李 超，劉怡俊

（廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

基于NGOD架構(gòu)的VOD系統(tǒng)邊緣設(shè)備接口設(shè)計(jì)

李 超，劉怡俊

（廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

為方便數(shù)字電視設(shè)備商能夠開發(fā)出滿足互動(dòng)服務(wù)中邊緣資源管理系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于NGOD架構(gòu)的對(duì)邊緣資源注冊(cè)監(jiān)控與管理分配的接口。邊緣設(shè)備通過(guò)該接口與ERM交互，使VOD系統(tǒng)中的邊緣資源可以得到合理高效的使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用D6，R6接口的EdgeQAM能夠順利掛載在廣東省網(wǎng)高清互動(dòng)平臺(tái)。

NGOD架構(gòu)；D6接口；R6接口；EdgeQAM；RTSP

隨著中國(guó)有線數(shù)字電視接入用戶和高清互動(dòng)業(yè)務(wù)的高速增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)規(guī)模的急劇擴(kuò)大，使得邊緣設(shè)備數(shù)量不斷增加，對(duì)邊緣設(shè)備的使用也日趨復(fù)雜[1]。由美國(guó)Comcast公司提出的開放式標(biāo)準(zhǔn)化視頻架構(gòu)NGOD（Next Generation on Demand）[2-3]已經(jīng)被國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的廣電運(yùn)營(yíng)商采用，數(shù)字電視前端設(shè)備支持標(biāo)準(zhǔn)化視頻架構(gòu)成為國(guó)內(nèi)設(shè)備商急需解決的問(wèn)題。國(guó)外數(shù)字電視設(shè)備供應(yīng)商美國(guó)哈雷公司（Harmonic Inc）NSG系列EdgeQAM平臺(tái)和思科系統(tǒng)公司（Cisco Systems Inc）IPQAM設(shè)備都支持NGOD架構(gòu)[4-5]。國(guó)內(nèi)數(shù)字電視業(yè)務(wù)起步晚，只有數(shù)碼視訊等少數(shù)幾家設(shè)備商支持NGOD架構(gòu)。為此，筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于NGOD架構(gòu)的D6，R6接口，為設(shè)備商的邊緣設(shè)備接入NGOD平臺(tái)提供了較高的參考價(jià)值。

1NGOD架構(gòu)

新一代視頻點(diǎn)播服務(wù)的基本架構(gòu)NGOD是由有線電視服務(wù)商美國(guó)康卡斯特電信公司（Comcast Corp.）提出的一種網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)，已經(jīng)逐漸取代ISA架構(gòu)。為滿足不斷更新的視頻業(yè)務(wù)的部署需求，NGOD采用模塊化、靈活性、可擴(kuò)展性的視頻架構(gòu)以支持多種業(yè)務(wù)。NGOD架構(gòu)中，采用ERM來(lái)實(shí)現(xiàn)邊緣資源的管理和分配。ERM的邏輯功能分為設(shè)備發(fā)現(xiàn)功能和資源管理功能，D6接口[6]用于動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)邊緣設(shè)備，R6接口[7]用于邊緣資源的分配和回收，兩者相互獨(dú)立，同時(shí)，R6接口和邊緣設(shè)備通信前，需要從D6接口來(lái)收集自己管理的資源信息。如圖1所示為NGOD架構(gòu)中的邊緣組件架構(gòu)圖。

本文的工作重心為NGOD架構(gòu)下EdgeQAM端D6、R6接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 D6接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

D6接口是基于VREP（Video Registration Protocol）協(xié)議（在TRIP協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展）實(shí)現(xiàn)的。VREP協(xié)議基于底層TCP/IP提供可靠傳輸，包括OPEN消息、UPDATE消息、NOTIFICATION消息和KEEPALIVE消息4種。交互時(shí)序圖文獻(xiàn)[8]已有明確說(shuō)明，當(dāng)連接處于已建立狀態(tài)時(shí)，D6客戶端通過(guò)UPDATE消息向管理自己的唯一ERM注冊(cè)，主要包括每個(gè)QAM通道的屬性以及邊緣設(shè)備相關(guān)參數(shù)。

2.1 客戶端D6接口的功能模塊圖

D6接口的客戶端程序主要包括主流程模塊、組包模塊、解包模塊、定時(shí)器模塊、狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊、事件模塊、與EdgeQAM主板軟件NGOD進(jìn)程的通信模塊。D6客戶端功能模塊如圖2所示。

主程序模塊主要負(fù)責(zé)與ERM建立連接，與其交互，并對(duì)相關(guān)異常進(jìn)行處理。組包模塊負(fù)責(zé)OPEN消息、UPDATE消息、NOTIFICATION消息、KEEPALIVE消息的組包。解包模塊則為除UPDATE之外的其他消息提供解析函數(shù)。定時(shí)器模塊包括重連定時(shí)器、保持定時(shí)器和心跳連接定時(shí)器，定時(shí)器的功能各不相同，但一般保持定時(shí)器hold time的時(shí)間是心跳連接定時(shí)器的3倍，也就是連續(xù)3次發(fā)送KEEPALIVE消息仍收不到回復(fù)，那么hold time超時(shí)，需要斷開連接。狀態(tài)模塊包括空閑、連接、激活、OPEN已發(fā)送、OPEN確認(rèn)和已建立6種狀態(tài)。事件模塊包括起始、終止、TCP異常、定時(shí)器超時(shí)、收包等12種事件。其中，收到消息、定時(shí)器超時(shí)等會(huì)觸發(fā)相應(yīng)事件，事件的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。自定義的通信模塊主要是與EdgeQAM的主板軟件NGOD進(jìn)程之間通信。

2.2 客戶端D6接口的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

程序?qū)崿F(xiàn)采用有限狀態(tài)機(jī)方式編程，如圖3所示，VREP會(huì)話共有6種狀態(tài)。在IDLE狀態(tài)下，當(dāng)一個(gè)開始事件（IE1來(lái)自系統(tǒng)或者操作員）出現(xiàn)時(shí)，初始化所有的VREP資源，打開重連定時(shí)器，初始化到ERM的連接，轉(zhuǎn)換到CONNECT狀態(tài)，其他事件發(fā)生則保持IDLE狀態(tài)不變。在CONNECT狀態(tài)下，如果TCP連接成功（IE3），則發(fā)送OPEN消息給ERM，設(shè)置定時(shí)器的值，并轉(zhuǎn)移狀態(tài)為OPENSENT；若TCP連接建立失?。↖E5），則轉(zhuǎn)移到ACTIVE狀態(tài)，其他事件做相應(yīng)處理。在ACTIVE狀態(tài)下，VREP試圖與ERM建立TCP連接，如果連接成功則仍可建立連接，否則重連超時(shí)（IE7）會(huì)退回到CONNECT狀態(tài)，其他事件做相應(yīng)處理。在OPENSENT狀態(tài)下，如果從ERM收到OPEN消息（IE10），檢測(cè)無(wú)誤則向ERM發(fā)送KEEPALIVE消息狀態(tài)轉(zhuǎn)移到OPENCONFIRM狀態(tài)，否則發(fā)送NOTIFICATION報(bào)錯(cuò)，轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)，其他事件做相應(yīng)處理。在OPENCONFIRM狀態(tài)下，收到KEEPALIVE消息的回復(fù)（IE11），那么最終會(huì)轉(zhuǎn)移到ESTABLISHED狀態(tài)，在已建立狀態(tài)下D6客戶端即可向ERM發(fā)送UPDATE消息來(lái)實(shí)現(xiàn)QAM等詳細(xì)信息的注冊(cè)。

3 R6接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

R6接口的消息交互是基于RTSP（Real Time Streaming Protocol）[9]實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議，RTSP 文本消息的傳輸既可以建立于TCP/IP，也可以建立在UDP之上，鑒于文本消息的數(shù)據(jù)有限，采用TCP傳輸更為可靠。主要包括 Setup，Teardown，Announce，Get_Parameter，Session Keepalive信令。當(dāng)SM發(fā)送一個(gè)資源請(qǐng)求，要求ERM建立一個(gè)點(diǎn)播會(huì)話時(shí)，ERM作為客戶端將向EdgeQAM服務(wù)端發(fā)送一個(gè)會(huì)話建立請(qǐng)求消息，EdgeQAM根據(jù)分配請(qǐng)求的參數(shù)，建立UDP+節(jié)目號(hào)+QAM的映射關(guān)系，也可以要求EdgeQAM向TS流中注入帶內(nèi)標(biāo)記，或停止注入、檢查等功能。當(dāng)用戶撤銷點(diǎn)播時(shí)，SM發(fā)送撤銷請(qǐng)求給ERM，ERM通過(guò)R6接口的Teardown信令通知EdgeQAM，回收資源。

3.1 R6接口的流程圖

程序首先創(chuàng)建RTSP服務(wù)器，監(jiān)聽554端口，ERM客戶端根據(jù)D6接口注冊(cè)的IP地址訪問(wèn)該端口。由于RTSP協(xié)議不同于HTTP協(xié)議，其交互是雙向的，信令可以由客戶端發(fā)起，服務(wù)端應(yīng)答，也可反過(guò)來(lái)。如果已分配的QAM在會(huì)話過(guò)程中發(fā)生異常時(shí)，可主動(dòng)發(fā)送Announce消息通知ERM。所以收到的消息可能是Announce請(qǐng)求的應(yīng)答消息，也可能是其他信令請(qǐng)求消息中的一種。若是請(qǐng)求應(yīng)答，則調(diào)用應(yīng)答處理函數(shù)。若是請(qǐng)求消息，則根據(jù)請(qǐng)求首部的命令字段判斷消息類型，如Setup消息，且含有ProvisionPort字段，此消息就是預(yù)分配請(qǐng)求，R6接口服務(wù)端收到該請(qǐng)求，調(diào)用rtsp_r6_setup_parse函數(shù)進(jìn)行解析，需要服務(wù)器隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)不重復(fù)的Session ID，并將該Session添加到一個(gè)會(huì)話鏈表，然后把Transport字段的參數(shù)傳遞給EdgeQAM的主板軟件做相應(yīng)底層配置，最后給出回復(fù)消息。Teardown消息請(qǐng)求則需要將會(huì)話從鏈表中撤銷，完成資源的回收工作。若為其他請(qǐng)求消息，則共同維護(hù)一個(gè)Session ID。R6服務(wù)端流程圖如圖4所示。

3.2 R6接口端口狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)

在該狀態(tài)機(jī)中，端口狀態(tài)可以從Not Configured或Provisioned任一個(gè)狀態(tài)開始。如果EdgeQAM支持動(dòng)態(tài)端口映射，那么端口起始狀態(tài)是Not Configured，如果EdgeQAM支持其他方式（如固件映射或配置文件）的靜態(tài)配置端口，則端口可選擇從Provisioned狀態(tài)開始。當(dāng)EdgeQAM收到ERM的預(yù)分配請(qǐng)求后，端口從Not Configured狀態(tài)轉(zhuǎn)換為Provisioned狀態(tài)。端口在Not Configured狀態(tài)，沒有數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絈AM輸出，然而在Provisioned狀態(tài)，所有數(shù)據(jù)被映射到QAM輸出，如果可能，ERM請(qǐng)求EdgeQAM在輸入流帶內(nèi)標(biāo)記發(fā)生變化時(shí)通知它，這會(huì)導(dǎo)致流在無(wú)帶內(nèi)標(biāo)記到有帶內(nèi)標(biāo)記之間互相轉(zhuǎn)換。當(dāng)EdgeQAM收到ERM的StartChecking消息后，端口從Provisioned狀態(tài)進(jìn)入到In Session狀態(tài)，其又分為兩個(gè)子狀態(tài)，Markers Match和Markers Mismatch。在Markers Match狀態(tài)，帶內(nèi)標(biāo)記必須檢查，如果帶內(nèi)標(biāo)記不匹配，數(shù)據(jù)流不會(huì)被輸出到QAM，也不會(huì)注入任何數(shù)據(jù)；若匹配，則可以注入一些帶內(nèi)標(biāo)記。當(dāng)收到StopChecking消息后，會(huì)退回到Provisioned狀態(tài)。當(dāng)收到Teardown消息后，端口進(jìn)入Not Configured狀態(tài)。如圖5所示為R6接口的端口狀態(tài)機(jī)。

4 D6，R6與主板軟件的通信機(jī)制

EdgeQAM的主板是整個(gè)設(shè)備的控制中心，主板軟件中的NGOD進(jìn)程負(fù)責(zé)與D6，R6接口通信，該通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中并未定義。進(jìn)程間通信可采用管道、信號(hào)量、共享內(nèi)存、套接字、消息隊(duì)列等。此處采用消息隊(duì)列比較合適，Linux下的消息隊(duì)列中的消息體字符數(shù)組最大支持8 192 byte，如果消息的長(zhǎng)度大于8 192 byte，應(yīng)該按8 192為單元?jiǎng)澐殖扇舾蓷l消息。為了實(shí)現(xiàn)雙方交互，可以在兩個(gè)進(jìn)程中都開啟一個(gè)發(fā)送和接收隊(duì)列。NGOD進(jìn)程與D6，R6進(jìn)程通信協(xié)議如圖6所示。

命令頭中的第1個(gè)字節(jié)Type為D6或R6，表示通信對(duì)象。第2個(gè)字節(jié)Ret為返回值取0、1或2，分別表示消息返回狀態(tài)是默認(rèn)、失敗和成功。Total Length表示消息的總長(zhǎng)度包括命令頭的長(zhǎng)度。All Frame num表示消息的總幀數(shù)，Current Frame表示當(dāng)前幀數(shù)，接收端根據(jù)這兩個(gè)值判斷消息是否接收完成，后面保留4 byte長(zhǎng)度。參數(shù)頭則包括4 byte的參數(shù)類型和2 byte的參數(shù)長(zhǎng)度。由于EdgeQAM輸入端口參數(shù)和QAM子板各通道的參數(shù)比較多，所以為了區(qū)分不同類型的參數(shù)采用基地址加偏移量的方式表示。

5 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果

本接口是基于Linux（內(nèi)核版本3.5）進(jìn)行驗(yàn)證的，采用的芯片是Xilinx公司的基于ARM cortex-A9處理器平臺(tái)的Zynq-7030。EdgeQAM的Flash最小為32 Mbyte，DDR容量為256 Mbyte。由于測(cè)試內(nèi)容比較多，主要分別對(duì)D6，R6接口建立過(guò)程和部分消息進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果在下文介紹。

5.1 D6接口與ERM的通信驗(yàn)證

D6接口的實(shí)現(xiàn)包括與ERM連接的建立，以及各種消息的交互，ERM的IP地址通過(guò)Web端由用戶設(shè)置為192.168.0.160，端口號(hào)為8888。圖7為D6接口與ERM的連接建立過(guò)程以及OPEN消息的詳細(xì)信息。程序啟動(dòng)之后會(huì)采用EdgeQAM主板軟件傳遞過(guò)來(lái)ERM的IP地址和端口號(hào)等參數(shù)嘗試連接ERM，地址正確則可以連接上，主動(dòng)發(fā)送OPEN消息，收到的OPEN消息如圖7所示，最終處于已建立狀態(tài)，保持心跳連接等待UPDATE消息和其他消息的交互。由圖中運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期一致，可以證明D6接口與ERM交互正確。

5.2 R6接口與ERM的通信驗(yàn)證

R6接口的實(shí)現(xiàn)包括與ERM連接的建立，以及各種請(qǐng)求消息和應(yīng)答消息的交互，R6接口啟動(dòng)之后在本地的554端口監(jiān)聽，ERM通過(guò)D6接口注冊(cè)的IP地址及固定端口與R6建立連接。如圖8所示為R6接口收到ERM的端口預(yù)分配請(qǐng)求，CSeq為314，Transport頭包括請(qǐng)求分配的QAM信息和UDP信息，InbandMaker頭包括請(qǐng)求注入帶內(nèi)標(biāo)記信息等。R6通過(guò)解析該請(qǐng)求，發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求正確并且底層成功處理完成，回復(fù)該請(qǐng)求如圖9所示，Session為隨機(jī)產(chǎn)生的不重復(fù)的ID，該結(jié)果與預(yù)期的結(jié)果一致。除此之外，還通過(guò)大量的測(cè)試，如帶寬請(qǐng)求過(guò)大等，R6接口皆能識(shí)別并能正確回復(fù)請(qǐng)求應(yīng)答或是發(fā)送異常請(qǐng)求，由此證明R6與ERM的交互是正確的。

6 小結(jié)

廣東省新一代數(shù)字電視交互平臺(tái)NGOD采用Comcast的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，大部分接口嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。采用本方案實(shí)現(xiàn)的D6，R6接口能夠可靠地運(yùn)行在邊緣設(shè)備上，設(shè)備功能和性能指標(biāo)得到廣泛的認(rèn)可，并且能與ERM有效配合實(shí)現(xiàn)邊緣資源的管理和使用，最終完成NGOD點(diǎn)播業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

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[1] 甘育裕，商彬，陳銘灝.視頻點(diǎn)播系統(tǒng)核心設(shè)備研究與設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2007，31（8）：63-64.

[2] Comcast Corp.NGOD overall version 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[3] Comcast Corp.NGOD edge architecture 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[4] Harmonic Inc.NSG 9000-6G universal software user’s guide[EB/OL].[2013-07-10].2010.http://www.Harmonicinc./sites/default/files/datasheets/NSG9000-6G_Datasheet.pdf.

[5] Cisco Systems Inc.End-of-sale and end-life announcement for the Edge QAM modulator power supplies（XDQA24）[EB/OL].[2013-07-10].2012.http://www.cisco.com/en/US/Prod/collateral/video/ps9159/ps9195/ps9248/product_data_sheet0900aecd806d19 3d.pdf.

[6] Comcast Corp.NGOD service discovery registration interface version 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[7] Comcast Corp.NGOD edge resource interface-r6 version 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[8] 胡朋，李永濤，王志謙，等.數(shù)字電視互動(dòng)服務(wù)中ERM對(duì)邊緣資源的管理[J].電視技術(shù)，2011，35（20）：17-20.

[9] Comcast Corp.NGOD RTSP usage specification version 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[10] 李永濤，胡朋，王志謙.基于NGOD架構(gòu)的VOD系統(tǒng)邊緣資源會(huì)話管理方案[J].電視技術(shù)，2011，35（19）：1-3.

Design of Edge Device Interface in NGOD-based VOD System

LI Chao,LIU Yijun

（School of Computer,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China）

In this paper,an edge device interface based on NGOD and used for edge resources discovering,registering,managing and monitoring is designed and implemented,which helps digital TV equipment suppliers to develop the function requirement of edge resource management system in the interactive services.Edge equipment interacts with the ERM through the interface,and making the edge resources of the VOD system can be used reasonably and efficiently.The experimental results show that the EdgeQAM is mounted in Guangdong province network high-definition interactive platform successful.

NGOD framework;D6 interface;R6 interface;EdgeQAM;RTSP

TN949.197；TP37

A

【本文獻(xiàn)信息】李超，劉怡俊.基于NGOD架構(gòu)的VOD系統(tǒng)邊緣設(shè)備接口設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2014，38（2）.

廣東省“省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”項(xiàng)目（2012B091100363）

李 超（1987—），碩士生，主研計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；

劉怡?。?977—），碩士生導(dǎo)師，主研計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)等。

責(zé)任編輯：薛 京

2013-09-11