徐順山，王燕偉（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，河南 鄭州450007）

0 前言

IPTV即交互式網(wǎng)絡(luò)電視，IPTV業(yè)務(wù)指用戶以AD?SL、光纖＋LAN、FTTx等寬帶IP線路做承載，通過機頂盒及電視機終端獲得的包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種數(shù)字媒體服務(wù)。用戶使用遙控器在電子節(jié)目指南（EPG）界面所提供的各類菜單、按鈕、鏈接等進行選取后，可實現(xiàn)電視的直播、點播、時移回看、高清電視、增值業(yè)務(wù)等豐富多彩的視聽使用。

1999 年，英國推出了全球第一個IPTV 業(yè)務(wù)。2010 年1 月我國《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)推進三網(wǎng)融合總體方案的通知》（國辦發(fā)〔2010〕5號）下發(fā)，文件確立了由廣電部門負責(zé)IPTV 集成播控、電信企業(yè)負責(zé)IPTV 傳輸?shù)幕菊呖蚣?。?jīng)過幾年的運營與探索，中國IP?TV在平臺建設(shè)和運營，以及用戶與市場拓展等方面取得新進展，行業(yè)逐漸步入有序、穩(wěn)健發(fā)展的新階段。本文通過對目前IPTV平臺建設(shè)方案的分析，找出方案存在的不足，并提出優(yōu)化建設(shè)思路和方案。

1 IPTV 平臺的體系結(jié)構(gòu)

1.1 IPTV 平臺功能架構(gòu)

IPTV 平臺在總體結(jié)構(gòu)上分為門戶層、運營管理層、內(nèi)容分發(fā)層和盒端適配層4層。其功能架構(gòu)如圖1所示。

平臺通過統(tǒng)一的域名，實現(xiàn)EPG 門戶展現(xiàn)；通過統(tǒng)一的運營管理，實現(xiàn)對內(nèi)容、用戶、認證鑒權(quán)等的統(tǒng)一管理和增值業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入；通過統(tǒng)一的內(nèi)容分發(fā)實現(xiàn)對IPTV、電視互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一內(nèi)容分發(fā)和加速；統(tǒng)一的盒端兼容和適配，屏蔽盒端差異，實現(xiàn)各類盒端的接入。

圖1 IPTV平臺總體功能架構(gòu)圖

各層的功能概要描述如下。

a）門戶層。為用戶提供IPTV 業(yè)務(wù)的展示，是用戶使用IPTV業(yè)務(wù)的入口，支持統(tǒng)一域名下的EPG門戶展現(xiàn)，為各種盒端提供導(dǎo)航服務(wù)，與內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)配合給盒端提供標(biāo)清和高清的直播、點播內(nèi)容。

b）運營管理層。負責(zé)完成與IPTV業(yè)務(wù)相關(guān)的運營支撐和統(tǒng)一業(yè)務(wù)的運營管理，實現(xiàn)對內(nèi)容、用戶、認證鑒權(quán)等的統(tǒng)一管理，播控方內(nèi)容和電信運營商自有內(nèi)容的集成及編排，EPG 門戶管理，增值業(yè)務(wù)的統(tǒng)一接入、消息業(yè)務(wù)管理，三屏互動業(yè)務(wù)的管理等，為用戶提供服務(wù)及管理支撐。

c）內(nèi)容分發(fā)層。主要負責(zé)與播控平臺對接，實現(xiàn)內(nèi)容的引入和管理、內(nèi)容的統(tǒng)一分發(fā)以及媒體內(nèi)容向用戶側(cè)的推送，提高IPTV 業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗。

d）盒端適配層。負責(zé)完成統(tǒng)一的盒端兼容和適配，屏蔽盒端差異，實現(xiàn)各類盒端的靈活接入及拓展。

1.2 IPTV 網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)

IPTV 平臺在網(wǎng)絡(luò)組織上主要由業(yè)務(wù)管理平臺和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）2部分組成。業(yè)務(wù)管理平臺主要負責(zé)業(yè)務(wù)的接入、運營和管理，一般采用省集中部署方案；CDN主要作用是把用戶訪問的內(nèi)容推送到離用戶最近的網(wǎng)絡(luò)側(cè)，降低對網(wǎng)絡(luò)造成的壓力，提高對用戶的服務(wù)質(zhì)量。一般采用三級架構(gòu)部署方案，在省中心部署中心節(jié)點，在市中心部署區(qū)域節(jié)點，在城域網(wǎng)的SR/BRAS處部署邊緣節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CDN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)

一般情況下，大部分用戶訪問在邊緣節(jié)點命中，由邊緣節(jié)點提供服務(wù)，在邊緣節(jié)點未命中或出現(xiàn)故障時由所屬的區(qū)域節(jié)點提供服務(wù)，在邊緣節(jié)點和所屬區(qū)域節(jié)點均未命中或出現(xiàn)故障時，由中心節(jié)點提供服務(wù)。CDN的能力一般通過并發(fā)用戶數(shù)來衡量，因為不同用戶（如標(biāo)清、高清、超高清以及其他不同碼率的用戶）對CDN 資源的占用需求不一樣，所以在進行系統(tǒng)能力設(shè)計時，設(shè)計人員通常將其他碼率的用戶折成2M用戶，如1 個8M 高清用戶可以折成4 個2M 用戶。在IPTV平臺規(guī)劃和建設(shè)時，一般以滿足期最忙的時間點平臺需要支撐的2 M并發(fā)數(shù)來取定建設(shè)規(guī)模。中心節(jié)點、區(qū)域節(jié)點、邊緣節(jié)點的建設(shè)規(guī)模比例在初次建設(shè)時一般按總能力的4%、16%、80%分配，后續(xù)建設(shè)時可根據(jù)實際運行情況進行合理調(diào)整。CDN 在整個IPTV平臺的建設(shè)中占據(jù)了絕大部分投資，在運營中也耗費絕大多數(shù)電力能源。如何降低CDN 的投資和運行中的能耗是IPTV平臺建設(shè)的關(guān)鍵。

1.3 IPTV 所提供的業(yè)務(wù)和實現(xiàn)方式

1.3.1 直播

直播是將通過編碼/轉(zhuǎn)碼設(shè)備實時發(fā)布的流媒體內(nèi)容，經(jīng)流媒體服務(wù)器分發(fā)到用戶客戶端（如PC、手機、盒端等設(shè)備），以便用戶通過上述盒端設(shè)備進行實時觀看。

直播業(yè)務(wù)傳輸方式為廣播接收方式，這種方式在用戶看來是被動的，用戶對內(nèi)容的選擇僅限于所提供的頻道內(nèi)容，是非交互型的業(yè)務(wù)，因此為了減少帶寬浪費，在網(wǎng)絡(luò)具備條件的情況下應(yīng)考慮采用組播方式。根據(jù)組播復(fù)制點的位置，組播實現(xiàn)方式分為應(yīng)用層組播、BRAS 組播和DSLAM 組播。具體采用哪種模式要根據(jù)承載網(wǎng)現(xiàn)狀靈活選擇。

系統(tǒng)直播時，中心節(jié)點將直播流單播推送至組播點，組播點再將直播流以組播的方式推送給用戶。

1.3.2 點播

點播即視頻點播（VOD）。內(nèi)容提供商將預(yù)先制作好的流媒體內(nèi)容存放在流媒體內(nèi)容服務(wù)器上，并提供流媒體內(nèi)容展現(xiàn)應(yīng)用。最終用戶可通過訪問流媒體內(nèi)容展現(xiàn)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)感興趣的業(yè)務(wù)內(nèi)容，有選擇地進行內(nèi)容播放?；陔p向網(wǎng)絡(luò)，即點即放。

業(yè)務(wù)平臺接收用戶的流媒體業(yè)務(wù)請求，與用戶盒端建立RTSP 會話連接，并控制會話過程。業(yè)務(wù)平臺根據(jù)用戶請求，將存儲在服務(wù)器上的媒體文件以RTP包的形式發(fā)送給盒端，并由RTCP 控制傳輸質(zhì)量。盒端對接收到的媒體流進行在線播放。系統(tǒng)支持用戶通過手動調(diào)整播放進程滾動條的位置來進行回放或跳過某些未播放的內(nèi)容。

根據(jù)用戶訪問的熱度來判斷點播內(nèi)容在整個CDN中的存放位置。一般情況下，中心節(jié)點存放所有的點播內(nèi)容，區(qū)域節(jié)點存放大部分比較熱門的點播內(nèi)容，邊緣節(jié)點只存放少數(shù)很熱門的點播內(nèi)容。系統(tǒng)在初次建設(shè)時一般按100%、70%、30%考慮（所有同一級別的節(jié)點存儲的內(nèi)容一致，均按總量的同一比例配置），后續(xù)建設(shè)時可根據(jù)實際運行情況合理進行分配。如何既保證用戶訪問在下級節(jié)點的命中率，又降低內(nèi)容在整個CDN中對存儲空間的占用，取決于系統(tǒng)廠家對熱點內(nèi)容判斷的準確度，這需要廠家認真研究熱點內(nèi)容的判斷算法，從熱點的頻次、時長、下發(fā)時機等多方面進行算法優(yōu)化，具體的細節(jié)本文不作詳述。

1.3.3 即時時移

即時時移，簡稱時移，是指用戶可以通過PC、手機、盒端等設(shè)備對直播節(jié)目選擇暫停、快退。時移功能是指直播節(jié)目流通過在CDN 中心或邊緣節(jié)點上緩存固定時間，用戶在觀看直播過程中選擇暫停、快退時，可以讀取CDN節(jié)點的節(jié)目緩存來實現(xiàn)觀看。

1.3.4 直播回看

直播回看，簡稱回看，是指用戶可以通過PC、手機、盒端等設(shè)備選取固定時間范圍內(nèi)的直播節(jié)目進行回看，回看過程中可以進行播放、暫停、快進、快退、選時播放、停止等操作。直播節(jié)目流在平臺中心節(jié)點或CDN 節(jié)點存儲固定時間。用戶在回看列表中選擇固定頻道、時間段的節(jié)目，觀看過程同點播功能相同。

時移、回看這2種業(yè)務(wù)性質(zhì)有些類似，都是把直播的內(nèi)容實時錄制并存放于CDN節(jié)點的存儲系統(tǒng)，從本質(zhì)上都屬于點播，只是一般點播播放的內(nèi)容是事先制作好的，而時移、回看是實時生成的。

2 IPTV 系統(tǒng)存在的問題及優(yōu)化方案

2.1 緩存調(diào)度算法

在IPTV整個系統(tǒng)中，存儲系統(tǒng)能力是制約用戶訪問能力的非常重要的因素。而決定存儲系統(tǒng)能力的因素除了磁盤的速度、IO 之外，還有緩存命中率。磁盤的速度、IO 取決于磁盤的物理特性，緩存命中率取決于緩存調(diào)度算法。存儲的訪問方式分為隨機訪問和連續(xù)訪問。目前，通用的存儲系統(tǒng)的緩存調(diào)度算法一般是為兼顧隨機訪問和連續(xù)訪問這2種訪問方式設(shè)計的。通常1個文件會被分成很多一定大小的數(shù)據(jù)塊存放到磁盤上，數(shù)據(jù)塊的大小分32 K、64 K、256 K、512 K 等，不同的廠家數(shù)據(jù)塊的大小不同。系統(tǒng)根據(jù)對數(shù)據(jù)塊的訪問熱度來判斷哪些需要調(diào)入緩存，哪些需要調(diào)出緩存。這樣就會導(dǎo)致一個本來比較熱門的文件所對應(yīng)的部分數(shù)據(jù)塊頻繁從緩存中調(diào)入調(diào)出，將本來連續(xù)的訪問變成相對隨機的訪問，影響了IPTV平臺的服務(wù)能力，增加了磁頭的移動頻率和距離，也加大了設(shè)備物理特性的損耗和電源的消耗。

優(yōu)化的思路是優(yōu)化存儲系統(tǒng)的緩存調(diào)度算法。

IPTV業(yè)務(wù)中文件有以下2 個特點。

a）很高的連續(xù)性。1 個流媒體文件小則幾十M、多則幾百M 甚至幾G，在存儲系統(tǒng)里基本都可以實現(xiàn)連續(xù)訪問。

b）很強的熱點集中度。IPTV 的文件熱點很集中，時間越短集中度就越高。

基于以上特點很容易判斷哪些文件比較熱門，哪些文件比較冷門。1個1 T的緩存可以同時裝下1 000個1 G 的文件，如果存儲系統(tǒng)可以準確識別哪些文件比較熱門，將它們同時加載到緩存里不要調(diào)出就可以了，這樣絕大部分用戶訪問的數(shù)據(jù)都可以在緩存中命中，磁盤基本上可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，不需要具備很高的讀寫能力，也可以選用高密度盤，降低對機房空間的占用。所以，IPTV平臺的存儲系統(tǒng)需要充分利用流媒體文件的特點，基于IPTV業(yè)務(wù)中文件的特點進行調(diào)度，就可以極大地提升存儲系統(tǒng)的整體訪問速度。

2.2 邊緣節(jié)點錄制

目前，通常CDN 各級節(jié)點都進行直播錄制，在直播的過程中全程錄制，中心節(jié)點和區(qū)域節(jié)點錄制所有頻道，邊緣節(jié)點有的錄制全部頻道，有的錄制一部分（總頻道數(shù)的1/3左右）頻道。目的就是為了回看和時移這2 種業(yè)務(wù)，而這2 種業(yè)務(wù)通常情況下在整個業(yè)務(wù)中占的比例不大，區(qū)域節(jié)點和中心節(jié)點也都有一定的承載能力，承載這2 種業(yè)務(wù)沒有任何問題。只有在極其特殊的情況（比如世界杯、奧運會，以及大型娛樂節(jié)目時）下才會出現(xiàn)這些業(yè)務(wù)激增的情況，這時區(qū)域節(jié)點和中心節(jié)點的能力有可能滿足不了需求，所以在邊緣節(jié)點也進行錄制。僅僅為了應(yīng)對這一極其特殊的場景，其代價是巨大的，在直播的每時每刻所有的邊緣節(jié)點都在錄制，所有的邊緣節(jié)點都需要為直播錄制配置軟硬件資源，服務(wù)器和存儲系統(tǒng)不停地工作，耗費巨大的能源，即使是沒有一個用戶訪問。

平臺優(yōu)化的思路是如何降低直播錄制的成本，既滿足回看和時移這2 種業(yè)務(wù)需求，又降低邊緣節(jié)點為直播錄制付出的代價。

優(yōu)化方案：將邊緣節(jié)點直播錄制的“全程錄制”改為“平時不錄制+特殊情況下啟動極少數(shù)頻道錄制”。

在區(qū)域節(jié)點對每個頻道都設(shè)置1 個計數(shù)器，記錄每個頻道的熱度，在邊緣節(jié)點對每個直播頻道設(shè)置1個軟件“錄制開關(guān)”，平時邊緣節(jié)點不做任何頻道的錄制，時移、回看這2種業(yè)務(wù)的服務(wù)提供都由區(qū)域節(jié)點和中心節(jié)點處理。區(qū)域節(jié)點時時刻刻記錄每個頻道這2種業(yè)務(wù)的訪問次數(shù)，當(dāng)某個頻道的訪問達到一定熱度，即某一時間段訪問次數(shù)達到一定閾值時，通知其下轄的邊緣節(jié)點打開該頻道的錄制，此后，對該頻道的時移、回看業(yè)務(wù)均由邊緣節(jié)點提供服務(wù)，把中心節(jié)點的壓力推送到邊緣節(jié)點。邊緣節(jié)點記錄該頻道的熱度，當(dāng)邊緣節(jié)點在一定時間段內(nèi)發(fā)現(xiàn)該頻道的熱度冷卻到一定程度時關(guān)閉該頻道的錄制，同時通知其所屬的區(qū)域節(jié)點，隨后的訪問再改回由其上級節(jié)點提供服務(wù)。

此方案有以下3個優(yōu)點。

a）邊緣節(jié)點在設(shè)備配置時不需要專門為直播錄制配置硬件能力，包括服務(wù)器和存儲，在建設(shè)時可以節(jié)約投資。

b）邊緣節(jié)點全程錄制時服務(wù)器和存儲系統(tǒng)一直都在工作，付出的電費也是一筆不小的開支，而優(yōu)化后邊緣節(jié)點在絕大多數(shù)時間里不需要為此工作，既減少了能源的消耗，又降低了設(shè)備機械特性的損耗。

c）提高了存儲系統(tǒng)的訪問速度。目前邊緣節(jié)點既要錄制，又要為用戶提供服務(wù)，全程錄制時磁頭在磁盤上連續(xù)移動完成“寫”的動作，這中間一旦有用戶訪問的數(shù)據(jù)在這一磁盤的另外一個位置，磁頭就會暫緩“寫”的動作，移動到這一位置完成“讀”的動作，然后再返回到寫操作中斷的位置繼續(xù)“寫”。如果不錄制就可以讓磁頭移動的頻率和距離減少，提高存儲系統(tǒng)的讀寫能力。

3 結(jié)束語

目前，整個IPTV 業(yè)務(wù)還處在發(fā)展階段，廠家為此投入的研發(fā)力量不足，IPTV平臺基本處于滿足業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)層次，需要提升的空間還很大，IPTV 平臺需要從能用向好用、適用演進。這需要在平臺建設(shè)時對參于平臺建設(shè)的廠商提出更高的要求，推動廠商技術(shù)進步；同時，廠商也要改變思路，不能只求暫時的經(jīng)濟利益，要為節(jié)能環(huán)保以及長遠的技術(shù)發(fā)展做出積極的努力，肩負起企業(yè)應(yīng)盡的社會責(zé)任。

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