虛擬化在廣電監測業務的應用研究

董亮+林旭棟+盧南瓊

摘 要： 針對廣電監測中心在三網融合的大背景下，從闡述虛擬化基本架構和原理入手，通過分析未經虛擬化升級改造的監測系統運行中所碰到的多個問題，研究借助高可用的云計算技術開展廣電監測系統平臺的升級改造和優化。在保證原有監測業務不受影響的前提下，提升系統運行穩定性及整體效率，節能降耗。對未來廣播電視監測業務與云計算技術的融合進行了展望。

關鍵詞： 云計算； 廣電監測； 虛擬化； 高可用

中圖分類號：G229.27 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）08-35-04

Abstract： Based on the background of integration of three networks in broadcasting and television monitoring center， starting with the basic architecture and principles of virtualization， this paper analyzes the problems encountered in the operation of the monitoring system without virtualization， and studies the upgrading and optimizing of the broadcasting and television monitoring system platform with high availability cloud computing technology， on the premise that the original monitoring business is not affected， to improve the operation stability and overall efficiency of the system， as well as energy saving. And the integration of future broadcasting and television monitoring business and cloud computing is prospected.

Key words： cloud computing； broadcasting and television monitoring； virtualization； high availability

0 引言

當前非常熱門的虛擬化技術其實已經有數十年發展的歷史。個人用戶端主流虛擬機產品主要包含VMware的Workstation、微軟的Virtual PC、Oracle的VirtualBox等等。這類虛擬機的主要特征是，在擁有可以實現虛擬化的硬件基礎上，需要先安裝主機操作系統（Windows或Linux），即“宿主機”，之后在宿主機上安裝虛擬機軟件，再在虛擬機軟件中創建 “虛擬操作系統”。這種虛擬化結構一般被稱為“寄居架構”[1]，虛擬機軟件無法獨立運行，需要存在于宿主機底層操作系統之上，虛擬操作系統運行時，將運算指令提交給虛擬機軟件，再由虛擬機軟件提交給宿主機底層操作系統控制計算機硬件執行，并將結果沿運算請求提交路徑逆向返回給虛擬操作系統。如圖1所示。

寄居架構的優點是硬件兼容性好，這類架構對硬件的要求也較低。寄居架構的缺點也很明顯。首先，當宿主操作系統出現問題時，一個虛擬軟件上的多個虛擬操作系統將同時無法使用。其次，虛擬操作系統的運行效率較低，無法用于高負荷的生產環境。所以這種虛擬架構也僅適用于個人用戶，無法滿足企業用戶的需求[2]。

而企業級的虛擬化平臺主要采用原生架構，又被稱為“裸金屬架構”[1]，這類架構與寄居架構最大的區別在于它并不需要傳統意義上的宿主機底層操作系統，繼而以一種被稱為“Hypervisor”的虛擬機管理程序的形式接管物理硬件所能提供的所有運算、存儲、網絡等資源，并在Hypervisor之上直接承載各個虛擬操作系統，如圖2所示。

這類架構的最大優點即是虛擬操作系統跟貼近底層硬件資源，由于原生架構減少了宿主操作系統這一中間環節，極大程度地避免了運算指令多次傳遞所造成的性能損耗，也最大程度地使虛擬操作系統獲得最多的系統運行資源。又因為Hypervisor僅負責和上層的虛擬操作系統溝通及對下層的硬件資源進行協調，故運行穩定性極高[4]。

1 廣電監測平臺虛擬化應用研究

筆者工作的單位主要是從事傳統廣播電視播出質量及安全播出監測的業務，對本市各廣播電視播出機構所播出的節目按相關要求進行實時監看及一段時間的節目收錄保存，擁有獨立的監測平臺，主要由監測前端（Front-end）、轉碼服務器（TransCoder）、收錄服務器（Record）、異態識別服務器、B/S服務器、網絡交換機、客戶端（Client）等設備構成，系統結構如圖3所示，各監測前端將各種類型的廣播電視節目信號通過TS over IP方式將組播發送至平臺專網內。隨著近年來廣播電視向數字化、高清化快速發展，監測平臺也面臨著一系列突出的問題。

1.1 系統負荷與資源占用

監測平臺各功能模塊對服務器各類硬件資源的消耗存在較大差異，舉例來說，視頻轉碼模塊對CPU運算能力的依靠較大，而對內存、硬盤讀寫速度的需求并不高；收錄模塊的內存占用及網絡傳輸的占用較大，對CPU的消耗較小。

以目前筆者工作單位的實際情況為例，使用需求為實現100套視音頻流的轉碼收錄功能，單臺服務器配置為CPU主頻2.4GHz、16GB內存，該硬件配置穩定（CPU負載70%左右）運行條件下，可以轉碼12套節目或收錄40套節目，在傳統模式下則需要：

⑴ 轉碼服務器數量為9臺，單機CPU負載70%，內存消耗4GB；

⑵ 收錄服務器數量為3臺，單機CPU負載5%，內存消耗8GB～10GB。

則服務器需求總數為12臺。

單臺轉碼服務器浪費內存資源12GB，單臺收錄服務器浪費65%的CPU資源。由此可知，部署的服務器數量越多，資源浪費越大。

如改成虛擬服務器的模式，單臺虛擬轉碼服務器只部署轉碼10套節目，消耗宿主機CPU資源60%左右，單臺虛擬收錄服務器只部署轉碼30套節目，仍以實現100套視音頻流的轉碼收錄功能為例，則：

⑴ 轉碼虛擬服務器數量為10臺，消耗宿主機CPU資源60%，消耗宿主機內存4GB；

⑵ 收錄虛擬服務器數量為4臺，消耗宿主機CPU資源5%，消耗宿主機內存8GB～10GB。

由于收錄虛擬服務器與轉碼虛擬服務器共用一臺宿主機，則虛擬化模式下服務器需求總數仍為10臺，其中宿主機第1臺至第4臺宿主機同時部署轉碼與收錄，單臺宿主機CPU負載在65%～70%之間，內存消耗12GB～16GB，宿主機資源得以充分利用，后期如果新增收錄虛擬服務器，可繼續使用第5臺至第10臺宿主機部署，并不會有新增物理服務器的需要，系統資源也得以充分利用，避免資源浪費的產生。

1.2 系統部署效率

在監測平臺中，除B/S服務器只需要1臺以外，其他的轉碼、收錄、異態識別服務器都是相同的安裝方式，部署人員首先需要安裝操作系統（Windows或Linux），隨后依次安裝運行庫及功能模塊，費時費力且容易出錯，而部署虛擬服務器則方便很多，只需安裝一臺樣板機，安裝妥當后導出形成模板，后續部署同類型的虛擬服務器時，只需要導入相應模板即可完成，如圖4所示，并且能實現多機同時部署，導出的模板妥善保存也能一定程度實現“冷備”的功能，隨著時間的積累，形成模板庫將對整個監測系統的運維提供極大的便利。

1.3 機房空間及設備接口數量

整個監測平臺需根據各個播出機構的播出內容不斷增減作相應調整，特別是需要應對批量新增監測頻道的情況。傳統模式下，機房機柜空間原本緊缺、網絡接口不足，服務器、交換機的新增和管理都是“舉步維艱”。虛擬化對網絡方面的簡化起著至關重要的作用，每一臺宿主機的每一個物理網口都可視作一臺小型的不限端口數量的交換機，不同的物理網口可連接至不同的業務網絡中，如圖5所示。而在虛擬機的部署過程中，只需簡單地在虛擬機的虛擬網卡配置界面中做好相應設置，即可將該虛擬機聯入相應業務網段，方便快捷，無需另外布線及占用業務網段交換機端口。

從整體來看，多臺宿主機形成集群后，每個業務網段的網絡拓撲也呈星型結構擴展，簡潔明了，易于維護，如圖6所示。

1.4 設備可管可控性

監測平臺虛擬化之前，各功能模塊的服務器可管可控性較差，系統硬件資源的運行狀況不能實時掌握，一旦出現系統問題，故障排查效率較低，業務系統故障恢復時間也不盡如人意。而在完成虛擬化之后，各主流虛擬化平臺均提供較為完善的軟硬件監控功能，虛擬機的CPU、內存、網絡接口帶寬消耗、硬盤讀寫速率、響應延遲等均可直接讀出，完善的運行趨勢圖可幫助運維技術人員及早發現隱患，把故障消滅在萌芽狀態，提高系統整體無故障運行時間。

1.5 冗余度不足導致的系統可靠性

每臺服務器的個體可靠性與它所屬的業務系統整體的可用性息息相關，而高可用性H.A（High Availability）的提出就是為了提高系統的整體穩定性而設計的。HA指的是通過盡量縮短因日常維護操作和突發的系統崩潰所導致的停機時間，以提高系統和應用的可用性[3]。

高可用性主要分為三種：服務器高可用、網絡高可用及存儲高可用，其中務器高可用主要使用的是服務器集群軟件或高可用軟件來實現，而網絡高可用及存儲高可用主要通過冗余的硬件來實現[4]。

虛擬化平臺的HA通過將虛擬機的操作系統硬盤數據存放在全網的共享存儲上或分布式存儲上，運行則交由虛擬化平臺內最適合的一臺服務器完成，如果該宿主機故障，平臺則會調派其余的空閑服務器接管該虛擬機的運行，從而實現服務器高可用。

而整個虛擬化平臺一般要求部署兩臺或以上的核心交換機用作數據交換，用以實現網絡高可用。而存儲方面，一般虛擬化平臺采用共享存儲或分布式存儲結構部署，共享存儲會配置成RAID6或更高等級的數據保護，而分布式存儲上的數據則被分成多份，存放于多臺宿主機上，從而實現存儲高可用。

2 廣電監測云計算的展望

云計算作為當今非常熱門的技術，以服務器虛擬化、網絡虛擬化、存儲虛擬化為承載，以靈活性、便利性、高可靠性為需求，得到迅速發展。工信部在2014年發布的《云計算白皮書》中指出，自SaaS在20世紀90年代末出現以來，云計算服務經過多年的發展，早已從概念階段進入了廣泛普及、應用繁榮的新階段[5]。已成為提升信息化發展水平、打造數字經濟新動能的重要支撐。

廣電監測業務起步于上世紀50年代，經歷幾十年的發展至今，已從原先的純人工監測發展到現今的計算機全自動監測，監測系統的云計算在三網融合的背景下，需要全新的技術支撐體系，技術架構、應用流程、系統集成都將迎接新的挑戰，我們需要新的理念與技術去支撐整個平臺的運行[6]。

3 結束語

在網絡大發展、虛擬化技術已成熟的環境下，現今的廣電監測更應擺脫各自為政的格局，虛擬化的特性為各前端的部署帶來了前所未有的便利。筆者所在的單位只是整個廣電監測行業的一小朵“監測云”，下一步的研究方向需要從廣電云的整合利用入手，從而在真正意義上實現從前端到末端全鏈路上的資源、數據共享、互聯互通。

參考文獻（References）：

[1] 王春海.深入學習VMware vSphere 6[M].人民郵電出版社，2016.

[2] 九叔.微軟System Center 2012 R2私有云部署實戰[M].人民郵電出版社，2015.

[3] 姚海鵬.VMware vSphere性能設計：性能密集場景下CPU、內存、存儲及網絡的最佳設計實踐[M].機械工業出版社，2015.

[4] 馬博峰.Windows Server 2012 Hyper-V虛擬化部署與管理指南[M].機械工業出版社，2015.

[5] 畢善鵬.基于云平臺的廣電建設現狀及發展建議[J].廣播電視信息，2015.3：42-43

[6] 衛鋒.廣播電視全媒體業務發展趨勢與思考[J].廣播與電視技術，2013.40（2）：44-44