在融合媒體環境下基于微服務架構下的廣播與媒體質量監測系統設計與實現

鐘士奇

摘 要 當今，廣電媒體的節目數量，類型以及多樣性在呈現幾何級數爆炸性增長，這也導致廣電行業快速的向基于IP傳輸協議的網絡以及以及IT架構的系統設施進行演進。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，從而也對系統的監測帶來了眾多全新的挑戰，各種基于各種形態信號，特別是IP信號的分發和傳輸，接收終端的多樣化，眾多的網絡傳輸標準和協議，在眾多協議層和技術層面的信息收集和匯聚以及時下新興的基于異步數據傳輸架構的云網絡傳輸。如何應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通用服務器的架構，來建立一種集中的、融合式的監測系統。媒體的內容以及傳輸協議的2-5層都需要在一個融合的監測設備上來實現。這樣的結果就是需要一張單一的，可持續性的界面，可以完整的描述出不同網絡和媒體內容的狀態。新的監測功能，比如基于視頻一致性監測功能，只有在基于軟件的架構下才能成為可能。根據需要，我們設計出一種基于軟件的，通過采用COTS通用服務器的方式，來實現時下高度統一和融合的廣電網絡與媒體的監測系統。

關鍵詞 廣播與媒體 質量監測系統

中圖分類號：G222 文獻標識碼：A

1系統設計

1.1設計思路

一是基于多業務層的KPI指標監測：能夠提供簡單的，持續性的界面，實現系統中不同業務層面的指標監測。二是全新的高級監測功能。

1.2系統設計的原則

系統的設計必須要能夠滿足以下的要求：

（1）基于純軟件的設計，不依托于特有的硬件平臺：完全基于軟件的設計可以保證快速的響應，高度的靈活性以及擴展性，來應對不斷變化的各種技術和標準，比如各種全新的編碼標準和傳輸協議，而基于COTS通用服務器的硬件架構，也讓未來進行云化的部署等虛擬化應用成為可能。

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

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

（4）通過配置不同的接口板卡來實現與傳統接口形式的對接：通用服務器與現有廣電網絡的接口對接，可以通過各種接口板卡來實現，如果需要有新的形式的信號接入，也只需要更換接口板卡，而無需替換掉整個設備。

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

（6）可擴展性：目前市面上的COTS通用服務器依舊延續了摩爾定律在不斷的升級和換代，通過完全基于軟件的設計，當需要系統支持更大和更強的性能時，只需要相應的增加通用服務器的數量和配置，就可以輕松實現，這在以前采用定制硬件的年代，幾乎是不可想象的。

1.3基于模塊化的設計

系統需要支持各種全新的基于IP的傳輸協議，以及各種中間層的壓縮編碼協議。在這樣的系統架構中，傳統的信號形式只需要配備相應接口的板卡，就可以實現傳統信號和基于IP的信號的混合監測。

可擴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）

網絡輸入接口單元（Network Input）用來處理可以基于以太網和IP的輸入信號，同時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的傳輸協議以及各種全新的編碼格式，同時它也可以支持傳統的基于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，就可以實現對新格式的擴展支持。此外，輸入信源信號模塊還有第三個組成部分，可擴展信源信號分析（Extended Source Signal Analysis），它可以用來通過插件的方式擴展支持任何其他的信源信號格式。

1.3.2節目與內容（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），視音頻內容的解碼和一些基本分析包括信號的正確與否以及質量的分析，將在這個單元來實現。如果需要處理更高級的編碼格式，比如HEVC，J2K，TICO等，就需要進入下一個擴展解碼和分析模塊（Extended Decodingand Analysis）來實現。由于廣電與媒體的運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，隨著通用服務器平臺的CPU性能不斷加強或者云端的計算能力的不斷加強，現在已經完全沒有必要再去部署專門的硬件設備和系統去解決不斷涌現出的新的編碼格式和信號形態。所有需要的新功能擴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，解碼完成的內容可以進行進一步的分析和監測。在這個模塊中的功能包括實時信號質量的監測以及以及用于判斷靜幀白名單的各種信息。另外一個高級的監測功能，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中得以實現，關于這個功能我們會在下文進行詳細的介紹和講解。針對某一路節目進行定制化的解碼和監測，也可以通過軟件插件的方式得到有效的解決，同時不會增加太多的成本。

1.3.3輸出信號單元（Output Handling）

這個基本單元用來定義用戶的操作界面以及各種管理任務，包括界面分布的設計，多畫面監測單元的布局等。同時它也用來輸出所有跟視音頻內容相關的監測參數。多畫面分割器輸出的動態變化的監測界面，需要經過輸出信號編碼模塊（Encoding of Output Signals Formats）來進行處理，然后通過物理接口輸出，比如HDMI接口輸出，或者通過網絡接口串流輸出，特別是基于以太網的IP串流輸出，可以通過插件來選擇不同的IP協議，封裝標準，實現起來非常簡單。

1.3.4遠程管理（Remote administration）

這個單元是基于HTTP API的綜合遠程控制以及遠程自動化監測的任務處理單元。同時也支持把任何的報警和警告信息，通過電子郵件的方式第一時間發給接受者。

1.3.5基于云的業務流程（Cloudorchestration）

這個單元支持開放的API協議，用于基于Saas架構來設計云計算的端到端的業務流程和體系，包括播出，編碼，轉碼，解碼以及廣告插入，數字水印的處理。

2功能實現

2.1基于多業務層的KPI指標監測

如圖2所示如何把基于以太網的5層傳輸模型應用到在播出和傳輸領域，通過IP網絡來傳輸SDI信號，以及在OTT和串流服務中應用MPEG-DASH協議。圖中可以非常清楚的顯示，在播出和傳輸領域，以及OTT的串流分發領域，除了最上層的傳輸層之外，基于IP以太網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，進行融合媒體的監測方式成為可能。

在較高的信號分層結構中，一些針對SDI over IP（例如SMPTE 2022-6）的主要KPI特性指標也可以進行監測，包括不同節目流的帶寬值，碼率，時延，抖動，丟包率，RTP狀態，源地址/目標地址校驗等。與此同時，在應用層的眾多KPI特性指標也可以被監測到，包括超時/更新，片段超時，HTTP錯誤，基于每個節目和類型的碼率測量，緩沖區狀態校驗（上溢和下溢），下載時間等等專門針對OTT視頻串流的參數。在較低的傳輸分層中，比如TCP層，主要的KPI特性指標包括包重傳率，丟包，回話重接，緩沖區測試等所有這些傳統的IP的指標，都可以實現有效的監測。

2.2進階高級監測功能

通過純軟件架構進行監測的優勢在于可以實現內容比對功能（Content Compare），即同一界面內容在網絡中各個節點的一致性校驗功能。內容比對功能就是把同一信號在網絡中不同節點上，進行取樣，然后進行一致性對比。在日益復雜的廣電網絡傳輸環境中，運營商往往需要把同一界面內容通過不同的分辨率，編碼格式，通過不同的分發平臺，以不同的分發形式（以太網交換，IP路由）等方式進行分發，這也就會出現比如錯誤的信號格式通過錯誤的平臺進行分發的可能。通過實現視頻內容一致性的比對功能，可以有效的預防出現以上這種錯誤。特別需要強調的是，如果采用原始的直接進行像素級別的比對，那么會造成很多虛假的錯誤報警信息，并沒有可以實際應用的價值。而通過視頻一致性比對功能，系統自動的對每一幀的畫面信息進行比對，可以有效進行目標信號和源信號的一致性的比對（如圖3）。

3結束語

當前的廣電媒體與網絡正在向多維度方向不斷演進，提供的內容，媒體格式以及終端接收設備也不斷豐富，這也就導致了未來的內容質量監測面臨著眾多全新的挑戰。

我們通過通用的可擴展的軟件架構實現融合媒體的監測。該系統中的主要核心功能模塊以及單元，都一一進行了闡述和講解。通過安裝插件，可以確保基于軟件的架構可以不斷的升級和更新，以應對未來各種新標準和新需求的挑戰。特別是每一個可擴展的核心單元，都可以針對未來新需求進行不斷的升級和更新的。