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[周保全文]新一代IPTV CDN技术缓解运营商成本之痛

2012年11月22日 17:45:15 | 作者:CNW.com.cn | 来源:网界网 | 查看本文手机版

摘要:作为互联网视频应用的形态之一,截至2011 年底,IPTV的全国用户数已经超过 1350多万。尤其是最近两年,新增用户年均超过500万,IPTV 进入快速发展期。

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作为互联网视频应用的形态之一,截至2011 年底,IPTV的全国用户数已经超过 1350多万。尤其是最近两年,新增用户年均超过500万,IPTV 进入快速发展期。

IPTV 的发展趋势是提升视频质量和丰富视频内容,旨在改善用户体验。运营商正在推动视频内容由 2Mbps 码率的标清( SD)向 12Mbps 码率的高清(HD)发展。同时标清自身也由2Mbps 码率向 3.2Mbps 码率升级。标清到高清,在同样节目内容的情况下,存储和设备吞吐量(面向客户的推流能力)要求都将增加6倍。如果沿用现有 IPTV CDN (Content Delivery Network,内容分发网络)的架构,成本几乎成比例地增长6倍。在当前运营商免费为用户提速已成为社会共识的大背景下,如果IPTV CDN的CAPEX(投资成本)不降反升,显然IPTV的商业模式将面临夭折。为了IPTV的继续发展,需要设计和引入新一代的CDN技术。

思科CDN解决方案应运而生。作为新一代CDN技术,其可减少存储需求,提升设备性能,实现系统平滑升级扩容,减少日常维护工作量,在提升用户应用体验的前提下,有效降低运营商的投资成本和运营成本。

思科 IPTV CDN 系统名称为 CDS-TV,支持二级或三级部署架构,分别是中心节点(Vault)、 区域节点(Cache Node)和边缘节点(Streamer)。这与现在运营商IPTV的层次架构基本一致,但是 CDS-TV 内部的实现机制完全不同,主要表现在以下几个方面。

减少存储需求

在IPTV CDN中,省中心节点、区域节点、边缘节点数量比例大概是1:10~20:80~160。现有IPTV CDN的存储配置与内容库成比例:省中心100%,单区域节点100%,单边缘节点大于50%,可以计算出中心存储:区域存储:边缘存储=1:10~20:40~80。从实际业务网络部署架构看,更有效的做法是减少边缘节点的存储,其次是区域节点的存储。

IPTV用户消费行为符合长尾模型,由于有EPG(电子节目菜单)的导航作用,热点更加集中,在2/8至1/9之间,也就是80%的用户只观看20%的节目。所以,边缘节点最多只要存储20%的节目就可以满足80%的用户服务。因此,我们须要解决几个问题:

第一:如何确定20%的内容?思科采用Pull模式代替Push模式解决此问题。

第二:Pull模式如何保证用户体验?思科采用分片代替整片,HTTP(超文本传输协议)代替RTSP(实时流传输协议)技术来解决。

第三:还有20%的用户服务如何解决?思科采用调度内容代替调度客户,降低带宽需求。

一、以“用户触发”的拖拉(Pull)模式代替现有“管理员触发”的推送(Push)模式,结合基于热度的智能缓存算法,由用户行为自动决定20%的热点内容。

用户触发Pull模式实现边拉边服务的目的。工作过程如下:当用户STB(机顶盒)请求内容A时,如果边缘节点没有,边缘节点会主动向区域节点请求内容A;如果区域节点也没有内容A,区域节点将向中心内容库请求,然后由中心向区域、边缘、STB逐级分发,同时区域和边缘节点在本地缓存内容A。

影片被Pull到区域和边缘节点后,首先为用户提供服务,同时基于思科的热度缓存算法,决定哪些内容应该缓存,哪些应该删除。热度算法是一个多因素加权的综合算法,涉及到单位时间内影片点播热度、点播时间、硬盘空间、设备资源等多重因素,最后形成热度计算结果。

采用用户触发的pull模式和基于热度的缓存策略,CDN系统经过一段时间的运行,边缘节点上存储的肯定是流行度最高的影片,区域节点上是次热影片,绝大部分冷片将保存在省中心内容库中,使得所有内容根据热度实现在不同CDN节点的合理分布。

二、内容分片代替整片,HTTP代替RTSP,保证了Pull模式下的用户体验,减少了存储。

根据现有IPTV技术规范,VOD(视频点播)的用户体验响应时间要求小于2秒。思科将影片分为64kByte左右大小的片段,同时在中心、区域和边缘节点之间采用支持突发传送的HTTP协议,代替了恒定传送的RTSP协议,实现了节点之间250毫秒的实时传送。在典型的三级CDN架构中,在由中心内容库提供内容的极端情况下,最大延时为750毫秒左右,可完全满足IPTV用户体验的要求。

三、将内容调度到边缘代替将用户调度到区域,减少网络带宽需求,降低网络质量要求。

前文提到,边缘所存20%的内容只满足了80%的用户服务,那么还有20%的用户服务如何解决?传统的IPTV CDN是将20%用户的RTSP请求调度到区域中心服务,而思科采用实时Pull技术。当边缘节点没有内容时,会自动从区域节点Pull内容到边缘。

同时,现有方式中,区域中心到用户STB之间是RTSP,要求网络有严格的质量保证。而思科采用HTTP支持网络的突发传送,能够容忍网络延时、带宽等质量适度波动。

提升设备性能

思科CDN采用自主研发的操作系统、定制服务器硬件和固态硬盘的配置(SSD),设备吞吐量达到15G/U,是现有IPTV设备性能和集成度的10倍以上。

CDN的性能由硬软件同时决定。CDN服务器硬件包括CPU、内容、网卡和磁盘四个主要部件,大部分硬件的发展符合摩尔定律,而硬盘IO的吞吐量却提升很慢。这是因为IO受制于机械旋转速度——现在磁盘的主流旋转速度是7200转和15000转两种。所以,磁盘成了服务器硬件中的短板,与CPU、内存和网卡等能力极不相称。为此,思科特别在吞吐量要求最大的边缘流媒体服务器上采用固态硬盘SSD和SAS硬盘,消除了磁盘性能低下这一传统CDN能力短板(+微信关注网络世界),实现各硬件组件最佳匹配,较传统CDN整体吞吐量提升了数倍。思科的部署经验显示,虽然SSD硬盘较SATA硬盘贵许多,但由于短板的剔除,系统整体性能获得提升,综合性价比大大提高。

除了硬件能力以外,文件系统同样重要。磁盘有序读写吞吐量是无序读写的10倍以上。这就像一个大仓库,如果你将货物随意放置,那么你存放的速度和提取货物的速度会很慢。文件系统就是决定内容的存储方法和规则的,这对内容的存取速度起决定作用。思科采用自主研发的操作系统,根据视频文件的特点,设计了以内容块(Chunk)存储的文件系统,同时采用万兆(10GE)以太网接口、对磁盘、网卡和内存驱动进行了优化。

思科第三代CDN产品CDE250,既可以作为边缘流服务器Streamer,也可以用作区域缓存Cache,高度为2U,吞吐量高达30Gbps,约8000个3.75Mbps的标清视频流,功耗只有500瓦,集成度是现有设备的10倍,单流功耗和机架空间占有只有十分之一,是最佳的节能减排解决方案。

平滑升级扩容和免维护

存储约占CDN成本的40%,是易损部件,也是工程割接中的难点。思科CDN在存储体系设计上,完全基于“云存储”的模式采用了以下设计理念,解决了传统CDN中的存储顽疾。

首先采用网络存储技术代替本地存储方式,用廉价IP网络代替昂贵的FC网络。中心、区域和边缘之间通过高速的IP网络连接起来,实现存储容量的平滑扩展,实现广域范围内的共享利用。比如某项目中,一个区域节点连接了10个边缘节点,当边缘节点存储容量不足时,只需增加区域节点的容量,就相当于为每个边缘节点增加了同样大的容量。

其次,在思科的三级架构中,中心内容库的内容是永久的,采用1:1安全备份,是整个CDN系统的内容来源和备份中心,而区域节点和边缘节点只用作缓存。此举大大降低了日常维护的响应速度要求和工作量,实现了CDN的无为而治。

高清视频年代,CDN面临巨大的成本压力,降低存储容量和提升设备吞吐量是解决问题的唯一途径。思科是下一代IPTV CDN的代表者和领导者,CDS-TV已经在Comcast、Verizon、中国广电广泛规模使用,是被验证了的成熟解决方案,也是运营商在高清年代值得信赖的解决方案。

[责任编辑:孙可 sun_ke@cnw.com.cn]