一種基于NGOD架構(gòu)的云應(yīng)用服務(wù)管理方案

趙曉森，徐 揚(yáng)，王志謙

（北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 信息網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100876）

隨著社會的發(fā)展、生活水平的提高，人們對于精神文化的需求快速增長。同時(shí)由于PC和手機(jī)、平板PC等智能終端的迅猛發(fā)展，人們可以接觸到的信息和應(yīng)用服務(wù)越來越豐富，用戶更多地向互聯(lián)網(wǎng)方向靠攏。國家新聞出版廣電總局發(fā)布的中國視聽新媒體發(fā)展報(bào)告（2013）顯示，2013年北京地區(qū)電視機(jī)開機(jī)率從三年前的70%下降至30%。如何通過技術(shù)的改進(jìn)創(chuàng)新，為用戶提供更多的應(yīng)用、內(nèi)容，重新獲得用戶的關(guān)注，成為廣電運(yùn)營商亟待解決的問題。為此，本文提出了一種基于NGOD架構(gòu)的云應(yīng)用服務(wù)管理方案，該方案對現(xiàn)有的NGOD架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了擴(kuò)展，并采用應(yīng)用虛擬化技術(shù)，使之適應(yīng)云端應(yīng)用的部署運(yùn)行。

1 云應(yīng)用服務(wù)管理方案

隨著國內(nèi)三網(wǎng)融合與廣電網(wǎng)雙向改造的不斷推進(jìn)，國內(nèi)越來越多的家庭擁有具有雙向交互能力的數(shù)字電視機(jī)頂盒。但是由于國內(nèi)廣電運(yùn)營狀況比較復(fù)雜、地區(qū)之間差距大，家庭用戶機(jī)頂盒終端平臺多種多樣，而且普遍配置低、運(yùn)算能力差。如果基于終端為用戶提供應(yīng)用服務(wù)，需要對國內(nèi)機(jī)頂盒進(jìn)行整體升級，這樣耗時(shí)太長、投入太大，無法讓人接受。

一些公司提出了一種新的解決方案，通過在廣電網(wǎng)上搭建云平臺，為用戶提供云應(yīng)用服務(wù)，突破終端造成的瓶頸[1-2]。然而，由于商業(yè)原因，這些公司都沒有公開技術(shù)細(xì)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于NGOD架構(gòu)的云應(yīng)用服務(wù)管理方案。

下一代交互電視架構(gòu)（Next Generation On Demand，NGOD）是由美國Comcast公司提出的一種新的交互式的開放的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)。該架構(gòu)合理細(xì)致地劃分出了各個(gè)邏輯功能組件，全面詳盡地規(guī)定了各組件間的協(xié)議交互和通信接口。NGOD架構(gòu)支持各個(gè)廠商產(chǎn)品之間的相互操作，有高度的可擴(kuò)展性，能支持未來的多種業(yè)務(wù)功能[3]。目前，業(yè)內(nèi)開始逐步地轉(zhuǎn)向使用NGOD架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)和部署廣電網(wǎng)內(nèi)的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)。

該應(yīng)用管理方案在廣電網(wǎng)的服務(wù)端基于NGOD架構(gòu)配置應(yīng)用服務(wù)器，用戶點(diǎn)播的應(yīng)用在應(yīng)用服務(wù)器上運(yùn)行。用戶通過終端（也就是用戶機(jī)頂盒）選擇了應(yīng)用，云端采用應(yīng)用虛擬化技術(shù)將應(yīng)用部署到應(yīng)用服務(wù)器上，應(yīng)用程序的處理、顯示圖像的渲染等在服務(wù)器上完成，運(yùn)行結(jié)果以音視頻流的方式通過網(wǎng)絡(luò)傳送到終端，終端完成音視頻的解碼并將結(jié)果呈現(xiàn)。終端同時(shí)可以進(jìn)行操作，用戶的操作指令通過網(wǎng)絡(luò)傳送到云端應(yīng)用服務(wù)器上運(yùn)行的應(yīng)用，應(yīng)用處理后再次將響應(yīng)結(jié)果以音視頻的形式傳輸?shù)浇K端。這樣將終端的運(yùn)算能力剝離到云端，終端只需要具備基本的網(wǎng)絡(luò)接入、視頻解碼和交互處理能力。

該方案最大限度地屏蔽了各類型電視機(jī)頂盒終端的差異，有利于運(yùn)營商開展新的增值業(yè)務(wù)，避免了大規(guī)模升級用戶機(jī)頂盒，節(jié)約了時(shí)間，減少了投入；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對用戶的統(tǒng)一管理，對內(nèi)容的可管可控，有利于維護(hù)信息安全；由于終端接收到的是應(yīng)用運(yùn)行結(jié)果的音視頻流，用戶無法對應(yīng)用程序進(jìn)行篡改和復(fù)制，有利于維護(hù)系統(tǒng)安全、保障應(yīng)用開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)。

2 擴(kuò)展NGOD架構(gòu)

2.1 總體架構(gòu)

現(xiàn)有NGOD架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)并沒有考慮到廣電網(wǎng)上應(yīng)用的部署，故筆者提出對NGOD架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，在不影響現(xiàn)有系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上使之適用于廣電網(wǎng)上的云應(yīng)用。為此，新增加應(yīng)用服務(wù)器管理器（Application Server Manag?er，ASM）和應(yīng)用服務(wù)器（Application Server，AS）兩個(gè)模塊。圖1為對NGOD架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展后的部分架構(gòu)圖。原有的接口無法在功能上滿足新增的兩個(gè)模塊，需要進(jìn)行接口擴(kuò)展，增加新的接口?，F(xiàn)有NGOD架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)定義了S1～S6會話管理接口，在此基礎(chǔ)上新增了S7接口?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)定義了R1～R7資源管理接口，在此基礎(chǔ)上新增了R8接口?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)定義了D1～D7發(fā)現(xiàn)接口，在此基礎(chǔ)上新增了D8接口。C2接口為新增加的點(diǎn)播客戶端與應(yīng)用服務(wù)器的控制接口。本文主要介紹新增加的應(yīng)用服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器管理器兩個(gè)模塊即相應(yīng)新增接口，原有架構(gòu)信息不再贅述。

2.2 應(yīng)用服務(wù)器管理器及主要接口

2.2.1 應(yīng)用服務(wù)器管理器（ASM）

應(yīng)用服務(wù)器管理器（Application Server Manager，ASM）的功能包括資源管理功能和設(shè)備發(fā)現(xiàn)功能。由于NGOD架構(gòu)選擇了中心和分支模式以及樂觀的資源分配策略作為強(qiáng)制的結(jié)構(gòu)，故本文只介紹中心與分支模式下的樂觀資源分配策略。

2.2.2 S7接口及業(yè)務(wù)處理流程

ASM與SM（Session Manager，會話管理器）之間定義了S7接口，負(fù)責(zé)在應(yīng)用服務(wù)器上對會話請求所需的服務(wù)器資源進(jìn)行商議，該接口基于RTSP協(xié)議，術(shù)語、消息語法、方法定義和狀態(tài)碼依據(jù)于RFC 2326和NGOD官方對RTSP協(xié)議做的擴(kuò)展[4]。主要包括SETUP，TEARDOWN，ANNOUNCE等消息信令。圖2為樂觀分配策略下消息交互流程。

圖2 樂觀分配策略消息交互流程

ODC（On Demand Client，點(diǎn)播客戶端）通過S1接口向SM發(fā)出應(yīng)用服務(wù)請求后，SM首先通過S6接口向ERM（Edge Resource Manager，邊緣資源管理器）發(fā)送SETUP會話建立請求，選擇ED（Edge Device，邊緣設(shè)備）。ERM向SM返回SETUP RESPONSE消息，包括ED的IP、端口等信息。然后SM通過S3接口向ODRM（On Demand Re?source Manager，點(diǎn)播資源管理器）發(fā)送包括ED的IP、端口等信息的SETUP會話建立請求，選擇SS（Streaming Server，推流服務(wù)器）[5]。之后，SM作為RTSP客戶端通過S7接口向ASM發(fā)出服務(wù)器資源請求SETUP。在SETUP報(bào)文中，除了點(diǎn)播客戶端的信息、用戶請求的應(yīng)用信息外，還包括ODRM返回的SS的信息，以便于建立會話的下行通路。ASM在選定AS（Application Server，應(yīng)用服務(wù)器）部署應(yīng)用之后，返回SETUP RESPONSE消息，包括選定的AS的IP和部署的應(yīng)用的進(jìn)程號，SM將其轉(zhuǎn)發(fā)給點(diǎn)播客戶端，用來建立點(diǎn)播客戶端到AS的上行通路。

用戶結(jié)束使用云應(yīng)用服務(wù)后，點(diǎn)播客戶端向SM發(fā)送撤銷會話的請求，或者SM與點(diǎn)播客戶端之間的心跳檢測超時(shí)的情況下，SM向ASM發(fā)送TEARDOWN消息，請求釋放該會話占用的應(yīng)用服務(wù)器資源。ASM在釋放服務(wù)器資源后，向SM發(fā)送TEARDOWN RESPONSE消息。

在一些異常情況下，例如ASM檢測到AS的異常，ASM會主動向已經(jīng)建立會話的SM發(fā)送一些非請求消息（消息中包含發(fā)生的事件以及發(fā)生的時(shí)間等信息），這些消息一般通過RTSP ANNOUNCE Request和Response消息來實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 R8接口及業(yè)務(wù)處理流程

ASM與AS之間定義了R8接口，ASM通過使用該接口，依據(jù)選定的負(fù)載均衡策略來管理應(yīng)用服務(wù)器的資源。R8接口也是基于RTSP協(xié)議的，包括SETUP，TEAR?DOWN，ANNOUNCE，GET_PARAMETER，PING等信令。

當(dāng)SM向ASM發(fā)出SETUP會話建立請求后，ASM結(jié)合點(diǎn)播客戶端的請求與各應(yīng)用服務(wù)器的狀態(tài)，依據(jù)負(fù)載均衡策略，選定應(yīng)用服務(wù)器來部署應(yīng)用，并通過R8接口向選定的AS發(fā)送SETUP報(bào)文，包括客戶端請求的應(yīng)用的信息。AS加載部署應(yīng)用后，向ASM發(fā)送SETUP RE?SPONSE報(bào)文，包括IP、所部署應(yīng)用的進(jìn)程號。

ASM收到SM發(fā)送的TEARDOWN報(bào)文后，進(jìn)行一些內(nèi)部處理，例如更新AS信息表，然后向AS發(fā)送TEAR?DOWN報(bào)文告知結(jié)束會話。AS結(jié)束會話后返回TEAR?DOWN RESPONSE報(bào)文。

在會話過程中發(fā)生異常時(shí)，AS可以通過發(fā)送AN?NOUNCE報(bào)文向ASM反映異常。ASM可以通過GET_PARAMETER Request和Response來獲取和AS會話的參數(shù)消息。ASM通過周期性地向AS發(fā)送PING報(bào)文來維護(hù)會話的生命周期。在NGOD RTSP Usage Specifi?cation中，默認(rèn)的會話超時(shí)時(shí)間被設(shè)為3 h。

2.2.4 D8接口及業(yè)務(wù)處理流程

ASM和AS之間定義了服務(wù)發(fā)現(xiàn)與注冊接口D8。AS通過該接口向ASM注冊并提供可用資源的詳細(xì)目錄。D2～D6接口實(shí)現(xiàn)了VREP協(xié)議，該協(xié)議是NGOD在TRIP（RFC 3219）的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來的協(xié)議，為了便于與原系統(tǒng)兼容，D8接口采用VREP協(xié)議。

VREP協(xié)議包括4種消息類型：OPEN，UPDATE，NO?TIFICATION，KEEPALIVE。OPEN消息主要用于VREP傳輸會話的建立；UPDATE消息主要用于資源設(shè)備向其資源管理器上報(bào)自身配置參數(shù)；NOTIFICATION消息主要用于錯(cuò)誤的報(bào)告；KEEPALIVE消息用來恢復(fù)和維持心跳[6]。

圖3所示為D8接口消息交互流程。

圖3 D8接口VREP協(xié)議消息交互

AS接入系統(tǒng)后主動向相應(yīng)的ASM發(fā)起連接請求，傳輸層連接建立后，兩者首先通過OPEN消息協(xié)商參數(shù)信息，包括VREP協(xié)議版本、超時(shí)時(shí)間、VREP會話標(biāo)識、支持的路由類型以及組件的收發(fā)能力等信息。OPEN消息被接收之后，向?qū)Ψ桨l(fā)送KEEPALIVE消息確認(rèn)。

在通過OPEN消息對組件的收發(fā)能力協(xié)商后，AS只具備發(fā)送UPDATE消息的能力，ASM的D8接口只具備接收UPDATE消息的能力。AS通過向ASM發(fā)送UPDATE消息，報(bào)告服務(wù)器資源詳細(xì)信息，包括CPU信息和內(nèi)存信息。ASM發(fā)送KEEPALIVE消息對其進(jìn)行確認(rèn)。

當(dāng)AS和ASM在收發(fā)消息的過程中發(fā)現(xiàn)消息有誤時(shí)，任何一方都會利用NOTIFACATION消息報(bào)告錯(cuò)誤并斷開連接。

2.2.5 擴(kuò)展RTSP協(xié)議

NGOD架構(gòu)對RTSP協(xié)議做了擴(kuò)展[4]，在此基礎(chǔ)上，本文對RTSP協(xié)議又進(jìn)行了一些擴(kuò)展，新定義了一些字段，包括：Application_Id，標(biāo)示應(yīng)用；Application_Type，標(biāo)示應(yīng)用的類型；AS_IP，應(yīng)用服務(wù)器的IP地址；AS_PID，應(yīng)用服務(wù)的進(jìn)程號；AS_PORT_UP，應(yīng)用服務(wù)器的端口，用于建立上行通路；AS_PORT_DOWN，應(yīng)用服務(wù)器的端口，用于輸出流化后的音視頻到SS。會話消息類型太多，本文不一一敘述。下面是一個(gè)SM發(fā)送到ASM的SETUP的消息示例：

其中，destination指SS的IP地址或主機(jī)名，client-port指SS的輸入端口。如下是ASM發(fā)送的SETUP Response消息示例：

2.3 應(yīng)用服務(wù)器及會話通路

2.3.1 虛擬化

對云端資源虛擬化，主要有3種技術(shù)方式：服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化和應(yīng)用虛擬化。

服務(wù)器虛擬化是將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，將CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態(tài)管理的“資源池”，一臺服務(wù)器變成幾臺甚至上千臺服務(wù)器。將服務(wù)器硬件資源按需分配給每臺虛擬機(jī)，虛擬機(jī)上再安裝操作系統(tǒng)和用戶所需的應(yīng)用程序。采用服務(wù)器虛擬化方式，可以為每個(gè)用戶分配一臺虛擬機(jī)，這樣便于資源管理和用戶數(shù)據(jù)的管理，并且用戶與用戶之間有很好的隔離性。但是因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)方式是在系統(tǒng)里安裝虛擬化軟件，再在虛擬機(jī)上安裝操作系統(tǒng)，所以就會產(chǎn)生原生系統(tǒng)和虛擬化軟件兩層消耗。即使以Hyper-V為代表的虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨過原生系統(tǒng)，直接在硬件上安裝虛擬化軟件，但虛擬機(jī)上運(yùn)行操作系統(tǒng)本身就是很大的消耗。隨著用戶的增多，需要配置越來越多的虛擬機(jī)，這會帶來一個(gè)無法忽略的成本。另外，由于需要對每臺虛擬機(jī)進(jìn)行維護(hù)、安全檢測，對系統(tǒng)管理員來說，工作量太大，并且可能因?yàn)闊o法及時(shí)對虛擬機(jī)進(jìn)行維護(hù)檢測帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。

桌面虛擬化指將計(jì)算機(jī)的桌面進(jìn)行虛擬化，以達(dá)到桌面使用的安全性和靈活性。桌面虛擬化依賴于服務(wù)器虛擬化，與服務(wù)器虛擬化有著類似的優(yōu)缺點(diǎn)。

應(yīng)用虛擬化指將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)解耦合，為應(yīng)用程序提供一個(gè)虛擬的運(yùn)行環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，不僅包括應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件，還包括它所需要的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。從本質(zhì)上說，應(yīng)用虛擬化是把應(yīng)用對底層的系統(tǒng)和硬件的依賴抽象出來。每個(gè)通過應(yīng)用虛擬化技術(shù)封裝的應(yīng)用程序，在相互獨(dú)立的虛擬化環(huán)境中運(yùn)行，這樣可以減少不同應(yīng)用程序之間出現(xiàn)的沖突，提高應(yīng)用程序的兼容性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在同一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行同一種應(yīng)用程序的不同版本，具有很大的靈活性。應(yīng)用虛擬化簡化了應(yīng)用安裝過程，提高了應(yīng)用部署的速度。采用應(yīng)用虛擬化技術(shù)，系統(tǒng)管理員可以直接在服務(wù)器上對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)檢測，減少了工作量，降低了風(fēng)險(xiǎn)[7]。

綜上考慮，本文推薦采用應(yīng)用虛擬化技術(shù)在應(yīng)用服務(wù)器上部署應(yīng)用。

2.3.2 會話通路

在原有的NGOD架構(gòu)中，用戶請求視頻點(diǎn)播服務(wù)時(shí)，會話的上行通路是點(diǎn)播客戶端到推流服務(wù)器，會話的下行通路是媒體資源注入到推流服務(wù)器，推流服務(wù)器將其推流到邊緣設(shè)備，再傳輸?shù)近c(diǎn)播客戶端呈現(xiàn)。

對NGOD架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展后，用戶請求云應(yīng)用服務(wù)時(shí)，會話的上行通路是點(diǎn)播客戶端到應(yīng)用服務(wù)器，在該通路上傳輸用戶的操作指令。應(yīng)用服務(wù)器將應(yīng)用流化后傳輸?shù)酵屏鞣?wù)器，推流服務(wù)器再將其傳輸?shù)竭吘壴O(shè)備，然后傳輸?shù)近c(diǎn)播客戶端呈現(xiàn)，從而構(gòu)成了會話的下行通路。

3 結(jié)語

由于中國國內(nèi)廣電網(wǎng)絡(luò)的特殊，用戶端機(jī)頂盒更新緩慢、硬件配置低、功能受限，瘦客戶端方案仍是受廣電運(yùn)營商關(guān)注的一種應(yīng)用部署解決方案。借助趨于成熟的虛擬化技術(shù)，在NGOD架構(gòu)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展架構(gòu)搭建對于融合于現(xiàn)有廣電網(wǎng)絡(luò)的云應(yīng)用服務(wù)平臺具有重要意義。

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[1]北京視博云[EB/OL]．[2014-03-02].http：//www.cybercloud.com.cn.

[2]Playcast[EB/OL]．[2014-03-02].http：//www.playcast-media.com/.

[3]張京立.淺析NGOD標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念和優(yōu)點(diǎn)[J].有線電視技術(shù)，2011（9）：98-99.

[4]Comcast.Next generation on demand（NGOD 2.0）RTSP usage spec?ification[S].2006.

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

[6]胡朋.基于NGOD架構(gòu)的VOD系統(tǒng)資源管理和服務(wù)發(fā)現(xiàn)研究與應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

[7]付平武.應(yīng)用虛擬化技術(shù)應(yīng)用與研究[J].電腦知識與技術(shù)，2013，9（20）：4732-4733.