CDN网络和IPQAM技术的分布式VOD体系

     数字化革命带来了HFC的变化，媒体和网络的双重融合在今后将改变现有广播电视系统结构和运营模式，对广电传输网络提出了新的挑战。如何构建面向未来的广电交互信息传输网络，现在已形成共识的是在主干线上采用IP技术和光纤传输技术建设宽带骨干网络。而源于互联网的内容分发网络技术（即CDN），将在广电传输网络中发挥重要的作用，另一方面IPQAM技术的迅速发展和普及使得基于HFC＋IP网络的业务模式得以全面推广。

     IPTV技术的成熟与应用，为电信行业开展视频业务提供了技术上的解决手段，但却给广电行业的传统视频业务造成巨大的冲击与威胁。应对外界的竞争压力，广电必须应用双向有线电视网开展基于IPQAM技术的互动电视业务运营，积极推进IPQAM、CDN等技术在有线电视系统中的应用，才能奠定广电在视音频交互业务方面的有利地位。

     以VOD业务为代表的交互电视是当前的发展热点，如何充分结合利用CDN网络和IPQAM技术，构建新型的大规模商用VOD体系平台，是本文讨论的重点。

    2 为什么需要CDN网络及IPQAM技术

    CDN是构建在IP网络上的一种分布式的内容分发网，主要采用“中心—边缘”的存储与服务分布方式。它的基本原理就是分布的地区或网络中部署边缘服务器，所有的节目都在中心服务器存储，而通过骨干网把用户访问相对集中的内容分发到边缘服务器，直接由边缘路由器提供用户服务。

    CDN起初只是一个互联网概念，是为了加快用户的访问速度而建立的网络。在VOD业务中，由于电视观众对视频信号的高质量及实时性要求，CDN的地位显得尤为重要，不仅承担着提高用户响应速度的重任，而且还要减轻巨大的数据流量对骨干网的压力。电信运营商一般都已经具有相当长时间的CDN网络运作经验，而广电运营商却还缺少CDN网络的运作经验。基于HFC网的分布式VOD体系结构充分利用现已有的CATV网络，可以将海量的节目迅速高效地提供给用户，为开展VOD等多媒体互动业务提供了一种合理的框架。

    IP-QAM调制设备集“复用、加扰、调制、频率变换”功能为一体，它将DVB/IP_GbE输入的节目流重新复用在指定的MPTS中，再进行QAM调制和频率变换，输出RF。在使用IPQAM之后，STB和边缘视频服务器之间的控制信息和视频流分别通过不同的通路传输：STB的接入认证、EPG信息浏览等流程通过双向回传通道交互；边缘视频服务器收到用户的请求后将音视频流以恰当的封包形式输出至IPQAM设备，IPQAM将音视频流调制为RF信号后通过HFC网络传输给STB，STB对音视频流进行解调和解码。

    利用IPQAM开展视频点播业务，在美国的各大有线运营商中得到了大规模的应用,随着国内有线网络双向业务的加快，IPQAM相关技术及产业链的完善，这种点播技术会在中国有线运营商中取得较大的发展。采用IPQAM技术后，一方面可以充分利用HFC的带宽资源以及传输特性，向用户提供有QoS保障的视频服务，更适合高清业务对传输网络的高下行带宽要求；另一方面降低了视频服务对IP网络的要求，不再要求IP网络接入层提供较高的带宽，使广电运营商可以以较低的成本实现交互视频业务。

    3  如何结合利用CDN网络与IPQAM技术

    在大型的交互电视平台中，CDN将视频内容根据合适的策略推送到边缘节点，然后通过IPQAM设备将IP数据封包调制发送到HFC接入网中，典型的部署示意图如下：

    在结合IPQAM和CDN技术开展VOD业务的网络体系中，与电信IPTV和广电传统集中式VOD的传输模式都有所区别，涉及的问题主要有：

    因为HFC的网络特性，需要考虑终端用户与IPQAM端口的数据可达，并进行相关的网络规划和资源管理。

    CDN网络与IPQAM技术在数据层面的结合，包括对视频流数据封包和码率控制的要求。

    CDN网络与IPQAM技术在路由层面的结合，包括全局路由管理、负载均衡、冗余机制和QAM资源管理调度等。

    3.1资源管理调度

    基于HFC的VOD系统中，用户所点播的视频内容下行是由HFC网络承载的，通过IPQAM设备将IP数据包调制发送到cable网络中。鉴于HFC网络的共享特性，某个特定的机顶盒只能接收到来自特定的一组IPQAM端口的数据，因此需要对服务区域有明确的规划和管理，一般将这样的服务区域定义为Region。

    Region即预先定义的一组频率资源，或者为一个IPQAM通道资源规划单元。在不同节点所覆盖的服务区域，可全部或部分重复使用该网的VOD频率规划单元，对拥有相同路径的服务区域即为一个Region。为识别不同的Region，每一个Region都有一个唯一的ID号，即RegionID。VOD业务中采用RegionID来进行机顶盒用户的定位，STB请求服务时需要向VOD头端系统提交该信息，头端系统根据此信息就可以区分是哪个区域的机顶盒发出的请求，从而分配对应的路由来供视频服务器传送TS流。

    3.1.1QAM资源管理

    VOD头端系统资源管理模块SRM，需要了解每个实际部署的IPQAM的资源使用情况以完成资源的分配和回收，要求IPQAM设备提供接口供SRM完成心跳维护和状态查询，接口可以通过IPQAM的SNMP方式提供，也可以通过其他API方式提供。

    IPQAM的UDP端口和频点、节目号的映射规则应该全网统一设置，以完成对所有资源按照统一的算法调度，映射规则可以通过SNMP或者API进行设置。因为IPQAM以及相应的频点和通道资源是有限的，因此要求系统在服务过程中对上述资源进行管理。具体的资源包括：

    IPQAM：对系统中相关的IPQAM进行管理；

    QAMIP：QAM的IP支持

    QAMUDPPort：QAM的UDP端口，系统将根据用户的请求，向不同的端口发送媒体流，并通知机顶盒。

    QAM频点：不同的QAM设备具有不同数量的频点

     输入、输出PID：在一个频点内，可以分为多个PID，每个PID对应用户请求的一个流；

    通道带宽：即一个流的带宽；

   3.1.2RegionID管理

    机顶盒可以通过固定分配或网络自动下载的方式获取RegionID，固定分配的方式实施较为简单，但当机顶盒在跨区域漫游或者头端网络结构调整时需要重新绑定RegionID，因此通过头端实时下发RegionID、机顶盒动态更新的方式较为灵活，这也是运营商普遍的业务需求方式。

    RegionID信息是通过IPQAM经HFC通道下送给机顶盒的，具体发送方式可以通过设置并实时广播DVB网络参数至机顶盒，机顶盒根据预设的规则解析得到RegionID。设置RegionID的相关参数可以有TSID方式或NID方式。

    TSID方式：按照系统的频段规划和部署完成对IPQAM中每个通道TSID的配置，确保IPQAM每个流的TSID在全网内是唯一的，机顶盒在开机后在划分为点播业务的频段扫描获得能够接收到的TSID并保存。在所有的IPQAM中设置TSID，由IPQAM通过实时广播PAT表来下传TSID信息。这样机顶盒将能够通过扫描方式，探测到能够到达该机顶盒所有的IPQAM的TSID信息。机顶盒可能获得属于一个Region的多个TSID，机顶盒按照设定的规则解析TSID获得RegionID。

    NID方式：在每个非点播频点的NIT表格插入服务入口描述符，STB通过该描述符获得点播主频点信息，然后机顶盒根据点播主频点上的NIT信息，获取到的NetworkID信息即为RegionID。当无法读到描述符中的点播主频点信息或RegionID信息时，采用机顶盒存储的信息。

    3.2数据层面的结合

    经过路由选择和资源分配后，CDN的边缘视频服务器将向IPQAM输出视频流数据，根据IPQAM设备的传输特性，需要考虑合适的数据封包和码率控制。

    3.2.1数据封包

    运营商目前普遍选择的视频编码格式为MEPG2或MPEG4/H.264，这两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.视频服务器U-Server读取文件数据封装成TS包方式，加上TCP/IP包头，通过IP网络发送给IPQAM设备；

    3.IPQAM将TS数据取出调制成RF信号通过HFC网络传输；

    4.STB接收到TS数据后对其进行解码播放。

    基于RTSP协议传输的MPEG4/H264文件播放封包解包流程如下图所示：

    1.文件以Mp4/H.264文件格式存放;

    2.视频服务器U-Server读取文件，先封装成RTP格式，然后加上TS的包头，再加上TCP/IP包头，通过IP网络发送给IPQAM；

    3.IPQAM将TS数据取出调制成RF信号通过HFC网络传输；

    4.DVB解码芯片接收到TS数据后，将TS包头数据去掉，将TS的Payload信息也就是RTP数据传递给MPEG4/H264Chip；

    5.MPEG4/H264解码芯片对RTP数据信息处理，对音视频数据进行解码播放。

    3.2.2码??，因此视频服务器依靠以往在以太网上的发包策略往往会导致某个时刻发包过快，IPQAM缓存不足而OverFlow。针对这种情况，视频服务器需要对每个点播流的码流动态的进行控制，使码流尽可能平稳，而减少或消除IPQAM的OverFlow异常。码流控制算法可以从两方面入手使码流趋于平滑。

    限速控制：引入拥塞窗口机制，记录当前时间片已发送的数据量，对每个时间片内发送的数据进行限制。新的时间片到来时，拥塞窗口将被清空，从前开始累加发送的数据量。当片源某一段码流过大拥塞窗口被填满时，Server将停止发包，到下一个时间片再尝试进行发送。这样就能限制住码流的峰值，不出现剧烈的码流波动。

    加速控制：引入prebuffer机制，表示服务器在发包过程中可以提前发送的最大数据。当发送的进度超前还没有达到prebuffer指定的量时，服务器将在带宽允许的条件下尽力发送，直到进度超前达到或超过prebuffer。这样在片源码流不大时，可以多发送一些后续prebuffer范围内的数据，当码流变大时，Server降速终端的buffer也不会很快就消耗光。同时在点播启动阶段通过这种加速能缩短启动时间，提供较好的观感。

    这两种控制逻辑，限速控制是优先考虑的，只有在限速控制允许发送的前提下加速控制才有可能运作。通过这一对限速控制和加速控制算法，视频服务器就能在一定范围能使码流变化相对剧烈的片源输出码流相对平稳，趋向与CBR。

    3.3路由层面的结合

    大型VOD业务系统往往采用分布式的组网模式，可以根据业务和网络情况选择“核心－边缘”的两级组网模式或者“核心－骨干－边缘”的三级组网模式。以两级组网模式为例，各级节点分别部署如下设备：

    中心节点：部署CDN核心网元设备和中心存储，实现全局负载均衡(GSLB)、内容分发管理等；

    边缘节点：部署CDN边缘网元设备及边缘存储、IPQAM设备，实现内容缓存和就近内容服务。

    在路由层面，带有RegionID和STB标识的视频访问请求提交到头端系统后，资源管理会根据网络规划情况和QAM资源情况为其分配合适的IPQAM设备和端口，而CDN体系会分配合适节点的合适服务器向该IPQAM端口输出视频流。

    CDN系统采用GSLB?SLB的两级负载均衡模式。全局负载均衡方式为静态列表结合应用层重定向，采用这种方式可以做到为用户选择最近、最优的站点提供服务。本地负载均衡实现方式可以是基于应用，基于负载和健康状况的应用层重定向，可以为用户选择节点内最优的视频服务器（单元），向用户提供服务。

    这种全局负载均衡方式采用GSLB为入口点，用户请求均进入GSLB，GSLB的功能是根据健康状况和就近性做全局负载均衡和最优站点的选择，将用户请求重定向到骨干/边缘节点设备的SLB组件上，SLB既配合GSLB，共同提供全局负载均衡功能和站点选择，同时也负责本地的负载均衡和为用户选择最优的流媒体服务引擎的功能。SLB内部需要维护一个包括整个节点内的所有服务器负载情况和内容情况，同时SLB还需要向GSLB报告整个站点的健康状态以便于更新GSLB的动态表和应用表。

    当某个节点的视频服务器发送故障时，系统将根据既定的路由策略和网络部署情况，调度备用节点的视频服务器继续提供视频数据到原节点的IPQAM设备，用户服务将不会收到影响。

    通过对CDN网络技术和IPQAM技术的合理结合利用，广电运营商将可以在汲取IP网络先进技术的同时，充分发挥HFC网络的优势特点，打造低成本高效率的VOD传输和服务平台，提升自身核心竞争力并为广大电视用户提供更便捷的交互电视服务。