IPTV流媒体点播与直播系统设计

2011-06-25张治中

电视技术 2011年22期

饶敏，郑斌，张治中

(重庆邮电大学通信网测试技术重点实验室，重庆 400065)

1 流媒体技术介绍

流媒体传输技术是IPTV的核心技术。在流式技术中，主要有3个核心技术:流媒体的编解码［1-2］，传输以及数字流媒体的版权技术。如何通过IP网络来传输流媒体数据便是IPTV的技术基础，IPTV的广泛应用也是依靠流式技术的不断前进而获得的。

结合目前我国的IPTV业务部署，一般IPTV系统框架可划分为系统支持层、承载网络层、流媒体传输层和业务服务层，如图1所示。IPTV视频点播，是IPTV业务中最具特色的一项，简单说就是利用现有的IP网络，把用户家中的机顶盒作为接收器，PC或电视机作为显示终端的电视系统，从而实现用户随意观看电视节目。

直播电视这类服务业务有点类似于现在看的卫星电视或者传统的有线电视，IPTV通过自身单播或者组播的传递方法，根据不同情况从而完成电视的播放，这种播放方式的音视频信号也是通过IP网络来传输的。

2 点播系统的设计

2.1 软件设计

目前来说，所设计的点播服务器大致可分为3个部分，分别是核心模块、配置模块、Web模块。

图1 IPTV系统框架

核心模块:参照apache提供的脚本［3］，根据自身的需要修改成符合需求的代码，其中扩展了对http protocol的解析，替换了用户的authentic module接口函数，采用自己设计的认证模块;更改了整个请求记录，并且生成日志的功能，以此作为用户点播的记录;更改了apache的record功能，作为记录用户是否在线、用户信息查询的接口;精简模块、简化流程、修改读取模式以及读取效率。

配置模块:对当前所有资源进行配置，对核心服务器、外部流媒体服务提供状态统计、查询以及软件接口的配置。

Web模块:主要用于对服务器的参数、服务器系统管理进行配置和接口的对接，并可对正在点播的用户信息进行查询。不仅如此，还可以通过Web模块对core模块进行远程的重启、停止等，还可远程查看系统CPU、内存、磁盘、节目列表等一系列系统资源的情况。

2.2 协议设计

该点播服务器通过Http File Server提供下载，在这种情况下，不管是何种格式的文件，都是以数据的形式存在，所以服务器都可以提供下载

在终端，通过Http Get的方法下载文件，这样所有的选择权全部由终端用户掌握。

终端去考虑流媒体文件中音视频的解复用工作，从而使服务器端的运算压力减小。

2.3 硬件部署

考虑到目前IPTV技术以及当前的网络状况，对点播服务器的硬件部署采取“边缘负载+中心服务”。

中心负载:中心负载的设计采用了一种组合方式(磁盘存储+集群负载)。这两者之前通过目前相对流行的SAN MODLE连接，保证了两者之间数据的进出效率。

边缘负载:对于IPTV视频点播来说，最终要做到的是把流媒体数据传输到用户的显示终端上(目前采用端到端方式)。而由于当前网络带宽的限制，还不能彻底保证中心集群的服务带宽能够满足所有用户的需要，所以根据统计原理，设计了一个有效的办法，即边缘化。这样就能使相对距离较远的用户可以享受到分布在自己周边的边缘服务器的服务，不仅可以使网络的物理状态达到最好，而且还可以给用户带来最优的体验，而最优体验正是IPTV服务中的一个重要指标。

根据以上的想法，在实现时使用了分组模式和资源分布模式。

分组模式:任何一个用户分组，均可以对应一个、两个或者多个分散在用户分组周围的服务器，整个分组的数据调配由负载均衡器来完成，并且是实时调配，其模式设定为先处理用户量相对较少的边缘负载，然后再去响应用户数较多的中心负载。

资源分布模式:将所有的媒体资源全部存储在中心服务器上，而边缘服务器则存储用户点播较多的节目，从中心到边缘，采取自适应的调配方式，如果系统发觉某些节目的被点播数逐渐增多，则会自动将这些节目根据实际点播方位，发送到与其距离最近的边缘负载上，这样就可以减少中央负载的访问量，从而减少网络的压力。

2.4 调试方法

通过实际的考虑与分析，归纳出了3种方法来对所设计出的点播系统进行测试:

1)直接用运营商提供的机顶盒来点播视频节目。

2)首先，通过真实的机顶盒来播放运营商提供的视频节目，然后采用自己设计的模拟软件来仿真许多客户同一时间在线进行视频的点播，经过实际的测试得出了以下结论，即用仿真软件与实际采用机顶盒在相等数量的用户连接访问服务器时，访问其存储设备的I/O口的数量与图形大体一致，这样就可以说明仿真软件的仿真结果与真实的用户进行访问的效果一致。

3)当服务器工作在全功率的时候，采用仿真软件来仿真这个过程，即连续多天不间断地进行视频的在线点播。

经过实际的测试，表1为测试结果的对比与分析。

表1 用户数不同时服务器使用情况

3 直播系统的设计

IPTV中能够将正在播放的节目进行前进与倒退，能够让观看直播节目突破时间相对固定的概念，从而观看到之前已经播出的电视节目，这样的视频服务是IPTV中的一个重要业务［4］，通常将其称为直播时移业务。直播网络示意图见图2。

图2 IPTV直播网络图

3.1 直播系统设计

3.1.1 直播节目信号的接收与采集

在国内，IPTV业务主要由移动运营商提供，而直播的电视节目则主要由国家广电部门提供，也就是说，在接收直播节目时，主要还是以卫星发送的数字信号为主要的信号源，这就需要有专业的卫星信号接收装置以及相对应的设备，譬如说天线等。然后用卫星信号接收装置来处理所接收到的数据，并将其转换为TS数据流、模拟信号等。之后，这些信号或者数据流会通过ASI传送给IPTV的编码设备，编码设备会根据目前IPTV系统、终端设备所支持的方式进行编码并传送，最后将视频节目送给终端用户［5-6］。

在这里，为了能使编码设备的编码方式为H.264，当前只考虑了3种方式:

2)直接采用硬件完成采集和编码的工作

3)多路节目信号集中分段处理后进行软件编码，从而达到多路节目统一编码的高效方式。

综合实际情况考虑，目前决定采用第2种方式进行视频信号的编码，将视频的采集与编码统一在一张卡中，在该卡中使用数字信号处理器进行编码，从而达到H.264的高效编码效果，这是一种非常理想的方式。

3.1.2 直播系统软件设计

所谓软件设计就是一个服务系统，可以实现各个节目的转发、单播、组播等。在国际上，目前已经有一些服务器提供直播的服务，但是这些服务器都是开发方自己设计的流媒体编解码协议，对于比较通用的MPEG-2或者TS，从支持的角度上来讲有些牵强。

这样，根据实际情况以及整个业务的实际需求，对现有的系统进了研究、分析、整理，并开发了一套拥有自主知识产权的软件，主要采用的协议是TS和MPEG-2。

3.2 时移系统

时移系统主要可分为两个部分，即选单和频道时移。

1)选单时移

当用户获取了当地运营商提供的相应节目表单时，可以通过点击表单中所提供的节目列表观看已录制在服务器上的节目，这些节目多数为当前时刻之前电台所播放的节目。

2)频道时移

简单的说就是让用户可以观看当前频道在十分钟前或者更早前所播出的节目。

对于录播系统，通过接收正在网络上传播的媒体流，将其录制下来并存放在相应的录播服务器上，并且根据录制时的时间将所录制的节目在时间上进行标记与划分，方便之后用户根据时间查找索引来查找自己想要观看的节目。

对于直播系统，可以为用户提供短暂的倒退观看服务，直播服务器会对当前播放的节目进行短暂的录制，当用户有进行回放的需求时，直播服务器就会先执行倒退缓冲的功能来满足用户的需求，当直播服务器所短暂录制的节目无法满足用户请求的时间量时，那么直播服务器就会自动寻找录制该节目的录播服务器，通过将用户从直播服务器转到录播服务器来满足用户的请求［7-8］。

按照平均1 Mbit/s的带宽来算，可以计算出一个频道如果缓冲30 min，则大约要有230 Mbyte的内存空间，假如是10个，则大概要有2.3 Gbyte的内存空间，如果按照这种方式计算并结合实际情况，可以把10个频道部署在一台服务器上，那么50频道就需要最多5台服务器，这样的前期成本的投入也是在理想的范围之内。