無共享架構(gòu)的智能互動電視平臺設(shè)計與研究

楊湘浩，胡力旗

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 管理學(xué)院，上海 201620；2. 上海全景數(shù)字技術(shù)有限公司，上海 200083)

無共享架構(gòu)的智能互動電視平臺設(shè)計與研究

楊湘浩1，胡力旗2

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 管理學(xué)院，上海 201620；2. 上海全景數(shù)字技術(shù)有限公司，上海 200083)

隨著業(yè)務(wù)的日趨復(fù)雜，用戶規(guī)模的快速增長，現(xiàn)有互動電視平臺的架構(gòu)技術(shù)已難以滿足其業(yè)務(wù)需求。對當(dāng)前互動電視平臺的業(yè)務(wù)進行深入研究，并借鑒互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的架構(gòu)技術(shù)，提出無共享架構(gòu)的智能互動電視平臺設(shè)計方案，據(jù)此研發(fā)出相應(yīng)的原型系統(tǒng)。實踐結(jié)果表明,無共享架構(gòu)的智能電視互動平臺具有高并發(fā)性、高可用性、高可擴展性和低成本等特點，非常適合大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

互動電視；數(shù)字電視；無共享架構(gòu)；架構(gòu)設(shè)計

隨著計算機和手機相繼互聯(lián)網(wǎng)化，三屏之一的電視網(wǎng)絡(luò)化和智能化成為大勢所趨。在國內(nèi)“三網(wǎng)融合”進入推廣期的背景下，運營商們圍繞“智慧家庭”市場的爭奪戰(zhàn)日趨激烈，電信、廣電業(yè)務(wù)相互滲透融合，互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容商向終端延伸，產(chǎn)業(yè)邊界越來越模糊。原先以交互電視為主要內(nèi)容的廣電互動電視平臺，與新一代互聯(lián)網(wǎng)、云計算、智能傳感和衛(wèi)星定位等技術(shù)的結(jié)合，不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的互動電視業(yè)務(wù)，還可以實現(xiàn)對家庭智能設(shè)備進行識別、監(jiān)控和管理。傳統(tǒng)的互動電視平臺被賦予了新的含義，逐漸發(fā)展成為跨平臺和跨產(chǎn)品形態(tài)的智能互動電視平臺[1-2]。

新一代的互動電視平臺具有如下主要特點：業(yè)務(wù)復(fù)雜，不僅要支持傳統(tǒng)電視相關(guān)業(yè)務(wù)，還需要支持多種新媒體及智能家居相關(guān)功能；高并發(fā)性，隨著業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，互動電視的用戶基數(shù)及并發(fā)訪問量會迅速增大；高可用性，需具備更高的可用性，要求平臺能夠提供7×24小時不間斷的服務(wù)；高可擴展性，業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，要求平臺能快速適應(yīng)變化；海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量日益巨大，不僅需要關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，也可能需要非關(guān)系型NoSQL數(shù)據(jù)庫[3-4]?，F(xiàn)有互動電視平臺大多從廣電傳統(tǒng)的VOD系統(tǒng)演化過來的，難以適應(yīng)新形勢下的互動電視的快速發(fā)展。無共享架構(gòu)技術(shù)是一種提供高性能和高可用性的主流技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和驗證，本文將其應(yīng)用于智能互動電視的平臺設(shè)計中。

1 無共享架構(gòu)技術(shù)簡介

無共享架構(gòu)(Shared Nothing Architecture，SNA)是一種分布式計算架構(gòu)。在SNA架構(gòu)中，每個節(jié)點都是獨立和自給的，而且在整個架構(gòu)中沒有單點競爭。SNA架構(gòu)技術(shù)是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中的主流技術(shù)，究其原因，SNA架構(gòu)技術(shù)可以提供更高的擴展性、并發(fā)性和可用性，谷歌系統(tǒng)就是采用SNA架構(gòu)技術(shù)的很好例子。在一個純SNA架構(gòu)的平臺中，通過簡單地增加一些廉價的節(jié)點，就可以實現(xiàn)理論上的平臺無限擴展。在無共享架構(gòu)的平臺研發(fā)中，為了實現(xiàn)無單點競爭，設(shè)計人員通常會將數(shù)據(jù)分布到不同的數(shù)據(jù)庫或者讓每個節(jié)點保留數(shù)據(jù)備份。對于狀態(tài)型的應(yīng)用(通常需要將狀態(tài)集中保存)，在采用SNA架構(gòu)技術(shù)時業(yè)界通常采用數(shù)據(jù)網(wǎng)格或分布式Cache技術(shù)。

無共享架構(gòu)技術(shù)起源于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的初期，系統(tǒng)用戶數(shù)量不大，Service層和Web層混合在一起，一般部署在統(tǒng)一的服務(wù)器中。隨著用戶數(shù)量的不斷增加，應(yīng)用處理的業(yè)務(wù)的復(fù)雜度越來越高，導(dǎo)致應(yīng)用服務(wù)(Service)層的訪問壓力越來越大。為了應(yīng)對這種壓力增長，Web層和Service層逐漸分離，系統(tǒng)被分拆成為多個模塊，每個模塊之間通過一些簡單的通訊協(xié)議進行交互，例如Webservice，Http Rest和RMI等，這樣就形成了簡單的分布式架構(gòu)。隨著用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)復(fù)雜度的進一步增加，系統(tǒng)組件的依賴度越來越高，系統(tǒng)中的服務(wù)調(diào)用向網(wǎng)狀形式發(fā)展，從而導(dǎo)致系統(tǒng)耦合度急劇上升，造成版本升級和維護困難。在此種情況下，逐漸出現(xiàn)了分布式總線技術(shù)。分布式服務(wù)總線(Distribute Service Bus)的出現(xiàn)是一個互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成熟的標(biāo)志。這樣，無共享架構(gòu)技術(shù)就逐漸形成。目前支持無共享架構(gòu)技術(shù)的分布式框架主要有Facebook的Thrift，Apache的avro，Google 的Protobufer，淘寶網(wǎng)的Dubbo等[5-8]。

2 智能互動電視平臺的主要需求

圖1 互動電視的架構(gòu)演變階段

傳統(tǒng)的互動電視平臺是基于廣電HFC網(wǎng)絡(luò)和寬帶網(wǎng)絡(luò)，以電視機和機頂盒作為主要的接收終端，提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的互動數(shù)字媒體服務(wù)，例如視頻點播(VOD)，網(wǎng)絡(luò)錄像機(nPVR)，時移電視(TimeShift)和卡拉OK等。在新技術(shù)和市場需求的推動下，互動電視平臺業(yè)務(wù)得到快速發(fā)展。現(xiàn)有互動電視平臺已經(jīng)集生活、娛樂和控制于一體，既能提供基本的娛樂服務(wù)，也能實現(xiàn)對家庭相關(guān)智能設(shè)備的控制，如計算機、照明系統(tǒng)、廚房設(shè)備和保安系統(tǒng)等，它使家庭變得更加智能、舒適、安全、高效和節(jié)能。

主要功能需求有：

1)實現(xiàn)多種資源的統(tǒng)一管理，構(gòu)建完善的多媒體分發(fā)網(wǎng)絡(luò)；

2) 實現(xiàn)對智能家庭相關(guān)的智能設(shè)備的控制和管理等；

3) 實現(xiàn)多種服務(wù)和產(chǎn)品的統(tǒng)一定義、打包及捆綁銷售等；

4) 實現(xiàn)3A認證及融合計費，支持包月、按使用量等多種計費方式；

5) 支持媒體資產(chǎn)管理、媒體資產(chǎn)運營管理、交互終端管理及會話和資源管理等；

6) 提供靈活多樣的用戶接觸界面，支持門戶、EPG和APP等多種形式；

7) 具備完善的監(jiān)控體系，能夠?qū)ψ陨砭W(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

主要非功能需求有：

1) 高并發(fā)性，支持大規(guī)模用戶的實時并發(fā)操作。

2) 高可用性，提供7×24小時的高可用性。

3) 互操作性強，關(guān)鍵組件松耦合，滿足不同供應(yīng)商之間的設(shè)備互動。

4) 高可靠性，具有完備的容錯及錯誤恢復(fù)能力。

5) 高可擴展性，支持系統(tǒng)的快速部署及橫向擴展。

6) 組網(wǎng)靈活性，支持集中、分布及混合式組網(wǎng)，適應(yīng)不同場合的業(yè)務(wù)需求。

3 無共享的互動電視平臺的系統(tǒng)設(shè)計

3.1 互動電視的架構(gòu)演變

互動電視是數(shù)字電視和寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新一代電視，是電視科技和時尚生活的完美結(jié)合，可以提供可點播的高度個性化和互動性的精彩節(jié)目，為用戶帶來全新的收看體驗，讓用戶從“看電視”轉(zhuǎn)變成“用電視”，真正成為電視的主人。隨著互動電視的技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展，其架構(gòu)也在逐步演變。從架構(gòu)上看，國內(nèi)互動電視平臺大致經(jīng)歷了三代。第一代是最初級階段的VOD，主要用于酒店和高檔社區(qū)等；第二代主要專注于VOD業(yè)務(wù)，屬于封閉系統(tǒng)，不適合業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展；第三代采用開放體系，支持業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展，比較適合商業(yè)應(yīng)用[9-10]?；与娨暤募軜?gòu)演變階段如圖1所示。

3.2 無共享架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計

隨著業(yè)務(wù)的日趨復(fù)雜，互動電視平臺對并發(fā)性和擴展性要求越來越高，現(xiàn)有互動電視平臺的架構(gòu)已經(jīng)難以滿足其業(yè)務(wù)的快速發(fā)展。采用無共享架構(gòu)技術(shù)后，將智能互動電視平臺分為4個層次：終端應(yīng)用層、SNA架構(gòu)服務(wù)層、云平臺層和云業(yè)務(wù)層。終端應(yīng)用層是平臺和用戶的接口，可支持多種終端(如STB，PC，Smart Phone和Pad等)訪問服務(wù)且終端之間還可以進行互動，例如進行點播、購物、多屏切換和操控智能家居等。SNA架構(gòu)服務(wù)層即無共享架構(gòu)的服務(wù)層，采用分布式并行計算處理技術(shù)，用戶接入模塊和服務(wù)提供模塊采用多個功能相同的組件實現(xiàn)，通過負載均衡器進行交叉連接，可支持系統(tǒng)容量的線性擴展，解決整個平臺的單節(jié)點故障問題。對于用戶狀態(tài)信息的保存，采用多機冗余的Session的集中管理方式。云平臺層提供多媒體內(nèi)容的云存儲功能。云業(yè)務(wù)層是各種具體業(yè)務(wù)應(yīng)用的云方式實現(xiàn)。通過SNA架構(gòu)的引入，可大大提高系統(tǒng)的可用性、可靠性和可擴展性。智能互動電視的平臺架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能互動電視平臺的無共享架構(gòu)

3.3 智能互動電視平臺的業(yè)務(wù)功能

從功能上，將智能互動電視平臺分為如下幾個部分：業(yè)務(wù)應(yīng)用層、業(yè)務(wù)管理平臺和業(yè)務(wù)能力提供層，以及支持平臺運營的AMS系統(tǒng)(媒資管理系統(tǒng))、CND網(wǎng)絡(luò)(內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò))和BOSS系統(tǒng)(業(yè)務(wù)運營支撐系統(tǒng))。整個平臺的具體組成如圖3所示。以下簡述各部分的主要功能。

圖3 智能互動電視平臺的業(yè)務(wù)功能

1)能力提供層是平臺運營的基礎(chǔ)，主要提供視頻流服務(wù)、數(shù)據(jù)廣播、CA/3A/DRM、網(wǎng)絡(luò)、邊緣設(shè)備和智能家居服務(wù)等能力。

2)平臺服務(wù)提供業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)的配置管理、資源分配和會話管理等服務(wù)。

3)平臺管理是對平臺運營的內(nèi)容及網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一管理，主要包括業(yè)務(wù)模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊。業(yè)務(wù)模塊包括資源管理、業(yè)務(wù)管理、產(chǎn)品管理、內(nèi)容管理和終端管理等子模塊。網(wǎng)絡(luò)模塊主要包括網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、性能報表、故障管理、日志管理、軟件管理和配置管理等子模塊。

4)業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要提供具體的商業(yè)應(yīng)用，是平臺與終端用戶之間的接觸界面。本平臺采用開放式體系結(jié)構(gòu)，可支持多種終端的接入，且它們之間還可以進行互動，實現(xiàn)信息的智能共享功能等。

5)外圍支撐系統(tǒng)包括BOSS系統(tǒng)(業(yè)務(wù)運營支撐系統(tǒng))、AMS系統(tǒng)(媒資管理系統(tǒng))和CDN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。

4 關(guān)鍵技術(shù)及平臺優(yōu)勢

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

1)負載均衡后的會話管理技術(shù)

會話保存了用戶訪問的狀態(tài)信息。在無共享架構(gòu)的平臺下，如何實現(xiàn)高可用和高可靠的會話管理是系統(tǒng)實施的關(guān)鍵技術(shù)。負載均衡后的會話管理常用的方法中：一是Session粘性，即客戶端每次訪問都指向它第一次訪問的服務(wù)器，這種方法的缺點是沒有實現(xiàn)集群機制；二是Session復(fù)制，各個服務(wù)器之間共享Session信息，每臺服務(wù)器都擁有其他服務(wù)器的Session信息，該方法在大規(guī)模用戶應(yīng)用場合不可?。蝗强蛻舳吮４?，將用戶狀態(tài)信息保存在客戶端，而不是存在服務(wù)器中，這種方案安全性不高，且對網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力較大；四是將Session數(shù)據(jù)進行集中存儲，客戶端訪問時傳遞SessionID，后端平臺根據(jù)SessionID去集中的Session存儲平臺獲取Session信息,本平臺的無狀態(tài)共享架構(gòu)采用此方案。對于Session信息的存儲，目前業(yè)界使用比較廣泛的是采用Memcached或者Redis等分布式緩存技術(shù)，本平臺使用Redis技術(shù)。

2)分布式服務(wù)的獲取技術(shù)

小規(guī)模的行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)一般被分為3層：應(yīng)用層(Web層)、服務(wù)層(Service層)和數(shù)據(jù)訪問層(DAO層)。雖然系統(tǒng)被分為幾層，但在實際的部署中，仍作為一個獨立的應(yīng)用部署在同一個JVM中。實際上，服務(wù)之間的調(diào)用是在一個JVM中實現(xiàn)的。在分布式系統(tǒng)中，一般服務(wù)調(diào)用方和提供方不在同一個JVM中，服務(wù)之間的調(diào)用比較復(fù)雜，已不能像調(diào)用本地接口那樣實現(xiàn)服務(wù)的調(diào)用。RPC(Remote Procedure Call Protocol)是分布式系統(tǒng)中常用的服務(wù)調(diào)用協(xié)議，目前大多數(shù)RPC框架都可依據(jù)IDL生成客戶端和服務(wù)器端代碼，極大地提高了編程效率。本平臺的服務(wù)調(diào)用采用RPC技術(shù)。

3)組件設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)

在無共享架構(gòu)的智能互動電視平臺中，關(guān)鍵組件有Session組件、RPC組件和ServiceLocator等。Session組件采用Redis分布緩存技術(shù)。Redis支持多種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如字符串(String)、鏈表(list)、集合(set)和哈希類型(hash)等，并且其數(shù)據(jù)操作基本都是原子性的，可以保證在高并發(fā)情況下事務(wù)的一致性。RPC組件底層采用Netty的NIO服務(wù)器，基于Netty高性能的NIO服務(wù)器可以支持高達10k以上的并發(fā)調(diào)用。ServiceLocator組件位于客戶端，其作用是對開發(fā)者屏蔽Service實現(xiàn)的細節(jié)。通過客戶端配置，ServiceLocator組件可以方便地定位到本地實現(xiàn)或遠程實現(xiàn)。ServiceLocator通過模板模式和代理模式去實現(xiàn)服務(wù)的配置和定位。開發(fā)人員無需關(guān)心如何與遠程服務(wù)器端進行通信，僅僅通過配置即可完成服務(wù)之間的調(diào)用。

4.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

智能互動電視平臺采用無共享架構(gòu)和云存儲技術(shù)，提供集成的多媒體內(nèi)容管理和分發(fā)平臺，可支持多媒體內(nèi)容的注入、存儲和分發(fā)等，能同時滿足CableTV,IPTV,Internet TV,Web Video和Mobile TV等多種應(yīng)用場景，可以支持多屏互動和提供智能家居管控功能。本平臺的原型系統(tǒng)已經(jīng)在上海市虹口區(qū)大寧社區(qū)街道試用，效果良好。采用無共享架構(gòu)的智能電視互動平臺在技術(shù)上有如下優(yōu)勢：

1)高可用性

本平臺可以支持高并發(fā)訪問的能力。在具備高性能的情況下，可支持平臺的自動化運維機制。整個平臺的可用性達到99.99%，全年故障時間不超過30 min，從而減少了平臺的不工作時間，確保了整個平臺的高度可用性。

2)高可擴展性

本平臺采用無共享架構(gòu)技術(shù)，整個平臺結(jié)構(gòu)簡單清晰，平臺組件相對獨立，便于通過水平擴展提升系統(tǒng)容量。平臺中的各服務(wù)之間耦合性低，可通過服務(wù)總線機制進行相互調(diào)用，服務(wù)可復(fù)用的程度高，可方便地對系統(tǒng)進行運維。

3)低成本

由于系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)過程中，充分考慮了系統(tǒng)服務(wù)的可重用性，從而提高了整個平臺的總體開發(fā)效率，降低平臺開發(fā)成本；平臺實現(xiàn)過程中采用較多的成熟開源技術(shù)，可極大地降低平臺的軟硬件成本；采用云計算和虛擬化技術(shù)，同時減少了服務(wù)器的成本。

5 結(jié)束語

本文對當(dāng)前互動電視平臺的業(yè)務(wù)需求進行深入分析和研究，提出無共享架構(gòu)的互動電視平臺設(shè)計方案，并據(jù)此實現(xiàn)了智能互動電視平臺的原型系統(tǒng)。研發(fā)過程及實踐結(jié)果表明，與傳統(tǒng)互動電視平臺相比，無共享架構(gòu)的智能電視互動平臺可以支持高并發(fā)，具有更高的可用性和可擴展性等，并且建設(shè)成本較低，非常適合商業(yè)推廣。本文所研究內(nèi)容對建設(shè)一個高并發(fā)、高可擴展、完善和高效的智能共享互動平臺，以及促進智能互動電視平臺業(yè)務(wù)進一步推廣，具有一定的應(yīng)用參考價值。

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責(zé)任編輯：閆雯雯

Research and Design of Intelligent Interactive TV Platform Based on SNA

YANG Xianghao1, HU Liqi2

(1.SchoolofManagement,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China； 2.ShanghaiDigivisionTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai200083,China)

As interactive TV business becomes complex and its scale gets larger, its business needs are difficult to be met by existing interactive TV platform architectures. On the basis of ITV business analysis, a design scheme of intelligent interactive TV platform based on SNA technologies is put forward and a prototype system is established. The practice results indicate that the intelligent interactive TV platform based on SNA technologies is characterized by high availability, high expansibility, low cost, etc., and it is very suitable for large-scale commercial applications.

interactive TV; digital TV; SNA; system architecture design

專題互動電視

國家社會科學(xué)基金項目(14BTQ026)；教育部人文社會科學(xué)青年項目(12YJC630242)

TN948.6

A

10.16280/j.videoe.2015.16.004

【本文獻信息】楊湘浩，胡力旗.無共享架構(gòu)的智能互動電視平臺設(shè)計與研究[J].電視技術(shù),2015，39(16).