IPTV平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

徐順山，王燕偉（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州450007）

0 前言

IPTV即交互式網(wǎng)絡(luò)電視，IPTV業(yè)務(wù)指用戶以AD?SL、光纖＋LAN、FTTx等寬帶IP線路做承載，通過機(jī)頂盒及電視機(jī)終端獲得的包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種數(shù)字媒體服務(wù)。用戶使用遙控器在電子節(jié)目指南（EPG）界面所提供的各類菜單、按鈕、鏈接等進(jìn)行選取后，可實(shí)現(xiàn)電視的直播、點(diǎn)播、時(shí)移回看、高清電視、增值業(yè)務(wù)等豐富多彩的視聽使用。

1999 年，英國(guó)推出了全球第一個(gè)IPTV 業(yè)務(wù)。2010 年1 月我國(guó)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)推進(jìn)三網(wǎng)融合總體方案的通知》（國(guó)辦發(fā)〔2010〕5號(hào)）下發(fā)，文件確立了由廣電部門負(fù)責(zé)IPTV 集成播控、電信企業(yè)負(fù)責(zé)IPTV 傳輸?shù)幕菊呖蚣?。?jīng)過幾年的運(yùn)營(yíng)與探索，中國(guó)IP?TV在平臺(tái)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，以及用戶與市場(chǎng)拓展等方面取得新進(jìn)展，行業(yè)逐漸步入有序、穩(wěn)健發(fā)展的新階段。本文通過對(duì)目前IPTV平臺(tái)建設(shè)方案的分析，找出方案存在的不足，并提出優(yōu)化建設(shè)思路和方案。

1 IPTV 平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)

1.1 IPTV 平臺(tái)功能架構(gòu)

IPTV 平臺(tái)在總體結(jié)構(gòu)上分為門戶層、運(yùn)營(yíng)管理層、內(nèi)容分發(fā)層和盒端適配層4層。其功能架構(gòu)如圖1所示。

平臺(tái)通過統(tǒng)一的域名，實(shí)現(xiàn)EPG 門戶展現(xiàn)；通過統(tǒng)一的運(yùn)營(yíng)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)容、用戶、認(rèn)證鑒權(quán)等的統(tǒng)一管理和增值業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入；通過統(tǒng)一的內(nèi)容分發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)IPTV、電視互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一內(nèi)容分發(fā)和加速；統(tǒng)一的盒端兼容和適配，屏蔽盒端差異，實(shí)現(xiàn)各類盒端的接入。

圖1 IPTV平臺(tái)總體功能架構(gòu)圖

各層的功能概要描述如下。

a）門戶層。為用戶提供IPTV 業(yè)務(wù)的展示，是用戶使用IPTV業(yè)務(wù)的入口，支持統(tǒng)一域名下的EPG門戶展現(xiàn)，為各種盒端提供導(dǎo)航服務(wù)，與內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)配合給盒端提供標(biāo)清和高清的直播、點(diǎn)播內(nèi)容。

b）運(yùn)營(yíng)管理層。負(fù)責(zé)完成與IPTV業(yè)務(wù)相關(guān)的運(yùn)營(yíng)支撐和統(tǒng)一業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)容、用戶、認(rèn)證鑒權(quán)等的統(tǒng)一管理，播控方內(nèi)容和電信運(yùn)營(yíng)商自有內(nèi)容的集成及編排，EPG 門戶管理，增值業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入、消息業(yè)務(wù)管理，三屏互動(dòng)業(yè)務(wù)的管理等，為用戶提供服務(wù)及管理支撐。

c）內(nèi)容分發(fā)層。主要負(fù)責(zé)與播控平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的引入和管理、內(nèi)容的統(tǒng)一分發(fā)以及媒體內(nèi)容向用戶側(cè)的推送，提高IPTV 業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。

d）盒端適配層。負(fù)責(zé)完成統(tǒng)一的盒端兼容和適配，屏蔽盒端差異，實(shí)現(xiàn)各類盒端的靈活接入及拓展。

1.2 IPTV 網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)

IPTV 平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)組織上主要由業(yè)務(wù)管理平臺(tái)和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）2部分組成。業(yè)務(wù)管理平臺(tái)主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)的接入、運(yùn)營(yíng)和管理，一般采用省集中部署方案；CDN主要作用是把用戶訪問的內(nèi)容推送到離用戶最近的網(wǎng)絡(luò)側(cè)，降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的壓力，提高對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量。一般采用三級(jí)架構(gòu)部署方案，在省中心部署中心節(jié)點(diǎn)，在市中心部署區(qū)域節(jié)點(diǎn)，在城域網(wǎng)的SR/BRAS處部署邊緣節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CDN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)

一般情況下，大部分用戶訪問在邊緣節(jié)點(diǎn)命中，由邊緣節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，在邊緣節(jié)點(diǎn)未命中或出現(xiàn)故障時(shí)由所屬的區(qū)域節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，在邊緣節(jié)點(diǎn)和所屬區(qū)域節(jié)點(diǎn)均未命中或出現(xiàn)故障時(shí)，由中心節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。CDN的能力一般通過并發(fā)用戶數(shù)來衡量，因?yàn)椴煌脩簦ㄈ鐦?biāo)清、高清、超高清以及其他不同碼率的用戶）對(duì)CDN 資源的占用需求不一樣，所以在進(jìn)行系統(tǒng)能力設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常將其他碼率的用戶折成2M用戶，如1 個(gè)8M 高清用戶可以折成4 個(gè)2M 用戶。在IPTV平臺(tái)規(guī)劃和建設(shè)時(shí)，一般以滿足期最忙的時(shí)間點(diǎn)平臺(tái)需要支撐的2 M并發(fā)數(shù)來取定建設(shè)規(guī)模。中心節(jié)點(diǎn)、區(qū)域節(jié)點(diǎn)、邊緣節(jié)點(diǎn)的建設(shè)規(guī)模比例在初次建設(shè)時(shí)一般按總能力的4%、16%、80%分配，后續(xù)建設(shè)時(shí)可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行合理調(diào)整。CDN 在整個(gè)IPTV平臺(tái)的建設(shè)中占據(jù)了絕大部分投資，在運(yùn)營(yíng)中也耗費(fèi)絕大多數(shù)電力能源。如何降低CDN 的投資和運(yùn)行中的能耗是IPTV平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵。

1.3 IPTV 所提供的業(yè)務(wù)和實(shí)現(xiàn)方式

1.3.1 直播

直播是將通過編碼/轉(zhuǎn)碼設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)布的流媒體內(nèi)容，經(jīng)流媒體服務(wù)器分發(fā)到用戶客戶端（如PC、手機(jī)、盒端等設(shè)備），以便用戶通過上述盒端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)觀看。

直播業(yè)務(wù)傳輸方式為廣播接收方式，這種方式在用戶看來是被動(dòng)的，用戶對(duì)內(nèi)容的選擇僅限于所提供的頻道內(nèi)容，是非交互型的業(yè)務(wù)，因此為了減少帶寬浪費(fèi)，在網(wǎng)絡(luò)具備條件的情況下應(yīng)考慮采用組播方式。根據(jù)組播復(fù)制點(diǎn)的位置，組播實(shí)現(xiàn)方式分為應(yīng)用層組播、BRAS 組播和DSLAM 組播。具體采用哪種模式要根據(jù)承載網(wǎng)現(xiàn)狀靈活選擇。

系統(tǒng)直播時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)將直播流單播推送至組播點(diǎn)，組播點(diǎn)再將直播流以組播的方式推送給用戶。

1.3.2 點(diǎn)播

點(diǎn)播即視頻點(diǎn)播（VOD）。內(nèi)容提供商將預(yù)先制作好的流媒體內(nèi)容存放在流媒體內(nèi)容服務(wù)器上，并提供流媒體內(nèi)容展現(xiàn)應(yīng)用。最終用戶可通過訪問流媒體內(nèi)容展現(xiàn)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)感興趣的業(yè)務(wù)內(nèi)容，有選擇地進(jìn)行內(nèi)容播放?；陔p向網(wǎng)絡(luò)，即點(diǎn)即放。

業(yè)務(wù)平臺(tái)接收用戶的流媒體業(yè)務(wù)請(qǐng)求，與用戶盒端建立RTSP 會(huì)話連接，并控制會(huì)話過程。業(yè)務(wù)平臺(tái)根據(jù)用戶請(qǐng)求，將存儲(chǔ)在服務(wù)器上的媒體文件以RTP包的形式發(fā)送給盒端，并由RTCP 控制傳輸質(zhì)量。盒端對(duì)接收到的媒體流進(jìn)行在線播放。系統(tǒng)支持用戶通過手動(dòng)調(diào)整播放進(jìn)程滾動(dòng)條的位置來進(jìn)行回放或跳過某些未播放的內(nèi)容。

根據(jù)用戶訪問的熱度來判斷點(diǎn)播內(nèi)容在整個(gè)CDN中的存放位置。一般情況下，中心節(jié)點(diǎn)存放所有的點(diǎn)播內(nèi)容，區(qū)域節(jié)點(diǎn)存放大部分比較熱門的點(diǎn)播內(nèi)容，邊緣節(jié)點(diǎn)只存放少數(shù)很熱門的點(diǎn)播內(nèi)容。系統(tǒng)在初次建設(shè)時(shí)一般按100%、70%、30%考慮（所有同一級(jí)別的節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的內(nèi)容一致，均按總量的同一比例配置），后續(xù)建設(shè)時(shí)可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況合理進(jìn)行分配。如何既保證用戶訪問在下級(jí)節(jié)點(diǎn)的命中率，又降低內(nèi)容在整個(gè)CDN中對(duì)存儲(chǔ)空間的占用，取決于系統(tǒng)廠家對(duì)熱點(diǎn)內(nèi)容判斷的準(zhǔn)確度，這需要廠家認(rèn)真研究熱點(diǎn)內(nèi)容的判斷算法，從熱點(diǎn)的頻次、時(shí)長(zhǎng)、下發(fā)時(shí)機(jī)等多方面進(jìn)行算法優(yōu)化，具體的細(xì)節(jié)本文不作詳述。

1.3.3 即時(shí)時(shí)移

即時(shí)時(shí)移，簡(jiǎn)稱時(shí)移，是指用戶可以通過PC、手機(jī)、盒端等設(shè)備對(duì)直播節(jié)目選擇暫停、快退。時(shí)移功能是指直播節(jié)目流通過在CDN 中心或邊緣節(jié)點(diǎn)上緩存固定時(shí)間，用戶在觀看直播過程中選擇暫停、快退時(shí)，可以讀取CDN節(jié)點(diǎn)的節(jié)目緩存來實(shí)現(xiàn)觀看。

1.3.4 直播回看

直播回看，簡(jiǎn)稱回看，是指用戶可以通過PC、手機(jī)、盒端等設(shè)備選取固定時(shí)間范圍內(nèi)的直播節(jié)目進(jìn)行回看，回看過程中可以進(jìn)行播放、暫停、快進(jìn)、快退、選時(shí)播放、停止等操作。直播節(jié)目流在平臺(tái)中心節(jié)點(diǎn)或CDN 節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)固定時(shí)間。用戶在回看列表中選擇固定頻道、時(shí)間段的節(jié)目，觀看過程同點(diǎn)播功能相同。

時(shí)移、回看這2種業(yè)務(wù)性質(zhì)有些類似，都是把直播的內(nèi)容實(shí)時(shí)錄制并存放于CDN節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，從本質(zhì)上都屬于點(diǎn)播，只是一般點(diǎn)播播放的內(nèi)容是事先制作好的，而時(shí)移、回看是實(shí)時(shí)生成的。

2 IPTV 系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化方案

2.1 緩存調(diào)度算法

在IPTV整個(gè)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)系統(tǒng)能力是制約用戶訪問能力的非常重要的因素。而決定存儲(chǔ)系統(tǒng)能力的因素除了磁盤的速度、IO 之外，還有緩存命中率。磁盤的速度、IO 取決于磁盤的物理特性，緩存命中率取決于緩存調(diào)度算法。存儲(chǔ)的訪問方式分為隨機(jī)訪問和連續(xù)訪問。目前，通用的存儲(chǔ)系統(tǒng)的緩存調(diào)度算法一般是為兼顧隨機(jī)訪問和連續(xù)訪問這2種訪問方式設(shè)計(jì)的。通常1個(gè)文件會(huì)被分成很多一定大小的數(shù)據(jù)塊存放到磁盤上，數(shù)據(jù)塊的大小分32 K、64 K、256 K、512 K 等，不同的廠家數(shù)據(jù)塊的大小不同。系統(tǒng)根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)塊的訪問熱度來判斷哪些需要調(diào)入緩存，哪些需要調(diào)出緩存。這樣就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)本來比較熱門的文件所對(duì)應(yīng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)塊頻繁從緩存中調(diào)入調(diào)出，將本來連續(xù)的訪問變成相對(duì)隨機(jī)的訪問，影響了IPTV平臺(tái)的服務(wù)能力，增加了磁頭的移動(dòng)頻率和距離，也加大了設(shè)備物理特性的損耗和電源的消耗。

優(yōu)化的思路是優(yōu)化存儲(chǔ)系統(tǒng)的緩存調(diào)度算法。

IPTV業(yè)務(wù)中文件有以下2 個(gè)特點(diǎn)。

a）很高的連續(xù)性。1 個(gè)流媒體文件小則幾十M、多則幾百M(fèi) 甚至幾G，在存儲(chǔ)系統(tǒng)里基本都可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)訪問。

b）很強(qiáng)的熱點(diǎn)集中度。IPTV 的文件熱點(diǎn)很集中，時(shí)間越短集中度就越高。

基于以上特點(diǎn)很容易判斷哪些文件比較熱門，哪些文件比較冷門。1個(gè)1 T的緩存可以同時(shí)裝下1 000個(gè)1 G 的文件，如果存儲(chǔ)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別哪些文件比較熱門，將它們同時(shí)加載到緩存里不要調(diào)出就可以了，這樣絕大部分用戶訪問的數(shù)據(jù)都可以在緩存中命中，磁盤基本上可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，不需要具備很高的讀寫能力，也可以選用高密度盤，降低對(duì)機(jī)房空間的占用。所以，IPTV平臺(tái)的存儲(chǔ)系統(tǒng)需要充分利用流媒體文件的特點(diǎn)，基于IPTV業(yè)務(wù)中文件的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，就可以極大地提升存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體訪問速度。

2.2 邊緣節(jié)點(diǎn)錄制

目前，通常CDN 各級(jí)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行直播錄制，在直播的過程中全程錄制，中心節(jié)點(diǎn)和區(qū)域節(jié)點(diǎn)錄制所有頻道，邊緣節(jié)點(diǎn)有的錄制全部頻道，有的錄制一部分（總頻道數(shù)的1/3左右）頻道。目的就是為了回看和時(shí)移這2 種業(yè)務(wù)，而這2 種業(yè)務(wù)通常情況下在整個(gè)業(yè)務(wù)中占的比例不大，區(qū)域節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)也都有一定的承載能力，承載這2 種業(yè)務(wù)沒有任何問題。只有在極其特殊的情況（比如世界杯、奧運(yùn)會(huì)，以及大型娛樂節(jié)目時(shí)）下才會(huì)出現(xiàn)這些業(yè)務(wù)激增的情況，這時(shí)區(qū)域節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的能力有可能滿足不了需求，所以在邊緣節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行錄制。僅僅為了應(yīng)對(duì)這一極其特殊的場(chǎng)景，其代價(jià)是巨大的，在直播的每時(shí)每刻所有的邊緣節(jié)點(diǎn)都在錄制，所有的邊緣節(jié)點(diǎn)都需要為直播錄制配置軟硬件資源，服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)不停地工作，耗費(fèi)巨大的能源，即使是沒有一個(gè)用戶訪問。

平臺(tái)優(yōu)化的思路是如何降低直播錄制的成本，既滿足回看和時(shí)移這2 種業(yè)務(wù)需求，又降低邊緣節(jié)點(diǎn)為直播錄制付出的代價(jià)。

優(yōu)化方案：將邊緣節(jié)點(diǎn)直播錄制的“全程錄制”改為“平時(shí)不錄制+特殊情況下啟動(dòng)極少數(shù)頻道錄制”。

在區(qū)域節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)頻道都設(shè)置1 個(gè)計(jì)數(shù)器，記錄每個(gè)頻道的熱度，在邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)直播頻道設(shè)置1個(gè)軟件“錄制開關(guān)”，平時(shí)邊緣節(jié)點(diǎn)不做任何頻道的錄制，時(shí)移、回看這2種業(yè)務(wù)的服務(wù)提供都由區(qū)域節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)處理。區(qū)域節(jié)點(diǎn)時(shí)時(shí)刻刻記錄每個(gè)頻道這2種業(yè)務(wù)的訪問次數(shù)，當(dāng)某個(gè)頻道的訪問達(dá)到一定熱度，即某一時(shí)間段訪問次數(shù)達(dá)到一定閾值時(shí)，通知其下轄的邊緣節(jié)點(diǎn)打開該頻道的錄制，此后，對(duì)該頻道的時(shí)移、回看業(yè)務(wù)均由邊緣節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，把中心節(jié)點(diǎn)的壓力推送到邊緣節(jié)點(diǎn)。邊緣節(jié)點(diǎn)記錄該頻道的熱度，當(dāng)邊緣節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間段內(nèi)發(fā)現(xiàn)該頻道的熱度冷卻到一定程度時(shí)關(guān)閉該頻道的錄制，同時(shí)通知其所屬的區(qū)域節(jié)點(diǎn)，隨后的訪問再改回由其上級(jí)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。

此方案有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

a）邊緣節(jié)點(diǎn)在設(shè)備配置時(shí)不需要專門為直播錄制配置硬件能力，包括服務(wù)器和存儲(chǔ)，在建設(shè)時(shí)可以節(jié)約投資。

b）邊緣節(jié)點(diǎn)全程錄制時(shí)服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)一直都在工作，付出的電費(fèi)也是一筆不小的開支，而優(yōu)化后邊緣節(jié)點(diǎn)在絕大多數(shù)時(shí)間里不需要為此工作，既減少了能源的消耗，又降低了設(shè)備機(jī)械特性的損耗。

c）提高了存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問速度。目前邊緣節(jié)點(diǎn)既要錄制，又要為用戶提供服務(wù)，全程錄制時(shí)磁頭在磁盤上連續(xù)移動(dòng)完成“寫”的動(dòng)作，這中間一旦有用戶訪問的數(shù)據(jù)在這一磁盤的另外一個(gè)位置，磁頭就會(huì)暫緩“寫”的動(dòng)作，移動(dòng)到這一位置完成“讀”的動(dòng)作，然后再返回到寫操作中斷的位置繼續(xù)“寫”。如果不錄制就可以讓磁頭移動(dòng)的頻率和距離減少，提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的讀寫能力。

3 結(jié)束語

目前，整個(gè)IPTV 業(yè)務(wù)還處在發(fā)展階段，廠家為此投入的研發(fā)力量不足，IPTV平臺(tái)基本處于滿足業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)層次，需要提升的空間還很大，IPTV 平臺(tái)需要從能用向好用、適用演進(jìn)。這需要在平臺(tái)建設(shè)時(shí)對(duì)參于平臺(tái)建設(shè)的廠商提出更高的要求，推動(dòng)廠商技術(shù)進(jìn)步；同時(shí)，廠商也要改變思路，不能只求暫時(shí)的經(jīng)濟(jì)利益，要為節(jié)能環(huán)保以及長(zhǎng)遠(yuǎn)的技術(shù)發(fā)展做出積極的努力，肩負(fù)起企業(yè)應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任。

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