直播衛(wèi)星流媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)析

劉帥

(國(guó)家廣播電視總局廣播電視衛(wèi)星直播管理中心，北京 100866

1 引言

直播衛(wèi)星廣播電視具有覆蓋范圍廣、覆蓋成本低、傳輸內(nèi)容可管可控等優(yōu)勢(shì)。為更好滿足人民群眾對(duì)美好生活的新期待，提升廣播電視服務(wù)質(zhì)量和水平，國(guó)家廣電總局衛(wèi)星直播中心推出了衛(wèi)星直播高清終端。截至目前，直播衛(wèi)星用戶主要收看的是中央電視臺(tái)和各省級(jí)衛(wèi)視的電視節(jié)目，其中包括30余套高清電視節(jié)目，受到群眾喜愛(ài)。為滿足用戶日益增長(zhǎng)的收視需求，需要不斷擴(kuò)大直播衛(wèi)星平臺(tái)上的內(nèi)容供給。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，流媒體技術(shù)現(xiàn)已較為成熟，具有造價(jià)低廉和靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠克服傳統(tǒng)廣播傳輸系統(tǒng)的缺點(diǎn)，因此，直播衛(wèi)星智能終端、傳輸平臺(tái)和流媒體應(yīng)用在技術(shù)上可以形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。本文結(jié)合適配流媒體的業(yè)務(wù)封裝形式，通過(guò)設(shè)計(jì)直播衛(wèi)星傳輸?shù)牧髅襟w業(yè)務(wù)智能切片分發(fā)機(jī)制，將引入的流媒體內(nèi)容封裝為廣播流，經(jīng)直播衛(wèi)星傳送至智能終端，終端接收到信號(hào)后，將廣播流還原為媒體流進(jìn)行解碼播放。此業(yè)務(wù)應(yīng)用通過(guò)不斷引入流媒體內(nèi)容，可以面向廣大農(nóng)村地區(qū)提供生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)服務(wù)、天氣預(yù)報(bào)、疫情防控等重要信息使用戶能夠及時(shí)了解最新的信息咨詢，有效解決廣大農(nóng)村地區(qū)用戶的使用需求。

2 直播衛(wèi)星流媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和組網(wǎng)架構(gòu)

總體目標(biāo)是將流媒體內(nèi)容通過(guò)打包播出系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)碼流以數(shù)據(jù)廣播方式傳送到直播衛(wèi)星TVOS 智能終端后，通過(guò)流媒體數(shù)據(jù)廣播應(yīng)用進(jìn)行內(nèi)容還原和收看。內(nèi)容提供商完成內(nèi)容的編排處理，以實(shí)時(shí)流的方式，采用UDP-TS或RTMP等協(xié)議，通過(guò)數(shù)據(jù)專線傳送給衛(wèi)星直播管理中心，中心通過(guò)設(shè)置DMZ 區(qū)完成信號(hào)的安全接收和節(jié)目監(jiān)測(cè)，將信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成UDP-TS 信號(hào)進(jìn)入播控核心區(qū)，通過(guò)流媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)對(duì)UDP-TS 信號(hào)進(jìn)行業(yè)務(wù)編排、數(shù)據(jù)打包及播發(fā)等處理，生成TS OVER ASI 信號(hào)，配合中心現(xiàn)有前端系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)用加擾、調(diào)制上星傳輸。直播衛(wèi)星TVOS智能終端通過(guò)EPG 菜單進(jìn)行流媒體內(nèi)容的選擇、觀看。組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 直播衛(wèi)星流媒體數(shù)據(jù)廣播組網(wǎng)架構(gòu)圖

2.2 流媒體內(nèi)容編排和處理

流媒體內(nèi)容提供商負(fù)責(zé)內(nèi)容的編排，并對(duì)內(nèi)容的安全、合規(guī)性負(fù)責(zé)，最終將內(nèi)容以實(shí)時(shí)流的方式通過(guò)專線傳輸。傳輸協(xié)議采用UDP-TS 組播或單播，使用RTMP 協(xié)議傳輸，推送或拉取視具體情況而定。視音頻參數(shù)要能夠滿足終端解碼能力。

衛(wèi)星直播管理中心負(fù)責(zé)安全的接收內(nèi)容提供商的實(shí)時(shí)流信號(hào)，并通過(guò)流媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)分組、打包、播發(fā)等處理，處理后的信號(hào)以TS 流方式進(jìn)入現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)用加擾、調(diào)制上星傳輸。為了保障內(nèi)容的安全性和完整性，衛(wèi)星直播管理中心不對(duì)內(nèi)容提供商的信號(hào)做內(nèi)容編排處理，只進(jìn)行信號(hào)協(xié)議及視音頻格式的轉(zhuǎn)換。

3 直播衛(wèi)星流媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 建立DMZ區(qū)

DMZ 區(qū)為安全接收區(qū)，流媒體內(nèi)容提供商通過(guò)數(shù)據(jù)專線傳輸?shù)叫l(wèi)星直播中心后，在該區(qū)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)和安全接收，保證接收的實(shí)時(shí)流節(jié)目符合廣電級(jí)播出標(biāo)準(zhǔn)。

（1）節(jié)目監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

包含碼流監(jiān)測(cè)和畫(huà)面監(jiān)測(cè)兩部分。碼流監(jiān)測(cè)主要對(duì)信號(hào)碼流層面進(jìn)行分析，包含完整的TR101 290標(biāo)準(zhǔn)的三級(jí)檢錯(cuò)信息，支持PSI/SI 表解析，對(duì)PCR、PES進(jìn)行精準(zhǔn)分析，及媒體丟包速率MLR等分析。

畫(huà)面監(jiān)測(cè)主要針對(duì)節(jié)目播出畫(huà)面進(jìn)行黑場(chǎng)、靜幀、視頻丟失、視頻解碼異常、彩場(chǎng)、彩條等視頻故障監(jiān)測(cè)，以及音頻丟失、靜音、音量過(guò)高、音量過(guò)低等音頻故障監(jiān)測(cè)。

（2）流媒體協(xié)議網(wǎng)關(guān)

對(duì)于RTMP 等互聯(lián)網(wǎng)流媒體協(xié)議的接收，采用流媒體網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成UDP-TS 格式信號(hào)，完成從面向連接的協(xié)議轉(zhuǎn)換成為面向無(wú)連接的協(xié)議，保證安全可靠接收。流媒體網(wǎng)關(guān)支持TS-HTTP、TS-RTP、HTTP-FLV、RTSP、RTMP-FLV 等主流媒體封裝協(xié)議輸入，支持 TS-UDP，TS-RTP，HTTP-TS，RT‐SP-RTP，RTMP-FLV，HTTP-FLV，HLS 等主流媒體封裝協(xié)議輸出。

（3）設(shè)立UDP網(wǎng)閘

對(duì)于流媒體內(nèi)容提供商的UDP-TS 信號(hào)，或者將RTMP 等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)成的UDP-TS 信號(hào)，通過(guò)UDP網(wǎng)閘設(shè)備進(jìn)入衛(wèi)星直播管理中心機(jī)房核心區(qū)，UDP網(wǎng)閘能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)隔離，保證內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)及處理系統(tǒng)安全。

UDP 網(wǎng)閘設(shè)備采用三主機(jī)配置——內(nèi)網(wǎng)處理單元、外網(wǎng)處理單元、隔離與交換控制單元，三個(gè)單元互相獨(dú)立，不能互相進(jìn)行任何通信，充分保證內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)的安全。

網(wǎng)閘硬件層直接丟棄所有TCP協(xié)議報(bào)文，可以使跟TCP 相關(guān)的所有攻擊無(wú)效，比如SYN 泛洪攻擊、掃描攻擊、DDOS 攻擊等；同時(shí)采用硬件協(xié)議棧處理所有ARP、ICMP、IGMP 通信協(xié)議，可以100%應(yīng)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)耗資源的攻擊，比如ICMP泛洪攻擊，處理性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連接能力。ARP 攻擊可通過(guò)靜態(tài)ARP 解決，防止ARP欺騙。

3.2 流媒體數(shù)據(jù)廣播前端系統(tǒng)

流媒體數(shù)據(jù)廣播前端系統(tǒng)主要由三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成：業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)、打包子系統(tǒng)、播出子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的功能及數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖2所示。

圖2 直播衛(wèi)星流媒體數(shù)據(jù)廣播前端系統(tǒng)功能關(guān)系

（1）業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)提供WEB 頁(yè)面和用戶進(jìn)行交互，可以快速配置終端需要播發(fā)的數(shù)據(jù)流。主要功能包括操作員管理、角色管理、菜單管理、素材管理、業(yè)務(wù)/節(jié)目組管理、播發(fā)管理和運(yùn)維管理。

（2）打包子系統(tǒng)

打包子系統(tǒng)目前只處理封裝修改版的數(shù)據(jù)輪放（Data Carousel），即直播版DC 包，不生成SDT、PAT、PMT表內(nèi)容，這些表內(nèi)容將由播發(fā)系統(tǒng)生成。整體的打包子系統(tǒng)的流程如圖3所示。

圖3 流媒體數(shù)據(jù)廣播打包子系統(tǒng)功能流程圖

（3）播出子系統(tǒng)

播出子系統(tǒng)接收所有打包系統(tǒng)的輸出結(jié)果，將這些數(shù)據(jù)合并，同時(shí)定期向流中注入生成的SDT、PAT、PMT表。

3.3 流媒體數(shù)據(jù)廣播終端組件

直播衛(wèi)星智能終端需要集成流媒體數(shù)據(jù)廣播終端組件，來(lái)接收觀看引入的流媒體數(shù)據(jù)廣播內(nèi)容。終端組件方案如下：

（1）終端組件架構(gòu)

流媒體數(shù)據(jù)廣播終端組件的軟件架構(gòu)如圖4 所示，包括界面應(yīng)用、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)組織、播出管理、分發(fā)管理等模塊，應(yīng)用提供了完善的移植接口，用于直播衛(wèi)星智能終端集成。

圖4 流媒體數(shù)據(jù)廣播終端組件軟件架構(gòu)圖

（2）業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)

流媒體數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)的描述完全符合DVB 標(biāo)準(zhǔn)，為了便于外部識(shí)別此類業(yè)務(wù)，采用專用的ser‐vice_type 來(lái)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。終端在執(zhí)行節(jié)目搜索的過(guò)程中，通過(guò)SDT 表進(jìn)行檢索，其中service_type 為0xA0的業(yè)務(wù)，即為流媒體數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)。

通過(guò)搜索該service 對(duì)應(yīng)的PMT 表，可以獲得該業(yè)務(wù)所包含的流媒體數(shù)據(jù)廣播節(jié)目。

每個(gè)流媒體數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)可以包含多個(gè)流媒體數(shù)據(jù)廣播節(jié)目。

（3）數(shù)據(jù)處理

終端應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)處理部分采用服務(wù)端、客戶端架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

（4）客戶端提供的對(duì)外接口

客戶端主要提供兩類對(duì)外接口，一類是流媒體數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)信息獲取接口，它可一次性獲取所有業(yè)務(wù)的信息，也可獲取指定service_id 下的業(yè)務(wù)信息；另一類是節(jié)目播放相關(guān)接口，包括播放器的創(chuàng)建與銷毀、播放器的設(shè)置及播放控制，同時(shí)也提供播放事件的消息通知。這些接口主要用于供外部應(yīng)用播放指定流媒體數(shù)據(jù)廣播節(jié)目，播放指定節(jié)目需要傳入的參數(shù)可由業(yè)務(wù)信息獲取接口取得。

（5）服務(wù)端處理流程

服務(wù)端作為開(kāi)機(jī)自啟動(dòng)的服務(wù)，有自己的主要運(yùn)行流程，該流程用于維護(hù)業(yè)務(wù)信息和管理數(shù)據(jù)庫(kù)，以便隨時(shí)向客戶端提供最新的業(yè)務(wù)信息。首先進(jìn)行業(yè)務(wù)信息接收，解析處理每個(gè)ES PID來(lái)獲取該P(yáng)MT下所有節(jié)目的信息。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將獲取到的流媒體廣播節(jié)目數(shù)據(jù)播發(fā)到指定的URL，流媒體終端軟件負(fù)責(zé)生成URL，當(dāng)外部應(yīng)用請(qǐng)求播放時(shí)，客戶端會(huì)啟動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理流程并啟動(dòng)播放器開(kāi)始播放，按照頻道列表和播放地址播放相應(yīng)的流媒體數(shù)據(jù)廣播內(nèi)容。

4 結(jié)論

隨著直播衛(wèi)星事業(yè)的高質(zhì)量創(chuàng)新性發(fā)展，直播衛(wèi)星智能終端將逐步迭代升級(jí)，需要不斷開(kāi)拓新型業(yè)務(wù)，以滿足廣大用戶的使用需求。流媒體技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，且具有媒體資源豐富、信息咨詢實(shí)用、貼近百姓生活的特點(diǎn)，因此直播衛(wèi)星流媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)的應(yīng)用將為信息流的傳遞帶來(lái)系統(tǒng)性的變化，對(duì)用戶的工作和生活也將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本文提出的直播衛(wèi)星流媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，旨在說(shuō)明一種可行的技術(shù)方案，以滿足直播衛(wèi)星業(yè)務(wù)拓展的需要。后續(xù)要考慮當(dāng)前智能終端和規(guī)劃的新型智能終端的硬件配置和支撐能力等綜合因素，在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)進(jìn)行大量的技術(shù)驗(yàn)證，提升流媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)的安全性和可靠性，為用戶提供更多更優(yōu)質(zhì)的流媒體內(nèi)容，提升用戶收視體驗(yàn)。