应用于HFC网络交互业务的会话资源管理系统.pdf

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1、文 章 编 号：1 0 0 2 8 6 9 2(2 0 0 8)0 9-0 0 5 5 0 3 U l d e b a n d n e t u mk 1、一=应用于 H F C网络交互业务的 会话资源管理系统 术 实 用 设 计 罗 亚 赵 志 强，王劲 林(中 国科 学 院 国 家 网 络 新 媒 体 工 程 技 术 研 究 中心，北 京 1 0 0 1 9 0)【摘 要】采用定向流的终端自发现和注册机制，保证了服务端能够正确定位交互终端。对边缘Q A M 的带宽资源采用动态管理的 方 式 在终 端开始会话时实 时分配 资源，会话 结束时及 时回收资源。基 于该 设计 实现 了一个 以时移电

2、视和视 频点播业务 为主体 的 用 户交互媒体分发 系统。实际运 营结果表 明该 系统 能够 实现有限的传输带宽资源 的最 大利用率。【关键词】会话 资源管理系统；HF C网络；I P Q A M；交互业务【中图分类号】T N 9 1 5 6 2 【文献标识码】A S e s s i o n Re s o u r c e M a n a g e me n t S y s t e m f o r I n t e r a c t i v e S e r v i c e o n HFC Ne t wo r k L U0 Ya，ZHAO Z hi-q i a n g，WANG J i n l i n

3、(Na t i o n a l N e t w o r k a n d N e w Me d i a E n g t n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r,C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s，B e ij i n g 1 0 0 1 9 0,C h i n a)【A b s t r a c t】I n d e s i g n e d s y s t e m，a t e r m i n a l r e g i s t r a t i o n a n d

4、 s e l f-d i s c o v e r y s c h e me s b a s e d o n d i r e c t i o n a l f l o w a r e d e s i g n e d t o g u a r-a n t e e t h a t r e a l t i m e s t r e a m i s c o r r e c t l y d e l i v e r e d f r o m me d i a s e r v e r t o t h e r e q u e s t i n g t e rm i n a 1 T h e e d g e Q A M r

5、e s o u r c e s i s d y n a mi c a l l y ma n a g e d t h r o u g h a l l o c a t i o n o n r e q u e s t a n d r e c l a i m o n f i n i s h i n g A t i me s h i f t T V a n d Vi d e o o n De ma n d(Vo D)i n t e r a c t i v e me d i a s y s t e m i s d e v e l o p e d b a s e d o n t h e d e s i g

6、n T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s p r o v e t h a t t h e s y s t e m c a n ma x i mi z e t h e u t i l i z a t i o n o f l i mi t e d n e t wo r k b a n d wi d t h 【Ke y w o r d s】s e s s i o n r e s o u r c e m a n a g e m e n t s y s t e m；H F C n e t w o r k；I P Q AM；i n t e r a c t i

7、 v e s e r v i c e 1 引言 传 统的有线 电视通过单 向 H F C网络进行节 目下发，为 网络覆盖区域 内的所有用户提供 由上 而下 广播式的服 务。带宽的分配策略是预分配，即 5 0 1 0 0 0 MH z 的下行 带宽预先 分配给 固定的直播 电视节 目 】，节 目数与系统带 宽数相 等，这种 简单 的分配策略不需要带宽管 理系统。随着有线数 字电视 的普及，基 于 HF C网络 的交互 式 视 频业务如 时移电视 和视 频点播 得到 了广 泛 的关 注l2 司。其共 同特征是 I P Q A M 的频谱 资源 不再是 针对节 目的分 配，而是根据用户 的会话请求

8、进行动态分配。这需要 一 个会话资源管理 系统在终端进行 交互 请求时实时 的分 配 资源，在终端结束交互服务 时进行 资源 回收。H F C网络交 互媒 体业 务 的会话 资 源管 理 系统 的设 计面临两个难点。首先，终端在接入 网络 时，必须获取系 统前端服务器的 I P地址 以进行上行 交互。其次，交 互业 务要求交互终端是可寻址的，即前端服务器必须把 媒体 流沿正确 的网络资源路 径单播 推送到请 求 的交 互终 端，而不是 广播 给所有的终端。现有寻址技术 中，多采 用在终端出厂时配置默认 运 营商服务器地址或配置服务器地址名。该实 现方式 简单，已申请国家专利(申请号：2 0 0

9、 7 1 0 1 1 9 9 9 8 7)但仍 存在 问题：1)可 扩展性不 足，当服务 器地址发 生改 变，大量 的终 端需要 重新设 置；2)只能为终 端定 位服务 端，在 HF C网络 中无 法实现服务 端对终端所 在服务 区的 定位。目前 HF C网络 上 的双 向交互业 务会 话资 源管理 系 统 的研究较少，且 大部分只介绍 了相关概 念，缺少具体的 技术实现，缺乏工程可用性。笔者实现 了一种会 话资源 管理系统(S e s s i o n R e s o u r c e Ma n a g e me n t，S RM)。该系统 采用基于轮播包 的终 端 自发现注册方案，保证 了服务

10、端 能够沿着正确 的路 径进行流下发，并采用合理 的带宽分 配 回收方法保证 了有 限网络带宽的有效利用，为更 多的 交互 终端提供有质量保证 的交互媒体服务。2 S RM 系统 的总体 框架结构 S R M 的功 能包 括完 成终 端注 册并 提供 对 用户 的认 证和授权，对传输 网络的带宽进行集 中控 制和动态使用。系统流程上，S R M接 收资源请求，并分配相应 的 HF C网 络带宽给前 端媒 体服务器，后者在 S R M 分配 的带宽上传 递终端实时请求 的流，并响应终端对流播放 的控 制。S R M 在会话 过程 中记 录会话 状态 和本 次会话 所使 用 的资 源，在终端结束服

11、务时，响应 前端服务器流传递结束 的消息，N o 0 9 V o 1 3 2 2 0 0 8(S u m N o 3 1 9)、V l D 的 B I O IN E B t l N O 维普资讯 http:/ E翟 麴 实 时回收带宽，用于下一个带宽请求。如图 l 所示，S R M 系统分为 3 个层 次：底层是数 据库 层，负责从数据库 中读取静态数据和写入读 出动态业务 数据；中间是业 务逻辑 层，多 线程处 理 S R M与终 端和媒 体服务器 的通信消息，执行交互媒体业务的流程；上层是 用户界面层，为用户提供可视 化配置、管理和系统监控。WE B显示操 作界 面 消息接 收处理 引擎

12、圆囱圆 STB 消 息 M S消 息 响应消息 日数据库持久化层 图 1 S RM 总体 框 架 结 构 图 业务 逻辑层包括 消息接受 处理引擎，实时接收来 自 终端和媒体 服务器 的信令，完成注 册服务、心跳服 务、资 源分配、资源 回收各项 业务流程，实现交互终端 的寻址 和 系统带宽的动态管理。3 终端注册流程 3 1 节点组的概念 机顶盒 接入 网络后，首 先与 S R M 交互 完成注 册流 程，注册流程基 于以下节点组概念。如图 2所示，将 I P Q A M 的 R F资 源集 合划分 成多个 节 点组，同一节点组共享频域，且存在唯一用户组与之对 应。S R M将 节点组 内的

13、所有带宽 资源作为一个 资源池，为该用户组提供 服务。节点组与机顶盒对应关系映射表 是在机顶盒初始接入系统完成注册流程时动态生成。图 2 节 点组 示 意 图 采用 节点组 的优点：1)将 Q A M资 源化整 为零，S R M 的控制粒 度细至 R F端 口级；2)将 R F分组 实现了频域 隔离，有助 于有 限的资源 达到最 大利用率；3)将用 户分 组，有助 于分地理域进行分 区部署，增加 S R M灵 活性。节点组划分 固定后，即可进行注册流程。3 2注 册 流 程 具体流程如下：电视技球 2 o o s 3 2 卷 第0 9 期(总 第3 1 9 1)S R M 周期性地 为 自身管

14、理 的每个节点 组发送定 向特征流，特征 流的 内容包括该 节点组 的标识，S R M 和 媒体 服务器的地址信息。特征流通过 I P Q A M 到达该节点 组服 务区的每一台机顶盒。2)机顶盒上 电后，在 预设 的频点搜 索节点组的特征 流。机 顶盒接 收 到 自身 所在 节点 组 的特征 流后，获 取 S R M和媒体服务器 的通信地址。机顶盒 将 自身 的标识插 入节点组特 征流中，和特征流一起反馈给 S R M。3)S R M 收到机 顶盒 反馈 的特征 流后，将特 征流 中 的机 顶盒标识 和节点组 标识进行对 应，表示 该机顶盒 处 于该 节点组 的服务 区域。完成映射 对应后，

15、S R M将该 机 顶盒 的状态记录为 已开机，S RM 只为进行 了注册 的机 顶 盒提供服务。S RM采用该 注册流程，很好 地解决 了机顶盒与 服务 器 的双向寻址问题。机顶 盒在每 次接入 时根据轮播包 自 动更新 注册 信息，因此不需要存 储 S R M和媒体 服务器 的 I P地 址，同时使 系统 前端能够 得到所有 接入 网络 的用户 机顶 盒寻址 信息、用 户的在线情 况等 自下 而上 的统计 信 息，为其有 针对性 地扩大服务、发现系统瓶颈提供数据。4 S RM 对资源 的分 配和 回收 4 1 资源的分配策略 媒体服务器下 发流之 前向 S R M 请求资源，请求消息 参数

16、 包含提 交请求 的终 端标识。终 端标识用 以寻址，确 定其 所属 的节点组，及 对其 当前 是否 占用资源情 况进行 判 断。这是 因为媒体 服务器 终端 出错、交 互消息被 网络 阻塞 等原 因都可能导致终端重复 申请资 源。S R M接收 消 息后，使用如图 3所示 流程为其分配。Y N 南 其分配流程具体为：1)S R M从 资源请求 消息 中解析 得到终端所需 的带 宽数 目和寻址 信息；2)判 断该 终端有 没有 注册，如果 未注册就 拒绝请求；如 果 已注册，就查询 并判断该终端 当前有没有 占用资源，如果 占用 了资源就 与媒 体服务器 通信，首 先将该 资源 回收；3)查

17、询 自身 数 据库 中的资源池，如果资源 已经用尽，就拒 绝请 求；4)如 有空 闲资源，按 照负载均衡 原则，避免使用 同一个频 点传 输多路节 目码率 过大，可 在同一个节点组 中选择 负载最 小 的 Q A M，在 同一个 Q A M 中选 择负载最 小 的输 出端 口 或在 同一个输 出端 口内部选择 负载 最小 的频点 等方 法；一 维普资讯 http:/ 5)将 资源状 态记 录为“预 分配”，并 产 生一 个全 局 唯一 的 S E S S I O N I D与之关联；6)将 以 Q A M标识、R F标 识和 频点标识 为参数 唯一确定 的资源信 息通知媒 体服务 器；7)S

18、R M 收到终端成 功播放媒体 内容 的确 认消息 后，将 该 资源状 态记 录为“使用 中”，并将该 终端 的状态记 录为“点播 中”。4 2资源 的回收 策略 终端停止使用 的资源 由 S R M 实施 回收，用 以循 环再 分配。由于实际 网络异 常情况 的存在，资源 回收必须具 备鲁棒性和 自恢复性。S R M资 源回收流程的触发分为主 动触发和被动触发。被动触发是 终端点播 完毕退 出后，S R M 实时 收到媒 体服务器 的通知而触发。回收消息 以 S ES S I ON I D和终端 标识为参数对资源进行 唯一定位。主动触发分 4种：1)短周期 自检，即 S R M 运行时每 隔

19、一段较 短 的时间(如 5 ra i n)，且 媒体服 务器确认 其不 再存活 时，将状 态为“预分 配”资源 的 S E S S I O N I D列 表发 送给媒体服务器；2)长周期检测，即 S RM每 隔一段 较长 的时 间(如 1 h)检查状态 为“使用 中”资源 的存活情 况，方法 同 1)；3)开机 同步，即 S R M 因故关机 后，每次 开机 时对所有 非空 闲资源进行 检查，方 法 同 1)；4)终端 心跳 超时，即 S R M超时未收到终端 心跳，认 为终端 已关 机，触 发资源 回收。回收方法：一旦 确认某 资源需 回收，S R M 将该 资源 状态记 录为“空 闲”，回

20、收入资 源池，等待 下次分 配，并 将 对应终端的状态记录为“在线”。4 3 资源管理的实现 S R M 的资源 回收和分 配 都是通 过媒 体服 务器 的交 互消息通信完成的。消息 的交互，在 网络层使用 I P协议，传输层使用 T C P协议，应 用层使用 私有的报 文协议。应 用层 的报文格 式如图 4所示。消息长度 l 消息标识 I Dl 消息参数块l 消息参数块 名称长度 l 参数名称 I 值长度 l 消息值 图 4 交 互 消 息 的格 式 S R M 和媒体服务器 M S各持有一个 S o c k e t 通 信服务 端 口，对应 客户端 口的 S o c k e t 连接。所

21、有通信 均采 用短 连接，消息交 互开始 时，建立新的 S o c k e t 连接。交互完毕 时，新 建的 S o c k e t 连接立 即关 闭。5 实验和 系统性 能分析 笔者实现 的会话 资源管 理系统，有两个主要设计 目 标：1)保证 交互终端在较 短时 问内获取 带宽资 源，实 现 有 Q o S 保 障的交互媒体业务；2)实现对 有 限带 宽 资源 !t a ri d n e t n o l k 的最 大利用 率。利用 已部署 的海南 双 向 H F C网络交互 业务 示范 网 作为 实验 环境进行系统和性 能测 试，系统结构如 图 5 所 示。实验环 境前端部署时移 电视 服

22、务器和视频点播服务 器。S R M服务 器具备经 由前端机房局 域网进行双 向 I P通 信 与 I P Q A M 单 向(方 向为 S R M 至 I P Q A M)通信、经 由电 缆调制解调 器头端系统(C MT S)与机顶盒 进行双 向通信。机 顶 盒 可 与 I P Q A M 单 向通 信(方 向为 I P Q A M 至 机顶 盒)，与 S R M 服务器和媒体 服务 器双 向通信。一 坚 )|一 控制数据流 网 二 图 5 S R M 实验环境结构 图 在测试环境下，使用一 台 I P Q A M提 供的 8个下行频 点带宽，这样测试用 I P Q A M能够并发传输 6 4

23、套 MP E G 一 2 节 目流(8 个 频点 8套节 目 频点)。S R M 动态 地管理这 6 4套节 目流 的带宽资源，为测 试环境 中的机顶 盒提供服 务。测试 的实验数 据来 自 S R M 自身的统计服务 功能，在 该实验环境下 的测试数 据如图 6和 图 7所示。二 要 =j ：；i ；r r s R M资源分 配时 间 r 一一 申请资 源和 使 用资 源 的机顶 盒总 数 目 图 6 资源分配 时间与 点 播 总 延 时实 验 数 据 图 娄。1 0 6 蒌0 4 疑 利 用幕|l 0 5 O 1 O 0 1 5 0 2 0o 2 5 0 3 0 0 申请 资源 和使 用资

24、 源 的机 顶盒总 数 日 图 7 资源利用 率实验数据 图 用户 点播 总延时指的是从用户按下遥 控器 的点播键 到 开始 收看点播 节 目流 的时间间隔。从 图 6可 以看 出，点 播 平 均总 时延 为 3 7 S，其 中，S R M 分 配 资 源 的时 间为 0 2 6 S，对 整体点播延时 的影 响很小(0 2 6 3 7=7)。同时，在机顶盒 数量上 升 的情况 下，S R M 资 源分配 的响应 时 间 没有 明显增 长，这 表 明 S R M在 并发 的情况下，能够及 时 分配终端需要 的带宽。图 7中，当在线点播机顶盒数 目小于系统 带宽资源 总数(6 4路节 目)的情况下

25、，资源利用率 随点播 机顶盒数(下转第 6 5页)N 0 0 9 V o 13 2 2 0 0 8(S u m N o 3 1 9)、V lI 0 明I睚 尉 5 7 维普资讯 http:/ 回匿圈固 图 3 S NMP请 求 和 响 应 时序 图 有告警就 接受 告警发送 S N M P T r a p。1 S 可轮询 到约 5 0 个应答器。第二步管理放大器或每个光工作 站下各输 出端 口的 集线器，虽然设备 的种类并 不复杂，但设备 的数量 巨大，所 以按照 区域划分为 8 个域，每个域下 面管理 6 0个应答 器。理想情况 下，轮询一遍 的时间约在 2 m i n以内，能满 足实时性要

26、求。但是 由于 回传通道 噪声 或干扰严重，误码 率高，轮询时间大大延长，应答器经常会跳变 为未注册状 态。网管服务器发送 S N M P请求后，按 照 m i b库采集数据 Hi d e b a n d n e t l r o r k l_ =i 的时 问相 差很大，最快 的在 2 S内可 以完成，慢 的 则需 几分钟才能采集完 数据。造成这种情况 的主 要原 因是应答 器上 传 S N M P P U D时 由于信 道 的 干扰，造成 H E系统 接收数据时 出现 校验错误，然 后 H E系统进入 重发 机制，导致 系统整体稳定性 较差。5 小结 笔者 详细 阐述 了 H F C设备 管理

27、 系统 的前端 控制器 设计和实现。H F C网络 管理中 H E的实现 P n U 是 关键，它起到一 个协议 转换 的作 用。随着 技术 水 平的 日益提 高，H F C网络 中各种 设备 的智 能化 水 平也将 越来越 高，也就 是说在参 数监测 的同时 必将有越来 越多 的参数可 以进行控 制，这样 当故 障出现时，可 以通 过远程控 制调节 器件 的参 数。在 国内 H F C网络管理 的标准 尚未建立，而且 国内 市场上基 本上无类 似解决 方案，相 信笔者所 作 的 尝试 对于 国内 H F C网络 的发展 是有一定 借鉴 意 义的。参考文献 1 A N S I S C T E

28、2 5-2 2 0 0 2，H y b r i d fi b e r c o a x o u t s i d e p l a n t s t a l u s mo n i t o r i n g me d i a a c c e s s c o n t r o l(MA C)l a y e r s p e c i f i c a t i o n v 1 0 I S 2 0 0 2 2 G B 厂 r 2 0 o 3 0 2 0 0 5，HF C网络设 备管理系统规范 S 2 0 0 5 作者简介：平震宇(1 9 7 5 一)，工 程师。研究 方向为 网络 安全与 管理领域、HFC 网络管理。责

29、任编辑：许盈 收稿 日期：2 0 o 8 0 7 3 1 (上接第 5 7页)目的增 长而线性 增长。一旦 申请和正在点播 的机顶盒数 目超 过 总带 宽，带 宽 的 利用 率 始 终 是 1 0 0 或 略 小 于 1 0 0。测试期 间 S R M稳定 运行，这 表 明实现 的 S R M 系 统 能够实现带宽 资源的最大利用。6 小 结 笔者提 出的 S R M 系统对 使用边缘 Q A M 的双向 C a b l e网络上的交互业务进行资源管理。对资源进行动态 的 分配和 回收，并用鲁棒 的定期 自检 为辅助，有效地保证 了 资源 的合理有效利用。资源管 理系统中，带宽 的使用方式 有

30、单播和组播两种，笔者仅讨论 了单 播形式。今后工作方 向为进 一步研 究对组播 的支持技术，这将涉 及到单播和 组播 的无缝切换、组播的创建销毁条件研究 以及对大规 模并发用户的应对策略。参考 文献 1 C R I N O N R J，B HA T D，C A T A P AN O D，e t a 1 D a t a b r o a d c a s t i n g a n d i n t e r a c t i v e t e l e v i s i o n l J 1P r o c e e d i n g s o f I E E E，2 0 0 6，9 4(1)：1 0 2-1 1 8 2】

31、J U HN L S，T S E N G L MS t a i r c a s e d a t a b r o a d c a s t i n g a n d r e c e i v i n g s c h e me f o r h o t v i d e o s e r v i c e J I E E E T r a n s C o n s u me r E l e c t r o n i c，1 9 9 7，4 3(4)：1 1 1 0 1 1 1 7 3 I S O I EC 1 3 8 1 8 6，I n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y一 一

32、 G e n e r i c c o d i n g o f mo v i n g p i c t u r e s a n d a s s o c i a t e d a u d i o i n f o r ma t i o n p a r t 6：E x t e n s i o n for d i g i t a l s t o r a g e me d i a c o mm a n d a n d c o n t r o l(DS M-C C)S 1 9 9 7 4 王继成，陈毅松，张福 炎基 于 D S M C C的多媒 体宽 带服务【J J 南京大学学报，2 0 0 0，3 6(2)：1 7 7 1 8 2 作者简 介：罗亚(1 9 8 2 一)。女。博 士生，主研网络多媒体和交互 电视技术：赵 志强(1 9 5 6 一)。女，副研 究员 主研宽带网络流媒体应用等；王劲 林(1 9 6 4 一)。研究员。博 导 主研数字信号处理技术 的研 究等。责任编辑：许盈 收稿 日期：2 0 0 8-0 7 1 1 0 9 V o 1 3 2 2 0 0 8 S u m N o 3 1 9)、V I I；lE O B IN E B t lN G 维普资讯 http:/