基于HFC網(wǎng)絡(luò)的視頻點播系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

張茂華 (三明學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建 三明 365000)

基于HFC網(wǎng)絡(luò)的視頻點播系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

張茂華 (三明學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建 三明 365000)

基于HFC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種視頻點播系統(tǒng)，并探討了HFC視頻點播系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。闡述了視頻點播系統(tǒng)的系統(tǒng)框架，研究了視頻點播系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置以及VOD阻塞解決方案，并對視頻點播服務(wù)過程、條件接收系統(tǒng)和VOD軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。

HFC網(wǎng)絡(luò)；視頻點播系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)配置；服務(wù)過程；條件接收系統(tǒng)；軟件結(jié)構(gòu)

視頻點播(VOD，Video On Demand)，也稱為交互式電視點播系統(tǒng),從根本上改變了用戶在過去觀看電視的被動的缺陷,它不需要購買磁帶或VCD光盤，不需要錄像機(jī)或VCD播放機(jī), 能直接收看點播內(nèi)容，能提供豐富的節(jié)目源和美觀的圖像。近年來，有線電視已取代模擬電視、數(shù)字電視等，不僅可以更好地履行其傳輸電視信號的功能，并且可以完成各種各樣的寬帶綜合服務(wù)業(yè)務(wù)，這也為 VOD業(yè)務(wù)的開展提供了可能。但是，VOD是面向?qū)嶓w用戶提供的互動業(yè)務(wù)，需要對每個用戶的請求作出響應(yīng)，并且每個用戶的請求在時間和內(nèi)容上都有所區(qū)別，這要求首先在服務(wù)端上能夠準(zhǔn)實時響應(yīng)用戶請求。其次，要在網(wǎng)絡(luò)傳輸線路能夠承載響應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)，必須找到一個合理的成本提高網(wǎng)絡(luò)容量的方法。解決這個問題的一個極其出色的方案是HFC(Hybrid Fiber Coax，光纖同軸混合網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實現(xiàn)[1-4]。這種技術(shù)的引入使得最初為視頻業(yè)務(wù)而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)能夠為各種指令、交互式視頻、數(shù)據(jù)和語音通話業(yè)務(wù)提供可靠的帶寬。下面，筆者基于HFC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種視頻點播系統(tǒng)，并探討了HFC視頻點播系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

圖1 系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)框架如圖1所示。HFC網(wǎng)絡(luò)是一種多媒體通信網(wǎng)絡(luò)，主要作用是傳輸、交換用戶點播的各種信息和控制信息HFC網(wǎng)絡(luò)具有高靈活性和雙向性，服務(wù)系統(tǒng)既可以從其前端向視頻點播用戶傳達(dá)信息，也可以通過用戶前端發(fā)送服務(wù)器的信息(上行)。該系統(tǒng)主要采用小區(qū)服務(wù)的概念，視頻服務(wù)器主要在區(qū)域前端，設(shè)計的系統(tǒng)主要是在這個局域網(wǎng)里的一個小的子網(wǎng)。

系統(tǒng)的設(shè)計采用頻分復(fù)用的模式實行，其上行通道的頻段大致為5～42MHz，其中8～12MHz傳輸?shù)臑閂OD指令；下行通道一般的頻段設(shè)為50～750MHz，在這一頻段中再分成2段，其中50～550MHz頻段用來傳輸60～80路模擬的CATV訊號，550～750MHz頻段則發(fā)揮傳輸視頻點播系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)在下行通道部分使用了64QAM的調(diào)制系統(tǒng)及4Mbps速率的MPEG-2圖像傳播處理訊號系統(tǒng)，視頻點播業(yè)務(wù)的200MHz帶寬部分大約有25路8MHz的模擬信號系統(tǒng)通路，一個模擬的信號系統(tǒng)通路大約可以傳送8路MPEG-2的圖像處理信息，傳輸大約20路VOD訊號，可以滿足大約200個用戶同時點播視頻[5-6]。

1.1VOD系統(tǒng)前端設(shè)計

一臺高速運(yùn)轉(zhuǎn)且具有高質(zhì)量的計算機(jī)設(shè)備通常會作為視頻服務(wù)器的前端部分，其主要目的是為了滿足用戶對于點播節(jié)目的需要，包括存儲、備份和查閱搜索等。這臺計算機(jī)設(shè)備需要能夠同時獨(dú)立傳輸并運(yùn)行1000個以上的獨(dú)立視頻流，這個系統(tǒng)是基于UNIX的Oracle Video Server服務(wù)器。這些節(jié)目同時存儲在視頻服務(wù)器的存儲區(qū)域中，由音、視頻庫組成，以VCD和DVD的模式存在，儲存采用的處理程序是MPEG-2編碼，儲存的節(jié)目可達(dá)數(shù)千小時。這種高容量的視頻處理器的主要功能就是負(fù)責(zé)將用戶點播的節(jié)目盡享編碼、壓縮，將編碼、壓縮后的數(shù)據(jù)附注到需傳輸?shù)男畔⑺ㄋ黝悇e中，最后再輔以糾正，一般包括編碼器、壓縮器等部分。除此之外，還有加擾調(diào)制系統(tǒng)，其在視頻信號處理器中的作用是加擾用戶點播的節(jié)目的基帶數(shù)字信號。

1.2VOD路由與網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計要求在為用戶與服務(wù)器提供者之間提供良好的交互操作的情況下進(jìn)行，以下的設(shè)計僅對調(diào)制解調(diào)器(Cable Modem)部分進(jìn)行介紹。為了使每個電纜式調(diào)制解調(diào)器能夠滿足多個用戶的驅(qū)動，需要采用內(nèi)部具有集線器多端口的電纜式調(diào)制解調(diào)器，還需要再加裝5～1000MHz的分支配器，并且要求分支配器的屏蔽性能要較好。電纜調(diào)制解調(diào)器通常意義下解調(diào)器，它既是加密和解密設(shè)備，又是網(wǎng)絡(luò)接口卡和太網(wǎng)集線器，有的還可以作為橋接器。電纜調(diào)制解調(diào)器服務(wù)系統(tǒng)需要提供一個標(biāo)準(zhǔn)的接口，使得客戶的個人電腦能正確連接到局域網(wǎng)部分，一旦電纜調(diào)制解調(diào)器和集線器連接正確，可以為15臺電腦提供寬帶服務(wù)。圖1中的CMTS是調(diào)制解調(diào)器系統(tǒng)終端部分，CMTS系統(tǒng)作為整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要部分，與HFC網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)管理中心相連接。

2 VOD網(wǎng)絡(luò)配置與阻塞解決方案

2.1VOD網(wǎng)絡(luò)配置

注：MTS-uBR7246路由器：插有MC-26調(diào)制解調(diào)器卡的電纜調(diào)制解調(diào)器；UM-VOD視頻服務(wù)器：基于UNIX操作系統(tǒng)的服務(wù)器；SrV1-PDC：基于WindowsNT4.0的系統(tǒng)服務(wù)器，其主要提供動態(tài)主機(jī)配置服務(wù)協(xié)議；Router-DDN接入路由器系統(tǒng)計算機(jī)PC用戶；WAN ：廣域網(wǎng)；DDN(Digital Data Network，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)，即專線上網(wǎng)方式)：適合這些業(yè)務(wù)發(fā)展的一種傳輸網(wǎng)絡(luò)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)阻塞的防制解決辦法

服務(wù)器SrV1、SrV2通過CMTS及UM聯(lián)結(jié)上HFC網(wǎng)絡(luò)，然后響應(yīng)各個用戶的視頻點播(VOD)需求，這種需求經(jīng)過CM1等電纜式調(diào)制解調(diào)器的解碼后與HFC實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對接，最終致使整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2VOD阻塞解決方案

在HFC網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)有N種業(yè)務(wù)類型，每種業(yè)務(wù)類型的流量強(qiáng)度為A，定義為A1，A2,…,An，該業(yè)務(wù)的每個連接所用的數(shù)目為C個，系統(tǒng)的總帶寬數(shù)目也為C，堵塞率為G1，G2，…，GC。通過流量分析和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的改進(jìn)，得到新型的VOD網(wǎng)絡(luò)點播系統(tǒng)阻塞解決方案如圖3所示。實體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的反饋結(jié)果表明，筆者提出的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和堵塞解決方案能夠在滿足指定服務(wù)性能的前提下，均勻化最小化堵塞[7-9]。

3 VOD服務(wù)過程設(shè)計

視頻點播服務(wù)用戶通過自己的視頻點播終端，向最近的視頻點播服務(wù)接點發(fā)出一個訊號呼叫，要求使用視頻點播服務(wù)業(yè)務(wù)，用戶傳播的訊號會通過有線電視的HFC網(wǎng)絡(luò)上行通路對總服務(wù)器發(fā)出訊號，總服務(wù)臺在接收信號之后會要求用戶在所用的電視屏幕上顯示出點播的目錄列表。總服務(wù)臺還會請求對用戶的身份信息進(jìn)行核實，一方面判斷用戶是否符合使用權(quán)限，也方便了記錄下用戶身份。接著用戶會要求總服務(wù)臺播出節(jié)目，這是總服務(wù)臺進(jìn)過審核之后，在較短的時間內(nèi)播放出用戶要求的電視節(jié)目，達(dá)到要求。并做好接待下一個用戶傳播新號的準(zhǔn)備，以此類推，不斷重復(fù)、循環(huán)完成VOD服務(wù)的總過程。

為了能夠確保及時、正確的通過網(wǎng)絡(luò)傳送音視頻格式的文件，VOD服務(wù)系統(tǒng)將在接收到用戶的傳播信號之后將聲音、圖像等媒體文件通過視頻終端服務(wù)器二次向用戶進(jìn)行傳送，這樣節(jié)省了下載整個視頻文件的時間，保證了用戶在較短時間內(nèi)就可以觀看節(jié)目，這種傳播的方式也叫流式傳播。

在服務(wù)系統(tǒng)將在接收到用戶的傳播信號之后將聲音、圖像等媒體文件通過視頻終端服務(wù)器二次向用戶進(jìn)行傳送之時，剩余的媒體文件會由終端服務(wù)器進(jìn)行下載直至完成。該系統(tǒng)的設(shè)計主要使用了微軟的FLV媒體格式。

4 條件接收系統(tǒng)設(shè)計

視頻點播業(yè)務(wù)是一項收費(fèi)的業(yè)務(wù)，用戶經(jīng)過授權(quán)后才能享用視頻點播服務(wù)。這種有條件地接收稱為CA(Conditonal Acception)。筆者設(shè)計的系統(tǒng)的接收條件是通過VOD認(rèn)證服務(wù)器檢查用戶的ID號碼，從而實現(xiàn)用戶身份認(rèn)證的一種過程。該種做法是通過請求服務(wù)用戶的IP地址，然后將所需視頻內(nèi)容傳輸給通過認(rèn)證的點播客戶。判斷用戶終端是機(jī)頂盒服務(wù)器還是一個CM，如果是機(jī)頂盒，則需要通過系統(tǒng)CA授權(quán)卡編號給與電視節(jié)目服務(wù)，有效地對點播的節(jié)目實現(xiàn)加擾的控制，并確保用戶點播收看的合法合理性。在圖1中，CMTS 的認(rèn)證位于服務(wù)器系統(tǒng)的前端部分，而條件接收系統(tǒng)則位于有線電視臺中央服務(wù)器的前端，這就要求在中央服務(wù)器前端的條件接收系統(tǒng)與視頻點播系統(tǒng)之間有一項能實現(xiàn)交互信息的操作系統(tǒng)，它能將中央前端的服務(wù)器中的用戶信息存放在認(rèn)證服務(wù)器中，還可以為中央前端發(fā)送自身的認(rèn)證信息。這種條件接受的設(shè)計就保證了點播用戶在收看節(jié)目時的唯一性和可靠性[10]。

5 VOD軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

應(yīng)用系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計使用C++語言，系統(tǒng)協(xié)議是基于HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。前端數(shù)據(jù)庫采用Oracle數(shù)據(jù)庫。C++通過CDBC連接數(shù)據(jù)庫，即驅(qū)動管理器程序，可以做到動態(tài)有效地維護(hù)數(shù)據(jù)庫查詢所需要的程序模塊和對象，以及不同種類的數(shù)據(jù)庫，CDBC是C++和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間的接口，所以，必須首先要創(chuàng)立“數(shù)據(jù)庫URL”系統(tǒng)：用“CDBC”選擇協(xié)議“CDBC-ODBC”橋接，然后再根據(jù)ODBC的子協(xié)議的同一標(biāo)識為“vod”數(shù)據(jù)庫，即視頻點播數(shù)據(jù)庫。

6 結(jié) 語

HFC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天，在形式、內(nèi)容上實現(xiàn)了用戶與系統(tǒng)間的電視互動，在一定程度上決定了未來信息高速公路的發(fā)展，同樣也將成為未來信息服務(wù)業(yè)、寬帶服務(wù)業(yè)、視頻點播業(yè)的樞紐部分。隨著使用用戶的增多，人們對其作用認(rèn)識的加深，相信在日后會得到更為廣闊的發(fā)展空間

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.04.040

TP393

A

1673-1409(2012)04-N114-03

2012-02-15

張茂華(1974-), 男，1996年大學(xué)畢業(yè)，實驗師,現(xiàn)主要從事教育技術(shù)、視頻技術(shù)等方面的研究工作。