电信级视频点播系统的设计与实现
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摘要:视频点播服务是一种新的信息服务。作为信息服务运营商,电信需要构建电信级的视频点播系统以便有效提供电信级视频点播服务。针对电信级视频点播服务的设计需求,本文提出了一个电信级视频点播层次型分布式系统架构,并在该架构下,整合视频服务子系统、容错子系统、节目管理子系统、节目分发子系统、节目采编子系统、用户认证计费系统和网管子系统等七大功能系统,完整地实现了一个电信级视频点播系统,最终实现了城域范围内的视频点播服务。
关键词:视频点播;视频服务;视频组播;负载均衡
中图分类号:TP309文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)24-6822-03
Design and Implementation for A Video on Demand System for WAN
LIU Ling-hui
(Fujian Star-Net Communication Stock Ltd,Fuzhou350002, China)
Abstract: The value-added service of Video-On-Demand is a new information service. As a operator of information service, The telecom company need to construct a video-on-demand system for WAN network to provide the service. Based on the the design requirement, this paperproposes a distribution system architecture of Video-On-Demand system with different layers. Under this architecture, this paper implement a integrated video-on-demand system for WAN ,which with seven sub-systems of video service, fault tolerance, program management , program distribution , program editing, user authorization and billing, network management. Finally, a video-on-demand system for WAN is implemented.
Key words: video-on-demand; video service; video multicasting; load balancing
视频点播业务则是目前多媒体应用中最受关注的应用之一,它广泛的应用于娱乐、教育、通信和计算机工业,并最终为广大用户所接受,成为他们的生活与工作中作中娱乐和获取信息服务的最重要的形式[1]。与此同时,作为信息服务运营商,电信亟需搭建一个电信级的视频点播系统平台,以便在城域网范围内有效提供视频点播服务,从而满足广大用户的信息服务需求。
本文深入分析了构建电信级视频点播系统的设计需求,提出了一个电信级视频点播层次型分布式系统架构,并在该架构下,整合视频服务子系统、容错子系统、节目管理子系统、节目分发子系统、节目采编子系统、用户认证计费系统和网管子系统等七大功能系统,完整地实现了一个电信级视频点播系统,最终实现了城域范围内的视频点播服务。
1 电信级视频点播系统架构
1.1 电信级视频点播系统平台设计需求
为了满足的,电信级视频点播系统平台需要满足以下设计需求:
1) 灵活性,电信视频点播服务是电信所提供的一种信息服务,考虑到电信作为信息服务运营商的业务特点,系统应该具有高度的灵活性,应该能够快速更改现有的业务规则,大幅提高其竞争力;
2) 可扩展性,视频点播系统应该能够在数据、业务、服务三个级别上任意扩展,并且能够满足未来业务发展的需要;
3) 先进性,视频点播系统必须采用业界领先的技术和体系结构,确保系统的先进性;
4) 开放性,视频点播系统必须全面遵循各种国际标准,尤其是Internet标准,以便能够与现有系统进行完美的衔接与互操作。
5) 可组装性,视频点播系统各功能模块之间保持松耦合联系,多数模块可以独立安装和运行。
1.2 电信级视频点播分布式系统结构
由于电信级视频点播系统在电信数据网络上提供城域范围内的视频点播服务。为保障视频点播服务质量,同时均衡视频点播负载[2-5],电信级视频点播系统将采用两级架构的松耦合分布式体系结构,在城域范围内设置唯一的一个视频点播服务中心结点和若干个视频点播服务分中心结点,中心结点负责全局的节目管理、节目分发、用户计费和认证、节目采编以及网管,对分中心结点缺乏的视频节目提供视频点播补充服务。分中心结点应配置负责本地的视频服务、节目管理、用户计费和认证、以及网络管理等。
完整的电信级视频点播系统内部结构如图1所示。
在该系统结构下,用户端的机顶盒向视频服务器发出视频点播请求,视频服务器先通过用户管理系统进行用户认证,再调用本地节目管理系统的接口确定用户所点播的节目位置,如果本地存在该节目,视频服务器将直接提供视频流;如果该节目不在本地,视频服务器将调用中心节目管理系统的接口确定与用户最近的可用服务节点,将点播请求重定向到该节点,由该节点向机顶盒提供视频流,并将该节目向中心的节目分发系统登记。在本次点播完成后,视频服务器将进行计费等处理。
2 电信级视频点播系统功能设计
为完成城域范围内的视频点播服务,电信级视频点播系统主要包括七个子系统:视频服务子系统、容错子系统、节目管理子系统、节目分发子系统、节目采编子系统、用户认证计费系统和网管子系统。各个子系统分别完成特定的功能,接下来将分别加以阐述。
2.1 视频服务子系统
视频服务子系统是核心子系统,主要完成视频点播功能、视频组播功能、负载平衡功能和状态管理和监控功能。
作为核心子系统,为了有效实现上述功能, 视频服务子系统保持与其它子系统间的实时通讯,一方面,它向容错子系统报告本子系统的运行状态,并在子系统出现故障时接受容错子系统的控制而进行热切换;另一方面,调用节目管理子系统提供的函数接口,查询节目信息、相关服务器信息以及其他相关操作等;同时,对点播中本地不存在的节目,视频服务子系统将调用节目分发子系统提供的接口登记到节目分发子系统,由节目分发子系统根据分发策略进行分发;此外,调用用户认证计费子系统提供的函数接口,进行点播计费信息管理;视频服务子系统还调用网络管理子系统的接口,进行系统维护和管理功能等。
视频服务器是视频服务子系统的重要基础设施,在电信级视频点播系统中,视频服务器分为主控服务器、备份服务器和播放服务器三种。
播放服务器的作用主要为管理本机的视频节目信息,提供视频点播服务。其播放服务是在主控服务器控制下进行的,同时播放服务器还要向主控服务器报告其运行状态。
主控服务器的作用为管理整个分中心的视频子系统,所有本地VOD客户的视频点播请求均发送给主控服务器,然后由主控服务器根据本地各视频服务的负载情况进行负载平衡;在保证管理功能和性能的情况下,主控服务器同时还可以提供点播服务。
备份服务器与容错子系统通讯,监视主控服务器的状态,在主控服务器出现故障时进行热切换而成为系统的主控服务器;备份服务器同时也可以提供点播服务。
另外,为保证电信级的可靠性,视频服务子系统采用N+1的组网方式,即采用一台主控服务器+一台备份服务器+多台播放服务器+磁盘阵列的方式。图2中给出了视频服务子系统的结构图。
2.2 容错子系统
为保证电信级的可靠性,容错子系统同时运行在主控服务器和备份服务器,并独立于视频服务子系统而存在。
容错子系统采用三种机制:1)私有IP和浮动IP相结合来确定主控服务器;2)区别于视频流的硬件独立网络通道;3)心跳检测和基准判断相结合来确定系统故障。
容错子系统运行时,首先在配置表中为主控服务器和备份服务器分别设置各自的私有IP,并保存公有IP、基准IP和对方的私有IP;容错子系统在启动时通过私有IP和对方通讯,确定系统的主控服务器,并对主控服务器设置一个浮动IP作为公有IP,以此公有IP对本系统提供视频服务和其他服务;在运行时容错子系统通过私有IP检测对方的“心跳”,一旦发现和对方通讯出现故障,立即通过作为基准的第三方(如交换机)来判断自己是否正常,并进行相应的热切和告警;在进行热切时,容错子系统中止主控服务程序的运行(停止公有IP的服务),并为备份服务器设置公有IP,然后通知备份服务器切换为主控服务器。
2.3 节目管理子系统
节目管理子系统的主要功能有:
1) 完成视频节目的存储管理功能;
2) 本地和全局服务器的负载信息管理;
3) 向视频服务子系统提供节目检索接口;
4) 向节目分发子系统提供排行榜和节目存储的接口;
5) 提供本地和全局的节目定位引擎,在视频服务子系统的控制下,结合服务器的负载信息,共同完成视频流的本地和全局负载平衡。
2.4 节目分发子系统
节目分发子系统独立运行于中结点和各分中心结点,既是服务器又是客户端,它主要完成节目的分发管理功能,具有如下特点:
1) 可设定内容分发的时间表,可按固定的时间点和周期性的时间点执行分发任务,也可手工方式临时执行一个内容分发任务;
2) 可定义内容分发的策略,分为分发源和分发目的地的定义,分发源的定义包括了分发服务器和分发对象,分发对象可按分类统计的结果设定,也可手工方式设定分发对象。定义分发目的地主要是设定分发的目标设备和存储目录;
3) 可设定内容分发的传输速率以便有效利用网络带宽但又尽可能减少对网络的干扰与冲击,可根据分发服务器磁盘I/O情况、视频服务器占用带宽情况动态制订分发带宽;
4) 支持分发节目断点续传;
5) 可根据点播排行榜,设置排第几名之前的节目自动发送到各分中心,而排行榜末尾的内容根据磁盘容量自动清除的策略。
2.5 节目采编子系统
视频采编子系统主要分为三大功能,基于硬件电视卡的直播和录制功能,基于MPEG的视频再加工功能,以及节目的转换和合并功能。其中,基于硬件电视卡的直播和录制功能主要是对直播节目的自动定时录制和自动功能,即用户只需要定义好节目录制的起、止时间点,并定义好编码通道,以及点播服务器的IP地址和节目存储,即可以实现自动直播并录制。当节目录制完成后,可以利用内容分发子系统自动上传到点播服务器,并自动生成点播页面,供用户进行访问。基于MPEG的视频再加工功能主要是生成快进视频文件和快进索引文件、快退视频文件和快退索引文件、时间索引文件等相关信息。
2.6 用户认证计费子系统
用户认证计费子系统包括用户管理、用户认证、用户计费、以及基于WEB的用户自助终端。
2.7 网管子系统
网管子系统包括故障管理、性能管理、操作维护及安全管理功能、配置和清单管理以及安全和日志管理。
故障管理包括以下功能:实时告警和事件监视;用户可定制的告警和事件监视器;故障诊断和定位;自动告警和事件抑制、告警相关性分析;告警确认和手工清除;告警过滤和严重性等级重定义;性能越门限告警(TCA);事件和历史告警管理;告警和事件统计。
性能管理包括以下功能:一个或多个视频服务器的实时性能监控;基于用户的实时流跟踪;性能门限管理;性能统计数据管理;网元以及网络级的性能统计、性能趋势分析和网络优化建议。
操作维护及安全管理功能包括以下功能:端到端的实时流跟踪;业务控制和过载保护;用户鉴别;操作认证;用户视图定制。
配置和清单管理包括以下功能:视频服务器控制操作;视频服务器设备管理;视频服务器自动发现;配置数据导入和导出。
安全和日志管理包括以下功能:系统日志和用户操作日志;日志控制和控制策略定义;日志备份。
3 电信级视频点播试验系统的实现
遵循电信级视频点播层次型分布式系统架构,涵盖视频服务子系统、容错子系统、节目管理子系统、节目分发子系统、节目采编子系统、用户认证计费系统和网管子系统等七大功能系统,我们实现了一个电信级视频点播试验系统。该试验系统已于福建电信合作,以分布式结构,应用于福州市40余家酒店客房的点播系统,基于VCD和DVD质量的电影的点播,用户数达7000点以上,并发流根据入驻率和同时点播的数量统计,约有1000个并发数以上,在试运营的过程中,视频点播服务质量达到实际使用标准,用户反映良好。
4 结束语
视频点播服务是一种正在飞速发展的新型信息服务。电信级视频点播系统需要在城域网范围内实现高质量的视频点播服务,实现难度较大。为此,我们提出了一个电信级视频点播层次型分布式系统架构,并在该架构下,整合视频服务子系统、容错子系统、节目管理子系统、节目分发子系统、节目采编子系统、用户认证计费系统和网管子系统等七大功能系统,搭建并实现了一个电信级视频点播试验系统。
参考文献:
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