融合网络宽带IP互动电视技术方案设计

夏 勇，何 晶

（国家广播电影电视总局广播科学研究院 互联网技术研究所，北京 100045）

1 引言

互动电视技术属于交叉学科，它涉及网络技术、视频编解码技术、计算机技术以及IP传输技术等多个技术领域。互动电视技术的每一次发展和进步都是其支撑技术发展所产生的必然结果。互动电视技术发展始于20世纪90年代，其发展进程是一个复杂的及交替上升的过程。网络技术、计算机技术、视频编解码技术等都相继引领了互动电视技术的发展，但是却没有决定其发展方向。互动电视的发展过程有着深刻的信息产业技术发展的烙印。目前，数字电视技术的成熟、三网融合发展以及高清电视的普及，又为互动电视发展提供了新一轮的发展契机。

微软公司作为全球领先的软件公司，一直致力于电视、音乐等娱乐媒体与网络融合的研究。1997年8月，微软公司收购了能够将Web在电视机上呈现的软件开发商WebTV，2001年推出MicrosoftWebTVPlusand UltimateTV，并开始有计划地开发IPTV产品，通过与有线电视以及内容业者合作累积经验并在瑞士与Swisscom开展互动电视试运行。在2003年之后增加与美国AT&T，加拿大电信Bell Canada、英国电信 British Telecom，印度Reliance与新加坡电信等在内的电信业者进行IPTV服务试运行及商业部署。合作者包括Tandberg，SA，Sigma Design，Motorola，Tatung，Cisico，PaceMicro 等。 2005 年与 Alcatel达成全球合作计划，推动IPTV解决方案。2007年6月，微软新一代互动电视平台隆重退出，正式命名新品牌Microsoft Mediaroom。截止到2010年6月，Mediaroom全球部署用户为500万。

在2008年，微软（中国）公司正式与广电总局广播科学研究院合作，共同针对中国广电行业，以微软Mediaroom技术平台为基础，研究适合中国有线电视行业的宽带IP互动电视解决方案。本文结合近期对多家有线电视运营商的调研，以及对互动电视技术方案的研究，从互动电视平台结构、部署方式、可扩展性以及技术特点四个方面进行阐述。

2 技术方案简介

广播科学研究院联合微软（中国）有限公司，共同以Mediaroom技术为基础，提出了一套融合网络宽带IP互动电视技术方案。该方案作为推广有线电视数字化的一种解决方案，充分利用现有广电有线网络资源，利用IP技术，通过双向宽带有线电视网，建立一套适合中国广电特点，具有安全播出机制，可扩展、可管理、易部署的融合网络宽带IP互动电视技术方案。方案层次结构见图1。

该方案由运行在通用硬件上的软件组件构成，通过运营商的 IP网络提供服务。其首要目标是向订户提供高质量的视频服务，网络上的增值应用以终端设备的互联和对数字家庭的支持为主。该方案通过为订户提供质量更高、响应更快和控制更灵活的收看体验来改善订户对电视节目的收看效果。

安全播出对于播出系统一个重要的要求，包括三个方面的内容：节目源的安全、播出的安全以及传输的安全。本方案在设计上充分考虑了运营商对播出管理的要求，在结构上支持冗余、热备份、频道切换及系统监视等功能。同时，广播科学研究院联合相关企业，研究设计基于互动电视的安全播出控制系统，使得互动电视能够满足运营商对播出安全的要求。

该技术方案是一个端到端的软件业务平台。无论是直播、点播、时移、增值应用全部由同一个平台提供服务；无论是机顶盒、PC还是移动设备也都是由这个统一平台来管理和分发业务。无须再整合CA、中间件、浏览器等模块。能够快速部署、各功能模块之间紧密结合、界面清晰。运营商可以根据自身的网络状况，无论是在有管理有QoS的网络、有管理但带宽“尽力而为”的网络、互联网固网或者移动网络上制定部署计划。

在设计上，该方案采用国际标准和基于标准协议的设计，避免了供应商之间的壁垒。同时，针对国内存在多种双向网接入方式的情况，在传输机制的设计上采用了纯IP的技术体系，可以与现有服务提供商基础结构集成。

1）采用可靠的UDP数据传送方式，当客户端发现丢失了部分数据包，它会向平台要求将丢失的数据包重传给客户端。从而为直播传输质量提供了保障。

2）在视频编码格式上支持传统的视频编码格式MPEG-2与当前主流的编码格式H.264和VC-1。

3）视频点播体系结构具有很好的可伸缩性与开放性，不仅可以大范围扩展视频点播服务，还可以支持非运营商订户从不同终端的安全访问。

4）提供丰富的Web Services服务接口，以便与第三方系统进行集成，例如，运营支持系统（OSS）和业务支持系统（BSS）。

5）与业界领先的制造商合作，开发出低成本的系统级芯片的芯片组，这种芯片组可以嵌入到多种电视设备中，包括机顶盒、电视机、游戏控制台等等，使这些设备成为“可扩展网络电视功能”的接收器。

6）对于增值应用开发者，利用Visual Studio开发的基于MVC的ASP.net应用，可以在包括电视机在内的多种显示终端上呈现。即使是以前为PC或者手机开发的ASP.net应用也可以顺利迁移，使应用跟上需求。

7）应用平台也提供了开放的接口，使互联网视频网站内容可以顺利接驳。

在内容的管理上，该方案将视频的获得和传输从逻辑上分开来，使得内容更容易运营和管理，并统一传送。该方案可管理的内容不仅有直播、点播、时移、录制这些传统视频服务，还包括音乐、游戏、电视与互联网结合的增强型电视节目以及互联网的视频和资讯这些新媒体。该方案定义了“服务”作为内容的基本单元，使用统一的框架进行管理。内容与传输的松耦合，使得一个内容集成前端可以对应多个不同的传输网络，同时一个网络也可以接收来自不同内容集成前端的节目，这样可以大大提高运营商的灵活性，符合未来节目分发平台及内容集成平台的发展趋势。

3 主要逻辑结构

该方案可分为三个逻辑计算机组（如图2所示）：视频后台、分支和数据服务中心。视频后台负责直播、点播等视频内容的处理，包括加密、封装等；分支负责服务的管理、用户的管理、视频及其他服务的提交；数据服务中心汇集了可以通过互联网传送、可以向非运营商订户传送的服务内容。

该方案服务器软件在物理结构上也是实现三层体系划分，外围网络（包含DMZ外围安全区域）、应用程序区域和数据区域。这种体系结构有效地保证了服务器的安全性。

1）后台

直播后台负责从编码器采集直播电视服务，并通过直播获取服务器将组播流分发到分支和终端。后台对节目内容进行加密、再封装等。直播后台包括以下计算机角色：直播获取服务器、数据库、控制器、直播管理接口服务器。点播后台负责管理视频点播节目、导入视频点播节目和分发资产给分支和数据服务中心。点播后台负责对媒资的检查、节目的加密、封装以及倍速流的生成等。点播后台包括以下角色：数据库、视频点播控制器管理及资产共享、视频点播导入和视频点播资产的后台存放。

2）分支

“分支”是一种逻辑结构，不说明物理位置。负责用户的管理、服务的管理和服务的分发。分支和后台是多对多关系。一个后台可能部署到一个或n个分支；一个分支也可能连接多个后台的视频服务。每个分支作为一个独立的运营实体，有它自己完整的数据库、分发功能和服务管理子系统。分支之间不互相通信，每个分支的服务器数目及其特定角色配置可以不同。分支包含一个或多个服务组，服务组是承担特定用户服务的一组服务器，是分支中的可扩展单元。根据分支所支持的订户数目，一个分支可包含多个服务组。每个服务组又有它自己的独立于分支的数据库、分发功能和Web服务器。服务组的独立分发功能也体现在一个服务组可以包括一个或多个视频节点。视频节点通常离最终用户比较近，向最终用户提供视频服务的物理节点。其部署将根据运营商的网络结构，尽可能部署到网络的边缘，有效利用网络资源。

3）数据服务中心

如果说分支和服务组是运营商向有管理的用户、有管理的终端提供服务的核心组件，数据服务中心的部署能够将运营商的服务更方便地扩展到互联网用户、任意终端的服务支撑。数据服务中心可以是多个分支的超集，可提交的视频也更加灵活并易于在互联网上部署。

4 方案的可伸缩性

可伸缩性是在保证用户服务不受影响的同时以近乎即时的方式增加（或减少）计算机及用户规模的能力。该方案有许多特性可使其获得高可伸缩性。

1）多层次模块化的应用程序平台

融合网络宽带IP互动电视技术方案设计为多层次平台，每一层执行特定功能,层相互之间单独缩放，并且可以像积木一样被定制出系统的功能。例如，可以扩展同一组软件组件以有效地支持仅含视频点播系统、电视节目系统或同时包含视频点播和直播节目服务的系统。再比如系统可以只为订户部署核心视频服务，包含或者完全不包含发布在互联网上的数据服务中心。这样的设计促进了系统总体可伸缩性和安全性。

2）分离音频/视频后台和分支

处理电视节目和视频点播节目的后台与这些服务到客户端的分发和传送是分支在逻辑上是分离的。单个后台系统可以为多个分支提供服务，一个分支也可以接纳多个后台。如果直播频道或视频点播节目数量增加了，则只需要缩放后台系统的规模；如果客户端数量或并发率增大，则只需要缩放分支系统。获取和分发系统可能位于同一物理点（最大限度地降低网络要求），也可能分布在整个网络中（优化访问网络）。

3）服务的分发节点

为了保证视频服务质量以及对带宽的合理利用，可将视频服务器部署在网络的边缘节点，也就是视频服务的CDN。运营商可以根据网络和用户情况逐步将视频服务器分发到节点。

4）视频点播集群

该方案中视频服务器都是以集群为最小管理单元，同一个集群之间的视频可以动态复制。首先同一个视频点播集群中有基于内存和基于磁盘阵列的服务器，系统可以据视频点播影片的访问热度来优化设备的使用。其次订户观看的视频点播节目通常放置在高容量的视频点播群集中，低使用率的资产放置在低容量的视频点播群集中，这可让服务提供商优化管理和传送视频点播节目所需的设备总体成本。

5）服务组

服务组是服务于特定用户的一组服务器。系统可以通过增加服务组来支持新增长的订户，并且执行操作系统升级时也可以做服务的备份。总而言之，服务组使得系统在扩容或变更的时候，用户的服务不会中断。

6）数据服务中心与分支节点

数据服务中心为外部访问提供更开放的服务接口，与有管理的订户相比，外部用户数量的伸缩更具有不确定性。数据服务中心的中心节点与分支节点相结合的设计，使得外部用户数量增加或者访问并发率增高的时候，通过简单扩充分支节点就可以解决。

5 方案的部署方式

融合网络宽带IP互动电视技术方案支持灵活的部署，不仅在业务模块上可以定制，在规模上通过集中式部署和分布式部署以满足各种规模的部署需要。一般来说，后台、分支中的大部分服务器、数据服务中心会部署在有线网络公司的总前端，视频节点服务器和数据服务中心会部署在有线网络公司的分前端。

1）集中式参考体系结构

图3概括了适用于该方案系统的集中式参考体系结构的概念。在此体系结构中，全部3个逻辑组的服务器计算机都位于1个前端机房中，如图3所示。

2）部分分布式参考体系结构

图4概括了适用于系统的分布式参考体系结构的概念。在此体系结构中，各逻辑组的服务器计算机分布在不同的物理机房。直播和点播的后台在视频处理中心机房；分支、服务组和数据服务中心在总前端机房；视频节点在分前端机房；而且为外部用户发布的公共数据将通过公共的CDN资源进行基于云计算的平台进行分发。

6 内容保护与系统安全

融合网络下内容保护、用户的认证、系统的安全防范都是系统建设中非常重要的环节。融合网络宽带IP互动电视技术方案的安全体系涵盖了内容保护、传输安全和系统自身安全3个主要部分。

1）内容保护

融合网络宽带IP互动电视技术方案集成了Microsoft数字版权管理DRM 和新一代的PlayReady，提供内容的全面保护。无论是直播、点播、录制，还是发布到数据服务中心的媒体，都采用了相同的机制进行保护，尤其是对于直播，密钥的更新默认在6～8 h。为了避免内容的翻录，该方案也整合了CGMS-A，Macrovision和HDCP等模拟和数字输出的翻录控制。

2）传输安全

融合网络宽带IP互动电视技术方案在网络通讯的安全设计上采用具有国际标准规范的基于公钥的安全体系（PKI）。无论是客户端还是服务器都安装了通用的X.509格式证书。以证书为凭据，服务器与服务器之间、机顶盒和系统间都进行双向认证。融合网络宽带IP互动电视技术方案不仅要检查机顶盒的合法性，同时机顶盒也会检查融合网络宽带IP互动电视技术方案的合法性。从而构建起双方的安全通信，使得视频密钥和非视频数据的安全传输都得到保证。

3）系统安全

终端只能直接访问相关的服务器：客户端网关、视频和应用服务器以及数据服务中心，其他服务器全在保护范围之内，有效地解决了来自于终端的多种攻击形式，如拒绝服务等。在融合网络宽带IP互动电视技术方案平台中，服务器间的相互访问需要彼此认证身份，微软活动目录（Active Directory）和证书认证起着关键性作用。每个服务器都具有标识其身份的证书，禁止了外来的非本系统的攻击。机顶盒的安全芯片设计以及生产用软件的数字签名机制使得机顶盒的软件不能够有任何的篡改，保证了机顶盒自身程序的安全性。完善的监控和管理机制也保证了系统的安全性。系统平台中所有服务都受到监测，任何服务的异常都会在第一时间反馈给系统维护人员。系统架构能实现信号源设备、功能角色、设备端口和系统核心网之间的1+1或n+1的备份，并且通过对设备的强行停电、插拔网线和模拟故障等手段验证了系统的安全性和稳健性，备份启动的反应时间很短，在用户端不会造成影响。

7 方案特点分析

融合网络宽带IP互动电视技术方案充分利用成熟的互联网传输协议和数字化双向网的抗干扰、高速率传输和安全的特性，引入互联网的相关特性，大力提升现有广电有线网的利用率，减少网络的重复性投入，对促进三网融合具有重要的推动和促进意义，如图5所示。该方案利用先进的软件、硬件和数据传输机制与宽带网络的优势，建立高度分布式互动电视系统部署架构，从而保证系统能够提供安全可靠的数据传送、方便完善的系统支撑和平滑的系统扩容与升级。同时，利用第三方接口可以实现与播出控制系统进行对接，从而建立一套符合总局要求的播控系统，具体来说具有以下特点：

1）视频传输自适应多种不同的传输网络

该方案采用以IP协议为核心的传输机制，集成了微软公司的平滑流控制（Smooth Streaming）技术，它能够根据网络结构、带宽及服务质量的不同，自适应地为用户提供不同服务等级的节目流。该系统通过能够侦测终端节目的网络接入状态及收集节目播出质量，将终端信息反馈给前端服务器。服务器收到这些信息后，自动调整节目的播出码率，以保证在不同的网络状况下，用户都能收看到流畅的节目。

2）跨多种终端的应用开发环境

单纯基于机顶盒的中间件开发应用，已经不能适应融合网络下的多种终端的需求。融合网络宽带IP互动电视技术方案支持基于ASP.net开发的网络应用，尤其是基于MVC架构的ASP.net应用，支持多种视图，使得一个应用可以在计算机、电视机、手机上同时显示。

3）兼容互联网业务

融合网络宽带IP互动电视技术方案为互联网业务的接驳提供了管理和呈现的接口，可以很好地兼容互联网上目前主流的应用，为用户提供良好服务体验。即可以将互联网内容与电视内容无缝结合成增强型电视节目，很好地将互联网服务与电视节目内容进行整合。互联网内容作为独立的应用来展示，包括互联网的搜索、视频、音乐、图片、社区等等。融合网络宽带IP互动电视技术方案利用Mediaroom技术已经将Windows Live的部分内容整合到电视上，称为Windows Live on TV。

8 总结

在后数字化时代、三网融合及高清节目普及等多种元素的带动下，互动电视技术发展及系统建设速度将不断加快。目前，新媒体技术发展速度不断加快，互动电视对新媒体支持也日趋完善。但是，新媒体形式多样，内容丰富，如何利用一套平台提供多种形式的新媒体服务，将成为未来互动电视发展重点。因此在互动电视业务的规划中，注重综合业务的整合，充分考虑适应不同的网络，支持多种终端，同时又能够因地制宜，这样的互动电视系统才具有发展的潜力。