制作系統應用虛擬化技術的探討

李 竑

（臺州廣播電視總臺 科技事業中心，浙江 臺州 318001）

目前，云計算技術已經以不可阻擋之勢推進到各個行業，如各行業的信息系統建設和管理，以及為普通百姓的日常生活所需提供的信息服務，廣電行業也不例外。毫無疑問，云計算對廣電全臺網系統的計算資源、存儲資源和網絡資源等進行有效整合，對全臺信息系統的提升效率、降低成本等需求有一定的幫助[1-4]，比如云計算中的虛擬化技術對制作系統的計算、存儲資源進行池化值得探討。

所謂虛擬化，在計算機方面通常是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率。

通過虛擬化技術可實現軟件應用與底層硬件相隔離，它包括將單個資源劃分成多個虛擬資源的裂分模式，也包括將多個資源整合成一個虛擬資源的聚合模式。虛擬化技術根據對象可分成存儲虛擬化、計算虛擬化、網絡虛擬化等，計算虛擬化又分為系統級虛擬化、應用級虛擬化和桌面虛擬化。

利用虛擬化技術，可以構建不同的資源池，包括計算資源池、存儲資源池、網絡資源池、應用資源池等，并動態地將資源池中的資源分配給各業務系統，形成彈性的IT架構。另外，虛擬化技術使得硬件資源對用戶變得透明，從而使用戶有更多的精力專注于業務生產。

如上所述，虛擬化主要是對IT基礎設施進行簡化。它可以簡化資源管理平臺以及對資源的訪問，因此可以利用虛擬化技術解決廣電制作系統現存的一些問題，從而提高生產效率，降低成本。

1 廣電節目制作系統需要解決的問題

自數字化、網絡化技術普及至今，電視臺業務流程，特別是在節目生產制作領域引入了越來越多先進的IT技術，比如非線性制作設備代替了線性對編設備，網絡化制作代替了單機編輯。由于非線性編輯設備的出現相比線性對編在制作能力上有巨大提升，而非線性制作網絡通過多臺非編站點共享資源，以多人多機協同工作的方式，從流程上提高了工作效率。這種變革給節目生產能力的提升帶來了巨大的動力，使得電視臺比傳統方式能夠低投入、高效率的方式制作出高質量的節目。

由于電視臺業務的增加，節目制作網絡的系統規模就會不斷擴大，在這過程中就逐漸暴露出一些問題，主要有如下幾點：

1）系統龐大，管理復雜，硬件資源浪費嚴重。

隨著業務規模的不斷擴大和信息化進程的不斷深入，信息化應用和服務器、工作站的數目不斷上升。由于前期建設中缺乏系統的規劃，機房中安裝了不同時期采購的不同系統的設備。而不同系統都有各自不同的軟硬件組成，狀況復雜，很難實現統一自動化管理。技術人員管理、維護的工作量非常大，硬件維護需要數天或數周的變更管理準備和數小時的維護時間。同時大多數服務器的平均負載都在5%～20%之間，物理服務器、工作站的硬件資源大量閑置。

2）資源利用缺乏彈性，無法靈活滿足業務需求。

基于現有架構建設的系統，其規模無法快速擴展與改變。目前在設計全臺網架構時面臨系統規模難以準確測算的問題，以新聞制播系統為例，如果按照滿足日常新聞制播業務的標準來設計，一旦有大型活動報道需求或突發事件直播任務，系統資源就會明顯不足，此時即使全新的系統也很難快速派上用處，同時大型活動完成之后系統有可能面臨浪費的風險。廣電業務網中一些核心系統都是雙機備份，甚至三機備份，但是依然存在設備宕機后維護時間長、業務中斷的問題。另外，系統的計算、存儲、網絡資源在不同的業務系統間分配不均衡，一些繁忙的業務分配不到足夠的資源，進而導致效率低下，而另一些業務系統可能又存在大量的閑置資源卻不能充分利用。

3）系統多而重復，運行成本高。

由于服務器和工作站的獨占性，不同業務系統間又難以共享設備，無形中拉高了全臺系統的重復建設成本；另外，設備更新淘汰周期短，每3～5年更換一次，帶來了高昂的維護和遷移成本；數據中心空間、機柜、網線、耗電量、空調和人力等都提高了全臺業務系統的運行成本。

4）應用系統軟硬件兼容性以及新業務的開展。

系統遷移到新的硬件平臺以及應用遷移到新的系統都存在一些兼容問題，特別是已經使用很長時間的應用很難或者是無法遷移到新的服務器系統平臺上。另外，隨著三網融合的推進以及新媒體技術的不斷發展，傳統的廣電服務模式已經不能適應時代發展的需求。廣電的運營模式必須進行調整，帶來的最大改變就是新業務的不斷上線。每開展一個新的業務模式，必將帶來新系統的部署、配置和運維，如果按照以前的系統建設方式，時間周期較長，無法使新業務得到快速靈活的開展，不利于廣電的長遠發展。

總而言之，目前廣電的全臺業務系統都是業務綁定系統、系統綁定設備，使得資源使用不均衡、各運行環節效率不高、運行成本高的問題比較突出，所以筆者認為業務與設備高度耦合是問題的癥結所在。

如果能夠運用虛擬化技術，將業務與所需的計算資源剝離，使整個網絡中的運算資源按需分配到每臺終端設備上，既能解決局部運算能力不足的問題，又能有效避免運算資源的浪費，還能夠有效支持系統更新和擴張，解決現有系統存在的一些別的問題。

2 制作系統的虛擬化解決方式

通過虛擬化技術將計算機的硬件處理能力抽象為標準化的邏輯處理能力，形成計算池，再將不同類型的處理任務分配到計算池中相應的虛擬機上，這樣就實現了計算機運算處理能力的動態分配，對于負載較高的任務增加邏輯處理單元，對于負載較少的任務減少邏輯處理單元，從而提高了系統處理資源的平均利用率，達到了減少系統建設成本、降低能耗的目的。因此，如果能將虛擬化技術利用到廣電節目制作系統中，將能夠大量消除廣電現有制作系統的各種弊端。

2.1 非編工作站的虛擬化

傳統非編工作站的編輯、渲染功能是緊密耦合在一起的。對非線性編輯工作站進行虛擬化，就是將非編工作站資源劃分為虛擬機，再利用低端配置的客戶端，以遠程桌面的方式進行操作。要達到這個目的，需要把系統的編輯、渲染功能拆分，分配給前端工作站和運算渲染服務器群集，在這兩者之間設立任務、資源調度服務器，前端工作站是用戶進行編輯操作的節點，負責人機交互界面的展現和響應，由于不進行高負荷的畫面渲染處理，前端工作站的硬件可以低配。任務、資源調度服務器接收前端工作站發出的任務請求，并根據運算渲染服務器群集當前渲染進程和運行情況進行判斷，然后分配渲染任務并調用足夠的后臺處理資源來響應前端的編輯請求。運算渲染服務器群集是整個編輯功能結構的核心，負責完成編解碼、濾鏡特效、字幕特技、通道疊加等一切與渲染計算有關的工作。運算渲染服務器既可多臺并行完成多個渲染任務（多對多），也可單臺承接多個渲染任務（單對多），還可以多臺渲染服務器共同完成一個復雜的渲染任務（多對單）。最后在運算渲染服務器完成渲染任務后把合成結果以流的方式回顯給前端工作站。上述方式將非線性編輯的功能進行了重新分解和整合，虛擬機實現編輯的功能，渲染的任務交給渲染服務器群集來做。這樣做主要是因為：

1）虛擬化技術目前還難以充分利用GPU資源，而非線性編輯處理需要GPU資源的充分支持；

2）對于非線性編輯應用來說，一個故事板既有簡單片段又有非常復雜的片段，因此要求渲染資源必須在短時間內根據渲染需求隨時分配計算資源。而虛擬機資源設定好并啟動后難以動態調整；

3）虛擬機無法在客戶端配備視音頻采集板卡，所以不能完成非線性節目編輯信號的采集和監看，而且通過遠程桌面回傳的壓縮視頻畫面回顯質量不高；

4）無法集中多臺虛擬機的運算能力來完成某個復雜的渲染任務，而這是希望在非編虛擬化編輯環境中得到加強的重要系統功能之一。

當前，群集式的渲染農場（Render Farm）為實現成熟有效的三維合成商業化解決方案提供了基礎。它主要是通過利用多臺設備形成群集效應，達到提高整個網絡的計算能力的目的。如果把群集渲染功能整合到系統中，就可以滿足非編網系統的渲染需求。

但是群集渲染系統是一個離線渲染合成系統，即編輯制作端先要生成渲染任務，由集群渲染系統完成渲染生成視頻，再到編輯制作站點播放，這并不能直接支持在線編輯。為了實現非線性編輯運算渲染資源的動態分配與靈活調度，可以通過設置一個實時的群集化視音頻渲染引擎來解決這個問題。這樣就可以形成前端編輯加后端渲染的結構，前端人機交互界面可以實現對后端渲染引擎提供的處理能力之間的動態調用，這既能實現多臺制作終端共享一臺渲染服務器，也能讓一臺制作終端利用多臺渲染服務器的資源，還可以實現制作終端與渲染服務器之間多對多的動態匹配。編輯、渲染虛擬化結構如圖1所示。

圖1 編輯、渲染虛擬化示意圖

上述虛擬化方式直接調用渲染服務器的CPU、GPU、內存資源，并可以實時回傳視頻數據，這就可以解決使用虛擬機產生的一些問題：

1）避免了渲染任務調度過程中造成資源浪費；

2）可以讓所有的渲染服務器被所有的客戶端共享，調度服務器根據渲染服務器的當前任務量分配渲染任務，可以使各渲染服務器盡量達到負載均衡；

3）配置監控靈活，可隨時添加渲染服務器，任務調度服務器可實時監測渲染服務器數目的增減，及時調用空閑的計算資源。

相比傳統集群渲染軟件不同的是，這種編輯與渲染分離的新結構能夠支持實時的畫面回顯，渲染結果可以直接逐幀傳回遠程操作界面，無須等待，讓編輯人員操作時與使用傳統非編有相同的體驗，這種實時調度的操作模式使得所有前端工作站都能享受到渲染服務器群集的運算資源，并且大大提高了操作效率。渲染服務器處理的也不只是最終的渲染任務，更多的是反饋前端編輯的每一步操作，比如實時通道運算、視頻特技等，使操作結果像傳統非編一樣可以實時體現。

對于錄出、采集等有卡應用，仍然采用物理主機進行部署，同時通過系統進行統一管理。

由于當前全媒體業務發展比較迅速，經常需要擴充生產制作能力，因此虛擬化制作系統易于擴展的特點更體現出其優點，可以通過增加前端終端，實現制作能力的低成本擴張，而當后臺運算渲染能力需要增加時，直接將新的渲染服務器并入群集中，就可以立即為前端提供服務，整個擴容過程簡單方便，無須停機。

2.2 服務器和存儲的虛擬化

利用虛擬化技術可以把以前為實現某個系統功能單一配置堆疊出來的服務器資源及存儲資源進行池化，按照功能細分后提取和使用。池化后的資源（例如CPU、內存、存儲和網絡）均可以靈活調配，例如當發現虛擬機的CPU及內存使用飽和后，工作人員可以為虛擬機分配更多的CPU及內存，系統管理更加便捷。同時，利用虛擬化技術的高級特性，例如動態遷移、高可用及負載均衡等，可以徹底改變傳統制作網絡系統的面貌，為新一代的制作網絡系統提供靈活的動態信息服務基礎架構。

建設動態信息服務的基礎是服務器虛擬化技術，該技術通過Hypervisor（虛擬化中間層）工具，將主機硬件資源在邏輯上分割成若干個分區，通過在每個分區內運行虛擬機（參見圖2）來實現不同業務邏輯在同一主機平臺上的整合。同時，虛擬機以文件的形式存儲于制作網絡系統存儲體內，由虛擬化管理平臺根據負載均衡策略決定該虛擬機在哪臺服務器上啟動。

圖2 虛擬化基礎平臺示意圖

經過Hypervisor（虛擬化中間層）工具實現業務軟件和硬件設備的分離，制作網絡業務應用（例如域控、數據庫、san文件管理、文稿系統、Web應用、轉碼、數據遷移、任務調度、自動技審、防病毒、監控管理、系統接口等）就可以配置到指定的虛擬機上，虛擬機文件被存到網絡存儲上，并可以靈活配置到指定的服務器上，這就實現了業務的靈活規劃和彈性部署。同時，計算資源可以從應用需求出發來可控分配，在一臺物理服務器上可以同時運行多個服務器應用，并實現業務隔離，避免相互干擾，服務器通過虛擬化整合使得整個制作系統的硬件資源得到了更充分的利用。還有個好處就是由于實現了業務應用和硬件的松散耦合，舊業務系統軟件無須做任何變動就可以在新硬件平臺上啟動運行，輕松實現舊系統硬件的無憂升級。

另外，虛擬化技術中的動態遷移、高可用以及負載均衡等高級特性，可以使信息系統變得更加靈活且富有彈性。動態遷移功能可以在系統服務不間斷的情況下，實現應用業務在不同服務器上的遷移，在網絡管理員需要對某個服務器進行斷電維護時，可以利用動態遷移功能將業務系統移動到其他主機上運行，當維護結束后，再將業務系統遷移到維護好的服務器上，在這一過程中，制作系統的運行基本不受影響，具體如圖3所示。

圖3 操作系統動態遷移示意圖

采用高可用功能之后，在服務器出現宕機的情況下，已宕機服務器上的虛擬機可以立即自動在其他負載較低的服務器上啟動，實現應用服務的自動恢復。當宕機服務器被維修完成后，只要把運行相關應用服務的虛擬機遷回原主機上即可，不必再次部署業務應用。

由于高可用技術在底層就被統一起來了，即使制作系統內運行了多種需要高可用功能來保障的應用服務，只需要利用虛擬化技術的高可用解決方案就可解決所有需求，這樣一來整個制作系統的管理復雜度就大大降低了。

由于不同存儲廠商的技術實現不盡相同，使用不同廠商的存儲資源需要采用不同的管理界面。這樣帶來的問題是無法采用統一的界面來讓服務器使用不同廠商的存儲設備，數據在不同的存儲設備之間的遷移也會造成業務中斷。

為了解決上述問題，也為了實現動態信息服務基礎架構，可以為制作系統集成一個SAN存儲池。利用存儲虛擬化設備來使多個SAN存儲虛擬成一個存儲池并分成若干個存儲區域，所有虛擬機和非編網系統數據全部放在該存儲池內不同的區域中。這樣做的好處是將系統中不同品牌的存儲子系統整合成一個集中管理的存儲平臺（它可跨多個存儲子系統），并可以按需要建立一個或多個不同大小的虛卷，并將這些虛卷按一定的讀寫授權分配給系統中的各種應用服務器。這樣就達到了充分利用存儲容量、集中管理存儲、降低存儲成本的目的。這個存儲池就是虛擬化系統利用它來實現動態遷移、高可用以及負載均衡等高級功能的基礎。

整個制作系統的虛擬化架構如圖4所示。

業務應用系統安裝在虛擬機上，根據服務器資源配置、運行狀況分配它們在指定位置運行，并隨時進行可控的管理。這取決于虛擬化技術的負載均衡策略，可以給虛擬機均衡分配可用和充足的服務器資源供其運行，以提高服務器資源的利用率。同時，還可以設置高優先級策略，當個別虛擬機需要更多資源時，同一服務器平臺上的其他虛擬機會根據策略自動調整運行位置，為高優先級虛擬機提供更多的資源。另外，利用高可用功能保證系統重要業務應用在一個較高的安全級別中運行。這樣就能達到通過虛擬化技術整合制作系統，實現在虛擬化環境下電視節目制作業務高效運營的目的。

3 結束語

虛擬化建設的總體目標是：通過虛擬化軟件，將硬件資源共享成資源池，按需分配資源，動態調度資源，以合理利用冗余的硬件資源，節省硬件設備的采購數量，保障應用運行的穩定性和數據的安全性。

通過建設一套成熟、完善、高效的虛擬化管理的制作系統，對現有服務器、存儲、非編工作站資源進行整合和合理規劃，大致可實現以下目標：

1）整合制作系統的基礎應用、服務設備并使之虛擬化，改善基礎設施的管理方式，極大降低管理工作量，提高運營效率；

2）降低單點故障，增強了數據安全性和災難恢復能力，提高服務保障水平；

3）降低各項應用系統管理復雜性，減少系統安全漏洞，縮短宕機時間；

4）緩解因各種資源利用率不高而導致的整體資源緊張問題；

5）系統整體成本節省，包括系統建設、管理（機房空間、空調、電力、人員）、運維成本等。

如上所述，應用虛擬化技術可以提高制作系統效率，大幅度簡化制作系統管理的復雜性，減少重復建設，提高了整體系統的可用性和擴展性，同時還明顯減少了投資成本，所以具有很好的技術領先性和性價比，對提升廣電競爭力具有實際意義，值得推廣。

[1] 張躍.乘“虛”而入贏在云端——打造動態信息基礎架構[J].現代電視技術，2012（10）：127-130.

[2] 王杰中.基于云架構全臺資源整合的探討[J].現代電視技術，2011（7）：20-25.

[3] 毛燁，王琪江.“云計算”在廣電行業的應用淺析[J].廣播與電視技術，2011（7）：54-57.

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