IPTV平台的优化设计方案

徐顺山，王燕伟（中讯邮电咨询设计院有限公司，河南 郑州450007）

0 前言

IPTV即交互式网络电视，IPTV业务指用户以AD⁃SL、光纤＋LAN、FTTx等宽带IP线路做承载，通过机顶盒及电视机终端获得的包括电视节目在内的多种数字媒体服务。用户使用遥控器在电子节目指南（EPG）界面所提供的各类菜单、按钮、链接等进行选取后，可实现电视的直播、点播、时移回看、高清电视、增值业务等丰富多彩的视听使用。

1999 年，英国推出了全球第一个IPTV 业务。2010 年1 月我国《国务院关于印发推进三网融合总体方案的通知》（国办发〔2010〕5号）下发，文件确立了由广电部门负责IPTV 集成播控、电信企业负责IPTV 传输的基本政策框架。经过几年的运营与探索，中国IP⁃TV在平台建设和运营，以及用户与市场拓展等方面取得新进展，行业逐渐步入有序、稳健发展的新阶段。本文通过对目前IPTV平台建设方案的分析，找出方案存在的不足，并提出优化建设思路和方案。

1 IPTV 平台的体系结构

1.1 IPTV 平台功能架构

IPTV 平台在总体结构上分为门户层、运营管理层、内容分发层和盒端适配层4层。其功能架构如图1所示。

平台通过统一的域名，实现EPG 门户展现；通过统一的运营管理，实现对内容、用户、认证鉴权等的统一管理和增值业务的统一接入；通过统一的内容分发实现对IPTV、电视互联网的统一内容分发和加速；统一的盒端兼容和适配，屏蔽盒端差异，实现各类盒端的接入。

图1 IPTV平台总体功能架构图

各层的功能概要描述如下。

a）门户层。为用户提供IPTV 业务的展示，是用户使用IPTV业务的入口，支持统一域名下的EPG门户展现，为各种盒端提供导航服务，与内容分发系统配合给盒端提供标清和高清的直播、点播内容。

b）运营管理层。负责完成与IPTV业务相关的运营支撑和统一业务的运营管理，实现对内容、用户、认证鉴权等的统一管理，播控方内容和电信运营商自有内容的集成及编排，EPG 门户管理，增值业务的统一接入、消息业务管理，三屏互动业务的管理等，为用户提供服务及管理支撑。

c）内容分发层。主要负责与播控平台对接，实现内容的引入和管理、内容的统一分发以及媒体内容向用户侧的推送，提高IPTV 业务的服务质量和用户体验。

d）盒端适配层。负责完成统一的盒端兼容和适配，屏蔽盒端差异，实现各类盒端的灵活接入及拓展。

1.2 IPTV 网络组织结构

IPTV 平台在网络组织上主要由业务管理平台和内容分发网络（CDN）2部分组成。业务管理平台主要负责业务的接入、运营和管理，一般采用省集中部署方案；CDN主要作用是把用户访问的内容推送到离用户最近的网络侧，降低对网络造成的压力，提高对用户的服务质量。一般采用三级架构部署方案，在省中心部署中心节点，在市中心部署区域节点，在城域网的SR/BRAS处部署边缘节点。网络结构如图2所示。

图2 CDN系统网络组织架构

一般情况下，大部分用户访问在边缘节点命中，由边缘节点提供服务，在边缘节点未命中或出现故障时由所属的区域节点提供服务，在边缘节点和所属区域节点均未命中或出现故障时，由中心节点提供服务。CDN的能力一般通过并发用户数来衡量，因为不同用户（如标清、高清、超高清以及其他不同码率的用户）对CDN 资源的占用需求不一样，所以在进行系统能力设计时，设计人员通常将其他码率的用户折成2M用户，如1 个8M 高清用户可以折成4 个2M 用户。在IPTV平台规划和建设时，一般以满足期最忙的时间点平台需要支撑的2 M并发数来取定建设规模。中心节点、区域节点、边缘节点的建设规模比例在初次建设时一般按总能力的4%、16%、80%分配，后续建设时可根据实际运行情况进行合理调整。CDN 在整个IPTV平台的建设中占据了绝大部分投资，在运营中也耗费绝大多数电力能源。如何降低CDN 的投资和运行中的能耗是IPTV平台建设的关键。

1.3 IPTV 所提供的业务和实现方式

1.3.1 直播

直播是将通过编码/转码设备实时发布的流媒体内容，经流媒体服务器分发到用户客户端（如PC、手机、盒端等设备），以便用户通过上述盒端设备进行实时观看。

直播业务传输方式为广播接收方式，这种方式在用户看来是被动的，用户对内容的选择仅限于所提供的频道内容，是非交互型的业务，因此为了减少带宽浪费，在网络具备条件的情况下应考虑采用组播方式。根据组播复制点的位置，组播实现方式分为应用层组播、BRAS 组播和DSLAM 组播。具体采用哪种模式要根据承载网现状灵活选择。

系统直播时，中心节点将直播流单播推送至组播点，组播点再将直播流以组播的方式推送给用户。

1.3.2 点播

点播即视频点播（VOD）。内容提供商将预先制作好的流媒体内容存放在流媒体内容服务器上，并提供流媒体内容展现应用。最终用户可通过访问流媒体内容展现应用，发现感兴趣的业务内容，有选择地进行内容播放。基于双向网络，即点即放。

业务平台接收用户的流媒体业务请求，与用户盒端建立RTSP 会话连接，并控制会话过程。业务平台根据用户请求，将存储在服务器上的媒体文件以RTP包的形式发送给盒端，并由RTCP 控制传输质量。盒端对接收到的媒体流进行在线播放。系统支持用户通过手动调整播放进程滚动条的位置来进行回放或跳过某些未播放的内容。

根据用户访问的热度来判断点播内容在整个CDN中的存放位置。一般情况下，中心节点存放所有的点播内容，区域节点存放大部分比较热门的点播内容，边缘节点只存放少数很热门的点播内容。系统在初次建设时一般按100%、70%、30%考虑（所有同一级别的节点存储的内容一致，均按总量的同一比例配置），后续建设时可根据实际运行情况合理进行分配。如何既保证用户访问在下级节点的命中率，又降低内容在整个CDN中对存储空间的占用，取决于系统厂家对热点内容判断的准确度，这需要厂家认真研究热点内容的判断算法，从热点的频次、时长、下发时机等多方面进行算法优化，具体的细节本文不作详述。

1.3.3 即时时移

即时时移，简称时移，是指用户可以通过PC、手机、盒端等设备对直播节目选择暂停、快退。时移功能是指直播节目流通过在CDN 中心或边缘节点上缓存固定时间，用户在观看直播过程中选择暂停、快退时，可以读取CDN节点的节目缓存来实现观看。

1.3.4 直播回看

直播回看，简称回看，是指用户可以通过PC、手机、盒端等设备选取固定时间范围内的直播节目进行回看，回看过程中可以进行播放、暂停、快进、快退、选时播放、停止等操作。直播节目流在平台中心节点或CDN 节点存储固定时间。用户在回看列表中选择固定频道、时间段的节目，观看过程同点播功能相同。

时移、回看这2种业务性质有些类似，都是把直播的内容实时录制并存放于CDN节点的存储系统，从本质上都属于点播，只是一般点播播放的内容是事先制作好的，而时移、回看是实时生成的。

2 IPTV 系统存在的问题及优化方案

2.1 缓存调度算法

在IPTV整个系统中，存储系统能力是制约用户访问能力的非常重要的因素。而决定存储系统能力的因素除了磁盘的速度、IO 之外，还有缓存命中率。磁盘的速度、IO 取决于磁盘的物理特性，缓存命中率取决于缓存调度算法。存储的访问方式分为随机访问和连续访问。目前，通用的存储系统的缓存调度算法一般是为兼顾随机访问和连续访问这2种访问方式设计的。通常1个文件会被分成很多一定大小的数据块存放到磁盘上，数据块的大小分32 K、64 K、256 K、512 K 等，不同的厂家数据块的大小不同。系统根据对数据块的访问热度来判断哪些需要调入缓存，哪些需要调出缓存。这样就会导致一个本来比较热门的文件所对应的部分数据块频繁从缓存中调入调出，将本来连续的访问变成相对随机的访问，影响了IPTV平台的服务能力，增加了磁头的移动频率和距离，也加大了设备物理特性的损耗和电源的消耗。

优化的思路是优化存储系统的缓存调度算法。

IPTV业务中文件有以下2 个特点。

a）很高的连续性。1 个流媒体文件小则几十M、多则几百M 甚至几G，在存储系统里基本都可以实现连续访问。

b）很强的热点集中度。IPTV 的文件热点很集中，时间越短集中度就越高。

基于以上特点很容易判断哪些文件比较热门，哪些文件比较冷门。1个1 T的缓存可以同时装下1 000个1 G 的文件，如果存储系统可以准确识别哪些文件比较热门，将它们同时加载到缓存里不要调出就可以了，这样绝大部分用户访问的数据都可以在缓存中命中，磁盘基本上可以处于静止状态，不需要具备很高的读写能力，也可以选用高密度盘，降低对机房空间的占用。所以，IPTV平台的存储系统需要充分利用流媒体文件的特点，基于IPTV业务中文件的特点进行调度，就可以极大地提升存储系统的整体访问速度。

2.2 边缘节点录制

目前，通常CDN 各级节点都进行直播录制，在直播的过程中全程录制，中心节点和区域节点录制所有频道，边缘节点有的录制全部频道，有的录制一部分（总频道数的1/3左右）频道。目的就是为了回看和时移这2 种业务，而这2 种业务通常情况下在整个业务中占的比例不大，区域节点和中心节点也都有一定的承载能力，承载这2 种业务没有任何问题。只有在极其特殊的情况（比如世界杯、奥运会，以及大型娱乐节目时）下才会出现这些业务激增的情况，这时区域节点和中心节点的能力有可能满足不了需求，所以在边缘节点也进行录制。仅仅为了应对这一极其特殊的场景，其代价是巨大的，在直播的每时每刻所有的边缘节点都在录制，所有的边缘节点都需要为直播录制配置软硬件资源，服务器和存储系统不停地工作，耗费巨大的能源，即使是没有一个用户访问。

平台优化的思路是如何降低直播录制的成本，既满足回看和时移这2 种业务需求，又降低边缘节点为直播录制付出的代价。

优化方案：将边缘节点直播录制的“全程录制”改为“平时不录制+特殊情况下启动极少数频道录制”。

在区域节点对每个频道都设置1 个计数器，记录每个频道的热度，在边缘节点对每个直播频道设置1个软件“录制开关”，平时边缘节点不做任何频道的录制，时移、回看这2种业务的服务提供都由区域节点和中心节点处理。区域节点时时刻刻记录每个频道这2种业务的访问次数，当某个频道的访问达到一定热度，即某一时间段访问次数达到一定阈值时，通知其下辖的边缘节点打开该频道的录制，此后，对该频道的时移、回看业务均由边缘节点提供服务，把中心节点的压力推送到边缘节点。边缘节点记录该频道的热度，当边缘节点在一定时间段内发现该频道的热度冷却到一定程度时关闭该频道的录制，同时通知其所属的区域节点，随后的访问再改回由其上级节点提供服务。

此方案有以下3个优点。

a）边缘节点在设备配置时不需要专门为直播录制配置硬件能力，包括服务器和存储，在建设时可以节约投资。

b）边缘节点全程录制时服务器和存储系统一直都在工作，付出的电费也是一笔不小的开支，而优化后边缘节点在绝大多数时间里不需要为此工作，既减少了能源的消耗，又降低了设备机械特性的损耗。

c）提高了存储系统的访问速度。目前边缘节点既要录制，又要为用户提供服务，全程录制时磁头在磁盘上连续移动完成“写”的动作，这中间一旦有用户访问的数据在这一磁盘的另外一个位置，磁头就会暂缓“写”的动作，移动到这一位置完成“读”的动作，然后再返回到写操作中断的位置继续“写”。如果不录制就可以让磁头移动的频率和距离减少，提高存储系统的读写能力。

3 结束语

目前，整个IPTV 业务还处在发展阶段，厂家为此投入的研发力量不足，IPTV平台基本处于满足业务需求的基础层次，需要提升的空间还很大，IPTV 平台需要从能用向好用、适用演进。这需要在平台建设时对参于平台建设的厂商提出更高的要求，推动厂商技术进步；同时，厂商也要改变思路，不能只求暂时的经济利益，要为节能环保以及长远的技术发展做出积极的努力，肩负起企业应尽的社会责任。

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