IPTV系統設計方案淺析

蔣 杰

（上海大學通信與信息工程學院，上海 200444）

1 引言

自2005年，國內首張IPTV牌照由廣電總局頒發后，IPTV業務已在全國各大省份和運營商網絡中落地。隨著ITU-R BT.2020對8K/4K超高清的標準定義[1]，以IPTV為代表的互聯網電視預計將迎來更快速的發展。

本文介紹的IPTV系統設計方案，從全面宏觀的角度，對IPTV設計階段中所需考慮的系統架構和業務模型進行系統性分析和介紹，以期為新建IPTV系統或類似視頻業務平臺提供參考和借鑒。

2 IPTV系統的架構設計方案

IPTV系統主要可分為IPTV業務平臺和CDN網絡。IPTV業務平臺完成所有業務邏輯相關的功能實現，主要有內容管理、業務管理、導航頁面管理和終端管理等功能。CDN網絡完成IPTV終端請求的流媒體服務相關的功能實現，主要有請求調度功能和流媒體服務功能[2]。較為典型的IPTV系統架構圖如圖1所示。

圖1 IPTV系統架構圖

2.1 IPTV業務平臺設計要求

IPTV業務平臺是整個IPTV系統的業務核心，一般由內容管理模塊、業務管理模塊、門戶管理模塊和終端管理模塊組成。隨著互聯網業務的發展，支付、社交、游戲等增值功能也都在業務平臺中。

2.1.1 平臺功能設計要求

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

（2）業務管理模塊：業務管理模塊主要完成對IPTV平臺中用戶-產品-訂購關系這三項主要業務屬性進行管理和維護，包括用戶賬號的開/銷戶管理、產品包的增刪改，以及由用戶-產品包關聯產生的訂購關系進行維護和認證鑒權查詢。所謂產品包是指將單個內容資源或多個內容資源進行邏輯組合，并定義為產品邏輯，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、展現和業務邏輯觸發反饋。門戶頁面又稱為EPG，是IPTV業務中人機交互的主要入口。用戶選擇播放內容、訂購關系鑒權、支付確認、反饋播放地址等一系列實現IPTV業務使用的流程環節均由門戶頁面實現。

（4）終端管理模塊：終端管理模塊主要實現

對終端的合法性管理、版本一致性維護和服務質量監測等功能。包括終端的入網注冊、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質量數據等。

2.1.2 平臺功能組網要求

IPTV業務平臺是整個IPTV的運營和管理核心，設計中應重點考慮節點規劃和網絡規劃。

（1）節點規劃。容災性和可擴展性是IPTV業務平臺節點規劃的關鍵點。由于整個IPTV的內容資源、業務數據和請求邏輯的執行都依賴業務平臺，故容災性不僅僅需考慮備份功能，也應實現高可用性，故分布式部署是比較合適的選擇。但同時應考慮到內容資源和業務數據在分布式節點上重復存儲和數據同步問題，過多的節點雖然容災性得到了保障，但存儲資源將存在嚴重浪費，頻繁改寫的業務數據在節點之間的同步邏輯也將異常復雜。因此，IPTV業務平臺作者認為部署為2～3個分布式節點是比較適合的方案。因為類似IPTV業務平臺這種核心級的平臺在部署中，一般都會對全部內部組件考慮本地的容災機制，例如出口交換機的雙機主備、數據庫的主備庫、服務器的集群的N：n的等，因此2～3個節點的容災能力理論上已足以達到運營商級的最高等級安全性要求。同時，2～3個節點之間的數據同步邏輯相對簡單，同步效率也能得到保障。

為保證2～3個節點的IPTV業務平臺能滿足長期的業務發展需求，各節點機房的預留機架資源，纜線管道資源，電力資源和空調資源均應考慮較長周期的潛在擴容需求。

（2）網絡規劃。在IPTV業務流程中，終端的門戶訪問、身份認證請求、使用鑒權請求等都需直接訪問IPTV業務平臺。因此，IPTV業務平臺的網絡特征是高頻次、高并發、低延時、短連接和小流量。結合訪問終端是分布在整個網絡中、且業務平臺的節點數較少這兩點因素，建議IPTV業務平臺的節點部署在整個IP承載網絡的骨干層、業務平臺的分布式節點之間均通過骨干層的高質量傳輸通道予以互聯，使節點之間可高效同步內容資源和業務數據，確保各IPTV業務平臺節點均具有災難情況下對外提供完整服務功能的容災能力。

2.2 CDN網絡設計要求

CDN網絡是整個IPTV系統的基礎能力，承擔IPTV中的所有類型音視頻業務的流媒體服務，一般由調度中心、內容中心和邊緣服務節點組成。CDN的基本作用是通過分布在IPTV用戶接入網的邊緣服務節點，以最短的網絡傳輸距離為IPTV終端提供所請求的內容資源，減少帶寬擁塞和傳輸劣化情況出現的可能性，保障IPTV終端的播放效果[3]。

2.2.1 調度中心設計要求

CDN中的調度中心主要承擔IPTV終端請求的調度功能，根據終端的網絡位置，將請求調度至距終端網絡距離最新的邊緣服務節點或根據請求內容調度至內容中心節點。

調度中心的節點規劃一般建議為2個，互為主備；網絡規劃則建議部署在IP承載網的骨干層，滿足全網用戶的請求可用性。

2.2.2 內容中心設計要求

CDN中的內容中心主要承擔IPTV內容資源的長/短期緩存、內容資源預分發至邊緣服務器節點及為邊緣服務節點提供回源服務。CDN的內容中心與IPTV業務平臺的內容管理模塊的功能差異主要在內容資源的運營環節不同。業務平臺的內容管理模塊是內容資源的制作、審核和運營狀態的管理；而CDN內容中心是將處于上線運營狀態的內容資源從IPTV業務平臺分發到邊緣服務節點，支撐用戶的播放請求。

內容中心的節點規劃可根據邊緣服務節點的分布區域、節點數量進行設計。例如省級IPTV系統的業務初期，可在省會規劃一至數個內容中心，根據各地市的邊緣服務節點數量，每個內容中心可下轄一個或多個地市級邊緣服務節點，為它們提供內容資源的分發和回源服務。

內容中心的網絡規劃一般建議部署在IP承載網的匯聚層，便于規劃與骨干層的業務平臺和接入層的邊緣服務節點之間合理的傳輸路由。

2.2.3 邊緣服務節點設計要求

CDN中的邊緣服務節點主要承擔為IPTV終端提供流媒體播放功能。播放所需的內容資源由上級內容中心通過預注入模式或邊緣節點按需回源模式獲取。內容資源可根據緩存策略存儲及淘汰。

邊緣服務節點的規劃可根據IPTV用戶數和業務模型來測算節點總量和單節點的能力。單節點的能力主要根據用戶分布和運營支撐資源來評估。單點能力大，節點總量少，資源利用率高，但網絡覆蓋不夠精準；單點能力小，節點總量大，網絡覆蓋精準，但運維壓力大。

邊緣服務節點的網絡規劃則建議部署在IP承載網的接入層，便于就近響應IPTV終端的播放請求。

3 IPTV業務模型設計

IPTV系統的業務模型參數主要由峰值并發率、業務功能使用率、服務響應率和內容緩存率構成。

（1）峰值并發率，評估所有IPTV終端同時上線的概率。業務初期，該數值可設定為20%。

（2）業務功能使用率，評估IPTV不同業務類型被使用的概率。因不同的業務類型可能由不同的功能組件服務，通過該使用率可將性能需求指向對應的能力系統。IPTV業務一般可分為直播、點播、回看這三類。業務初期，該數值可設定為40%、30%、30%。

（3）服務響應率，評估邊緣服務節點和內容中心響應用戶播放請求的比例。邊緣服務節點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由內容中心響應，這樣可減少資源分發和淘汰的復雜度。業務初期，該數值可設定為邊緣服務節點響應80%，內容中心節點響應20%。

（4）內容緩存率，評估邊緣服務節點的緩存容量需求。由于服務響應率和資源比例在視頻業務中根據“二八原則”有一定的對應關系，10%的資源總量約可響應50%的服務請求，20%資源總量約可響應80%服務請求，50%資源總量約可響應90%服務請求。故當服務響應率確定后，節點的緩存容量需求也可評估。

綜上，根據上述業務模型，IPTV系統相關節點的服務器配置、網絡帶寬需求、存儲容量配置都可計算出準確的需求規模。

4 結束語

本文全面闡述了IPTV系統設計過程中需考慮架構設計、節點規劃、網絡規劃和業務模型，并對目標架構、節點設置、網絡選點和模型數值均提出建議值，可對新建IPTV系統或各類視頻業務系統的項目設計提供參考和借鑒。