基于NGOD架構的VOD系統邊緣設備接口設計

李 超，劉怡俊

（廣東工業大學 計算機學院，廣東 廣州 510006）

基于NGOD架構的VOD系統邊緣設備接口設計

李 超，劉怡俊

（廣東工業大學 計算機學院，廣東 廣州 510006）

為方便數字電視設備商能夠開發出滿足互動服務中邊緣資源管理系統的功能要求，設計并實現了一種基于NGOD架構的對邊緣資源注冊監控與管理分配的接口。邊緣設備通過該接口與ERM交互，使VOD系統中的邊緣資源可以得到合理高效的使用。實驗結果表明，采用D6，R6接口的EdgeQAM能夠順利掛載在廣東省網高清互動平臺。

NGOD架構；D6接口；R6接口；EdgeQAM；RTSP

隨著中國有線數字電視接入用戶和高清互動業務的高速增長，業務運營規模的急劇擴大，使得邊緣設備數量不斷增加，對邊緣設備的使用也日趨復雜[1]。由美國Comcast公司提出的開放式標準化視頻架構NGOD（Next Generation on Demand）[2-3]已經被國內越來越多的廣電運營商采用，數字電視前端設備支持標準化視頻架構成為國內設備商急需解決的問題。國外數字電視設備供應商美國哈雷公司（Harmonic Inc）NSG系列EdgeQAM平臺和思科系統公司（Cisco Systems Inc）IPQAM設備都支持NGOD架構[4-5]。國內數字電視業務起步晚，只有數碼視訊等少數幾家設備商支持NGOD架構。為此，筆者設計并實現了一種基于NGOD架構的D6，R6接口，為設備商的邊緣設備接入NGOD平臺提供了較高的參考價值。

1NGOD架構

新一代視頻點播服務的基本架構NGOD是由有線電視服務商美國康卡斯特電信公司（Comcast Corp.）提出的一種網絡框架結構，已經逐漸取代ISA架構。為滿足不斷更新的視頻業務的部署需求，NGOD采用模塊化、靈活性、可擴展性的視頻架構以支持多種業務。NGOD架構中，采用ERM來實現邊緣資源的管理和分配。ERM的邏輯功能分為設備發現功能和資源管理功能，D6接口[6]用于動態發現邊緣設備，R6接口[7]用于邊緣資源的分配和回收，兩者相互獨立，同時，R6接口和邊緣設備通信前，需要從D6接口來收集自己管理的資源信息。如圖1所示為NGOD架構中的邊緣組件架構圖。

本文的工作重心為NGOD架構下EdgeQAM端D6、R6接口的設計與實現。

2 D6接口的設計與實現

D6接口是基于VREP（Video Registration Protocol）協議（在TRIP協議的基礎上進行擴展）實現的。VREP協議基于底層TCP/IP提供可靠傳輸，包括OPEN消息、UPDATE消息、NOTIFICATION消息和KEEPALIVE消息4種。交互時序圖文獻[8]已有明確說明，當連接處于已建立狀態時，D6客戶端通過UPDATE消息向管理自己的唯一ERM注冊，主要包括每個QAM通道的屬性以及邊緣設備相關參數。

2.1 客戶端D6接口的功能模塊圖

D6接口的客戶端程序主要包括主流程模塊、組包模塊、解包模塊、定時器模塊、狀態轉換模塊、事件模塊、與EdgeQAM主板軟件NGOD進程的通信模塊。D6客戶端功能模塊如圖2所示。

主程序模塊主要負責與ERM建立連接，與其交互，并對相關異常進行處理。組包模塊負責OPEN消息、UPDATE消息、NOTIFICATION消息、KEEPALIVE消息的組包。解包模塊則為除UPDATE之外的其他消息提供解析函數。定時器模塊包括重連定時器、保持定時器和心跳連接定時器，定時器的功能各不相同，但一般保持定時器hold time的時間是心跳連接定時器的3倍，也就是連續3次發送KEEPALIVE消息仍收不到回復，那么hold time超時，需要斷開連接。狀態模塊包括空閑、連接、激活、OPEN已發送、OPEN確認和已建立6種狀態。事件模塊包括起始、終止、TCP異常、定時器超時、收包等12種事件。其中，收到消息、定時器超時等會觸發相應事件，事件的發生會導致狀態的轉換。自定義的通信模塊主要是與EdgeQAM的主板軟件NGOD進程之間通信。

2.2 客戶端D6接口的狀態轉換圖

程序實現采用有限狀態機方式編程，如圖3所示，VREP會話共有6種狀態。在IDLE狀態下，當一個開始事件（IE1來自系統或者操作員）出現時，初始化所有的VREP資源，打開重連定時器，初始化到ERM的連接，轉換到CONNECT狀態，其他事件發生則保持IDLE狀態不變。在CONNECT狀態下，如果TCP連接成功（IE3），則發送OPEN消息給ERM，設置定時器的值，并轉移狀態為OPENSENT；若TCP連接建立失敗（IE5），則轉移到ACTIVE狀態，其他事件做相應處理。在ACTIVE狀態下，VREP試圖與ERM建立TCP連接，如果連接成功則仍可建立連接，否則重連超時（IE7）會退回到CONNECT狀態，其他事件做相應處理。在OPENSENT狀態下，如果從ERM收到OPEN消息（IE10），檢測無誤則向ERM發送KEEPALIVE消息狀態轉移到OPENCONFIRM狀態，否則發送NOTIFICATION報錯，轉到IDLE狀態，其他事件做相應處理。在OPENCONFIRM狀態下，收到KEEPALIVE消息的回復（IE11），那么最終會轉移到ESTABLISHED狀態，在已建立狀態下D6客戶端即可向ERM發送UPDATE消息來實現QAM等詳細信息的注冊。

3 R6接口的設計與實現

R6接口的消息交互是基于RTSP（Real Time Streaming Protocol）[9]實時流傳輸協議，RTSP 文本消息的傳輸既可以建立于TCP/IP，也可以建立在UDP之上，鑒于文本消息的數據有限，采用TCP傳輸更為可靠。主要包括 Setup，Teardown，Announce，Get_Parameter，Session Keepalive信令。當SM發送一個資源請求，要求ERM建立一個點播會話時，ERM作為客戶端將向EdgeQAM服務端發送一個會話建立請求消息，EdgeQAM根據分配請求的參數，建立UDP+節目號+QAM的映射關系，也可以要求EdgeQAM向TS流中注入帶內標記，或停止注入、檢查等功能。當用戶撤銷點播時，SM發送撤銷請求給ERM，ERM通過R6接口的Teardown信令通知EdgeQAM，回收資源。

3.1 R6接口的流程圖

程序首先創建RTSP服務器，監聽554端口，ERM客戶端根據D6接口注冊的IP地址訪問該端口。由于RTSP協議不同于HTTP協議，其交互是雙向的，信令可以由客戶端發起，服務端應答，也可反過來。如果已分配的QAM在會話過程中發生異常時，可主動發送Announce消息通知ERM。所以收到的消息可能是Announce請求的應答消息，也可能是其他信令請求消息中的一種。若是請求應答，則調用應答處理函數。若是請求消息，則根據請求首部的命令字段判斷消息類型，如Setup消息，且含有ProvisionPort字段，此消息就是預分配請求，R6接口服務端收到該請求，調用rtsp_r6_setup_parse函數進行解析，需要服務器隨機產生一個不重復的Session ID，并將該Session添加到一個會話鏈表，然后把Transport字段的參數傳遞給EdgeQAM的主板軟件做相應底層配置，最后給出回復消息。Teardown消息請求則需要將會話從鏈表中撤銷，完成資源的回收工作。若為其他請求消息，則共同維護一個Session ID。R6服務端流程圖如圖4所示。

3.2 R6接口端口狀態轉換機

在該狀態機中，端口狀態可以從Not Configured或Provisioned任一個狀態開始。如果EdgeQAM支持動態端口映射，那么端口起始狀態是Not Configured，如果EdgeQAM支持其他方式（如固件映射或配置文件）的靜態配置端口，則端口可選擇從Provisioned狀態開始。當EdgeQAM收到ERM的預分配請求后，端口從Not Configured狀態轉換為Provisioned狀態。端口在Not Configured狀態，沒有數據被傳輸到QAM輸出，然而在Provisioned狀態，所有數據被映射到QAM輸出，如果可能，ERM請求EdgeQAM在輸入流帶內標記發生變化時通知它，這會導致流在無帶內標記到有帶內標記之間互相轉換。當EdgeQAM收到ERM的StartChecking消息后，端口從Provisioned狀態進入到In Session狀態，其又分為兩個子狀態，Markers Match和Markers Mismatch。在Markers Match狀態，帶內標記必須檢查，如果帶內標記不匹配，數據流不會被輸出到QAM，也不會注入任何數據；若匹配，則可以注入一些帶內標記。當收到StopChecking消息后，會退回到Provisioned狀態。當收到Teardown消息后，端口進入Not Configured狀態。如圖5所示為R6接口的端口狀態機。

4 D6，R6與主板軟件的通信機制

EdgeQAM的主板是整個設備的控制中心，主板軟件中的NGOD進程負責與D6，R6接口通信，該通信協議標準中并未定義。進程間通信可采用管道、信號量、共享內存、套接字、消息隊列等。此處采用消息隊列比較合適，Linux下的消息隊列中的消息體字符數組最大支持8 192 byte，如果消息的長度大于8 192 byte，應該按8 192為單元劃分成若干條消息。為了實現雙方交互，可以在兩個進程中都開啟一個發送和接收隊列。NGOD進程與D6，R6進程通信協議如圖6所示。

命令頭中的第1個字節Type為D6或R6，表示通信對象。第2個字節Ret為返回值取0、1或2，分別表示消息返回狀態是默認、失敗和成功。Total Length表示消息的總長度包括命令頭的長度。All Frame num表示消息的總幀數，Current Frame表示當前幀數，接收端根據這兩個值判斷消息是否接收完成，后面保留4 byte長度。參數頭則包括4 byte的參數類型和2 byte的參數長度。由于EdgeQAM輸入端口參數和QAM子板各通道的參數比較多，所以為了區分不同類型的參數采用基地址加偏移量的方式表示。

5 實驗與測試結果

本接口是基于Linux（內核版本3.5）進行驗證的，采用的芯片是Xilinx公司的基于ARM cortex-A9處理器平臺的Zynq-7030。EdgeQAM的Flash最小為32 Mbyte，DDR容量為256 Mbyte。由于測試內容比較多，主要分別對D6，R6接口建立過程和部分消息進行測試。測試結果在下文介紹。

5.1 D6接口與ERM的通信驗證

D6接口的實現包括與ERM連接的建立，以及各種消息的交互，ERM的IP地址通過Web端由用戶設置為192.168.0.160，端口號為8888。圖7為D6接口與ERM的連接建立過程以及OPEN消息的詳細信息。程序啟動之后會采用EdgeQAM主板軟件傳遞過來ERM的IP地址和端口號等參數嘗試連接ERM，地址正確則可以連接上，主動發送OPEN消息，收到的OPEN消息如圖7所示，最終處于已建立狀態，保持心跳連接等待UPDATE消息和其他消息的交互。由圖中運行結果與預期一致，可以證明D6接口與ERM交互正確。

5.2 R6接口與ERM的通信驗證

R6接口的實現包括與ERM連接的建立，以及各種請求消息和應答消息的交互，R6接口啟動之后在本地的554端口監聽，ERM通過D6接口注冊的IP地址及固定端口與R6建立連接。如圖8所示為R6接口收到ERM的端口預分配請求，CSeq為314，Transport頭包括請求分配的QAM信息和UDP信息，InbandMaker頭包括請求注入帶內標記信息等。R6通過解析該請求，發現請求正確并且底層成功處理完成，回復該請求如圖9所示，Session為隨機產生的不重復的ID，該結果與預期的結果一致。除此之外，還通過大量的測試，如帶寬請求過大等，R6接口皆能識別并能正確回復請求應答或是發送異常請求，由此證明R6與ERM的交互是正確的。

6 小結

廣東省新一代數字電視交互平臺NGOD采用Comcast的標準實現，大部分接口嚴格按照標準執行。采用本方案實現的D6，R6接口能夠可靠地運行在邊緣設備上，設備功能和性能指標得到廣泛的認可，并且能與ERM有效配合實現邊緣資源的管理和使用，最終完成NGOD點播業務的應用。

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[1] 甘育裕，商彬，陳銘灝.視頻點播系統核心設備研究與設計[J].電視技術，2007，31（8）：63-64.

[2] Comcast Corp.NGOD overall version 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[3] Comcast Corp.NGOD edge architecture 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[4] Harmonic Inc.NSG 9000-6G universal software user’s guide[EB/OL].[2013-07-10].2010.http://www.Harmonicinc./sites/default/files/datasheets/NSG9000-6G_Datasheet.pdf.

[5] Cisco Systems Inc.End-of-sale and end-life announcement for the Edge QAM modulator power supplies（XDQA24）[EB/OL].[2013-07-10].2012.http://www.cisco.com/en/US/Prod/collateral/video/ps9159/ps9195/ps9248/product_data_sheet0900aecd806d19 3d.pdf.

[6] Comcast Corp.NGOD service discovery registration interface version 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[7] Comcast Corp.NGOD edge resource interface-r6 version 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[8] 胡朋，李永濤，王志謙，等.數字電視互動服務中ERM對邊緣資源的管理[J].電視技術，2011，35（20）：17-20.

[9] Comcast Corp.NGOD RTSP usage specification version 2.0[M].[S.l]：Comcast Corp，2006.

[10] 李永濤，胡朋，王志謙.基于NGOD架構的VOD系統邊緣資源會話管理方案[J].電視技術，2011，35（19）：1-3.

Design of Edge Device Interface in NGOD-based VOD System

LI Chao,LIU Yijun

（School of Computer,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China）

In this paper,an edge device interface based on NGOD and used for edge resources discovering,registering,managing and monitoring is designed and implemented,which helps digital TV equipment suppliers to develop the function requirement of edge resource management system in the interactive services.Edge equipment interacts with the ERM through the interface,and making the edge resources of the VOD system can be used reasonably and efficiently.The experimental results show that the EdgeQAM is mounted in Guangdong province network high-definition interactive platform successful.

NGOD framework;D6 interface;R6 interface;EdgeQAM;RTSP

TN949.197；TP37

A

【本文獻信息】李超，劉怡俊.基于NGOD架構的VOD系統邊緣設備接口設計[J].電視技術，2014，38（2）.

廣東省“省部產學研結合”項目（2012B091100363）

李 超（1987—），碩士生，主研計算機體系結構、計算機網絡；

劉怡俊（1977—），碩士生導師，主研計算機體系結構、物聯網等。

責任編輯：薛 京

2013-09-11