思科视频,宽带有线和内容传输产品系列

实时视频服务与分发式架构

摘要

随着客户对娱乐内容的期望的增长,电信运营商必须从基本的接入运营商转变成全方位的"体验运营商",即无论客户在家里还是家外,都能够为客户选择的任何设备提供全套视频、语音和数据服务。为提供出色的视频体验,电信运营商需要能够有效"定义"视频头端的体验的工具,能够"保留"提供给用户的新一代应用敏感型视频网络,以及能够"实现"预定体验性能的卓越设备。为用户定义卓越视频体验的需求,促进了能够为客户提供个性化水平更高的互动式视频的新一代视频网络的发展。事实上,随着进入电视市场的电信运营商的增加,提供个性化娱乐点播的能力已经变成了增强竞争力的重要因素。目前,如果电信运营商提供内容点播,不但能提高每用户平均收入(ARPU)和客户忠诚度,还能减少抱怨。未来,当消费者能够通过PC、电视、网络家庭和移动设备访问"无限点播"内容之后,这些功能将成为对所有电信运营商的核心要求。但是,一方面,新型视频点播技术对电信运营商来说有着巨大的潜力;另一方面,也提出了新的技术挑战。

传统的实时视频服务解决方案为内容存储和流采用了集中式架构。无论视频服务器属于国家级、地区级还是本地级,架构都是集中式的,并假设应用支持整个标题的非实时等级分发。

本文将介绍一种更加有效的内容管理战略,在这种战略中,内容是实时、可点播,而且粒度小于整个标题单位。这种架构的优势为,它采用了智能化水平更高的缓存方法,使电信运营商能够同时受益于集中式内容存储(降低内容管理支出和运作支出)。与此同时,这种分发式架构还能保留当今新一代用户需要的端到端短延迟和无限的内容多样性。利用这种架构,电信运营商能够实施多种高级服务,例如重新组合"长尾"内容(专用内容或用户制作的内容),这种内容需要以短延迟的方式访问深内容存储区中的内容片段。最后,本文还将介绍Cisco® Content Delivery System,该系统支持这种分发式视频架构,能够为电信运营商提供更有效、扩展能力更强、经济高效的解决方案,以便定义和提供卓越的视频体验。

实时视频服务的发展

当今的电信运营商正在经历快速转型,转型的内容包括为用户提供的服务,支持这些服务的网络,以及用户用来访问服务的设备。随着用户对内容访问和互动的期望的增长,电信运营商的角色正在从基本的接入运营商转变为全方位的"体验运营商",即无论客户在家里还是家外,都能够向用户提供真正的"互联生活",也就是向客户选择的设备提供全部视频、语音和数据服务。

电信运营商要实现这一目标,有效提供视频是中心任务。但是,要提供具有竞争力的视频服务,运营商必须有效管理视频带宽使用,提供用户需要的各种内容,并为所有地区和设备提供一致的高质量服务。

多年来,视频服务已经被定义为用于分发广播内容的服务。在这种框架下,服务的所有元素都集中定义和控制。内容所有者创建的服务,也就是在提供一系列"节目"的中间穿插"商业广告"的频道,供应的时间与预计内容接收者的时区有关(例如:北美洲的太平洋地区、山区、中区和东区)。一天中的时间被分为"黄金时段"和"非黄金时段",内容和广告根据时间而定制。内容所有者使用"Nielson 评分"等方法测量和划分频道的受欢迎程度。广告商根据"流行程度"产生收入。最近,技术创新(例如数字插入标准SCTE35、SCTE30和DVS 629)使电信运营商能够在附近或本地区提供更加个性化的广告内容。

这种模式已经在视频服务市场上主导了几十年,但最近几年终于出现了一种称为视频点播(VoD)的新型视频服务。VoD属于个人服务,每位用户同时控制收看内容的类型和时间。运营商提供的内容点播量已经从每天几千小时(免费和付费)快速增加到了每天几万小时。如果考虑自电影和电视诞生以来产生的潜在视频点播内容量,电信运营商完全可以预料,视频点播内容量将呈指数增长。

以前,多数运营商都认为视频服务广播和VoD是两种独立的毫无关联的服务。这两种视频服务可以共用同一种边缘分发基础设施(同轴电缆、大气、数字用户线路、光纤等)和显示设备(到目前为之只有电视)。但近年来,运营商却为这两种服务的实施部署了两套基础设施。

目前,视频服务中的一项越来越流行的新特性改变了一切,这个新特性就是暂停。当用户按下暂停按钮之后,就可以从广播服务转移到点播服务。再次按下暂停按钮之后,用户可以继续欣赏节目,但滞后实时节目几秒钟或半小时。随着这种暂停功能在用户中的普及,电信运营商遇到了前所未有的机遇。例如,如果正在播放广告,播放点只滞后几秒钟(与实时广告的时间相等),则系统可以播放同时区广告。但是,如果广告不再实时,尚未为用户提供初始分区广告,则能够用更加个性化的广告代替。无论是哪种情况,以前毫无关联的广播和VoD现在都可以作为一项组合服务。为建立能够提供所有服务的综合架构,大环境已开始发生变化。

暂停直接促进了时移电视的快速发展,这种技术统称为数字视频录像机(DVR)。在过去几年中,越来越多的人熟悉并接受了DVR技术。DVR的主要吸引力在于,它允许用户控制观看内容的时间。这种功能能够同时使用户和内容所有者受益,因为随着当今社会多任务需求的增强,用户通常无法按照广播时间观看内容。因此,内容拥有者的观众以及用户可以观看(和发现)的内容都越来越多。这方面的证据越来越多:观看时移电视广告的人越来越多,用户对快退和快进的兴趣越来越高,经常暂停并重播对他们感兴趣的话题的广告。

时移提供了操作线性内容流的功能,即能够实时暂停或重启线性节目流。例如,某些电信运营商现在为某些内容提供时移服务,以便没有准时观看节目的用户能够从节目开头开始观看。时移技术的另一个优点是,除机顶盒外,还能将录制好的内容发送至PC、手持设备及其它设备,从而成为传统DVR服务的补充。但是,由于时移还存在与时移相关的某些"公平使用"问题,电信运营商可能需要与内容所有者协商内容的使用。

内容所有者(例如Disney和ABC)最近所作的在广播后24小时以内(或立即,与Time-Warner Cable的"重新播放"服务类似)再次提供内容的声明已成为一个导火索,很多内容所有者都相继接受了这样一个新的现实:客户需要在适当的时刻在他们选择的设备上观看内容,并愿意为此付费。不仅如此,时移体验表明,无论是实况还是录像,用户都希望对所有内容执行暂停、快退、快进(甚至于更加以用户为中心的服务,例如前一集、下一集、前一节、下一节)操作。根据计划为用户提供250至500个广播频道的时代已经宣告结束。有些人认为,新兴的视频模式实际上已经标志着数十亿个性化频道的时代的到来。

最后,电信运营商正在见证Video 2.0的到来,在这种新模式中,视频不再利用单向连接从中央分发商下载到各个客户,而增加了互动性和公共性。Web 2.0将互联网从一个静态公布内容库变成了一个动态双向交换场所,不但使内容使用者变成了内容的创造者,还使新型内容、社团和互动方式层出不穷。YouTube发展很快,只用了几个月的时间,就从零增长到了每天1.2亿股视频流。这充分说明了用户对视频内容使用方式的改变,以及呈现给各公司的巨大商机。

这些实时视频服务的变种对内容存储意味着什么?答案很简单:存储要求将根据用户的需求呈指数增长。从用户的角度看,在发现内容之后,能够"立即"请求,而且不到一秒钟之后就能够观看。

随着专业人士和业余人员的内容制作手段的不断发展和成本的持续下降,电信运营商可能会以内容制作者为基础,实现快速、持续的发展。文字(博客)、音频(播客)和照片(FlickR)已经快速普及。用户制作的视频刚刚兴起,但正如YouTube被Google收购所显示的那样,视频内容快速增长的趋势已经显现。未来,在内容增长的基础上,用户制作的大量Video 2.0内容和服务的快速增长将进一步使对运营商的存储要求提高好几个数量级。

不断增长的存储要求

两种重要的技术创新--时移和VoD,促进了存储的扩展。无论是哪类运营商/用户,都会使用到这两种技术中的一种,因而极有可能同时使用这两种技术。这两种技术并非完全独立。分析家预测,某些广播内容将被放置到运营商的长期VoD库中,某些广播内容则将被丢弃,因为VoD库中已经拥有相同内容。

为寻找促进视频内容发展的主要因素,可以先分析一下DVD和书籍的销售(导致了现在广为采用的"长尾"内容概念的出现)。有关专家分析了"砖瓦型"店铺中基于"偶碰"目录的销售趋势,以及"低成本型"互联网店铺中 "可扩展"目录的销售状况。此次研究分析了Rhapsody、Amazon和Netflix。对于详细的分析,这里不再重复,但需要重申的是,研究表明,在"低成本型"目录中,总销量的20~30%来自"砖瓦型"离线竞争对手无法提供的可扩展目录。这个结果表明,规划时移或VoD服务时,长尾目录的可用性具有极大的销售潜力。

时移本身就能产生大量内容。对于提供500个频道的电信运营商而言,能够以每天12,000小时的速度获取内容(每天24小时×500个频道)。即使假定50%的内容因重复而被删除,或者不存在长期存储的理由,内容获取量仍然十分可观。在两周时间里,如果每天获取6000小时,总量将高达84,000小时。如果上游产生重复内容(例如,插入了不同时区广告的不同输入),存储量将直线上升。(作为保留存储空间的基本要求,假定存储中只保留每个广播频道的一份内容,而不保留多份时区备份。)

尽管无论采用哪种视频基础设施技术,存储量都会飞速增长,但是,如果采用创新技术,运营商就可以更加有效地管理内容的增加和供应。针对有线运营商的交换数字视频以及针对有线电信商的IPTV,使电信运营商能够提供比过去多得多的内容。例如,很多运营商现在都能够提供少数民族节目,并发现这些节目能够产生大量收入,而且是视频用户向上销售过程中最成功的战略之一。尽管提供所有现有(和未来)的少数民族点播内容也会促进存储要求的增长,但对于目前使用这些服务并愿意为此支付费用的用户群而言,仍然具有很大的吸引力。

值得重申的是,促进容量增长的这些因素不包括即将出台的Video 2.0模式,在这种模式中,用户产生的视频将像传统内容一样普遍(如果不是更普遍的话)。这种模式提出的存储要求要高于前面讨论过的各种促进因素。

传统的内容分发架构

视频基础设施通常包括内容存储子系统和流子系统。流子系统能够传输格式符合用户设备要求的任何内容。流系统存在很多变种。在某些情况下,系统拥有本地存储,并需要存储整个标题。在其它情况下,系统为服务器阵列,包含磁盘和随机访问存储器(RAM)存储的组合,能够以较高的粒度执行内容缓存。

内容存储子系统同时包含实时摄取的(时移)的广播内容(内容片段数×分辨率×每小时格式)和以前获取的内容。这些内容既包含电影、电视制作和独立影片,也包含各种分辨率和格式。

在传统的架构中,很多运营商都在流设备中管理存储,即预先存储整个标题,并将管理人员确定的某段内容的流行度作为存储该内容的主要条件。多数解决方案都存在从数百小时到数千小时(对标准清晰度内容)的最高存储上限。只要系统未达到存储极限,就能够在流设备中提供内容。但是,如果系统超过了有限的整个标题存储容量, 用户将遭遇"拒绝服务"(通常会显示"服务不可用"错误消息)。实际上,运营商可能会遭遇"拒绝收入",即无法获得因提供付费长尾内容而创造的20~30%的收入。

动态内容分发架构

目前,动态内容分发已经逐渐成为可能。利用这种方法,流设备能够根据用户需求动态更换不太流行的内容,获取最新请求的内容,缩短流延迟。

这种架构的概念图如图1所示。在这种模式中,内容存储服务器阵列与流服务器阵列相连。图中假设互联方法为千兆以太网和10千兆以太网。这种模式未在内容子系统组件和流子系统组建之间规定特殊的内容分发协议。

图1 分层内容存储和Streamer 阵列

这种动态内容分发模式能够根据架构和流设备的功能,采用三种获取和流请求内容方法之一。前两种方法为加速整个标题获取和逐步获取,这两种方法都有局限,无法为实时视频供应提供理想的方法。第三种方法为分段缓存填充,不但能避免其它方法带来的延迟和其它问题,还能提供更有效、扩展能力更强的战略。

方法1:加速整个标题获取
对于摄取过程中无法执行流操作的视频系统,必须在摄取延迟与内容带宽之间进行权衡。例如,如果最低要求是:必须在请求之后的两分钟之内播放某段内容,则一小时的电影必须以流速的30倍获取,即对标准清晰度MPEG-2编码内容为120Mbps,对标准清晰度MPEG-4为60Mbps。

对于必须在流之前摄取全部内容标题的系统而言,摄取过程很快就会占满线路。例如,在最多可存放8部1小时电影的系统中,能够通过千兆以太网链路在两分钟之内传输到存储系统。在国家、地区甚至本地级网络中,8人或8人以上同时请求长尾内容的可能性很高,这相当于在大型网络中通过10千兆以太网链路同时请求80部电影。因此,即使在这种模式下,也不适合播放高清晰度电影。

方法2:逐步获取
对于那些可以在摄取的同时启动视频流的系统,不但能够缩短内容提供延迟,而且能够节省带宽。假定内容以流速获取,视频流能够在流系统的最低摄取延迟之后开始。但是,流设备何时开始视频流,取决于内容存储服务器阵列持续地以流速无抖动提供内容的能力。如果内容服务器阵列会带来抖动,流输出中将出现缺口。一般情况下,流系统需要增加延迟,才能应付潜在的抖动。因此,流系统可能以10秒的延迟摄取内容,系统的延迟则更高一些。在实时视频服务中,由于在缓冲器不满时暂停显示一般是不可接受的,因而可能需要进一步增加延迟。

在这种情况下,系统能够以较长的延迟(可能为一到两分钟)部分摄取字幕,然后再开始播放。一般情况下,当今的PC流实施都采用这种方法,即先发生延迟,再开始流动。但是,即使采用了这种方法,网络仍有可能无法保持流速,从而使显示停滞。(在基于PC的流应用中,发生这种情况时通常会显示"重新缓冲"图标。)除了这个问题外,运营商还面临怎样通过高峰模式网络、输入/输出(I/O)系统和磁盘子系统扩展这些解决方案的问题。

逐步获取方法存在的问题包括:

  • 内容分发子系统难以通过扩展适应并行并发获取操作数量的增长;
  • 流设备的总摄取功能有限;
  • 操作模式(快进、快退等)通常实时产生,造成扩展限制。

运营商可以在外部不频繁拖动内容的场合(频率低于10%,或者1%)使用逐步获取方法,条件是内容存储子系统能够保持这种内容的流速(避免过度争用共享轴,有效实时协议),而且延迟变化可以让用户接受。

方法3:分段缓存填充
能够降低延迟(低于300ms)和减少带宽使用量的另一种方法是分段缓存填充。在这种模式中,段定义为一部分内容,每段的大小为64KB。这种模式能够在系统的各个部门请求和传输段,包括存储、分发和流。

在分段缓存填充方法中,缓存提供了支持段的一种补充机制,因为这种模式要求只在存储阵列内永久存储内容。缓存定义为临时存储。由于它能够保留系统中的各类资源(磁盘、总线、内存),因而能使系统受益。缓存是一种广为人知和广泛部署的技术,例如Web页面服务。如果某段内容在本地缓存资源中,则不需要再利用网络I/O等更昂贵的资源请求。缓存管理技术能够大大减少资源争夺,尤其是网络I/O。在大型地区级或国家级存储配置中,极有可能出现两人或更多人同时请求访问同一段长尾内容的情况,因此,缓存有利于长尾内容的分发。

多层缓存等级如图2所示。第1层存储离网络边缘最近,内容将在这里实时播放。这些存储只占硬件(RAM)的很小比例,因为系统使用的动态内容流行度算法缓存效率不高。第2层是本地存储,能够放置在一个系统中,也能够放置在由高速本地带宽相连的对等系统中。第3层是本地内容库,允许将流行内容放置在本地,并通过廉价网络资源访问。第4层是永久内容源,能够放置在任何地方,甚至能够放置在国家或超级头端。利用分层缓存,只需要一份可用的短尾和长尾内容,运营商就可以建立本地级、地区级甚至国家级视频网络。

图2 缓存等级曲线

缓存是优化系统中高成本和低成本组件组合的常用方法。性能最高但最昂贵的存储是RAM,最便宜的存储是磁盘。RAM存储的价格是小型计算机系统接口(SCSI)存储的10倍,是串行高级技术附件(SATA)存储的100多倍。

与逐步获取和整个标题加速获取方法中的摄取功能相比,分段缓存填充功能的成本更低。在缓存填充架构中,摄取功能由内容存储设备本身执行。摄取成本(元数据、操作文件、永续性)分摊在流行和长尾等所有内容的未来播放中。

利用分段缓存填充内容分发模式,运营商还能够满足更高的延迟要求。例如,运营商可以建立一个系统,让流设备了解所有流的带宽需求,并汇总内容设备的分段I/O,以保证所有流都能得到适当的服务。由于能够对比较流行的内容执行缓存(流行内容缓存不会产生网络I/O),因此,这种模式可以保留足够的网络带宽,以动态获取长尾内容。

分段缓存填充内容分发模式还允许在不同的内容标题之间快速切换。例如,在播放有针对性的广告时(在交换广播或时移环境中),需要持续7秒的嵌入式广告插入只需不到300ms的反应时间就能处理完毕。同样,某些新服务,例如将来自多个内容标题的分段集群重新组合在一起(例如提供"Da Vinci's Inquest"中的最佳场景),也不需要管理整个标题,因而大大提高了存储和网络带宽效率。以后,当用户能够控制长尾内容的重新组合(例如跳过片头或片尾)之后,对网络I/O等所有资源的争夺还会进一步减少。

智能水平更高的视频架构:Cisco Content Delivery System

越来越多的运营商认识到,可扩展内容存储阵列是端到端实时视频服务系统的有效组成部分。用户提出对长尾内容和高级Video 2.0个性化服务的需求之后,电信运营商必须采用能够快速启动流以及无延迟重组等新型高级服务的内容访问方法。另外,电信运营商越来越认识到,如果采用分发式架构,即将配备临时缓存的流设备放置在网络的边缘,将获得大大超过传统的集中式视频系统的可扩展性和带宽效率。

理想的视频系统应该采用缓存填充分段分发方法,即以低于整个标题的粒度按需分发内容,以便有效地将实时视频服务扩展到地区和国家配置。如果采用了分段粒度缓存,这种视频系统能够将视频服务传输占用的带宽减少几个数量级。不仅如此,利用集中式存储阵列,它还能够将几千小时到几十万小时(甚至几百万小时)的内容增长分摊到整个地区和国家。

Cisco Content Delivery System(CDS)将上述所有战略都包含在一个平台中,使运营商能够以广播、时移和VoD方式为用户提供他们需要的所有内容。Cisco CDS彻底改变了传统的VoD系统,因为它能够为运营商提供基于网络的智能平台,向用户提供新一代娱乐、互动式媒体和个性化广告服务。这个平台是思科IP新一代网络(IP NGN)服务交换框架的最新补充,它能够将视频摄取、存储、分发、个性化和流功能集成到同一个解决方案中,使运营商能够通过多种设备提供本地化、互动式、个性化内容。

与采用大型集中式视频服务器,难以随着用户群和内容库的增加而扩展的早期VoD解决方案不同,思科CDS是一个真正的视频网络,而不只是一台视频服务器。思科CDS完全支持本文介绍的IP网络功能和内容供应战略,能够以全新的方式为用户提供视频服务,为电信运营商提供更加经济、高效、灵活的面向未来的视频解决方案。

当电信运营商打算制定战略,转变成体验提供商,为客户提供内容超越接入设备的真正的"互联生活",并兑现Video 2.0的承诺,使视频内容的制作和分发更加平民化的时候,他们需要能够满足所有未来要求的视频解决方案。另外,他们还要求该解决方案提供全部工具,以便立即提供客户需要的互动式、个性化、高质量视频体验,并作为将定义、保留和实现卓越客户体验集成在一起的大型IP视频框架的一部分。幸运的是,思科CDS就是这样一种平台。作为思科IPTV解决方案的核心组件,思科CDS 充分借鉴了思科在IP和VoD方面的经验,以及视频领先厂商Scientific Atlanta 在头端和客户家庭领域的先进技术,能够提供真正全面的视频解决方案。

如需进一步了解Cisco CDS,请访问:www.cisco.com/en/US/products/ps7191/Products_Sub_Category_Home.html

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