一種基于NGOD架構(gòu)的VOD系統(tǒng)媒資傳播管理方案

索妮爾，楊 超，宮偉俊，王志謙

（北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100876）

責(zé)任編輯:薛 京

現(xiàn)階段，以視頻點(diǎn)播系統(tǒng)（Video on Demand，VOD）為代表的數(shù)字電視交互業(yè)務(wù)已經(jīng)得到或正在得到部署，資源的管理和共享已凸顯的格外重要，在系統(tǒng)建設(shè)過程中由于成本及部署的合理性原因，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商極其關(guān)注視頻存儲(chǔ)服務(wù)器與推流服務(wù)器的部署及緩存網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)[1]。很多運(yùn)營商已經(jīng)對(duì)VOD系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)部署，其中絕大部分都是基于時(shí)代華納的ISA架構(gòu)。該架構(gòu)對(duì)視頻服務(wù)器資源和邊緣資源等的管理沒有進(jìn)行約束，導(dǎo)致現(xiàn)階段已部署的VOD系統(tǒng)不能對(duì)以上資源進(jìn)行良好的管理和分配，從而致使視頻服務(wù)器資源得不到有效的利用，降低了媒資的傳播效率。同時(shí)，由于用戶對(duì)數(shù)字電視交互服務(wù)的質(zhì)量要求日益增長，VOD系統(tǒng)中的視頻服務(wù)器數(shù)量不斷增多，使得VOD系統(tǒng)對(duì)視頻節(jié)目更新速度、播放實(shí)時(shí)性的支持成為檢驗(yàn)一個(gè)視頻點(diǎn)播系統(tǒng)性能好壞的重要考慮因素。提高上述服務(wù)質(zhì)量的根本方法是需要系統(tǒng)中有一個(gè)專門的視頻服務(wù)器管理模塊，并且提供一套穩(wěn)定、健壯而高效的媒體資源在推流服務(wù)器上的傳播機(jī)制。為此，本文提出基于NGOD架構(gòu)的內(nèi)容資源傳播管理的處理方案[2]。

1 NGOD架構(gòu)

下一代視頻點(diǎn)播架構(gòu)NGOD（Next Generation on Demand），是由美國有線電視服務(wù)商Comcast電信公司提出的一種交互式電視網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)，NGOD系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。與時(shí)代華納提出的ISA架構(gòu)相比，該架構(gòu)定義了更開放的可替換組件，這就使同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的不同模塊可由不同的廠商共同完成。該框架同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的兼容：架構(gòu)定義的協(xié)議接口基本都是基于已有的開放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)擴(kuò)展的，這就使得現(xiàn)在已部署的VOD系統(tǒng)向該架構(gòu)遷移方便，也令下一步開發(fā)更具開放性[3]。

在媒資的傳播管理方面，NGOD架構(gòu)中規(guī)定了媒資傳播服務(wù)器（Asset Propagation Manager，APM）這個(gè)專門管理緩存服務(wù)器資源和媒資在推流服務(wù)器上傳播的模塊和相關(guān)接口，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)視頻服務(wù)器資源的科學(xué)管理和有效利用。同時(shí)NGOD中該模塊對(duì)媒資傳播服務(wù)的定義和描述，使得VOD系統(tǒng)對(duì)媒體資源在緩存服務(wù)器和推流服務(wù)器上的傳播與管理效率得到了顯著提高。

NGOD系統(tǒng)的這種功能劃分方法不僅緩解了原有的ISA系統(tǒng)中后臺(tái)管理器BO（Back Office）的壓力，能更好地處理用戶的請(qǐng)求和資源的管理，而且通用且開放的接口平臺(tái)使得廣電運(yùn)營商對(duì)軟件供應(yīng)商有了更大的選擇范圍。所以，對(duì)比起來運(yùn)營商更加看好NGOD架構(gòu)，并且相當(dāng)一部分正在進(jìn)行由ISA架構(gòu)向NGOD架構(gòu)的轉(zhuǎn)型。

2 NGOD架構(gòu)下的媒資傳播管理方案

2.1 媒資傳播管理器（APM）

APM媒資傳播管理器是NGOD架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)模塊，主要用于管理視頻服務(wù)器資源的狀態(tài)及內(nèi)容媒資在視頻服務(wù)器上的注入、更新與刪除，將來自包括媒資管理系統(tǒng)（Asset Management System，AMS）、實(shí)時(shí)內(nèi)容源（Real Time Source，RTS）在內(nèi)的各種內(nèi)容源的內(nèi)容媒資傳送到合適的推流服務(wù)器（Streaming Servers，SS），同時(shí)管理推流服務(wù)器的狀態(tài)信息和會(huì)話建立后內(nèi)容媒資在其上的傳播。這項(xiàng)重要的功能通常被稱為媒資的“傳播服務(wù)”[3]，圖1中灰色標(biāo)記部分即為APM在系統(tǒng)中的位置。

2.2 APM主要接口和業(yè)務(wù)處理流程

2.2.1 R1接口及業(yè)務(wù)處理流程

APM與點(diǎn)播資源管理器（On Demand Resource Manager，ODRM）之間定義了R1接口，當(dāng)有用戶點(diǎn)播請(qǐng)求時(shí)，會(huì)話管理器（Session Manager，SM）將對(duì)某個(gè)媒資的請(qǐng)求通過ODRM發(fā)送給APM。由APM通過R1接口向ODRM傳遞存有被請(qǐng)求媒資的SS的狀態(tài)，ODRM根據(jù)這些狀態(tài)信息選擇合適的SS建立會(huì)話進(jìn)行推流。通過此接口，ODRM將獲得與它相連的APM管理的推流服務(wù)器的配置、狀態(tài)和資源能力信息。即APM維護(hù)一張內(nèi)容媒資狀態(tài)信息表并存儲(chǔ)該媒資在推流服務(wù)器上的位置信息，通過R1接口將該緩存服務(wù)器的位置返回給ODRM。

2.2.2 A2接口及業(yè)務(wù)處理流程

NGOD框架中定義了A2接口用來交換AMS和APM之間的狀態(tài)信息。當(dāng)AMS決定需要分發(fā)媒資時(shí)，AMS就發(fā)送媒資元數(shù)據(jù)信息到APM。元數(shù)據(jù)描述了待分發(fā)媒資的屬性特點(diǎn)，同時(shí)包含了決定媒資將被何時(shí)分發(fā)的相關(guān)信息。APM使用這個(gè)信息，根據(jù)媒資內(nèi)容類型和預(yù)計(jì)用戶對(duì)該媒資的請(qǐng)求情況，來選擇合適的SS去接收該媒資。為了完成這一功能，NGOD定義了3條消息，分別是AssetStatusNotice，AssetStatusRequest和 APMStatusRequest。其中，AssetStatusNotice消息是由APM向AMS提供媒資狀態(tài)信息，AssetStatusRequest消息使AMS可以向APM請(qǐng)求某個(gè)指定媒資的狀態(tài)。AMS通過發(fā)送APMStatusRequest消息可以向APM請(qǐng)求該APM本身及其控制的SS的狀態(tài)。

2.2.3 A3接口及業(yè)務(wù)處理流程

NGOD在APM和SS之間定義了對(duì)媒資進(jìn)行管理控制的A3接口，使得多個(gè)運(yùn)營商的推流服務(wù)器可以通過相同的傳播服務(wù)框架被引入到VOD系統(tǒng)中。這個(gè)接口隱含了推流服務(wù)器存儲(chǔ)系統(tǒng)的內(nèi)在實(shí)現(xiàn)。它可以包含多個(gè)參數(shù)，如存儲(chǔ)容量、接收帶寬以及是否備份內(nèi)容文件到多個(gè)推流服務(wù)器中。APM通過該接口管理SS上媒資的生命周期，向SS發(fā)送指令以指示它們進(jìn)行媒資的注入和刪除，動(dòng)態(tài)地管理系統(tǒng)中媒資實(shí)例的數(shù)量和這些實(shí)例的位置。具體的媒資傳播服務(wù)流程如下：

1）APM通過SS發(fā)布的Discovery messages接收到一個(gè)對(duì)各SS都可用的磁盤列表。APM向SS請(qǐng)求每一個(gè)指定磁盤的磁盤信息作為響應(yīng)，該信息詳細(xì)說明了某個(gè)磁盤的總?cè)萘俊?dāng)前剩余空間以及該磁盤的狀態(tài)。

2）媒資通過一個(gè)可靠的多播（PGM）或者一個(gè)內(nèi)容pull（FTP，NFS或CIFS）來進(jìn)入SS。如果FTP服務(wù)器是一個(gè)SS，APM將向服務(wù)器發(fā)送“Expose Content”指令。該指令指明了媒資將被pull、傳輸協(xié)議以及pull的比特率。服務(wù)器為客戶端返回一個(gè)URL、用戶名和密碼用來獲取該媒資。如果SS缺少傳輸該媒資內(nèi)容的能力，“Expose Content”請(qǐng)求將被駁回。

3）APM將向客戶端發(fā)送一個(gè)“Transfer Content”指令指示服務(wù)器去pull媒資。該指令指明了URL、用戶名、密碼和存儲(chǔ)媒資內(nèi)容的磁盤?？蛻舳藨?yīng)該立即開始pull媒資。

4）當(dāng)媒資傳輸開始時(shí)，SS向APM發(fā)送一個(gè)“Transfer Status”指令通知它已經(jīng)開始接收媒資內(nèi)容。如果SS支持播放部分內(nèi)容文件，SS可以發(fā)送“Transfer Status”指令來表明該媒資是可播的。這使得使用者可以播放正在直播的實(shí)時(shí)內(nèi)容。

5）若媒資傳輸成功，SS向APM發(fā)送一個(gè)“Transfer Status”指令以表明傳輸成功。當(dāng)APM接收到這條消息時(shí)，它將在媒資本地服務(wù)（Asset Locator Service，ALS）中生成一個(gè)入口，將該媒資實(shí)例與一個(gè)ODRM相關(guān)聯(lián)。該狀態(tài)消息指明了該媒資的大小和MD5校驗(yàn)碼。APM必須將其與預(yù)期的大小和校驗(yàn)碼比較從而認(rèn)證該信息。如果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，APM必須刪除該媒資內(nèi)容。

6）如果媒資傳輸失敗，SS將向APM發(fā)送一個(gè)攜帶錯(cuò)誤原因的“Transfer Status”指令。APM從ALA中移除該媒資與ODRM的關(guān)聯(lián)。

APM通過A3接口控制媒資內(nèi)容從SS上的刪除。很多原因可以導(dǎo)致媒資的刪除，例如內(nèi)容過期，對(duì)給定媒資需求量的下降，或者為一個(gè)熱門媒資釋放空間。當(dāng)某個(gè)ODRM域內(nèi)的媒資實(shí)例數(shù)為0時(shí)，APM將從ALS中刪除該媒資的入口，避免SS上的媒資播放失敗。APM向SS發(fā)送一個(gè)Delete指令來刪除媒資實(shí)例，如果SS當(dāng)前正在使用該媒資，APM必須在稍后等待并重試該刪除。

3 基于NGOD架構(gòu)的APM改進(jìn)方案

在原有的NGOD框架中，內(nèi)容媒資的存儲(chǔ)和動(dòng)態(tài)調(diào)度這兩部分工作都是在推流服務(wù)器SS上來完成的。對(duì)于存儲(chǔ)管理部分，在注入媒資時(shí)，由APM根據(jù)自身維護(hù)的SS的狀態(tài)信息按照一定的算法選擇一個(gè)最合適的SS來進(jìn)行媒資的存儲(chǔ)。當(dāng)媒資內(nèi)容過期或需求量下降時(shí)，再由APM控制SS刪除該媒資實(shí)例和其在ALS上的入口。對(duì)于用戶請(qǐng)求的動(dòng)態(tài)調(diào)度，則是由ODRM在擁有某個(gè)被請(qǐng)求媒資的所有SS中選擇最合適的一個(gè)SS進(jìn)行推流。即在管轄范圍相同時(shí)，APM與ODRM會(huì)共用一些SS的狀態(tài)信息。這樣就會(huì)出現(xiàn)2個(gè)問題：1）在APM向ODRM提交了SS的候選列表之后，APM又收到了來自AMS的指令，完成了對(duì)內(nèi)容媒資的注入或刪除，并進(jìn)行了SS狀態(tài)的即時(shí)更新，而此時(shí)ODRM還未選好SS完成一次推流，這就導(dǎo)致ODRM選出的SS可能已經(jīng)不是最優(yōu)的SS或被請(qǐng)求的內(nèi)容媒資在該SS上已經(jīng)更改或刪除；2）由于ODRM選擇了某個(gè)SS進(jìn)行推流，它必須為推流進(jìn)行前期準(zhǔn)備，例如與SS通信通知其推流的起止信息，這些交互與通信都要消耗SS的資源，降低SS的響應(yīng)速度，而此時(shí)APM并不知道該SS的這類狀態(tài)變化，若此時(shí)AMS需要APM選擇SS進(jìn)行媒資注入，就可能會(huì)選中負(fù)載較重的準(zhǔn)備推流的SS。為了減少這種情況的出現(xiàn)，計(jì)劃采用媒資存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)調(diào)度相分離的策略，即由ODRM管理SS的狀態(tài)信息，進(jìn)行SS的動(dòng)態(tài)調(diào)度。而APM負(fù)責(zé)媒資的注入和刪除，將媒資存儲(chǔ)在專門的緩存服務(wù)器（Cache Server，CS）上，當(dāng)有用戶請(qǐng)求某個(gè)媒資時(shí)，APM根據(jù)一定算法將擁有該媒資狀態(tài)的最優(yōu)CS上報(bào)給ODRM，ODRM根據(jù)上報(bào)來的CS選擇狀態(tài)最優(yōu)的SS獲取該媒資內(nèi)容，最終完成推流。這種將存儲(chǔ)與調(diào)度相分離的策略可以讓APM和ODRM按照各自的算法分別選擇負(fù)載與位置較合適的視頻服務(wù)器媒資存儲(chǔ)與內(nèi)容響應(yīng)，大大減少了因共用視頻服務(wù)器產(chǎn)生的狀態(tài)信息獲取不及時(shí)，從而導(dǎo)致媒資管理效率下降的問題，很大程度提高了內(nèi)容在系統(tǒng)中的傳播速率，也使得用戶的視頻點(diǎn)播請(qǐng)求能更快地得到響應(yīng)。

4 方案驗(yàn)證

本次方案驗(yàn)證采用Dell PowEdge 2950：IntelXeon 51101.6 GHz CPU×2；433內(nèi)存；2×146 Gbyte硬盤；4口10／100／1000 Mbit/s網(wǎng)卡。軟件配置：Ubuntu Linux 11.10，Tomcat。

編寫測試程序測試傳統(tǒng)方案和改進(jìn)方案的性能，程序的輸出結(jié)果如圖2所示，測試過程是原始方案和改進(jìn)方案對(duì)比的過程，測試中的參數(shù)為系統(tǒng)并發(fā)任務(wù)數(shù)。測試和分析該參數(shù)變化的不同情況下產(chǎn)生的不同結(jié)果。

驗(yàn)證過程中將系統(tǒng)中的并發(fā)任務(wù)數(shù)逐漸增加，從256，512一直增加到15360，可以看出并發(fā)處理時(shí)間隨著任務(wù)數(shù)的增大一直緩慢增大，并且新方案增大的幅度明顯小于原始方案。另外，處理相同任務(wù)數(shù)的情況下，系統(tǒng)對(duì)改進(jìn)方案模型的響應(yīng)時(shí)間也小于原始方案模型的處理結(jié)果。但是當(dāng)任務(wù)數(shù)增大到15000以上時(shí)，改進(jìn)方案模型達(dá)到了極限，處理時(shí)間明顯急劇增大。綜上可以得出改進(jìn)后的模型確實(shí)對(duì)媒資傳播處理能力方面有所提高，但也存在處理任務(wù)數(shù)目的瓶頸，該方案還可以繼續(xù)改進(jìn)。

5 結(jié)束語

在NGOD架構(gòu)數(shù)字電視點(diǎn)播系統(tǒng)中利用媒資傳播管理器（APM）對(duì)內(nèi)容媒資進(jìn)行管理和傳播，研究并改進(jìn)流媒體內(nèi)容媒資管理與分配機(jī)制，能更好地處理用戶的請(qǐng)求和資源的管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)容資源更方便高效的管理和傳播，適應(yīng)了三網(wǎng)融合、三屏融合的業(yè)務(wù)需求，為其提供可用的服務(wù)設(shè)施，為系統(tǒng)的特性加強(qiáng)和擴(kuò)展做好了準(zhǔn)備。

[1]鄭鵬思，王宏紅.分布式VOD系統(tǒng)資源部署的研究[J].中國有線電視，2011（2）：130-133.

[2]ALMEIDA J M，EAGER D L，VERNON M K，et al.Minimizing delivery cost in scalable streaming content distribution systems[J].IEEE Trans.Multimedia，2004，6（2）：356-365.

[3]Comcast.Next generation on demand video architecture——request for information[S].2006.