云架構技術在新華社視頻技術體系中的探索與實踐

文/傅新宇

以往，廣電媒體多采用視音頻系統與IT信息系統并行的技術架構，二者體系獨立、分工明確、各自發展。而隨著以虛擬化、云計算為代表的互聯網技術的突飛猛進，以及傳統媒體與新媒體融合發展的趨勢越發明顯，上述架構模式已經限制了廣電媒體技術發展的空間，難以滿足視頻節目生產管理的靈活需求。

1.總體設計思路

1.1 利用IP化架構降低信號拓撲復雜度

廣電媒體多采用SDI基帶信號作為主要的視頻信號臺內傳輸方式。隨著業務的發展，信號數量和帶寬已經成為系統瓶頸。于是，將傳統視音頻系統進行IP化轉型，通過IP交換網絡來解決信號拓撲復雜度問題，就成為了一種直觀可行的改良思路。

1.2 利用通用化設備降低成本

隨著云計算的普及以及計算能力的突飛猛進，傳統專業化設備的功能越來越多地被“通用設備+軟件”所替代，實現在虛擬化平臺或公有云平臺上的部署也不再罕見。通用化設備的普及，大幅降低了設備采購成本和系統運維成本，同時提高了整個系統的兼容性和擴展性。

1.3 利用云架構整合新舊業務

傳統廣電媒體制播系統對安全性的要求非常高，制播網與互聯網的隔離是一項非常重要的工作。新華社視頻的核心業務是通訊社供稿，整體已經大幅度向互聯網延伸。為了整合傳統媒體業務和互聯網媒體業務，新技術的采納勢在必行，而云架構就是新舊業務之間的橋梁。

2.系統架構

新華社視頻技術體系采用云架構設計，基于資源模塊化思路進行規劃，由基礎網絡、計算資源、存儲資源、應用資源、基礎服務資源、視頻流資源等部分組成（圖1）。

2.1 基礎網絡

各系統基于新華社整體網絡規劃構建，采用全以太網架構設計，交換機之間實現全萬兆互聯，前端實現千兆到桌面。網絡設備選型均支持SDN，后期可根據需求平滑過渡到SDN網絡。

圖1 系統架構圖

根據應用特點和業務需求，設備與應用部署在三個網絡區域內，分別為綠色的視音頻域網絡、橙色的互聯網域網絡和黃色的視頻組播流網絡，區域間通過安全設備隔離。視音頻域和互聯網域之間通過新華社園區網實現業務層面的互聯互通。互聯網域通過新華社互聯網出口交換機實現與全球互聯網的通訊。

2.2 計算資源

計算資源包括CPU虛擬化刀片服務器、GPU虛擬化刀片服務器和高密度服務器，其中，刀片服務器掛載SSD固態盤光纖存儲，并部署通用虛擬化軟件。CPU刀片服務器為通用化應用服務提供計算資源；而GPU刀片服務器和高密度服務器則支撐輕量化非編、VDI等視頻應用。

云架構計算資源的池化，大幅提高了系統的靈活性、擴展性和可靠性，同時也為系統在公有云上的部署進行了探索與實踐。

2.3 存儲資源

存儲資源池匯聚了整個視頻生產過程中的全部非結構化數據，存儲設備全部基于以太網對外提供服務，并在域控服務器的支持下實現用戶和資源的統一管理。分布式NAS存儲采用支持橫向擴展的全對稱分布式架構，主要承擔帶寬密集型應用，比如非編網高碼流數據的共享。

高性能NAS存儲支撐IO密集型應用，存放熱點視頻、關鍵幀圖片、低碼流視頻等需要快速瀏覽的文件，同時也作為虛擬化平臺的備份數據存儲而存在。

歸檔存儲由磁帶庫和對象存儲組成，是新華社視頻媒資系統的核心，將高碼流媒體數據數字化，高效便捷地實現了海量歷史數據的在線共享。

2.4 應用資源

應用資源在視音頻域網絡和互聯網域網絡均有部署，其集成架構多為通用機架式服務器。視音頻域多運行不適合虛擬化的專業類應用，如IP流收錄和監看、視頻打包與轉碼、媒資歸檔遷移等。同時，出于安全考慮，視音頻域應用不能直接面對互聯網提供服務，因此，部分應用就需要在新華社互聯網域網絡單獨部署，如支撐新華社全球記者發稿的視頻回傳系統。

2.5 基礎資源

基礎資源池包含多種數據庫服務器，匯聚了整個視頻生產過程中的全部結構化數據，可同時為應用提供Oracle、SQL Server、MySQL等多種數據庫服務。作為支撐關鍵業務的基礎，服務器選型上采用了小型機和X86服務器兩種平臺異構并行的思路，同時所有相關網絡和數據庫服務均實現了高可用。上述設計思路使基礎資源池能夠高效、可靠、安全地滿足應用資源池的性能要求。

視頻流資源池采用了基于UDP組播的TS over IP千兆網絡架構。整體基于IP地址管理，實現所有信號源的統一監看、收錄和調度，簡化了整個視頻技術體系的信號拓撲復雜度。

信號源包括4G背包、手機、互聯網視頻直播流、新華社內部業務電視系統、衛星直播信號，地面專線直播信號、新華社視音頻系統內SDI信號等。上述信號由各自接收設備在系統邊界轉換成統一格式的TS over IP流，接入IP流組播網交換機。收錄和監看服務器通過雙網卡分別連接視音頻域網絡和IP流組播網，實現信號的監看、收錄和調度。這種“雙網架構”既保證組播數據不會影響核心網絡運行，又實現了視頻信號數據的共享。

3.亮點及應用情況

3.1 輕量化非編

在傳統廣電媒體中，視頻的主要交換方式是SDI信號，因此，主流非編工作站多采用了“工業化主機+廣播級視音頻板卡”的設計方式，運行于“以太網+SAN網”的雙網網絡架構上。非通用化的硬件設備，以及復雜的組網架構，導致系統的采購和運維成本居高不下，同時也嚴重制約了融合媒體生產背景下系統的靈活性。隨著萬兆網絡的普及、NAS存儲性能的提升及虛擬化技術的發展，非編“輕量化”之路已經可行。

新華社視頻制作網系統前端部署瘦客戶機，后端則由高密度服務器和GPU虛擬化兩種方案并行提供計算資源，前后端之間通過遠程圖像傳輸軟件實現操作及畫面的交互。高碼流數據存儲在分布式NAS上，所有打包、渲染、轉碼工作均由應用資源池在后臺完成。編輯、審片環節通過瘦客戶機進行，上下載、精編和包裝等環節使用系統內的有卡非編工作站完成。

高密度服務器是一套高集成度的X86架構服務器系統，集成GPU，全萬兆交換，設備包含并融合了傳統服務器中的計算、網絡、管理、散熱等各種資源，可以用適當的經濟成本和空間成本提供滿足業務需求的計算能力。

GPU虛擬化方案則是將顯卡通過PCIe接口插到服務器刀片上，通過GPU直通或GPU虛擬化技術，將顯卡資源綁定在虛擬機上，用于圖形或視頻編輯渲染。本次選擇了業內首次實現了GPU硬件虛擬化的nVidia GRID K2圖形加速卡，單個刀片服務器機框可配置32顆高性能GPU，極大地提高了應用密度。

經業務部門實際應用，無論是高密度服務器方案還是GPU虛擬化方案，輕量化非編均可以實現6軌100M高清視頻的制作。日常編輯場景下，前端瘦客戶機與后端計算資源之間通訊所占用的網絡帶寬為20～100 Mbps，對前后端網絡質量的要求較低，利于前端設備的靈活選擇與部署。

3.2 收錄及發布IP化

輕量化非編引領的視頻設備通用化是視頻技術體系全IP化的先驅，但專業視音頻板卡的缺失也意味著信號的收錄、分發等一系列流程都必須做出相應調整。新華社采用了“IP信號+基帶信號”并行的方式，分階段完成了整個系統的IP化。IP信號通過以太網交換機進行交換，基帶信號通過視音頻矩陣進行交換，架構清晰，穩定可靠。目前，階段實現的是收錄及發布流程的IP化。

作為通訊社，視頻的供稿及發布是其主要業務。新華社視頻互聯網供稿系統已穩定運行多年，并逐步替代了傳統衛星供稿方式。而在視頻信號的直播發布業務上，系統配備了基于IP的互聯網視頻流網關設備，連通互聯網和IP流組播網，可在互聯網上對視頻流資源池的所有信號進行傳輸和分發，對新媒體用戶進行視頻信號發布。2017年全國兩會和十九大報道期間，新華社進行的“部長通道”“兩會發布會”和“黨代表通道”直播報道，向新華社客戶端、騰訊、今日頭條等多家主流互聯網媒體提供了高清直播信號。

結語

新華社基于云架構的視頻技術體系，通過對新興技術的探索和實踐可操作性的驗證，創立了一條適合自身通訊社視頻業務的技術路線。基于對整體架構和業務發展的統一規劃，新華社有針對性地選取了“輕量化非編”和“收錄及發布IP化”等應用場合進行了實踐，為視頻技術系統架構的發展方向做出了積極的探索，具有重要的借鑒意義。