一种基于NGOD架构的VOD系统媒资传播管理方案

索妮尔，杨 超，宫伟俊，王志谦

（北京邮电大学 网络技术研究院，北京 100876）

责任编辑:薛 京

现阶段，以视频点播系统（Video on Demand，VOD）为代表的数字电视交互业务已经得到或正在得到部署，资源的管理和共享已凸显的格外重要，在系统建设过程中由于成本及部署的合理性原因，网络运营商极其关注视频存储服务器与推流服务器的部署及缓存网络的建设[1]。很多运营商已经对VOD系统进行了相关部署，其中绝大部分都是基于时代华纳的ISA架构。该架构对视频服务器资源和边缘资源等的管理没有进行约束，导致现阶段已部署的VOD系统不能对以上资源进行良好的管理和分配，从而致使视频服务器资源得不到有效的利用，降低了媒资的传播效率。同时，由于用户对数字电视交互服务的质量要求日益增长，VOD系统中的视频服务器数量不断增多，使得VOD系统对视频节目更新速度、播放实时性的支持成为检验一个视频点播系统性能好坏的重要考虑因素。提高上述服务质量的根本方法是需要系统中有一个专门的视频服务器管理模块，并且提供一套稳定、健壮而高效的媒体资源在推流服务器上的传播机制。为此，本文提出基于NGOD架构的内容资源传播管理的处理方案[2]。

1 NGOD架构

下一代视频点播架构NGOD（Next Generation on Demand），是由美国有线电视服务商Comcast电信公司提出的一种交互式电视网络框架结构，NGOD系统架构如图1所示。与时代华纳提出的ISA架构相比，该架构定义了更开放的可替换组件，这就使同一个系统内的不同模块可由不同的厂商共同完成。该框架同时实现了对现有标准的兼容：架构定义的协议接口基本都是基于已有的开放标准设计扩展的，这就使得现在已部署的VOD系统向该架构迁移方便，也令下一步开发更具开放性[3]。

在媒资的传播管理方面，NGOD架构中规定了媒资传播服务器（Asset Propagation Manager，APM）这个专门管理缓存服务器资源和媒资在推流服务器上传播的模块和相关接口，可以实现系统对视频服务器资源的科学管理和有效利用。同时NGOD中该模块对媒资传播服务的定义和描述，使得VOD系统对媒体资源在缓存服务器和推流服务器上的传播与管理效率得到了显著提高。

NGOD系统的这种功能划分方法不仅缓解了原有的ISA系统中后台管理器BO（Back Office）的压力，能更好地处理用户的请求和资源的管理，而且通用且开放的接口平台使得广电运营商对软件供应商有了更大的选择范围。所以，对比起来运营商更加看好NGOD架构，并且相当一部分正在进行由ISA架构向NGOD架构的转型。

2 NGOD架构下的媒资传播管理方案

2.1 媒资传播管理器（APM）

APM媒资传播管理器是NGOD架构标准中的一个模块，主要用于管理视频服务器资源的状态及内容媒资在视频服务器上的注入、更新与删除，将来自包括媒资管理系统（Asset Management System，AMS）、实时内容源（Real Time Source，RTS）在内的各种内容源的内容媒资传送到合适的推流服务器（Streaming Servers，SS），同时管理推流服务器的状态信息和会话建立后内容媒资在其上的传播。这项重要的功能通常被称为媒资的“传播服务”[3]，图1中灰色标记部分即为APM在系统中的位置。

2.2 APM主要接口和业务处理流程

2.2.1 R1接口及业务处理流程

APM与点播资源管理器（On Demand Resource Manager，ODRM）之间定义了R1接口，当有用户点播请求时，会话管理器（Session Manager，SM）将对某个媒资的请求通过ODRM发送给APM。由APM通过R1接口向ODRM传递存有被请求媒资的SS的状态，ODRM根据这些状态信息选择合适的SS建立会话进行推流。通过此接口，ODRM将获得与它相连的APM管理的推流服务器的配置、状态和资源能力信息。即APM维护一张内容媒资状态信息表并存储该媒资在推流服务器上的位置信息，通过R1接口将该缓存服务器的位置返回给ODRM。

2.2.2 A2接口及业务处理流程

NGOD框架中定义了A2接口用来交换AMS和APM之间的状态信息。当AMS决定需要分发媒资时，AMS就发送媒资元数据信息到APM。元数据描述了待分发媒资的属性特点，同时包含了决定媒资将被何时分发的相关信息。APM使用这个信息，根据媒资内容类型和预计用户对该媒资的请求情况，来选择合适的SS去接收该媒资。为了完成这一功能，NGOD定义了3条消息，分别是AssetStatusNotice，AssetStatusRequest和 APMStatusRequest。其中，AssetStatusNotice消息是由APM向AMS提供媒资状态信息，AssetStatusRequest消息使AMS可以向APM请求某个指定媒资的状态。AMS通过发送APMStatusRequest消息可以向APM请求该APM本身及其控制的SS的状态。

2.2.3 A3接口及业务处理流程

NGOD在APM和SS之间定义了对媒资进行管理控制的A3接口，使得多个运营商的推流服务器可以通过相同的传播服务框架被引入到VOD系统中。这个接口隐含了推流服务器存储系统的内在实现。它可以包含多个参数，如存储容量、接收带宽以及是否备份内容文件到多个推流服务器中。APM通过该接口管理SS上媒资的生命周期，向SS发送指令以指示它们进行媒资的注入和删除，动态地管理系统中媒资实例的数量和这些实例的位置。具体的媒资传播服务流程如下：

1）APM通过SS发布的Discovery messages接收到一个对各SS都可用的磁盘列表。APM向SS请求每一个指定磁盘的磁盘信息作为响应，该信息详细说明了某个磁盘的总容量、当前剩余空间以及该磁盘的状态。

2）媒资通过一个可靠的多播（PGM）或者一个内容pull（FTP，NFS或CIFS）来进入SS。如果FTP服务器是一个SS，APM将向服务器发送“Expose Content”指令。该指令指明了媒资将被pull、传输协议以及pull的比特率。服务器为客户端返回一个URL、用户名和密码用来获取该媒资。如果SS缺少传输该媒资内容的能力，“Expose Content”请求将被驳回。

3）APM将向客户端发送一个“Transfer Content”指令指示服务器去pull媒资。该指令指明了URL、用户名、密码和存储媒资内容的磁盘。客户端应该立即开始pull媒资。

4）当媒资传输开始时，SS向APM发送一个“Transfer Status”指令通知它已经开始接收媒资内容。如果SS支持播放部分内容文件，SS可以发送“Transfer Status”指令来表明该媒资是可播的。这使得使用者可以播放正在直播的实时内容。

5）若媒资传输成功，SS向APM发送一个“Transfer Status”指令以表明传输成功。当APM接收到这条消息时，它将在媒资本地服务（Asset Locator Service，ALS）中生成一个入口，将该媒资实例与一个ODRM相关联。该状态消息指明了该媒资的大小和MD5校验码。APM必须将其与预期的大小和校验码比较从而认证该信息。如果数据错误，APM必须删除该媒资内容。

6）如果媒资传输失败，SS将向APM发送一个携带错误原因的“Transfer Status”指令。APM从ALA中移除该媒资与ODRM的关联。

APM通过A3接口控制媒资内容从SS上的删除。很多原因可以导致媒资的删除，例如内容过期，对给定媒资需求量的下降，或者为一个热门媒资释放空间。当某个ODRM域内的媒资实例数为0时，APM将从ALS中删除该媒资的入口，避免SS上的媒资播放失败。APM向SS发送一个Delete指令来删除媒资实例，如果SS当前正在使用该媒资，APM必须在稍后等待并重试该删除。

3 基于NGOD架构的APM改进方案

在原有的NGOD框架中，内容媒资的存储和动态调度这两部分工作都是在推流服务器SS上来完成的。对于存储管理部分，在注入媒资时，由APM根据自身维护的SS的状态信息按照一定的算法选择一个最合适的SS来进行媒资的存储。当媒资内容过期或需求量下降时，再由APM控制SS删除该媒资实例和其在ALS上的入口。对于用户请求的动态调度，则是由ODRM在拥有某个被请求媒资的所有SS中选择最合适的一个SS进行推流。即在管辖范围相同时，APM与ODRM会共用一些SS的状态信息。这样就会出现2个问题：1）在APM向ODRM提交了SS的候选列表之后，APM又收到了来自AMS的指令，完成了对内容媒资的注入或删除，并进行了SS状态的即时更新，而此时ODRM还未选好SS完成一次推流，这就导致ODRM选出的SS可能已经不是最优的SS或被请求的内容媒资在该SS上已经更改或删除；2）由于ODRM选择了某个SS进行推流，它必须为推流进行前期准备，例如与SS通信通知其推流的起止信息，这些交互与通信都要消耗SS的资源，降低SS的响应速度，而此时APM并不知道该SS的这类状态变化，若此时AMS需要APM选择SS进行媒资注入，就可能会选中负载较重的准备推流的SS。为了减少这种情况的出现，计划采用媒资存储与动态调度相分离的策略，即由ODRM管理SS的状态信息，进行SS的动态调度。而APM负责媒资的注入和删除，将媒资存储在专门的缓存服务器（Cache Server，CS）上，当有用户请求某个媒资时，APM根据一定算法将拥有该媒资状态的最优CS上报给ODRM，ODRM根据上报来的CS选择状态最优的SS获取该媒资内容，最终完成推流。这种将存储与调度相分离的策略可以让APM和ODRM按照各自的算法分别选择负载与位置较合适的视频服务器媒资存储与内容响应，大大减少了因共用视频服务器产生的状态信息获取不及时，从而导致媒资管理效率下降的问题，很大程度提高了内容在系统中的传播速率，也使得用户的视频点播请求能更快地得到响应。

4 方案验证

本次方案验证采用Dell PowEdge 2950：IntelXeon 51101.6 GHz CPU×2；433内存；2×146 Gbyte硬盘；4口10／100／1000 Mbit/s网卡。软件配置：Ubuntu Linux 11.10，Tomcat。

编写测试程序测试传统方案和改进方案的性能，程序的输出结果如图2所示，测试过程是原始方案和改进方案对比的过程，测试中的参数为系统并发任务数。测试和分析该参数变化的不同情况下产生的不同结果。

验证过程中将系统中的并发任务数逐渐增加，从256，512一直增加到15360，可以看出并发处理时间随着任务数的增大一直缓慢增大，并且新方案增大的幅度明显小于原始方案。另外，处理相同任务数的情况下，系统对改进方案模型的响应时间也小于原始方案模型的处理结果。但是当任务数增大到15000以上时，改进方案模型达到了极限，处理时间明显急剧增大。综上可以得出改进后的模型确实对媒资传播处理能力方面有所提高，但也存在处理任务数目的瓶颈，该方案还可以继续改进。

5 结束语

在NGOD架构数字电视点播系统中利用媒资传播管理器（APM）对内容媒资进行管理和传播，研究并改进流媒体内容媒资管理与分配机制，能更好地处理用户的请求和资源的管理，实现了对内容资源更方便高效的管理和传播，适应了三网融合、三屏融合的业务需求，为其提供可用的服务设施，为系统的特性加强和扩展做好了准备。

[1]郑鹏思，王宏红.分布式VOD系统资源部署的研究[J].中国有线电视，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.