基于NFV的電視云播控系統(tǒng)資源調(diào)度技術(shù)應(yīng)用分析

趙 偉

（博興縣融媒體中心，山東 濱州 256500）

1 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)概述

1.1 定義與核心概念

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）是面向運營商網(wǎng)絡(luò)的一種全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)理念。NFV的核心思路是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的各種網(wǎng)絡(luò)功能從專用的硬件系統(tǒng)中抽象出來，采用完全軟件化的形式部署在通用服務(wù)器平臺上。也就是說，在NFV環(huán)境下所有網(wǎng)絡(luò)功能單元都通過軟件程序來實現(xiàn)，而這些軟件程序就是虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtualized Network Function，VNF），多個VNF可以組合起來提供完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。NFV通過數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（Data Center Network，DCN）和管理機制，將Server資源池虛擬化成一個彈性可擴展的資源池，然后根據(jù)業(yè)務(wù)部署需求將VNF自動部署到資源池中，每一個VNF都可以根據(jù)實際流量需求動態(tài)擴容和縮容[1]。將NFV技術(shù)引入傳統(tǒng)電視制播系統(tǒng)，可以促進制播系統(tǒng)向軟件定義制播（Software Defined Production and Seeding，SDPS）系統(tǒng)演進。在SDPS架構(gòu)下，通過虛擬化技術(shù)將源站、編碼、播控、監(jiān)控等功能模塊軟件化，組成可編排的制播虛擬網(wǎng)絡(luò)功能組件，構(gòu)建統(tǒng)一的虛擬資源池，云部署制播功能，將極大提高電視制播系統(tǒng)的靈活性、互操作性和資源利用效率[2]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)組件

VNF是構(gòu)成NFV框架的基礎(chǔ)模塊單元。VNF通過虛擬化技術(shù)，模擬硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的各種功能，包括但不限于防火墻、負載均衡、網(wǎng)關(guān)等。與硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不同，VNF不依賴專用硬件，其軟件代碼可以部署在商用服務(wù)器、交換機、存儲設(shè)備等標準信息技術(shù)（Information Technology，IT）基礎(chǔ)設(shè)施上。這種純軟件的虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能具有很大的靈活性。第一，軟件定義。可以通過修改代碼快速開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)功能，滿足新業(yè)務(wù)的快速部署需求。第二，硬軟件解耦。VNF可以部署在數(shù)據(jù)中心的任何位置，解耦服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)功能。第三，彈性擴展?？梢愿鶕?jù)實時流量負載動態(tài)擴容或縮容VNF。第四，自動部署。通過NFV編排機制可以自動部署和配置VNF。VNF組件構(gòu)成電視播出系統(tǒng)的虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能庫，平臺可以根據(jù)工作負載情況創(chuàng)建、組合和調(diào)度VNF，動態(tài)構(gòu)建具備云化彈性的電視播出系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)電視播控系統(tǒng)架構(gòu)和資源調(diào)度問題

2.1 傳統(tǒng)電視播控系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的電視播出系統(tǒng)基于專網(wǎng)和封閉的系統(tǒng)架構(gòu)。錄制系統(tǒng)通過高密度視頻服務(wù)器、專業(yè)編碼設(shè)備等采集和編碼各類素材，生成不同碼率和格式的媒體文件。制作系統(tǒng)使用復(fù)雜的視頻剪輯臺和導(dǎo)播設(shè)備進行節(jié)目制作和廣告包裝。播出系統(tǒng)依靠高端的播出自動化系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的節(jié)目時序表進行內(nèi)容調(diào)度和播出。信號調(diào)制系統(tǒng)使用專業(yè)硬件設(shè)備將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號以傳輸至用戶終端，內(nèi)容通過衛(wèi)星、有線電視網(wǎng)絡(luò)等專用傳輸網(wǎng)絡(luò)進行分發(fā)，用戶端則通過電視機等終端設(shè)備接收信號。各子系統(tǒng)都是封閉的，需要專業(yè)的硬件設(shè)備，而且軟件與硬件捆綁，每擴展新的頻道都需要部署一套完整的硬件系統(tǒng)。整個系統(tǒng)可擴展性較差，無法根據(jù)需求彈性調(diào)整資源配置。

2.2 傳統(tǒng)電視播控系統(tǒng)在特定場景下的資源調(diào)度問題

傳統(tǒng)的專網(wǎng)化電視播出系統(tǒng)在應(yīng)對某些特定場景時，經(jīng)常會遇到系統(tǒng)資源緊張的問題。在重大活動直播場景下，需要快速應(yīng)對突發(fā)的超大規(guī)模編碼轉(zhuǎn)碼和信號傳輸任務(wù)，而傳統(tǒng)系統(tǒng)中的編碼資源和播出帶寬都是靜態(tài)配置的，無法快速擴展，容易引起系統(tǒng)資源嚴重短缺的瓶頸狀況。在每天的黃金時段等峰值負載時間段，系統(tǒng)流量激增，而其他時段資源利用率又很低，傳統(tǒng)系統(tǒng)無法根據(jù)實時負載情況進行動態(tài)資源調(diào)度，只能按照峰值需求進行統(tǒng)一配置，導(dǎo)致系統(tǒng)總體資源利用率過低。面對越過頂端（Over The Top，OTT）視聽服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)電視等新型業(yè)務(wù)場景時，傳統(tǒng)系統(tǒng)由于架構(gòu)封閉，無法快速完成系統(tǒng)升級和新業(yè)務(wù)對接，導(dǎo)致新業(yè)務(wù)部署緩慢，制約了業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新。當系統(tǒng)需要擴容時，也需要長時間的設(shè)備采購和專網(wǎng)改造。

3 基于NFV的電視云播控系統(tǒng)資源調(diào)度技術(shù)

3.1 基于NFV的電視云播控系統(tǒng)框架

基于NFV的電視云播出系統(tǒng)總體架構(gòu)包括基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化層、VNF功能虛擬化層、管理和網(wǎng)絡(luò)編排（Management and Orchestration，MANO）統(tǒng)一管理層、應(yīng)用服務(wù)層和對外開放能力。首先，底層是運營商虛擬化的基礎(chǔ)設(shè)施，通過虛擬化技術(shù)池化IT服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等硬件資源，形成可編程、可彈性調(diào)配的虛擬機、虛擬存儲、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN）等資源池。在此之上是各類網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化實現(xiàn)模塊，通過NFV技術(shù)將源站信號采集、編碼轉(zhuǎn)碼、內(nèi)容安全審查、云導(dǎo)播調(diào)度等功能軟件化，以VNF模塊形式虛擬化電視播出網(wǎng)絡(luò)功能。其次，NFV的MANO架構(gòu)形成對基礎(chǔ)設(shè)施資源和VNF的統(tǒng)一生命周期管理，包含虛擬網(wǎng)絡(luò)功能管理器（Virtualised Network Function Manager，VNFM）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排器（Network Functions Virtualisation Orchestrator，NFVO）和VIM這3個調(diào)度子模塊。再次，應(yīng)用服務(wù)層面包括OTT平臺適配、內(nèi)容管理、業(yè)務(wù)支撐等服務(wù)能力，通過MANO框架可快速對接VNF。最后，應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）和管理門戶具有對外開放服務(wù)能力。

3.2 虛擬化資源池技術(shù)

基于NFV的電視云播出系統(tǒng)需要通過虛擬化技術(shù)構(gòu)建統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施資源池，為上層的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化模塊提供基礎(chǔ)資源支撐[3]。在計算資源方面，通過虛擬機管理程序如VMware vSphere等，在物理服務(wù)器之上創(chuàng)建多臺虛擬機實例，并構(gòu)建虛擬機資源池進行統(tǒng)一分配。存儲資源方面，利用存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)附加存儲等存儲虛擬化技術(shù)，將分布式異構(gòu)存儲設(shè)備虛擬化抽象為統(tǒng)一的虛擬存儲池，并動態(tài)分配虛擬機存儲。網(wǎng)絡(luò)資源方面，采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過控制與轉(zhuǎn)發(fā)隔離的網(wǎng)絡(luò)抽象方法構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可編程虛擬網(wǎng)絡(luò)。

資源池技術(shù)的關(guān)鍵是資源抽象化和編排自動化。資源抽象化通過虛擬化技術(shù)將服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源以統(tǒng)一的形式呈現(xiàn)；資源編排自動化則通過虛擬化管理平臺，自動部署、調(diào)度、分配資源，為上層的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化模塊提供一個靈活可編排的基礎(chǔ)設(shè)施資源池。虛擬化資源池是NFV框架中資源池化和按需調(diào)度的核心技術(shù)。在電視云播出系統(tǒng)中，可以通過虛擬化技術(shù)構(gòu)建計算資源池、存儲資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池[4]。計算資源池利用虛擬機監(jiān)控程序，在多臺物理服務(wù)器上運行虛擬機，并將這些虛擬機動態(tài)聚合，對外提供中央處理器（Central Processing Unit，CPU）和內(nèi)存資源。計算資源池規(guī)?？梢酝ㄟ^添加新服務(wù)器輕松擴充，其計算能力表征為

式中：Cpool為計算資源池的總計算能力，Cserver,i為單臺服務(wù)器的計算能力。

通過添加更多的服務(wù)器到資源池中，可以擴充計算資源池的規(guī)模。虛擬機技術(shù)通過在物理服務(wù)器上運行虛擬機監(jiān)管程序，可以模擬出多個硬件邏輯隔離的虛擬機環(huán)境，每個虛擬機內(nèi)可以運行獨立的操作系統(tǒng)，用于部署各種應(yīng)用軟件。虛擬機的優(yōu)點是提供完整封閉的系統(tǒng)環(huán)境，應(yīng)用軟件無須修改就可以直接遷移到虛擬機中運行。

3.3 資源調(diào)度算法

基于NFV的電視云播控系統(tǒng)需要實現(xiàn)電視制播業(yè)務(wù)的動態(tài)資源調(diào)度，關(guān)鍵是設(shè)計智能化的資源調(diào)度算法，設(shè)計算法有以下3種。

3.3.1 基于優(yōu)先級的調(diào)度算法

該算法根據(jù)電視播控業(yè)務(wù)的優(yōu)先級進行資源調(diào)度，重要業(yè)務(wù)擁有更高的優(yōu)先級，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)享有資源調(diào)度的優(yōu)先權(quán)。業(yè)務(wù)優(yōu)先級函數(shù)為

式中：Bi為播出業(yè)務(wù)，Llevel()為業(yè)務(wù)重要級別，Vvalue()為業(yè)務(wù)價值，w1、w2為權(quán)重系數(shù)。

3.3.2 負載預(yù)測與資源彈性調(diào)整算法

該算法首先基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM）等深度學(xué)習(xí)模型預(yù)測未來資源負載，然后根據(jù)負載情況提前進行資源的擴縮容，即

predictor=LSTMModel()

expected_load=predictor.forecast(7) # 7天負載預(yù)測

pool.scale(expected_load) # 資源池擴縮容

監(jiān)測VNF運行負載，當超過閾值時觸發(fā)Scale Out增加VNF實例，負載下降時觸發(fā)Scale In減少實例，達到資源彈性伸縮的目的。

3.3.3 基于QoS的調(diào)度算法

算法根據(jù)業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求和資源池可用性，查找滿足QoS的最佳資源配置方案。以編碼轉(zhuǎn)碼VNF為例，資源調(diào)度器會預(yù)先與電視播出業(yè)務(wù)建立服務(wù)級別協(xié)議（Service Level Agreement，SLA），定義業(yè)務(wù)的QoS指標閾值，如編轉(zhuǎn)碼過程的編碼延遲不超過200 ms、丟包率低于0.5%等。然后，調(diào)度器通過探針不斷監(jiān)測實際QoS數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)有指標不符合SLA要求，如轉(zhuǎn)碼延遲上升到500 ms，則會觸發(fā)調(diào)度器進行這條業(yè)務(wù)鏈路的資源重新分配，以滿足其SLA目標[5]。此外，調(diào)度器還會持續(xù)優(yōu)化SLA目標，逐步提升系統(tǒng)資源利用效率。

4 結(jié)語

電視行業(yè)正經(jīng)歷從傳統(tǒng)播出模式向網(wǎng)絡(luò)云播的轉(zhuǎn)型升級。NFV技術(shù)通過虛擬化分離網(wǎng)絡(luò)功能的軟硬件，大大提升電視播出系統(tǒng)的靈活性和資源利用效率，幫助電視行業(yè)應(yīng)對數(shù)字化轉(zhuǎn)型的艱難挑戰(zhàn)。電視運營商應(yīng)制定出清晰的云化策略規(guī)劃，并采取循序漸進的技術(shù)路線，做好組織流程和商業(yè)模式的匹配調(diào)整。系統(tǒng)架構(gòu)的演進需要與用戶需求和業(yè)務(wù)模式改革相適應(yīng)，向用戶提供更加個性化的服務(wù)體驗。