◎东南大学计算机科学与工程学院 宋士明

江苏省广电有线信息网络股份有限公司 孙 庭

北京视博云科技有限公司 武振华

面向广电网络的视频云计算增值业务平台

◎东南大学计算机科学与工程学院 宋士明

江苏省广电有线信息网络股份有限公司 孙 庭

北京视博云科技有限公司 武振华

针对“三网融合”新形势下广电运营商增值业务开展所面临的瓶颈问题，以江苏有线为例介绍了一种基于视频云计算技术的增值业务平台的设计及其实现方案。分别从平台的总体架构、硬件平台设计、软件平台设计、关键技术和性能等多个角度进行阐述，可为各地广电运营商增值业务平台的设计和建设提供一定的参考。

视频云计算；广电网络；三网融合；增值业务；多终端支持

背景

在“三网融合”新形势下，广电运营商面临着以IPTV、OTT为代表的互联网视频及直播卫星等多重业务的竞争压力。因此，仅依靠传统数字电视直播及VOD点播业务，实现用户数及收入增长的发展模式，已无法维持广电运营商的持续发展。而随着电信、互联网等运营商同质化业务快速发展，传统广电的用户不断流失。此外，高速发展的移动智能终端也在越来越强烈地影响着用户的娱乐习惯，分流了大量的电视用户，据调查统计，电视开机率已呈逐年下降趋势。从目前国内市场来看，当前广电运营商的发展极为不平衡，三网融合试点城市的机顶盒终端发放已由基本型向高清互动型转变。但由于前端基础设施与机顶盒终端发放分期建设，存量终端更替缓慢，客观上造成了广电网覆盖区域内机顶盒厂家众多、终端能力参差不齐的局面。同时广电网络还面临业务内容缺乏、终端技术标准不一、终端对新业务适配周期长等问题，新业务开展和运营遇到巨大瓶颈。如何让新的增值业务在各类能力参差不齐的终端上快速适配和开展，成为广电亟待解决一个的问题。

本文拟对江苏有线“云媒体电视”增值业务支撑平台[1-2]中视频云计算增值业务平台进行介绍，以求为各地广电运营商增值业务类平台的建设提供参考。

视频云计算技术及其特点

视频云计算是基于云计算技术，采用视音频作为“云端”向“终端”呈现处理结果的一种云计算解决方案。如图1所示，应用在云端服务器上运行，将运行后的显示输出、声音输出编码后经过网络实时传输给终端，终端进行实时视音频解码并输出。终端同时可进行交互操作，通过网络将操作信令实时传送给云端应用运行平台以实现对应用的控制[3]。

图1 视频云计算原理示意图

通过视频云计算技术的采用，系统中的终端便可“精简”为仅需具备网络接入能力、视音频解码能力和人机交互能力的瘦客户端，因此视频云计算技术可突破广电网内存量终端开展增值业务的瓶颈，提供一种实现应用和终端“对接”的有效解决方案，可有效地解决现阶段广电不断开展的增值业务与存量终端应用运行能力不足的矛盾[4]。基于视频云计算技术的增值业务平台，具有可灵活支持多种云应用类型、业务更新终端免升级的优势。其利用强大、可扩展的云端应用运行能力，在不更换和改造存量互动机顶盒的基础上，提供堪比智能终端和PC才能运行的丰富应用，如游戏娱乐、远程教育、商务办公、互联网应用、虚拟现实等。该平台不仅可覆盖支持多种类型终端（如互动机顶盒、手机、PAD等），还可兼容多厂商的服务器，是真正意义上的运营开放、内容开放、合作开放、云端终端开放式的运营平台。

平台总体架构

视频云计算平台继承云计算平台的所有特点，总体采用三层架构设计[5]，如图2所示。

图2 视频云计算平台的总体架构设计

在IT基础设施层：从电力、空间、安全等因素进行综合分析和考虑，使用虚拟化技术实现CPU、内存、GPU等硬件资源的虚拟池化，动态管理和调度资源，并通过链路冗余、负载均衡、智能电源管理及系统安全加固等技术使得平台资源得到高效、安全的利用，并跨系统平台支持多种类型的终端。

视频云计算能力平台层：其作为核心层，可对平台所有软硬件优化整合，实现对底层硬件资源的虚拟化调用，并对计算及应用资源进行集中管理和配置，提供对云应用的运行支撑；实现多用户均衡的并发访问和独立的应用控制；通过云-终端交互协议和低时延编解码及互动传输技术，保障云应用画面及时送达和用户控制信令的实时操作。该层作为业务运行平台层，可为多重增值业务的云端运行提供开放的云计算运行能力。

业务管理和展现层：该层为面向用户的云业务集中展示和云应用使用的窗口，可根据用户权限通过业务管理系统，为用户呈现个性化云业务门户和云应用使用的界面。

运营管理和安全保障两大辅助体系，可为平台提供全面的应用上下线、审核、部署和运营的管理流程，以确保部署的应用内容和过程可管可控；并通过运营商统一的业务分发平台（Ser⁃vice Delivery Platform，SDP）实现用户AAA认证；通过平台监控系统实时监控和保障平台的安全稳定运行。

硬件平台设计

视频云计算硬件平台逻辑上可支持中心统一调度管理，及区域分布部署服务节点方式。该方式不仅使终端接入灵活变化，且云端也容易平滑扩容和升级。在建设初期，可采用所有硬件设备物理上集中部署。典型的面向广电双向HFC网络的视频云计算硬件平台逻辑架构设计，如图3所示。

视频云计算硬件平台：主要由中心管理服务器、分前端管理服务器、云应用服务器集群、业务管理服务器等核心服务器及网络设备构成，并辅以系统监控、中心管理网站服务器以及运营商SDP/BOSS等支撑系统。其中，中心管理服务器主要负责平台的统一会话调度管理，并向下管理多个分前端服务器。分前端服务器可部署在各分支区域，管理该区域内云应用服务器集群，处理该区域内终端的会话请求，为接入终端分配云资源提供云服务。应用服务器集群内含2D和3D类应用服务器，其中2D服务器即为普通应用服务器，3D应用服务器带有GPU显卡，专用于需复杂3D图形处理的游戏业务。

云端网络架构设计总体上划分为三个独立的物理子网——码流汇聚子网、网管信令子网和SDP接入子网，分别与运营商对应的专网互联，每个子网内部均采用链路冗余和负载均衡设计。码流汇聚子网接收云应用服务器推送的视音频UDP/IP码流，并由万兆端口汇聚发往统一资源管理（Unified Resource Management，URM）系统动态分配的IPQAM目的端口；网管信令子网用于终端和云端之间的信令交互及云端系统网管；SDP接入子网为系统后台网络，可实现视频云计算平台和运营商支撑系统（如SDP、URM）的互联。

图3 视频云计算硬件平台的逻辑架构设计

Cable互动机顶盒和云端之间基于CableModem传输IP信令，使用DVB-C方式下行接收解码H.264视音频码流。机顶盒可支持多种外设，包括各种USB HID外设和红外遥控器。对于非Cable接入的IPTV机顶盒或其他移动智能终端，同样也可使用视频云计算平台，区别在于不使用下行IPQAM资源，将直接码流和信令传输融合到同一子网。

软件平台设计

视频云计算软件平台架构设计如图4所示，总体上由统一会话调度管理系统（Unified Session Scheduling Man⁃agement System，USSMS）、会话资源管理系统（Session Resource Management System，SRMS）、云资源（Cloud Resourc⁃es，CR）、云存储系统（Cloud Storage Sys⁃tem，CSS）、中心管理网站（Central Ad⁃ministration Site，CAS）、业务管理系统（Service Management System，SMS）、云业务门户以及终端八个部分组成。当前广电运营商的终端主要为互动机顶盒，外围的有关支撑系统为运营商已有的公共基础平台。

1.统一会话调度管理系统（USSMS）

USSMS部署于中心管理服务器，由全局调度、全局会话和应用数据管理三个模块组成。主要功能为包括：负责对接入的终端用户进行AAA认证和应用鉴权，通过后为用户分配提供服务的SRMS；负责为每个登录终端创建和维护全局会话信息；自动登录CSS，为该终端分配一个应用数据在CSS中上传下载的标识码，作为用户数据上传和下载的认证，并将该标识码同步至CR，终端退出平台后，该标识码失效。

USSMS的工作流程如图5所示。全局调度模块将终端传入的唯一标识信息（如机顶盒序列号和智能卡号），发送给全局会话模块，并经过SMS到运营商SDP平台进行终端用户AAA认证，通过后根据终端类型为其分配合适的SRMS。当终端向USSMS发起登录请求并通过认证后，全局会话模块将为终端分配系统唯一的会话ID，并向CSS上报终端登录（或退出）信息及向SMS同步消费记录等信息。当用户在门户上启动某云应用时，全局会话模块负责到SMS进行应用鉴权，通过后通知SRMS为用户提供视频云服务。

2.会话资源管理系统（SRMS）

SRMS部署于分前端管理服务器，由会话管理、消息网关和云资源管理三个模块组成。主要负责维持和终端的“心跳”，如维护终端会话的生命周期，处理终端的所有交互操作，并为终端分配云资源，调度合适的云资源来响应用户的交互操作。SRMS的工作流程如图6所示。

图4 视频云计算软件平台的架构设计

图5 USSMS的工作流程图

图6 SRMS的工作流程图

其中，消息网关通过转发终端的会话消息，实现终端与会话管理模块的通信。会话管理模块负责维护终端的会话信息，实时记录和统计用户操作信息并同步给USSMS，以作为SMS的计费依据。云资源管理模块用于统一管理、分配和维护CR，其采用动态资源分配策略，可根据终端类型为用户分配最合适的资源，并提供具体的云应用服务，如登录云应用、启动/停止应用、退出云服务等；在资源异常情况下可通过实时监控CR状态，为用户实时切换资源。由于SRMS直接影响用户对视频云应用的体验，因此搭建一个稳定高效的SRMS对平台运营至关重要。

3.云资源（CR）

CR部署于应用服务器集群，是应用运行的真实核心平台，由虚拟化资源、视音频编码、应用控制代理、终端信令交互和应用数据管理五个模块组成。其主要功能为：通过虚拟化技术将服务器硬件资源统一虚拟化，形成虚拟硬件资源池以便高效利用；统一接收终端外设的操作信令，并以桌面为资源单位，为接入终端在相应分配的虚拟硬件上启动视音频编码资源，通过应用控制代理实现云应用的实时远程操作。应用数据管理模块负责在用户退出云应用和再次启动该应用时，分别对CSS上传和下载用户的个性化存档数据（如应用退出前最后一刻的状态数据）。CR工作流程如图7所示。

4.云存储系统（CSS）

CSS为视频云计算平台提供数据存储服务，负责存储云应用的配置数据，用户个性化存档和用户账户等信息，其工作流程如图8所示。CSS以动态库形式与USSMS、CR及SMS直接对接。USSMS自动登录CSS，为接入用户创建应用存档目录和一个上传下载的标识码，并标识终端的登录和退出；SMS通过调用CSS实现相关的用户账户管理功能，如账户的创建、注销及密码修改等；CR则通过调用CSS对用户个性化应用存档数据进行上传（备份）和下载（还原）。

图7 CR的工作流程图

5.中心管理网站（CAS）

CAS基于B/S架构设计，部署于CAS服务器，负责对平台的资源和运行状态进行集中管理和监控，在CAS架构的设计中，实现了部署管理、应用管理、系统管理和平台监控四个子系统。

部署管理实现SRMS配置、服务器资源自动搜集与管理、软件模块的部署和配置、日志管理以及对软件模块的控制功能；应用管理实现云应用的分类创建，应用部署以及运行参数等信息的管理，通过指定特定范围的应用服务器，对应用进行远程批量的安装、升级、卸载操作，并对已部署应用提供分类、查找、上线、下线等管理功能。系统管理实现平台的权限管理、日志管理、基础数据管理及密码管理等功能。平台监控实现对平台系统级、硬件设备级和软件模块级的资源实时监控，并提供必要的服务器软件和模块远程重启等异常处理手段。

6.业务管理系统（SMS）

通过SMS可实现云业务系统的统一界面管理，多角色管理员的管理，并可为USSMS、CSS、运营商SDP/BOSS等系统提供信息接口（如图9所示），此外，还可提供对视频云计算增值业务平台实际运营的支持。

图8 云存储系统的工作流程图

SMS主要包括运营系统管理、运营支撑系统和业务计费网关三部分功能。其中，运营系统管理基于B/S架构，可为管理员提供对云业务的费率、产品信息、用户信息及系统数据字典等信息的统一管理；运营支撑系统可实现与USSMS的应用和消费信息同步，并为云业务门户提供应用鉴权、产品订购等功能；业务计费网关则提供对到运营商SDP/BOSS的接口，以实现用户AAA认证、用户查询、产品订购以及核对账单等功能。

图9 SMS的工作流程图

7.云业务门户

也称终端门户，是视频云计算平台的软资源，作为一种特殊的云应用，是用户登录后看到的第一个界面。用户可通过该门户实现云业务订购、应用启动、账户查询等操作。云业务门户相比于传统机顶盒移植库生成EPG方式有明显优势，可支持较为复杂的用户界面设计和更广泛的应用类型，提供较好的用户体验。图10所示为江苏有线运营的云游戏业务门户。

图10 云游戏业务门户

8.终端

终端软件平台主要由云-终端交互协议、视音频解码和外设数据采集构成，可实现云端和终端的实时交互、云应用（含门户）画面呈现的功能。采用低时延USB远程映射技术实现标准USB HID外设和云应用实时交互，使得需要更多外设支持的应用可在配置较低的终端上使用。云-终端交互协议、外设数据采集以移植库的形式运行，可实现跨平台移植并运行于多种类型终端，而视音频解码模块则需要根据相应软硬件平台进行低时延优化。

平台关键技术和性能

视频云计算平台具有高并发、低时延、跨终端支持等特点，离不开以下几点关键技术：

1.负载均衡和缓存

平台内部对会话管理、资源调度和网络链路多个层面均使用负载均衡策略，并利用数据缓存和异步消息处理机制提高平台的高并发处理能力。以单台双4核CPU的中心管理服务器为例，可支持每秒1 000台终端同时请求的接入，同样配置的每台分前端服务器可支持5 000用户同时在线。

2.低时延编解码

通过对标准H.264编码算法改进，结合DVB-C传输通道，采用创新的编码调度算法，优化3D渲染显示，降低显示时延；基于Slice技术优化编解码流水线，可提高编码、发送、解码的速度。该技术可实现云端编码时延不大于50ms，终端解码时延不大于60 ms。综合双向网络传输、IPQAM调制等环节，总时延（不含电视机显示时延）不大于140ms，用户使用无明显时延感。

3.应用虚拟化

应用虚拟化是视频云计算平台的基石。其采用定制的虚拟化技术，在同一台物理服务器上实现多用户可以独立运行不同应用而互不影响。尤其通过对开源Xen的底层虚拟化架构的改进，采用PCI-Passthrough技术实现虚拟机系统对多块显卡的软热插拔和透传调用，实现了基于3D应用的虚拟化，大大提高了昂贵显卡资源的利用率。该技术可实现单块普通显卡支持8～10路3D游戏应用。

4.低时延远程USB映射

通过在终端移植USB HID外设采集库，当有USB HID外设插入终端时，采集库可自动加载驱动识别该外设，并用中断方式采集外设的原始数据描述符，并基于UDP/IP协议快速发送至云端。云端收到信息后进行数据解析还原出外设数据格式，最终实现对云应用的操作。该技术可实现对所有标准USB HID外设操作数据的低时延网络传输。

小结

视频云计算平台作为云计算技术在有线电视领域的创新应用，可促使广电运营商深度挖掘现网存量机顶盒的潜在价值，快速开展丰富的增值业务应用以面对三网融合激烈的业务竞争。视频云计算增值业务平台的建设不但规避了大规模部署智能终端而带来的投资回报的不确定性，对原有投资也是个很大节约。更能为将来全面覆盖手机、Pad、PC等家庭多屏终端提供有力的支持，充分利用云端资源，增强用户黏着度。

[1] 王伟，李鑫.江苏有线云媒体电视平台研发与实践[J].有线电视技术，2012（12）:136-142.

[2] 占亿民，薛留忠.应用云计算技术打造广电网络开放业务平台[J].广播与电视技技术，2012（10）：98-104.

[3]李华宇.运营商拓展增值业务利器——视频云计算系统[J].电视技术，2013，37（20）：46-48.

[4] 肖阳，宁艳芝.视频云计算技术打造云时代互动电视增值业务运营平台[J].广播与电视技术，2013（3）:117-120.

[5]RHOTON J.云计算企业实施手册[M].朱丽，姜怡华，译.北京：机械工业出版社，2011.

宋士明（1985—），硕士，工程师，主研分布式系统与云计算、计算机网络及其应用；

孙 庭（1981—），本科，工程师，主研广播电视传输、系统规划与设计；

武振华（1977—），本科，北京视博云科技有限公司总经理助理，主研数字电视、云计算解决方案与设计。

TN943；TN915

B

【本文献信息】宋士明，孙庭，武振华.面向广电网络的视频云计算增值业务平台[J].电视技术，2014，38（18）.