双向HFC网实现可运营高画质VOD增值服务
2003-04-07 中国有线电视

国际上关于到底使用哪一种技术标准更好尚无定论，表中关于调制方法与数据的来由不是我们讨论的重点，不作详述，但还是有人要问30.34 Mbps与括号里的27 Mbps是什么关系？简要解释如下：所有数据是以IP包形式在网络上传输，每个标准IP包是经过标准结构封装而成的，其中大体分为3部分，即包头、数据、包尾。包头中含有此包来源去处和其他一些附属说明信息，中间是纯数据，包尾是与相应包头对应的结尾符号集。

这就是说每个IP包不是纯粹的数据包，其中包含有部分非数据信息，约占整个IP包的10％，数据约占90％，于是就有了27 Mbps，我们称之为纯数据率，这是一个很有用的技术指标。

关于双向网络的下行传输能力，到撰稿时截止，重庆第三军医大学双向HFC网络成功降低网络上行噪声，已实现下行256QAM低误码率稳定传输。对于一台CMTS我们该如何正确规划匹配用户数？算法如下：

用户同时在线率：100％；

网络同时使用率：100％ （看电影）；

用户平均最低速率：0.5 Mbps；

采用EuroDOCSIS 256QAM （50 Mbps）；

可同时匹配用户数为：50 Mbps / (0.5 Mbps×1×1) = 100（户） 。

以上计算结果显示，在所有条件为极限情况下，此时的1台CMTS可以匹配100 个用户。请注意各个指标中的“同时”，用户的分布为自然分布，因此用户的网络在线使用率随时间呈总体分布局部集中的形态，简单说就是一家人吃完饭后全家人上网点播各自喜欢的视频，这在实际生活中是不会出现的，所以在100％的用户同时在线且都在看电影的极限假设下所得到的用户匹配数是1台CMTS的匹配极限，即CMTS的并发流数，不具备普遍意义。

那么实际广义匹配数是多少呢？关于这个数据的计算笔者见过不少文献，都是基于以上公式，加上作者对用户在线率、网络使用率的人为估算计算而得，换言之计算所得数据不具备事实真实性与数据准确性，只能作为普通的假设，具体科学的论证方法待进一步探讨后作详细论证。

根据普遍假设结论，建议1台采用EuroDOCSIS 256QAM标准应用于VOD系统的CMTS匹配用户数不超过400个。

下行通道问题解决以后，再来看看另一个关键问题——视频服务器。大家普遍认为视频服务器是一种对性能要求极高的服务器，不是普通服务器能胜任的，为什么会产生这种认识呢？这主要源于对早期的视频压缩技术与服务器硬件整体性能的认识。

在整个双向网络的VOD系统中，视频格式（视频格式与视频编码标准是不同的概念，视频格式由视频/音频编码标准组合定义而成，其中关键是视频编码标准）是所有问题的核心，视频编码的选择是否恰当直接关系到视频数据能否在HFC双向网络上传输、视频流在双向网络上传输的并发流数、数据流的编码效果等一系列关键问题，因此正确选用视频编码标准是至关重要的。

早期的数字视频压缩技术远不及现在，这就意味着服务器需要处理庞大的数字视频数据，在网络上输出大量的数据流，这对于当时的硬件与网络性能来说是很难承受的，随着近几年数字视频压缩技术的进展，视频数据流量大幅下降，表2是当前流行的各种视频压缩标准的相关数据。

由表2可见，日常生活中最常用的几种数字视频编码压缩技术主要是：

（1）MPEG-1：由ISO的MPEG组织（运动图像专家组）于1993年制定并颁布，采用基于窒好效果，该标准针对VHS录像机的效果而制订，编码图像的分辨率为SIF格式（352×288），编码后的标准视频码率惟1.1 Mbps，平均码流范围0.6~1.5 Mbps，视频质量(25~30)帧/s，成为VCD标准。

表2各种视频压缩标准相关数据

VideoVCDSVCDDVDDivXASFSMR/nAVIRMDV

分辨率 NTSC/PAL 352×240352×288480×480 480×576720×480720×576640×480 or lower320×240 or lower320×240 or lower320×240 or lower720×480 720×576

视频压缩标准MPEG-1MPEG-2MPEG-2MPEG-4MPEG-4MPEG-4RMDV

音频压缩标准MPEG-1MPEG-1MPEG-2,AC3MP3,WMAMPEG-4MPEG-4RMDV

每分钟的容量大小10 MB/min10~20 MB/min30~70 MB/min1~10 MB/min1~5 MB/min1~5 MB/min1~5 MB/min216 MB/min

在74 minCD－ROM可放多少分钟视频74 min35~60 min15~20 min60~180 min120~300 min120~300 min120~300 min3 min

在DVDR盘片上可放多少小时的视频－－2~4 h13~26 h13~26 h26~40 h26~40 h20 min

在DVD播放机上的兼容性非常好好出色－－－－－

对计算机系统配置的要求低高非常高高低低低高

效果质量好非常好出色非常好一般一般较差非常好

（2）MPEG-2：由ISO的MPEG组织于1995年制定，该标准针对高清晰度数字电视制订，其基本原理与MPEG-1类似，编码图像的分辨率很高（720×576），视频数据流量不定，平均码流范围 1.6~4 Mbps，视频质量 25 ~30帧/s，MPEG-2标准被DVD采纳。

（3）MPEG-4：这是MPEG组织于1998年制定的新一代视频编码标准，该标准采用了视频和图像编码最新技术，具有优秀的压缩性能，编码图像的分辨率较高（640×480），并具有较宽的码率适应性，平均码流范围0.2~0.5 Mbps，视频质量(25 ~30)帧/s。

（4）RM： 最早广泛使用的流媒体视频格式，其码流率很小，平均码流范围 0.08~0.2 Mbps，视频质量（25 ~30）帧/s，但RM编码图像的分辨率较低（320×240）。

通过以上比较可见，MPEG-1/MPEG-2码流率过高，不适宜于网络传输，RM虽然码流率很低但其编码图象效果较差，因此最适应于双向HFC网络VOD系统低码流率高画质效果要求的视频编码技术是码流率适中、编码效果较好的MPEG-4编码标准，1台CMTS使用MPEG-4 编码标准的并发流数理论上可达100线，即前述的CMTS极限匹配情况。

在实际测试中，采用309 kbps码流的ASF视频格式文件（音、视频数据都经MPEG-4压缩）作测试影片（源盘为VCD，建议服务商在不涉及版权情况下最好使用DVD作源盘，以保证达到高清晰图像），平均帧数达到23.8帧，已经能完全满足网络观看需求，但ASF格式最高只能提供320×240的图像解析，为向用户提供达到DVD效果的高质量图像即超过500线的解析度，建议采用同样基于MPEG-4压缩标准 的divX视频格式，以提供640×480的高清晰图像（源盘必须采用DVD）。

实验表明，MPEG-4视频压缩标准在为用户提供高质量画面的同时又有较低的网络带宽占用率，是实现HFC双向VOD的理想视频压缩标准。

我们再来看看视频服务器，随着硬件整体性能的提高，现在的视频服务器能轻而易举地胜任视频服务要求，在实际应用中，视频服务器的性能主要考虑硬盘速度、CPU与内存。

视频服务需要大量读取数据，这对硬盘性能是严峻的考验，因此如何选用与使用硬盘是视频服务的关键。现在硬盘主流接口分为SISC和IDE两种技术，以下对IBM的这两种接口的硬盘作简要对比，如表3所示。

表3IBM两种接口的硬盘对比

产品系列DESKSTAR 60GXPUltrastar 73LZX

型号40AVER 0736UCD 210

容量(G)4036

接口速度(MB/s)Ultra－ATA 33/66/100Ultra 160 SISC (80 p)

转速(r/s)7 20010 000

平均寻道时间(ms)8.54.9

内部传输率（Mb/s）6287

缓存(M)24

从表3看出：

接口速度：SCSI比IDE最高速度提高 60％；

转速：SCSI比IDE提高 39％ （转速提高直接导致平均寻道时间的缩短）；

平均寻道时间：SCSI比IDE缩短 42％；

内部传输率：SCSI比IDE提高 40％；

缓存：SCSI比IDE提高 100％。

我们不难看出，SCSI硬盘各项性能指标远远超过IDE硬盘，且SCSI设备的最大优点是对网络环境下同时发生的多个数据请求提供良好的控制与数据安全保障，因此大型网络服务器清一色采用SCSI硬盘，作为双向HFC网络的VOD服务器也不例外。

但单SISC硬盘结构在读取性能上还不能完全胜任VOD的长时间大量读取要求，为了使数据传输速度和数据冗余性都能获得最大程度的提高，一是使用NAS磁盘服务器，将数据存储剥离应用服务器而单独存在，以提供更为高速的数据处理与输出性能，但用户为此要付出近9万美元的昂贵代价；二是在服务器上采用RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks)技术即廉价冗余磁盘阵列技术，RAID将在多硬盘情况下有效提升SISC架构的整体性能，实际应用最为普遍的是RAID0和RAID5两种类型。

RAID0：也称无冗余无校验的磁盘阵列，它将多个磁盘组合在一起形成一个独立的逻辑驱动器，数据被依次写入到各磁盘中，当一块磁盘的空间用尽时，数据就会被自动写入到下一块磁盘中。这种设置方式只有一个好处，那就是可以增加磁盘的容量，至于速度，则与其中任何一块磁盘的速度相同，这是因为同一时间内只能对1块磁盘进行I/O操作。这种结构的RAID0如果其中任何一块磁盘出现故障，整个系统将会受到破坏，无法继续使用。

为提高系统性能，对RAID0作访问控制，使数据同时分布在各个磁盘驱动器上，这样在同一时间内可对多块磁盘进行数据读写操作，因而读写速度在RAID0体系中最快，但同样没有容错能力，任何一个磁盘驱动器损坏都会使整个RAID0系统失败。虽然RAID0的容错性能很差，但RAID0的实现成本最为廉价，且读写速度可以有很大程度的提高，所以一般应用在对数据安全要求不高但对速度要求较高的场合。

RAID5：尽管RAID0能提供更快的速度，但是整个系统可靠性低，如果出现故障，无法进行任何补救。RAID5与RAID0的最大区别在于RAID5能把校验块同时分散到所有的数据盘中。RAID5使用了一种特殊的算法，可以计算出任何一个带区校验块的存放位置，因此RAID 5能够在不影响性能的情况下最大限度地保证系统的可靠性和可修复性，从而显著地提高了系统的安全性和容错能力，当硬盘数据失效时，系统会试图修复丢失数据，继续保持系统的正常运行。

通过上述介绍可以看出， RAID0是提速，RAID5是在保证提速情况下提供安全的数据冗余性，通常情况下，为了既提高存储系统的速度性能，又提供数据安全性，往往采用RAID5。

在实现RAID时，选择硬盘最好是完全一样，否则会出现高速硬盘等待底速硬盘、大容量硬盘迁就小容量硬盘的现象。当RAID的两个硬盘的容量与速度不同时，RAID硬盘的总容量仅是小容量硬盘的两倍，而此时RAID0的理论速度也只是低速硬盘速度的两倍。

作为小区级视频服务的硬盘，其速度与数据冗余同样重要，因此建议系统盘采用单硬盘，数据盘采用RAID5结构，如此既可提高视频数据读取速度，又可防止视频数据出现错误导致RAID崩溃而影响系统正常运行。对于RAID5结构上的视频数据丢失系统会尽力自动修复，而不必像RAID0一样须对全部数据重新拷贝，这样系统维护量很小，是完全可行的。

在实际应用中，当多视频流并发传输时，采用SISC接口的硬盘，在硬盘阵列的帮助下，能以最大性价比有效提升SISC硬盘的性能。服务器几乎全年不停工作，这对硬盘的机械性能要求很高，为保证服务器稳定运行，建议使用高品质的SISC硬盘。

除了硬盘架构，CPU性能也是一个关键因素，有些人认为双CPU服务器运行速度一定比单CPU服务器快，因为它使用两枚CPU并行处理事务，但在实际应用中并非任何应用程序在双CPU服务器上的运行速度都一定快于单CPU服务器。

在双CPU服务器上，想获得比单CPU服务器高（15~85）%的性能提升，运行软件必须支持SMP（对称多运算处理，通常指两个或多CPU协作运算处理），不支持SMP的软件其任务只能在1个CPU上进行运算处理，因此不可能获得比单CPU服务器更快的速度，而目前能支持SMP的软件寥寥无几。

事实上双CPU服务器被广泛应用的真正原因是它对同时多事务并发处理能力的全面支持，而需要长时间并发处理的事务和有较高资源占有的程序，即使这些软件不支持双CPU，也能使用双CPU对并发事务的处理能力来获取处理性能的相对提升。

内存也不是越大越好，关键是看系统应用领域，就VOD系统而言，最好使用不小于512 M 的DDR内存（DDR的高速率是SDRAM无法比拟的），高档服务器建议使用1 G 以上的DDR内存。

CMTS的下行带宽EuroDOCSIS 256QAM标准最高为55.62 Mbps，即视频服务器每秒输出数据不得低于55.62 Mbps ，服务器若采用10 Mbps网卡根本无法承担如此大数据流，因此必须采用100 Mbps网卡，如果视频服务器同时用于多台CMTS下行匹配，视频服务器则要采用1 000 Mbps网卡。

对小区级视频服务器的性能要求远不及大型城域网络视频点播系统对服务器的要求严格，因此小区级视频服务器没有必要使用高达数十万美元的专业级视频服务器，以下从实用角度对服务器配置提出建议。

（1）高性能PC视频服务器

在视频应用要求不高的情况下，高端PC机即可满足需要，大致能提供80路左右的MPEG-4并发流数据，主要用于单台CMTS的匹配，其主要配置为：

CPU：PENTIUM4，2.4 G 以上处理器；

硬盘：73 GB，SISC X2；

内存：DDR，512 M 或更高；

显卡：32 MB，32位真彩色，Direct Draw；

RAID：RAID0；

网卡：100 M。

（2）小型PC视频服务器

对于小型PC视频服务器，由于要考虑其稳定的系统运行和较大数量的视频信息存储（按divX视频格式，每部电影按2 h计算大小约为1.5 G左右 ，服务器存放约200部电影，需要300 G左右硬盘），尤其要考虑视频流并发传输的处理能力，所以硬件配置要求较高，要求能提供200路以上的MPEG-4并发流数据，主要用于2～4台CMTS匹配，其主要配件参照如下：

CPU：双 PⅢ，1 G；

主板：支持双PⅢ，CPU 主板；

硬盘：40 G，IDE + 5X，73 G，SISC；

内存：DDR，1 G或更高；

显卡：32 MB（AGP），32位真彩色，Direct Draw；

机箱：服务器专用机箱；

网卡：1 000 M。

（3）准专业视频服务器

在视频要求很高的应用环境中，除了满足大容量存储需求外，对视频并发流数目的要求也很高，因此对视频服务器的性能要求非常苛刻。准专业视频服务器大致能提供400路以上的MPEG-4并发流数据，存储约400部电影，主要用于5～8台CMTS的匹配，主要配件参照如下：

CPU：双 INTEL至强2.0 G处理器 ；

主板：支持双至强主板；

硬盘：40 G，IDE+8X，73 G，SISC；

内存：DDR，1 G或更高；

显卡：32 MB（AGP），32位真彩色，Direct Draw；

机箱：服务器专用机箱；

网卡：1 000 M 。

总地来说，现在的普通服务器性能已有突飞猛进的进步，对于小区级应用而言,准专业视频服务器已完全能胜任，硬件投资成本也将大幅节约。

VOD系统光有硬件是不够的，还要有软件的支持与配套才能运作，所以VOD软件的选用也不容忽视，如何选用VOD软件的问题主要集中在以下几点：

点播系统能支持多少视频流格式；

对视频服务器性能要求如何；

视频内容的编辑制作难易程度、方便程度如何；

视频内容的存储格式是开放的还是自定义的；

对磁盘库中所存储的视频内容能否备份；

是否支持拖动与断点续拨；

系统维护和后台管理设置是否便捷；

视频流并发时是否支持分布式处理。

最后关注一下VOD系统得以长期持续发展的关键——片源。作为VOD运营商，后期需要投入大量的资金以购买具有公共播放权的正版影碟，这对于运营商而言将是一笔很大的开支，于是不少运营商直接使用盗版影碟进行公共播放，以求降低运营成本。目前国内的HFC网络运营商多直属广电部门，所以广电VOD运营商可以直接共享广电部门的影片资源，并源源不断地得到新片供应。