IPTV系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案淺析

蔣 杰

（上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海 200444）

1 引言

自2005年，國內(nèi)首張IPTV牌照由廣電總局頒發(fā)后，IPTV業(yè)務(wù)已在全國各大省份和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中落地。隨著ITU-R BT.2020對8K/4K超高清的標(biāo)準(zhǔn)定義[1]，以IPTV為代表的互聯(lián)網(wǎng)電視預(yù)計(jì)將迎來更快速的發(fā)展。

本文介紹的IPTV系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從全面宏觀的角度，對IPTV設(shè)計(jì)階段中所需考慮的系統(tǒng)架構(gòu)和業(yè)務(wù)模型進(jìn)行系統(tǒng)性分析和介紹，以期為新建IPTV系統(tǒng)或類似視頻業(yè)務(wù)平臺提供參考和借鑒。

2 IPTV系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

IPTV系統(tǒng)主要可分為IPTV業(yè)務(wù)平臺和CDN網(wǎng)絡(luò)。IPTV業(yè)務(wù)平臺完成所有業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的功能實(shí)現(xiàn)，主要有內(nèi)容管理、業(yè)務(wù)管理、導(dǎo)航頁面管理和終端管理等功能。CDN網(wǎng)絡(luò)完成IPTV終端請求的流媒體服務(wù)相關(guān)的功能實(shí)現(xiàn)，主要有請求調(diào)度功能和流媒體服務(wù)功能[2]。較為典型的IPTV系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 IPTV系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 IPTV業(yè)務(wù)平臺設(shè)計(jì)要求

IPTV業(yè)務(wù)平臺是整個IPTV系統(tǒng)的業(yè)務(wù)核心，一般由內(nèi)容管理模塊、業(yè)務(wù)管理模塊、門戶管理模塊和終端管理模塊組成。隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，支付、社交、游戲等增值功能也都在業(yè)務(wù)平臺中。

2.1.1 平臺功能設(shè)計(jì)要求

（1）內(nèi)容管理模塊：內(nèi)容管理模塊主要完成對所有IPTV平臺中內(nèi)容資源生命周期進(jìn)行管理，包括直播頻道的落地、上/下線、錄制，點(diǎn)播內(nèi)容的入庫、審核、上/下線，內(nèi)容編排及所有音視頻信號的轉(zhuǎn)碼。

（2）業(yè)務(wù)管理模塊：業(yè)務(wù)管理模塊主要完成對IPTV平臺中用戶-產(chǎn)品-訂購關(guān)系這三項(xiàng)主要業(yè)務(wù)屬性進(jìn)行管理和維護(hù)，包括用戶賬號的開/銷戶管理、產(chǎn)品包的增刪改，以及由用戶-產(chǎn)品包關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的訂購關(guān)系進(jìn)行維護(hù)和認(rèn)證鑒權(quán)查詢。所謂產(chǎn)品包是指將單個內(nèi)容資源或多個內(nèi)容資源進(jìn)行邏輯組合，并定義為產(chǎn)品邏輯，從而可支撐靈活的定價策略。

（3）門戶管理模塊：門戶管理模塊主要完成門戶頁面的編排、展現(xiàn)和業(yè)務(wù)邏輯觸發(fā)反饋。門戶頁面又稱為EPG，是IPTV業(yè)務(wù)中人機(jī)交互的主要入口。用戶選擇播放內(nèi)容、訂購關(guān)系鑒權(quán)、支付確認(rèn)、反饋播放地址等一系列實(shí)現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)使用的流程環(huán)節(jié)均由門戶頁面實(shí)現(xiàn)。

（4）終端管理模塊：終端管理模塊主要實(shí)現(xiàn)

對終端的合法性管理、版本一致性維護(hù)和服務(wù)質(zhì)量監(jiān)測等功能。包括終端的入網(wǎng)注冊、防盜鏈密鑰的更新、軟件版本的升級管理和收集終端探針采集的服務(wù)質(zhì)量數(shù)據(jù)等。

2.1.2 平臺功能組網(wǎng)要求

IPTV業(yè)務(wù)平臺是整個IPTV的運(yùn)營和管理核心，設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

（1）節(jié)點(diǎn)規(guī)劃。容災(zāi)性和可擴(kuò)展性是IPTV業(yè)務(wù)平臺節(jié)點(diǎn)規(guī)劃的關(guān)鍵點(diǎn)。由于整個IPTV的內(nèi)容資源、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和請求邏輯的執(zhí)行都依賴業(yè)務(wù)平臺，故容災(zāi)性不僅僅需考慮備份功能，也應(yīng)實(shí)現(xiàn)高可用性，故分布式部署是比較合適的選擇。但同時應(yīng)考慮到內(nèi)容資源和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在分布式節(jié)點(diǎn)上重復(fù)存儲和數(shù)據(jù)同步問題，過多的節(jié)點(diǎn)雖然容災(zāi)性得到了保障，但存儲資源將存在嚴(yán)重浪費(fèi)，頻繁改寫的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間的同步邏輯也將異常復(fù)雜。因此，IPTV業(yè)務(wù)平臺作者認(rèn)為部署為2～3個分布式節(jié)點(diǎn)是比較適合的方案。因?yàn)轭愃艻PTV業(yè)務(wù)平臺這種核心級的平臺在部署中，一般都會對全部內(nèi)部組件考慮本地的容災(zāi)機(jī)制，例如出口交換機(jī)的雙機(jī)主備、數(shù)據(jù)庫的主備庫、服務(wù)器的集群的N：n的等，因此2～3個節(jié)點(diǎn)的容災(zāi)能力理論上已足以達(dá)到運(yùn)營商級的最高等級安全性要求。同時，2～3個節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)同步邏輯相對簡單，同步效率也能得到保障。

為保證2～3個節(jié)點(diǎn)的IPTV業(yè)務(wù)平臺能滿足長期的業(yè)務(wù)發(fā)展需求，各節(jié)點(diǎn)機(jī)房的預(yù)留機(jī)架資源，纜線管道資源，電力資源和空調(diào)資源均應(yīng)考慮較長周期的潛在擴(kuò)容需求。

（2）網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。在IPTV業(yè)務(wù)流程中，終端的門戶訪問、身份認(rèn)證請求、使用鑒權(quán)請求等都需直接訪問IPTV業(yè)務(wù)平臺。因此，IPTV業(yè)務(wù)平臺的網(wǎng)絡(luò)特征是高頻次、高并發(fā)、低延時、短連接和小流量。結(jié)合訪問終端是分布在整個網(wǎng)絡(luò)中、且業(yè)務(wù)平臺的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少這兩點(diǎn)因素，建議IPTV業(yè)務(wù)平臺的節(jié)點(diǎn)部署在整個IP承載網(wǎng)絡(luò)的骨干層、業(yè)務(wù)平臺的分布式節(jié)點(diǎn)之間均通過骨干層的高質(zhì)量傳輸通道予以互聯(lián)，使節(jié)點(diǎn)之間可高效同步內(nèi)容資源和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，確保各IPTV業(yè)務(wù)平臺節(jié)點(diǎn)均具有災(zāi)難情況下對外提供完整服務(wù)功能的容災(zāi)能力。

2.2 CDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求

CDN網(wǎng)絡(luò)是整個IPTV系統(tǒng)的基礎(chǔ)能力，承擔(dān)IPTV中的所有類型音視頻業(yè)務(wù)的流媒體服務(wù)，一般由調(diào)度中心、內(nèi)容中心和邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)組成。CDN的基本作用是通過分布在IPTV用戶接入網(wǎng)的邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)，以最短的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離為IPTV終端提供所請求的內(nèi)容資源，減少帶寬擁塞和傳輸劣化情況出現(xiàn)的可能性，保障IPTV終端的播放效果[3]。

2.2.1 調(diào)度中心設(shè)計(jì)要求

CDN中的調(diào)度中心主要承擔(dān)IPTV終端請求的調(diào)度功能，根據(jù)終端的網(wǎng)絡(luò)位置，將請求調(diào)度至距終端網(wǎng)絡(luò)距離最新的邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)或根據(jù)請求內(nèi)容調(diào)度至內(nèi)容中心節(jié)點(diǎn)。

調(diào)度中心的節(jié)點(diǎn)規(guī)劃一般建議為2個，互為主備；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃則建議部署在IP承載網(wǎng)的骨干層，滿足全網(wǎng)用戶的請求可用性。

2.2.2 內(nèi)容中心設(shè)計(jì)要求

CDN中的內(nèi)容中心主要承擔(dān)IPTV內(nèi)容資源的長/短期緩存、內(nèi)容資源預(yù)分發(fā)至邊緣服務(wù)器節(jié)點(diǎn)及為邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)提供回源服務(wù)。CDN的內(nèi)容中心與IPTV業(yè)務(wù)平臺的內(nèi)容管理模塊的功能差異主要在內(nèi)容資源的運(yùn)營環(huán)節(jié)不同。業(yè)務(wù)平臺的內(nèi)容管理模塊是內(nèi)容資源的制作、審核和運(yùn)營狀態(tài)的管理；而CDN內(nèi)容中心是將處于上線運(yùn)營狀態(tài)的內(nèi)容資源從IPTV業(yè)務(wù)平臺分發(fā)到邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)，支撐用戶的播放請求。

內(nèi)容中心的節(jié)點(diǎn)規(guī)劃可根據(jù)邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)的分布區(qū)域、節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如省級IPTV系統(tǒng)的業(yè)務(wù)初期，可在省會規(guī)劃一至數(shù)個內(nèi)容中心，根據(jù)各地市的邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，每個內(nèi)容中心可下轄一個或多個地市級邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)，為它們提供內(nèi)容資源的分發(fā)和回源服務(wù)。

內(nèi)容中心的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃一般建議部署在IP承載網(wǎng)的匯聚層，便于規(guī)劃與骨干層的業(yè)務(wù)平臺和接入層的邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)之間合理的傳輸路由。

2.2.3 邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求

CDN中的邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)主要承擔(dān)為IPTV終端提供流媒體播放功能。播放所需的內(nèi)容資源由上級內(nèi)容中心通過預(yù)注入模式或邊緣節(jié)點(diǎn)按需回源模式獲取。內(nèi)容資源可根據(jù)緩存策略存儲及淘汰。

邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)的規(guī)劃可根據(jù)IPTV用戶數(shù)和業(yè)務(wù)模型來測算節(jié)點(diǎn)總量和單節(jié)點(diǎn)的能力。單節(jié)點(diǎn)的能力主要根據(jù)用戶分布和運(yùn)營支撐資源來評估。單點(diǎn)能力大，節(jié)點(diǎn)總量少，資源利用率高，但網(wǎng)絡(luò)覆蓋不夠精準(zhǔn)；單點(diǎn)能力小，節(jié)點(diǎn)總量大，網(wǎng)絡(luò)覆蓋精準(zhǔn)，但運(yùn)維壓力大。

邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃則建議部署在IP承載網(wǎng)的接入層，便于就近響應(yīng)IPTV終端的播放請求。

3 IPTV業(yè)務(wù)模型設(shè)計(jì)

IPTV系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型參數(shù)主要由峰值并發(fā)率、業(yè)務(wù)功能使用率、服務(wù)響應(yīng)率和內(nèi)容緩存率構(gòu)成。

（1）峰值并發(fā)率，評估所有IPTV終端同時上線的概率。業(yè)務(wù)初期，該數(shù)值可設(shè)定為20%。

（2）業(yè)務(wù)功能使用率，評估IPTV不同業(yè)務(wù)類型被使用的概率。因不同的業(yè)務(wù)類型可能由不同的功能組件服務(wù)，通過該使用率可將性能需求指向?qū)?yīng)的能力系統(tǒng)。IPTV業(yè)務(wù)一般可分為直播、點(diǎn)播、回看這三類。業(yè)務(wù)初期，該數(shù)值可設(shè)定為40%、30%、30%。

（3）服務(wù)響應(yīng)率，評估邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)和內(nèi)容中心響應(yīng)用戶播放請求的比例。邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)的緩存容量一般較小，故主要用于存儲熱門資源為主，冷門資源的請求可適當(dāng)由內(nèi)容中心響應(yīng)，這樣可減少資源分發(fā)和淘汰的復(fù)雜度。業(yè)務(wù)初期，該數(shù)值可設(shè)定為邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)80%，內(nèi)容中心節(jié)點(diǎn)響應(yīng)20%。

（4）內(nèi)容緩存率，評估邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)的緩存容量需求。由于服務(wù)響應(yīng)率和資源比例在視頻業(yè)務(wù)中根據(jù)“二八原則”有一定的對應(yīng)關(guān)系，10%的資源總量約可響應(yīng)50%的服務(wù)請求，20%資源總量約可響應(yīng)80%服務(wù)請求，50%資源總量約可響應(yīng)90%服務(wù)請求。故當(dāng)服務(wù)響應(yīng)率確定后，節(jié)點(diǎn)的緩存容量需求也可評估。

綜上，根據(jù)上述業(yè)務(wù)模型，IPTV系統(tǒng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器配置、網(wǎng)絡(luò)帶寬需求、存儲容量配置都可計(jì)算出準(zhǔn)確的需求規(guī)模。

4 結(jié)束語

本文全面闡述了IPTV系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需考慮架構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和業(yè)務(wù)模型，并對目標(biāo)架構(gòu)、節(jié)點(diǎn)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)選點(diǎn)和模型數(shù)值均提出建議值，可對新建IPTV系統(tǒng)或各類視頻業(yè)務(wù)系統(tǒng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。