電信級視頻點播系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要:視頻點播服務是一種新的信息服務。作為信息服務運營商，電信需要構建電信級的視頻點播系統(tǒng)以便有效提供電信級視頻點播服務。針對電信級視頻點播服務的設計需求，本文提出了一個電信級視頻點播層次型分布式系統(tǒng)架構，并在該架構下，整合視頻服務子系統(tǒng)、容錯子系統(tǒng)、節(jié)目管理子系統(tǒng)、節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)、節(jié)目采編子系統(tǒng)、用戶認證計費系統(tǒng)和網(wǎng)管子系統(tǒng)等七大功能系統(tǒng)，完整地實現(xiàn)了一個電信級視頻點播系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了城域范圍內(nèi)的視頻點播服務。

關鍵詞:視頻點播;視頻服務;視頻組播;負載均衡

中圖分類號:TP309文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-6822-03

Design and Implementation for A Video on Demand System for WAN

LIU Ling-hui

(Fujian Star-Net Communication Stock Ltd，F(xiàn)uzhou350002， China)

Abstract: The value-added service of Video-On-Demand is a new information service. As a operator of information service， The telecom company need to construct a video-on-demand system for WAN network to provide the service. Based on the the design requirement， this paperproposes a distribution system architecture of Video-On-Demand system with different layers. Under this architecture， this paper implement a integrated video-on-demand system for WAN ，which with seven sub-systems of video service， fault tolerance， program management ， program distribution ， program editing， user authorization and billing， network management. Finally， a video-on-demand system for WAN is implemented.

Key words: video-on-demand; video service; video multicasting; load balancing

視頻點播業(yè)務則是目前多媒體應用中最受關注的應用之一，它廣泛的應用于娛樂、教育、通信和計算機工業(yè)，并最終為廣大用戶所接受，成為他們的生活與工作中作中娛樂和獲取信息服務的最重要的形式[1]。與此同時，作為信息服務運營商，電信亟需搭建一個電信級的視頻點播系統(tǒng)平臺，以便在城域網(wǎng)范圍內(nèi)有效提供視頻點播服務，從而滿足廣大用戶的信息服務需求。

本文深入分析了構建電信級視頻點播系統(tǒng)的設計需求，提出了一個電信級視頻點播層次型分布式系統(tǒng)架構，并在該架構下，整合視頻服務子系統(tǒng)、容錯子系統(tǒng)、節(jié)目管理子系統(tǒng)、節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)、節(jié)目采編子系統(tǒng)、用戶認證計費系統(tǒng)和網(wǎng)管子系統(tǒng)等七大功能系統(tǒng)，完整地實現(xiàn)了一個電信級視頻點播系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了城域范圍內(nèi)的視頻點播服務。

1 電信級視頻點播系統(tǒng)架構

1.1 電信級視頻點播系統(tǒng)平臺設計需求

為了滿足的，電信級視頻點播系統(tǒng)平臺需要滿足以下設計需求:

1) 靈活性，電信視頻點播服務是電信所提供的一種信息服務，考慮到電信作為信息服務運營商的業(yè)務特點，系統(tǒng)應該具有高度的靈活性，應該能夠快速更改現(xiàn)有的業(yè)務規(guī)則，大幅提高其競爭力;

2) 可擴展性，視頻點播系統(tǒng)應該能夠在數(shù)據(jù)、業(yè)務、服務三個級別上任意擴展，并且能夠滿足未來業(yè)務發(fā)展的需要;

3) 先進性，視頻點播系統(tǒng)必須采用業(yè)界領先的技術和體系結構，確保系統(tǒng)的先進性;

4) 開放性，視頻點播系統(tǒng)必須全面遵循各種國際標準，尤其是Internet標準，以便能夠與現(xiàn)有系統(tǒng)進行完美的銜接與互操作。

5) 可組裝性，視頻點播系統(tǒng)各功能模塊之間保持松耦合聯(lián)系，多數(shù)模塊可以獨立安裝和運行。

1.2 電信級視頻點播分布式系統(tǒng)結構

由于電信級視頻點播系統(tǒng)在電信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡上提供城域范圍內(nèi)的視頻點播服務。為保障視頻點播服務質(zhì)量，同時均衡視頻點播負載[2-5]，電信級視頻點播系統(tǒng)將采用兩級架構的松耦合分布式體系結構，在城域范圍內(nèi)設置唯一的一個視頻點播服務中心結點和若干個視頻點播服務分中心結點，中心結點負責全局的節(jié)目管理、節(jié)目分發(fā)、用戶計費和認證、節(jié)目采編以及網(wǎng)管，對分中心結點缺乏的視頻節(jié)目提供視頻點播補充服務。分中心結點應配置負責本地的視頻服務、節(jié)目管理、用戶計費和認證、以及網(wǎng)絡管理等。

完整的電信級視頻點播系統(tǒng)內(nèi)部結構如圖1所示。

在該系統(tǒng)結構下，用戶端的機頂盒向視頻服務器發(fā)出視頻點播請求，視頻服務器先通過用戶管理系統(tǒng)進行用戶認證，再調(diào)用本地節(jié)目管理系統(tǒng)的接口確定用戶所點播的節(jié)目位置，如果本地存在該節(jié)目，視頻服務器將直接提供視頻流;如果該節(jié)目不在本地，視頻服務器將調(diào)用中心節(jié)目管理系統(tǒng)的接口確定與用戶最近的可用服務節(jié)點，將點播請求重定向到該節(jié)點，由該節(jié)點向機頂盒提供視頻流，并將該節(jié)目向中心的節(jié)目分發(fā)系統(tǒng)登記。在本次點播完成后，視頻服務器將進行計費等處理。

2 電信級視頻點播系統(tǒng)功能設計

為完成城域范圍內(nèi)的視頻點播服務，電信級視頻點播系統(tǒng)主要包括七個子系統(tǒng):視頻服務子系統(tǒng)、容錯子系統(tǒng)、節(jié)目管理子系統(tǒng)、節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)、節(jié)目采編子系統(tǒng)、用戶認證計費系統(tǒng)和網(wǎng)管子系統(tǒng)。各個子系統(tǒng)分別完成特定的功能，接下來將分別加以闡述。

2.1 視頻服務子系統(tǒng)

視頻服務子系統(tǒng)是核心子系統(tǒng)，主要完成視頻點播功能、視頻組播功能、負載平衡功能和狀態(tài)管理和監(jiān)控功能。

作為核心子系統(tǒng)，為了有效實現(xiàn)上述功能， 視頻服務子系統(tǒng)保持與其它子系統(tǒng)間的實時通訊，一方面，它向容錯子系統(tǒng)報告本子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并在子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時接受容錯子系統(tǒng)的控制而進行熱切換;另一方面，調(diào)用節(jié)目管理子系統(tǒng)提供的函數(shù)接口，查詢節(jié)目信息、相關服務器信息以及其他相關操作等;同時，對點播中本地不存在的節(jié)目，視頻服務子系統(tǒng)將調(diào)用節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)提供的接口登記到節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)，由節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)根據(jù)分發(fā)策略進行分發(fā);此外，調(diào)用用戶認證計費子系統(tǒng)提供的函數(shù)接口，進行點播計費信息管理;視頻服務子系統(tǒng)還調(diào)用網(wǎng)絡管理子系統(tǒng)的接口，進行系統(tǒng)維護和管理功能等。

視頻服務器是視頻服務子系統(tǒng)的重要基礎設施，在電信級視頻點播系統(tǒng)中，視頻服務器分為主控服務器、備份服務器和播放服務器三種。

播放服務器的作用主要為管理本機的視頻節(jié)目信息，提供視頻點播服務。其播放服務是在主控服務器控制下進行的，同時播放服務器還要向主控服務器報告其運行狀態(tài)。

主控服務器的作用為管理整個分中心的視頻子系統(tǒng)，所有本地VOD客戶的視頻點播請求均發(fā)送給主控服務器，然后由主控服務器根據(jù)本地各視頻服務的負載情況進行負載平衡;在保證管理功能和性能的情況下，主控服務器同時還可以提供點播服務。

備份服務器與容錯子系統(tǒng)通訊，監(jiān)視主控服務器的狀態(tài)，在主控服務器出現(xiàn)故障時進行熱切換而成為系統(tǒng)的主控服務器;備份服務器同時也可以提供點播服務。

另外，為保證電信級的可靠性，視頻服務子系統(tǒng)采用N+1的組網(wǎng)方式，即采用一臺主控服務器+一臺備份服務器+多臺播放服務器+磁盤陣列的方式。圖2中給出了視頻服務子系統(tǒng)的結構圖。

2.2 容錯子系統(tǒng)

為保證電信級的可靠性，容錯子系統(tǒng)同時運行在主控服務器和備份服務器，并獨立于視頻服務子系統(tǒng)而存在。

容錯子系統(tǒng)采用三種機制:1)私有IP和浮動IP相結合來確定主控服務器;2)區(qū)別于視頻流的硬件獨立網(wǎng)絡通道;3)心跳檢測和基準判斷相結合來確定系統(tǒng)故障。

容錯子系統(tǒng)運行時，首先在配置表中為主控服務器和備份服務器分別設置各自的私有IP，并保存公有IP、基準IP和對方的私有IP;容錯子系統(tǒng)在啟動時通過私有IP和對方通訊，確定系統(tǒng)的主控服務器，并對主控服務器設置一個浮動IP作為公有IP，以此公有IP對本系統(tǒng)提供視頻服務和其他服務;在運行時容錯子系統(tǒng)通過私有IP檢測對方的“心跳”，一旦發(fā)現(xiàn)和對方通訊出現(xiàn)故障，立即通過作為基準的第三方(如交換機)來判斷自己是否正常，并進行相應的熱切和告警;在進行熱切時，容錯子系統(tǒng)中止主控服務程序的運行(停止公有IP的服務)，并為備份服務器設置公有IP，然后通知備份服務器切換為主控服務器。

2.3 節(jié)目管理子系統(tǒng)

節(jié)目管理子系統(tǒng)的主要功能有:

1) 完成視頻節(jié)目的存儲管理功能;

2) 本地和全局服務器的負載信息管理;

3) 向視頻服務子系統(tǒng)提供節(jié)目檢索接口;

4) 向節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)提供排行榜和節(jié)目存儲的接口;

5) 提供本地和全局的節(jié)目定位引擎，在視頻服務子系統(tǒng)的控制下，結合服務器的負載信息，共同完成視頻流的本地和全局負載平衡。

2.4 節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)

節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)獨立運行于中結點和各分中心結點，既是服務器又是客戶端，它主要完成節(jié)目的分發(fā)管理功能，具有如下特點:

1) 可設定內(nèi)容分發(fā)的時間表，可按固定的時間點和周期性的時間點執(zhí)行分發(fā)任務，也可手工方式臨時執(zhí)行一個內(nèi)容分發(fā)任務;

2) 可定義內(nèi)容分發(fā)的策略，分為分發(fā)源和分發(fā)目的地的定義，分發(fā)源的定義包括了分發(fā)服務器和分發(fā)對象，分發(fā)對象可按分類統(tǒng)計的結果設定，也可手工方式設定分發(fā)對象。定義分發(fā)目的地主要是設定分發(fā)的目標設備和存儲目錄;

3) 可設定內(nèi)容分發(fā)的傳輸速率以便有效利用網(wǎng)絡帶寬但又盡可能減少對網(wǎng)絡的干擾與沖擊，可根據(jù)分發(fā)服務器磁盤I/O情況、視頻服務器占用帶寬情況動態(tài)制訂分發(fā)帶寬;

4) 支持分發(fā)節(jié)目斷點續(xù)傳;

5) 可根據(jù)點播排行榜，設置排第幾名之前的節(jié)目自動發(fā)送到各分中心，而排行榜末尾的內(nèi)容根據(jù)磁盤容量自動清除的策略。

2.5 節(jié)目采編子系統(tǒng)

視頻采編子系統(tǒng)主要分為三大功能，基于硬件電視卡的直播和錄制功能，基于MPEG的視頻再加工功能，以及節(jié)目的轉換和合并功能。其中，基于硬件電視卡的直播和錄制功能主要是對直播節(jié)目的自動定時錄制和自動發(fā)布功能，即用戶只需要定義好節(jié)目錄制的起、止時間點，并定義好編碼通道，以及點播服務器的IP地址和節(jié)目存儲，即可以實現(xiàn)自動直播并錄制。當節(jié)目錄制完成后，可以利用內(nèi)容分發(fā)子系統(tǒng)自動上傳到點播服務器，并自動生成點播頁面，供用戶進行訪問。基于MPEG的視頻再加工功能主要是生成快進視頻文件和快進索引文件、快退視頻文件和快退索引文件、時間索引文件等相關信息。

2.6 用戶認證計費子系統(tǒng)

用戶認證計費子系統(tǒng)包括用戶管理、用戶認證、用戶計費、以及基于WEB的用戶自助終端。

2.7 網(wǎng)管子系統(tǒng)

網(wǎng)管子系統(tǒng)包括故障管理、性能管理、操作維護及安全管理功能、配置和清單管理以及安全和日志管理。

故障管理包括以下功能:實時告警和事件監(jiān)視;用戶可定制的告警和事件監(jiān)視器;故障診斷和定位;自動告警和事件抑制、告警相關性分析;告警確認和手工清除;告警過濾和嚴重性等級重定義;性能越門限告警(TCA);事件和歷史告警管理;告警和事件統(tǒng)計。

性能管理包括以下功能:一個或多個視頻服務器的實時性能監(jiān)控;基于用戶的實時流跟蹤;性能門限管理;性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)管理;網(wǎng)元以及網(wǎng)絡級的性能統(tǒng)計、性能趨勢分析和網(wǎng)絡優(yōu)化建議。

操作維護及安全管理功能包括以下功能:端到端的實時流跟蹤;業(yè)務控制和過載保護;用戶鑒別;操作認證;用戶視圖定制。

配置和清單管理包括以下功能:視頻服務器控制操作;視頻服務器設備管理;視頻服務器自動發(fā)現(xiàn);配置數(shù)據(jù)導入和導出。

安全和日志管理包括以下功能:系統(tǒng)日志和用戶操作日志;日志控制和控制策略定義;日志備份。

3 電信級視頻點播試驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

遵循電信級視頻點播層次型分布式系統(tǒng)架構，涵蓋視頻服務子系統(tǒng)、容錯子系統(tǒng)、節(jié)目管理子系統(tǒng)、節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)、節(jié)目采編子系統(tǒng)、用戶認證計費系統(tǒng)和網(wǎng)管子系統(tǒng)等七大功能系統(tǒng)，我們實現(xiàn)了一個電信級視頻點播試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)已于福建電信合作，以分布式結構，應用于福州市40余家酒店客房的點播系統(tǒng)，基于VCD和DVD質(zhì)量的電影的點播，用戶數(shù)達7000點以上，并發(fā)流根據(jù)入駐率和同時點播的數(shù)量統(tǒng)計，約有1000個并發(fā)數(shù)以上，在試運營的過程中，視頻點播服務質(zhì)量達到實際使用標準，用戶反映良好。

4 結束語

視頻點播服務是一種正在飛速發(fā)展的新型信息服務。電信級視頻點播系統(tǒng)需要在城域網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量的視頻點播服務，實現(xiàn)難度較大。為此，我們提出了一個電信級視頻點播層次型分布式系統(tǒng)架構，并在該架構下，整合視頻服務子系統(tǒng)、容錯子系統(tǒng)、節(jié)目管理子系統(tǒng)、節(jié)目分發(fā)子系統(tǒng)、節(jié)目采編子系統(tǒng)、用戶認證計費系統(tǒng)和網(wǎng)管子系統(tǒng)等七大功能系統(tǒng)，搭建并實現(xiàn)了一個電信級視頻點播試驗系統(tǒng)。

參考文獻:

[1] 妙蘭芳.交互式視頻技術及其應用[J].微機發(fā)展，2001，(6):17-21.

[2] 佘新平.視頻點播(VOD)系統(tǒng)的關鍵技術[J].電信快報，2001(6):24-25.

[3] 劉衡竹，胡衡江，陳福接.VOD服務器設計的支撐技術[J].計算機工程與科學，1999，(3):19-23.

[4] S.E.Dubner.R.Gallagher. P.A.Schulz.Collection-distribution network for a metropolitan area optical network testbed. Optical Fiber Communication onference and Exhibit， 2002. OFC 2002 17-22 March 2002 Page(s): 440-442.

[5] C.D.Cranor， M.Green， C.Kalmanek， D.Shur， S.Sibal， J.E.VanderMerwe， C.J.Sreenan.Enhanced streaming services in a content distribution network Internet Computing， IEEE Volume 5， Issue 4， July-Aug. 2001 Page(s): 66-75.