在融合媒體環(huán)境下基于微服務(wù)架構(gòu)下的廣播與媒體質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐘士奇

摘 要 當(dāng)今，廣電媒體的節(jié)目數(shù)量，類型以及多樣性在呈現(xiàn)幾何級數(shù)爆炸性增長，這也導(dǎo)致廣電行業(yè)快速的向基于IP傳輸協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)以及以及IT架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)施進(jìn)行演進(jìn)。如何保障各種不同類型用戶的媒體觀看的需求，融合媒體概念也就孕育而生，從而也對系統(tǒng)的監(jiān)測帶來了眾多全新的挑戰(zhàn)，各種基于各種形態(tài)信號，特別是IP信號的分發(fā)和傳輸，接收終端的多樣化，眾多的網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，在眾多協(xié)議層和技術(shù)層面的信息收集和匯聚以及時(shí)下新興的基于異步數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)的云網(wǎng)絡(luò)傳輸。如何應(yīng)對和解決以上這些問題呢？湖南廣播電視臺采用一種完全基于軟件和COTS通用服務(wù)器的架構(gòu)，來建立一種集中的、融合式的監(jiān)測系統(tǒng)。媒體的內(nèi)容以及傳輸協(xié)議的2-5層都需要在一個(gè)融合的監(jiān)測設(shè)備上來實(shí)現(xiàn)。這樣的結(jié)果就是需要一張單一的，可持續(xù)性的界面，可以完整的描述出不同網(wǎng)絡(luò)和媒體內(nèi)容的狀態(tài)。新的監(jiān)測功能，比如基于視頻一致性監(jiān)測功能，只有在基于軟件的架構(gòu)下才能成為可能。根據(jù)需要，我們設(shè)計(jì)出一種基于軟件的，通過采用COTS通用服務(wù)器的方式，來實(shí)現(xiàn)時(shí)下高度統(tǒng)一和融合的廣電網(wǎng)絡(luò)與媒體的監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 廣播與媒體 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：G222 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)思路

一是基于多業(yè)務(wù)層的KPI指標(biāo)監(jiān)測：能夠提供簡單的，持續(xù)性的界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中不同業(yè)務(wù)層面的指標(biāo)監(jiān)測。二是全新的高級監(jiān)測功能。

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須要能夠滿足以下的要求：

（1）基于純軟件的設(shè)計(jì)，不依托于特有的硬件平臺：完全基于軟件的設(shè)計(jì)可以保證快速的響應(yīng)，高度的靈活性以及擴(kuò)展性，來應(yīng)對不斷變化的各種技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，比如各種全新的編碼標(biāo)準(zhǔn)和傳輸協(xié)議，而基于COTS通用服務(wù)器的硬件架構(gòu)，也讓未來進(jìn)行云化的部署等虛擬化應(yīng)用成為可能。

（2）基于COTS通用服務(wù)器硬件平臺：通過采用COTS通用服務(wù)器，可以大量降低系統(tǒng)投資和運(yùn)營成本，同時(shí)可以為未來的虛擬化部署提供可能性。

（3）更好的擴(kuò)展IP協(xié)議的使用場景：能夠不斷的加深并擴(kuò)展現(xiàn)有的成熟的，體系完善的TCP/IP協(xié)議組合。

（4）通過配置不同的接口板卡來實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)接口形式的對接：通用服務(wù)器與現(xiàn)有廣電網(wǎng)絡(luò)的接口對接，可以通過各種接口板卡來實(shí)現(xiàn)，如果需要有新的形式的信號接入，也只需要更換接口板卡，而無需替換掉整個(gè)設(shè)備。

（5）開放的基于模塊化的軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)：通過采用開放的協(xié)議和格式，以及模塊化的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)可以確保快速靈活的適應(yīng)變化，并針對新的需求進(jìn)行不斷的適配。把系統(tǒng)功能模塊化也很好的提升了系統(tǒng)的魯棒性，也避免一些潛在的軟件問題。

（6）可擴(kuò)展性：目前市面上的COTS通用服務(wù)器依舊延續(xù)了摩爾定律在不斷的升級和換代，通過完全基于軟件的設(shè)計(jì)，當(dāng)需要系統(tǒng)支持更大和更強(qiáng)的性能時(shí)，只需要相應(yīng)的增加通用服務(wù)器的數(shù)量和配置，就可以輕松實(shí)現(xiàn)，這在以前采用定制硬件的年代，幾乎是不可想象的。

1.3基于模塊化的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要支持各種全新的基于IP的傳輸協(xié)議，以及各種中間層的壓縮編碼協(xié)議。在這樣的系統(tǒng)架構(gòu)中，傳統(tǒng)的信號形式只需要配備相應(yīng)接口的板卡，就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)信號和基于IP的信號的混合監(jiān)測。

可擴(kuò)展的軟件框架還需要配置以下的模塊化功能（如圖1）：

1.3.1輸入信號單元（Input Handling）

網(wǎng)絡(luò)輸入接口單元（Network Input）用來處理可以基于以太網(wǎng)和IP的輸入信號，同時(shí)也可以支持各種形式的IP信號，比如單播和組播等。解碼輸入源信號的單元（Decoding of Sources Signal Input Formats） 是針對融合媒體監(jiān)測的核心組成部分，它可以處理目前各種全新的基于IP的傳輸協(xié)議以及各種全新的編碼格式，同時(shí)它也可以支持傳統(tǒng)的基于SDI和ASI形式的信號格式。針對未來的各種新的信源格式和編碼格式，它只需要通過插件，這種在IT世界里最普通的方式，就可以實(shí)現(xiàn)對新格式的擴(kuò)展支持。此外，輸入信源信號模塊還有第三個(gè)組成部分，可擴(kuò)展信源信號分析（Extended Source Signal Analysis），它可以用來通過插件的方式擴(kuò)展支持任何其他的信源信號格式。

1.3.2節(jié)目與內(nèi)容（Service and Media Handling）

該功能基本單元最開始是解碼和基本分析模塊（Decodingand Basic Analysis），用于接收和分析來自輸入信號單元（Input Handling），視音頻內(nèi)容的解碼和一些基本分析包括信號的正確與否以及質(zhì)量的分析，將在這個(gè)單元來實(shí)現(xiàn)。如果需要處理更高級的編碼格式，比如HEVC，J2K，TICO等，就需要進(jìn)入下一個(gè)擴(kuò)展解碼和分析模塊（Extended Decodingand Analysis）來實(shí)現(xiàn)。由于廣電與媒體的運(yùn)營商不斷需要支持新的編碼格式解碼以及更加深度的分析，這個(gè)模塊也可以通過插件的方式在未來不斷的升級和更新。另外，隨著通用服務(wù)器平臺的CPU性能不斷加強(qiáng)或者云端的計(jì)算能力的不斷加強(qiáng)，現(xiàn)在已經(jīng)完全沒有必要再去部署專門的硬件設(shè)備和系統(tǒng)去解決不斷涌現(xiàn)出的新的編碼格式和信號形態(tài)。所有需要的新功能擴(kuò)展都可以通過軟軟件的插件方式得到解決。在高級媒體分析（Advanced Media Analysis）的模塊中，解碼完成的內(nèi)容可以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和監(jiān)測。在這個(gè)模塊中的功能包括實(shí)時(shí)信號質(zhì)量的監(jiān)測以及以及用于判斷靜幀白名單的各種信息。另外一個(gè)高級的監(jiān)測功能，視頻一致性比對功能，也可以非常好的在這種純軟件的架構(gòu)中得以實(shí)現(xiàn)，關(guān)于這個(gè)功能我們會(huì)在下文進(jìn)行詳細(xì)的介紹和講解。針對某一路節(jié)目進(jìn)行定制化的解碼和監(jiān)測，也可以通過軟件插件的方式得到有效的解決，同時(shí)不會(huì)增加太多的成本。

1.3.3輸出信號單元（Output Handling）

這個(gè)基本單元用來定義用戶的操作界面以及各種管理任務(wù)，包括界面分布的設(shè)計(jì)，多畫面監(jiān)測單元的布局等。同時(shí)它也用來輸出所有跟視音頻內(nèi)容相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)。多畫面分割器輸出的動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測界面，需要經(jīng)過輸出信號編碼模塊（Encoding of Output Signals Formats）來進(jìn)行處理，然后通過物理接口輸出，比如HDMI接口輸出，或者通過網(wǎng)絡(luò)接口串流輸出，特別是基于以太網(wǎng)的IP串流輸出，可以通過插件來選擇不同的IP協(xié)議，封裝標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)起來非常簡單。

1.3.4遠(yuǎn)程管理（Remote administration）

這個(gè)單元是基于HTTP API的綜合遠(yuǎn)程控制以及遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測的任務(wù)處理單元。同時(shí)也支持把任何的報(bào)警和警告信息，通過電子郵件的方式第一時(shí)間發(fā)給接受者。

1.3.5基于云的業(yè)務(wù)流程（Cloudorchestration）

這個(gè)單元支持開放的API協(xié)議，用于基于Saas架構(gòu)來設(shè)計(jì)云計(jì)算的端到端的業(yè)務(wù)流程和體系，包括播出，編碼，轉(zhuǎn)碼，解碼以及廣告插入，數(shù)字水印的處理。

2功能實(shí)現(xiàn)

2.1基于多業(yè)務(wù)層的KPI指標(biāo)監(jiān)測

如圖2所示如何把基于以太網(wǎng)的5層傳輸模型應(yīng)用到在播出和傳輸領(lǐng)域，通過IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸SDI信號，以及在OTT和串流服務(wù)中應(yīng)用MPEG-DASH協(xié)議。圖中可以非常清楚的顯示，在播出和傳輸領(lǐng)域，以及OTT的串流分發(fā)領(lǐng)域，除了最上層的傳輸層之外，基于IP以太網(wǎng)的傳輸模型可以完美的適配SDI over IP的傳輸模型。而這種完美的適配也就使完全基于軟件的架構(gòu)，進(jìn)行融合媒體的監(jiān)測方式成為可能。

在較高的信號分層結(jié)構(gòu)中，一些針對SDI over IP（例如SMPTE 2022-6）的主要KPI特性指標(biāo)也可以進(jìn)行監(jiān)測，包括不同節(jié)目流的帶寬值，碼率，時(shí)延，抖動(dòng)，丟包率，RTP狀態(tài)，源地址/目標(biāo)地址校驗(yàn)等。與此同時(shí)，在應(yīng)用層的眾多KPI特性指標(biāo)也可以被監(jiān)測到，包括超時(shí)/更新，片段超時(shí)，HTTP錯(cuò)誤，基于每個(gè)節(jié)目和類型的碼率測量，緩沖區(qū)狀態(tài)校驗(yàn)（上溢和下溢），下載時(shí)間等等專門針對OTT視頻串流的參數(shù)。在較低的傳輸分層中，比如TCP層，主要的KPI特性指標(biāo)包括包重傳率，丟包，回話重接，緩沖區(qū)測試等所有這些傳統(tǒng)的IP的指標(biāo)，都可以實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測。

2.2進(jìn)階高級監(jiān)測功能

通過純軟件架構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測的優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容比對功能（Content Compare），即同一界面內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的一致性校驗(yàn)功能。內(nèi)容比對功能就是把同一信號在網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行取樣，然后進(jìn)行一致性對比。在日益復(fù)雜的廣電網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境中，運(yùn)營商往往需要把同一界面內(nèi)容通過不同的分辨率，編碼格式，通過不同的分發(fā)平臺，以不同的分發(fā)形式（以太網(wǎng)交換，IP路由）等方式進(jìn)行分發(fā)，這也就會(huì)出現(xiàn)比如錯(cuò)誤的信號格式通過錯(cuò)誤的平臺進(jìn)行分發(fā)的可能。通過實(shí)現(xiàn)視頻內(nèi)容一致性的比對功能，可以有效的預(yù)防出現(xiàn)以上這種錯(cuò)誤。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，如果采用原始的直接進(jìn)行像素級別的比對，那么會(huì)造成很多虛假的錯(cuò)誤報(bào)警信息，并沒有可以實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。而通過視頻一致性比對功能，系統(tǒng)自動(dòng)的對每一幀的畫面信息進(jìn)行比對，可以有效進(jìn)行目標(biāo)信號和源信號的一致性的比對（如圖3）。

3結(jié)束語

當(dāng)前的廣電媒體與網(wǎng)絡(luò)正在向多維度方向不斷演進(jìn)，提供的內(nèi)容，媒體格式以及終端接收設(shè)備也不斷豐富，這也就導(dǎo)致了未來的內(nèi)容質(zhì)量監(jiān)測面臨著眾多全新的挑戰(zhàn)。

我們通過通用的可擴(kuò)展的軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)融合媒體的監(jiān)測。該系統(tǒng)中的主要核心功能模塊以及單元，都一一進(jìn)行了闡述和講解。通過安裝插件，可以確保基于軟件的架構(gòu)可以不斷的升級和更新，以應(yīng)對未來各種新標(biāo)準(zhǔn)和新需求的挑戰(zhàn)。特別是每一個(gè)可擴(kuò)展的核心單元，都可以針對未來新需求進(jìn)行不斷的升級和更新的。