基于虛擬化技術的IPTV服務平臺的研究與設計

張新淼

關鍵詞：虛擬化技術；IPTV；數字化校園；校園視頻公共服務平臺

中圖分類號：TN949 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）02-0066-03

1 引言

隨著科技的發展，現代教育技術逐漸引入校園，網絡、手機、平板電腦在學生的學習和生活中逐漸成為必備的工具與媒介，新興媒體的發展逐漸打破了傳統校園文化的格局。因教育科研網出口資源緊張，教育網或校園網缺少特色視頻資源和服務，很難滿足學生對新聞時政、娛樂資訊等節目收看的需求以及對本地融合通信服務的需求，學生為滿足自身對課余文化休閑的需求而轉向互聯網；目前，在校學生的娛樂休閑方式（基于計算機網絡）基本以網絡視頻、在線通信（QQ等）為主，其中網絡視頻收看時間占到網絡使用時間的40%～50%。不可否認，互聯網節目內容資源豐富，但低俗、不健康的節目內容充斥其中，已成為校園文化生活的隱患，并不利于學生身心健康的培養；且增加了校園網出口帶寬壓力。因此，搭建校園視頻資源公共服務平臺將主流媒體電視資源放在學校本地，提供優良的本地化服務，更好地解放學校網絡出口壓力、豐富校園文化資源、增大公共宣傳力度、降低學生娛樂生活成本，解決學生上網體驗差、非法視頻泛濫等難題。

2 校園視頻資源公共服務平臺核心技術

2.1 虛擬化技術

虛擬化是硬件底層系統抽象化的概念，該技術能夠解決物理上設備隔離及資源不足等種種問題。通過虛擬化技術，可以很輕松地消除服務器、網絡設備、存儲設備等資源的物理局限，是提升數據中心資源利用率的又一大關鍵技術。在此校園視頻資源公共服務平臺應用了虛擬化技術，搭建底層硬件平臺。當虛擬機出現故障時，通過VMware VMotion可以實現虛擬機的動態遷移保證視頻業務不間斷。構建了八臺虛擬機，用于IPTV建設，其中三臺實現頻道視頻采集編碼和推送功能，四臺提供流媒體服務，剩余一臺實現認證對接和數據備份服務。該虛擬資源管理軟件與由廣電授權的SDK接口對接，通過虛擬化管理系統進行實時監控資源應用情況，同時，由該軟件可以拓展視頻資源平臺的部署數量，科學有效地突破傳統校園視頻平臺的局限性，虛擬化管理平臺進行統一管理，使得負載的每臺服務器承擔不同的任務、扮演不同的角色，進而實現了服務器的負載均衡，滿足了學生的需求，有效緩解服務器壓力，方便后期增加虛擬主機，管理上更便捷。

2.2 流媒體技術

無限流媒體核心服務系統AMS（Any Media Serv?er）是一種完整的基于點對點網絡的音視頻資源運行平臺，含音視頻直播子系統、音視頻點播子系統、音頻廣播系統及音視頻剪輯等子系統，為校園網用戶提供完整的流媒體文件制作、音視頻點播、現場視頻直播，流媒體文件廣播等服務，幫助校園網用戶快速高效地建設網絡的音視頻資源運行平臺。流媒體系統AMS采用強勁的高性能視頻泵作為核心視頻引擎，單機并發30000名用戶，并可通過服務器虛擬機集群方式部署負載均衡，無縫遷移和資源無限擴容，充分地保障了系統的穩定性和高性能，也為我校后期開發更加復雜、更人性化的應用奠定了基礎；AMS 既支持自帶APP的接收，又支持所有主流媒體格式（MP4、MP3、MKV、AVI、ASF、WMV、WMA、RMVB、FLV、MOV 等）的在線點播，支持文檔文件（Word、Excel、PowerPoint、PDF、Flash 以及GIF 等）格式的在線閱讀；可獲取AMS、HTTP、RTMP、RTSP 和HLS 等協議的音視頻流作為源進行直播分發；所以除了傳統的PC接收方式外，智能手機、Android機頂盒和平板電腦等都可以流暢接收播放。具體到天津師范大學數字化校園平臺，視頻可選擇WMV9、H264。碼流范圍1kbps 至15000kbps可調，默認為500kbps，直接輸入數字設置或可拖動滑塊設置；標清720×576推薦500至800kb?ps，高清1280×720推薦1000至2000kbps，高清1920×1080推薦2000至3000kbps；音頻范圍8kbps至128kb?ps選擇，默認為64kbps，可選擇MP3、WMA、AAC壓縮編碼器[1]。

3 校園視頻資源公共服務平臺設計

利用先進成熟的計算機技術、網絡技術與視頻技術將天津廣播電視網絡有限公司的直播信號引入高校，充分發揮學校網絡基礎設施的應用價值和廣電在資源、技術上的優勢，把握高校資源建設的時代特征和全媒體時代校園文化的建設需求，遵循科學合理的管理制度和完善通用的技術標準，按照統一的數據標準接口，集成各類數據資源，構建可擴展、易于維護的、安全、穩定和流暢的校園視頻資源公共服務平臺。校園視頻資源公共服務平臺部署在校園網絡圖書館匯聚交換機核心節點上，使用學生學號和姓名進行統一身份認證，學生通過學號即可通過校園網用戶賬號密碼登錄訪問該系統，免費收看電視節目，拓展高校思想政治教育資源，節約網絡出口帶寬，為廣大師生提供簡單快捷的綜合服務。

3.1 校園視頻資源公共服務平臺硬件設計

校園視頻資源公共服務系統平臺的搭建包括硬件設備搭建和軟件平臺部署。硬件包括光電分離器、分支分配、解碼器、直播編碼器、流媒體服務器、Web 和數據庫服務器、綜合管理服務器等設備的安裝連接[2]。

3.2 校園視頻資源公共服務平臺軟件設計

校園視頻資源公共服務平臺采用基于三層B/S架構，主要包括資源訪問層、服務提供層和數據持久層。

資源訪問層：主要負責保持客戶端和應用程序虛擬機的會話狀態、驗證師生統一身份認證信息、分配用戶權限（系統管理員、師生用戶和系統審計管理員）和管理會話；另外識別來自不同終端的設備，對其進行標識并作適配；完成將客戶端請求過濾和轉發到服務提供層相應的服務上。

服務提供層：負責平臺業務的實現，主要有基本設置管理服務、視頻資源服務、電視直播的服務、查詢服務、資費管理服務、用戶行為管理服務、熱點數據緩存服務等[3]。

數據持久層：數據持久層為文件服務器、數據庫與業務系統通信的接口。通過數據持久層完成對數據庫、文件服務器等對象的訪問，也會將用戶更新的數據保存到數據庫或文件服務器上。

校園視頻資源管理與服務的功能體系劃分為五大部分，其中底層支撐部分為基礎功能模塊，支撐上層應用型功能；內容管理為平臺核心功能，實現直播的各項功能和視頻資源的各項功能；用戶管理為整個系統的用戶基礎，包括跟用戶相關的統一身份認證以及互動性功能；基本設置性功能是視頻資源公共服務門戶的標準配置；而多平臺適配是根據多平臺使用的需求對各部分功能在各個終端進行相應適配，保證在多終端使用體驗良好[4]。如圖1所示。

3.3 數據集成與分布式存儲設計

數據是系統的根本與源泉。數據的準確與穩定對整個系統至關重要，數據集成與數據存儲方式是必須要考慮的，因此，本系統用戶數據與電視直播內容與我校統一身份認證平臺進行了對接。

數據集成：本系統用戶數據來源于校園網用戶身份信息系統，可保證用戶數據的真實準確，通過數據庫連接或數據采集形式獲得數據，經過清洗轉化后保存到數據庫中，作為整個系統的用戶基礎。

電視直播播放器獲得轉碼后的IP信號，為保證能夠在Web網站直接播放電視頻道，將電視直播播放器與網站前端集成，并嵌入資費認證的相關控制功能，以保證播放流暢，資費規則運轉正常。

電視信號的緩存及重播功能設計。在校園視頻資源應用中，除需要提供直播服務之外，還需要進一步考慮因教學科研時間安排與視頻直播沖突所導致的視頻資源重播問題，針對實時廣電視頻信號，本系統提供為期7天的視頻直播信號緩存及重播功能，經系統認證的用戶可隨時通過瀏覽并點播緩存的視頻資源實現對重要電視內容的重播與回放。

分布式數據存儲：為降低系統負載并提升數據管理的有效性，本項目采用分布式數據存儲的設計思想，應用系統內部數據存儲于系統數據庫中，而圖片、視頻等資源存放于單獨的文件服務器，以降低應用服務器的負載，提供系統效率。熱點資源或數據存放于緩存數據庫中，以提高命中率，降低服務器負擔。

數據庫可根據業務規模擴展為集群形式，主從數據庫同步的實現原理是基于快照的事務復制，主數據庫生成快照，從數據庫讀取并加載該快照，然后不停地從主數據庫復制事務日志并執行，從而實現主從數據庫的數據同步。數據庫集群能夠提高訪問效率，方便數據存儲與備份。更加安全與穩定。

文件服務器主要功能是將文件資源如視頻等從應用服務器剝離，獨立成為文件服務器，提供文件上傳、下載、壓縮等功能。

數據緩存服務器：將熱點數據緩存于數據緩存服務器，供全局使用，提高系統查詢速度，負擔數據庫、文件服務器壓力[5]。

3.4 校園視頻資源公共服務平臺移動端設計

校園TV主界面包括直播、點播和精品三個模塊，直播頁面顯示的是后臺上傳的非精品上線且在播放時間的直播頻道，向上滑動列表可以顯示“查看更多”，點擊后，如果有更多節目，可以顯示更多的直播頻道，點擊直播的頻道圖標，頁面跳轉到相應的直播頻道播放頁面，在直播的播放頁面，點擊左上角的小鎖，頁面會鎖定橫屏模式，點擊左下角的收藏按鈕，彈出提示框，提示收藏成功，頁面上顯示文字會變成“取消收藏”。

點播頁面顯示的是后臺上傳的非精品上線且在播放時間的點播節目，向上滑動列表可以顯示“查看更多”，點擊后，如果有更多節目，可以顯示更多的直播頻道；點擊搜索，輸入要觀看的節目名稱，如果搜索到可以顯示出來。頁面分類顯示了視頻的圖片，點擊“電影、綜藝、電視劇”等分類，頁面會跳轉到相應的分類頁面下顯示節目的詳情頁面。例如，點擊電視劇圖片，顯示對應節目詳情頁面，頁面上會顯示對應的集數，選擇一集，頁面會播放當前選擇集的視頻；點播節目的詳情頁面，點擊向右的按鈕，頁面跳轉到節目的簡介頁面；點擊第幾集就播放第幾集，播放哪集，哪集的集數高亮顯示。點擊播放，頁面跳轉到播放頁面。播放頁面播放時先播放一會兒廣告，廣告之后播放點播視頻。在點播的播放頁面，點擊左上角的小鎖，頁面會鎖定橫屏模式，點擊左下角的收藏按鈕，彈出提示框，提示收藏成功，頁面上顯示文字會變成“取消收藏”。點擊下面的暫停按鈕，頁面會有暫停廣告圖片顯示，點擊快進/快退按鈕，視頻會快進/快退15s。播放頁面的右上角顯示的是當前的時間，與手機顯示的時間同步。

精品頁面包括精品直播和精品點播，顯示的是后臺上傳的精品上線且在播放時間的直播頻道和點播節目。點擊精品直播的“更多”按鈕，頁面跳轉到精品直播頻道列表；點擊精品點播的“更多”按鈕，頁面跳轉到精品點播節目列表。點擊直播的頻道圖標，頁面跳轉到相應的直播頻道播放頁面；點擊點播的節目圖片，頁面跳轉到節目的詳情頁面，之后操作與直播/點播操作一致。

4 實施效果

校園視頻資源公共服務平臺整合直播、點播等多種媒體形式，直播視頻資源：CCTV-1、CCVT-2、CCTV-3、CCTV-4、CCTV-5、CCTV-6、CCTV-7、CCTV-8、CCTV-9、CCVT-10、CCTV-新聞、天津衛視、湖南衛視、浙江衛視、江蘇衛視、東方衛視、北京衛視等，共計30個頻道，其中：CCTV-1、CCTV-5、CCTV-8、湖南衛視為高清頻道，其他頻道為標清。精品點播還包含了豐富的多媒體教學課件。平臺不僅使電視這一主流媒體逐步覆蓋校園，而且豐富了學生的娛樂文化生活、增加了學校公共宣傳、思想政治教育和學習科學文化知識的途徑。