某廣播電視臺(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

劉超杰

（定興縣廣播電視臺(tái)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(jìn)的發(fā)展，電視信號(hào)的呈現(xiàn)逐步由標(biāo)準(zhǔn)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(tái)的轉(zhuǎn)播技術(shù)也提出了越來越高的要求。特別時(shí)隨著移動(dòng)終端和移動(dòng)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(tái)帶來了較大挑戰(zhàn)。

從單位職能看，定興縣廣播電視臺(tái)作為保定市的主流媒體，為了能夠跟上當(dāng)前新媒體技術(shù)發(fā)展步伐，擴(kuò)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(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)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(tái)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(duì)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(biāo)，因此，定興縣廣播電視臺(tái)需要設(shè)計(jì)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(dāng)具備接入大量衛(wèi)星電視節(jié)目并進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼輸出的能力，同時(shí)也要保證轉(zhuǎn)碼平臺(tái)接入網(wǎng)絡(luò)后的視頻質(zhì)量。

2 廣播電視臺(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合整個(gè)定興縣廣播電視臺(tái)的實(shí)際業(yè)務(wù)，日常的電視臺(tái)的信號(hào)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(hào)源的輸入部分需要加入衛(wèi)星高清接收機(jī)，對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)播的信號(hào)源進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)解調(diào)。由于節(jié)目源的數(shù)量較多，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)節(jié)目源的統(tǒng)一調(diào)度和管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jī)將各種信號(hào)源的解調(diào)設(shè)備進(jìn)行連接，經(jīng)交換機(jī)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(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)見圖1所示。從該廣播電視臺(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖可以看出，整個(gè)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)主要由信號(hào)接收調(diào)度、云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群、后端平臺(tái)以及匯聚交換機(jī)幾大部分構(gòu)成。

2.2 云轉(zhuǎn)碼平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)接收調(diào)度模塊

信號(hào)接收調(diào)度模塊主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)源的接收處理，定興縣廣播電視臺(tái)目前建設(shè)有數(shù)十面衛(wèi)星天線，可以接收幾十個(gè)衛(wèi)星的極化信號(hào)，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(hào)傳輸至衛(wèi)星機(jī)房，為了實(shí)現(xiàn)多路衛(wèi)星信號(hào)的切換和調(diào)度，通過采用切換矩陣將衛(wèi)星信號(hào)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活高效的輸入至相應(yīng)的衛(wèi)星高清接收機(jī)中，然后通過機(jī)房的信源匯聚交換機(jī)和網(wǎng)管交換機(jī)對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行匯聚，最后送入云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群進(jìn)一步處理。

圖1：定興縣廣播電視臺(tái)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(gè)廣播電視臺(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的核心模塊，結(jié)合定興縣廣播電視臺(tái)關(guān)于云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)業(yè)務(wù)的實(shí)際建設(shè)規(guī)劃需求，目前只是主要完成多路固定信號(hào)源的實(shí)時(shí)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(duì)云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群進(jìn)行設(shè)計(jì)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(hào)接收調(diào)度模塊所傳輸過來的信號(hào)源數(shù)量較多，按照定興縣廣播電視臺(tái)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(tái)刀片式服務(wù)器用于安裝相應(yīng)的網(wǎng)管軟件，1 臺(tái)用于數(shù)據(jù)備份，其余16 臺(tái)刀片式服務(wù)器用于進(jìn)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(jī)，因此，根據(jù)配置需求，每臺(tái)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(jī)相連，較好的實(shí)現(xiàn)傳輸線路數(shù)據(jù)的冗余保護(hù)以及負(fù)載均衡控制，具體的刀片服務(wù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(hào)流進(jìn)行有效隔離，刀片式服務(wù)器中的內(nèi)置交換機(jī)主要是通過采取VLAN 隔離的方式進(jìn)行相應(yīng)處理，即將輸入、輸出、管理信號(hào)劃分到不同的VLAN 中，從而使得整個(gè)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)中的內(nèi)部信號(hào)走向明確，進(jìn)而可以較好的保證輸入信號(hào)、輸出信號(hào)以及控制信號(hào)互不影響。同時(shí)，通過將備份視頻轉(zhuǎn)碼虛擬機(jī)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(jī)分離，進(jìn)而能夠有效保證當(dāng)備份虛擬機(jī)發(fā)生故障時(shí)，主用設(shè)備不會(huì)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(jì)

在整個(gè)定興縣廣播電視臺(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，由于組播源（即信號(hào)源）多，接收設(shè)備相對(duì)分散的特點(diǎn)，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(jìn)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(jìn)行PIM-SM 協(xié)議的配置，可以較好的實(shí)現(xiàn)底層路由互通，同時(shí)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(duì)其進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)而形成相應(yīng)對(duì)單播路由表，實(shí)現(xiàn)對(duì)組播數(shù)據(jù)的有序轉(zhuǎn)發(fā)。

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

由于整個(gè)定興縣廣播電視臺(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)需要具備大量的視頻流進(jìn)行輸出，依據(jù)木桶效應(yīng)的相關(guān)理論知識(shí)，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(jì)中可知，主要采用的是基于PIM 的協(xié)議，由于本協(xié)議在對(duì)組播路由的計(jì)算，主要是通過利用單播路由表對(duì)系統(tǒng)接收的路由信息執(zhí)行的組播報(bào)文進(jìn)行檢查，待檢查通過后即可按照組播路由表中的相關(guān)項(xiàng)實(shí)現(xiàn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，此種模式針對(duì)系統(tǒng)實(shí)際鏈路的擁塞問題容易忽視。

結(jié)合設(shè)計(jì)可知，通過云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群輸出至后端平臺(tái)的傳輸網(wǎng)絡(luò)中，主要采取的是PIM-SM 模式對(duì)節(jié)目流進(jìn)行傳輸，在此模式中匯聚點(diǎn)（RP）主要用于對(duì)各組播信號(hào)源的具體組播信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此，在匯聚點(diǎn)容易引發(fā)擁塞。通常情況下，為了減輕單個(gè)匯聚點(diǎn)中所傳輸?shù)男畔⒘髁浚槍?duì)不同組播地址會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)多個(gè)匯聚點(diǎn)。高清信號(hào)接收機(jī)在接收到由匯聚點(diǎn)所傳輸過來的組播流量后，即可向匯聚點(diǎn)發(fā)起相應(yīng)的剪枝操作。在單播路由計(jì)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(jìn)行動(dòng)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(huì)切換至剩余的空閑鏈路。

為了組播路由能夠?qū)崟r(shí)適應(yīng)鏈路狀態(tài)所發(fā)生的相應(yīng)變化，就需要對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的組播路由算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。通過結(jié)合定興縣廣播電視臺(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的實(shí)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(jìn)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(jì)見圖3所示。從該算法工作流程圖可知，為了能夠當(dāng)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，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(jìn)而通過轉(zhuǎn)移概率計(jì)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(dòng)數(shù)k 值為0，次數(shù)k=k+1，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)移概率計(jì)算，計(jì)算完成后即可進(jìn)行禁忌表的修改，每只螞蟻會(huì)對(duì)走過的路徑進(jìn)行信息濃度的更新，更新后的信息濃度矩陣對(duì)下一次媽蟻選路作出反饋，并最終對(duì)組播路由表結(jié)果進(jìn)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(duì)整個(gè)定興縣廣播電視臺(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)的總體架構(gòu)以及所需硬件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，整個(gè)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)主要由信號(hào)接收調(diào)度、云轉(zhuǎn)碼服務(wù)器群、后端平臺(tái)以及匯聚交換機(jī)幾大部分構(gòu)成，進(jìn)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(jì)出來的定興縣廣播電視臺(tái)云轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)向用戶傳輸海量多格式實(shí)時(shí)視頻流的需求。