基于NFV的电视云播控系统资源调度技术应用分析

赵 伟

（博兴县融媒体中心，山东 滨州 256500）

1 网络功能虚拟化技术概述

1.1 定义与核心概念

网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）是面向运营商网络的一种全新网络架构理念。NFV的核心思路是将网络设备上的各种网络功能从专用的硬件系统中抽象出来，采用完全软件化的形式部署在通用服务器平台上。也就是说，在NFV环境下所有网络功能单元都通过软件程序来实现，而这些软件程序就是虚拟网络功能（Virtualized Network Function，VNF），多个VNF可以组合起来提供完整的网络服务。NFV通过数据中心网络（Data Center Network，DCN）和管理机制，将Server资源池虚拟化成一个弹性可扩展的资源池，然后根据业务部署需求将VNF自动部署到资源池中，每一个VNF都可以根据实际流量需求动态扩容和缩容[1]。将NFV技术引入传统电视制播系统，可以促进制播系统向软件定义制播（Software Defined Production and Seeding，SDPS）系统演进。在SDPS架构下，通过虚拟化技术将源站、编码、播控、监控等功能模块软件化，组成可编排的制播虚拟网络功能组件，构建统一的虚拟资源池，云部署制播功能，将极大提高电视制播系统的灵活性、互操作性和资源利用效率[2]。

1.2 关键技术组件

VNF是构成NFV框架的基础模块单元。VNF通过虚拟化技术，模拟硬件网络设备中的各种功能，包括但不限于防火墙、负载均衡、网关等。与硬件网络设备不同，VNF不依赖专用硬件，其软件代码可以部署在商用服务器、交换机、存储设备等标准信息技术（Information Technology，IT）基础设施上。这种纯软件的虚拟化网络功能具有很大的灵活性。第一，软件定义。可以通过修改代码快速开发新的网络功能，满足新业务的快速部署需求。第二，硬软件解耦。VNF可以部署在数据中心的任何位置，解耦服务器和网络功能。第三，弹性扩展。可以根据实时流量负载动态扩容或缩容VNF。第四，自动部署。通过NFV编排机制可以自动部署和配置VNF。VNF组件构成电视播出系统的虚拟化网络功能库，平台可以根据工作负载情况创建、组合和调度VNF，动态构建具备云化弹性的电视播出系统。

2 传统电视播控系统架构和资源调度问题

2.1 传统电视播控系统架构

传统的电视播出系统基于专网和封闭的系统架构。录制系统通过高密度视频服务器、专业编码设备等采集和编码各类素材，生成不同码率和格式的媒体文件。制作系统使用复杂的视频剪辑台和导播设备进行节目制作和广告包装。播出系统依靠高端的播出自动化系统根据预先设置的节目时序表进行内容调度和播出。信号调制系统使用专业硬件设备将数字信号调制成模拟信号以传输至用户终端，内容通过卫星、有线电视网络等专用传输网络进行分发，用户端则通过电视机等终端设备接收信号。各子系统都是封闭的，需要专业的硬件设备，而且软件与硬件捆绑，每扩展新的频道都需要部署一套完整的硬件系统。整个系统可扩展性较差，无法根据需求弹性调整资源配置。

2.2 传统电视播控系统在特定场景下的资源调度问题

传统的专网化电视播出系统在应对某些特定场景时，经常会遇到系统资源紧张的问题。在重大活动直播场景下，需要快速应对突发的超大规模编码转码和信号传输任务，而传统系统中的编码资源和播出带宽都是静态配置的，无法快速扩展，容易引起系统资源严重短缺的瓶颈状况。在每天的黄金时段等峰值负载时间段，系统流量激增，而其他时段资源利用率又很低，传统系统无法根据实时负载情况进行动态资源调度，只能按照峰值需求进行统一配置，导致系统总体资源利用率过低。面对越过顶端（Over The Top，OTT）视听服务、互联网电视等新型业务场景时，传统系统由于架构封闭，无法快速完成系统升级和新业务对接，导致新业务部署缓慢，制约了业务模式创新。当系统需要扩容时，也需要长时间的设备采购和专网改造。

3 基于NFV的电视云播控系统资源调度技术

3.1 基于NFV的电视云播控系统框架

基于NFV的电视云播出系统总体架构包括基础设施虚拟化层、VNF功能虚拟化层、管理和网络编排（Management and Orchestration，MANO）统一管理层、应用服务层和对外开放能力。首先，底层是运营商虚拟化的基础设施，通过虚拟化技术池化IT服务器、存储、网络等硬件资源，形成可编程、可弹性调配的虚拟机、虚拟存储、软件定义网络（Software Defined Networking，SDN）等资源池。在此之上是各类网络功能的虚拟化实现模块，通过NFV技术将源站信号采集、编码转码、内容安全审查、云导播调度等功能软件化，以VNF模块形式虚拟化电视播出网络功能。其次，NFV的MANO架构形成对基础设施资源和VNF的统一生命周期管理，包含虚拟网络功能管理器（Virtualised Network Function Manager，VNFM）、网络功能虚拟化编排器（Network Functions Virtualisation Orchestrator，NFVO）和VIM这3个调度子模块。再次，应用服务层面包括OTT平台适配、内容管理、业务支撑等服务能力，通过MANO框架可快速对接VNF。最后，应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）和管理门户具有对外开放服务能力。

3.2 虚拟化资源池技术

基于NFV的电视云播出系统需要通过虚拟化技术构建统一的基础设施资源池，为上层的网络功能虚拟化模块提供基础资源支撑[3]。在计算资源方面，通过虚拟机管理程序如VMware vSphere等，在物理服务器之上创建多台虚拟机实例，并构建虚拟机资源池进行统一分配。存储资源方面，利用存储区域网络和网络附加存储等存储虚拟化技术，将分布式异构存储设备虚拟化抽象为统一的虚拟存储池，并动态分配虚拟机存储。网络资源方面，采用软件定义网络技术，通过控制与转发隔离的网络抽象方法构建基于网络覆盖的可编程虚拟网络。

资源池技术的关键是资源抽象化和编排自动化。资源抽象化通过虚拟化技术将服务器、存储和网络资源以统一的形式呈现；资源编排自动化则通过虚拟化管理平台，自动部署、调度、分配资源，为上层的网络功能虚拟化模块提供一个灵活可编排的基础设施资源池。虚拟化资源池是NFV框架中资源池化和按需调度的核心技术。在电视云播出系统中，可以通过虚拟化技术构建计算资源池、存储资源池和网络资源池[4]。计算资源池利用虚拟机监控程序，在多台物理服务器上运行虚拟机，并将这些虚拟机动态聚合，对外提供中央处理器（Central Processing Unit，CPU）和内存资源。计算资源池规模可以通过添加新服务器轻松扩充，其计算能力表征为

式中：Cpool为计算资源池的总计算能力，Cserver,i为单台服务器的计算能力。

通过添加更多的服务器到资源池中，可以扩充计算资源池的规模。虚拟机技术通过在物理服务器上运行虚拟机监管程序，可以模拟出多个硬件逻辑隔离的虚拟机环境，每个虚拟机内可以运行独立的操作系统，用于部署各种应用软件。虚拟机的优点是提供完整封闭的系统环境，应用软件无须修改就可以直接迁移到虚拟机中运行。

3.3 资源调度算法

基于NFV的电视云播控系统需要实现电视制播业务的动态资源调度，关键是设计智能化的资源调度算法，设计算法有以下3种。

3.3.1 基于优先级的调度算法

该算法根据电视播控业务的优先级进行资源调度，重要业务拥有更高的优先级，高优先级业务享有资源调度的优先权。业务优先级函数为

式中：Bi为播出业务，Llevel()为业务重要级别，Vvalue()为业务价值，w1、w2为权重系数。

3.3.2 负载预测与资源弹性调整算法

该算法首先基于长短期记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）等深度学习模型预测未来资源负载，然后根据负载情况提前进行资源的扩缩容，即

predictor=LSTMModel()

expected_load=predictor.forecast(7) # 7天负载预测

pool.scale(expected_load) # 资源池扩缩容

监测VNF运行负载，当超过阈值时触发Scale Out增加VNF实例，负载下降时触发Scale In减少实例，达到资源弹性伸缩的目的。

3.3.3 基于QoS的调度算法

算法根据业务流的服务质量（Quality of Service，QoS）需求和资源池可用性，查找满足QoS的最佳资源配置方案。以编码转码VNF为例，资源调度器会预先与电视播出业务建立服务级别协议（Service Level Agreement，SLA），定义业务的QoS指标阈值，如编转码过程的编码延迟不超过200 ms、丢包率低于0.5%等。然后，调度器通过探针不断监测实际QoS数据，一旦发现有指标不符合SLA要求，如转码延迟上升到500 ms，则会触发调度器进行这条业务链路的资源重新分配，以满足其SLA目标[5]。此外，调度器还会持续优化SLA目标，逐步提升系统资源利用效率。

4 结语

电视行业正经历从传统播出模式向网络云播的转型升级。NFV技术通过虚拟化分离网络功能的软硬件，大大提升电视播出系统的灵活性和资源利用效率，帮助电视行业应对数字化转型的艰难挑战。电视运营商应制定出清晰的云化策略规划，并采取循序渐进的技术路线，做好组织流程和商业模式的匹配调整。系统架构的演进需要与用户需求和业务模式改革相适应，向用户提供更加个性化的服务体验。