電視臺(tái)節(jié)目遷移技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

文丨李繼青 唐繼勇 白新躍

（電子科技大學(xué)，成都 611731）

現(xiàn)今電視臺(tái)已經(jīng)用視頻服務(wù)器的硬盤播出系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的錄像機(jī)播出，并逐漸形成電視全臺(tái)制作播出網(wǎng)絡(luò)，目前電視臺(tái)所有節(jié)目有三種存儲(chǔ)方式：在線存儲(chǔ)（On-Line）、近線存儲(chǔ)[1]（Near-Line）和離線存儲(chǔ)（Off-Line），也分別稱為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)存儲(chǔ)。在線存儲(chǔ)[2]方式是將所有的節(jié)目都用硬盤保存起來(lái)，直接存儲(chǔ)在視頻服務(wù)器中，當(dāng)有播出請(qǐng)求時(shí)，就可以立即取得數(shù)據(jù)，訪問(wèn)速度快，但視頻服務(wù)器存儲(chǔ)容量有限制；離線存儲(chǔ)使用磁盤陣列、光盤、磁帶作為節(jié)目存儲(chǔ)的載體，其最大的優(yōu)點(diǎn)就在于其廉價(jià)的存儲(chǔ)成本，以及其靈活的擴(kuò)展性能，但訪問(wèn)速度較慢，效率較低。近線存儲(chǔ)方式有機(jī)將離線存儲(chǔ)和在線存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)較大容量節(jié)目的存儲(chǔ)，而且遷入在線存儲(chǔ)速度也比離線遷入快。由于高清/標(biāo)清節(jié)目所需要磁盤容量較大，目前在電視臺(tái)中一般用多臺(tái)節(jié)目存儲(chǔ)服務(wù)器作為二級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備。如圖1，在電視全臺(tái)網(wǎng)的節(jié)目播出和節(jié)目管理中，需要在一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)存儲(chǔ)間進(jìn)行相互的遷入和回遷。本文重點(diǎn)以二級(jí)存儲(chǔ)遷移到在線存儲(chǔ)為討論對(duì)象，其它情況的遷移與此類似。

圖1 電視臺(tái)節(jié)目存儲(chǔ)三級(jí)架構(gòu)

1 節(jié)目遷移需求分析

近線存儲(chǔ)方式的節(jié)目當(dāng)需要進(jìn)行播出時(shí)需要遷移到視頻服務(wù)器（在線存儲(chǔ)方式），或者對(duì)于有主備二級(jí)存儲(chǔ)的電視全臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)中，二級(jí)存儲(chǔ)之間也需要進(jìn)行節(jié)目的遷移。目前電視臺(tái)節(jié)目的遷移過(guò)程一般是基于FTP協(xié)議先下載再上傳。要實(shí)現(xiàn)遷移任務(wù)，現(xiàn)在較為通用遷移步驟如下（以近線遷移到在線為例）：（1）將近線存儲(chǔ)的節(jié)目下載到節(jié)目遷移服務(wù)器磁盤的特定目錄下。（2）將遷移服務(wù)器中已下載的節(jié)目遷移到視頻服務(wù)器（在線存儲(chǔ)），如果有主備冗余機(jī)制，則同時(shí)遷移到主備視頻服務(wù)器進(jìn)行在線存儲(chǔ)。（3）如果遷移到視頻服務(wù)器成功，則刪除自動(dòng)遷移服務(wù)器中下載的節(jié)目，完成遷移任務(wù)。

從以上步驟可以看出，遷移服務(wù)器作為中間橋梁實(shí)現(xiàn)遷移，每個(gè)節(jié)目的遷移都需要首先存入遷移服務(wù)器，完成任務(wù)后又刪除節(jié)目。由于現(xiàn)在電視臺(tái)節(jié)目一般都是大容量的音視頻文件，遷移過(guò)程中對(duì)遷移服務(wù)器要求高，要頻繁的讀寫磁盤，導(dǎo)致遷移速度慢，如果遇到臨時(shí)應(yīng)急情況，需要緊急遷移，基于以上的遷移過(guò)程在效率上得不到保證。針對(duì)先下載后上傳的遷移方法中的不足之處，對(duì)于采用分級(jí)存儲(chǔ)[3-4]的遷移系統(tǒng)功能分析如下：（1）下載和上載過(guò)程并發(fā)執(zhí)行，下載一部分文件數(shù)據(jù)的同時(shí)，上載這部分?jǐn)?shù)據(jù)到目標(biāo)存儲(chǔ)服務(wù)器，以提高遷移效率。（2）傳統(tǒng)遷移方法利用硬盤作為臨時(shí)存儲(chǔ)空間，但磁盤速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)存讀寫速度，故應(yīng)使用內(nèi)存作為臨時(shí)存儲(chǔ)空間，提高遷移的速度。（3）內(nèi)存容量的有限性，對(duì)于大容量文件，不能分配與文件大小匹配的內(nèi)存作為臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)，因而需設(shè)計(jì)一塊內(nèi)存空間供循環(huán)讀寫，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存空間的高效利用。

針對(duì)以上需求分析，在實(shí)際電視廣播工程實(shí)踐開(kāi)發(fā)中，提出了循環(huán)內(nèi)存流遷移的方式來(lái)滿足以上需求，避免了頻繁的磁盤I/O讀寫操作，設(shè)計(jì)合適的循環(huán)內(nèi)存流，能有效實(shí)現(xiàn)多個(gè)遷移任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。

2 循環(huán)內(nèi)存流設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

循環(huán)內(nèi)存流設(shè)計(jì)的基本思想是：在內(nèi)存空間中開(kāi)辟出指定大小的內(nèi)存塊（例如10M），一個(gè)Writer線程從局域網(wǎng)中某FTP服務(wù)器不斷下載數(shù)據(jù)到該內(nèi)存塊中；另一個(gè)Read線程源源不斷從內(nèi)存塊中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行遷移到局域網(wǎng)中另外的FTP服務(wù)器。兩個(gè)線程共用一塊內(nèi)存區(qū)，并能循環(huán)對(duì)此內(nèi)存區(qū)進(jìn)行讀寫。如圖2所示，沿著循環(huán)流的方向，Read線程讀取數(shù)據(jù)總在Write線程寫入之后，以保證每次能讀到數(shù)據(jù)；Write線程每次寫到流末尾，即進(jìn)行跳轉(zhuǎn)到流開(kāi)始處，從頭開(kāi)始寫入數(shù)據(jù)，Read線程與Write線程類似。為了能保證循環(huán)讀寫的順利進(jìn)行，假設(shè)每次讀寫的數(shù)據(jù)量為Count（一般為32K），每次讀數(shù)據(jù)時(shí)要求不超過(guò)已寫入數(shù)據(jù)的位置，而每次寫時(shí)要求寫入的位置的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀出，每次寫完時(shí)，總有Write線程所指向內(nèi)存流的位置比讀線程所指向位置大于或者等于Count成立。兩個(gè)線程同步進(jìn)行，不停循環(huán)進(jìn)行讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)文件基于循環(huán)內(nèi)存流的遷移過(guò)程。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的丟失和讀寫誤操作，必須進(jìn)行線程間同步，即保證讀數(shù)據(jù)之前，已經(jīng)有數(shù)據(jù)寫入，循環(huán)再次寫入時(shí)，該內(nèi)存塊數(shù)據(jù)已經(jīng)被讀出。實(shí)現(xiàn)中采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，編寫了TMemoryStream類實(shí)現(xiàn)循環(huán)內(nèi)存流，以下對(duì)循環(huán)內(nèi)存流的實(shí)際工作原理關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行闡述。

圖2 循環(huán)內(nèi)存流原理示意圖

類中部分關(guān)鍵字段定義。Memory Capacity：設(shè)定內(nèi)存流的大??；Count：每次讀出或者寫入流的大小。FPosition：本次進(jìn)行讀或者寫流的位置指針； WritePosition ：寫位置指針，指向遷移文件已經(jīng)寫入了的文件位置；ReadPosition：讀位置指針，指向遷移文件已經(jīng)讀出了的文件位置；IdMutex：保證讀寫線程同步的互斥量。例如，要實(shí)現(xiàn)從二級(jí)存儲(chǔ)A服務(wù)器遷移到一級(jí)存儲(chǔ)B視頻服務(wù)器，某次遷移的文件大小為1G，假設(shè)內(nèi)存流設(shè)置為10M，每次讀入或者寫入流的數(shù)據(jù)為32K。依據(jù)字段定義Memory Capacity為10*1024*1024（單位為字節(jié)）；Count為32768；WritePosition和ReadPosition取值范圍為0到1*1024*1024*1024（1G），且為Count的整數(shù)倍；F Position每次讀出或者寫入時(shí)需要計(jì)算，計(jì)算方法為WritePosition或者ReadPosition對(duì)F Capacity求余，這樣能順利實(shí)現(xiàn)讀寫到末尾重新從內(nèi)存流頭部開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)循環(huán)內(nèi)存流。

圖3 循環(huán)內(nèi)存流類Write方法流程

類中關(guān)鍵方法實(shí)現(xiàn)。SetCapacity方法，該方法主要在初始化內(nèi)存流時(shí)指定內(nèi)存大小，即指定MemoryCapacity大小，并用malloc函數(shù)開(kāi)辟循環(huán)內(nèi)存流所需空間。Seek方法用于實(shí)現(xiàn)每次寫入或者讀出時(shí)計(jì)算FPositon，以確定要每次進(jìn)行操作的內(nèi)存流位置。Write和Read方法分別用于下載近線存儲(chǔ)文件到內(nèi)存流和上載內(nèi)存流到在線存儲(chǔ)服務(wù)器。

由于需要并發(fā)進(jìn)行遷移，讀寫也要求并發(fā)進(jìn)行，循環(huán)內(nèi)存流設(shè)計(jì)中用IdMutex互斥量保證并發(fā)時(shí)數(shù)據(jù)讀寫的準(zhǔn)確性。以Write方法流程作為詳細(xì)闡述，簡(jiǎn)化流程如圖3，讀過(guò)程類似。進(jìn)行某次數(shù)據(jù)寫入之前，必須保證寫指針在讀指針之前，這樣做能有效保證寫入數(shù)據(jù)安全性，因而寫流程進(jìn)入后首先需要判斷是否滿足寫的條件，具體為WritePosition和ReadPosition之差是否大于或者等于Count。如果不滿足，則進(jìn)行等待，一直等不到條件成立，7秒后退出，滿足則進(jìn)入互斥量保護(hù)的寫入過(guò)程。寫過(guò)程首先找到本次要寫入的位置，然后判斷這次寫入是否在流的最后位置，如果在最后位置，最后位置又沒(méi)有Count容量供本次寫入，則需要進(jìn)行分次寫入，先寫滿流末尾部分，之后再流的開(kāi)始部分再寫入本次剩余的數(shù)據(jù)，不需要分次直接一次寫滿Count數(shù)據(jù)到內(nèi)存流。最后改變WritePosition位置，釋放互斥量，返回寫入數(shù)據(jù)量，結(jié)束寫過(guò)程。

3 測(cè)試及小結(jié)

圖4 循環(huán)內(nèi)存流遷移方法測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

圖4為測(cè)試對(duì)比結(jié)果，測(cè)試環(huán)境為兩臺(tái)FTP服務(wù)器，一臺(tái)遷移服務(wù)器，三臺(tái)機(jī)器配置如下：windowsServer2003系統(tǒng)，CPU型號(hào)為Pentium(R) Dual-Core E5200，內(nèi)存2G，F(xiàn)TP軟件為Server-U。對(duì)比先下載后上傳方法和循環(huán)內(nèi)存流遷移方法可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)內(nèi)存流效果比先下載再上傳速度要快了將近一倍。對(duì)于自動(dòng)遷移服務(wù)器來(lái)說(shuō)，采用循環(huán)內(nèi)存流的遷移方法大大減輕了遷移服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，遷移服務(wù)器可以工作更為穩(wěn)定且延長(zhǎng)磁盤使用壽命，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，基于循環(huán)內(nèi)存流的遷移系統(tǒng)能在遷移過(guò)程中實(shí)現(xiàn)任務(wù)并發(fā)操作，已經(jīng)成功在多個(gè)地方電視臺(tái)上線使用，具有較大的實(shí)際意義。

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