（通信与信息系统专业论文）异构网络中vod系统交互功能的研究与实现.pdf

北京邮电大学硕十论文 i i 异构网络中v o d 系统交互功能的研究与实现 摘要 视频点播系统是利用有线电视网络、口网络或者其他形式的传输网络，按 照用户点播需求，为用户提供实时的声音，图像，数据等多媒体服务的综合性系 统。在未来网络中，多媒体数据服务将成为发展的重要应用。视频点播( v o d ) 作为多媒体数据业务中的一项应用，必将成为未来增值服务的发展热点。随着数 字电视、s e tt o p b o x 的推广普及，家用电视将成为接入网络的重要终端，而且也 将成为v o d 视频点播的主要需求者。在这种背景下，为了让电视用户共享到 i n t e m e t 网络上v o d 业务，c a t v 的电视网络与i p 网络的融合也将是大势所 趋。 为了迎合这种背景，本文的主要立意为两点，第一是研究电视网络与口网 络的互通，这涉及到电视网络的改造和重新规划；第二是在这种异构的网络环境 下，如何为电视网用户提供优质高效的互动性v o d 点播服务。而第二点是本文 的重点研究方向。综上所述，本文旨在通过研究异构环境下的v o d 互动性服 务，并通过深入的探讨和脚踏实地的实践，提出一种既能够考虑到系统效率又能 满足用户需求质量的互动性服务机制。 在课题的研究过程中，主要借助了理论指导实践，实践升华理论的研究方 案。在课题初期，通过大量的资料收集和整理，确定了课题重点，然后进行了网 络实验环境的部署，最终通过理论联系实际的方法探索出一套具有高效传输效 率、较低系统资源占用、互动性操作流畅的服务机制。 本文的研究成果包括一套搭建完成的异构网络环境下的v o d 点播系统，完 整的电视网络改造方案，以及一套v o d 系统互动性服务方案。v o d 点播系统采 用了现在最新的国家标准a v s 数据压缩格式作为压缩格式，具有很大的现实意 义。电视网络改造方案主要采用了现在比较主流的h f c 双向改造，网络通信协 议选择了数据传输率很高的d o c s i s 。而v o d 互动性服务方案综合考虑了电视网 广播服务的特点，从客户端主动、服务器端辅助支持的角度出发，将广播信道服 务和单播信道服务相结合，提出了一套新颖的解决方案。通过仿真验证和性能评 估，本方案具有很小的服务启动延迟，较低的服务器负载占用，流畅的操作等优 北京邮l u 大学硕十论文 点，基本达到了我们预期的设计目标。这些设计亮点，将会在未来的产品设计中 得以体现。 本文的组织结构分为6 个部分。第一部分为绪论，主要介绍了课题的立意和 主要的课题背景，第二部分为v o d 系统框架的介绍和电视网络改造规划并介绍 了实验系统搭建的过程，第三部分为下一代v o d 系统框架的预研，这是本人在 实践过程中，结合自身专业特点展开的一部分未来研究活动，第四部分就是本文 的重点，即v o d 系统互动性服务机制的设计，在这部分一种主动缓存机制被提 出，第五部分为系统平台的验证过程，最后是对全文工作的总结。 关键词：异构网络电视网改造v o d 系统互动性v c r 北京邮i 乜大学硕十论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa nj o i n t s c h e m ef o rp r o v i d i n gv c rf u n c t i o ni nv o d i nm u l t i a r c h i t e c t u r en e t w o r k a bs t r a c t av i d e o o n - d e m a n ds e r v i c ep r o v i d e ss u b s c r i b e r sw i t has e to fv i d e o sa n ds e n d s as p e c i f i cv i d e ot oc u s t o m e r su p o nr e q u e s tt h r o u g ht h en e t w o r ks u c ha sc a b l en e t w o r k a n di pn e t w o r k b o t ht h em a r k e tr e q u i r e m e n ta n dt e c h n i c a le v o l u t i o nh a v em a d ei ta h o tp o i n ti nt h ef u t u r et r e n d s t os h a r et h ev o dr e s o u r c eb e t w e e ni pn e t w o r ka n d c a b l en e t w o r k , a ne f f e c ta n ds c a l a b l ev o ds y s t e ms h o u l db ed e s i g n e da m o n gt h e m u l t i a r c h i t e c t u r en e t w o r k s i no r d e rt od e s i g ns u c hav o ds y s t e m ，o n eo ft h em o s t i m p o r t a n ti s s u e si st op r o v i d i n gt h ev c r f u n c t i o n si nr e p l yt ot h ec u s t o m e r s r e q u e s t h o w e v e r ，i t sk n o w nt h a ti t ss t i l lac h a l l e n g et or e a l i z ev c r f u n c t i o ni nt h em u l t i c a s t n e t w o r k , i e i nc a b l en e t w o r k i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s eas c h e m ej o i n t l ya d a p t i v eb u f f e rm a n a g e m e n ti nc l i e n t a n dc o m p e n s a t i o nc h a n n e ls e r v i c ef r o ms e r v e rt os u p p o r tv c rf u n c t i o n s t h i ss c h e m e f u l l ye x p l o i t st h ep r o p e r t yo ft h ec a b l em u l t i c a s tn e t w o r ks ot h a tt h es y s t e mb a n d w i d t h c a p a b i l i t yc a r lb ec o m p l e t e l yu t i l i z e d i n c o r p o r a t i o nw i t ht h i sv c rs c h e m e ，t h ev o d s y s t e mn o to n l yp r o v i d e sad e l a yi n s e n s i t i v eb u th a n d l e sa l lt h ei n t e r a c t i v er e q u e s t s m e a n w h i l e ，i ti sp a r t i c u l a rf e a s i b l ef o rt h el a r g e s c a l ev o ds y s t e mw h i c hn e e d sa r o b u s ts u p p o r tf o rg r e a ta m o u n to fu s e r s s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sj o i n t s c h e m eo u t p e r f o r m st h et r a d i t i o n a ls y s t e m s i t sf o u n dt h a t2 0b r o a d c a s t i n gc h a n n e l s a n d10c o m p e n s a t i n gc h a n n e l sa l ee f f i c i e n tt os u p p o r to n12 0c u s t o m e r sf o ras i n g l e v i d e ow i t hl e s st h a no n es e c o n ds e t u pd e l a ya n da l lt y p e so fv c rf u n c t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w i n g i ns e c t i o n1 ，t h et e c h n i c a lb a c k g r o u n d a n dag e n e r a li n t r o d u c t i o nt ot h ed i s s e r t a t i o ni sg i v e n s e c t i o n2o v e r v i e w st h ev o d i i i 北京邮l 也大学硕十论文 s y s t e ma n dac a b l en e t w o r ku p g r a d i n gs c h e m ei sd e v e l o p e d i ns e c t i o n3 ，n e x t g e n e r a t i o nv o ds y s t e mi sp r o s p e c t e d a n di ns e c t i o n4 ，a ne f f i c i e n tv c rs c h e m ei s p r o p o s e d e v a l u a t i o na n ds i m u l a t i o nt o t h i ss c h e m ei si ns e c t i o n5 f i n a l l y ，a l lt h e r e s e a r c ha n dd e s i g na r ec o n c l u d e di ns e c t i o n6 k e yw o r d s ：m u l t i - a r c h i t e c t u r en e t w o r kc a b l en e t w o r ku p g r a d i n gv o d s y s t e md e s i g nv c r f u n c t i o ni m p l e m e n t i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：童客整 日期： 埘g ；) ，； 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：婆渣 导师签名：熟 日期：型墨：墨：兰兰 日期：2 堂：垒：叁 北京邮 【! 大学硕十论文 第一章绪论弟一早珀化 1 1 引言 视频点播系统是利用有线电视网络，口网络或者其他形式的传输网络，按 照用户点播需求，为用户提供实时的声音，图像，数据等多媒体服务的综合性系 统。随着固网、电视网与移动网络的融合，多媒体数据服务将成为今后发展的重 要应用。视频点播( v o d ) 作为多媒体数据业务中的一项应用，必将成为未来增 值服务的发展热点。本文所要研究的重点是多种异构网络融合环境下的视频点播 系统中交互性功能的处理机制。 v o d 系统的应用范围非常广泛，大到城市或者国家区域覆盖的视频交互式 系统，中到住宅小区的视频娱乐服务系统和校园局域网内的教学交互式教育系 统，小到饭店，影厅的影音点播系统，k t v 的点唱系统，v o d 几乎进入了人们 r 常生活的方方面面，而且也有可能替代传统的电视网络，所以v o d 的未来发 展前景将十分光明。 近几年来，i n t e m e t 的蓬勃发展，为视频业务提供了更丰富多样的节目片 源，而且低廉的传输代价，也为大规模数字业务的实施提供了可能。音视频压缩 编解码技术的成熟与应用，使交互式数字视频系统的成为了现实。数字电视的普 及，以及数字电视网络的架设，也为v o d 带来了更广阔的用户群。随着数字电 视，s e tt o p - b o x 的推广普及，家用电视将成为接入网络的重要终端，而且也将成 为v o d 视频点播的主要需求者。在这种背景下，c a t v 的电视网络与i p 网络的 融合也将是大势所趋。而c a t v 一直只是提供单向的广播业务，而要提供数据 业务，并且能够支持大规模的视频数据业务，这对c a t v 网络来说是一个严峻 的挑战。所以，对于c a t v 网络升级是必需的。 升级c a t v 网络的一种方式就是进行h f c 光纤同轴电缆并行改造。通过这 种方式就可以实现上下行的数据传输。所以本文将电视网的改建和异构网络的互 通作为一个研究的方面。这个研究方面在i p t v 热火朝天产业化的今天，有着深 远的意义。 由于电视网络本身广播传输的特性，所以采用广播模式作为v o d 的网络传 输模式，具有天然的优势。所以现在的一种趋势就是采用广播的服务模式架设 v o d 点播系统。然而这种服务模式下，v c r 互动性操作就成了一个难题。另一 北京邮电大学颀十论文 i iiii ii i i ii i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i 方面，v o d 系统本身相对于传统的电视广播系统，最大的优势，就在于它的互 动性，也就是交互功能，用户可以按照自己的需求，随时随地的对自己感兴趣的 节目进行操作，化被动接收为主动点播。然而，交互性控制需要大量的资源与复 杂的控制机制，所以现有的设计都存在着资源利用率低，支持客户数量有限等问 题，从而无法完全满足用户的交互性需求。所以在广播服务模式下设计一种综合 考虑性能和效率的v c r 互动性方案就是本文研究的重点。 本文搭建的v o d 系统平台，并未采用h 2 6 4 m p e g 4 标准，而是采用了我国 自主知识产权的a v s ( 先进音视频解码标准) 标准。该标准分7 部分。这套标准完 整而系统的规定了音视频在各种系统下的解码过程与码流格式。a v s 采用了较 为先进的一些压缩技术，如自适应编长编码v l c ，无损整数d c t 变换，双向参考 运动预测与运动补偿等。与h 2 6 4 a v c 相比，架构清晰，复杂度低，易于实现， 而且压缩效率与h 2 6 4 a v c 接近。a v s 正处于产业化起步阶段，所以基于a v s 协议下的v o d 的交互性研究，就更显得有特殊意义。这对于a v s 的推广与产业 化，有积极的促进作用。a v s 与h 2 6 4 a v c 编解码技术相比，采用单层编码机 制，结构简单的同时，缺乏a v c 的可扩展性，这样在进行v r c 功能处理时，无 法利用层次化的编码源，而只能使用最原始的编码源，这样对并发的v c r 请求处 理，提出了更高的要求，所以本文提出的机制，具有更实用的意义。 所以本文立足未来的发展方向，结合实际需求，对v o d 的交互功能与容错 机制进行了深入地研究，在实际应用中有深远的意义。 1 2 技术背景 视频点播系统的实现与多媒体，网络，计算机等多领域的研究进步技术发展 紧密相连，也是这些领域成果的综合体现。v o d 系统设计的技术领域非常广 泛，本部分将对v o d 系统中的关键技术作以简要的归纳与总结，并对本文所要 设计的关键技术进行较为详细的阐述。这部分着重介绍a v s 视频压缩标准及特 点，以及基本的c a t v 与i p 网络相关知识，而本文涉及的c a t v 与m 互通网络 在第二章的系统介绍中详细介绍。 对v o d 系统的研究主要集中在以下层次： 系统架构层：分布式系统( d i s t r i b u t e ds y s t e m ) 或者集中式系统( c o n c e n t r a t e d s y s t e m ) ，关键的技术包含数据分割与存储，资源预留，系统问的同步等视频发布 方式：广播方式，多播方式，单播方式； 交互性功能：准v o d 模型( n v o d ) ，理想v o d 模型( i v o d ) ，真实v o d 模型 ( t v o d ) ； 传输网络：c a iv ，i p ，f d d i ，a t m ； 多媒体数据压缩技术：m p e g 2 ，h 2 6 4 a v c r e a l m e d i a , a v s ； 2 北京邮电大学硕十论文 数据加密与验证：d r m ； 接入终端的设计：c a b l em o d e m ，s e tt o p b o x 等。 1 1 1 a v s 标准 a v s 标准全称为先进音视频压缩标准，是我国自主知识产权的一套音视频 压缩标准，目前标准化已经完成，马上进入产业化阶段。本课题选用a v s 标准 搭建系统平台，有更深层的意义。下面将对a v s 协议及关键的技术进行介绍。 a v s 是我国具备自主知识产权的第二代信源编码标准。a v s 技术解决的重 点问题是数字音视频海量数据( 即初始数据、信源) 的编码压缩问题，故也称数 字音视频编解码技术。显而易见，它是其后数字信息传输、存储、播放等环节的 前提，因此是数字音视频产业的共性基础标准。 国际上音视频编解码标准主要两大系列：i s o i e cj t c l 制定的m p e g 系列 标准；i t u 针对多媒体通信制定的h 2 6 x 系列视频编码标准和g 7 系列音频编码 标准。1 9 9 4 年由m p e g 和丌u 合作制定的m p e g 2 是第一代音视频编解码标准 的代表，也是目前国际上最为通行的音视频标准。 经过十年多演变，音视频编码技术本身和产业应用背景都发生了明显变化， 后起之秀辈出。目前音视频产业可以选择的信源编码标准有四个：m p e g 2 、 m p e g - 4 、m p e g 4a v c ( 简称a v c ，也称j v l 、h 2 6 4 ) 、a v s 。从制订者 分，前三个标准是由m p e g 专家组完成的，第四个是我国自主制定的。从发展 阶段分，m p e g 2 是第一代信源标准，其余三个为第二代标准。从主要技术指 标编码效率比较：m p e g - 4 是m p e g 2 的1 4 倍，a v s 和a v c 相当，都是 m p e g 2 两倍以上。 由于技术陈旧需要更新及收费较高等原因，m p e g - 2 即将退出历史舞台。 m p e g - 4 出台的新专利许可政策被认为过于苛刻令人无法接受，导致被众多运营 商围攻，陷入无法推广产业化的泥沼而无力自拔，前途未卜。而a v s 是基于我 国创新技术和部分公开技术的自主标准，编码效率比m p e g 2 高2 3 倍，与 a v c 相当，而且技术方案简洁，芯片实现复杂度低，达到了第二代标准的最高 水平；而且，a v s 通过简洁的一站式许可政策，解决了a v c 专利许可问题死 结，是开放式制订的国家、国际标准，易于推广；此外，a v c 仅是一个视频编 码标准，而a v s 是一套包含系统、视频、音频、媒体版权管理在内的完整标准 体系，为数字音视频产业提供更全面的解决方案。综上所述，a v s 可称第二代 信源标准的上选。 a v s 标准是信息技术先进音视频编码系列标准的简称，a v s 标准 包括系统、视频、音频、数字版权管理等四个主要技术标准和一致性测试等支撑 标准。 北京邮电大学硕十论文 2 0 0 6 年2 月2 2 同，国家标准化管理委员会颁布通知： 信息技术先进音视 频编码第二部分视频正式成为国家标准。a v s 成为中国数字电视广播的视频 标准，并于2 0 0 7 年成为中国电信和网通口t v 的标准。未来a v s 还将进军视频 监控系统，蓝光存储等各个方面，所以对a v s 技术和相关应用的研究意义非常 重大。 a v s 视频框架中使用的关键技术包括：8 x 8 整数d c t 变换、自适应变长熵 编码，多种帧内帧间预测模式、较为简单的多参考帧预测，1 4 精度像素插值、 特殊的帧间预测运动补偿、去块效应坏内滤波等【1 】。在基准p r o f i l e 中，接入单 元以图像为单元，图像类型分为i ，p ，b 三种形式，其中i 帧使用5 种帧内预测压 缩模式，p 帧可以选择前后两帧作为参考帧，b 帧最多可以使用2 帧进行前后预 测，或者单帧双向预测。这样的参考帧选择简化了码流的前后相关性，更有利于 实时应用的实现。在b 帧中，还采用了d i r e c t 和s k i p 帧间预测模式，实现了更 高的压缩效率。图像内宏块采用了4 x 4 的整数d c t 变换，消除了由于变换造成 的图像失真；变换系数使用了自适应变长熵编码，具有更高的编码效率。此外还 加入了环路滤波工具，帧场自适应编码等，既考虑到压缩性能，又兼顾到系统设 计与实现的复杂性。另一方面视频流采用了不可伸缩的码流结构，实现简单、便 捷，但是在实时应用例如v o d 中，必须考虑数据资源的优化与共享 2 。 1 1 2 流媒体传输协议 r t p 是用于i p 针对流媒体的一种传输协议，它被广泛的使用到多媒体传输 中，同样它也是v o d 系统中重要的传输协议，此处对r t p 及其协议族进行一定介 绍。r t p 被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息 和实现流同步 3 】。当应用程序开始一个r t p 会话时将使用两个端口：一个给 r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机 制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。r t p 也不作为 一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。 实时传输控制协议r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和r t p 一起提 供流量控制和拥塞控制服务。在r t p 会话期间，各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含有己发送数据包的数量、丢失数据包的数量等统计信息。因 此，服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。 r t p 和r t c p 配合使用，它们能以有效的反馈和最小的丌销使传输效率最佳化， 因而特别适合传送网上的实时数据。 r t p 提供端对端网络传输功能，适合通过组播和点播传送实时数据，如视 频、音频。r t p 没有涉及资源预订和质量保证等实时服务，r t c p 扩充数据传输 4 北京邮电大学硕十论文 以允许监控数据传送，提供最小的控制和识别功能。r t p 与r t c p 设计成独立传 输和网络层。 r t c p 协议将控制包周期发送给所有连接者，应用与数据包相同的分布机 制。低层协议提供数据与控制包的复用，如使用单独的u d p 端口号。r t c p 执行 下列功能：主要是提供数据发布的质量反馈，作为r t p 传输协议的一部分，与其 他传输协议的组和阻塞控制有关。反馈对自适应编码控制直接起作用，但i p 组 播经验表明， 从发送者收到反馈对诊断发送错误是至关重要的。给所有参加者 发送接收反馈报告允许问题观察者估计哪些问题是局部的，还是全局的。反馈功 能由r t c p 发送者和接收者报告执行。 r t c p 带有称作规范名字( c n a m e ) 的r t p 源持久传输层标识，如发现冲 突，或程序重新启动，接收者需要c n a m e 跟踪参加者。接收者也需要c n a m e 与相关r t p 连接中给定的几个数据流联系前两种功能要求所有参加者发送r t c p 包，因此，为了r t p 扩展到大规模数量，速率必须受到控制。让每个参加者给其 它参加者发送控制包，就近独立观察参加者数量 4 】。该数量用于计算包发送的 速率。在i p 组播场合应用r t p 时，这些功能是必须的，推荐用于所有情形。r t p 应用设计人员必须避免使用仅在单播模式下工作的机制，那将导致无法扩展规 模。 由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网络中传输高 质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需其他更多的条件。r s v p ( r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c 0 1 ) 正是i p 网上的资源预订协议，使用r s v p 预留一部分 网络资源，能在一定程度上为流媒体的传输提供q o s 。在某些试验性的系统如网 络视频会议工具就集成了r s v p 。资源预订协议( r s v p ) 是网络控制协议，它使 i p 网传输数据流时能够获得服务质量( q o s ) ，r s v p 是非路由协议，它同路由协议 协同工作，建立与路由协议计算路由等价的动态访问列表，r s v p 属o s i 七层协 议栈中传输层，开始是研究人员构造的，i e t f 正朝标准化力向努力。 实时流协议r t s p ( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 是由r e a l n e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过i p 网络传送多媒体 数据。r t s p 在体系结构上位于r t p 和r t c p 之上，它使用t c p 或r t p 完成数据 传输。h t r p 与r t s p 相比，h t t p 传送h t m l ，而r t p 下专送的是多媒体数据， h t t p 请求由客户机发出，服务器作出响应，使用r t s p 时，客户机和服务器都 可发出请求，即r t s p 可以是双向的。 实时流协议( r t s p ) 是应用级协议 5 卜 7 】，控制实时数据的发送。r t s p 提供1 个可扩展框架，使实时数据( 如音频与视频) 的受控、点播成为可能。数据源包 括现场数据与存储在剪辑中数据。该协议同的在于控制多个数据发送连接，为选 北京t l g t t l 大学硕十论文 抒发送通道f 如u d p 、组播u d p 与t c p ) 提供途径，并为选择基于u d p 下发送机 制提供方法。 实时流协议( r t s p ) 建立并控制一个或几个时间同步的连续流媒体。尽管连 续媒体流与控制流交叉是可能的，通常它本身并不发送连续流。换而言之， r t s p 充当多媒体服务器的网络远程控制。r t s p 连接没有绑定到传输层连接， 如t c p 。在r t s p 连接期间，r t s p 用户可打开或关闭多个对服务器的可靠传输 连接以发出r t s p 请求。此外，可使用无连接传输协议，如u d p 。 1 1 3 电视网与i p 网的互联 随着信息技术的演进，有线电视网与计算机i p 网的两网融合将是发展的必 然趋势。所谓两网融合，也就是使现有的计算机网络与有线电视网互通，逐渐形 成一个统一的网络系统，由全数字化的网络设施来支持包括数据、语音和图像等 数据业务的通信。我国有线电视网络经过十几年的发展，已迅速成长为拥有超过 一亿用户的国家范围内最大的接入网，成为覆盖范围最广，用户量最大的基础网 络。因此基于有线电视网作为入户多媒体业务的载体，是最具竞争力的接入方 案。 现有的有线电视网络，采用星状网络结构，实现从一点到多点的单向传输模 式，可以连接大量的终端用户，具有普及率高，覆盖范围广，频带宽，容量大， 功能多，成本低，抗干扰能力强，支持多种业务模式的优势，理想的改造方式就 是通过对c a t v 网络的改造，铺设光纤同轴混合网( h f c ) ，实现双向上下行信道 通信f 8 卜 1 0 】。 为了与i p 网进行融合，使机顶盒用户可以访问口网中的多媒体资源，就必 须实现机顶盒数字化双向接入及h f c 、i p 两网的网关互通。理想的架设模式是 c a b l em o d e m 接入，c m t s 桥接的形式，传输协议使用d o c s i s 2 0 标准。如图1 1 所示。 北京邮电大学硕十沦文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 嗣i 蕊i i i i i i i i i i 嗣i 一i il 萄 、? 杈 c i 卜卜h b h 一 1 路l嘣 一一 产患仝l 一凋川t s 墓 1 ，、 ， n 置- 麓 i (h f c 州络广 ， 1盒换机 自 l ， 上 图1 1 电视网与i p 网互通模型 c a b l em o d e m 主要实现的是将上行数字信号调制为射频信号，通过h f c ， 将信号传送给网络前端设备：接受下行的信号，并对其解调，得到数字信号，以 便s e tt o p - b o x 处理。 c m t s 指c a b l em o d e m 前端设备，采用1 0 b a s e t 或1 0 0 b a s e - t 等接口，通 过交换型h u b 与外界设备相联，通过路由服务器、交换机与外界i n t e m e t 网相 连，或者直接连接本地服务，享受本地服务。其它辅助设备还包括：网管服务 器，c m t s 管理服务器，t o d 服务器，d h c p 服务器等支撑设备。 h f c 网，在主干采用星型光线，在用户分配部分采用树枝型同轴网。在主 干传输网络中，使用光缆作为媒介，应用载波复用技术，将多路c a t v 信号调 制在一路光信号上。在头端中，从信号合成器出来后由光发射机发出，通过光纤 传输 1 2 1 ，送到光节点设备，光节点设备是h f c 接入系统的关键，它包括一个下 行信号光接收机和一个反向上行信号光发射机。光节点设备接收到机房送来的下 行光信号，进行光电转换并通过本身的射频放大部分，将这种电信号放大后，送 往射频双向放大器，然后电信号经同轴电缆传给终端用户；在上行方面，光节点 设备接收同轴电缆支路送来的上行信号，将这些电信号变换成光信号，发往前端 的上行光接收机，然后传递给信号分路器。 这样的互联就完成了c a t v 电视网与i n t e m e t 网数据链路层及以下的互联， 而上层还是使用t c p i p 协议。 两网融合并不是原来网络的简单延伸，而是开拓出一个以i p 为基础的新一 代网络，提供视频交互，v o i p ，远程教育，交互式游戏等多种应用。本v o d 系 统涉及的异构混合网络就是基于这种设计形式搭建的，搭建的细节，在第二章的 系统介绍中给出。 北京邮【! 大学硕十沦文 1 3 本文研究的内容与组织结构 本文研究的内容是异构网络下v o d 系统的互动性服务研究。本文的组织结 构分为6 个部分。第一部分为绪论，主要介绍了课题的立意和主要的课题背景， 第二部分为v o d 系统框架的介绍和电视网络改造规划并介绍了实验系统搭建的 过程，第三部分为下一代v o d 系统框架的预研，这是本人在实践过程中，结合 自身专业特点展开的一部分未来研究活动，第四部分就是本文的重点，即v o d 系统互动性服务机制的涉及，在这部分一种主动缓存机制被提出，第五部分为系 统平台的验证过程，最后是对全文工作的总结。 北京邮电大学硕十论文 第二章异构网络环境中的v o d 系统与关键技术分析 2 1 引言 当前v o d 系统的研究热点，主要集中在v o d 系统架构设计，服务器性能 优化，数据库的存储与快速搜索算法，多用户并发控制与系统服务策略，组播与 广播网络传输机制等多方面。目前关于v o d 系统设备的开发，也已经有一些成 熟的产品。随着微电子技术的日新月异，高性能的处理器，大容量、高速度的存 储设备，以及大容量带宽的网络服务都大大的提高了视频服务器的容量和处理能 力。而国内外知名的厂商，如m o t o r o l a , c i s c o ，p o l y c o m ，华为等，都有相对较为 成熟的产品。在美国，v o d 技术的研发与应用试验也已基本完成，并已处于大 规模应用阶段，但是v o d 系统的功能完善还存在着诸多问题。主要的问题如 下：现有的电信或者电视以及其他的v o d 应用，用户数比较少，规模较小，实 施环境都相对非常理想。较大规模的v o d 试验或者应用，都只能提供有限的交 互性，真正的交互式v o d 系统目前还很难实现【9 】。 这主要是因为并发的视频数据要占用服务器大量的i o ，缓存与带宽。常见的 视频压缩技术，如m p e g ，a v s 传输带宽大概是0 5 l m b p s 左右，1 0 0 0 个用户并 发，将需要至少1 g 的带宽，这对服务器资源与网络资源都是极大的挑战。考虑 到交互性，此部分涉及的内容非常丰富，包括服务器端对媒体流预处理，并行触 发的处理机制，流媒体的分发，网络传输的策略，以及客户端的缓存技术等，交 互性的设计优劣，将直接影响到整个v o d 系统的复杂度与实施代价。而近些年 大量的研究工作也集中于此。所以现阶段，针对多用户请求下的资源共享与控制 策略是研究的重点。 2 2 v o d 系统试验平台架构 v o d 系统是涉及信号处理数据压缩，计算机系统设计，数据通信，网络控 制，数据库等多方面领域与技术的综合系统。这为系统的设计带来了很大的复杂 性与挑战。本部分首先介绍v o d 系统的设计框架，然后是主要技术与实现机 制，最后给出了本文所涉及的v o d 系统设计的细节。 2 2 1 v o d 系统组成部分 v o d 系统主要分为三个部分，主要的组成部分包括：服务器端，客户端， 传输网络。服务器主要承载的任务为节目提供，发布，多用户接入控制，用户信 息注册数据加密等。服务器按照功能划分模块有v o d j 艮务器，主要功能为提供 北京邮i i ! 大学硕十论文 大量视频剪辑的存储；传输流发布设备，对节目流进行打包复用等预处理；订阅 管理模块，主要功能为用户账户的设计访问权限管理；对话管理模块，对话管理 模块会系统资源管理模块，建立v o d 服务器到用户端得对话连接；资源管理主 要是针对服务器出口的带宽管理，从而实现服务器的访问量的效率最大化；应用 服务管理模块，主要面向服务器与用户之间的互动服务管理，如电子点播菜单， 交互操作，以及其他互动游戏等。本文的服务器相应模块如图2 1 所示： 图2 - iv o d 系统详细模块图 客户端主要任务是节目数据的接收，节目的播放，用户与服务器端的交互控 制以及交互过程中的各种异常处理等。包括的功能模块有：解码显示引擎，主要 是对传输的多媒体压缩流进行解码，然后结合多图层技术进行显示；节目信息管 理，主要对各频道信息管理，负责节目菜单更新等；对话管理模块，负责与服务 器建立连接；应用管理模块，对应于服务器端进行交互性操作服务管理；还须有 1 0 一 北京邮电大学硕士论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1 1 1 i i i i i 叠i i i i i 必需的g u i 可视化接口。客户端可以是机顶盒s e t t o pb o x 、个人p c 、数字电视 d t v 等。 而传输网络主要是为系统提供传输大规模数据节目多用户并发机制下的带宽 和实食客靠的传送质量，传输网络现在可以分为四部分：内容发布网络，核心网 络，边缘网络和接入网络。对于大规模v o d 系统，单一的服务器是无法满足用 户大量的访问，这就需要考虑到基于网络拓扑结构的资源分布。主要的策略是代 理服务器，通过部署副本服务器在一些需求较大的网络节点，从而利用额外的存 储代价来降低网络流量，带宽需求以及响应延迟。网络的类型可以是d h f c 网络，t c p i p 网络等。v o d 核心网主要有2 种形式：现有的有线电视系统c a t v 网络，基于i p 协议的i n t e m e t i n t r a n e t 数据网络。接入网方面有 h f c , a d s l v d s l ，e t h e m e t ，w i r e l e s sa c c e s s 等。 2 2 2 异构网络环境下v o d 系统的搭建 2 2 2 1 公用i n t e r n e t 与c a t v 网络的融合 有线电视网一般是典型的h f c 网络，拓扑结构为星状，经常采用单网关单 主控器形式。整个数据网络拓扑结构如图2 2 所示： 。 l ” j 一， 订刖服务器f 1p j j i 】i 9 器 图2 - 2c u v 网络改造拓扑结构图 整个网络分三个部分，即骨干网、管理网子网、h f c 接入子网。 骨干网用于接入w w w 服务器、e m a i l 服务器、f r p 服务器及通过路由器与 公用i n t e m e t 主干网相连。管理子网用于对网关、主控器、路由器等进行控制， 对网络进行管理，如对调制解调器进行授权，对网络状态进行监控、配置文件备 份等。h f c 子网用于实现电缆调制解调器与主控器间的通信，这是整个系统的关 键 8 】。 1 1 醍| | 北京邮电大学硕十论文 i i 为了组建高性能、易于管理的网络，首先要对各子网的ip 地址进行科学的 规划，以提高运行效率。正确规划子网的i p 地址，使各个网络便于区分，为今后 开展工作创造便利条件。 ( 1 ) 对于骨干网( 见图2 - 3 ) ，骨干网2 1 0 1 2 1 2 8 x x x 5u 图2 - 3 骨干网规划 ( 2 ) 对管理子网( 见图2 4 ) ，规划为1 0 6 4 6 4 x x x 叫灭 1 0 6 4 6 4 i 连接器 1 06 4 6 4 2 路山器 l0 6 4 6 4 3 ci t 以人嘲交换机 囊缘遵懑豳 e m a i l 服务器f t p 服务器 s n m p 服务器 图2 - 4 管理子网规划 ( 3 ) 对h f c 子网( 见图2 5 ) ，采取将光工作站编号与ip 地址相结合的形式，如 果工作站的编号为1 2 0 3 ，那么其下面的用户i p 地址范围为1 0 1 2 3 x x x ( x x x 一2 5 6 ) 。每l i n k 网关可支持4 9 9 个子网，每个子网可有2 5 6 个i p 地址， 因此我 们不必担心子网不够的问题。 一1 2 北京邮电大学硕士论文 i p ：1 0 1 c a b l em o d e mc a b l em o d e m 图2 - 5h f c 子网规划 m m m m 2 2 2 2 l t f c 接入子网双向数据通信的升级与改造 现有由h f c 构成的电视广播网络，一般只支持下行的广播数据，无法实现支 持i p 包的上下行两路通信。为了使h f c 网络支持支持上下行两路的通信，必须借 助d o c s i s 传输标准，实现h f c 电视广播网的数据通信过程。实现机制如下文描 述。 d o c s i s 是为有线电视网传输高速数据专门制定的技术标准。d o c s i s 的设 计目标明确定义为“在全同轴电缆接入网或者h f c 接入网中的前端与用户端之 间实现口规则的双向透明传输。规范中h f c 接入网中的数据传输是通过位于 h f c 网络前端的c m t s 和位于用户端的c m 来实现的。为了实现p 数据透明传 输，在h f c 网络上加装一系列接口： c m t s 与广域网之间的数据接口n s i ； c m 与用户端设备之间的数据接口c m c i ； 另外，为保证网络操作、射频信号转换和网络安全功能的实现，d o c s i s 还 分别定义了以下主要接口： 操作系统支持接i z l o s s i ； 射频信号接e i r f i ； 基线保密接v b p i 。 其中，r f i 接口规范是d o c s i c 网络协议的关键部分，它不但规定射频信号 的物理特性，还要处理上、下行各种打包数据，完成过滤和协议转换等操作。 为实现在h f c 网络中透明传输，定义了类似于以太网的协议堆栈，如图2 - 6 所示。 】3 北京邮i 【l 大学硕十论文 图2 - 6h f c 网络协议栈 从网络的协议堆栈可看出，d o c s i s 只定义了口以下层的协议，对i p 包中所 包含的具体内容一般不作处理。在h f c 网络中没有定义i p 以上层，这是d o c s i s 规范根据h f c 网络的特殊媒质而制定的，其目的是为了保证i p 数据包和m p e g 业 务码流在h f c