì)外界的競(jìng)爭壓力，廣電必須應(yīng)用雙向有線電視網(wǎng)開展基于IPQAM技術(shù)的互動(dòng)電視業(yè)務(wù)運(yùn)營，積極推進(jìn)IPQAM、CDN等技術(shù)在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用，才能奠定廣電在視音頻交互業(yè)務(wù)方面的有利地位。

     以VOD業(yè)務(wù)為代表的交互電視是當(dāng)前的發(fā)展熱點(diǎn)，如何充分結(jié)合利用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(tái)，是本文討論的重點(diǎn)。

    2 為什么需要CDN網(wǎng)絡(luò)及IPQAM技術(shù)

    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(chǔ)與服務(wù)分布方式。它的基本原理就是分布的地區(qū)或網(wǎng)絡(luò)中部署邊緣服務(wù)器，所有的節(jié)目都在中心服務(wù)器存儲(chǔ)，而通過骨干網(wǎng)把用戶訪問相對(duì)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)。

    CDN起初只是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)概念，是為了加快用戶的訪問速度而建立的網(wǎng)絡(luò)。在VOD業(yè)務(wù)中，由于電視觀眾對(duì)視頻信號(hào)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(dān)著提高用戶響應(yīng)速度的重任，而且還要減輕巨大的數(shù)據(jù)流量對(duì)骨干網(wǎng)的壓力。電信運(yùn)營商一般都已經(jīng)具有相當(dāng)長時(shí)間的CDN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)，而廣電運(yùn)營商卻還缺少CDN網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)�；�于HFC網(wǎng)的分布式VOD體系結(jié)構(gòu)充分利用現(xiàn)已有的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(dòng)業(yè)務(wù)提供了一種合理的框架。

    IP-QAM調(diào)制設(shè)備集“復(fù)用、加擾、調(diào)制、頻率變換”功能為一體，它將DVB/IP_GbE輸入的節(jié)目流重新復(fù)用在指定的MPTS中，再進(jìn)行QAM調(diào)制和頻率變換，輸出RF。在使用IPQAM之后，STB和邊緣視頻服務(wù)器之間的控制信息和視頻流分別通過不同的通路傳輸：STB的接入認(rèn)證、EPG信息瀏覽等流程通過雙向回傳通道交互；邊緣視頻服務(wù)器收到用戶的請(qǐng)求后將音視頻流以恰當(dāng)?shù)姆獍�形式輸出至IPQAM設(shè)備，IPQAM將音視頻流調(diào)制為RF信號(hào)后通過HFC網(wǎng)絡(luò)傳輸給STB，STB對(duì)音視頻流進(jìn)行解調(diào)和解碼。

    利用IPQAM開展視頻點(diǎn)播業(yè)務(wù)，在美國的各大有線運(yùn)營商中得到了大規(guī)模的應(yīng)用,隨著國內(nèi)有線網(wǎng)絡(luò)雙向業(yè)務(wù)的加快，IPQAM相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈的完善，這種點(diǎn)播技術(shù)會(huì)在中國有線運(yùn)營商中取得較大的發(fā)展。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(duì)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(duì)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(yùn)營商可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)交互視頻業(yè)務(wù)。

    3  如何結(jié)合利用CDN網(wǎng)絡(luò)與IPQAM技術(shù)

    在大型的交互電視平臺(tái)中，CDN將視頻內(nèi)容根據(jù)合適的策略推送到邊緣節(jié)點(diǎn)，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，典型的部署示意圖如下：

    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，涉及的問題主要有：

    因?yàn)镠FC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(dá)，并進(jìn)行相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和資源管理。

    CDN網(wǎng)絡(luò)與IPQAM技術(shù)在數(shù)據(jù)層面的結(jié)合，包括對(duì)視頻流數(shù)據(jù)封包和碼率控制的要求。

    CDN網(wǎng)絡(luò)與IPQAM技術(shù)在路由層面的結(jié)合，包括全局路由管理、負(fù)載均衡、冗余機(jī)制和QAM資源管理調(diào)度等。

    3.1資源管理調(diào)度

    基于HFC的VOD系統(tǒng)中，用戶所點(diǎn)播的視頻內(nèi)容下行是由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cable網(wǎng)絡(luò)中。鑒于HFC網(wǎng)絡(luò)的共享特性，某個(gè)特定的機(jī)頂盒只能接收到來自特定的一組IPQAM端口的數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)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(gè)IPQAM通道資源規(guī)劃單元。在不同節(jié)點(diǎn)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(duì)擁有相同路徑的服務(wù)區(qū)域即為一個(gè)Region。為識(shí)別不同的Region，每一個(gè)Region都有一個(gè)唯一的ID號(hào)，即RegionID。VOD業(yè)務(wù)中采用RegionID來進(jìn)行機(jī)頂盒用戶的定位，STB請(qǐng)求服務(wù)時(shí)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(gè)區(qū)域的機(jī)頂盒發(fā)出的請(qǐng)求，從而分配對(duì)應(yīng)的路由來供視頻服務(wù)器傳送TS流。

    3.1.1QAM資源管理

    VOD頭端系統(tǒng)資源管理模塊SRM，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(shè)備提供接口供SRM完成心跳維護(hù)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(diǎn)、節(jié)目號(hào)的映射規(guī)則應(yīng)該全網(wǎng)統(tǒng)一設(shè)置，以完成對(duì)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(jìn)行設(shè)置。因?yàn)镮PQAM以及相應(yīng)的頻點(diǎn)和通道資源是有限的，因此要求系統(tǒng)在服務(wù)過程中對(duì)上述資源進(jìn)行管理。具體的資源包括：

    IPQAM：對(duì)系統(tǒng)中相關(guān)的IPQAM進(jìn)行管理；

    QAMIP：QAM的IP支持

    QAMUDPPort：QAM的UDP端口，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的請(qǐng)求，向不同的端口發(fā)送媒體流，并通知機(jī)頂盒。

    QAM頻點(diǎn)：不同的QAM設(shè)備具有不同數(shù)量的頻點(diǎn)

     輸入、輸出PID：在一個(gè)頻點(diǎn)內(nèi)，可以分為多個(gè)PID，每個(gè)PID對(duì)應(yīng)用戶請(qǐng)求的一個(gè)流；

    通道帶寬：即一個(gè)流的帶寬；

   3.1.2RegionID管理

    機(jī)頂盒可以通過固定分配或網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)下載的方式獲取RegionID，固定分配的方式實(shí)施較為簡單，但當(dāng)機(jī)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(shí)需要重新綁定RegionID，因此通過頭端實(shí)時(shí)下發(fā)RegionID、機(jī)頂盒動(dòng)態(tài)更新的方式較為靈活，這也是運(yùn)營商普遍的業(yè)務(wù)需求方式。

    RegionID信息是通過IPQAM經(jīng)HFC通道下送給機(jī)頂盒的，具體發(fā)送方式可以通過設(shè)置并實(shí)時(shí)廣播DVB網(wǎng)絡(luò)參數(shù)至機(jī)頂盒，機(jī)頂盒根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則解析得到RegionID。設(shè)置RegionID的相關(guān)參數(shù)可以有TSID方式或NID方式。

    TSID方式：按照系統(tǒng)的頻段規(guī)劃和部署完成對(duì)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(nèi)是唯一的，機(jī)頂盒在開機(jī)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(shè)置TSID，由IPQAM通過實(shí)時(shí)廣播PAT表來下傳TSID信息。這樣機(jī)頂盒將能夠通過掃描方式，探測(cè)到能夠到達(dá)該機(jī)頂盒所有的IPQAM的TSID信息。機(jī)頂盒可能獲得屬于一個(gè)Region的多個(gè)TSID，機(jī)頂盒按照設(shè)定的規(guī)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，STB通過該描述符獲得點(diǎn)播主頻點(diǎn)信息，然后機(jī)頂盒根據(jù)點(diǎn)播主頻點(diǎn)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(diǎn)播主頻點(diǎn)信息或RegionID信息時(shí)，采用機(jī)頂盒存儲(chǔ)的信息。

    3.2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。

    3.2.1數(shù)據(jù)封包

    運(yùn)營商目前普遍選擇的視頻編碼格式為MEPG2或MPEG4/H.264，這兩者采用不同的封包流程：

 MPEG2封包流程

    MPEG2文件播放的封包解包流程如下：

 

    1.文件以MPEG2的文件格式存放

    2.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TCP/IP包頭，通過IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給IPQAM設(shè)備；

    3.IPQAM將TS數(shù)據(jù)取出調(diào)制成RF信號(hào)通過HFC網(wǎng)絡(luò)傳輸；

    4.STB接收到TS數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行解碼播放。

    基于RTSP協(xié)議傳輸?shù)腗PEG4/H264文件播放封包解包流程如下圖所示：

    1.文件以Mp4/H.264文件格式存放;

    2.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TCP/IP包頭，通過IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給IPQAM；

    3.IPQAM將TS數(shù)據(jù)取出調(diào)制成RF信號(hào)通過HFC網(wǎng)絡(luò)傳輸；

    4.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/H264Chip；

    5.MPEG4/H264解碼芯片對(duì)RTP數(shù)據(jù)信息處理，對(duì)音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼播放。

    3.2.2碼??，因此視頻服務(wù)器依靠以往在以太網(wǎng)上的發(fā)包策略往往會(huì)導(dǎo)致某個(gè)時(shí)刻發(fā)包過快，IPQAM緩存不足而OverFlow。針對(duì)這種情況，視頻服務(wù)器需要對(duì)每個(gè)點(diǎn)播流的碼流動(dòng)態(tài)的進(jìn)行控制，使碼流盡可能平穩(wěn)，而減少或消除IPQAM的OverFlow異常。碼流控制算法可以從兩方面入手使碼流趨于平滑。

    限速控制：引入擁塞窗口機(jī)制，記錄當(dāng)前時(shí)間片已發(fā)送的數(shù)據(jù)量，對(duì)每個(gè)時(shí)間片內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行限制。新的時(shí)間片到來時(shí)，擁塞窗口將被清空，從前開始累加發(fā)送的數(shù)據(jù)量。當(dāng)片源某一段碼流過大擁塞窗口被填滿時(shí)，Server將停止發(fā)包，到下一個(gè)時(shí)間片再嘗試進(jìn)行發(fā)送。這樣就能限制住碼流的峰值，不出現(xiàn)劇烈的碼流波動(dòng)。

    加速控制：引入prebuffer機(jī)制，表示服務(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(jìn)度超前還沒有達(dá)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)度超前達(dá)到或超過prebuffer。這樣在片源碼流不大時(shí)，可以多發(fā)送一些后續(xù)prebuffer范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，當(dāng)碼流變大時(shí)，Server降速終端的buffer也不會(huì)很快就消耗光。同時(shí)在點(diǎn)播啟動(dòng)階段通過這種加速能縮短啟動(dòng)時(shí)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(yùn)作。通過這一對(duì)限速控制和加速控制算法，視頻服務(wù)器就能在一定范圍能使碼流變化相對(duì)劇烈的片源輸出碼流相對(duì)平穩(wěn)，趨向與CBR。

    3.3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(jí)組網(wǎng)模式或者“核心－骨干－邊緣”的三級(jí)組網(wǎng)模式。以兩級(jí)組網(wǎng)模式為例，各級(jí)節(jié)點(diǎn)分別部署如下設(shè)備：

    中心節(jié)點(diǎn)：部署CDN核心網(wǎng)元設(shè)備和中心存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)全局負(fù)載均衡(GSLB)、內(nèi)容分發(fā)管理等；

    邊緣節(jié)點(diǎn)：部署CDN邊緣網(wǎng)元設(shè)備及邊緣存儲(chǔ)、IPQAM設(shè)備，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容緩存和就近內(nèi)容服務(wù)。

    在路由層面，帶有RegionID和STB標(biāo)識(shí)的視頻訪問請(qǐng)求提交到頭端系統(tǒng)后，資源管理會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃情況和QAM資源情況為其分配合適的IPQAM設(shè)備和端口，而CDN體系會(huì)分配合適節(jié)點(diǎn)的合適服務(wù)器向該IPQAM端口輸出視頻流。

    CDN系統(tǒng)采用GSLBSLB的兩級(jí)負(fù)載均衡模式。全局負(fù)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(diǎn)提供服務(wù)。本地負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)方式可以是基于應(yīng)用，基于負(fù)載和健康狀況的應(yīng)用層重定向，可以為用戶選擇節(jié)點(diǎn)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(fù)載均衡方式采用GSLB為入口點(diǎn)，用戶請(qǐng)求均進(jìn)入GSLB，GSLB的功能是根據(jù)健康狀況和就近性做全局負(fù)載均衡和最優(yōu)站點(diǎn)的選擇，將用戶請(qǐng)求重定向到骨干/邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備的SLB組件上，SLB既配合GSLB，共同提供全局負(fù)載均衡功能和站點(diǎn)選擇，同時(shí)也負(fù)責(zé)本地的負(fù)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(hù)一個(gè)包括整個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的所有服務(wù)器負(fù)載情況和內(nèi)容情況，同時(shí)SLB還需要向GSLB報(bào)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(yīng)用表。

    當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的視頻服務(wù)器發(fā)送故障時(shí)，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(diǎn)的視頻服務(wù)器繼續(xù)提供視頻數(shù)據(jù)到原節(jié)點(diǎn)的IPQAM設(shè)備，用戶服務(wù)將不會(huì)收到影響。

    通過對(duì)CDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和IPQAM技術(shù)的合理結(jié)合利用，廣電運(yùn)營商將可以在汲取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(shì)特點(diǎn)，打造低成本高效率的VOD傳輸和服務(wù)平臺(tái)，提升自身核心競(jìng)爭力并為廣大電視用戶提供更便捷的交互電視服務(wù)。