新视觉高清频道播出系统设计与实现

张 晶

（上海交通大学，上海 200240）

上海文广互动电视有限公司（SiTV）是上海东方传媒集团有限公司（SMG）旗下从事数字电视和业务的经营实体，是全国四大有线数字付费频道集成运营平台之一、数字电视频道运营商及多媒体内容提供商和服务商，拥有丰富的内容资源，网络资源和应用资源。作为下一代广播电视（NGB）的先行者，SiTV积极响应国家“三网融合”的总体规划，创新商业模式，提升内容品质，打造“互动”、“高清”品牌。在完善“新视觉”高清体育频道基础上，又推出4套“新视觉”系列高清轮播频道。系统采用了新的架构，较之前已开播的高清体育频道播出系统有较大区别。本文将从新视觉系列高清轮播频道播出系统的设计与实现两方面作概要论述。

1 系统设计

高清新视觉轮播频道播出系统包含了4个频道，分别是高清新视觉电影频道、高清新视觉频道、高清新视觉纪实频道和高清新视觉娱乐频道。

播出网络主要划分为存储系统（包含媒资系统和二级存储系统）、播控系统、节目素材管理及迁移系统、网络安全系统等四大模块。播出系统网络结构示意图如1所示。

整个网络结构主要采用高可靠、多链路、高带宽聚合的千兆以太网络构建，支撑系统内部视音频文件的迁移以及节目管理与控制元数据的传输。但由于节目制作及媒资系统与播出设备不在同一地点，且距离很远，因此，业务网核心媒资系统与播控系统交换机之间采用了光纤连接的方式。

核心交换机采用2台Cisco 3560G千兆交换机分别独立作为主机和备机使用，不作堆叠处理。以交换机主机为例，准备划分一个VLAN，将迁移、播控等核心播出设备都处于这个VLAN中。交换机对外通过入侵防御系统（IPS）后与SiTV网络及业务网的交换机相连。这样在一定程度上能够保护播控系统核心网络环境的安全，降低网络风暴出现的概率。

二级存储系统作为中间缓存，要求能够保存4个高清频道约10天左右的节目素材量。按照节目码流50 Mbit/s计算，每小时视频加音频的节目数据量约为21.6 Gbyte。每个频道每天更新6 h的节目量，10天的节目总容量约为5.1 Tbyte，考虑到25%的存储冗余，系统至少需要约6.4 Tbyte的容量。

另外，4个频道每天传输的节目量约为21.6 Gbyte×6×4=518.4 Gbyte，若需满足每天4 h完成节目素材迁移，二级存储系统带宽至少需要约74 Mbit/s。其中考虑到主备路视频服务器同时传输数据，节目量应按照2倍计算。若节目素材从媒资系统向二级存储传输也按照4 h迁移完成计算，则带宽需要约37 Mbit/s。理论上，播出二级存储系统总/读写混合带宽需满足111 Mbit/s。

由于采用了嵌入式音频系统，在进行视音频分离处理时，降低了因延时差异而造成的视音频不同步的情况，具有稳定性较高、便于维护的特点。对于测试中出现的嵌入式音频系统在节目切换时会产生爆裂声的问题，通过分析发现是由于切换时2路音频信号的幅度存在较大的差异引起的，利用矩阵的音频静切换技术，对2路音频信号波形衔接处进行整理就能顺利解决该问题。

2 系统实现

2.1 播出二级存储系统

媒资系统和播控系统中间缓存采用EMC公司的Celerra NS-480统一存储系统。该系统为NAS+SAN结构，用户所需的数据可不通过额外的服务器直接从存储设备给出，提高了响应性能（具有NAS的优点）。由于其中又包含SAN结构，因此在数据备份、数据迁移、灾难恢复等方面具有SAN的优点[1]。

NS-480存储系统可集成最多为480个磁盘。整个系统分为控制站、X-Blade服务器、存储处理器和磁盘阵列存储模块等部分。2个存储处理器和磁盘阵列模块之间的连接采用了4 Gbit/s光纤通道和FC-SAN方式，有效提高了存储设备的数据传输性能，保证了数据的可靠性和安全性。

X-Blade服务器中预装有DART操作系统，支持NFSv2，NFSv3，NFSv4，CIFS（SMB1 和 SMB2），FTP，FTP Secure，iSCSI，光纤通道等多种协议。视频服务器和X-Blade服务器采用千兆以太网交换机互相连接，通过FTP协议进行文件存取。整个系统即可作为传统的网络附加存储服务器使用，通过磁盘映射来共享数据。同时客户端也可以利用EMC特有的MPFS协议直接存取磁盘阵列数据，以提高设备之间数据的传输性能。

另外，由于NS-480使用了带内虚拟化存储技术，使得元数据管理和控制功能在共享的存储数据通道中完成，使系统结构更趋于简单，便于维护。

目前，在该存储系统中配备了30块450 Gbyte光纤磁盘和2个DataMover（NAS机头，每个机头有4个千兆以太网口，1个ControlStation）分别作为主备使用。当网络流量的峰值达到60%、平均利用率超过40%、碰撞超过5%时，网络即接近饱和[2]。按照峰值流量60%计算，4个千兆以太网口理论上能提供4×1 000 Mbit/s×1/8×60%=300 Mbit/s带宽，实际测试中能达到175 Mbit/s的稳定带宽。总共30块450 Gbyte磁盘，放在2个磁盘柜（DAE）中，每个DAE中15块磁盘，做Raid 5（4+1）和Raid 5（8+1）混合Raid。如图2所示，HS为热备盘，总共配置1块热备盘。

所有容量在clar_r5_performance和clar_r5_enonomy这2个存储池中，clar_r5_performance存储池容量大约为6.2 Tbyte，clar_r5_enonomy存储池容量大约为3.1 Tbyte。在这里使用了虚拟存储技术，大量的物理磁盘被虚拟成完全不同的逻辑镜像呈现给服务器主机，并利用虚拟存储卷划分的方式为服务器主机系统建立一个统一的7 Tbyte逻辑存储空间。这样做的好处是服务器主机在访问存储数据时不会只集中在几块磁盘上，可以有效地提高整个存储空间的利用率，提高磁盘整列的读写性能。

文件系统情况如表1所示。

表1 文件系统情况

当二级库存储系统故障无法启用时，可以通过人工的方式改变软件迁移策略，将迁移路径直接指向媒资系统，用以防止传输链路的中断造成的节目素材无法到位的情况。

2.2 播控系统

播控系统主要包括了Harris公司的板卡式键控器，2台Omneon公司的MediaDeck视频服务器和evertz Xenon XE4-32×32矩阵。

图3为4个高清频道的播控链路框图。

单台MediaDeck视频服务器存储模块内置8块SATA 500 Gbyte硬盘，采用Raid 6方式，有2块校验盘，允许同时2块硬盘损坏而不影响工作，总存储容量高达3 Tbyte，至少可以保存3天的节目素材。机内配置双电源、双风扇，支持热插拨。另外，系统内置2块MDM-5501板卡，每块板卡支持2路高清或标清频道，同时也支持标清和高清信号的上下变换。2个千兆以太网端口，支持FTP、SAMBA和AFP协议，对外总共可提供约87 Mbit/s的FTP传输带宽。

目前，由于播控系统采用了音频嵌入方式传送视音频数据，使系统结构更加趋于简单。键控器替代了原来台标机的功能，所选用的键控器为Harris的板卡式DSK39系列。每块DSK由1块DSK3901和1块MGI3903组成，共占用2个插槽。DSK3901控制上下键，MGI3903管理内键的台标文件。DSK支持2路外键通道和4路内键通道，能通过422控制口受控于播控软件。

2.3 节目素材管理及迁移系统

系统包含3台迁移服务器、1台迁移策略服务器、1台节目单接口服务器和1台编单工作站。

首先，包含节目元数据信息的XML文件会发送至Web服务器（节目单接口服务器），然后编单工作站会将XML文件转换成播控软件可以识别的格式并自动加载至播控软件中，迁移策略服务器会提前3天将二级存储系统中待播的节目素材通过迁移服务器加载至视频服务器中。

视频服务器、播出二级存储系统和迁移服务器通过千兆交换机连接，节目素材通过镜像软件先完成从媒资系统向播出二级存储系统的自动拷贝，然后通过迁移调度服务器，以FTP服务到服务的方式实现从二级存储系统到视频服务器的迁移。

图4为素材迁移系统数据传输示意图。

基于FTP协议的素材迁移服务器解决了目前上载工作站进行单方向的素材迁移的弊端，在很大程度上提高了工作效率[2]。同时这种方式也能有效降低视频服务器CPU的负载，使其运行更加稳定。

每台迁移服务器都安装有迁移任务处理（Actor）软件，由迁移任务管理软件（Manager）统一管理。当策略服务器发出迁移指令后，Manager会检测每台迁移服务器的当前负载情况，之后将新的迁移任务平均分配给各个Actor进行处理。

另外，迁移策略服务器会在每天下午提交删除素材拷贝任务，删除视频服务器中没有在未来3天的节目单中的素材，删除素材拷贝任务由迁移服务器来完成。

当迁移策略服务器出现故障时，节目素材将无法迁移至视频服务器中，此时需要立即重启该服务器，启动迁移策略管理软件、策略服务和串口校时软件，恢复节目素材的迁移。

2.4 数据库系统

高清播出系统中数据库服务器为1台IBM P6 550小型机。系统安装了IBM的AIX 6操作系统，内置DB2关系型数据库。通过DB2数据库，可以方便地存储和管理二级存储系统中数字化播出内容的元数据和管理信息，以便与播控软件实现无缝连接。

另外，为IBM P6 550外接1台IBM DS4800光纤磁盘阵列作为播控系统的数据库存储，配置8块300 Gbyte硬盘，其中7块做Raid 5，1块做HS热备盘。

2.5 网络安全系统

网络安全系统由1台IPS管理机和1台TippingPoint IPS 2400E服务器组成。TP 2400E能够应用于吞吐量为2 Gbit/s的网络环境中，并且延迟小于84 μm，支持200万以上的并发连接数，100万以上的每秒新建连接。它可以有效阻止针对系统漏洞的攻击，屏蔽蠕虫、病毒和间谍软件，防御DOS及DDOS攻击，阻断或限制P2P应用，达到保护应用系统、网络基础设施和系统性能的目的。

目前，高清播出网络与外部接口分为媒资系统和二级存储系统、Cisco 3560G交换机的gi0/43端口与媒资系统连接，gi0/45端口与二级存储系统互连。在IPS端口上配置了ACL控制和TP提供的默认防攻击安全策略，并且在默认策略基础上把所有危害程度为Critical的攻击全部设置为Block操作。

由于IPS是串联接入网络，并且实行一种失效即阻断机制，所以一旦IPS设备出现故障，会造成网络中断[3]。因此，当IPS服务器出现故障时，可以跳过IPS设备，把媒资系统网络和播控系统网络直连，同时把二级存储系统网络也和播控系统网络直连，保证系统链路的通畅。

3 小结

随着统一存储设备在播出系统中应用，将二级缓存集中化，在充分满足带宽需求的情况下，多个频道文件可以同时写入，服务器也可以从集中的缓存往外读取数据。通过集中存储和管理，播出系统的可靠性和性能也能得到很大提高。与此同时，数据传输方式的多样性也给未来系统扩容提供了更多选择。Omneon视频服务器也以其稳定的性能、众多可选择的扩展模块使播出系统的建设变得简单。另外，整个系统的安全性也在系统设计之初即纳入考虑范围，主动入侵防御系统的采用使核心系统网络环境的安全等级有了极大的提升。目前，新增加的4套高清轮播频道已经稳定运行了2年，给广大观众带来了稳定的播出质量和美妙的视觉享受。

[1]郑彦，李新.用SAN技术构建电视台制播存网络平台[J].电视技术，2002，26（12）：27-29.

[2]张颖.试探以太网的阻塞与解决方案[J].数字技术与应用，2011（6）：20-21.

[3]王凡.融合型IDS/IPS将成入侵防护系统主导[J].通信世界，2011（42）：31.