广电运营商统一资源管理系统URM的技术设计

阮烜强+朱锦程

摘要：广电网络运营商的各服务系统采用独立的资源管理系统对IPQAM进行资源管理，服务系统间资源无法共享，造成IPQAM资源的浪费。该文针对此广电网络的资源利用问题，提出了URM（统一资源管理系统）的技术解决方法并给出了设计方案。

关键词：广电；资源管理；URM

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0031-03

1 URM系统设计背景

在当前互动电视、IPTV、OTT互联网电视激烈的竞争下，广电网络运营商需要通过独立运营、合作运营、租赁等多种方式，借助既有的网络平台及运营平台为用户提供丰富的数字电视多媒体业务。由于广电网络天然的技术特性，需要借助IPQAM將服务流调制到某一频点上通过HFC网传到用户终端。随着互动多媒体业务的不断发展和用户规模的不断扩大，对IPQAM频点资源的需求也日益迫切。

目前，大部分广电网络运营商的各服务系统采用独立的资源管理系统对IPQAM进行资源管理，服务系统间资源无法共享，造成IPQAM资源的浪费。因此，需要一套全网统一的IPQAM资源管理系统，根据目前现有的服务能力和规模，以及未来业务的发展对频点资源进行统一规划，实现资源的共享、调度和管控。

2 URM系统的实现目标

统一资源管理系统URM主要是为了实现以下目的：在广电运营商运营过程中，为各服务系统提供IPQAM共享资源，并进行统一的资源分配；考虑到未来业务的发展，在保证对服务系统进行资源管控的同时，可将未来新增服务系统纳入到URM体系中；基于分层的IPQAM设计，URM支持两级IPQAM间的资源互补；兼容NGOD R6/D6/S6接口规范，与服务系统、IPQAM等实现对接；部署URM后，不会导致原有服务流程增加较大的延时。

3 URM方案

3.1 总体架构

统一资源管理URM为多服务系统提供统一的IPQAM共享资源池，并实现对资源的管理、分配和调度。其包括了：统一资源管理系统、统一资源注册节点和统一资源调度节点，以及共享资源管理模块。其中，统一资源管理系统包括了：信息维护、资源管理、策略管理、资源监控、设备监控及系统管理；资源注册和调度节点包括：资源注册、资源同步和负载均衡。共享资源管理模块负责对全网IPQAM资源信息进行管理，并向统一资源管理系统做数据上报。

3.2 资源管理模型设计及资源分配管理

URM系统从资源的逻辑模型来看，分为三层：应用层、网络层、资源层。应用层定义申请IPQAM资源所需要的应用信息，用户访问业务后携带了APP ID或应用信息向服务系统申请资源。APP ID在URM应用表中定义了相关的业务属性，如码流带宽、编码格式，是否加密等。 网络层定义Region ID参数。用户通过服务系统申请资源时，URM根据其携带的Region ID参数判断其所属的区域，为服务系统确定可选的IPQAM资源范围。资源层为用户访问业务构建一个共享资源池，处于不同区域的用户通过服务系统在资源池中申请到可用资源。并且由于HFC网络的组网情况以及IPQAM设备的部署情况，可以实现频点资源在HFC网络上的复用。

URM采用基于策略的分配方式为用户分配可用资源。整个资源分配过程分为三个阶段，第一阶段定位到分配资源的IPQAM设备，第二阶段通过IPQAM频点表确定可用频点资源，第三阶段再通过IPQAM信道表分配可用的信道资源。其中，第一阶段通过区域表、用户区域和频点对应表来选定分配资源的IPQAM设备。区域表定义了用户所属于的服务区，用户开机时携带Region ID参数；用户区域和频点对应表中，每个区域都对应了若干个IPQAM设备，属于某个区域的用户只能在该区域对应的IPQAM设备中进行选择。在限定区域中，通过策略（如优先级、业务类型）选择其中的某一台IPQAM设备。第二阶段，根据服务系统携带的APP ID（或is HD应用参数）在应用表中找到业务需要的码流带宽，在频点表中，通过频点总带宽、剩余带宽、总信道数、剩余信道数等参数进行综合分析，最终确定选择的可用频点资源。频点总带宽根据IPQAM的调制方式有所不同，如64IPQAM调制总带宽为38Mbps，剩余带宽表示可用的带宽，总信道数表示一个频点上可分配的最大信道数（即一个频点上可传输的ES节目流数），剩余信道数表示还可为服务系统分配的信道资源。资源分配模块通过APP ID（is HD应用参数）在剩余带宽中判断是否有可用的带宽资源，并在剩余信道数中判断是否有可用的信道资源，在保证带宽和信道都可分配的情况下，确定选择的频点资源。第三阶段，在确定选择的频点资源后，在信道表中分配信道资源，包括信道PID和UDP端口。

统一资源管理系统URM针对不同的服务系统，采用基于弱资源管控的注册模式和基于强资源管控的分配模式。

“注册模式”是指服务系统自身具备资源管理和分配能力，URM对服务系统的资源管控只提供注册功能。URM在接收服务系统提交的分配资源后，根据其注册的资源状态判断资源是否可用。注册模式服务系统与URM通过松耦合交互，在约定的时间内未收到URM返回的响应，服务系统直接使用该资源，减少URM对服务系统的侵入。采用注册模式，可能会造成服务系统间资源的冲突。

“分配模式”是指URM为服务系统分配资源，并对资源占用情况进行审核与注册。服务系统与URM通过紧密耦合进行交互，互相强烈依赖。服务系统将URM串入服务过程，可以保障所有分配模式下的服务系统间资源共享，并且互不冲突。服务系统基于分配模式向URM发起资源分配请求时，“资源调度节点”基于策略为服务系统分配资源，并向“资源注册节点”发起资源占用审核报备。 在分配模式下的服务系统的资源管控由资源调度节点统一提供，可有效服务系统分配资源互不冲突。同时，分配模式对服务系统进行强入侵接入，服务系统对URM有很强的依赖性。endprint

3.3 URM关键技术

统一资源管理系统URM负责为全网多业务提供IPQAM资源分配、调度和管控，因此需具有很强的业务适应性。采用数据同步技术和负载均衡技术可保证URM具有很强的平滑伸缩性。

从数据层面上讲，URM单台能力设备（资源注册设备或资源分配设备）只可提供有限规模的服务能力，当业务和用户达到一定的规模时可以通过增加能力设备数量来提高系统处理能力。URM采用数据同步技术来保证能力设备之间数据的一致性。从业务层面上讲，URM接收服务系统请求时需选择合适的能力设备返回响应。URM采用负载均衡技术接收服务请求，根据能力设备的健康状态及负载压力，将服务系统的请求重定向到新增的负荷压力较小的能力设备上。

广电运营商网络采用IPQAM技术为终端用户提供数据服务，每一个数据服务独占一个信道（频点+PID），若系统为两个或多个服务分配到相同的频点/PID时就会发生资源冲突，后连接到IPQAM的业务可能无法正常为用户提供数据服务。

在URM環境下，通过共享的资源池能有效减少冲突，但在这几种情况下，存在冲突可能：1）数据失同步：由于系统或网络故障，会出现资源管控流程中资源数据不一致，从而导致资源分配冲突或资源未能有效释放等情况的发生；2）注册模式下的响应不及时；可在以下几个方面对冲突处理进行优化：资源同步机制：URM负责为全网多服务系统提供统一的IPQAM资源池，并在分配、审核、注册等多个环节为多服务系统提供IPQAM资源管控。通过对资源在服务系统与URM之间进行数据同步，保证服务系统资源分配的准确性和实时性。在注册模式下，服务系统自身的统一资源管理系统提供对资源的管理能力。服务系统每次为用户分配资源时，都需要将资源的分配情况上报到资源注册节点。正常情况，审核通过的资源占用信息会被记录。由于网络或设备故障造成注册节点未能及时相应，服务系统已经分配资源未能在URM共享资源管理模块正常记录，当其他服务系统分配到该资源时就有可能造成冲突。因此需要采用资源同步机制，定期批量的将服务系统的资源分配信息同步到共享资源管理模块，以减小资源分配冲突的发生。在分配模式下要实现服务系统与资源调度节点的资源同步。当服务系统完成一个流服务并请求释放资源时，会向资源调度节点请求资源回收，资源调度节点向资源注册节点确认后记录资源释放，并与IPQAM设备释放会话连接，同时，返回响应给服务系统，服务系统会通知流服务器停止向IPQAM设备吐流。若在某一瞬时发生网络故障，资源调度节点未接收到该资源释放请求，因此该资源在资源调度节点仍处于占用状态，而实际该资源已被释放。通过资源调度节点与服务系统不定期地进行资源同步和比对，调整资源状态的准确性。

在分配模式下，由于服务系统与URM资源的不同步会造成资源分配冲突。可采用预分配机制，服务系统从URM预先分配批量的IPQAM资源，多服务系统可在预分配的资源中获得可靠的IPQAM资源。

通过多服务系统之间资源分配请求顺序来尽量降低冲突发生。例如，对于全网IPQAM资源，服务系统A采用顺序方式请求频点资源，服务系统B采用倒序方式请求频点资源。在服务系统间请求资源发生重叠时才有可能发生资源分配冲突。

URM是一个复杂的资源管理系统，在为服务系统分配资源时会受到多方面因素的影响，如IPQAM的品牌/型号、用户类别及所属区域、业务类型等。如不对服务系统请求资源进行合理的规划和分配，就会发生网络带宽消耗过大、频点资源分配效率低等情况。URM基于策略面向全网多服务系统提供IPQAM资源分配，以确保资源分配更加合理。

URM依据区域信息（RegionID）、应用信息（APPID等）、剩余可用资源阀值、IPQAM健康状态、IPQAM设备的使用优先级/权重（业务优先级、是否支持R6/D6）、IPQAM设备的实际资源状态等参数进行配置。Region ID是用户向服务系统请求资源时携带的参数，它表明用户所属的区域，资源分配策略根据Region ID为所属某一区域的用户提供与之对应的IPQAM资源池。应用信息（包括APP ID或 is HD等）是用户访问业务系统（如EPG）时获取的参数，资源调度节点根据应用参数选择IPQAM设备，并在IPQAM设备上分配所需带宽的资源。剩余可用资源阀值是指IPQAM设备可用资源占总资源的比例。资源调度节点判断阀值，优先将大于阀值的IPQAM资源分配给服务系统。资源调度节点在分配资源时，首先筛选出健康的IPQAM资源，再根据相关策略分配资源。资源调度节点对服务系统具有较强的资源管控能力。通常，由于IPQAM资源紧张或IPQAM资源被用户长时间占用，需要对资源进行强制释放。

3.4 URM特点

统一资源管理系统URM具有下列特点：开放兼容性、冗余扩展性以及灵活部署能力。URM基于模块化设计，提供开放的接口实现与服务系统、IPQAM的外部系统的对接。其具有良好的安全冗余性和扩展性，通过负载均衡和数据同步等技术使系统集群化，避免单点故障造成的系统瘫痪；并可通过增加能力设备线性扩展系统的处理能力。同时，URM采用分布式的两级部署架构。在统一资源管控的情况下，实现对共享资源的分布式处理，并根据目前现网IPQAM设备的部署情况提供本地资源和全局资源管理的两级管控。可根据外拓业务的需求，将整套URM直接部署在外拓平台侧，实现外拓节点对自身IPQAM资源的管理。对业务适应能力强，根据业务类型或特点，应在减小URM对服务系统入侵情况下选择合适的资源管控模式。

4 URM系统设计方案

统一资源管理系统URM主要实现设备级监控和应用级监控，并对全网信息进行维护和管理。包括：信息维护、资源监控、设备监控、信息维护、资源管理、策略管理和系统管理

信息维护是指系统支持对全网信息的维护，包括全网IPQAM资源状态信息、全网IPQAM设备状态信息，全网设备运行状态等，即通过数据采集接口获取共享资源管理模块的资源状态、通过数据采集接口从共享资源管理模块获取IPQAM的状态、通过设备上报接口获取资源注册节点和资源调度节点设备的运行状态；URM对通过共享资源管理模块采集的IPQAM资源信息（管理信息包括：频点、信道、带宽、业务类型等）进行管理，也可通过配置界面手工录入IPQAM资源配置，并通过接口发布到共享资源管理模块。URM系统支持根据区域信息、应用信息、带宽需求、设备优先级、IPQAM资源阈值等参数配置多种资源策略，将资源分配策略下发到资源调度节点，由资源调度节点控制策略的状态。可实现对全网IPQAM设备及IPQAM资源的监控管理。对全网IPQAM设备及资源进行监控，对全网的IPQAM资源状况通过共享资源管理模块定期采集的方式获取，资源的信息包括：占用的频点、信道、带宽、业务类型等。资源监控模块可以监听上报的运行参数，并记录日志，根据日志统计分析，生成全网IPQAM资源运行情况报表。URM系统可以实现对统一资源管理系统URM的设备监控。资源调度节点和资源注册节点的设备通过接口向统一资源管理系统上报设备状态信息，参数信息包括了：磁盘运行情况、CPU负载情况、带宽状态，以及网络错误等，并记录日志，根据日志统计分析生成系统运行情况报表。

5 总结

统一资源管理系统URM基于开放性、兼容性、可扩展性设计原则，实现了对广电运营商全网IPQAM资源的共享、调度和管控，并可在未来接入其他的服务系统，预期URM系统将在各运营商中进行大规模开发部署。

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