基于HFC网络的视频点播系统的设计及实现

张茂华 (三明学院现代教育技术中心，福建 三明 365000)

基于HFC网络的视频点播系统的设计及实现

张茂华 (三明学院现代教育技术中心，福建 三明 365000)

基于HFC网络设计了一种视频点播系统，并探讨了HFC视频点播系统的实现方式。阐述了视频点播系统的系统框架，研究了视频点播系统的网络配置以及VOD阻塞解决方案，并对视频点播服务过程、条件接收系统和VOD软件结构进行了设计。

HFC网络；视频点播系统；网络配置；服务过程；条件接收系统；软件结构

视频点播(VOD，Video On Demand)，也称为交互式电视点播系统,从根本上改变了用户在过去观看电视的被动的缺陷,它不需要购买磁带或VCD光盘，不需要录像机或VCD播放机, 能直接收看点播内容，能提供丰富的节目源和美观的图像。近年来，有线电视已取代模拟电视、数字电视等，不仅可以更好地履行其传输电视信号的功能，并且可以完成各种各样的宽带综合服务业务，这也为 VOD业务的开展提供了可能。但是，VOD是面向实体用户提供的互动业务，需要对每个用户的请求作出响应，并且每个用户的请求在时间和内容上都有所区别，这要求首先在服务端上能够准实时响应用户请求。其次，要在网络传输线路能够承载响应用户的数据，必须找到一个合理的成本提高网络容量的方法。解决这个问题的一个极其出色的方案是HFC(Hybrid Fiber Coax，光纤同轴混合网)网络系统的实现[1-4]。这种技术的引入使得最初为视频业务而设计的网络能够为各种指令、交互式视频、数据和语音通话业务提供可靠的带宽。下面，笔者基于HFC网络设计了一种视频点播系统，并探讨了HFC视频点播系统的实现方式。

1 系统框架设计

图1 系统框架图

系统框架如图1所示。HFC网络是一种多媒体通信网络，主要作用是传输、交换用户点播的各种信息和控制信息HFC网络具有高灵活性和双向性，服务系统既可以从其前端向视频点播用户传达信息，也可以通过用户前端发送服务器的信息(上行)。该系统主要采用小区服务的概念，视频服务器主要在区域前端，设计的系统主要是在这个局域网里的一个小的子网。

系统的设计采用频分复用的模式实行，其上行通道的频段大致为5～42MHz，其中8～12MHz传输的为VOD指令；下行通道一般的频段设为50～750MHz，在这一频段中再分成2段，其中50～550MHz频段用来传输60～80路模拟的CATV讯号，550～750MHz频段则发挥传输视频点播系统的功能。系统在下行通道部分使用了64QAM的调制系统及4Mbps速率的MPEG-2图像传播处理讯号系统，视频点播业务的200MHz带宽部分大约有25路8MHz的模拟信号系统通路，一个模拟的信号系统通路大约可以传送8路MPEG-2的图像处理信息，传输大约20路VOD讯号，可以满足大约200个用户同时点播视频[5-6]。

1.1VOD系统前端设计

一台高速运转且具有高质量的计算机设备通常会作为视频服务器的前端部分，其主要目的是为了满足用户对于点播节目的需要，包括存储、备份和查阅搜索等。这台计算机设备需要能够同时独立传输并运行1000个以上的独立视频流，这个系统是基于UNIX的Oracle Video Server服务器。这些节目同时存储在视频服务器的存储区域中，由音、视频库组成，以VCD和DVD的模式存在，储存采用的处理程序是MPEG-2编码，储存的节目可达数千小时。这种高容量的视频处理器的主要功能就是负责将用户点播的节目尽享编码、压缩，将编码、压缩后的数据附注到需传输的信息栓索类别中，最后再辅以纠正，一般包括编码器、压缩器等部分。除此之外，还有加扰调制系统，其在视频信号处理器中的作用是加扰用户点播的节目的基带数字信号。

1.2VOD路由与网络终端设计

网络终端的设计要求在为用户与服务器提供者之间提供良好的交互操作的情况下进行，以下的设计仅对调制解调器(Cable Modem)部分进行介绍。为了使每个电缆式调制解调器能够满足多个用户的驱动，需要采用内部具有集线器多端口的电缆式调制解调器，还需要再加装5～1000MHz的分支配器，并且要求分支配器的屏蔽性能要较好。电缆调制解调器通常意义下解调器，它既是加密和解密设备，又是网络接口卡和太网集线器，有的还可以作为桥接器。电缆调制解调器服务系统需要提供一个标准的接口，使得客户的个人电脑能正确连接到局域网部分，一旦电缆调制解调器和集线器连接正确，可以为15台电脑提供宽带服务。图1中的CMTS是调制解调器系统终端部分，CMTS系统作为整个网络系统的重要部分，与HFC网络、服务管理中心相连接。

2 VOD网络配置与阻塞解决方案

2.1VOD网络配置

注：MTS-uBR7246路由器：插有MC-26调制解调器卡的电缆调制解调器；UM-VOD视频服务器：基于UNIX操作系统的服务器；SrV1-PDC：基于WindowsNT4.0的系统服务器，其主要提供动态主机配置服务协议；Router-DDN接入路由器系统计算机PC用户；WAN ：广域网；DDN(Digital Data Network，数字数据网，即专线上网方式)：适合这些业务发展的一种传输网络。

图3 网络阻塞的防制解决办法

服务器SrV1、SrV2通过CMTS及UM联结上HFC网络，然后响应各个用户的视频点播(VOD)需求，这种需求经过CM1等电缆式调制解调器的解码后与HFC实现网络对接，最终致使整个网络系统成为网络拓扑结构。系统网络的拓扑结构如图2所示。

2.2VOD阻塞解决方案

在HFC网络中，假设有N种业务类型，每种业务类型的流量强度为A，定义为A1，A2,…,An，该业务的每个连接所用的数目为C个，系统的总带宽数目也为C，堵塞率为G1，G2，…，GC。通过流量分析和网络设计方法的改进，得到新型的VOD网络点播系统阻塞解决方案如图3所示。实体网络运营的反馈结果表明，笔者提出的网络设计和堵塞解决方案能够在满足指定服务性能的前提下，均匀化最小化堵塞[7-9]。

3 VOD服务过程设计

视频点播服务用户通过自己的视频点播终端，向最近的视频点播服务接点发出一个讯号呼叫，要求使用视频点播服务业务，用户传播的讯号会通过有线电视的HFC网络上行通路对总服务器发出讯号，总服务台在接收信号之后会要求用户在所用的电视屏幕上显示出点播的目录列表。总服务台还会请求对用户的身份信息进行核实，一方面判断用户是否符合使用权限，也方便了记录下用户身份。接着用户会要求总服务台播出节目，这是总服务台进过审核之后，在较短的时间内播放出用户要求的电视节目，达到要求。并做好接待下一个用户传播新号的准备，以此类推，不断重复、循环完成VOD服务的总过程。

为了能够确保及时、正确的通过网络传送音视频格式的文件，VOD服务系统将在接收到用户的传播信号之后将声音、图像等媒体文件通过视频终端服务器二次向用户进行传送，这样节省了下载整个视频文件的时间，保证了用户在较短时间内就可以观看节目，这种传播的方式也叫流式传播。

在服务系统将在接收到用户的传播信号之后将声音、图像等媒体文件通过视频终端服务器二次向用户进行传送之时，剩余的媒体文件会由终端服务器进行下载直至完成。该系统的设计主要使用了微软的FLV媒体格式。

4 条件接收系统设计

视频点播业务是一项收费的业务，用户经过授权后才能享用视频点播服务。这种有条件地接收称为CA(Conditonal Acception)。笔者设计的系统的接收条件是通过VOD认证服务器检查用户的ID号码，从而实现用户身份认证的一种过程。该种做法是通过请求服务用户的IP地址，然后将所需视频内容传输给通过认证的点播客户。判断用户终端是机顶盒服务器还是一个CM，如果是机顶盒，则需要通过系统CA授权卡编号给与电视节目服务，有效地对点播的节目实现加扰的控制，并确保用户点播收看的合法合理性。在图1中，CMTS 的认证位于服务器系统的前端部分，而条件接收系统则位于有线电视台中央服务器的前端，这就要求在中央服务器前端的条件接收系统与视频点播系统之间有一项能实现交互信息的操作系统，它能将中央前端的服务器中的用户信息存放在认证服务器中，还可以为中央前端发送自身的认证信息。这种条件接受的设计就保证了点播用户在收看节目时的唯一性和可靠性[10]。

5 VOD软件结构设计

应用系统软件部分的设计使用C++语言，系统协议是基于HTTP网络协议。前端数据库采用Oracle数据库。C++通过CDBC连接数据库，即驱动管理器程序，可以做到动态有效地维护数据库查询所需要的程序模块和对象，以及不同种类的数据库，CDBC是C++和数据库系统之间的接口，所以，必须首先要创立“数据库URL”系统：用“CDBC”选择协议“CDBC-ODBC”桥接，然后再根据ODBC的子协议的同一标识为“vod”数据库，即视频点播数据库。

6 结 语

HFC网络发展到今天，在形式、内容上实现了用户与系统间的电视互动，在一定程度上决定了未来信息高速公路的发展，同样也将成为未来信息服务业、宽带服务业、视频点播业的枢纽部分。随着使用用户的增多，人们对其作用认识的加深，相信在日后会得到更为广阔的发展空间

[1]李鹏. CDN和IPQAM技术与HFC网络视频点播的实现[J]. 科学之友，2010(13): 156-157.

[2] 罗亚，王劲林，邓浩江，等. HFC接入网交互视频多业务的网络设计[J]. 北京邮电大学学报， 2008(6): 34-37.

[3] 赵鹏. 基于HFC的视频点播系统研究[D].济南： 山东建筑大学, 2010.

[4] 刘雨坤. 基于HFC网络的视频点播技术及应用研究[D]. 重庆：重庆大学, 2007.

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[9] 王琛. 基于新型HFC网络的IP视频电话研究与设计[D]. 重庆：重庆大学, 2007.

[10] 李建华，凌俏峰，徐力恒. 视频点播在HFC CMTS网络中的拥塞避免与控制策略[J]. 电视技术，2011(16): 53-56.

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.04.040

TP393

A

1673-1409(2012)04-N114-03

2012-02-15

张茂华(1974-), 男，1996年大学毕业，实验师,现主要从事教育技术、视频技术等方面的研究工作。