新視覺高清頻道播出系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 晶

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

上海文廣互動(dòng)電視有限公司（SiTV）是上海東方傳媒集團(tuán)有限公司（SMG）旗下從事數(shù)字電視和業(yè)務(wù)的經(jīng)營實(shí)體，是全國四大有線數(shù)字付費(fèi)頻道集成運(yùn)營平臺(tái)之一、數(shù)字電視頻道運(yùn)營商及多媒體內(nèi)容提供商和服務(wù)商，擁有豐富的內(nèi)容資源，網(wǎng)絡(luò)資源和應(yīng)用資源。作為下一代廣播電視（NGB）的先行者，SiTV積極響應(yīng)國家“三網(wǎng)融合”的總體規(guī)劃，創(chuàng)新商業(yè)模式，提升內(nèi)容品質(zhì)，打造“互動(dòng)”、“高清”品牌。在完善“新視覺”高清體育頻道基礎(chǔ)上，又推出4套“新視覺”系列高清輪播頻道。系統(tǒng)采用了新的架構(gòu)，較之前已開播的高清體育頻道播出系統(tǒng)有較大區(qū)別。本文將從新視覺系列高清輪播頻道播出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)兩方面作概要論述。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高清新視覺輪播頻道播出系統(tǒng)包含了4個(gè)頻道，分別是高清新視覺電影頻道、高清新視覺頻道、高清新視覺紀(jì)實(shí)頻道和高清新視覺娛樂頻道。

播出網(wǎng)絡(luò)主要?jiǎng)澐譃榇鎯?chǔ)系統(tǒng)（包含媒資系統(tǒng)和二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)）、播控系統(tǒng)、節(jié)目素材管理及遷移系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)等四大模塊。播出系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如1所示。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要采用高可靠、多鏈路、高帶寬聚合的千兆以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，支撐系統(tǒng)內(nèi)部視音頻文件的遷移以及節(jié)目管理與控制元數(shù)據(jù)的傳輸。但由于節(jié)目制作及媒資系統(tǒng)與播出設(shè)備不在同一地點(diǎn)，且距離很遠(yuǎn)，因此，業(yè)務(wù)網(wǎng)核心媒資系統(tǒng)與播控系統(tǒng)交換機(jī)之間采用了光纖連接的方式。

核心交換機(jī)采用2臺(tái)Cisco 3560G千兆交換機(jī)分別獨(dú)立作為主機(jī)和備機(jī)使用，不作堆疊處理。以交換機(jī)主機(jī)為例，準(zhǔn)備劃分一個(gè)VLAN，將遷移、播控等核心播出設(shè)備都處于這個(gè)VLAN中。交換機(jī)對(duì)外通過入侵防御系統(tǒng)（IPS）后與SiTV網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)網(wǎng)的交換機(jī)相連。這樣在一定程度上能夠保護(hù)播控系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全，降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴出現(xiàn)的概率。

二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)作為中間緩存，要求能夠保存4個(gè)高清頻道約10天左右的節(jié)目素材量。按照節(jié)目碼流50 Mbit/s計(jì)算，每小時(shí)視頻加音頻的節(jié)目數(shù)據(jù)量約為21.6 Gbyte。每個(gè)頻道每天更新6 h的節(jié)目量，10天的節(jié)目總?cè)萘考s為5.1 Tbyte，考慮到25%的存儲(chǔ)冗余，系統(tǒng)至少需要約6.4 Tbyte的容量。

另外，4個(gè)頻道每天傳輸?shù)墓?jié)目量約為21.6 Gbyte×6×4=518.4 Gbyte，若需滿足每天4 h完成節(jié)目素材遷移，二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)帶寬至少需要約74 Mbit/s。其中考慮到主備路視頻服務(wù)器同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)目量應(yīng)按照2倍計(jì)算。若節(jié)目素材從媒資系統(tǒng)向二級(jí)存儲(chǔ)傳輸也按照4 h遷移完成計(jì)算，則帶寬需要約37 Mbit/s。理論上，播出二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)總/讀寫混合帶寬需滿足111 Mbit/s。

由于采用了嵌入式音頻系統(tǒng)，在進(jìn)行視音頻分離處理時(shí)，降低了因延時(shí)差異而造成的視音頻不同步的情況，具有穩(wěn)定性較高、便于維護(hù)的特點(diǎn)。對(duì)于測(cè)試中出現(xiàn)的嵌入式音頻系統(tǒng)在節(jié)目切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生爆裂聲的問題，通過分析發(fā)現(xiàn)是由于切換時(shí)2路音頻信號(hào)的幅度存在較大的差異引起的，利用矩陣的音頻靜切換技術(shù)，對(duì)2路音頻信號(hào)波形銜接處進(jìn)行整理就能順利解決該問題。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 播出二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)

媒資系統(tǒng)和播控系統(tǒng)中間緩存采用EMC公司的Celerra NS-480統(tǒng)一存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為NAS+SAN結(jié)構(gòu)，用戶所需的數(shù)據(jù)可不通過額外的服務(wù)器直接從存儲(chǔ)設(shè)備給出，提高了響應(yīng)性能（具有NAS的優(yōu)點(diǎn)）。由于其中又包含SAN結(jié)構(gòu)，因此在數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)遷移、災(zāi)難恢復(fù)等方面具有SAN的優(yōu)點(diǎn)[1]。

NS-480存儲(chǔ)系統(tǒng)可集成最多為480個(gè)磁盤。整個(gè)系統(tǒng)分為控制站、X-Blade服務(wù)器、存儲(chǔ)處理器和磁盤陣列存儲(chǔ)模塊等部分。2個(gè)存儲(chǔ)處理器和磁盤陣列模塊之間的連接采用了4 Gbit/s光纖通道和FC-SAN方式，有效提高了存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸性能，保證了數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。

X-Blade服務(wù)器中預(yù)裝有DART操作系統(tǒng)，支持NFSv2，NFSv3，NFSv4，CIFS（SMB1 和 SMB2），F(xiàn)TP，F(xiàn)TP Secure，iSCSI，光纖通道等多種協(xié)議。視頻服務(wù)器和X-Blade服務(wù)器采用千兆以太網(wǎng)交換機(jī)互相連接，通過FTP協(xié)議進(jìn)行文件存取。整個(gè)系統(tǒng)即可作為傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)服務(wù)器使用，通過磁盤映射來共享數(shù)據(jù)。同時(shí)客戶端也可以利用EMC特有的MPFS協(xié)議直接存取磁盤陣列數(shù)據(jù)，以提高設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳輸性能。

另外，由于NS-480使用了帶內(nèi)虛擬化存儲(chǔ)技術(shù)，使得元數(shù)據(jù)管理和控制功能在共享的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通道中完成，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨于簡單，便于維護(hù)。

目前，在該存儲(chǔ)系統(tǒng)中配備了30塊450 Gbyte光纖磁盤和2個(gè)DataMover（NAS機(jī)頭，每個(gè)機(jī)頭有4個(gè)千兆以太網(wǎng)口，1個(gè)ControlStation）分別作為主備使用。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量的峰值達(dá)到60%、平均利用率超過40%、碰撞超過5%時(shí)，網(wǎng)絡(luò)即接近飽和[2]。按照峰值流量60%計(jì)算，4個(gè)千兆以太網(wǎng)口理論上能提供4×1 000 Mbit/s×1/8×60%=300 Mbit/s帶寬，實(shí)際測(cè)試中能達(dá)到175 Mbit/s的穩(wěn)定帶寬。總共30塊450 Gbyte磁盤，放在2個(gè)磁盤柜（DAE）中，每個(gè)DAE中15塊磁盤，做Raid 5（4+1）和Raid 5（8+1）混合Raid。如圖2所示，HS為熱備盤，總共配置1塊熱備盤。

所有容量在clar_r5_performance和clar_r5_enonomy這2個(gè)存儲(chǔ)池中，clar_r5_performance存儲(chǔ)池容量大約為6.2 Tbyte，clar_r5_enonomy存儲(chǔ)池容量大約為3.1 Tbyte。在這里使用了虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，大量的物理磁盤被虛擬成完全不同的邏輯鏡像呈現(xiàn)給服務(wù)器主機(jī)，并利用虛擬存儲(chǔ)卷劃分的方式為服務(wù)器主機(jī)系統(tǒng)建立一個(gè)統(tǒng)一的7 Tbyte邏輯存儲(chǔ)空間。這樣做的好處是服務(wù)器主機(jī)在訪問存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)只集中在幾塊磁盤上，可以有效地提高整個(gè)存儲(chǔ)空間的利用率，提高磁盤整列的讀寫性能。

文件系統(tǒng)情況如表1所示。

表1 文件系統(tǒng)情況

當(dāng)二級(jí)庫存儲(chǔ)系統(tǒng)故障無法啟用時(shí)，可以通過人工的方式改變軟件遷移策略，將遷移路徑直接指向媒資系統(tǒng)，用以防止傳輸鏈路的中斷造成的節(jié)目素材無法到位的情況。

2.2 播控系統(tǒng)

播控系統(tǒng)主要包括了Harris公司的板卡式鍵控器，2臺(tái)Omneon公司的MediaDeck視頻服務(wù)器和evertz Xenon XE4-32×32矩陣。

圖3為4個(gè)高清頻道的播控鏈路框圖。

單臺(tái)MediaDeck視頻服務(wù)器存儲(chǔ)模塊內(nèi)置8塊SATA 500 Gbyte硬盤，采用Raid 6方式，有2塊校驗(yàn)盤，允許同時(shí)2塊硬盤損壞而不影響工作，總存儲(chǔ)容量高達(dá)3 Tbyte，至少可以保存3天的節(jié)目素材。機(jī)內(nèi)配置雙電源、雙風(fēng)扇，支持熱插撥。另外，系統(tǒng)內(nèi)置2塊MDM-5501板卡，每塊板卡支持2路高清或標(biāo)清頻道，同時(shí)也支持標(biāo)清和高清信號(hào)的上下變換。2個(gè)千兆以太網(wǎng)端口，支持FTP、SAMBA和AFP協(xié)議，對(duì)外總共可提供約87 Mbit/s的FTP傳輸帶寬。

目前，由于播控系統(tǒng)采用了音頻嵌入方式傳送視音頻數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加趨于簡單。鍵控器替代了原來臺(tái)標(biāo)機(jī)的功能，所選用的鍵控器為Harris的板卡式DSK39系列。每塊DSK由1塊DSK3901和1塊MGI3903組成，共占用2個(gè)插槽。DSK3901控制上下鍵，MGI3903管理內(nèi)鍵的臺(tái)標(biāo)文件。DSK支持2路外鍵通道和4路內(nèi)鍵通道，能通過422控制口受控于播控軟件。

2.3 節(jié)目素材管理及遷移系統(tǒng)

系統(tǒng)包含3臺(tái)遷移服務(wù)器、1臺(tái)遷移策略服務(wù)器、1臺(tái)節(jié)目單接口服務(wù)器和1臺(tái)編單工作站。

首先，包含節(jié)目元數(shù)據(jù)信息的XML文件會(huì)發(fā)送至Web服務(wù)器（節(jié)目單接口服務(wù)器），然后編單工作站會(huì)將XML文件轉(zhuǎn)換成播控軟件可以識(shí)別的格式并自動(dòng)加載至播控軟件中，遷移策略服務(wù)器會(huì)提前3天將二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)中待播的節(jié)目素材通過遷移服務(wù)器加載至視頻服務(wù)器中。

視頻服務(wù)器、播出二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)和遷移服務(wù)器通過千兆交換機(jī)連接，節(jié)目素材通過鏡像軟件先完成從媒資系統(tǒng)向播出二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的自動(dòng)拷貝，然后通過遷移調(diào)度服務(wù)器，以FTP服務(wù)到服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)從二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)到視頻服務(wù)器的遷移。

圖4為素材遷移系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖。

基于FTP協(xié)議的素材遷移服務(wù)器解決了目前上載工作站進(jìn)行單方向的素材遷移的弊端，在很大程度上提高了工作效率[2]。同時(shí)這種方式也能有效降低視頻服務(wù)器CPU的負(fù)載，使其運(yùn)行更加穩(wěn)定。

每臺(tái)遷移服務(wù)器都安裝有遷移任務(wù)處理（Actor）軟件，由遷移任務(wù)管理軟件（Manager）統(tǒng)一管理。當(dāng)策略服務(wù)器發(fā)出遷移指令后，Manager會(huì)檢測(cè)每臺(tái)遷移服務(wù)器的當(dāng)前負(fù)載情況，之后將新的遷移任務(wù)平均分配給各個(gè)Actor進(jìn)行處理。

另外，遷移策略服務(wù)器會(huì)在每天下午提交刪除素材拷貝任務(wù)，刪除視頻服務(wù)器中沒有在未來3天的節(jié)目單中的素材，刪除素材拷貝任務(wù)由遷移服務(wù)器來完成。

當(dāng)遷移策略服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，節(jié)目素材將無法遷移至視頻服務(wù)器中，此時(shí)需要立即重啟該服務(wù)器，啟動(dòng)遷移策略管理軟件、策略服務(wù)和串口校時(shí)軟件，恢復(fù)節(jié)目素材的遷移。

2.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

高清播出系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為1臺(tái)IBM P6 550小型機(jī)。系統(tǒng)安裝了IBM的AIX 6操作系統(tǒng)，內(nèi)置DB2關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。通過DB2數(shù)據(jù)庫，可以方便地存儲(chǔ)和管理二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)中數(shù)字化播出內(nèi)容的元數(shù)據(jù)和管理信息，以便與播控軟件實(shí)現(xiàn)無縫連接。

另外，為IBM P6 550外接1臺(tái)IBM DS4800光纖磁盤陣列作為播控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，配置8塊300 Gbyte硬盤，其中7塊做Raid 5，1塊做HS熱備盤。

2.5 網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)由1臺(tái)IPS管理機(jī)和1臺(tái)TippingPoint IPS 2400E服務(wù)器組成。TP 2400E能夠應(yīng)用于吞吐量為2 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，并且延遲小于84 μm，支持200萬以上的并發(fā)連接數(shù)，100萬以上的每秒新建連接。它可以有效阻止針對(duì)系統(tǒng)漏洞的攻擊，屏蔽蠕蟲、病毒和間諜軟件，防御DOS及DDOS攻擊，阻斷或限制P2P應(yīng)用，達(dá)到保護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和系統(tǒng)性能的目的。

目前，高清播出網(wǎng)絡(luò)與外部接口分為媒資系統(tǒng)和二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)、Cisco 3560G交換機(jī)的gi0/43端口與媒資系統(tǒng)連接，gi0/45端口與二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)互連。在IPS端口上配置了ACL控制和TP提供的默認(rèn)防攻擊安全策略，并且在默認(rèn)策略基礎(chǔ)上把所有危害程度為Critical的攻擊全部設(shè)置為Block操作。

由于IPS是串聯(lián)接入網(wǎng)絡(luò)，并且實(shí)行一種失效即阻斷機(jī)制，所以一旦IPS設(shè)備出現(xiàn)故障，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)中斷[3]。因此，當(dāng)IPS服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，可以跳過IPS設(shè)備，把媒資系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和播控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)直連，同時(shí)把二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也和播控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)直連，保證系統(tǒng)鏈路的通暢。

3 小結(jié)

隨著統(tǒng)一存儲(chǔ)設(shè)備在播出系統(tǒng)中應(yīng)用，將二級(jí)緩存集中化，在充分滿足帶寬需求的情況下，多個(gè)頻道文件可以同時(shí)寫入，服務(wù)器也可以從集中的緩存往外讀取數(shù)據(jù)。通過集中存儲(chǔ)和管理，播出系統(tǒng)的可靠性和性能也能得到很大提高。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸方式的多樣性也給未來系統(tǒng)擴(kuò)容提供了更多選擇。Omneon視頻服務(wù)器也以其穩(wěn)定的性能、眾多可選擇的擴(kuò)展模塊使播出系統(tǒng)的建設(shè)變得簡單。另外，整個(gè)系統(tǒng)的安全性也在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初即納入考慮范圍，主動(dòng)入侵防御系統(tǒng)的采用使核心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全等級(jí)有了極大的提升。目前，新增加的4套高清輪播頻道已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了2年，給廣大觀眾帶來了穩(wěn)定的播出質(zhì)量和美妙的視覺享受。

[1]鄭彥，李新.用SAN技術(shù)構(gòu)建電視臺(tái)制播存網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[J].電視技術(shù)，2002，26（12）：27-29.

[2]張穎.試探以太網(wǎng)的阻塞與解決方案[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（6）：20-21.

[3]王凡.融合型IDS/IPS將成入侵防護(hù)系統(tǒng)主導(dǎo)[J].通信世界，2011（42）：31.