廣電運營商統一資源管理系統URM的技術設計

阮烜強+朱錦程

摘要：廣電網絡運營商的各服務系統采用獨立的資源管理系統對IPQAM進行資源管理，服務系統間資源無法共享，造成IPQAM資源的浪費。該文針對此廣電網絡的資源利用問題，提出了URM（統一資源管理系統）的技術解決方法并給出了設計方案。

關鍵詞：廣電；資源管理；URM

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0031-03

1 URM系統設計背景

在當前互動電視、IPTV、OTT互聯網電視激烈的競爭下，廣電網絡運營商需要通過獨立運營、合作運營、租賃等多種方式，借助既有的網絡平臺及運營平臺為用戶提供豐富的數字電視多媒體業務。由于廣電網絡天然的技術特性，需要借助IPQAM將服務流調制到某一頻點上通過HFC網傳到用戶終端。隨著互動多媒體業務的不斷發展和用戶規模的不斷擴大，對IPQAM頻點資源的需求也日益迫切。

目前，大部分廣電網絡運營商的各服務系統采用獨立的資源管理系統對IPQAM進行資源管理，服務系統間資源無法共享，造成IPQAM資源的浪費。因此，需要一套全網統一的IPQAM資源管理系統，根據目前現有的服務能力和規模，以及未來業務的發展對頻點資源進行統一規劃，實現資源的共享、調度和管控。

2 URM系統的實現目標

統一資源管理系統URM主要是為了實現以下目的：在廣電運營商運營過程中，為各服務系統提供IPQAM共享資源，并進行統一的資源分配；考慮到未來業務的發展，在保證對服務系統進行資源管控的同時，可將未來新增服務系統納入到URM體系中；基于分層的IPQAM設計，URM支持兩級IPQAM間的資源互補；兼容NGOD R6/D6/S6接口規范，與服務系統、IPQAM等實現對接；部署URM后，不會導致原有服務流程增加較大的延時。

3 URM方案

3.1 總體架構

統一資源管理URM為多服務系統提供統一的IPQAM共享資源池，并實現對資源的管理、分配和調度。其包括了：統一資源管理系統、統一資源注冊節點和統一資源調度節點，以及共享資源管理模塊。其中，統一資源管理系統包括了：信息維護、資源管理、策略管理、資源監控、設備監控及系統管理；資源注冊和調度節點包括：資源注冊、資源同步和負載均衡。共享資源管理模塊負責對全網IPQAM資源信息進行管理，并向統一資源管理系統做數據上報。

3.2 資源管理模型設計及資源分配管理

URM系統從資源的邏輯模型來看，分為三層：應用層、網絡層、資源層。應用層定義申請IPQAM資源所需要的應用信息，用戶訪問業務后攜帶了APP ID或應用信息向服務系統申請資源。APP ID在URM應用表中定義了相關的業務屬性，如碼流帶寬、編碼格式，是否加密等。 網絡層定義Region ID參數。用戶通過服務系統申請資源時，URM根據其攜帶的Region ID參數判斷其所屬的區域，為服務系統確定可選的IPQAM資源范圍。資源層為用戶訪問業務構建一個共享資源池，處于不同區域的用戶通過服務系統在資源池中申請到可用資源。并且由于HFC網絡的組網情況以及IPQAM設備的部署情況，可以實現頻點資源在HFC網絡上的復用。

URM采用基于策略的分配方式為用戶分配可用資源。整個資源分配過程分為三個階段，第一階段定位到分配資源的IPQAM設備，第二階段通過IPQAM頻點表確定可用頻點資源，第三階段再通過IPQAM信道表分配可用的信道資源。其中，第一階段通過區域表、用戶區域和頻點對應表來選定分配資源的IPQAM設備。區域表定義了用戶所屬于的服務區，用戶開機時攜帶Region ID參數；用戶區域和頻點對應表中，每個區域都對應了若干個IPQAM設備，屬于某個區域的用戶只能在該區域對應的IPQAM設備中進行選擇。在限定區域中，通過策略（如優先級、業務類型）選擇其中的某一臺IPQAM設備。第二階段，根據服務系統攜帶的APP ID（或is HD應用參數）在應用表中找到業務需要的碼流帶寬，在頻點表中，通過頻點總帶寬、剩余帶寬、總信道數、剩余信道數等參數進行綜合分析，最終確定選擇的可用頻點資源。頻點總帶寬根據IPQAM的調制方式有所不同，如64IPQAM調制總帶寬為38Mbps，剩余帶寬表示可用的帶寬，總信道數表示一個頻點上可分配的最大信道數（即一個頻點上可傳輸的ES節目流數），剩余信道數表示還可為服務系統分配的信道資源。資源分配模塊通過APP ID（is HD應用參數）在剩余帶寬中判斷是否有可用的帶寬資源，并在剩余信道數中判斷是否有可用的信道資源，在保證帶寬和信道都可分配的情況下，確定選擇的頻點資源。第三階段，在確定選擇的頻點資源后，在信道表中分配信道資源，包括信道PID和UDP端口。

統一資源管理系統URM針對不同的服務系統，采用基于弱資源管控的注冊模式和基于強資源管控的分配模式。

“注冊模式”是指服務系統自身具備資源管理和分配能力，URM對服務系統的資源管控只提供注冊功能。URM在接收服務系統提交的分配資源后，根據其注冊的資源狀態判斷資源是否可用。注冊模式服務系統與URM通過松耦合交互，在約定的時間內未收到URM返回的響應，服務系統直接使用該資源，減少URM對服務系統的侵入。采用注冊模式，可能會造成服務系統間資源的沖突。

“分配模式”是指URM為服務系統分配資源，并對資源占用情況進行審核與注冊。服務系統與URM通過緊密耦合進行交互，互相強烈依賴。服務系統將URM串入服務過程，可以保障所有分配模式下的服務系統間資源共享，并且互不沖突。服務系統基于分配模式向URM發起資源分配請求時，“資源調度節點”基于策略為服務系統分配資源，并向“資源注冊節點”發起資源占用審核報備。 在分配模式下的服務系統的資源管控由資源調度節點統一提供，可有效服務系統分配資源互不沖突。同時，分配模式對服務系統進行強入侵接入，服務系統對URM有很強的依賴性。endprint

3.3 URM關鍵技術

統一資源管理系統URM負責為全網多業務提供IPQAM資源分配、調度和管控，因此需具有很強的業務適應性。采用數據同步技術和負載均衡技術可保證URM具有很強的平滑伸縮性。

從數據層面上講，URM單臺能力設備（資源注冊設備或資源分配設備）只可提供有限規模的服務能力，當業務和用戶達到一定的規模時可以通過增加能力設備數量來提高系統處理能力。URM采用數據同步技術來保證能力設備之間數據的一致性。從業務層面上講，URM接收服務系統請求時需選擇合適的能力設備返回響應。URM采用負載均衡技術接收服務請求，根據能力設備的健康狀態及負載壓力，將服務系統的請求重定向到新增的負荷壓力較小的能力設備上。

廣電運營商網絡采用IPQAM技術為終端用戶提供數據服務，每一個數據服務獨占一個信道（頻點+PID），若系統為兩個或多個服務分配到相同的頻點/PID時就會發生資源沖突，后連接到IPQAM的業務可能無法正常為用戶提供數據服務。

在URM環境下，通過共享的資源池能有效減少沖突，但在這幾種情況下，存在沖突可能：1）數據失同步：由于系統或網絡故障，會出現資源管控流程中資源數據不一致，從而導致資源分配沖突或資源未能有效釋放等情況的發生；2）注冊模式下的響應不及時；可在以下幾個方面對沖突處理進行優化：資源同步機制：URM負責為全網多服務系統提供統一的IPQAM資源池，并在分配、審核、注冊等多個環節為多服務系統提供IPQAM資源管控。通過對資源在服務系統與URM之間進行數據同步，保證服務系統資源分配的準確性和實時性。在注冊模式下，服務系統自身的統一資源管理系統提供對資源的管理能力。服務系統每次為用戶分配資源時，都需要將資源的分配情況上報到資源注冊節點。正常情況，審核通過的資源占用信息會被記錄。由于網絡或設備故障造成注冊節點未能及時相應，服務系統已經分配資源未能在URM共享資源管理模塊正常記錄，當其他服務系統分配到該資源時就有可能造成沖突。因此需要采用資源同步機制，定期批量的將服務系統的資源分配信息同步到共享資源管理模塊，以減小資源分配沖突的發生。在分配模式下要實現服務系統與資源調度節點的資源同步。當服務系統完成一個流服務并請求釋放資源時，會向資源調度節點請求資源回收，資源調度節點向資源注冊節點確認后記錄資源釋放，并與IPQAM設備釋放會話連接，同時，返回響應給服務系統，服務系統會通知流服務器停止向IPQAM設備吐流。若在某一瞬時發生網絡故障，資源調度節點未接收到該資源釋放請求，因此該資源在資源調度節點仍處于占用狀態，而實際該資源已被釋放。通過資源調度節點與服務系統不定期地進行資源同步和比對，調整資源狀態的準確性。

在分配模式下，由于服務系統與URM資源的不同步會造成資源分配沖突。可采用預分配機制，服務系統從URM預先分配批量的IPQAM資源，多服務系統可在預分配的資源中獲得可靠的IPQAM資源。

通過多服務系統之間資源分配請求順序來盡量降低沖突發生。例如，對于全網IPQAM資源，服務系統A采用順序方式請求頻點資源，服務系統B采用倒序方式請求頻點資源。在服務系統間請求資源發生重疊時才有可能發生資源分配沖突。

URM是一個復雜的資源管理系統，在為服務系統分配資源時會受到多方面因素的影響，如IPQAM的品牌/型號、用戶類別及所屬區域、業務類型等。如不對服務系統請求資源進行合理的規劃和分配，就會發生網絡帶寬消耗過大、頻點資源分配效率低等情況。URM基于策略面向全網多服務系統提供IPQAM資源分配，以確保資源分配更加合理。

URM依據區域信息（RegionID）、應用信息（APPID等）、剩余可用資源閥值、IPQAM健康狀態、IPQAM設備的使用優先級/權重（業務優先級、是否支持R6/D6）、IPQAM設備的實際資源狀態等參數進行配置。Region ID是用戶向服務系統請求資源時攜帶的參數，它表明用戶所屬的區域，資源分配策略根據Region ID為所屬某一區域的用戶提供與之對應的IPQAM資源池。應用信息（包括APP ID或 is HD等）是用戶訪問業務系統（如EPG）時獲取的參數，資源調度節點根據應用參數選擇IPQAM設備，并在IPQAM設備上分配所需帶寬的資源。剩余可用資源閥值是指IPQAM設備可用資源占總資源的比例。資源調度節點判斷閥值，優先將大于閥值的IPQAM資源分配給服務系統。資源調度節點在分配資源時，首先篩選出健康的IPQAM資源，再根據相關策略分配資源。資源調度節點對服務系統具有較強的資源管控能力。通常，由于IPQAM資源緊張或IPQAM資源被用戶長時間占用，需要對資源進行強制釋放。

3.4 URM特點

統一資源管理系統URM具有下列特點：開放兼容性、冗余擴展性以及靈活部署能力。URM基于模塊化設計，提供開放的接口實現與服務系統、IPQAM的外部系統的對接。其具有良好的安全冗余性和擴展性，通過負載均衡和數據同步等技術使系統集群化，避免單點故障造成的系統癱瘓；并可通過增加能力設備線性擴展系統的處理能力。同時，URM采用分布式的兩級部署架構。在統一資源管控的情況下，實現對共享資源的分布式處理，并根據目前現網IPQAM設備的部署情況提供本地資源和全局資源管理的兩級管控。可根據外拓業務的需求，將整套URM直接部署在外拓平臺側，實現外拓節點對自身IPQAM資源的管理。對業務適應能力強，根據業務類型或特點，應在減小URM對服務系統入侵情況下選擇合適的資源管控模式。

4 URM系統設計方案

統一資源管理系統URM主要實現設備級監控和應用級監控，并對全網信息進行維護和管理。包括：信息維護、資源監控、設備監控、信息維護、資源管理、策略管理和系統管理

信息維護是指系統支持對全網信息的維護，包括全網IPQAM資源狀態信息、全網IPQAM設備狀態信息，全網設備運行狀態等，即通過數據采集接口獲取共享資源管理模塊的資源狀態、通過數據采集接口從共享資源管理模塊獲取IPQAM的狀態、通過設備上報接口獲取資源注冊節點和資源調度節點設備的運行狀態；URM對通過共享資源管理模塊采集的IPQAM資源信息（管理信息包括：頻點、信道、帶寬、業務類型等）進行管理，也可通過配置界面手工錄入IPQAM資源配置，并通過接口發布到共享資源管理模塊。URM系統支持根據區域信息、應用信息、帶寬需求、設備優先級、IPQAM資源閾值等參數配置多種資源策略，將資源分配策略下發到資源調度節點，由資源調度節點控制策略的狀態。可實現對全網IPQAM設備及IPQAM資源的監控管理。對全網IPQAM設備及資源進行監控，對全網的IPQAM資源狀況通過共享資源管理模塊定期采集的方式獲取，資源的信息包括：占用的頻點、信道、帶寬、業務類型等。資源監控模塊可以監聽上報的運行參數，并記錄日志，根據日志統計分析，生成全網IPQAM資源運行情況報表。URM系統可以實現對統一資源管理系統URM的設備監控。資源調度節點和資源注冊節點的設備通過接口向統一資源管理系統上報設備狀態信息，參數信息包括了：磁盤運行情況、CPU負載情況、帶寬狀態，以及網絡錯誤等，并記錄日志，根據日志統計分析生成系統運行情況報表。

5 總結

統一資源管理系統URM基于開放性、兼容性、可擴展性設計原則，實現了對廣電運營商全網IPQAM資源的共享、調度和管控，并可在未來接入其他的服務系統，預期URM系統將在各運營商中進行大規模開發部署。

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