基于DVB和IP雙結構傳輸模式的復合流式虛擬視頻點播系統設計

摘" 要： 當虛擬視頻點播系統遇到高訪問量時會使其服務器負荷過大，導致視頻傳輸速度下降、播放不連續。因此，設計一種基于DVB和IP雙結構傳輸模式的復合流式虛擬視頻點播系統，以適應用戶需求和網絡條件，動態調整視頻流的傳輸質量和分辨率。構建基于DVB和IP雙結構傳輸模式的復合流式虛擬視頻點播系統框架，終端用戶通過基礎服務層的Web頁面提交視頻點播申請后，從視頻編排層獲取點播視頻；控制層的播出控制模塊調取PBHS算法來實現網絡資源受限下的帶寬自適應分配，以動態地調整不同帶寬占用，優化網絡資源利用，提高傳輸效率。通過視頻傳送模塊輸出點播視頻，利用傳輸層的IP和DVB雙結構傳輸模式將其輸送到應用層，最終可視化呈現給用戶。實驗結果表明，所設計系統可實現虛擬視頻點播，視頻播放連續不卡頓、畫面分辨率高，信令延遲僅34 ms，視頻傳輸速度達到18 Mb/s，平均點播時間為1 320 ms，且拒絕用戶數少。

關鍵詞： DVB； IP傳輸； 視頻點播； 復合流； Web頁面； PBHS算法； 播出控制

中圖分類號： TN934.3?34； TP393" " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2025）04?0063?05

Design of composite streaming virtual VOD system based on DVB

and IP dual structure transmission mode

LI Yuhua1， QIU Xinying2， ZOU Xuan1

（1. College of Science and Technology， Nanchang University， Jiujiang 332020， China; 2. Hefei University of Technology， Xuancheng 242000， China）

Abstract： When the virtual video?on?demand （VOD） system has high traffic， its server will be overloaded， resulting in a decrease in video transmission speed and discontinuous playback. Therefore， a composite streaming virtual VOD system based on DVB and IP dual structure transmission mode is designed to adapt to user needs and network conditions， and dynamically adjust the transmission quality and resolution of video streams. The composite streaming virtual VOD system framework based on DVB and IP dual structure transmission mode is built. After the end user submits VOD requests on the Web page of the basic service layer， they obtain the on?demand video from the video orchestration layer. The broadcast control module of the control layer can be used to call the PBHS algorithm to realize the adaptive bandwidth allocation under network resource constraints， dynamically adjusting different bandwidth occupancy， optimizing network resource utilization， and improving transmission efficiency. The on?demand video can be outputted by means of the video transmission module， the IP and DVB dual structure transmission mode of the transport layer is used to deliver them to the application layer， so as to visualize and present them to users. The experimental results show that the designed system can realize virtual VOD， with continuous video playback without lagging， high image resolution， signaling delay of 34 ms， video transmission speed of 18 Mb/s， average on?demand speed of 1 320 ms， and low number of rejected users.

Keywords： DVB; IP transmission mode; video on demand; composite stream; Web pages; PBHS algorithm; broadcast control

0" 引" 言

視頻點播（Video?on?Demand， VOD）作為一種重要的多媒體服務形式，已逐漸成為人們獲取信息、娛樂休閑的主要渠道[1?2]。傳統視頻點播系統主要依賴單一的傳輸模式[3?4]，如數字視頻廣播（DVB）或基于IP網絡傳輸。將虛擬視頻點播系統應用于計算機英語、虛擬教研室等領域，可滿足不同用戶需求。文獻[5]設計的廣電智慧云媒體系統建立在DVB傳輸模式基礎上，DVB模式覆蓋范圍廣，在大規模視頻內容分發上具有普遍應用性。但是，DVB在傳輸過程中難以根據用戶需求進行個性化調整，靈活性較差。文獻[6]設計的高清融合媒體服務平臺利用IP網絡進行視頻傳輸，能夠適應不斷變化的網絡環境，但容易受到網絡擁堵、傳輸延遲等因素影響，降低視頻播放的流暢性與穩定性。文獻[7]設計了一種高等教育平臺多媒體點播系統，通過整合DVB和IP兩種傳輸模式為用戶提供穩定的視頻點播體驗。但該方法未充分考慮網絡資源受限下所出現的網絡擁塞現象，導致視頻數據傳輸效率不佳。文獻[8]利用虛擬化技術進行多媒體教學云平臺設計，實現了視頻資源的動態調度和靈活管理。但在網絡資源受限的情況下，其多次數據遷移可能影響視頻傳輸的穩定性和流暢性。因此，本文設計一種基于DVB和IP雙結構傳輸模式的復合流式虛擬視頻點播系統，提高系統資源利用率和管理效率。

1" 復合流式虛擬視頻點播系統

1.1" 基于DVB和IP雙結構傳輸模式的復合流式虛擬視頻點播系統框架

本文構建的基于DVB和IP雙結構傳輸模式的復合流式虛擬視頻點播系統網絡拓撲結構如圖1所示。該系統建立在IP、CATV雙網絡基礎之上，前者通過路由器并根據TCP/IP協議確保數據能夠準確交互；后者依據DVB?C協議并以MPEG?2編碼標準實現視頻信息交互，該網絡通過廣播方式確保視頻信息直達接收端，因無需路由轉接，不僅可滿足視頻傳輸帶寬要求，也可提高視頻傳輸的安全性，另外，該網絡不會因用戶數量過高而使視頻點播質量受到影響[9?10]。利用IP和CATV雙網絡在視頻播出端、接收端搭建閉環連接通道，可使IP網絡的交互性和CATV網絡在視頻傳輸方面的高效性獲得有機結合，通過IP網絡處理用戶與服務器之間的交互；CATV網絡則作為視頻流的主要傳輸通道，利用其廣播特性將視頻內容高效地分發給所有接收用戶。接收端用戶不僅能夠對CATV網絡傳輸的視頻進行觀看，系統也支持鏡像存儲功能，將接收到的瞬態廣播數據流保存為視頻文件，供本地用戶在非高峰時段或沒有實時廣播信號時觀看。這種機制減少了信道傳輸的負擔，因為只需要傳輸更新的內容或新視頻，而已經存儲在本地的視頻則不需要重復傳輸。

基于DVB和IP雙結構傳輸模式的復合流式虛擬視頻點播系統采用分布式結構設計，總體架構如圖2所示。

虛擬視頻點播系統網絡拓撲結構

1） 基礎服務層，由Web服務模塊、客戶管理模塊構成，提供用戶訪問接口服務，可將其視作連接紐帶，以使視頻接收端和播出端建立關聯。用戶可通過訪問接口進入到復合流式虛擬視頻點播系統，并按照節目列表完成視頻選擇，實現在線廣播、視頻點播等。

2） 視頻編排層，由信源采集模塊、視頻管理模塊以及視頻編排模塊構成，具有視頻信息管理、編輯以及帶寬維護等功能。

3） 控制層，負責協調和管理整個播出過程，確保視頻節目能夠按照預定的計劃和時間表準確播出，還具有硬件資源虛擬化功能。控制層由信息管理模塊、播出控制模塊、虛擬化模塊以及視頻傳送模塊組成。信息管理模塊可用于視頻信息的存儲、分類、檢索和更新。播出控制模塊是視頻播出的核心控制部件，可依據播出計劃實時控制數據發送單元的工作，具有視頻調度、切換、定時播放等功能，能夠確保視頻按照預定的順序和時間播出；另外，該模塊還需與信息管理模塊和視頻傳送模塊緊密配合，確保視頻的準確性和傳輸的及時性。虛擬化模塊通過虛擬化將物理硬件資源抽象成虛擬資源，實現協同調度分配，其主要通過OpenStack創建、管理和維護虛擬機，實現硬件資源的虛擬化。利用OpenStack豐富的API接口為用戶提供靈活多樣的虛擬機管理功能，利用Docker容器化技術將應用程序及其依賴項打包成一個獨立的、可移植的容器，結合Kubernetes集群編排工具，使得容器的編排和調度變得更加簡單高效，滿足多租戶需求。視頻傳送模塊是視頻發送實施單元，負責將節目資源和系統信息發送到接收端。

4） 視頻傳輸層，由IP、CATV網絡、數據傳輸協議以及DVB網關IP封裝器等構成，實現點播視頻的安全傳輸。

5） 應用層，由DVB?C接收卡以及視頻播放器、瀏覽器等構成，用戶完成視頻點播后，通過該層實現視頻的調度、傳輸，最終呈現給用戶。

1.2" IP化視頻傳輸技術

IP化視頻傳輸技術是現代通信技術的重要組成部分[11?12]，它利用IP網絡傳輸視頻信號，利用壓縮編碼原始模擬視頻信號來獲得數字信號。通過壓縮處理可有效降低傳輸數據量，將壓縮后的視頻數據封裝成IP數據包，經過交換機轉換處理后可實現視頻的遠距離傳輸。接收端通過對其解碼來獲得視頻信息。IP化視頻傳輸技術實現流程如圖3所示。

IP化視頻編碼器從視頻源處獲得視頻信號后，依次對其進行數據壓縮編碼處理和封裝處理，以獲得IP數據包；再通過網絡將數據包發送至IP化視頻解碼器中，在解封裝的基礎上對視頻信號進行解碼解壓處理；最后在顯示設備中實現原始視頻的可視化呈現。

1.3" DVB?C視頻傳輸播放技術

視頻終端利用網絡接口模塊完成頻道的篩選，以準確捕獲目標頻道視頻信號，接收到的信號經過解調處理可實現高頻信號向基帶信號的轉換；再對其進行信道解碼，去除信號在傳輸過程中可能受到的干擾和噪聲[13]，恢復出原始數據流。經過解調和解碼后的數據流是DVB?C（數字視頻廣播?電纜）多節目傳輸流（TS流），其中包含了多個節目視頻數據。利用解復用器可實現某個節目已封裝視音頻基本流（PES）數據的有效提取，其內配置的解擾引擎具有數據解擾功能，可確保只有授權用戶能夠播放視頻。PES數據經過解復用器的解析后，可得到原始視頻數據，另外，解復用器還具有出錯數據檢測和標記功能，以便數據糾錯或重新傳輸。

1.4" 基于IP和DVB雙結構傳輸模式的視頻調度

視頻點播系統運營時，為避免資源浪費，網絡容量會基于預期流量和需求進行規劃，而不會過度冗余或超出實際需求太多。這導致高峰時段具有優先級或利益差異的不同業務間存在明顯競爭，使得視頻點播帶寬無法滿足實際需求。在網絡資源受限情況下，細致管理各點播視頻所需帶寬需求變得尤為重要，因為不同視頻具有不同帶寬需求，一些高清或高質量視頻需更高帶寬傳輸。對某個視頻資源來說，即便穩定帶寬服務可提高其傳輸效果，但卻無法滿足系統高帶寬利用要求。因此，本文采用PBHS算法動態調度IP和DVB雙結構傳輸模式下的受限帶寬。PBHS算法建立在穩態帶寬估計前提之下，通過對帶寬資源實施自適應分配，提高視頻點播系統資源的高效利用，實現流程具體描述如下。

1） 為更有效地評估和管理帶寬資源分配，本文定義帶寬分配效能因子[rij]，用于反映各種帶寬調度分配方案下單位帶寬能夠為多少用戶提供傳輸服務。對于點播視頻[i]，通過下式計算其帶寬分配效能因子[rij]：

[rij=λi°bj，" j=1，2，3] （1）

式中：[λi°]為點播視頻訪問到達率表示；[bj]為第[j]種帶寬服務方式下的穩定帶寬。

2） 通過式（2）確定帶寬分配效能矩陣[R]，點播視頻編號通過[i=1，2，…，N]描述，帶寬服務方式用[j]表示。

[R=rij=λi°bj] （2）

3） 遍歷整個[R]矩陣，找到矩陣中所有非零[rij]元素的位置，并確定這些非零元素中的最大值，即[maxrij]。

當廣播資源可滿足實際需求時，在[R]矩陣中第[i]行元素上打上印記標簽，即將其設定為0，這樣在后續的帶寬分配過程中，該點播視頻將不會被考慮，從而確保其他視頻能夠獲得所需帶寬。當廣播資源無法滿足實際需求，將會嚴重影響用戶對視頻點播的體驗感與滿意度，故此時不進行資源分配，并將[R]矩陣中第[i]行的第3個元素設定為0，表示由于帶寬不足，該點播視頻的廣播資源分配被拒絕，可以確保在后續分配過程中該點播視頻不會被錯誤地考慮進去。當系統無法提供常規流帶寬需求時，也不再進行資源分配，此時將[R]矩陣中第[i]行的第2個元素設定為0。

在單播資源分配過程中，需考慮視頻點播系統的帶寬資源情況，并根據資源可用性來作決策。當系統無可用剩余帶寬，則可調度廣播帶寬；當系統有能力提供單播帶寬時，則設定[R]矩陣第[i]行元素為0；當系統可用資源難以提供單播分配時，則將可用資源全部提供給該點播視頻，算法終止。

2" 實驗分析

2.1" 實驗設置

以線上教學視頻為實驗對象，其中涉及小學、初中、高中不同學科教學內容，為確保系統測試效果與實際情況一致，本文設計6名終端用戶同時進行視頻點播請求連接，網絡帶寬為1 KB/s，碼率范圍為2～6 Mb/s。搭建的復合流式虛擬視頻點播系統場景圖如圖4所示。

系統傳輸性能將對視頻點播效果產生直接影響，為驗證所提系統的應用性能，將其投入到學生課堂中進行點播。應用本文系統對任意選擇的200個教學視頻進行傳輸，將文獻[5]系統、文獻[6]系統作為對比系統，將信令延遲時間、視頻傳輸速度、點播時間差異作為測試指標，驗證所提系統的視頻傳輸效果，并通過拒絕用戶數指標來衡量資源調度能力。

2.2" 結果分析

基于上述設置指標展開對比測試，實驗結果如表1所示。分析表1可知，本文系統基于DVB和IP雙結構傳輸模式設計，使得視頻傳輸性能獲得明顯提升，信令延遲均值為34 ms，點播時間均值為1 320 ms，視頻傳輸速度最高可達到18 Mb/s。相比對比系統，該系統不僅可降低信令延遲、點播時間，還可提升視頻傳播速度。

設定采樣周期為5 s，點播視頻總量為200，視頻播放時間大約都為120 s，依據貪婪策略處理用戶視頻點播請求（滿足剩余帶寬條件即可），通過分析本文系統、文獻[5]系統、文獻[6]系統在8次資源調度過程中的拒絕用戶數差異，驗證系統的資源調度能力，實驗結果如圖5所示。

分析圖5可知，本文系統在8次資源調度過程中，拒絕用戶數始終低于對比系統，文獻[5]系統的拒絕用戶數最大。這說明本文系統通過對系統資源進行調度分配，實現了用戶帶寬需求的最大化滿足，達到了系統資源高效利用的目的。

A～F六名終端用戶同時提出視頻點播申請，通過對各用戶視頻點播結果進行分析，驗證本文方法的實際應用性能，實驗結果如表2所示。

分析表2可知，終端用戶登錄視頻點播系統后，在搜索框中輸入關鍵詞，系統便會迅速檢索并呈現出與之相關的教學視頻列表，用戶可根據其興趣和需要，從這些列表中精準地選擇出想要觀看的視頻，并完成點播。一旦點播成功，用戶按下播放鍵即可開始觀看視頻內容。視頻點播系統不僅為用戶提供了豐富的教學資源，還可使其根據自己的節奏和喜好自由學習，極大地提升了學習效率和用戶體驗。

以A用戶為例，本文通過對該用戶終端點播的計算機英語視頻的播放效果進行分析，驗證系統的視頻傳輸與播放性能，實驗結果如圖6所示。

分析圖6可知，該用戶點播的計算機英語視頻表現出連續播放的特性，播放過程中進行快進、后退等操作后，可快速呈現播放內容，無明顯卡頓現象，視頻畫面分辨率高，且能對視頻觀看時間進行標記，視頻播放效果突出。

3" 結" 論

本文設計了一種基于DVB和IP雙結構傳輸模式的復合流式虛擬視頻點播系統，旨在為用戶提供更加靈活、高效且穩定的視頻點播體驗。通過整合DVB和IP兩種傳輸模式優勢，系統不僅能夠滿足大規模視頻分發需求，同時也保證了視頻流傳輸的穩定性和可靠性。實驗所得結果如下。

1） 所設計系統具有信令延遲低、視頻點播速度和傳輸速度快的優勢。

2） 研究系統的拒絕用戶數最低，能夠對提高用戶體驗產生有利影響。

3） 視頻播放不卡頓，畫面質量高，播放效果突出。

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作者簡介：李玉華（1981—），女，江西南昌人，碩士研究生，副教授，研究方向為ESP（計算機、信息技術及應用）。

邱心瑩（2004—），女，江西余干人，研究方向為ESP（計算機、信息技術及應用）。

鄒" 璇（1982—），女，江西南昌人，碩士研究生，副教授，研究方向為計算機軟件與理論。