CN101193294A - 一种视频内容服务系统和服务方法 - Google Patents
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Abstract
一种视频内容服务系统和服务方法，视频加载节点和所述视频服务节点采用P2P协议构成P2P－CDN网络，CDN网络被划分成多个归属服务区，每个客户端配置归属CDN节点；所述视频客户端通过网络与一个归属CDN节点相连。用户请求媒体播放时，视频客户端根据P2P搜索协议向归属CDN节点发出媒体搜索消息，归属CDN节点在整个P2P－CDN中选定服务节点返回给客户端，客户端进而向该服务节点进行媒体服务请求，与控制单元建立控制链接，与多个媒体单元建立多条数据链接，通过这些链接请求媒体数据。本发明解决了CDN网络的规模扩展性等问题，提高了系统可靠性问题，降低了系统维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及分布式流媒体系统的视频内容服务，如IPTV(Internet ProtocolTeleVision，基于IP协议的电视业务或系统)视频内容服务。
背景技术
分布式流媒体系统(如IPTV系统)需要从多个内容源接入海量的视频内容，其容量将达几百T甚至上千T，需要并发服务的用户数达上千万甚至上亿规模，原有基于传统CDN(Content Delivery Network，内容分发网络)加集群流媒体服务器的系统构建方案无论在建设成本、存储容量、网络开销、并发能力、可靠性、可扩展性和运行维护上都已经无法满足电信级运营需求。
传统CDN系统采用分层次的树形组网技术，节点分成核心节点、次核心节点和边缘节点，核心节点存有全部媒体内容，次核心节点存有较大部分媒体内容，而边缘节点只缓存部分热点媒体内容。三种节点存储内容一般按一定的比例进行配置。用户请求服务则按照边缘节点、次核心节点和核心节点的次序进行，各自承担的服务比例也是预先设定。媒体内容需要统一从核心节点接入。这种技术存在以下几个问题：
1、媒体容量扩展性差：当媒体内容容量需要增加时，需要按比例扩展各类节点的容量，给媒体容量扩展带来困难；
2、用户规模扩展性差：当用户规模扩展时，不但需要增加或扩展边缘节点的处理能力，还需要同步扩展次核心节点和核心节点的处理能力，也给用户规模扩展带来困难；
3、可靠性差：树形组网不可避免带来单点故障问题；
4、网络带宽消耗大：由于树形网络的回聚效应，核心节点和次核心节点的网络带宽消耗大；
5、整个CDN网络需要手工配置管理，运行维护困难；
6、以上因素导致网络建设成本高。
传统的集群流媒体服务器为了解决热点内容的服务能力，要求集群存储多个热点内容拷贝，同时辅以复杂的均衡调度和内容实时调度策略，这样不仅浪费了存储空间，而且提高了系统复杂度和内部调度开销，降低了并发性能，最终都导致建设的高成本。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明提出一种不但大幅降低了网络建设成本，而且在存储容量、网络开销、并发能力、可靠性、可扩展性和运行维护上都比传统方案具有明显优越的技术的视频内容服务系统，并以此基础上提供视频内容服务方法。(基于P2P(Peer to Peer，对等网络或业务)
本发明中的视频内容服务系统，包括视频加载节点、视频服务节点和视频客户端；
所述视频加载节点和所述视频服务节点采用P2P协议构成P2P-CDN网络，所述视频加载节点和视频服务节点都是CDN节点；所述视频加载节点用于完成媒体格式转换、媒体接入控制、媒体存储和提供媒体服务；所述视频服务节点用于媒体存储和提供媒体服务；
所述CDN网络被划分成多个归属服务区，每个客户端配置归属CDN节点；
所述视频客户端通过网络与一个归属CDN节点相连；
用户请求媒体播放时，视频客户端根据P2P搜索协议向归属CDN节点发出媒体搜索消息，归属CDN节点在整个P2P-CDN中选定服务节点返回给客户端，客户端进而向该服务节点进行媒体服务请求，与控制单元建立控制链接，与多个媒体单元建立多条数据链接，通过这些链接请求媒体数据。
所述CDN节点包括媒体控制单元(MCU)、媒体存储传输单元(MSTU)和交换单元(MSU)；所述交换单元用于完成节点内单元连通、流量汇聚和接入控制列表；所述控制单元用于完成内容调度、服务调度；所述媒体存储传输单元用于媒体存储和传输。
每个客户端可以配置两个归属节点。
所述媒体控制单元(MCU)和交换单元(MSU)可以采用双机备份，所述媒体存储传输单元(MSTU)可以采用N+1备份；所述媒体存储传输单元(MSTU)采用N+1备份的方式为每个媒体存储传输单元(MSTU)的存储被分成主存储区和备份存储区两个部分，媒体文件的各个分片交错存储于各媒体存储传输单元(MSTU)的主存储区中，同时每个分片都在其他媒体存储传输单元(MSTU)的备份区中存储一份拷贝。
本发明中的视频内容服务方法，在包括CDN节点和视频客户端的视频服务系统中，所述CDN节点分成视频加载节点、视频服务节点，所述视频加载节点和所述视频服务节点采用P2P协议构成P2P-CDN网络，所述CDN网络被划分成多个归属服务区，每个客户端配置归属CDN节点；所述视频服务方法包括媒体加载预处理、媒体分发和加载、媒体搜索和媒体传输播放过程：
所述加载预处理是对来自内容源的媒体文件进行分析和处理，提取I帧索引形成索引文件I-idx，并进行流化和块封装；
所述媒体分发是在预处理将媒体格式转换处理完成后，将媒体内容分发到目标节点进行媒体加载；
所述媒体搜索是在用户请求媒体播放时，视频客户端根据P2P搜索协议向归属CDN节点发出媒体搜索消息，归属CDN节点在整个P2P-CDN网络中选定服务节点返回给客户端，客户端进而向该服务节点进行媒体服务请求，与控制单元建立控制链接，与多个媒体单元建立多条数据链接，通过这些链接请求媒体数据；
所述媒体传输播放是指媒体内容从节点传输到客户端供用户播放。
上述方法中，视频数据可以通过加载节点处理分成等长的媒体块，按等长块交错均匀存储于CDN节点的多个媒体单元中，根据需要在P2P-CDN网络中按块进行媒体分发和存储。
上述方法中，在有内容的节点无法提供服务时，可以让有空闲服务能力的节点实施边拉边放边缓存的方式提供服务，即有空闲能力的节点从一个或多个具备内容的节点请求媒体内容，并用请求到的内容为用户进行服务，同时还把请求到的内容进行缓存。
上述方法中，CDN节点之间可以以多源多链路的方式以媒体块为传输单元进行传输，即目的节点的多个媒体存储传输单元(MSTU)可以同时与其它多个节点的媒体存储传输单元(MSTU)建立多个传输链接传输媒体内容，目的节点的每个媒体存储传输单元(MSTU)根据媒体存储格式只请求需要存储在本单元的部分媒体块序列，而各媒体存储传输单元(MSTU)的请求量加总得到整个媒体。
上述方法中，CDN节点与客户端之间可以用同时多链路下拉式交错的媒体传输方式，即客户端与服务节点的各媒体存储传输单元(MSTU)之间一直建立并保持多个链接，客户端交错通过各链接请求媒体块内容，使得每个用户的在线服务负载都同时均摊到各个媒体存储传输单元(MSTU)。
上述方法中，在媒体搜索过程中，客户端向归属节点发送查询消息，归属节点如果具备服务条件，则直接给客户端返回消息；否则。归属节点向相邻节点转发搜索请求，当有节点具备服务条件，则直接给机顶盒返回消息，否则继续转发。
本发明可以带来的有益效果包括以下几个方面：
1、解决了CDN网络的规模扩展性问题，解决了视频流汇聚的漏斗效应问题，提高了网络吞吐能力；
2、解决了CDN节点的能力扩展问题，采用分布式集群技术解决了节点内多个媒体单元之间的资源共享问题，减少了内容冗余分发流量和冗余存储容量，从而极大降低了节点构建成本；
3、充分利用客户端能力，简化了CDN节点的系统复杂性；
4、采用P2P技术，提高了系统可靠性问题，降低了系统维护成本；
附图说明
图1是本发明视频内容服务系统中的P2P-CDN组网逻辑图；
图2是P2P-CDN节点构成示意图；
图3是媒体服务系统协议转换流程；
图4是媒体文件条带化存储及备份方案图；
图5是节点间的媒体传输机制示意图；
图6是服务节点与机顶盒之间的媒体传输机制示意；
图7是P2P节目服务定位搜索示意图；
图8是媒体服务流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容进行详细介绍。
如图1所示，组成P2P-CDN网络的节点分加载节点和服务节点两种。加载节点的主要作用包括媒体格式转换、媒体接入控制、媒体存储和媒体服务功能。它把流式媒体转换成适合P2P传输的块式媒体，同时为用户和其他节点提供媒体服务。服务节点只具备媒体存储和媒体服务功能。加载节点和服务节点都可以提供媒体服务。P2P-CDN与传统CDN不同，节点之间是对等关系，没有核心节点和边缘节点之分，可互相进行媒体服务。
为提高服务质量、减少带宽开销及便于工程规划配置，CDN网络被划分成多个归属服务区。区内用户(客户端)首选归属节点进行媒体服务和进行媒体搜索。每个用户可配置两个归属节点，即双归结构，这样可进一步提高业务可靠性。所谓归属节点是指归属服务区内的服务节点。这里指的双规结构是指一个用户可以配置成属于两个归属区，一主一备，以提高可靠性。图中只画出一个归属区，没有画出两个归属区的情况。
如图2所示，CDN节点由媒体控制单元(MCU：Media Control Unit)、媒体存储传输单元(MSTU：Media Storage Transmission Unit)和交换单元(MSU)构成。MSU主要完成节点内单元连通、流量汇聚和ACL(Access Control List，接入控制列表)功能，类似于三层交换机；MCU主要完成内容调度、服务调度和其他管理功能；MSTU主要承担媒体存储和传输任务。为保证系统可靠性，MCU和MSU可采用双机备份，MSTU则采用N+1备份保护。MCU和MSTU的实际硬件可采用廉价的PC(Personal Computer，个人计算机)刀片服务器。这种硬件架构设计系统可靠性高，空间占用小，而且采用标准单元，具有技术优势和成本优势。
系统协议格式转换流程如图3所示，媒体文件由加载节点流化、分片，然后经CDN网络的P2P传输层到达客户端，客户端经过流恢复后进行媒体播放。加载节点和客户端(如机顶盒)需要处理媒体格式，是对等通信端，服务节点则无需处理媒体格式，是透明的分片传输。用户采用拉方式实现“边下载边播放”。
图4示出了跨MSTU的媒体内容存储方案。每个MSTU的存储被分成主存储区和备份存储区两个部分，媒体文件的各个分片首先交错存储于各MSTU的主存储区中，同时每个分片都在其他MSTU的备份区中存储一份拷贝。这样可以避免了单MSTU失效的故障，实现N+1备份保护。
由于每个节点的MSTU数目不同，所以媒体内容在节点间调度时，需要重新进行排序存储，并形成存储索引表。存储索引表记录了媒体起始块的存储位置和各刀片交织存储次序(即刀片顺序列表)。为了支持VCR(Video CassetteRecorder，盒式录放像机，这里指快进快退暂停恢复等操作)操作，在媒体加载时，需要建立I帧索引，即建立I帧号与媒体块号的对应关系。客户端根据I帧索引可以定位到具体媒体块，在快进快退的VCR操作中，客户端只需取得相应I帧所在的媒体块即可，而无需取得全部数据，从而在有限带宽情况下支持VCR操作。
一个媒体内容需要经过加载预处理、媒体分发、媒体搜索和媒体传输播放四个阶段。为了适合P2P传输和存储，加载节点首先进行加载预处理，即对来自内容源的媒体文件进行分析和处理，提取I帧索引形成索引文件I-idx，并进行流化和块封装。
媒体格式转换处理完成后，将媒体内容分发到目标节点的MCU进行媒体加载。处理流程如下：
1、MCU根据本节点情况，选定存储策略，包括MSTU数目、存储顺序及MSTU的磁盘数目等，并在MCU中建立相关的存储索引数据和存储状态设置。
2、MCU根据存储策略，指示各MSTU进行媒体调度工作。
3、MSTU收到指示后，建立相关存储索引数据和存储状态设置，并向MCU索要媒体分布信息。
4、MSTU根据得到的媒体分布信息进行媒体请求和传输。
5、MCU从加载节点取得I帧索引和SDP(Session Description Protocol，会话描述协议)信息并存储。
6、在传输期间，MSTU独立监控各数据源节点的服务状态。发生异常报告MCU处理。
7、媒体内容以条带化方式存储于节点的多个MSTU中。
8、存储完成后，MSTU更新索引数据状态，MCU中记录节目号和I帧索引及存储索引数据。
因为加载节点本身也是CDN节点，具备存储和服务功能，因此对一般节目其目标节点就是加载节点自己，而对一些热点节目则可以加载到多个目标节点。可设定节目热档期和有效期。在节目热档期间，CDN网络备份多个拷贝，而热档期过后，则根据一定的机制只保留一个拷贝，等有效期过后则清除媒体内容或进行归档。
单个CDN节点不能容纳所有的媒体内容，采用P2P资源共享技术解决了全网媒体共享的海量存储问题。但P2P没有解决热点媒体的服务能力问题。如果节目不区分热度，一概采用随机分布则会造成以下两个问题：一是传输路径长造成网络资源的浪费和点播响应时间滞后；二是某些高热度节目由于拷贝数少而影响其服务能力；本发明采用以预测性调度为主、以反应式调度为辅的策略。预测性调度在媒体加载和分发阶段；反应式调度则是在媒体服务阶段同时进行。具体提供如下两种调度：
1、P2P-CDN对外提供调度接口，由管理员根据业务统计和预测进行手工调度，例如根据业务系统的统计得出不同用户区域、时段和日期对各类媒体内容的请求的业务量模型，同时根据对新加载内容进行分类和热度预测，人工下指令给P2P-CDN系统进行媒体加载和分发。
2、在有内容的节点无法提供服务时，让有空闲服务能力的节点实施边拉边放边缓存的服务方式，即有空闲能力的节点从一个或多个具备内容的节点请求媒体内容，并把请求到的内容为用户进行服务，同时还把请求到的内容进行缓存，等到完整缓存整个媒体内容后，该节点就具备了该媒体的完整服务能力。
媒体内容在节点之间传输及在节点与客户端传输时，采用多链方式进行，传输单元是媒体块。图5和图6示出了这种多链的传输机制。
如图5所示，目的节点的多个MSTU可以同时与其它多个节点的MSTU建立多个传输链接，传输媒体内容，目的节点的每个MSTU根据媒体存储格式只请求需要存储在本单元的部分媒体块序列，而各MSTU的请求量加总得到整个媒体。因此，媒体传输量还是一份，但由于多链并发传输，传输效率得到大幅提高。
如图6所示，在媒体服务期间，客户端与服务节点的各MSTU之间一直建立并保持多个链接，客户端交错通过各链接请求媒体块内容，使得每个用户的在线服务负载都同时均摊到各个MSTU，从而自然达到了负载均衡的目的。另外，因为每个MSTU只承担了一个在线服务的N(N为节点的MSTU数)分之一负荷，所以每个MSTU所能参与服务的用户数也就增加了N倍。这样整个节点服务能力就是各MSTU的服务能力之和，自然达到了集群的目的。
用户得到媒体服务之前需要先进行媒体搜索。搜索方法如图7所示。图中实线箭头表示搜索消息，虚线箭头表示应答消息。机顶盒(客户端)通过EPG(Electronic Program Guide，电子节目单系统)得到媒体ID后，向归属节点发送查询消息，归属节点如果具备服务条件，则直接给机顶盒返回消息，否则归属节点向相邻节点转发搜索请求，当有节点具备服务条件时，则直接给机顶盒返回消息，否则继续转发。转发次数由消息中的TTL(Time to Live，包生存时间，是协议包中的一个字段)字段控制，重复消息由消息中记录经过的节点IP列表来控制。
一个具体的媒体服务流程如图8所示：
1、用户通过机顶盒浏览节目单，选定观看节目并向机顶盒发出播放请求；
2、机顶盒根据媒体ID向归属节点发出媒体搜索请求；
3、归属节点如果具备服务条件，则返回确认消息，转步骤7；
4、归属节点如果不具备服务条件，则向相邻节点转发P2P搜索请求；
5、其他具备服务条件的节点给机顶盒返回应答消息，消息中包含了自身的服务信息；
6、机顶盒根据收到的消息，以一定策略选择服务节点；
7、机顶盒向服务节点发起媒体服务连接请求；
8、服务节点返回应答消息，应答消息中包含MSTU列表、I帧索引及节目存储方式等服务属性信息；
9、机顶盒应答消息服务节点的多个MSTU建立多条P2P链接，进行媒体传输和播放。
若用户在播放过程中，希望进行VCR操作，则还包括以下步骤：
10、用户对机顶盒提出VCR操作请求；
11、机顶盒根据VCR操作类型，变换媒体请求方式，如是暂停，停止媒体块请求，如是快进，则根据I帧索引和服务节点媒体存储信息调整请求的媒体块；同时根据VCR要求调整播放内容和形式；
用户观看结束或手动退出节目，机顶盒拆除P2P链接，服务会话结束。
Claims (10)
1.一种视频内容服务系统，包括视频加载节点、视频服务节点和视频客户端；
所述视频加载节点和所述视频服务节点采用P2P协议构成P2P-CDN网络，所述视频加载节点和视频服务节点都是CDN节点；所述视频加载节点用于完成媒体格式转换、媒体接入控制、媒体存储和提供媒体服务；所述视频服务节点用于媒体存储和提供媒体服务；
所述CDN网络被划分成多个归属服务区，每个客户端配置归属CDN节点；
所述视频客户端通过网络与一个归属CDN节点相连；
用户请求媒体播放时，视频客户端根据P2P搜索协议向归属CDN节点发出媒体搜索消息，归属CDN节点在整个P2P-CDN中选定服务节点返回给客户端，客户端进而向该服务节点进行媒体服务请求，与控制单元建立控制链接，与多个媒体单元建立多条数据链接，通过这些链接请求媒体数据。
2.权利要求1所述的视频内容服务系统，其特征在于，所述CDN节点包括媒体控制单元、媒体存储传输单元和交换单元；所述交换单元用于完成节点内单元连通、流量汇聚和接入控制列表；所述控制单元用于完成内容调度、服务调度；所述媒体存储传输单元用于媒体存储和传输。
3.权利要求1所述的视频内容服务系统，其特征在于，每个客户端配置两个归属节点。
4.权利要求1所述的视频内容服务系统，其特征在于，所述媒体控制单元和交换单元采用双机备份，所述媒体存储传输单元采用N+1备份；所述媒体存储传输单元采用N+1备份的方式为每个媒体存储传输单元的存储被分成主存储区和备份存储区两个部分，媒体文件的各个分片交错存储于各媒体存储传输单元的主存储区中，同时每个分片都在其他媒体存储传输单元的备份区中存储一份拷贝。
5.一种视频内容服务方法，在包括CDN节点和视频客户端的视频服务系统中，所述CDN节点分成视频加载节点、视频服务节点，所述视频加载节点和所述视频服务节点采用P2P协议构成P2P-CDN网络，所述CDN网络被划分成多个归属服务区，每个客户端配置归属CDN节点；所述视频服务方法包括媒体加载预处理、媒体分发和加载、媒体搜索和媒体传输播放过程：
所述加载预处理是对来自内容源的媒体文件进行分析和处理，提取I帧索引形成索引文件I-idx，并进行流化和块封装；
所述媒体分发是在预处理将媒体格式转换处理完成后，将媒体内容分发到目标节点进行媒体加载；
所述媒体搜索是在用户请求媒体播放时，视频客户端根据P2P搜索协议向归属CDN节点发出媒体搜索消息，归属CDN节点在整个P2P-CDN网络中选定服务节点返回给客户端，客户端进而向该服务节点进行媒体服务请求，与控制单元建立控制链接，与多个媒体单元建立多条数据链接，通过这些链接请求媒体数据；
所述媒体传输播放是指媒体内容从节点传输到客户端供用户播放。
6.权利要求5所述的视频内容服务方法，其特征在于，视频数据通过加载节点处理分成等长的媒体块，按等长块交错均匀存储于CDN节点的多个媒体单元中，根据需要在P2P-CDN网络中按块进行媒体分发和存储。
7.权利要求5所述的视频内容服务方法，其特征在于，在有内容的节点无法提供服务时，让有空闲服务能力的节点实施边拉边放边缓存的方式提供服务，即有空闲能力的节点从一个或多个具备内容的节点请求媒体内容，并用请求到的内容为用户进行服务，同时还把请求到的内容进行缓存。
8.权利要求5所述的视频内容服务方法，其特征在于，CDN节点之间以多源多链路的方式以媒体块为传输单元进行传输，即目的节点的多个媒体存储传输单元可以同时与其它多个节点的媒体存储传输单元建立多个传输链接传输媒体内容，目的节点的每个媒体存储传输单元根据媒体存储格式只请求需要存储在本单元的部分媒体块序列，而各媒体存储传输单元的请求量加总得到整个媒体。
9.权利要求5所述的视频内容服务方法，其特征在于，CDN节点与客户端之间用同时多链路下拉式交错的媒体传输方式，即客户端与服务节点的各媒体存储传输单元之间一直建立并保持多个链接，客户端交错通过各链接请求媒体块内容，使得每个用户的在线服务负载都同时均摊到各个媒体存储传输单元。
10.权利要求5所述的视频内容服务方法，其特征在于，在媒体搜索过程中，客户端向归属节点发送查询消息，归属节点如果具备服务条件，则直接给客户端返回消息；否则。归属节点向相邻节点转发搜索请求，当有节点具备服务条件，则直接给机顶盒返回消息，否则继续转发。
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