某廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)分析與設(shè)計

劉超杰

（定興縣廣播電視臺技術(shù)股 河北省定興縣 072650）

1 引言

隨著電視技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進的發(fā)展，電視信號的呈現(xiàn)逐步由標準轉(zhuǎn)換至了高清以及現(xiàn)在較為主流的4K、8K 等超高清畫面，給用戶提供了較好的視覺盛宴，但隨之給電視臺的轉(zhuǎn)播技術(shù)也提出了越來越高的要求。特別時隨著移動終端和移動媒體的大力發(fā)展，傳統(tǒng)的廣播電視網(wǎng)已經(jīng)逐步退出人們的視野，因此給各地區(qū)廣播電視臺帶來了較大挑戰(zhàn)。

從單位職能看，定興縣廣播電視臺作為保定市的主流媒體，為了能夠跟上當前新媒體技術(shù)發(fā)展步伐，擴大業(yè)務(wù)影響范圍，提高服務(wù)質(zhì)量，需要利用主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計算機技術(shù)，進而提高轉(zhuǎn)碼和轉(zhuǎn)播能力。從用戶需求上來看，隨著定興縣網(wǎng)絡(luò)電視用戶急速增長，保定市內(nèi)網(wǎng)絡(luò)電視板塊仍有較大空白，從多方面考慮，定興縣廣播電視臺需要將網(wǎng)絡(luò)電視納入到自身的業(yè)務(wù)范圍之內(nèi)來。為了應(yīng)對多終端的接收要求和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)情況，技術(shù)部門除了要做大量的視頻轉(zhuǎn)碼工作，還需要滿足視頻傳輸過程中的服務(wù)質(zhì)量指標，因此，定興縣廣播電視臺需要設(shè)計一種能夠輸出不同碼率的高質(zhì)量視頻的轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)當具備接入大量衛(wèi)星電視節(jié)目并進行實時轉(zhuǎn)碼輸出的能力，同時也要保證轉(zhuǎn)碼平臺接入網(wǎng)絡(luò)后的視頻質(zhì)量。

2 廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合整個定興縣廣播電視臺的實際業(yè)務(wù)，日常的電視臺的信號源主要為自主制作的電視節(jié)目以及通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)播方式所獲取的節(jié)目源，因此在系統(tǒng)中信號源的輸入部分需要加入衛(wèi)星高清接收機，對衛(wèi)星轉(zhuǎn)播的信號源進行衛(wèi)星信號解調(diào)。由于節(jié)目源的數(shù)量較多，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對節(jié)目源的統(tǒng)一調(diào)度和管理，同時實現(xiàn)遠距離傳輸，在送入云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器前，需要通過采取組播方式利用交換機將各種信號源的解調(diào)設(shè)備進行連接，經(jīng)交換機匯接后然后連接至云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器，具體的定興縣廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計見圖1所示。從該廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖可以看出，整個云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)主要由信號接收調(diào)度、云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群、后端平臺以及匯聚交換機幾大部分構(gòu)成。

2.2 云轉(zhuǎn)碼平臺硬件設(shè)計

2.2.1 信號接收調(diào)度模塊

信號接收調(diào)度模塊主要用于實現(xiàn)對衛(wèi)星信號源的接收處理，定興縣廣播電視臺目前建設(shè)有數(shù)十面衛(wèi)星天線，可以接收幾十個衛(wèi)星的極化信號，如C 波段、Ku 波段等，然后利用相應(yīng)的光纜和線纜將收集的信號傳輸至衛(wèi)星機房，為了實現(xiàn)多路衛(wèi)星信號的切換和調(diào)度，通過采用切換矩陣將衛(wèi)星信號根據(jù)實際需求進行靈活高效的輸入至相應(yīng)的衛(wèi)星高清接收機中，然后通過機房的信源匯聚交換機和網(wǎng)管交換機對解調(diào)后的信號進行匯聚，最后送入云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群進一步處理。

圖1：定興縣廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2：云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)刀片服務(wù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群

云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群是整個廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的核心模塊，結(jié)合定興縣廣播電視臺關(guān)于云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)業(yè)務(wù)的實際建設(shè)規(guī)劃需求，目前只是主要完成多路固定信號源的實時轉(zhuǎn)碼，經(jīng)過云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群的處理后，能夠輸出高質(zhì)量的穩(wěn)定的視頻碼流。為了完成相關(guān)的業(yè)務(wù)需求，在對云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群進行設(shè)計過程中，從散熱性、穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)性能的比較，選取的是刀片式服務(wù)器，由于信號接收調(diào)度模塊所傳輸過來的信號源數(shù)量較多，按照定興縣廣播電視臺采用了18 塊刀片式服務(wù)器構(gòu)成了云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群，其中，1 臺刀片式服務(wù)器用于安裝相應(yīng)的網(wǎng)管軟件，1 臺用于數(shù)據(jù)備份，其余16 臺刀片式服務(wù)器用于進行轉(zhuǎn)碼所需的資源池。刀片式服務(wù)器的內(nèi)外通信主要依靠內(nèi)置的交換機，因此，根據(jù)配置需求，每臺刀片式服務(wù)器分別配置有四塊網(wǎng)卡，分別用于數(shù)據(jù)信息的輸入與輸出，即每兩塊網(wǎng)卡分別與內(nèi)置交換機相連，較好的實現(xiàn)傳輸線路數(shù)據(jù)的冗余保護以及負載均衡控制，具體的刀片服務(wù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。

為了能夠?qū)斎胫猎妻D(zhuǎn)碼刀片式服務(wù)器群和輸出云轉(zhuǎn)碼刀片式服務(wù)器群的信號流進行有效隔離，刀片式服務(wù)器中的內(nèi)置交換機主要是通過采取VLAN 隔離的方式進行相應(yīng)處理，即將輸入、輸出、管理信號劃分到不同的VLAN 中，從而使得整個云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)中的內(nèi)部信號走向明確，進而可以較好的保證輸入信號、輸出信號以及控制信號互不影響。同時，通過將備份視頻轉(zhuǎn)碼虛擬機部署于備份的刀片式服務(wù)器上，從硬件上與主用視頻轉(zhuǎn)碼虛擬機分離，進而能夠有效保證當備份虛擬機發(fā)生故障時，主用設(shè)備不會受到其影響。

圖3：基于蟻群組播QoS 算法工作流程圖

2.3 傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在整個定興縣廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，由于組播源（即信號源）多，接收設(shè)備相對分散的特點，為了能夠?qū)崿F(xiàn)將云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)刀片服務(wù)器群所處理后的直播視頻流進行穩(wěn)定可靠傳輸，在傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上，選取的式基于PIM 協(xié)議，通過在傳輸網(wǎng)絡(luò)中進行PIM-SM 協(xié)議的配置，可以較好的實現(xiàn)底層路由互通，同時通過在該云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)底層中，采用OSPF 協(xié)議架構(gòu)，然后利用PIM-SM 協(xié)議對其進行調(diào)用，進而形成相應(yīng)對單播路由表，實現(xiàn)對組播數(shù)據(jù)的有序轉(zhuǎn)發(fā)。

3 廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析

由于整個定興縣廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)需要具備大量的視頻流進行輸出，依據(jù)木桶效應(yīng)的相關(guān)理論知識，傳輸網(wǎng)絡(luò)中所能承載的流量需要滿足其效應(yīng)要求，主要與網(wǎng)絡(luò)中的Qos 參數(shù)最差的環(huán)節(jié)有直接關(guān)系。在傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中可知，主要采用的是基于PIM 的協(xié)議，由于本協(xié)議在對組播路由的計算，主要是通過利用單播路由表對系統(tǒng)接收的路由信息執(zhí)行的組播報文進行檢查，待檢查通過后即可按照組播路由表中的相關(guān)項實現(xiàn)報文轉(zhuǎn)發(fā)，此種模式針對系統(tǒng)實際鏈路的擁塞問題容易忽視。

結(jié)合設(shè)計可知，通過云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群輸出至后端平臺的傳輸網(wǎng)絡(luò)中，主要采取的是PIM-SM 模式對節(jié)目流進行傳輸，在此模式中匯聚點（RP）主要用于對各組播信號源的具體組播信息進行轉(zhuǎn)發(fā)，因此，在匯聚點容易引發(fā)擁塞。通常情況下，為了減輕單個匯聚點中所傳輸?shù)男畔⒘髁浚槍Σ煌M播地址會在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計多個匯聚點。高清信號接收機在接收到由匯聚點所傳輸過來的組播流量后，即可向匯聚點發(fā)起相應(yīng)的剪枝操作。在單播路由計算過程中，此種組播路由方式不能夠?qū)︽溌窢顟B(tài)的能力進行動態(tài)適應(yīng)。即使在組播路徑中有相應(yīng)的丟包或者擁塞現(xiàn)象發(fā)生，組播流量也不會切換至剩余的空閑鏈路。

為了組播路由能夠?qū)崟r適應(yīng)鏈路狀態(tài)所發(fā)生的相應(yīng)變化，就需要對傳輸網(wǎng)絡(luò)中的組播路由算法實現(xiàn)優(yōu)化。通過結(jié)合定興縣廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的實際優(yōu)化需求，本系統(tǒng)主要采取的是將QoS 組播模型與蟻群算法相互結(jié)合方式，進而將組播路由QoS 算法作為優(yōu)化選路的解決方案，結(jié)合優(yōu)化路由的具體流程，基于蟻群組播QoS 算法工作流程圖的設(shè)計見圖3所示。從該算法工作流程圖可知，為了能夠當傳輸網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)發(fā)生變化時，通過利用基于蟻群組播QoS 算法能夠?qū)ζ渥龀鲅杆俜磻?yīng)，進而通過轉(zhuǎn)移概率計算找到最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，具體操作流程主要包括：首先初始化參數(shù)設(shè)置，并將循環(huán)次數(shù)m 設(shè)置為0，循環(huán)次數(shù)m=m+1，螞蟻出動數(shù)k 值為0，次數(shù)k=k+1，然后進行轉(zhuǎn)移概率計算，計算完成后即可進行禁忌表的修改，每只螞蟻會對走過的路徑進行信息濃度的更新，更新后的信息濃度矩陣對下一次媽蟻選路作出反饋，并最終對組播路由表結(jié)果進行輸出。

4 總結(jié)

本文通過采用路由交換技術(shù)以及虛擬化技術(shù)對整個定興縣廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的總體架構(gòu)以及所需硬件進行了詳細設(shè)計，整個云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)主要由信號接收調(diào)度、云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群、后端平臺以及匯聚交換機幾大部分構(gòu)成，進而通過采用基于PIM 的協(xié)議，將QoS 組播模型與蟻群算法相互結(jié)合，結(jié)合具體分析，最終將組播路由QoS 算法作為優(yōu)化選路的解決方案，從而使得所設(shè)計出來的定興縣廣播電視臺云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)向用戶傳輸海量多格式實時視頻流的需求。