饒 敏，鄭 斌，張治中

(重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

1 流媒體技術(shù)介紹

流媒體傳輸技術(shù)是IPTV的核心技術(shù)。在流式技術(shù)中，主要有3個(gè)核心技術(shù):流媒體的編解碼［1-2］，傳輸以及數(shù)字流媒體的版權(quán)技術(shù)。如何通過IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸流媒體數(shù)據(jù)便是IPTV的技術(shù)基礎(chǔ)，IPTV的廣泛應(yīng)用也是依靠流式技術(shù)的不斷前進(jìn)而獲得的。

結(jié)合目前我國(guó)的IPTV業(yè)務(wù)部署，一般IPTV系統(tǒng)框架可劃分為系統(tǒng)支持層、承載網(wǎng)絡(luò)層、流媒體傳輸層和業(yè)務(wù)服務(wù)層，如圖1所示。IPTV視頻點(diǎn)播，是IPTV業(yè)務(wù)中最具特色的一項(xiàng)，簡(jiǎn)單說就是利用現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)，把用戶家中的機(jī)頂盒作為接收器，PC或電視機(jī)作為顯示終端的電視系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)用戶隨意觀看電視節(jié)目。

直播電視這類服務(wù)業(yè)務(wù)有點(diǎn)類似于現(xiàn)在看的衛(wèi)星電視或者傳統(tǒng)的有線電視，IPTV通過自身單播或者組播的傳遞方法，根據(jù)不同情況從而完成電視的播放，這種播放方式的音視頻信號(hào)也是通過IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸?shù)摹?/p>

2 點(diǎn)播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

目前來說，所設(shè)計(jì)的點(diǎn)播服務(wù)器大致可分為3個(gè)部分，分別是核心模塊、配置模塊、Web模塊。

圖1 IPTV系統(tǒng)框架

核心模塊:參照apache提供的腳本［3］，根據(jù)自身的需要修改成符合需求的代碼，其中擴(kuò)展了對(duì)http protocol的解析，替換了用戶的authentic module接口函數(shù)，采用自己設(shè)計(jì)的認(rèn)證模塊;更改了整個(gè)請(qǐng)求記錄，并且生成日志的功能，以此作為用戶點(diǎn)播的記錄;更改了apache的record功能，作為記錄用戶是否在線、用戶信息查詢的接口;精簡(jiǎn)模塊、簡(jiǎn)化流程、修改讀取模式以及讀取效率。

配置模塊:對(duì)當(dāng)前所有資源進(jìn)行配置，對(duì)核心服務(wù)器、外部流媒體服務(wù)提供狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、查詢以及軟件接口的配置。

Web模塊:主要用于對(duì)服務(wù)器的參數(shù)、服務(wù)器系統(tǒng)管理進(jìn)行配置和接口的對(duì)接，并可對(duì)正在點(diǎn)播的用戶信息進(jìn)行查詢。不僅如此，還可以通過Web模塊對(duì)core模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程的重啟、停止等，還可遠(yuǎn)程查看系統(tǒng)CPU、內(nèi)存、磁盤、節(jié)目列表等一系列系統(tǒng)資源的情況。

2.2 協(xié)議設(shè)計(jì)

該點(diǎn)播服務(wù)器通過Http File Server提供下載，在這種情況下，不管是何種格式的文件，都是以數(shù)據(jù)的形式存在，所以服務(wù)器都可以提供下載

在終端，通過Http Get的方法下載文件，這樣所有的選擇權(quán)全部由終端用戶掌握。

終端去考慮流媒體文件中音視頻的解復(fù)用工作，從而使服務(wù)器端的運(yùn)算壓力減小。

2.3 硬件部署

考慮到目前IPTV技術(shù)以及當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況，對(duì)點(diǎn)播服務(wù)器的硬件部署采取“邊緣負(fù)載+中心服務(wù)”。

中心負(fù)載:中心負(fù)載的設(shè)計(jì)采用了一種組合方式(磁盤存儲(chǔ)+集群負(fù)載)。這兩者之前通過目前相對(duì)流行的SAN MODLE連接，保證了兩者之間數(shù)據(jù)的進(jìn)出效率。

邊緣負(fù)載:對(duì)于IPTV視頻點(diǎn)播來說，最終要做到的是把流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舻娘@示終端上(目前采用端到端方式)。而由于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，還不能徹底保證中心集群的服務(wù)帶寬能夠滿足所有用戶的需要，所以根據(jù)統(tǒng)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)有效的辦法，即邊緣化。這樣就能使相對(duì)距離較遠(yuǎn)的用戶可以享受到分布在自己周邊的邊緣服務(wù)器的服務(wù)，不僅可以使網(wǎng)絡(luò)的物理狀態(tài)達(dá)到最好，而且還可以給用戶帶來最優(yōu)的體驗(yàn)，而最優(yōu)體驗(yàn)正是IPTV服務(wù)中的一個(gè)重要指標(biāo)。

根據(jù)以上的想法，在實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了分組模式和資源分布模式。

分組模式:任何一個(gè)用戶分組，均可以對(duì)應(yīng)一個(gè)、兩個(gè)或者多個(gè)分散在用戶分組周圍的服務(wù)器，整個(gè)分組的數(shù)據(jù)調(diào)配由負(fù)載均衡器來完成，并且是實(shí)時(shí)調(diào)配，其模式設(shè)定為先處理用戶量相對(duì)較少的邊緣負(fù)載，然后再去響應(yīng)用戶數(shù)較多的中心負(fù)載。

資源分布模式:將所有的媒體資源全部存儲(chǔ)在中心服務(wù)器上，而邊緣服務(wù)器則存儲(chǔ)用戶點(diǎn)播較多的節(jié)目，從中心到邊緣，采取自適應(yīng)的調(diào)配方式，如果系統(tǒng)發(fā)覺某些節(jié)目的被點(diǎn)播數(shù)逐漸增多，則會(huì)自動(dòng)將這些節(jié)目根據(jù)實(shí)際點(diǎn)播方位，發(fā)送到與其距離最近的邊緣負(fù)載上，這樣就可以減少中央負(fù)載的訪問量，從而減少網(wǎng)絡(luò)的壓力。

2.4 調(diào)試方法

通過實(shí)際的考慮與分析，歸納出了3種方法來對(duì)所設(shè)計(jì)出的點(diǎn)播系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試:

1)直接用運(yùn)營(yíng)商提供的機(jī)頂盒來點(diǎn)播視頻節(jié)目。

2)首先，通過真實(shí)的機(jī)頂盒來播放運(yùn)營(yíng)商提供的視頻節(jié)目，然后采用自己設(shè)計(jì)的模擬軟件來仿真許多客戶同一時(shí)間在線進(jìn)行視頻的點(diǎn)播，經(jīng)過實(shí)際的測(cè)試得出了以下結(jié)論，即用仿真軟件與實(shí)際采用機(jī)頂盒在相等數(shù)量的用戶連接訪問服務(wù)器時(shí)，訪問其存儲(chǔ)設(shè)備的I/O口的數(shù)量與圖形大體一致，這樣就可以說明仿真軟件的仿真結(jié)果與真實(shí)的用戶進(jìn)行訪問的效果一致。

3)當(dāng)服務(wù)器工作在全功率的時(shí)候，采用仿真軟件來仿真這個(gè)過程，即連續(xù)多天不間斷地進(jìn)行視頻的在線點(diǎn)播。

經(jīng)過實(shí)際的測(cè)試，表1為測(cè)試結(jié)果的對(duì)比與分析。

表1 用戶數(shù)不同時(shí)服務(wù)器使用情況

3 直播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

IPTV中能夠?qū)⒄诓シ诺墓?jié)目進(jìn)行前進(jìn)與倒退，能夠讓觀看直播節(jié)目突破時(shí)間相對(duì)固定的概念，從而觀看到之前已經(jīng)播出的電視節(jié)目，這樣的視頻服務(wù)是IPTV中的一個(gè)重要業(yè)務(wù)［4］，通常將其稱為直播時(shí)移業(yè)務(wù)。直播網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖2。

圖2 IPTV直播網(wǎng)絡(luò)圖

3.1 直播系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 直播節(jié)目信號(hào)的接收與采集

在國(guó)內(nèi)，IPTV業(yè)務(wù)主要由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供，而直播的電視節(jié)目則主要由國(guó)家廣電部門提供，也就是說，在接收直播節(jié)目時(shí)，主要還是以衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)字信號(hào)為主要的信號(hào)源，這就需要有專業(yè)的衛(wèi)星信號(hào)接收裝置以及相對(duì)應(yīng)的設(shè)備，譬如說天線等。然后用衛(wèi)星信號(hào)接收裝置來處理所接收到的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為TS數(shù)據(jù)流、模擬信號(hào)等。之后，這些信號(hào)或者數(shù)據(jù)流會(huì)通過ASI傳送給IPTV的編碼設(shè)備，編碼設(shè)備會(huì)根據(jù)目前IPTV系統(tǒng)、終端設(shè)備所支持的方式進(jìn)行編碼并傳送，最后將視頻節(jié)目送給終端用戶［5-6］。

在這里，為了能使編碼設(shè)備的編碼方式為H.264，當(dāng)前只考慮了3種方式:

2)直接采用硬件完成采集和編碼的工作

3)多路節(jié)目信號(hào)集中分段處理后進(jìn)行軟件編碼，從而達(dá)到多路節(jié)目統(tǒng)一編碼的高效方式。

綜合實(shí)際情況考慮，目前決定采用第2種方式進(jìn)行視頻信號(hào)的編碼，將視頻的采集與編碼統(tǒng)一在一張卡中，在該卡中使用數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行編碼，從而達(dá)到H.264的高效編碼效果，這是一種非常理想的方式。

3.1.2 直播系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

所謂軟件設(shè)計(jì)就是一個(gè)服務(wù)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)目的轉(zhuǎn)發(fā)、單播、組播等。在國(guó)際上，目前已經(jīng)有一些服務(wù)器提供直播的服務(wù)，但是這些服務(wù)器都是開發(fā)方自己設(shè)計(jì)的流媒體編解碼協(xié)議，對(duì)于比較通用的MPEG-2或者TS，從支持的角度上來講有些牽強(qiáng)。

這樣，根據(jù)實(shí)際情況以及整個(gè)業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)了研究、分析、整理，并開發(fā)了一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件，主要采用的協(xié)議是TS和MPEG-2。

3.2 時(shí)移系統(tǒng)

時(shí)移系統(tǒng)主要可分為兩個(gè)部分，即選單和頻道時(shí)移。

1)選單時(shí)移

當(dāng)用戶獲取了當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)商提供的相應(yīng)節(jié)目表單時(shí)，可以通過點(diǎn)擊表單中所提供的節(jié)目列表觀看已錄制在服務(wù)器上的節(jié)目，這些節(jié)目多數(shù)為當(dāng)前時(shí)刻之前電臺(tái)所播放的節(jié)目。

2)頻道時(shí)移

簡(jiǎn)單的說就是讓用戶可以觀看當(dāng)前頻道在十分鐘前或者更早前所播出的節(jié)目。

對(duì)于錄播系統(tǒng)，通過接收正在網(wǎng)絡(luò)上傳播的媒體流，將其錄制下來并存放在相應(yīng)的錄播服務(wù)器上，并且根據(jù)錄制時(shí)的時(shí)間將所錄制的節(jié)目在時(shí)間上進(jìn)行標(biāo)記與劃分，方便之后用戶根據(jù)時(shí)間查找索引來查找自己想要觀看的節(jié)目。

對(duì)于直播系統(tǒng)，可以為用戶提供短暫的倒退觀看服務(wù)，直播服務(wù)器會(huì)對(duì)當(dāng)前播放的節(jié)目進(jìn)行短暫的錄制，當(dāng)用戶有進(jìn)行回放的需求時(shí)，直播服務(wù)器就會(huì)先執(zhí)行倒退緩沖的功能來滿足用戶的需求，當(dāng)直播服務(wù)器所短暫錄制的節(jié)目無法滿足用戶請(qǐng)求的時(shí)間量時(shí)，那么直播服務(wù)器就會(huì)自動(dòng)尋找錄制該節(jié)目的錄播服務(wù)器，通過將用戶從直播服務(wù)器轉(zhuǎn)到錄播服務(wù)器來滿足用戶的請(qǐng)求［7-8］。

按照平均1 Mbit/s的帶寬來算，可以計(jì)算出一個(gè)頻道如果緩沖30 min，則大約要有230 Mbyte的內(nèi)存空間，假如是10個(gè)，則大概要有2.3 Gbyte的內(nèi)存空間，如果按照這種方式計(jì)算并結(jié)合實(shí)際情況，可以把10個(gè)頻道部署在一臺(tái)服務(wù)器上，那么50頻道就需要最多5臺(tái)服務(wù)器，這樣的前期成本的投入也是在理想的范圍之內(nèi)。

3.3 特性

經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，相信通過基于HTTP協(xié)議來傳輸媒體流是個(gè)好方法，同時(shí)運(yùn)用目前最為流行的H.264編碼技術(shù)，使系統(tǒng)有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如:節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，穩(wěn)定可靠，通用性強(qiáng)等。

4 小結(jié)

首先介紹了一些關(guān)于IPTV的基本概念，然后根據(jù)近段時(shí)間來研發(fā)的項(xiàng)目，有針對(duì)性地闡述了整個(gè)系統(tǒng)以及相關(guān)部分的設(shè)計(jì)，而且通過了實(shí)際的驗(yàn)證?？偟膩碇v，所研發(fā)的這套系統(tǒng)無論是對(duì)直播還是點(diǎn)播系統(tǒng)都可以進(jìn)行商業(yè)運(yùn)用。

［1］肖磊.流媒體技術(shù)與應(yīng)用大全［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2003.

［2］閆江紅，劉峰.H.264分級(jí)編碼在流媒體系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2007，31(12):61-61.

［3］3GPP TS 23.228 V7.7.0(2007-03)，IP multimedia subsystem(IMS);stage 2［S］.2007.

［4］袁小紅.多媒體技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［5］歐建平，婁生強(qiáng).網(wǎng)絡(luò)與多媒體通信技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2002.

［6］李銳.IPTV承載網(wǎng)技術(shù)分析［J］.黑龍江科技信息，2008(1):5.

［7］季偉.IPTV關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［8］馮博，應(yīng)群.網(wǎng)絡(luò)視頻流媒體技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.