Giải pháp mạng phân phối nội dung CDN cho IPTV

IPTV, mang lại video chất lượng phát quảng bá trong các mạng băng rộng, là một ứng dụng đầy thách thức về công nghệ và hấp dẫn nhất để triển khai. Khi triển khai dịch vụ IPTV, một số  vấn đề về kỹ thuật nảy sinh như: cách để gửi các tệp video lớn, cách xử lý tải luồng khi tất cả người sử dụng đang đặt cùng một bộ phim, làm sao để gửi các luồng video ra mạng toàn cầu với khoảng cách lớn? Giải pháp mạng phân phối nội dung CDN cho IPTV là chìa khóa để giải quyết những vấn đề này. Bài viết giới thiệu giải pháp giải pháp CDN của Cisco và CDN ZXBIV của ZTE với nhiều ưu điểm nổi trội sẽ là một sự lựa chọn cho các nhà cung cấp dịch vụ IPTV.

I. Tổng quan về mạng phân phối nội dung CDN

Mạng phân phối nội dung CDN được phát triển từ năm 1998 dựa trên nguyên tắc là tái tạo lại các nội dung tại những nơi khác nhau thông qua các server đại diện (surrogate server) dựa trên một số phản ánh của các Web server. Một CDN bao gồm bộ phận phân phối các nội dung, bộ phận định tuyến các yêu cầu,  hệ thống phân phối và hệ thống tính toán. Trên cơ sở hệ thống băng rộng việc tái tạo lại các nội dung tại nhiều nơi khác nhau sẽ giúp CDN cung cấp các dịch vụ và ứng dụng nhanh chóng và chính xác từ server lưu trữ (cache server) gần nhất đến người sử dụng.

CDN là một phần quan trọng trong các giải pháp IPTV, hệ thống CDN giúp cải thiện tới người sử dụng thông qua khả năng bảo mật, duy trì thông tin và đáp ứng thời gian nhỏ nhất. Hơn thế nữa, giải pháp CDN giúp tiết kiệm băng thông, việc phân phối nội dung từ điểm gần người sử dụng nhất sẽ giúp giảm đến mức nhỏ nhất băng thông cho mạng kết nối chéo (cross-network) qua đó nâng cao các thông số của mạng. Việc phân phối dữ liệu từ một hay một số trung tâm có thể sẽ dẫn đến tắc nghẽn và khó quản lý tải, CDN giúp giảm tải và trễ cho server thông qua việc phân phối nội dung tới các nút biên. Có thể nói CDN là chìa khóa cho việc phân phối các tệp video lớn – một vấn đề lớn trong các giải pháp IPTV.

II. Giải pháp CDN của Cisco

1. Mô hình

Giải pháp CDN của Cisco là một giải pháp hoàn thiện, với độ tin cậy và khả dụng cao dựa trên sự phân phối mạng lớp 2 và lớp 3, được định nghĩa dựa trên năm công nghệ chính: Quản lý và phân phối nội dung, định tuyến nội dung, chuyển mạch nội dung, phân phối nội dung biên và các dịch vụ mạng thông minh (Hình1).

Hệ thống CDN của Cisco được thiết kế cho các nhà cung cấp dịch vụ mạng, các công ty thương mại trực tuyến, các ASP, các nhà cung cấp dịch vụ máy chủ.

2. Năm công nghệ chính trong mạng CDN của Cisco

2.1. Quản lý và phân phối nội dung CDM

Bộ phận quản lý và phân phối nội dung (Content Distribution Management – CDM) là điểm điều khiển phân phối nội dung tới lớp biên của mạng và tập trung các danh mục dữ liệu. Bộ phân phối nội dung sẽ cài đặt quy tắc phân phối nội dung, thực hiện khởi đầu sự phân phối nội dung tới mạng biên.

CDM có thể quản lý toàn bộ mạng CDN, bao gồm cả các vị trí đặt các máy nội dung CE (Content Engines). Bộ phân phối nội dung cho phép cấu hình và giám sát các CE và các bộ định tuyến nội dung một cách tốt nhất.

 CDN-VNPT

Hình 1: Mô hình mạng phân phối dữ liệu của Cisco

2.2. Định tuyến nội dung

Việc ngày càng nhiều truy nhập nội dung trên Internet đã bắt buộc các nhà cung cấp dịch vụ phải cung cấp một mức khả dụng cao hơn và thời gian phản hồi từ một vị trí bất kỳ phải là nhỏ nhất. Giải pháp cho vấn đề này là phải tối ưu định tuyến nội dung giữa các trung tâm dữ liệu. Định tuyến nội dung của Cisco đảm bảo một khách hàng bất kỳ sẽ được định tuyến tới cơ sở dữ liệu gần nhất bất kể vị trí người đó ở đâu.

Định tuyến nội dung trực tiếp từ người sử dụng tới một vị trí tốt nhất trên mạng toàn cầu của Cisco dựa trên việc cài đặt một quy luật tính toán dựa trên các thông số như: độ trễ, cấu hình, tải server và cài đặt các chính sách định vị của nội dung, qua đó có thể nhanh chóng phân phối nội dung mà không cần quan tâm đến vị trí người sử dụng.

2.3. Chuyển mạch nội dung

Chuyển mạch nội dung (Content Switching) thông minh dựa trên lưu lượng qua server tại các trung tâm dữ liệu hoặc các POP. Qua đó lựa chọn server khả quan nhất tại nơi phân phối nội dung yêu cầu dựa trên độ khả dụng của server và tải. Khi có một điểm nào đó bị lỗi, bộ cân bằng tải sẽ loại bỏ một điểm đơn bị lỗi và sẽ định tuyến động quanh server lỗi.

2.4. Phân phối nội dung biên

Phân phối nội dung biên bao gồm các server biên phân phối liên tục web hay các dòng truyền thông tới client và đảm bảo nội dung đó được làm mới liên tục. Phân phối nội dung biên sẽ được hoàn thành từ biên với các lưu lượng chuẩn tới một số điểm nhất định. Với các nội dung yêu cầu sau đó sẽ được hoàn thiện theo một mẫu tối ưu để cải thiện cho người sử dụng cuối và cho phép làm giàu nội dung truyền thông trên Internet hay trên các mạng liên công ty (Hình 2).

Cisco Content Engines là một thiết bị phân phối nội dung biên khi nội dung được lưu tại lớp mạng biên trong thiết bị này, bộ chuyển mạch và định tuyến nội dung sẽ định vị ra Content Engine tối ưu với các yêu cầu của nội dung. Content Engines có thể làm tăng tốc độ phân phối nội dung thông qua việc truy cập thường xuyên kho lưu trữ trong suốt và sau đó hoàn thiện vị trí nội dung yêu cầu bằng một đường tắt tới một server. Thông qua lưu trữ trong suốt các yêu cầu của nội dung, Content Engines có thể giảm tải một lượng đáng kể lưu lượng và các kêt nối TCP từ các server gốc, giúp tiết kiệm 25-60% băng thông.

Cisco cung cấp một chuỗi các thiết bị nội dung lưu trữ trong suốt, gồm nhiều module thích ứng cho các cơ sở dữ liệu khác nhau:

- NM-CE: Module này có thể được cài đặt bên trong các router 2600, 3600, 3700 của Cisco, thích hợp sử dụng cho trường học.

- CE-565: Là module nội dung, thích hợp sử dụng cho các trung tâm dữ liệu vừa và nhỏ.

- CE-7305: Là module nội dung, thích hợp sử dụng cho các trung tâm dữ liệu vừa và lớn.

- CE-7325: Là module nội dung, thích hợp sử dụng trong phần lõi của mạng.

Thiết bị CE có thể đặt tại phía trước của các web server để tăng cường tốc độ cho server.

 CDN-VNPT-1

Hình 2: Lưu trữ trong suốt giúp CE  hoàn thiện các yêu cầu cho các nội dung giống nhau

2.5. Các dịch vụ mạng thông minh

Một giải pháp CDN đầy đủ dựa trên việc nâng cao khả năng của mạng core IP. Chìa khoá của các dịch vụ lớp 3 của mạng core là yêu cầu về khả năng phân phối, sự phân cấp, và khả năng bảo mật cao. Phần mềm IOS của Cisco có thể đảm bảo các vấn đề này. Các mạng lõi Cisco xây dựng trong phần mềm IOS có thể triển khai hiệu quả nhiều ứng dụng và dịch vụ mới mà không làm ngắt các ứng dụng và dịch vụ.

III. Giải pháp CDN của ZTE

1. Kiến trúc mạng CDN của ZTE

Hệ thống CDN BIV của ZTE gồm một nút trung tâm và một số nút biên, có thể chia thành hai hoặc ba mức tùy theo quy mô mạng. Bằng cách khai thác hệ thống kiến trúc phân phối có thể quản lý việc danh mục và phân phối nội dung trong các cụm. Mỗi nút gồm một bộ quản lý hoặc tác nhân CDN, một số máy chủ VoD và các ma trận đĩa (Hình 3).

Các máy chủ VoD và ma trận đĩa có thể được bổ sung vào mỗi nút mạng một cách linh động để đáp ứng các yêu cầu về dung lượng lưu trữ ngày càng tăng.

Hệ thống gồm nhiều cụm (các nút) máy chủ video. Các máy chủ VoD lưu các tệp video, xử lý các luồng video và phân phối các luồng này theo yêu cầu của các hoạt động máy ghi hình VCR trong quá trình xử lý VoD. Nó cũng có nhiệm vụ phân phối các dịch vụ truyền thông như: xem TV trực tuyến, NVoD (Near Video on Demand), TV chuyển theo thời gian và NPVR (Network Personal Video Recording). Khoảng cách của dãy đĩa cũng được chia sẻ giữa các máy chủ VoD trong cùng một cụm VoD. Máy chủ quản lý trong nút trung tâm được gọi là bộ quản lý CDN và máy chủ quản lý trong nút biên gọi là tác nhân CDN. Bộ quản lý CDN phổ biến tất cả các nội dung và kiểm soát cân bằng tải giữa các nút biên. Tác nhân CDN có nhiệm vụ chuyển giao nội dung, quản lý trong một nút biên và cân bằng tải của các máy chủ.

 CDN-VNPT-2

Hình 3. Kiến trúc hệ thống CDN của ZTE

Máy chủ quản lý CDN gồm một bộ quản lý và một tác nhân nhân các yêu cầu VoD từ người sử dụng, sau đó truyền danh mục nội dung và quản lý các máy chủ VoD theo chính sách cân bằng tải. Các chương trình được ghi lại được lưu trong các đĩa cục bộ hoặc ở xa. Trong các mạng viễn thông quy mô lớn, mối quan hệ ràng buộc đối xứng hai chiều có thể được sử dụng để lập bảng nội dung giữa các nút liên quan hoặc được cấu hình cho chế độ làm việc dự phòng/tích cực đối với lập nội dung của toàn bộ mạng.

2. Các công nghệ chính trong mạng phân phối video ZXBIV

Mạng phân phối video VDN (Video Distribution Network) là hệ thống phân phối và quản lý video phân tán được tích hợp trong mạng dữ liệu. Dựa trên kiến trúc biên trung tâm (central-edge), có thể đưa nội dung video đến các nút biên trong khi sử dụng các công nghệ chuyển hướng ứng dụng và cân bằng tải toàn bộ để bảo đảm người sử dụng cuối có thể xem chương trình đã yêu cầu mà không có trễ.

2.1. Các phương pháp phân phối video

Hệ thống CDN ZXBIV tối đa hóa hiệu quả mạng trong việc chuyển giao nội dung qua ba kỹ thuật chính gồm đẩy (push), kéo (pull) và phản ánh (mirror). Push nghĩa là hệ thống có thể đẩy chương trình từ một nút tới nút khác theo các quy luật phân phối định sẵn. Quá trình này cũng có thể được thực hiện bằng tay. Pull được chấp nhận khi nút A không thể đáp ứng yêu cầu VoD của một thuê bao nào đó. Nút A sẽ kéo nội dung tương ứng từ nút trung tâm để phục vụ thuê bao.

Mirror cung cấp chức năng phản ánh nội dung và đồng bộ hóa bằng cách thiết lập mối quan hệ phản ánh giữa máy chủ VoD nguồn và máy chủ VoD đích.

2.2. Kỹ thuật lập lịch nội dung

Hệ thống CDN ZXBIV hỗ trợ hai kỹ thuật lập lịch nội dung chương trình cho các nhà khai thác và kỹ thuật lập lịch đối xứng hai chiều giữa các nút CDN. Trong hệ thống lập lịch đối xứng hai chiều, mỗi nhóm máy chủ video có thể đẩy nội dung tới các nhóm máy chủ video khác hoặc ngược lại nhận nội dung từ các nhóm máy chủ video khác. Kỹ thuật đẩy hai chiều giữa các nút CDN và các nút trung tâm đảm bảo sự lưu hành hợp lý của nội dung.

Kỹ thuật lập lịch nhằm vào các nhà khai thác tuân theo những quy tắc sau:

- Chính sách phân phối theo yêu cầu: Những nội dung liên quan được phân bổ theo các nhà khai thác, các ứng dụng và hoàn cảnh mua.

- Chính sách phân bổ theo thời gian: Các kế hoạch định sẵn theo thời gian phân bổ

- Chính sách phân bổ tự động: Tự động thu thập các thống kê liên quan đến nội dung và phân bổ theo tính phổ biến của nội dung.

- Chính sách phân bổ theo phân loại:  Thiết lập những tần số phân bổ khác nhau dựa vào nội dung.

- Chính sách phân bổ phân cấp (Hierarchical): Thiết lập các tấn số phân bổ cho các đối tượng khác nhau theo các phân cấp khác nhau của nội dung.

- Chính sách phân bổ và mua chương trình: Các nhà khai thác có thể mua các chương trình từ nhà cung cấp chương trình người mà có thể xây dựng các chính sách phân bổ theo ký kết mua hàng.

- Chính sách ưu tiên: Các nhà khai thác khác nhau có những ưu tiên về phân bổ khác nhau về nội dung và tần số phân bổ.

2.3. Kỹ thuật cân bằng toàn bộ

Hệ thống CDN ZXBIV với mục tiêu cân bằng tải nhiều mức có thể tự động cấp phát và thực hiện cân bằng tải giữa các nút VoD được phân bổ mà không cần sử dụng chuyển mạch lớp 4, máy chủ DNS và thiết bị của đối tác thứ ba khác. Trong lớp logic, kỹ thuật cân bằng có thể chia thành cân bằng tải toàn bộ và cân bằng tải đặc biệt bên trong các nút CDN. Hai kỹ thuật này bổ sung cho nhau để cung cấp các dịch vụ chất lượng cao khi người sử dụng IPTV. Có một bộ quản lý CDN ở trung tâm CDN và một tác nhân CDN trong mỗi nút CDN biên. Bộ quản lý CDN có thể sắp xếp các dịch vụ linh hoạt  theo lưu lượng trong nút và vị trí thuê bao để cân bằng tải của toàn bộ mạng và đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS. Các quy tắc cấp phát gồm:

- Cấp phát dựa trên quy mô mạng: Thiết bị có thể lựa chọn tác nhân CDN gần nhất để gửi một yêu cầu. Việc lựa chọn có thể là cấp phát tĩnh dựa trên địa chỉ IP của người sử dụng hoặc cấp phát động bằng cách tự động kiểm tra tốc độ kết nối của mạng từ người sử dụng đến tác nhân CDN.

- Cấp phát dựa trên nhóm người sử dụng: Một nhóm người sử dụng có thể được ghép với một tác nhân CDN, các yêu cầu VoD từ nhóm này sẽ được chuyển tới tác nhân CDN tương ứng. Tác nhân CDN có thể cấu hình linh động các quy tắc xử lý ưu tiên khác nhau đối với các yêu cầu VoD. Các yêu cầu mà không được xử lý sẽ được chuyển hướng tới tác nhân dịch vụ video kế tiếp.

Ưu tiên dịch vụ dựa trên thứ tự: Các yêu cầu VoD được xử lý dựa trên cơ sở ”đến trước, được phục vụ trước”. Ưu tiên dịch vụ dựa trên vị trí: Các yêu cầu từ những người sử dụng nội hạt có mức ưu tiên cao hơn.

2.4. Cân bằng trong cụm máy chủ VoD

Sau khi một yêu cầu VoD được gửi tới một tác nhân CDN, tác nhân sẽ cân bằng tải giữa các máy chủ trong một nhóm máy chủ video. Máy chủ phù hợp nhất được chọn theo vị trí lưu trữ chương trình, lưu lượng luồng video song song, số các luồng song song và việc tiêu dùng tài nguyên máy chủ.

2.5. Công nghệ tiếp sóng và chuyển tiếp

Đối với các ứng dụng xem video trực tiếp, chế độ multicast (điểm – đa điểm) là phương thức hiệu quả nhất để bảo tồn băng thông. Tuy nhiên, nó phải dựa vào tất cả các bộ định tuyến và chuyển mạch lớp 3 trong đường đi trên mạng mà hỗ trợ các giao thức multicast liên quan như giao thức quản lý nhóm Internet IGMP (Internet Group Management Protocol). Multicast hoạt động bằng cách gửi các gói tin UDP (User Datagram Protocol) trong chế độ multicast.

Nếu mất gói xảy ra trong mạng đường trục, gói thu được được gửi lại, làm cho chất lượng phân phối video kém. Để loại bỏ vấn đề này, hệ thống CDN ZXBIV cung cấp các chức năng chuyển tiếp và tiếp sóng trực tiếp kết hợp multicast và unicast (Hình 4), do đó làm giảm tác động đến mạng đường trục và phân phối video chất lượng tốt.

CDN-VNPT-3

Hình 4. Chức năng chuyển tiếp và tiếp sóng

Máy chủ ban đầu gửi luồng thực đến máy chủ CDN của nút trung tâm trong phương thức unicast hoặc multicast. Máy chủ CDN của nút trung tâm sẽ đẩy chương trình tới máy của CDN của mỗi nút biên trong chế độ multicast. Máy chủ CDN của nút biên gửi chương trình đến người sử dụng trong chế độ multicast. Quá trình này làm giảm sự phụ thuộc vào thiết bị mạng và  bảo tồn băng thông cũng như tài nguyên hệ thống.

Khả năng xử lý với hiệu suất cao: Nền tảng của phần cứng máy chủ có nhiều tấm mỏng cho phép máy chủ  VoD trong ZXBIV xử lý đồng thời một số lượng lớn người sử dụng. Một tấm mỏng hỗ trợ một luồng 1Gbit/s. Đối với một nút đơn, có thể bổ sung thêm các máy chủ VoD để mở rộng dung lượng…

Chia sẻ hiệu quả không gian lưu trữ: Đối với các lưu trữ thêm vào, máy chủ VoD của ZXBIV có thể kết nối với một bộ lưu trữ nhờ một kênh quang. Trong cùng cụm VoD, các máy chủ VoD dựa trên blade chia sẻ một dãy đĩa quang nhằm tạo ra khoảng lưu trữ lớn hơn và chi phí lưu trữ thấp hơn. Ngoài ra, phụ thuộc vào các đĩa cứng quang mà được cấu hình cho dãy đĩa quang, khoảng lưu trữ của các máy chủ VoD trong một nút đơn được dễ dàng mở rộng theo yêu cầu.

IV. Kết luận

IPTV là công nghệ truyền dẫn hình ảnh kỹ thuật số tới người sử dụng dựa trên giao thức Internet với kết nối băng rộng. Dịch vụ này thường được cung cấp với điện thoại trên Internet (Voice over IP – VoIP), VoD nên thường được gọi là công nghệ tam giác về truyền tải dữ liệu, hình ảnh, âm thanh. Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong mạng IPTV là mạng phân phối nội dung.Việc lựa chọn giải pháp của nhà cung cấp nào còn tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: giá thành, các loại hình dịch vụ sẽ triển khai, quy mô triển khai dự án…

Tài liệu tham khảo:

[1]. ZTE technology magazine, Vol 9 no 10 – 2007, P5-P9

[2]. http://wwwen.zte.com.cn/main

[3].G. Held, H. Held, A Practical Guide to Content Delivery Networks, CRC Press, 2005.

[4]. Dinesh Verma, Content Distribution Networks: An Engineering Approach, 2002.

[5]. www.cisco.com/go/offices.

[6]. CDN White Paper http://www.cisco.com/warp/public/cc/pd/si/11000/prodlit/cswnd_wi.htm

 (Theo TCBCVT )

CLOSE
CLOSE