夏 勇，何 晶

（國家廣播電影電視總局廣播科學研究院 互聯(lián)網(wǎng)技術研究所，北京 100045）

1 引言

互動電視技術屬于交叉學科，它涉及網(wǎng)絡技術、視頻編解碼技術、計算機技術以及IP傳輸技術等多個技術領域?；与娨暭夹g的每一次發(fā)展和進步都是其支撐技術發(fā)展所產(chǎn)生的必然結果?；与娨暭夹g發(fā)展始于20世紀90年代，其發(fā)展進程是一個復雜的及交替上升的過程。網(wǎng)絡技術、計算機技術、視頻編解碼技術等都相繼引領了互動電視技術的發(fā)展，但是卻沒有決定其發(fā)展方向?；与娨暤陌l(fā)展過程有著深刻的信息產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展的烙印。目前，數(shù)字電視技術的成熟、三網(wǎng)融合發(fā)展以及高清電視的普及，又為互動電視發(fā)展提供了新一輪的發(fā)展契機。

微軟公司作為全球領先的軟件公司，一直致力于電視、音樂等娛樂媒體與網(wǎng)絡融合的研究。1997年8月，微軟公司收購了能夠?qū)eb在電視機上呈現(xiàn)的軟件開發(fā)商WebTV，2001年推出MicrosoftWebTVPlusand UltimateTV，并開始有計劃地開發(fā)IPTV產(chǎn)品，通過與有線電視以及內(nèi)容業(yè)者合作累積經(jīng)驗并在瑞士與Swisscom開展互動電視試運行。在2003年之后增加與美國AT&T，加拿大電信Bell Canada、英國電信 British Telecom，印度Reliance與新加坡電信等在內(nèi)的電信業(yè)者進行IPTV服務試運行及商業(yè)部署。合作者包括Tandberg，SA，Sigma Design，Motorola，Tatung，Cisico，PaceMicro 等。 2005 年與 Alcatel達成全球合作計劃，推動IPTV解決方案。2007年6月，微軟新一代互動電視平臺隆重退出，正式命名新品牌Microsoft Mediaroom。截止到2010年6月，Mediaroom全球部署用戶為500萬。

在2008年，微軟（中國）公司正式與廣電總局廣播科學研究院合作，共同針對中國廣電行業(yè)，以微軟Mediaroom技術平臺為基礎，研究適合中國有線電視行業(yè)的寬帶IP互動電視解決方案。本文結合近期對多家有線電視運營商的調(diào)研，以及對互動電視技術方案的研究，從互動電視平臺結構、部署方式、可擴展性以及技術特點四個方面進行闡述。

2 技術方案簡介

廣播科學研究院聯(lián)合微軟（中國）有限公司，共同以Mediaroom技術為基礎，提出了一套融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案。該方案作為推廣有線電視數(shù)字化的一種解決方案，充分利用現(xiàn)有廣電有線網(wǎng)絡資源，利用IP技術，通過雙向?qū)拵в芯€電視網(wǎng)，建立一套適合中國廣電特點，具有安全播出機制，可擴展、可管理、易部署的融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案。方案層次結構見圖1。

該方案由運行在通用硬件上的軟件組件構成，通過運營商的 IP網(wǎng)絡提供服務。其首要目標是向訂戶提供高質(zhì)量的視頻服務，網(wǎng)絡上的增值應用以終端設備的互聯(lián)和對數(shù)字家庭的支持為主。該方案通過為訂戶提供質(zhì)量更高、響應更快和控制更靈活的收看體驗來改善訂戶對電視節(jié)目的收看效果。

安全播出對于播出系統(tǒng)一個重要的要求，包括三個方面的內(nèi)容：節(jié)目源的安全、播出的安全以及傳輸?shù)陌踩?。本方案在設計上充分考慮了運營商對播出管理的要求，在結構上支持冗余、熱備份、頻道切換及系統(tǒng)監(jiān)視等功能。同時，廣播科學研究院聯(lián)合相關企業(yè)，研究設計基于互動電視的安全播出控制系統(tǒng)，使得互動電視能夠滿足運營商對播出安全的要求。

該技術方案是一個端到端的軟件業(yè)務平臺。無論是直播、點播、時移、增值應用全部由同一個平臺提供服務；無論是機頂盒、PC還是移動設備也都是由這個統(tǒng)一平臺來管理和分發(fā)業(yè)務。無須再整合CA、中間件、瀏覽器等模塊。能夠快速部署、各功能模塊之間緊密結合、界面清晰。運營商可以根據(jù)自身的網(wǎng)絡狀況，無論是在有管理有QoS的網(wǎng)絡、有管理但帶寬“盡力而為”的網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)固網(wǎng)或者移動網(wǎng)絡上制定部署計劃。

在設計上，該方案采用國際標準和基于標準協(xié)議的設計，避免了供應商之間的壁壘。同時，針對國內(nèi)存在多種雙向網(wǎng)接入方式的情況，在傳輸機制的設計上采用了純IP的技術體系，可以與現(xiàn)有服務提供商基礎結構集成。

1）采用可靠的UDP數(shù)據(jù)傳送方式，當客戶端發(fā)現(xiàn)丟失了部分數(shù)據(jù)包，它會向平臺要求將丟失的數(shù)據(jù)包重傳給客戶端。從而為直播傳輸質(zhì)量提供了保障。

2）在視頻編碼格式上支持傳統(tǒng)的視頻編碼格式MPEG-2與當前主流的編碼格式H.264和VC-1。

3）視頻點播體系結構具有很好的可伸縮性與開放性，不僅可以大范圍擴展視頻點播服務，還可以支持非運營商訂戶從不同終端的安全訪問。

4）提供豐富的Web Services服務接口，以便與第三方系統(tǒng)進行集成，例如，運營支持系統(tǒng)（OSS）和業(yè)務支持系統(tǒng)（BSS）。

5）與業(yè)界領先的制造商合作，開發(fā)出低成本的系統(tǒng)級芯片的芯片組，這種芯片組可以嵌入到多種電視設備中，包括機頂盒、電視機、游戲控制臺等等，使這些設備成為“可擴展網(wǎng)絡電視功能”的接收器。

6）對于增值應用開發(fā)者，利用Visual Studio開發(fā)的基于MVC的ASP.net應用，可以在包括電視機在內(nèi)的多種顯示終端上呈現(xiàn)。即使是以前為PC或者手機開發(fā)的ASP.net應用也可以順利遷移，使應用跟上需求。

7）應用平臺也提供了開放的接口，使互聯(lián)網(wǎng)視頻網(wǎng)站內(nèi)容可以順利接駁。

在內(nèi)容的管理上，該方案將視頻的獲得和傳輸從邏輯上分開來，使得內(nèi)容更容易運營和管理，并統(tǒng)一傳送。該方案可管理的內(nèi)容不僅有直播、點播、時移、錄制這些傳統(tǒng)視頻服務，還包括音樂、游戲、電視與互聯(lián)網(wǎng)結合的增強型電視節(jié)目以及互聯(lián)網(wǎng)的視頻和資訊這些新媒體。該方案定義了“服務”作為內(nèi)容的基本單元，使用統(tǒng)一的框架進行管理。內(nèi)容與傳輸?shù)乃神詈?，使得一個內(nèi)容集成前端可以對應多個不同的傳輸網(wǎng)絡，同時一個網(wǎng)絡也可以接收來自不同內(nèi)容集成前端的節(jié)目，這樣可以大大提高運營商的靈活性，符合未來節(jié)目分發(fā)平臺及內(nèi)容集成平臺的發(fā)展趨勢。

3 主要邏輯結構

該方案可分為三個邏輯計算機組（如圖2所示）：視頻后臺、分支和數(shù)據(jù)服務中心。視頻后臺負責直播、點播等視頻內(nèi)容的處理，包括加密、封裝等；分支負責服務的管理、用戶的管理、視頻及其他服務的提交；數(shù)據(jù)服務中心匯集了可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳送、可以向非運營商訂戶傳送的服務內(nèi)容。

該方案服務器軟件在物理結構上也是實現(xiàn)三層體系劃分，外圍網(wǎng)絡（包含DMZ外圍安全區(qū)域）、應用程序區(qū)域和數(shù)據(jù)區(qū)域。這種體系結構有效地保證了服務器的安全性。

1）后臺

直播后臺負責從編碼器采集直播電視服務，并通過直播獲取服務器將組播流分發(fā)到分支和終端。后臺對節(jié)目內(nèi)容進行加密、再封裝等。直播后臺包括以下計算機角色：直播獲取服務器、數(shù)據(jù)庫、控制器、直播管理接口服務器。點播后臺負責管理視頻點播節(jié)目、導入視頻點播節(jié)目和分發(fā)資產(chǎn)給分支和數(shù)據(jù)服務中心。點播后臺負責對媒資的檢查、節(jié)目的加密、封裝以及倍速流的生成等。點播后臺包括以下角色：數(shù)據(jù)庫、視頻點播控制器管理及資產(chǎn)共享、視頻點播導入和視頻點播資產(chǎn)的后臺存放。

2）分支

“分支”是一種邏輯結構，不說明物理位置。負責用戶的管理、服務的管理和服務的分發(fā)。分支和后臺是多對多關系。一個后臺可能部署到一個或n個分支；一個分支也可能連接多個后臺的視頻服務。每個分支作為一個獨立的運營實體，有它自己完整的數(shù)據(jù)庫、分發(fā)功能和服務管理子系統(tǒng)。分支之間不互相通信，每個分支的服務器數(shù)目及其特定角色配置可以不同。分支包含一個或多個服務組，服務組是承擔特定用戶服務的一組服務器，是分支中的可擴展單元。根據(jù)分支所支持的訂戶數(shù)目，一個分支可包含多個服務組。每個服務組又有它自己的獨立于分支的數(shù)據(jù)庫、分發(fā)功能和Web服務器。服務組的獨立分發(fā)功能也體現(xiàn)在一個服務組可以包括一個或多個視頻節(jié)點。視頻節(jié)點通常離最終用戶比較近，向最終用戶提供視頻服務的物理節(jié)點。其部署將根據(jù)運營商的網(wǎng)絡結構，盡可能部署到網(wǎng)絡的邊緣，有效利用網(wǎng)絡資源。

3）數(shù)據(jù)服務中心

如果說分支和服務組是運營商向有管理的用戶、有管理的終端提供服務的核心組件，數(shù)據(jù)服務中心的部署能夠?qū)⑦\營商的服務更方便地擴展到互聯(lián)網(wǎng)用戶、任意終端的服務支撐。數(shù)據(jù)服務中心可以是多個分支的超集，可提交的視頻也更加靈活并易于在互聯(lián)網(wǎng)上部署。

4 方案的可伸縮性

可伸縮性是在保證用戶服務不受影響的同時以近乎即時的方式增加（或減少）計算機及用戶規(guī)模的能力。該方案有許多特性可使其獲得高可伸縮性。

1）多層次模塊化的應用程序平臺

融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案設計為多層次平臺，每一層執(zhí)行特定功能,層相互之間單獨縮放，并且可以像積木一樣被定制出系統(tǒng)的功能。例如，可以擴展同一組軟件組件以有效地支持僅含視頻點播系統(tǒng)、電視節(jié)目系統(tǒng)或同時包含視頻點播和直播節(jié)目服務的系統(tǒng)。再比如系統(tǒng)可以只為訂戶部署核心視頻服務，包含或者完全不包含發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)服務中心。這樣的設計促進了系統(tǒng)總體可伸縮性和安全性。

2）分離音頻/視頻后臺和分支

處理電視節(jié)目和視頻點播節(jié)目的后臺與這些服務到客戶端的分發(fā)和傳送是分支在邏輯上是分離的。單個后臺系統(tǒng)可以為多個分支提供服務，一個分支也可以接納多個后臺。如果直播頻道或視頻點播節(jié)目數(shù)量增加了，則只需要縮放后臺系統(tǒng)的規(guī)模；如果客戶端數(shù)量或并發(fā)率增大，則只需要縮放分支系統(tǒng)。獲取和分發(fā)系統(tǒng)可能位于同一物理點（最大限度地降低網(wǎng)絡要求），也可能分布在整個網(wǎng)絡中（優(yōu)化訪問網(wǎng)絡）。

3）服務的分發(fā)節(jié)點

為了保證視頻服務質(zhì)量以及對帶寬的合理利用，可將視頻服務器部署在網(wǎng)絡的邊緣節(jié)點，也就是視頻服務的CDN。運營商可以根據(jù)網(wǎng)絡和用戶情況逐步將視頻服務器分發(fā)到節(jié)點。

4）視頻點播集群

該方案中視頻服務器都是以集群為最小管理單元，同一個集群之間的視頻可以動態(tài)復制。首先同一個視頻點播集群中有基于內(nèi)存和基于磁盤陣列的服務器，系統(tǒng)可以據(jù)視頻點播影片的訪問熱度來優(yōu)化設備的使用。其次訂戶觀看的視頻點播節(jié)目通常放置在高容量的視頻點播群集中，低使用率的資產(chǎn)放置在低容量的視頻點播群集中，這可讓服務提供商優(yōu)化管理和傳送視頻點播節(jié)目所需的設備總體成本。

5）服務組

服務組是服務于特定用戶的一組服務器。系統(tǒng)可以通過增加服務組來支持新增長的訂戶，并且執(zhí)行操作系統(tǒng)升級時也可以做服務的備份?？偠灾战M使得系統(tǒng)在擴容或變更的時候，用戶的服務不會中斷。

6）數(shù)據(jù)服務中心與分支節(jié)點

數(shù)據(jù)服務中心為外部訪問提供更開放的服務接口，與有管理的訂戶相比，外部用戶數(shù)量的伸縮更具有不確定性。數(shù)據(jù)服務中心的中心節(jié)點與分支節(jié)點相結合的設計，使得外部用戶數(shù)量增加或者訪問并發(fā)率增高的時候，通過簡單擴充分支節(jié)點就可以解決。

5 方案的部署方式

融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案支持靈活的部署，不僅在業(yè)務模塊上可以定制，在規(guī)模上通過集中式部署和分布式部署以滿足各種規(guī)模的部署需要。一般來說，后臺、分支中的大部分服務器、數(shù)據(jù)服務中心會部署在有線網(wǎng)絡公司的總前端，視頻節(jié)點服務器和數(shù)據(jù)服務中心會部署在有線網(wǎng)絡公司的分前端。

1）集中式參考體系結構

圖3概括了適用于該方案系統(tǒng)的集中式參考體系結構的概念。在此體系結構中，全部3個邏輯組的服務器計算機都位于1個前端機房中，如圖3所示。

2）部分分布式參考體系結構

圖4概括了適用于系統(tǒng)的分布式參考體系結構的概念。在此體系結構中，各邏輯組的服務器計算機分布在不同的物理機房。直播和點播的后臺在視頻處理中心機房；分支、服務組和數(shù)據(jù)服務中心在總前端機房；視頻節(jié)點在分前端機房；而且為外部用戶發(fā)布的公共數(shù)據(jù)將通過公共的CDN資源進行基于云計算的平臺進行分發(fā)。

6 內(nèi)容保護與系統(tǒng)安全

融合網(wǎng)絡下內(nèi)容保護、用戶的認證、系統(tǒng)的安全防范都是系統(tǒng)建設中非常重要的環(huán)節(jié)。融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案的安全體系涵蓋了內(nèi)容保護、傳輸安全和系統(tǒng)自身安全3個主要部分。

1）內(nèi)容保護

融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案集成了Microsoft數(shù)字版權管理DRM 和新一代的PlayReady，提供內(nèi)容的全面保護。無論是直播、點播、錄制，還是發(fā)布到數(shù)據(jù)服務中心的媒體，都采用了相同的機制進行保護，尤其是對于直播，密鑰的更新默認在6～8 h。為了避免內(nèi)容的翻錄，該方案也整合了CGMS-A，Macrovision和HDCP等模擬和數(shù)字輸出的翻錄控制。

2）傳輸安全

融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案在網(wǎng)絡通訊的安全設計上采用具有國際標準規(guī)范的基于公鑰的安全體系（PKI）。無論是客戶端還是服務器都安裝了通用的X.509格式證書。以證書為憑據(jù)，服務器與服務器之間、機頂盒和系統(tǒng)間都進行雙向認證。融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案不僅要檢查機頂盒的合法性，同時機頂盒也會檢查融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案的合法性。從而構建起雙方的安全通信，使得視頻密鑰和非視頻數(shù)據(jù)的安全傳輸都得到保證。

3）系統(tǒng)安全

終端只能直接訪問相關的服務器：客戶端網(wǎng)關、視頻和應用服務器以及數(shù)據(jù)服務中心，其他服務器全在保護范圍之內(nèi)，有效地解決了來自于終端的多種攻擊形式，如拒絕服務等。在融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案平臺中，服務器間的相互訪問需要彼此認證身份，微軟活動目錄（Active Directory）和證書認證起著關鍵性作用。每個服務器都具有標識其身份的證書，禁止了外來的非本系統(tǒng)的攻擊。機頂盒的安全芯片設計以及生產(chǎn)用軟件的數(shù)字簽名機制使得機頂盒的軟件不能夠有任何的篡改，保證了機頂盒自身程序的安全性。完善的監(jiān)控和管理機制也保證了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)平臺中所有服務都受到監(jiān)測，任何服務的異常都會在第一時間反饋給系統(tǒng)維護人員。系統(tǒng)架構能實現(xiàn)信號源設備、功能角色、設備端口和系統(tǒng)核心網(wǎng)之間的1+1或n+1的備份，并且通過對設備的強行停電、插拔網(wǎng)線和模擬故障等手段驗證了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)健性，備份啟動的反應時間很短，在用戶端不會造成影響。

7 方案特點分析

融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案充分利用成熟的互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議和數(shù)字化雙向網(wǎng)的抗干擾、高速率傳輸和安全的特性，引入互聯(lián)網(wǎng)的相關特性，大力提升現(xiàn)有廣電有線網(wǎng)的利用率，減少網(wǎng)絡的重復性投入，對促進三網(wǎng)融合具有重要的推動和促進意義，如圖5所示。該方案利用先進的軟件、硬件和數(shù)據(jù)傳輸機制與寬帶網(wǎng)絡的優(yōu)勢，建立高度分布式互動電視系統(tǒng)部署架構，從而保證系統(tǒng)能夠提供安全可靠的數(shù)據(jù)傳送、方便完善的系統(tǒng)支撐和平滑的系統(tǒng)擴容與升級。同時，利用第三方接口可以實現(xiàn)與播出控制系統(tǒng)進行對接，從而建立一套符合總局要求的播控系統(tǒng)，具體來說具有以下特點：

1）視頻傳輸自適應多種不同的傳輸網(wǎng)絡

該方案采用以IP協(xié)議為核心的傳輸機制，集成了微軟公司的平滑流控制（Smooth Streaming）技術，它能夠根據(jù)網(wǎng)絡結構、帶寬及服務質(zhì)量的不同，自適應地為用戶提供不同服務等級的節(jié)目流。該系統(tǒng)通過能夠偵測終端節(jié)目的網(wǎng)絡接入狀態(tài)及收集節(jié)目播出質(zhì)量，將終端信息反饋給前端服務器。服務器收到這些信息后，自動調(diào)整節(jié)目的播出碼率，以保證在不同的網(wǎng)絡狀況下，用戶都能收看到流暢的節(jié)目。

2）跨多種終端的應用開發(fā)環(huán)境

單純基于機頂盒的中間件開發(fā)應用，已經(jīng)不能適應融合網(wǎng)絡下的多種終端的需求。融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案支持基于ASP.net開發(fā)的網(wǎng)絡應用，尤其是基于MVC架構的ASP.net應用，支持多種視圖，使得一個應用可以在計算機、電視機、手機上同時顯示。

3）兼容互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務

融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的接駁提供了管理和呈現(xiàn)的接口，可以很好地兼容互聯(lián)網(wǎng)上目前主流的應用，為用戶提供良好服務體驗。即可以將互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容與電視內(nèi)容無縫結合成增強型電視節(jié)目，很好地將互聯(lián)網(wǎng)服務與電視節(jié)目內(nèi)容進行整合。互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容作為獨立的應用來展示，包括互聯(lián)網(wǎng)的搜索、視頻、音樂、圖片、社區(qū)等等。融合網(wǎng)絡寬帶IP互動電視技術方案利用Mediaroom技術已經(jīng)將Windows Live的部分內(nèi)容整合到電視上，稱為Windows Live on TV。

8 總結

在后數(shù)字化時代、三網(wǎng)融合及高清節(jié)目普及等多種元素的帶動下，互動電視技術發(fā)展及系統(tǒng)建設速度將不斷加快。目前，新媒體技術發(fā)展速度不斷加快，互動電視對新媒體支持也日趨完善。但是，新媒體形式多樣，內(nèi)容豐富，如何利用一套平臺提供多種形式的新媒體服務，將成為未來互動電視發(fā)展重點。因此在互動電視業(yè)務的規(guī)劃中，注重綜合業(yè)務的整合，充分考慮適應不同的網(wǎng)絡，支持多種終端，同時又能夠因地制宜，這樣的互動電視系統(tǒng)才具有發(fā)展的潛力。