IPTV系统设计方案浅析

蒋 杰

（上海大学通信与信息工程学院，上海 200444）

1 引言

自2005年，国内首张IPTV牌照由广电总局颁发后，IPTV业务已在全国各大省份和运营商网络中落地。随着ITU-R BT.2020对8K/4K超高清的标准定义[1]，以IPTV为代表的互联网电视预计将迎来更快速的发展。

本文介绍的IPTV系统设计方案，从全面宏观的角度，对IPTV设计阶段中所需考虑的系统架构和业务模型进行系统性分析和介绍，以期为新建IPTV系统或类似视频业务平台提供参考和借鉴。

2 IPTV系统的架构设计方案

IPTV系统主要可分为IPTV业务平台和CDN网络。IPTV业务平台完成所有业务逻辑相关的功能实现，主要有内容管理、业务管理、导航页面管理和终端管理等功能。CDN网络完成IPTV终端请求的流媒体服务相关的功能实现，主要有请求调度功能和流媒体服务功能[2]。较为典型的IPTV系统架构图如图1所示。

图1 IPTV系统架构图

2.1 IPTV业务平台设计要求

IPTV业务平台是整个IPTV系统的业务核心，一般由内容管理模块、业务管理模块、门户管理模块和终端管理模块组成。随着互联网业务的发展，支付、社交、游戏等增值功能也都在业务平台中。

2.1.1 平台功能设计要求

（1）内容管理模块：内容管理模块主要完成对所有IPTV平台中内容资源生命周期进行管理，包括直播频道的落地、上/下线、录制，点播内容的入库、审核、上/下线，内容编排及所有音视频信号的转码。

（2）业务管理模块：业务管理模块主要完成对IPTV平台中用户-产品-订购关系这三项主要业务属性进行管理和维护，包括用户账号的开/销户管理、产品包的增删改，以及由用户-产品包关联产生的订购关系进行维护和认证鉴权查询。所谓产品包是指将单个内容资源或多个内容资源进行逻辑组合，并定义为产品逻辑，从而可支撑灵活的定价策略。

（3）门户管理模块：门户管理模块主要完成门户页面的编排、展现和业务逻辑触发反馈。门户页面又称为EPG，是IPTV业务中人机交互的主要入口。用户选择播放内容、订购关系鉴权、支付确认、反馈播放地址等一系列实现IPTV业务使用的流程环节均由门户页面实现。

（4）终端管理模块：终端管理模块主要实现

对终端的合法性管理、版本一致性维护和服务质量监测等功能。包括终端的入网注册、防盗链密钥的更新、软件版本的升级管理和收集终端探针采集的服务质量数据等。

2.1.2 平台功能组网要求

IPTV业务平台是整个IPTV的运营和管理核心，设计中应重点考虑节点规划和网络规划。

（1）节点规划。容灾性和可扩展性是IPTV业务平台节点规划的关键点。由于整个IPTV的内容资源、业务数据和请求逻辑的执行都依赖业务平台，故容灾性不仅仅需考虑备份功能，也应实现高可用性，故分布式部署是比较合适的选择。但同时应考虑到内容资源和业务数据在分布式节点上重复存储和数据同步问题，过多的节点虽然容灾性得到了保障，但存储资源将存在严重浪费，频繁改写的业务数据在节点之间的同步逻辑也将异常复杂。因此，IPTV业务平台作者认为部署为2～3个分布式节点是比较适合的方案。因为类似IPTV业务平台这种核心级的平台在部署中，一般都会对全部内部组件考虑本地的容灾机制，例如出口交换机的双机主备、数据库的主备库、服务器的集群的N：n的等，因此2～3个节点的容灾能力理论上已足以达到运营商级的最高等级安全性要求。同时，2～3个节点之间的数据同步逻辑相对简单，同步效率也能得到保障。

为保证2～3个节点的IPTV业务平台能满足长期的业务发展需求，各节点机房的预留机架资源，缆线管道资源，电力资源和空调资源均应考虑较长周期的潜在扩容需求。

（2）网络规划。在IPTV业务流程中，终端的门户访问、身份认证请求、使用鉴权请求等都需直接访问IPTV业务平台。因此，IPTV业务平台的网络特征是高频次、高并发、低延时、短连接和小流量。结合访问终端是分布在整个网络中、且业务平台的节点数较少这两点因素，建议IPTV业务平台的节点部署在整个IP承载网络的骨干层、业务平台的分布式节点之间均通过骨干层的高质量传输通道予以互联，使节点之间可高效同步内容资源和业务数据，确保各IPTV业务平台节点均具有灾难情况下对外提供完整服务功能的容灾能力。

2.2 CDN网络设计要求

CDN网络是整个IPTV系统的基础能力，承担IPTV中的所有类型音视频业务的流媒体服务，一般由调度中心、内容中心和边缘服务节点组成。CDN的基本作用是通过分布在IPTV用户接入网的边缘服务节点，以最短的网络传输距离为IPTV终端提供所请求的内容资源，减少带宽拥塞和传输劣化情况出现的可能性，保障IPTV终端的播放效果[3]。

2.2.1 调度中心设计要求

CDN中的调度中心主要承担IPTV终端请求的调度功能，根据终端的网络位置，将请求调度至距终端网络距离最新的边缘服务节点或根据请求内容调度至内容中心节点。

调度中心的节点规划一般建议为2个，互为主备；网络规划则建议部署在IP承载网的骨干层，满足全网用户的请求可用性。

2.2.2 内容中心设计要求

CDN中的内容中心主要承担IPTV内容资源的长/短期缓存、内容资源预分发至边缘服务器节点及为边缘服务节点提供回源服务。CDN的内容中心与IPTV业务平台的内容管理模块的功能差异主要在内容资源的运营环节不同。业务平台的内容管理模块是内容资源的制作、审核和运营状态的管理；而CDN内容中心是将处于上线运营状态的内容资源从IPTV业务平台分发到边缘服务节点，支撑用户的播放请求。

内容中心的节点规划可根据边缘服务节点的分布区域、节点数量进行设计。例如省级IPTV系统的业务初期，可在省会规划一至数个内容中心，根据各地市的边缘服务节点数量，每个内容中心可下辖一个或多个地市级边缘服务节点，为它们提供内容资源的分发和回源服务。

内容中心的网络规划一般建议部署在IP承载网的汇聚层，便于规划与骨干层的业务平台和接入层的边缘服务节点之间合理的传输路由。

2.2.3 边缘服务节点设计要求

CDN中的边缘服务节点主要承担为IPTV终端提供流媒体播放功能。播放所需的内容资源由上级内容中心通过预注入模式或边缘节点按需回源模式获取。内容资源可根据缓存策略存储及淘汰。

边缘服务节点的规划可根据IPTV用户数和业务模型来测算节点总量和单节点的能力。单节点的能力主要根据用户分布和运营支撑资源来评估。单点能力大，节点总量少，资源利用率高，但网络覆盖不够精准；单点能力小，节点总量大，网络覆盖精准，但运维压力大。

边缘服务节点的网络规划则建议部署在IP承载网的接入层，便于就近响应IPTV终端的播放请求。

3 IPTV业务模型设计

IPTV系统的业务模型参数主要由峰值并发率、业务功能使用率、服务响应率和内容缓存率构成。

（1）峰值并发率，评估所有IPTV终端同时上线的概率。业务初期，该数值可设定为20%。

（2）业务功能使用率，评估IPTV不同业务类型被使用的概率。因不同的业务类型可能由不同的功能组件服务，通过该使用率可将性能需求指向对应的能力系统。IPTV业务一般可分为直播、点播、回看这三类。业务初期，该数值可设定为40%、30%、30%。

（3）服务响应率，评估边缘服务节点和内容中心响应用户播放请求的比例。边缘服务节点的缓存容量一般较小，故主要用于存储热门资源为主，冷门资源的请求可适当由内容中心响应，这样可减少资源分发和淘汰的复杂度。业务初期，该数值可设定为边缘服务节点响应80%，内容中心节点响应20%。

（4）内容缓存率，评估边缘服务节点的缓存容量需求。由于服务响应率和资源比例在视频业务中根据“二八原则”有一定的对应关系，10%的资源总量约可响应50%的服务请求，20%资源总量约可响应80%服务请求，50%资源总量约可响应90%服务请求。故当服务响应率确定后，节点的缓存容量需求也可评估。

综上，根据上述业务模型，IPTV系统相关节点的服务器配置、网络带宽需求、存储容量配置都可计算出准确的需求规模。

4 结束语

本文全面阐述了IPTV系统设计过程中需考虑架构设计、节点规划、网络规划和业务模型，并对目标架构、节点设置、网络选点和模型数值均提出建议值，可对新建IPTV系统或各类视频业务系统的项目设计提供参考和借鉴。