摘要　媒體分發技術在保證IPTV業務的服務質量上具有相當關鍵的作用。CDN（內容分發網絡）技術在Web業務上得到了較為廣泛的應用，但與傳統的Web業務不同，IPTV需要分發的內容是數據量相當大的視頻數據，采用傳統的CDN技術不能完全滿足IPTV業務的需要。本文介紹應用于IPTV視頻流分發的代理緩存技術。 

關鍵詞　IPTV媒體流分發　分層編碼　分段緩存

1、概述 

　　自有電視業務以來，人們便不滿足于僅被動地接收電視節目。用戶一直希望能夠按自己的意愿獲得所喜愛的電視節目。這也不難理解為什么20世紀80年代，人們希望使用MTV；20世紀90年代人們希望使用視頻點播業務；近幾年，人們希望使用Internet協議電視（IPTV）業務。事實上目前所談的IPTV在某種意義上講是20世紀90年代視頻點播業務（VOD）的一種繼續。 

　　VOD出現之初。人們希望能夠針對大眾喜愛的電視節目內容提供時移電視，這樣人們就可以在家里非常舒服地在方便的時候觀看電影或電視節目。基本的思想是將內容存儲在存儲器中同時發展分發網絡提供接入并投遞這些視頻內容。最初業務的推動者來自廣播電視業務提供者和電影制片者。但遺憾的是由于在當時的技術條件下（當時期望的承載網絡是基于ATM技術的寬帶ISDN）所需要的基礎設施費用相對于VOD業務的需求顯得太高了一些。這樣VOD在一段時間內發展緩慢，除了在一些局域網絡上開放了一些VOD業務外，大多數的VOD停留在研究和試驗層面。同時Web業務的出現，給人們帶來了使用Web業務獲得文本信息的喜悅。 

　　隨著數字攝像機的出現、存儲系統能力的增強、網絡傳輸帶寬的增加以及移動電話終端能力的增強，對網絡視頻信息的傳輸又一次成為人們關注的熱點問題之一。與20世紀90年代的VOD的不同點在于網絡視頻的承載網絡是IP網絡，而用戶的顯示終端也擴展到包括電視終端、計算機、移動手機等。提供視頻的方式也由廣播電視的純“推”的方式擴展到包括原有電視的“推”方式和VOD的“拉”方式。用戶可以根據自己的意愿獲取節目信息。也就是說IPTV將以類似于Web業務向用戶提供文本信息一樣向用戶提供視頻信息。 

　　雖然IPTV主要是向用戶提供視頻信息，但由于IPTV業務的業務形式和用戶終端種類的增加，使得業務提供者不能僅采用單一的信息源同時向數量眾多、終端能力各異的用戶提供業務。本文將介紹IPTV業務中進行視頻內容分發的一種技術——代理緩存技術。 

2、IPTV業務服務質量要求 

　　由于視頻節目內容的信息量較大、若采用下載后播放的方式，用戶在下載全部節目信息時需要花費較長的時間，為此在提供業務時不能使用下載后播放的方式而應采用類似于現有廣播電視播放的方式，也就是說在下載的同時進行播放，從用戶的角度看就是邊下載邊播放。IPTV業務主要提供媒體直播（廣播）業務和媒體信息點播業務。對于直播方式要求視頻流在播放時不能出現中斷，同時播放時允許用戶在多個節目中進行切換，切換時間要在相對短的時間范圍內。而對于點播方式的業務要求用戶可以找到所希望觀看的節目同時可以對觀看的節目進行適當的控制（包括快進、快退、暫停等），同時要求播放的視頻節目信息流暢沒有明顯的中斷。 

　　就目前視頻編碼技術的發展現狀，實現用戶在線實時播放視頻節目信息所需的網絡傳輸帶寬通常在每秒兆比特數量級。IPTV業務主要以提供雙向不對稱的視頻信息為主。用戶和業務提供者之間主要是客戶端/服務器方式進行通信。這樣若多個用戶同時觀看存儲在一個視頻存儲器中的視頻節目信息對存儲服務器的輸入輸出具有較高的要求，同時通信網絡的帶寬要求也較高。為此，對于IPTV業務通常采用類似目前CDN的技術將視頻節目信息緩存到接近用戶的邊緣設施，以減小主視頻存儲服務器和通信網絡的壓力。但視頻信息通常比文本信息的信息量大，若將全部的視頻信息均緩存到邊緣存儲設備中會造成存儲設施的浪費，同時由于用戶采用具有不同能力的終端，要求業務提供者提供傳輸速率不同的視頻信息。這樣采用代理緩存技術成為解決Internet上媒體流傳輸的一個重要手段。 

3、代理緩存技術簡介 

　　3.1　媒體流代理緩存輔助的系統結構  

 

　　采用代理緩存的基本思想是用戶（客戶端）的控制信息和媒體投遞信息在傳輸時采用兩個不同的信道來進行。媒體流服務器根據控制信息的指令向用戶（客戶端）傳遞媒體信息。用戶將其控制信息上傳到媒體代理，若媒體代理的緩存器中存儲有用戶所要的媒體內容，則代理直接將其緩存器中存儲的信息投遞給用戶（客戶端）的緩存空間，緩存空間接收到媒體信息后將其傳遞給播放器用于播放。若緩存代理的緩存器中沒有用戶要求的信息，則發送指令給服務器請求傳遞相應的媒體信息。根據緩存代理的不同策略，服務器將媒體信息直接傳輸到代理的交換器或存儲到緩存代理的緩存器中，由緩存器將媒體流信息再通過交換器傳送給用戶。  

　　3.2　緩存代理技術 

　　從緩存代理技術本身來講，是將媒體信息緩存在緩存代理處，然后將其傳送給用戶。但由于視頻媒體信息本身信息量大的特點，若緩存代理作為服務器的備份，那么對緩存代理的要求將太高，勢必增大業務提供者的成本。同時由于不同的節目內容用戶的點擊率并不相同，為此將所有的媒體內容采用相同的方式進行緩存沒有必要。因而目前采用的代理緩存通常采用對熱播的內容采用全部存儲，而對點播量不大的媒體內容采用部分緩存的方式進行。但如何確定需要緩存什么、緩存多長時間的算法就成了研究者研究和討論的一個問題。現有的緩存算法主要包括用于同質客戶端的代理緩存和用于不同質客戶端的代理緩存。 

　　3.3　用于同質客戶端的代理緩存 

　　目前大多數代理緩存技術適用于在代理之后具有相同或類似配置和能力的同質客戶端。這樣同一版本的媒體信息可以滿足所有同質客戶端對相同內容請求，同時對客戶端連接到網絡的帶寬以及客戶端的播放能力具有相同的要求。即使是這樣，在代理緩存中存儲一個節目內容的哪些部分以及如何管理代理緩存中已經存儲的信息（如何放置以及如何替換所存的信息）仍然是具有挑戰性的問題。不同算法會帶來不同服務質量以及代理資源的不同消耗。本文主要介紹目前研究較多的4類代理緩存算法：可變時間間隔緩存、前綴緩存、分段緩存以及變速緩存。 

　　3.3.1　可變時間間隔緩存 

　　可變時間間隔緩存算法采用緩存可變時間間隔的媒體信息以用于連續地接入流媒體。該算法的實現方式如下：當兩個客戶端在一段時間間隔內向同一個代理緩存器請求同一個媒體內容時，根據第一個客戶端的請求，代理緩存器向媒體服務器請求發送媒體信息并將接收到的媒體信息發送給第一個請求者，同時將媒體信息存儲在代理緩存器中，在第二個客戶端的請求到來時，代理緩存器就可以將已經存儲在緩存器中的媒體信息直接發送給第二個請求者，待媒體信息發送給第二個請求者后代理緩存器釋放該媒體信息。這樣媒體服務器只需要通過骨干網絡將媒體信息傳送一次便可以服務于兩個客戶端。從而節省了骨干網絡帶寬，同時減少了第二個請求者開始的等待時間，提高了服務質量。當多個客戶端在一定的時間間隔內請求同一個媒體信息時，就可以將媒體信息從媒體服務器中請求一次然后存儲在代理緩存器中，根據后續請求者的請求發送給相應的請求者，在媒體信息發送給最后一個請求者時釋放媒體信息。這樣僅在第一個客戶端請求媒體信息時需要代理緩存器從媒體服務器中請求傳送媒體信息，后續的客戶端僅需從代理緩存器中獲得媒體信息便可。根據請求同一媒體信息的第一個客戶端到最后一個客戶端請求的時間間隔不同，需要將媒體信息在代理緩存器中對媒體信息保留不同的時間間隔，當該間隔與整個節目的播放時間相同時，在代理緩存器中就保留了請求節目的全部信息。在一個節目熱播期間通常需要在代理緩存器中存儲熱播節目的全部信息。 

　　3.3.2　前綴緩存 

　　在上一種算法中，主要是減少對骨干網絡的傳輸帶寬的壓力，同時提高后續請求者的初始播放速度。但第一個請求者的起始播放時間并沒有減少，若在沒有用戶請求之前將每一個節目的開始部分存儲在代理緩存器中，在第一個客戶端請求媒體信息時也可以提高其起始速度，同時代理緩存器向每一個媒體服務器請求后續部分內容。這便是前綴緩存算法的基本思想。 

　　在采用前綴緩存算法時一個需要考慮的問題是最初在代理緩存器中應當緩存多長一段節目內容。考慮到，客戶端需要平滑地播放媒體內容，代理緩存器中至少要存儲從代理服務器到媒體服務器處接收到后續媒體信息的一段時間內足夠客戶端播放的信息。在代理緩存器的存儲空間比較富裕的情況下，可以盡可能將前綴信息存儲的相對長一些。 

　　3.3.3　分段緩存 

　　前綴緩存算法主要解決起始響應速度問題，在其中隱含了一個媒體信息分段問題。前綴本身就意味著將媒體信息分成了不同的段信息。在代理緩存器從媒體服務器后續請求過程中也需要根據媒體信息的特征分段請求或發送。特別是針對點播類業務，客戶端需要快進、快退等操作，這意味著需要在媒體信息中在分段處有標注信息。這也要求將媒體信息本身進行分段。 

　　分段緩存算法是目前學術界研究較多的一種算法，根據不同的用途分段緩存算法又分為指數級分段和“慢分段”，指數級分段是根據內容信息距起始點距離的不同將信息分成不同長度的段，距起始點越遠段落的長度越大，這主要是用于代理緩存器快速調整所緩存的內容，在需要的時候可以丟棄大塊的媒體信息內容。“慢分段”其基本思想是盡可能晚地對媒體信息進行分段，而要等到收集到了盡可能多的統計信息再對媒體信息進行分段，這樣可以最好地降低對帶寬的要求，提高服務質量。 

　　分段緩存的最大好處在于可以進行可變比特率傳輸，為此也有提出根據內容提供者的意見將內容信息中最為精彩的片段取出來進行分段，并在客戶端最初觀看內容時為其提供這些精彩片段，然后由用戶確定是否繼續觀看所選擇的內容或者是直接跳轉到其認為最為好看的部分內容。 

　　3.3.4　分速率緩存 

　　上面三種算法均是根據時間順序進行緩存以減少對網絡帶寬的壓力，沒有考慮到媒體信息編碼后不同時間上信息量的不同從而帶來的網絡傳輸帶寬需求的變化。分速率緩存算法的基本思想是，將從時間軸上看不同時間段上不同速率的信息，在媒體服務器中存儲等速率的部分信息，而在代理緩存器中存儲變化速率的部分信息。這樣在代理緩存器與媒體服務器之間將采用等速率傳輸媒體信息，代理緩存器將接收到的等速媒體信息與已經緩存在代理緩存器中變速率部分的媒體信息組合起來發送給客戶端，以滿足播放器連續播放的要求。 

　　3.4　用于不同質客戶端的代理緩存 

　　3.3中所介紹的代理緩存主要適用于可以接收相同速率并可以使用相同格式的客戶端。IPTV業務可以向采用不同的接入網絡接入并具有不同設備配置的客戶端提供業務。在這種情況下，為滿足不同能力客戶端的需要，媒體服務器需要存儲采用不同格式適用于網絡速率的同一內容的多種備份，這樣耗費了大量的存儲和網絡資源。為解決該問題，分層編碼方式應運而生。這種算法是將媒體信息按層進行編碼，將具有重要信息的層編碼存儲在代理緩存器中，將其他層信息存儲在媒體服務器中。對于要求速率低的客戶端，代理緩存器直接將所存儲的信息發送過去就可以滿足其需要，而對于要求速率高的客戶端，代理緩存器可以先將所存儲的信息發送到客戶端，同時向媒體服務器請求其他層的信息再轉發給客戶端，以滿足客戶端對信息速率和信息格式的要求。目前通常是將媒體信息分為2～3層。最優的分層方式還在研究之中。 

　　通常可適用于速率范圍較大的編碼速率，如MPEG-4多采用分層編碼算法。其最大的優點就是對傳輸速率和顯示格式有不同要求的客戶端，采用不同層信息的不同組合，從而節省存儲空間和傳輸帶寬。 

　　3.5　重疊網絡上的代理緩存 

　　目前的Internet運營商多苦于類似BT一類的視頻下載軟件在網絡上的使用。多對一的視頻信息的傳輸消耗了網絡的大量資源，造成了網絡擁塞。據有關統計，目前BT下載信息在Internet上的全部信息量中占有很大的比例。從實現機理上來講采用peer to peer的方式進行視頻信息傳遞也是一種代理緩存，在peer to peer環境中，每一個客戶端即是服務器也是客戶端。而從代理緩存的角度，由于客戶端所存儲的信息是來自于同一個媒體服務器，在這種意義上講每一個客戶端起到代理緩存器的作用。 

　　peer to peer環境通常是一個松耦合的環境，每一個客戶端均可能在不通知其他客戶端的情況下離開或者禁止其他客戶端訪問。這樣勢必會影響業務的服務質量，若是將peer to peer配置在第二層代理緩存，而第一層代理緩存采用由業務提供商配置固定的代理緩存器來完成，這樣一方面可以提高業務的服務質量，一方面可以節省業務提供者代理緩存器的資源。 

4、結束語 

　　IPTV業務是目前業界的一個熱點問題，雖然IP網絡目前的傳輸帶寬已經達到一定的程度并且有能力傳輸像視頻信息一類對傳輸帶寬要求較高的信息。但是在提供以單播形式為主的點播類視頻業務時如何投遞視頻信息以滿足用戶的需要仍然是一個很大的挑戰。代理緩存技術在Web業務采用的CDN上已經有很多的應用。但與文本信息相比，點播類視頻業務本身信息量大、傳輸帶寬要求高、交互性要求高的特點不能將用于Web業務的代理緩存技術簡單地應用于視頻點播業務。而需要采用特定的算法來實現節省存儲器和傳輸資源的目的。本文中簡單介紹了目前正在使用或處于研究階段的代理緩存算法。這些算法通常是針對某種特定場合而設計的，它們之間沒有排斥性，通常具有互補性，在具體使用中可以同時采用，也可以針對不同的應用環境采用部分算法。目前已經商用的代理緩存通常采用相對簡單的算法以滿足實現簡單的目的。代理緩存算法仍處于發展之中，這些技術的順利進展并在IPTV業務中應用將有利于IPTV業務的健康發展。