新余電視臺網絡流媒體直播系統設計與實施

羅蘊軍

（新余電視臺，江西 新余 338000）

0 引言

隨著互聯網網絡帶寬的不斷提高，計算機性能和視音頻壓縮技術的飛速發展，基于流媒體技術的視頻應用越來越多。互聯網的迅速發展和普及為流媒體業務發展提供了強大的市場動力，流媒體業務正在日益流行。流媒體技術的應用將為網絡信息交流帶來革命性的變化，同時使得電視臺的視頻節目在網絡上直播點播成為可能。

1 網絡流媒體直播系統主要功能及優勢

網絡流媒體直播系統是服務于互聯網/內部網之上的視頻直播應用。系統采用Flash/Media多媒體技術，可很好地滿足廣電、電信等的網絡視音頻直播、網上廣播等應用需要，具有極好的穩定性和安全可靠性，系統性能、結構等多方面均適應未來發展的需要[1]。

直播系統主要功能及優勢：1）對帶寬的適應性高，在窄帶及寬帶網絡環境中均能應用自如。2）支持直播采集的多機備份，對訪問流量實行負載均衡設計，支持大容量用戶并發訪問。3）采用多級線程池、動態IP綁定、同步偵聽等先進技術，服務器端進行實時編碼壓縮，客戶端進行實時解碼、實時播放，充分保證最短的時延。4）多碼流自適應設計，系統可以根據不同用戶實際網絡帶寬情況自動選擇不同碼流播放。5）支持多種格式的多媒體數據，支持多級多種分類方式。6）強大的視音頻文件操作功能，支持針對視音頻節目的文件操作。可在直播同時加入打點標記，將一個直播節目按需要標記分段，更方便以后的回放。7）支持收看權限的管理，可以允許或限制指定客戶端進行節目收看。8）支持開展多點直播、錄播、遠程分發等應用。9）自由的參數設置，可以靈活設置多種直播參數。10）強大的直播管理功能，可以進行系統管理、直播管理、用戶管理、系統狀態監控、視音頻節目管理、網絡管理等。11）支持直播監控功能，可在一臺計算機上遠程監控所有直播頻道的視音頻直播情況。12）擴展性強。系統采用內容分發/負載均衡等技術，支持多節點無限擴展應用，支持無限級聯，全面實現跨廣域網的直播支持。13）支持視音頻流的自動采集壓縮及網絡直播，完全實現無人值守。

2 網絡流媒體直播系統設計原則

網絡流媒體直播系統設計應遵從并考慮以下原則：

1）安全性。數據在網絡上傳輸的安全性非常重要，系統應具備嚴格的管理員分級制度，控制授權用戶的訪問權限和控制權限，防止非法操作。并能有效統計和控制用戶的連接，具備系統報警功能。

2）穩定性。為了避免因大量用戶訪問本地視頻服務器而出現問題，寬帶流媒體系統應采用內容分發系統（CDN）進行流媒體內容分發。用戶直接訪問最近的流媒體服務器子節點觀看直播節目，減輕了中心站點的負載壓力，提高了用戶觀看效果。寬帶流媒體視頻直播系統要具有很高的穩定性，可以達到全天候長時間運行。

3）擴充性。軟件在規劃時必須要考慮具有良好的可擴充性。系統還要支持多服務器組同時工作，并達到負載均衡。隨著用戶訪問量的增加，系統可增加視頻服務器，或者采用內容分發系統來支持更多的用戶連接。

4）可移植性。系統體系結構應采用先進的三層結構系統，具有良好的跨平臺性，可在各種操作系統、Web Server平臺、硬件平臺上進行方便的移植。并應采用SQL對數據層中的數據庫進行管理，使系統可采用多種數據庫系統。

5）易用性。系統應采用Web方式管理控制界面，具備良好的操作性，提供詳細的信息或錯誤提示。終端用戶只須裝載非常普遍的Media Player播放器即可。

3 網絡流媒體直播系統設計

3.1 直播系統工作原理及工作流程

網絡流媒體直播系統的直播就是將現場節目通過視音頻采集卡輸入到工作站，工作站根據預設進行采集、編碼、壓縮，然后以流的方式送到相應服務器，只要能連入本網絡的授權用戶通過Web方式，均可以實時看到直播節目。

系統在工作過程中涉及的輸入包括模擬視音頻信號、直播時間表、節目素材；輸出包括視音頻流、節目文件及信息。系統可以根據具體的應用環境，做到全系統的負載均衡與冗余備份，還可以進行遠程數據分發CDN等功能，并在直播過程中，按需要存儲節目片段，作為以后錄播、點播的視頻節目源。

本系統直播的實現流程如圖1所示。

3.2 系統運行平臺的規劃設計

本系統的運行環境是Web服務器，采用tomcat服務器的形式。開發的語言采用跨平臺的JSP語言。直播系統視音頻服務器采用操作系統Windows 2003。數據庫采用SQL Server 2000數據庫。

系統網絡平臺系統主要包括數據庫系統、網絡系統、服務器系統、數據存儲系統和網絡安全系統等。本系統平臺的建設要求如下：

1）充分考慮系統安全。為確保站點的安全可靠，在服務器前端架設相應防火墻，進行包過濾和入侵檢測，阻止或發現黑客的攻擊。可以考慮追加一個流量記錄服務器，進行被動式的記錄，不發散信息，對外不可見，不容易被攻擊，從而能真實可靠地記錄站點運行狀況。

2）提高網站承載能力。為了提高網絡性能及可靠性，對有可能成為網站瓶頸的防火墻、Web Server和Application Server等，采用負載均衡技術，構成多機群集、負載均衡環境。通過Web Cache設備降低網絡帶寬占用。

3）備份數據庫服務器。對于前期訪問人數較少的情況下，可以只使用單數據庫服務器，待網絡訪問人數較多時，再采用雙熱備份數據庫服務器，并實現數據庫服務的并行處理。

4）較完善的功能管理。站點要提供適合視音頻網上播放的管理、控制手段。系統具有高性能、安全可靠、可擴展及易于管理的特性。重要數據安全尤為重要。

3.3 內容分發及負載均衡考慮

在流媒體系統應用中要充分考慮到負載均衡與內容分發技術的應用，以保證整個系統運行的高效率，最大化地緩解視頻數據對主干線路的壓力。采用層狀結構的內容分發系統（CDN）[2]，要能消除用戶終端與中心服務器之間的網絡帶寬瓶頸，自動找到用戶點播和網絡負載的平衡點，提高中央服務器的整體服務能力，保證用戶享有良好的訪問質量。

3.4 硬件平臺系統配置

根據視音頻工作流程和要實現的功能，系統涉及到的硬件設備有直播管理服務器、資料庫、素材庫、視音頻流服務器、Web服務器、數據庫服務器、采集工作站等。

流媒體服務必須能提供穩定的不間斷應用服務，并且需要提供對大量并發流的支持。視音頻主服務器需要同時支持多用戶同時訪問一路視頻節目，需要具備高質量的視音頻采集、存儲和輸出功能，支持Media的流媒體技術，同時支持至少300戶的并發流，并提供多種帶寬的播放服務。不同流格式的視音頻系統至少分別支持300 Gbyte以上數據的硬盤存儲；硬盤數據存儲要求具有Raid 5安全標準以上的數據存儲容錯功能。相關計算公式為

根據上述公式可以得出，系統只要2臺以上的具有千兆網卡服務器即可達到所需帶寬。在考慮滿足磁盤空間等多種因素，決定采用2塊以上的146 Gbyte硬盤。最終，采用Dell 2850服務器作為系統的媒體服務器硬件平臺，安裝Windows 2003服務器操作系統，內置Media Server系統提供媒體服務，具備雙網卡，一塊網卡用于與用戶端的通信，另一塊負責與中心存儲設備進行數據傳遞，并配置冗余電源及風扇。視音頻采集制作工作站采用美國Viewcast公司的Osprey 210 DV捕捉板卡作為視頻采集卡，該采集卡支持SDI和DV（IEEE 1394）。

4 流媒體直播系統功能

4.1 直播管理

根據具體應用環境，本系統可以做到系統的負載均衡與冗余備份，還可以進行遠程數據分發等功能。還可以進行全天候直播，并在直播的時候，按照時間段將需要存儲的節目片段存儲下來。

4.2 錄播管理

已經錄制好的節目，一是可以作為點播播放，另外一種操作就是類似直播的方式，到一定的日期和時間，將文件播出去。在播出以前，用戶無法看到節目，而播出的時候，也類似于直播，還未播出的部分，用戶無法看到。視頻采集過程中可以設置不同碼流的采集壓縮策略，對于不同用戶的實際網絡帶寬情況，系統可以自動選擇不同的碼流播放。

4.3 內容管理

內容管理包括內容管理和存儲管理，文件和目錄的創建、存儲、修改、刪除，文件和目錄權限設置，節目歸檔及發布，節目發布流程管理，節目供應商信息管理，頻道和多級欄目屬性定制等。

可以對頻道、節目等進行統一管理。頻道管理包括頻道定義（影視類，新聞類，歌曲類，綜合類，直播類，DRM下載類）、頻道風格設計（在同一系統平臺下開展網絡電視、節目點播、多媒體新聞等）；節目管理包括影片信息的維護管理、節目歸檔及發布、節目發布流程管理節目供應商信息管理、頻道和多級欄目的屬性定制等。

4.4 網絡管理

網絡管理系統的結構如圖2所示。

4.5 用戶管理

系統按照兩級用戶管理機制進行設置用戶管理權限，包括管理員和普通用戶。第一級是用戶組，然后將各個用戶歸到一定的組里面。只要是用戶屬于這個組，就有這個權限。權限分為兩類，一類是系統權限，一類是對象權限。系統權限是指本系統的權限，主要是針對管理員的，如網絡管理的權限。對象權限分為訪問權限和編輯權限。

4.6 系統管理

用戶可以對視音頻節目進行多級的分類，也可以將一個視音頻的節目歸到多個類別中。用戶采集視音頻進行直播時，可以使用系統配置文件，也可以建立自定義的配置文件。建立的配置文件信息，同時也允許用戶修改自定義配置文件的某些信息或者刪除自定義的配置文件。系統進行日志保存。

5 流媒體直播擴展功能

5.1 多碼流自適應機制

流媒體運營系統根據用戶需求開發出多碼流自適應功能，對于同一視音頻節目源（實時直播節目源、點播節目源），系統管理員可以設置不同的碼流，用戶在收看直播節目或者點播視頻節目時，系統會根據不同用戶的實際網絡帶寬情況自動選擇適合用戶帶寬的碼流視頻節目播放。視頻直播系統獨有的多碼流自適應功能可以使不同接入環境的用戶在直播、點播視音頻節目時獲得最佳的收看效果。

5.2 內容分發系統

系統采用層狀結構，以多媒體數據中心為主節點，通過網絡，將內容分發到各地的負載分節點，各地用戶通過CDN分節點就近實現對網站的訪問，以獲得最低的網絡延時、達到最佳的瀏覽效果。對于直播節目，系統會根據事先設置的策略，自動將直播節目源分發到各個分節點，用戶訪問時系統會根據各個負載子節點的狀態自動分配到負載較低的服務器上，有效緩解高并發訪問帶來的網絡帶寬瓶頸、流媒體服務器負載壓力等問題。

5.3 系統均衡負載

系統是基于服務器CPU監測、內存監測與Web任務動態監測的動態任務分配，可以準確地將用戶訪問、點播請求均衡到集群服務器中的服務器端，使負載真正能夠均衡，讓服務器集群中的每臺服務器都能發揮最大的效率，提高整體網絡性能，提高自愈性，并確保網站關鍵性應用的可用性。完全基于Web的后臺管理及遠程監控軟件，讓客戶隨時隨地監測與控制的服務器集群狀態，隨時根據網絡流量、負載壓力、突發事件靈活調整服務器集群中各個服務器的負載。

5.4 用戶認證和管理

系統應具有完善的用戶分類和認證機制；系統實現多級別的用戶管理，不同級別的用戶收看相應或更低級別的節目；外部用戶的認證，可以通過后臺管理系統來實現；內部用戶認證，可以直接由內部網絡系統，然后到流媒體服務器上實現視頻節目服務。外部和內部用戶的區分，可以通過IP地址來實現判斷。系統支持二次認證。

5.5 系統的擴容性

系統中視頻服務器為域集群組，當一組視頻服務器無法滿足直播并發數時，可方便添加視頻服務器，在后臺管理軟件進行簡單的設置，即可實現域集群組的擴容。系統采用分布式結構體系，系統管理進行統一管理，可大大減輕骨干網的網絡流量和視頻服務器的負載。

[1]袁曉梅.視頻網絡直播與流媒體的融合[J].電視技術，2003，27（12）：82-84.

[2]宋家友，桑紅濤.CDN技術的發展及應用[J].電視技術，2005，29（6）：75-77.