面向廣電網絡的視頻云計算增值業務平臺

◎東南大學計算機科學與工程學院 宋士明

江蘇省廣電有線信息網絡股份有限公司 孫 庭

北京視博云科技有限公司 武振華

面向廣電網絡的視頻云計算增值業務平臺

◎東南大學計算機科學與工程學院 宋士明

江蘇省廣電有線信息網絡股份有限公司 孫 庭

北京視博云科技有限公司 武振華

針對“三網融合”新形勢下廣電運營商增值業務開展所面臨的瓶頸問題，以江蘇有線為例介紹了一種基于視頻云計算技術的增值業務平臺的設計及其實現方案。分別從平臺的總體架構、硬件平臺設計、軟件平臺設計、關鍵技術和性能等多個角度進行闡述，可為各地廣電運營商增值業務平臺的設計和建設提供一定的參考。

視頻云計算；廣電網絡；三網融合；增值業務；多終端支持

背景

在“三網融合”新形勢下，廣電運營商面臨著以IPTV、OTT為代表的互聯網視頻及直播衛星等多重業務的競爭壓力。因此，僅依靠傳統數字電視直播及VOD點播業務，實現用戶數及收入增長的發展模式，已無法維持廣電運營商的持續發展。而隨著電信、互聯網等運營商同質化業務快速發展，傳統廣電的用戶不斷流失。此外，高速發展的移動智能終端也在越來越強烈地影響著用戶的娛樂習慣，分流了大量的電視用戶，據調查統計，電視開機率已呈逐年下降趨勢。從目前國內市場來看，當前廣電運營商的發展極為不平衡，三網融合試點城市的機頂盒終端發放已由基本型向高清互動型轉變。但由于前端基礎設施與機頂盒終端發放分期建設，存量終端更替緩慢，客觀上造成了廣電網覆蓋區域內機頂盒廠家眾多、終端能力參差不齊的局面。同時廣電網絡還面臨業務內容缺乏、終端技術標準不一、終端對新業務適配周期長等問題，新業務開展和運營遇到巨大瓶頸。如何讓新的增值業務在各類能力參差不齊的終端上快速適配和開展，成為廣電亟待解決一個的問題。

本文擬對江蘇有線“云媒體電視”增值業務支撐平臺[1-2]中視頻云計算增值業務平臺進行介紹，以求為各地廣電運營商增值業務類平臺的建設提供參考。

視頻云計算技術及其特點

視頻云計算是基于云計算技術，采用視音頻作為“云端”向“終端”呈現處理結果的一種云計算解決方案。如圖1所示，應用在云端服務器上運行，將運行后的顯示輸出、聲音輸出編碼后經過網絡實時傳輸給終端，終端進行實時視音頻解碼并輸出。終端同時可進行交互操作，通過網絡將操作信令實時傳送給云端應用運行平臺以實現對應用的控制[3]。

圖1 視頻云計算原理示意圖

通過視頻云計算技術的采用，系統中的終端便可“精簡”為僅需具備網絡接入能力、視音頻解碼能力和人機交互能力的瘦客戶端，因此視頻云計算技術可突破廣電網內存量終端開展增值業務的瓶頸，提供一種實現應用和終端“對接”的有效解決方案，可有效地解決現階段廣電不斷開展的增值業務與存量終端應用運行能力不足的矛盾[4]。基于視頻云計算技術的增值業務平臺，具有可靈活支持多種云應用類型、業務更新終端免升級的優勢。其利用強大、可擴展的云端應用運行能力，在不更換和改造存量互動機頂盒的基礎上，提供堪比智能終端和PC才能運行的豐富應用，如游戲娛樂、遠程教育、商務辦公、互聯網應用、虛擬現實等。該平臺不僅可覆蓋支持多種類型終端（如互動機頂盒、手機、PAD等），還可兼容多廠商的服務器，是真正意義上的運營開放、內容開放、合作開放、云端終端開放式的運營平臺。

平臺總體架構

視頻云計算平臺繼承云計算平臺的所有特點，總體采用三層架構設計[5]，如圖2所示。

圖2 視頻云計算平臺的總體架構設計

在IT基礎設施層：從電力、空間、安全等因素進行綜合分析和考慮，使用虛擬化技術實現CPU、內存、GPU等硬件資源的虛擬池化，動態管理和調度資源，并通過鏈路冗余、負載均衡、智能電源管理及系統安全加固等技術使得平臺資源得到高效、安全的利用，并跨系統平臺支持多種類型的終端。

視頻云計算能力平臺層：其作為核心層，可對平臺所有軟硬件優化整合，實現對底層硬件資源的虛擬化調用，并對計算及應用資源進行集中管理和配置，提供對云應用的運行支撐；實現多用戶均衡的并發訪問和獨立的應用控制；通過云-終端交互協議和低時延編解碼及互動傳輸技術，保障云應用畫面及時送達和用戶控制信令的實時操作。該層作為業務運行平臺層，可為多重增值業務的云端運行提供開放的云計算運行能力。

業務管理和展現層：該層為面向用戶的云業務集中展示和云應用使用的窗口，可根據用戶權限通過業務管理系統，為用戶呈現個性化云業務門戶和云應用使用的界面。

運營管理和安全保障兩大輔助體系，可為平臺提供全面的應用上下線、審核、部署和運營的管理流程，以確保部署的應用內容和過程可管可控；并通過運營商統一的業務分發平臺（Ser?vice Delivery Platform，SDP）實現用戶AAA認證；通過平臺監控系統實時監控和保障平臺的安全穩定運行。

硬件平臺設計

視頻云計算硬件平臺邏輯上可支持中心統一調度管理，及區域分布部署服務節點方式。該方式不僅使終端接入靈活變化，且云端也容易平滑擴容和升級。在建設初期，可采用所有硬件設備物理上集中部署。典型的面向廣電雙向HFC網絡的視頻云計算硬件平臺邏輯架構設計，如圖3所示。

視頻云計算硬件平臺：主要由中心管理服務器、分前端管理服務器、云應用服務器集群、業務管理服務器等核心服務器及網絡設備構成，并輔以系統監控、中心管理網站服務器以及運營商SDP/BOSS等支撐系統。其中，中心管理服務器主要負責平臺的統一會話調度管理，并向下管理多個分前端服務器。分前端服務器可部署在各分支區域，管理該區域內云應用服務器集群，處理該區域內終端的會話請求，為接入終端分配云資源提供云服務。應用服務器集群內含2D和3D類應用服務器，其中2D服務器即為普通應用服務器，3D應用服務器帶有GPU顯卡，專用于需復雜3D圖形處理的游戲業務。

云端網絡架構設計總體上劃分為三個獨立的物理子網——碼流匯聚子網、網管信令子網和SDP接入子網，分別與運營商對應的專網互聯，每個子網內部均采用鏈路冗余和負載均衡設計。碼流匯聚子網接收云應用服務器推送的視音頻UDP/IP碼流，并由萬兆端口匯聚發往統一資源管理（Unified Resource Management，URM）系統動態分配的IPQAM目的端口；網管信令子網用于終端和云端之間的信令交互及云端系統網管；SDP接入子網為系統后臺網絡，可實現視頻云計算平臺和運營商支撐系統（如SDP、URM）的互聯。

圖3 視頻云計算硬件平臺的邏輯架構設計

Cable互動機頂盒和云端之間基于CableModem傳輸IP信令，使用DVB-C方式下行接收解碼H.264視音頻碼流。機頂盒可支持多種外設，包括各種USB HID外設和紅外遙控器。對于非Cable接入的IPTV機頂盒或其他移動智能終端，同樣也可使用視頻云計算平臺，區別在于不使用下行IPQAM資源，將直接碼流和信令傳輸融合到同一子網。

軟件平臺設計

視頻云計算軟件平臺架構設計如圖4所示，總體上由統一會話調度管理系統（Unified Session Scheduling Man?agement System，USSMS）、會話資源管理系統（Session Resource Management System，SRMS）、云資源（Cloud Resourc?es，CR）、云存儲系統（Cloud Storage Sys?tem，CSS）、中心管理網站（Central Ad?ministration Site，CAS）、業務管理系統（Service Management System，SMS）、云業務門戶以及終端八個部分組成。當前廣電運營商的終端主要為互動機頂盒，外圍的有關支撐系統為運營商已有的公共基礎平臺。

1.統一會話調度管理系統（USSMS）

USSMS部署于中心管理服務器，由全局調度、全局會話和應用數據管理三個模塊組成。主要功能為包括：負責對接入的終端用戶進行AAA認證和應用鑒權，通過后為用戶分配提供服務的SRMS；負責為每個登錄終端創建和維護全局會話信息；自動登錄CSS，為該終端分配一個應用數據在CSS中上傳下載的標識碼，作為用戶數據上傳和下載的認證，并將該標識碼同步至CR，終端退出平臺后，該標識碼失效。

USSMS的工作流程如圖5所示。全局調度模塊將終端傳入的唯一標識信息（如機頂盒序列號和智能卡號），發送給全局會話模塊，并經過SMS到運營商SDP平臺進行終端用戶AAA認證，通過后根據終端類型為其分配合適的SRMS。當終端向USSMS發起登錄請求并通過認證后，全局會話模塊將為終端分配系統唯一的會話ID，并向CSS上報終端登錄（或退出）信息及向SMS同步消費記錄等信息。當用戶在門戶上啟動某云應用時，全局會話模塊負責到SMS進行應用鑒權，通過后通知SRMS為用戶提供視頻云服務。

2.會話資源管理系統（SRMS）

SRMS部署于分前端管理服務器，由會話管理、消息網關和云資源管理三個模塊組成。主要負責維持和終端的“心跳”，如維護終端會話的生命周期，處理終端的所有交互操作，并為終端分配云資源，調度合適的云資源來響應用戶的交互操作。SRMS的工作流程如圖6所示。

圖4 視頻云計算軟件平臺的架構設計

圖5 USSMS的工作流程圖

圖6 SRMS的工作流程圖

其中，消息網關通過轉發終端的會話消息，實現終端與會話管理模塊的通信。會話管理模塊負責維護終端的會話信息，實時記錄和統計用戶操作信息并同步給USSMS，以作為SMS的計費依據。云資源管理模塊用于統一管理、分配和維護CR，其采用動態資源分配策略，可根據終端類型為用戶分配最合適的資源，并提供具體的云應用服務，如登錄云應用、啟動/停止應用、退出云服務等；在資源異常情況下可通過實時監控CR狀態，為用戶實時切換資源。由于SRMS直接影響用戶對視頻云應用的體驗，因此搭建一個穩定高效的SRMS對平臺運營至關重要。

3.云資源（CR）

CR部署于應用服務器集群，是應用運行的真實核心平臺，由虛擬化資源、視音頻編碼、應用控制代理、終端信令交互和應用數據管理五個模塊組成。其主要功能為：通過虛擬化技術將服務器硬件資源統一虛擬化，形成虛擬硬件資源池以便高效利用；統一接收終端外設的操作信令，并以桌面為資源單位，為接入終端在相應分配的虛擬硬件上啟動視音頻編碼資源，通過應用控制代理實現云應用的實時遠程操作。應用數據管理模塊負責在用戶退出云應用和再次啟動該應用時，分別對CSS上傳和下載用戶的個性化存檔數據（如應用退出前最后一刻的狀態數據）。CR工作流程如圖7所示。

4.云存儲系統（CSS）

CSS為視頻云計算平臺提供數據存儲服務，負責存儲云應用的配置數據，用戶個性化存檔和用戶賬戶等信息，其工作流程如圖8所示。CSS以動態庫形式與USSMS、CR及SMS直接對接。USSMS自動登錄CSS，為接入用戶創建應用存檔目錄和一個上傳下載的標識碼，并標識終端的登錄和退出；SMS通過調用CSS實現相關的用戶賬戶管理功能，如賬戶的創建、注銷及密碼修改等；CR則通過調用CSS對用戶個性化應用存檔數據進行上傳（備份）和下載（還原）。

圖7 CR的工作流程圖

5.中心管理網站（CAS）

CAS基于B/S架構設計，部署于CAS服務器，負責對平臺的資源和運行狀態進行集中管理和監控，在CAS架構的設計中，實現了部署管理、應用管理、系統管理和平臺監控四個子系統。

部署管理實現SRMS配置、服務器資源自動搜集與管理、軟件模塊的部署和配置、日志管理以及對軟件模塊的控制功能；應用管理實現云應用的分類創建，應用部署以及運行參數等信息的管理，通過指定特定范圍的應用服務器，對應用進行遠程批量的安裝、升級、卸載操作，并對已部署應用提供分類、查找、上線、下線等管理功能。系統管理實現平臺的權限管理、日志管理、基礎數據管理及密碼管理等功能。平臺監控實現對平臺系統級、硬件設備級和軟件模塊級的資源實時監控，并提供必要的服務器軟件和模塊遠程重啟等異常處理手段。

6.業務管理系統（SMS）

通過SMS可實現云業務系統的統一界面管理，多角色管理員的管理，并可為USSMS、CSS、運營商SDP/BOSS等系統提供信息接口（如圖9所示），此外，還可提供對視頻云計算增值業務平臺實際運營的支持。

圖8 云存儲系統的工作流程圖

SMS主要包括運營系統管理、運營支撐系統和業務計費網關三部分功能。其中，運營系統管理基于B/S架構，可為管理員提供對云業務的費率、產品信息、用戶信息及系統數據字典等信息的統一管理；運營支撐系統可實現與USSMS的應用和消費信息同步，并為云業務門戶提供應用鑒權、產品訂購等功能；業務計費網關則提供對到運營商SDP/BOSS的接口，以實現用戶AAA認證、用戶查詢、產品訂購以及核對賬單等功能。

圖9 SMS的工作流程圖

7.云業務門戶

也稱終端門戶，是視頻云計算平臺的軟資源，作為一種特殊的云應用，是用戶登錄后看到的第一個界面。用戶可通過該門戶實現云業務訂購、應用啟動、賬戶查詢等操作。云業務門戶相比于傳統機頂盒移植庫生成EPG方式有明顯優勢，可支持較為復雜的用戶界面設計和更廣泛的應用類型，提供較好的用戶體驗。圖10所示為江蘇有線運營的云游戲業務門戶。

圖10 云游戲業務門戶

8.終端

終端軟件平臺主要由云-終端交互協議、視音頻解碼和外設數據采集構成，可實現云端和終端的實時交互、云應用（含門戶）畫面呈現的功能。采用低時延USB遠程映射技術實現標準USB HID外設和云應用實時交互，使得需要更多外設支持的應用可在配置較低的終端上使用。云-終端交互協議、外設數據采集以移植庫的形式運行，可實現跨平臺移植并運行于多種類型終端，而視音頻解碼模塊則需要根據相應軟硬件平臺進行低時延優化。

平臺關鍵技術和性能

視頻云計算平臺具有高并發、低時延、跨終端支持等特點，離不開以下幾點關鍵技術：

1.負載均衡和緩存

平臺內部對會話管理、資源調度和網絡鏈路多個層面均使用負載均衡策略，并利用數據緩存和異步消息處理機制提高平臺的高并發處理能力。以單臺雙4核CPU的中心管理服務器為例，可支持每秒1 000臺終端同時請求的接入，同樣配置的每臺分前端服務器可支持5 000用戶同時在線。

2.低時延編解碼

通過對標準H.264編碼算法改進，結合DVB-C傳輸通道，采用創新的編碼調度算法，優化3D渲染顯示，降低顯示時延；基于Slice技術優化編解碼流水線，可提高編碼、發送、解碼的速度。該技術可實現云端編碼時延不大于50ms，終端解碼時延不大于60 ms。綜合雙向網絡傳輸、IPQAM調制等環節，總時延（不含電視機顯示時延）不大于140ms，用戶使用無明顯時延感。

3.應用虛擬化

應用虛擬化是視頻云計算平臺的基石。其采用定制的虛擬化技術，在同一臺物理服務器上實現多用戶可以獨立運行不同應用而互不影響。尤其通過對開源Xen的底層虛擬化架構的改進，采用PCI-Passthrough技術實現虛擬機系統對多塊顯卡的軟熱插拔和透傳調用，實現了基于3D應用的虛擬化，大大提高了昂貴顯卡資源的利用率。該技術可實現單塊普通顯卡支持8～10路3D游戲應用。

4.低時延遠程USB映射

通過在終端移植USB HID外設采集庫，當有USB HID外設插入終端時，采集庫可自動加載驅動識別該外設，并用中斷方式采集外設的原始數據描述符，并基于UDP/IP協議快速發送至云端。云端收到信息后進行數據解析還原出外設數據格式，最終實現對云應用的操作。該技術可實現對所有標準USB HID外設操作數據的低時延網絡傳輸。

小結

視頻云計算平臺作為云計算技術在有線電視領域的創新應用，可促使廣電運營商深度挖掘現網存量機頂盒的潛在價值，快速開展豐富的增值業務應用以面對三網融合激烈的業務競爭。視頻云計算增值業務平臺的建設不但規避了大規模部署智能終端而帶來的投資回報的不確定性，對原有投資也是個很大節約。更能為將來全面覆蓋手機、Pad、PC等家庭多屏終端提供有力的支持，充分利用云端資源，增強用戶黏著度。

[1] 王偉，李鑫.江蘇有線云媒體電視平臺研發與實踐[J].有線電視技術，2012（12）:136-142.

[2] 占億民，薛留忠.應用云計算技術打造廣電網絡開放業務平臺[J].廣播與電視技技術，2012（10）：98-104.

[3]李華宇.運營商拓展增值業務利器——視頻云計算系統[J].電視技術，2013，37（20）：46-48.

[4] 肖陽，寧艷芝.視頻云計算技術打造云時代互動電視增值業務運營平臺[J].廣播與電視技術，2013（3）:117-120.

[5]RHOTON J.云計算企業實施手冊[M].朱麗，姜怡華，譯.北京：機械工業出版社，2011.

宋士明（1985—），碩士，工程師，主研分布式系統與云計算、計算機網絡及其應用；

孫 庭（1981—），本科，工程師，主研廣播電視傳輸、系統規劃與設計；

武振華（1977—），本科，北京視博云科技有限公司總經理助理，主研數字電視、云計算解決方案與設計。

TN943；TN915

B

【本文獻信息】宋士明，孫庭，武振華.面向廣電網絡的視頻云計算增值業務平臺[J].電視技術，2014，38（18）.