基於雲計算技術的虛擬機頂盒研究

本文主要針對目前浙江省內廣電的系統平台、網路及終端現狀，通過互聯網技術進行改造，引入雲計算中的虛擬化技術，在雲端打造虛擬機頂盒，通過實體終端和虛擬終端的協同，突破現有終端版本多樣化、升級困難、硬體瓶頸等多個問題，從而端到端對現有基礎資源進行了重構，既盤活了現有資產，也加速了新業務的載入速度，降低了業務引入及覆蓋的周期和成本。

近年來，互聯網迅猛發展及三網融合的深入，各種智能化的應用和豐富的內容給用戶帶來更好的體驗同時也對終端的性能提出了更高的要求。浙江省內存量的機頂盒超過1400 萬，若要應對新的業態發展，順應市場潮流，按傳統思路大量存量機頂盒都存在更新換代的要求，而且按「新業務引入，終端升級」的慣有路線，不僅投資成本面臨巨大挑戰，版本眾多的終端進行持續不斷升級對於運營帶來的風險也無法評估。

隨著三網融合的深入及跨網多屏全媒體戰略的實施，廣電運營商獲取了比以前更多的內容分發渠道，更高的併發請求。但同時隨著用戶的急劇增多，視頻內容需求量將增大，現有的存量終端類型對於內容格式和視頻解析度需求不一，內容的分發網路也需要具備不同網路的自適應能力，還要解決自動適配問題以確保跨屏用戶的一致性體驗。雲計算技術的飛速發展，為我們找到了一條解決之路，只有通過雲計算平台，才能比較好的解決最大的問題，用戶規模和成本間的最優化配比，充分做到分工合理化、發揮各自特點、取長補短以推動快速發展 [1]。在數據日益成為戰略資源的信息社會中，雲計算能更經濟、更高效、更便捷地挖掘數據價值，獲得知識和決策信息，給整個發展帶來革命性的影響 [2]。

因此如何突破現有實體終端硬體瓶頸，在不更換終端的前提下，採用雲計算技術打造虛擬機頂盒，通過實體終端和雲端虛擬機頂盒協同，盤活現有資產，承載更多新應用，應對多變的競爭環境，是本文研究重點。

1 雲計算簡介

1.1 雲計算概念及分類

單純講雲計算的概念沒有統一的定義，這裡只引用最被公眾接受的美國國家標準與技術研究院（NIST）定義進行說明：雲計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網路訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網路、伺服器、存儲、應用軟體、服務），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互[3]。

雲計算最常用的層級劃分為IaaS、PaaS、SaaS 三層。層次化的雲計算一般也稱為I-P-S 雲計算，各層可獨立提供雲服務，下一層的架構也可以為上一層雲計算提供支撐。在雲計算髮展歷史上也提出了CaaS，容器即服務，這個被稱呼進入下一代雲計算的敲門磚。本文所重點研究的是通過雲計算技術實現實體終端的運算能力上移，突破存量終端的硬體能力瓶頸，採用實體終端視頻輸出能力和雲端虛擬機頂盒運算能力結合的方式，在雲端虛擬機頂盒中通過虛擬化容器實現應用承載的標準化，從而實現各類業務的載入。

1.2 雲計算在廣電中的發展前景

廣電業界從2010年開始就以「聚焦雲應用需求，促進廣電雲發展」為主題，在廣電行業內部充分展開了在三網

融合大背景下，如何結合雲計算進行應用。從NGB下一代廣電網路到廣電總局「十三五」規劃出台，其中都融入了「雲」的理念，從全國廣電一盤棋角度引領了廣電行業的發展方向。

王效傑司長在發表廣電「十三五」科技發展規劃總體思路明確提出了關於雲的建設，其中在「大幅增強廣電融合媒體制播能力」中提出：省級以上廣播電視台基本建立融合媒體制播雲平台，實現全國廣播電視融合媒體制播雲平台互聯互通；在「全面提升廣電融合媒體服務能力」中提出省級以上有線電視網路、互聯網電視集成播控機構基本建成廣播電視融合媒體集成服務雲平台。完善融合媒體集成服務雲平台技術架構，推動各廣播電視融合媒體集成服務雲平台的互聯互通。積極推動廣電融合媒體制播雲與廣電融合媒體服務雲的協同聯動融合創新，構建廣電媒體雲[4]。

從2010 年到2015年，各個廣電的前輩們紛紛從數據中心的雲應用[5 ,6 ]、安全雲、媒體雲、制播雲[7]、內容雲[8，9] 等角度進行了理論研究。

在廣電中應用雲計算的技術，除了傳統要考慮的內容，還有一個核心述求需要納入考慮，就是安全，需要端到端的梳理安全。

本文基於幾位前輩從安全、內容、系統、網路、終端的理論研究，結合浙江省內的終端現狀，將雲計算技術運用於實踐，通過搭建雲化平台，採用虛擬化和容器技術打造虛擬機頂盒，一方面形成一個開放性的雲平台，可以無縫對接各類新業務；另一方面解放了實體機頂盒的運算能力，盤活了存量低配的機頂盒，大量的運算能力上移到雲端虛擬機頂盒進行，通過視頻流化后以視頻流方式傳輸到終端，終端只需解碼輸出。

2.1 雲化平台演進過程

廣電行業在傳統上主要核心業務為直播和VOD 點播業務，在此基礎上進行疊加增值業務。通過雲計算的引入，採用虛擬化技術在雲端逐步實現物理機頂盒抽象化、虛擬化，從而可以在平台測不斷演進，最終通過雲計算實現全業務雲化平台。

1. 傳統互動平台向雲化平台的演進，核心目標是將業務邏輯從終端抽離，減少業務調整的成本和時間消耗。實現廣

電網路的互聯網化改造，推動現有業務網進化為數據網；

2. 脫開終端與平台的深度耦合，降低終端複雜度，因其主要作為顯示設備，從而可以支持各種業務；

3. 通過引入新技術和新系統，優化現有平台的技術指標，向最終用戶提供更優的服務和體驗，提供更豐富的業務；平台整個演進過程如圖1 所示，分為三個階段：第一階段即現有模式，現有局端終端協同配合，所有業務全部通過終端實現，中間件和播放器深度參與到業務流程，所有業務實現和流程化定製都需要中間件來實現，因此增加新的業務就需要改造中間件，而中間件的改造帶來的就是終端的升級，整個流程將拉的極為漫長。

圖1 平台雲計算化演進分析

第二階段採用過渡方式，部分雲化部分邏輯終端實現，業務邏輯部分同時在終端和雲端進行，終端進行標準化處理，統一中間件介面及標準規範，對所有業務類型進行抽象，複雜計算部分放置到雲端實現，對終端進行一次升級，1~2 年內不用升級的方式，雲端進行功能性和計算要求高的內容，共性部分在終端，個性化雲端實現的方式。

第三階段則到達真正的雲平台化，終端最終成為基礎硬體能力終端，也即瘦終端，只需要有基礎的硬體解碼能力和硬體運行所需要的性能，所有業務都通過雲端虛擬化的技術載入，終端和平台間只交互信令，所有內容通過單播流的方式從平台傳送到終端，形成平台和終端間的標準化，平台和應用間的標準化，能讓所有互聯網的應用通過平台呈現在廣電的終端上，真正讓用戶能體現到三網融合帶來的好處。

2.2 運營模式轉變

傳統模式下主要以編排運營為主，主要通過時段因素、市場因素、受眾因素、節目因素、媒體因素及其他進行運營編排，根據熱度進行內容分類和編排。

新的運營方式將轉變：在原先的運營人員通過主觀判斷進行編排運營的基礎上，增加根據用戶信息、內容關聯關係、用戶肖像用戶聚類、朋友消費情況朋友推薦、用戶看點共享等進行的用戶自運營，用戶在被動接收的基礎上增加根據用戶及用戶環境而變化的動態運營。

同時最關鍵的是基於雲計算模式，引入大數據分析系統，在傳統方式下，由於均是廣播型終端，無法獲取用戶的行為數據，只能通過調研公司如央視索福瑞、尼爾森等來取得一些用戶的行為數據。現在可以通過雙向網路充分採集到所有用戶的行為，包括直播節目那個頻道停留時間長，那個節目內容最熱，多少人觀看，在什麼時間點離開電視的人最集中等等。

按傳統運營模式考慮，更多的方式還是了解別人在看什麼，對於彰顯個性化的新新人類，如果要把他們也吸引到電視機前，那麼就更需要自運營模式的採用，這種方式更多的是用戶自己運營自己的內容，把個人的一些喜好與朋友進行分享，如共同追劇，共同吐槽，關聯的內容推薦交叉等。

2.3 業務承載模式的轉變

前面提到傳統模式下業務主要依託實體終端來實現，主要由中間件來實現所有的業務邏輯過程及終端底層能力的調用。在不改變模式的前提下新的業務承載就需要對終端上的軟體進行升級，而現有機頂盒的升級是另所有廣電運營商頭疼的事情，更別說頻繁的升級了。

由於目前主流業務形態為WEB 類業務和安卓類業務，在業務承載模式上進行轉變，主要通過虛擬化技術，在雲平台側生成兩類業務承載載體，分別承載WEB 類業務和安卓類業務。其中WEB 類業務主要通過虛擬化運算技術實現HTML5

服務資源的創建、保持和銷毀，通過該服務資源結合雲計算能力解決業務承載所需要的運算能力和承載容器；安卓類業務則通過虛擬化運算技術實現Andriod 服務資源的創建、保持和銷毀，通過Andriod 服務資源載入Andriod 應用；通過兩類業務承載載體，可載入目前市面上90% 以上的應用類型，包括視頻、音樂、教育、遊戲、購物等。

隨著未來新業務的演進，必然對應用的承載能力提出新的要求，採用雲計算方式，可在不升級實體機頂盒的前提下，只通過雲端計算能力的調整就可實現新業務的載入。

3.1 端到端時延處理

實體機頂盒運算能力上移，在解決了硬體能力瓶頸的也帶來了一個新的問題：本地處理改為本地和雲端協同處理帶來的時延問題。這個是對用戶最有直觀感受的一個體驗，如何在不額外增加成本的情況下能保持整體時延在可控範圍內是一個關鍵研究要點。

對比傳統模式，主要增加了三個時間點：一是網路傳輸時延；二是雲端虛擬機頂盒的計算時延；三是編碼流化時延。這裡網路傳輸時延在幾毫秒，雲端虛擬機頂盒的計算時延優於實體機頂盒的計算時延，主要增加的時間是編碼流化的時間，此部分為盤活存量資產的核心點，因此該項時間消耗是不可避免。從按下遙控器到電視機顯示輸出，把所有時間節點進行細化分析，發現最大的時延主要發生在現有遙控器紅外傳輸和終端解碼時間上，在綜合各類應用對時延的要求下，從兩個層面提出了對時延的優化。

第一個方面是從業務層面進行優化，解決時延最大的紅外傳輸問題。基於成本上的考慮，目前廣電遙控器普遍採用的是紅外傳輸模式，常規遙控器紅外傳輸超過了110ms，佔整體端到端時長的一半左右，對比最常用的RC-5 編碼和NEC編碼模式，從編碼和發送周期來看發送一個鍵所需時間來看：

RC-5碼：14×1.7778=24.889ms ；NEC碼：9+4.5+1.12×16+2.25×16=67.42 (ms) ；

這裡雖然RC-5 碼需要時間短，但NEC 碼主要耗時在容錯上，考慮到按鍵無響應對用戶體驗帶來的負面影響高於了這幾十毫秒的提升，因此編碼方式上仍然維持NEC 碼，可在整體時延維持在250ms 以內，已經能滿足大部分應用的時延需求。對時延要求特別高的應用，尤其是實時類遊戲如街頭霸王、極品飛車等，考慮到該類用戶屬於高端細分類用戶，同步搭配無線傳輸的遙控器或無線遊戲手柄，去掉了紅外傳輸時延，可以控制整體時延在100ms左右，充分達到了優質的體驗。

第二個方面主要從技術層面優化，解決編解碼耗時太長的問題，雲端對虛擬機頂盒承載的業務進行編碼流化時，只有關鍵幀I幀和前向預測幀P 幀，這樣終端解碼過程就不需要因為B幀原因需要等待後續幀才能解碼輸出，傳統解碼過程需收到完整幀才進行解碼並且通常緩存5 幀，這裡通過低延時解碼技術，收到I 幀即開始解碼輸出，時延上壓縮了60ms~80ms。

3.2 實體機頂盒和虛擬機頂盒的配比

按1 ：1的方式進行實體機頂盒和虛擬機頂盒的配比，從成本上來看並不優於更換高配置的實體機頂盒，如果僅僅是

後續升級方便這一特點，那麼規模化推廣因為成本問題必然受阻。不按1 ：1配比那麼應該按多少比例配，如何保障用戶需要的時候隨時可用，這個平衡點在實際規模化推廣時屬於一個核心難點。

根據現網已有的千萬用戶規模，結合大數據系統對日常行為進行分析，包括用戶的開機率、高峰時間佔用率、使用不同應用的佔比。雲平台採用基礎資源和動態資源搭配的方式，根據業務的佔用率分配資源，運維部門也可根據大數據系統的趨勢圖來手動微調資源的分配比。

我們來看具體的一個配比演算法，用戶進入到直播和點播后，只需要保持現有通道不變即可，不需要使用到雲端的計算資源，因此一個最簡單的演算法如下：

虛擬機頂盒= 實體機頂盒數量× 開機率×（1-直播業務使用百分比- 點播業務使用百分比）；

按這一公式虛擬機頂盒實際的投入成本與高配機頂盒的更換成本幾乎可以忽略不計了，而且後續新業務的持續引入也不需要再更換機頂盒，只需要再平台側進行更新換代即可，大大降低了入戶的成本。

行業間的界限和壁壘越來越模糊，大量的互聯網企業進入了廣電領域，免費策略和用戶體驗大量的侵佔了用戶，OTT連續幾年的快速發展，三大運營商也不甘示弱，以IPTV 切入，殘酷的競爭局面。而廣電歷史遺留問題太多，終端包袱極大。

從創新業務或者全媒體角度進行自我變革，則需要跟蹤互聯網的變革，採用虛擬機頂盒技術，不乏為一條突破之路，即盤活了現有資產也打破了硬體瓶頸的制約，有效的打破現有的桎梏和弊端。

通過虛擬化技術，在平台側通過雲計算方式來生成虛擬機頂盒，代替了實體機頂盒來承載業務。能夠成功規避終端版本過多和硬體能力瓶頸的問題，同時也為無縫銜接互聯網企業做好準備，堵不如疏，讓更多的互聯網企業成為合作夥伴才是最終發展的模式。

本文所涉及到的具體研究，為如何盤活現有終端的存量資產，以實體終端+ 虛擬機頂盒的方式進行了創新，探索了一種新的模式，可以通過這種模式有效的突破了存量終端的硬體瓶頸，能承載最新的應用，帶來更好的用戶體驗，提升ARPU值。

我們有理由相信隨著廣電行業自身的發展需要，技術的變革，雲計算的應用也將四處開花，比如歌華雲[10]、百事雲、呀哈雲[11]、天山雲[12] 等等[13]。雲計算技術將為廣電的發展提供更多的助力。

參考文獻

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楊利中，1978年生，碩士，浙江華數廣電網路股份有線公司技術規劃部負責人，主要從事通信、計算機軟體、雲計算、有線網路方面的研究，負責浙江華數技術規劃及技術管理工作。