索妮爾，楊 超，宮偉俊，王志謙

（北京郵電大學 網絡技術研究院，北京 100876）

責任編輯:薛 京

現階段，以視頻點播系統(tǒng)（Video on Demand，VOD）為代表的數字電視交互業(yè)務已經得到或正在得到部署，資源的管理和共享已凸顯的格外重要，在系統(tǒng)建設過程中由于成本及部署的合理性原因，網絡運營商極其關注視頻存儲服務器與推流服務器的部署及緩存網絡的建設[1]。很多運營商已經對VOD系統(tǒng)進行了相關部署，其中絕大部分都是基于時代華納的ISA架構。該架構對視頻服務器資源和邊緣資源等的管理沒有進行約束，導致現階段已部署的VOD系統(tǒng)不能對以上資源進行良好的管理和分配，從而致使視頻服務器資源得不到有效的利用，降低了媒資的傳播效率。同時，由于用戶對數字電視交互服務的質量要求日益增長，VOD系統(tǒng)中的視頻服務器數量不斷增多，使得VOD系統(tǒng)對視頻節(jié)目更新速度、播放實時性的支持成為檢驗一個視頻點播系統(tǒng)性能好壞的重要考慮因素。提高上述服務質量的根本方法是需要系統(tǒng)中有一個專門的視頻服務器管理模塊，并且提供一套穩(wěn)定、健壯而高效的媒體資源在推流服務器上的傳播機制。為此，本文提出基于NGOD架構的內容資源傳播管理的處理方案[2]。

1 NGOD架構

下一代視頻點播架構NGOD（Next Generation on Demand），是由美國有線電視服務商Comcast電信公司提出的一種交互式電視網絡框架結構，NGOD系統(tǒng)架構如圖1所示。與時代華納提出的ISA架構相比，該架構定義了更開放的可替換組件，這就使同一個系統(tǒng)內的不同模塊可由不同的廠商共同完成。該框架同時實現了對現有標準的兼容：架構定義的協議接口基本都是基于已有的開放標準設計擴展的，這就使得現在已部署的VOD系統(tǒng)向該架構遷移方便，也令下一步開發(fā)更具開放性[3]。

在媒資的傳播管理方面，NGOD架構中規(guī)定了媒資傳播服務器（Asset Propagation Manager，APM）這個專門管理緩存服務器資源和媒資在推流服務器上傳播的模塊和相關接口，可以實現系統(tǒng)對視頻服務器資源的科學管理和有效利用。同時NGOD中該模塊對媒資傳播服務的定義和描述，使得VOD系統(tǒng)對媒體資源在緩存服務器和推流服務器上的傳播與管理效率得到了顯著提高。

NGOD系統(tǒng)的這種功能劃分方法不僅緩解了原有的ISA系統(tǒng)中后臺管理器BO（Back Office）的壓力，能更好地處理用戶的請求和資源的管理，而且通用且開放的接口平臺使得廣電運營商對軟件供應商有了更大的選擇范圍。所以，對比起來運營商更加看好NGOD架構，并且相當一部分正在進行由ISA架構向NGOD架構的轉型。

2 NGOD架構下的媒資傳播管理方案

2.1 媒資傳播管理器（APM）

APM媒資傳播管理器是NGOD架構標準中的一個模塊，主要用于管理視頻服務器資源的狀態(tài)及內容媒資在視頻服務器上的注入、更新與刪除，將來自包括媒資管理系統(tǒng)（Asset Management System，AMS）、實時內容源（Real Time Source，RTS）在內的各種內容源的內容媒資傳送到合適的推流服務器（Streaming Servers，SS），同時管理推流服務器的狀態(tài)信息和會話建立后內容媒資在其上的傳播。這項重要的功能通常被稱為媒資的“傳播服務”[3]，圖1中灰色標記部分即為APM在系統(tǒng)中的位置。

2.2 APM主要接口和業(yè)務處理流程

2.2.1 R1接口及業(yè)務處理流程

APM與點播資源管理器（On Demand Resource Manager，ODRM）之間定義了R1接口，當有用戶點播請求時，會話管理器（Session Manager，SM）將對某個媒資的請求通過ODRM發(fā)送給APM。由APM通過R1接口向ODRM傳遞存有被請求媒資的SS的狀態(tài)，ODRM根據這些狀態(tài)信息選擇合適的SS建立會話進行推流。通過此接口，ODRM將獲得與它相連的APM管理的推流服務器的配置、狀態(tài)和資源能力信息。即APM維護一張內容媒資狀態(tài)信息表并存儲該媒資在推流服務器上的位置信息，通過R1接口將該緩存服務器的位置返回給ODRM。

2.2.2 A2接口及業(yè)務處理流程

NGOD框架中定義了A2接口用來交換AMS和APM之間的狀態(tài)信息。當AMS決定需要分發(fā)媒資時，AMS就發(fā)送媒資元數據信息到APM。元數據描述了待分發(fā)媒資的屬性特點，同時包含了決定媒資將被何時分發(fā)的相關信息。APM使用這個信息，根據媒資內容類型和預計用戶對該媒資的請求情況，來選擇合適的SS去接收該媒資。為了完成這一功能，NGOD定義了3條消息，分別是AssetStatusNotice，AssetStatusRequest和 APMStatusRequest。其中，AssetStatusNotice消息是由APM向AMS提供媒資狀態(tài)信息，AssetStatusRequest消息使AMS可以向APM請求某個指定媒資的狀態(tài)。AMS通過發(fā)送APMStatusRequest消息可以向APM請求該APM本身及其控制的SS的狀態(tài)。

2.2.3 A3接口及業(yè)務處理流程

NGOD在APM和SS之間定義了對媒資進行管理控制的A3接口，使得多個運營商的推流服務器可以通過相同的傳播服務框架被引入到VOD系統(tǒng)中。這個接口隱含了推流服務器存儲系統(tǒng)的內在實現。它可以包含多個參數，如存儲容量、接收帶寬以及是否備份內容文件到多個推流服務器中。APM通過該接口管理SS上媒資的生命周期，向SS發(fā)送指令以指示它們進行媒資的注入和刪除，動態(tài)地管理系統(tǒng)中媒資實例的數量和這些實例的位置。具體的媒資傳播服務流程如下：

1）APM通過SS發(fā)布的Discovery messages接收到一個對各SS都可用的磁盤列表。APM向SS請求每一個指定磁盤的磁盤信息作為響應，該信息詳細說明了某個磁盤的總容量、當前剩余空間以及該磁盤的狀態(tài)。

2）媒資通過一個可靠的多播（PGM）或者一個內容pull（FTP，NFS或CIFS）來進入SS。如果FTP服務器是一個SS，APM將向服務器發(fā)送“Expose Content”指令。該指令指明了媒資將被pull、傳輸協議以及pull的比特率。服務器為客戶端返回一個URL、用戶名和密碼用來獲取該媒資。如果SS缺少傳輸該媒資內容的能力，“Expose Content”請求將被駁回。

3）APM將向客戶端發(fā)送一個“Transfer Content”指令指示服務器去pull媒資。該指令指明了URL、用戶名、密碼和存儲媒資內容的磁盤?？蛻舳藨摿⒓撮_始pull媒資。

4）當媒資傳輸開始時，SS向APM發(fā)送一個“Transfer Status”指令通知它已經開始接收媒資內容。如果SS支持播放部分內容文件，SS可以發(fā)送“Transfer Status”指令來表明該媒資是可播的。這使得使用者可以播放正在直播的實時內容。

5）若媒資傳輸成功，SS向APM發(fā)送一個“Transfer Status”指令以表明傳輸成功。當APM接收到這條消息時，它將在媒資本地服務（Asset Locator Service，ALS）中生成一個入口，將該媒資實例與一個ODRM相關聯。該狀態(tài)消息指明了該媒資的大小和MD5校驗碼。APM必須將其與預期的大小和校驗碼比較從而認證該信息。如果數據錯誤，APM必須刪除該媒資內容。

6）如果媒資傳輸失敗，SS將向APM發(fā)送一個攜帶錯誤原因的“Transfer Status”指令。APM從ALA中移除該媒資與ODRM的關聯。

APM通過A3接口控制媒資內容從SS上的刪除。很多原因可以導致媒資的刪除，例如內容過期，對給定媒資需求量的下降，或者為一個熱門媒資釋放空間。當某個ODRM域內的媒資實例數為0時，APM將從ALS中刪除該媒資的入口，避免SS上的媒資播放失敗。APM向SS發(fā)送一個Delete指令來刪除媒資實例，如果SS當前正在使用該媒資，APM必須在稍后等待并重試該刪除。

3 基于NGOD架構的APM改進方案

在原有的NGOD框架中，內容媒資的存儲和動態(tài)調度這兩部分工作都是在推流服務器SS上來完成的。對于存儲管理部分，在注入媒資時，由APM根據自身維護的SS的狀態(tài)信息按照一定的算法選擇一個最合適的SS來進行媒資的存儲。當媒資內容過期或需求量下降時，再由APM控制SS刪除該媒資實例和其在ALS上的入口。對于用戶請求的動態(tài)調度，則是由ODRM在擁有某個被請求媒資的所有SS中選擇最合適的一個SS進行推流。即在管轄范圍相同時，APM與ODRM會共用一些SS的狀態(tài)信息。這樣就會出現2個問題：1）在APM向ODRM提交了SS的候選列表之后，APM又收到了來自AMS的指令，完成了對內容媒資的注入或刪除，并進行了SS狀態(tài)的即時更新，而此時ODRM還未選好SS完成一次推流，這就導致ODRM選出的SS可能已經不是最優(yōu)的SS或被請求的內容媒資在該SS上已經更改或刪除；2）由于ODRM選擇了某個SS進行推流，它必須為推流進行前期準備，例如與SS通信通知其推流的起止信息，這些交互與通信都要消耗SS的資源，降低SS的響應速度，而此時APM并不知道該SS的這類狀態(tài)變化，若此時AMS需要APM選擇SS進行媒資注入，就可能會選中負載較重的準備推流的SS。為了減少這種情況的出現，計劃采用媒資存儲與動態(tài)調度相分離的策略，即由ODRM管理SS的狀態(tài)信息，進行SS的動態(tài)調度。而APM負責媒資的注入和刪除，將媒資存儲在專門的緩存服務器（Cache Server，CS）上，當有用戶請求某個媒資時，APM根據一定算法將擁有該媒資狀態(tài)的最優(yōu)CS上報給ODRM，ODRM根據上報來的CS選擇狀態(tài)最優(yōu)的SS獲取該媒資內容，最終完成推流。這種將存儲與調度相分離的策略可以讓APM和ODRM按照各自的算法分別選擇負載與位置較合適的視頻服務器媒資存儲與內容響應，大大減少了因共用視頻服務器產生的狀態(tài)信息獲取不及時，從而導致媒資管理效率下降的問題，很大程度提高了內容在系統(tǒng)中的傳播速率，也使得用戶的視頻點播請求能更快地得到響應。

4 方案驗證

本次方案驗證采用Dell PowEdge 2950：IntelXeon 51101.6 GHz CPU×2；433內存；2×146 Gbyte硬盤；4口10／100／1000 Mbit/s網卡。軟件配置：Ubuntu Linux 11.10，Tomcat。

編寫測試程序測試傳統(tǒng)方案和改進方案的性能，程序的輸出結果如圖2所示，測試過程是原始方案和改進方案對比的過程，測試中的參數為系統(tǒng)并發(fā)任務數。測試和分析該參數變化的不同情況下產生的不同結果。

驗證過程中將系統(tǒng)中的并發(fā)任務數逐漸增加，從256，512一直增加到15360，可以看出并發(fā)處理時間隨著任務數的增大一直緩慢增大，并且新方案增大的幅度明顯小于原始方案。另外，處理相同任務數的情況下，系統(tǒng)對改進方案模型的響應時間也小于原始方案模型的處理結果。但是當任務數增大到15000以上時，改進方案模型達到了極限，處理時間明顯急劇增大。綜上可以得出改進后的模型確實對媒資傳播處理能力方面有所提高，但也存在處理任務數目的瓶頸，該方案還可以繼續(xù)改進。

5 結束語

在NGOD架構數字電視點播系統(tǒng)中利用媒資傳播管理器（APM）對內容媒資進行管理和傳播，研究并改進流媒體內容媒資管理與分配機制，能更好地處理用戶的請求和資源的管理，實現了對內容資源更方便高效的管理和傳播，適應了三網融合、三屏融合的業(yè)務需求，為其提供可用的服務設施，為系統(tǒng)的特性加強和擴展做好了準備。

[1]鄭鵬思，王宏紅.分布式VOD系統(tǒng)資源部署的研究[J].中國有線電視，2011（2）：130-133.

[2]ALMEIDA J M，EAGER D L，VERNON M K，et al.Minimizing delivery cost in scalable streaming content distribution systems[J].IEEE Trans.Multimedia，2004，6（2）：356-365.

[3]Comcast.Next generation on demand video architecture——request for information[S].2006.