虚拟化在广电监测业务的应用研究

董亮+林旭栋+卢南琼

摘 要： 针对广电监测中心在三网融合的大背景下，从阐述虚拟化基本架构和原理入手，通过分析未经虚拟化升级改造的监测系统运行中所碰到的多个问题，研究借助高可用的云计算技术开展广电监测系统平台的升级改造和优化。在保证原有监测业务不受影响的前提下，提升系统运行稳定性及整体效率，节能降耗。对未来广播电视监测业务与云计算技术的融合进行了展望。

关键词： 云计算； 广电监测； 虚拟化； 高可用

中图分类号：G229.27 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）08-35-04

Abstract： Based on the background of integration of three networks in broadcasting and television monitoring center， starting with the basic architecture and principles of virtualization， this paper analyzes the problems encountered in the operation of the monitoring system without virtualization， and studies the upgrading and optimizing of the broadcasting and television monitoring system platform with high availability cloud computing technology， on the premise that the original monitoring business is not affected， to improve the operation stability and overall efficiency of the system， as well as energy saving. And the integration of future broadcasting and television monitoring business and cloud computing is prospected.

Key words： cloud computing； broadcasting and television monitoring； virtualization； high availability

0 引言

当前非常热门的虚拟化技术其实已经有数十年发展的历史。个人用户端主流虚拟机产品主要包含VMware的Workstation、微软的Virtual PC、Oracle的VirtualBox等等。这类虚拟机的主要特征是，在拥有可以实现虚拟化的硬件基础上，需要先安装主机操作系统（Windows或Linux），即“宿主机”，之后在宿主机上安装虚拟机软件，再在虚拟机软件中创建 “虚拟操作系统”。这种虚拟化结构一般被称为“寄居架构”[1]，虚拟机软件无法独立运行，需要存在于宿主机底层操作系统之上，虚拟操作系统运行时，将运算指令提交给虚拟机软件，再由虚拟机软件提交给宿主机底层操作系统控制计算机硬件执行，并将结果沿运算请求提交路径逆向返回给虚拟操作系统。如图1所示。

寄居架构的优点是硬件兼容性好，这类架构对硬件的要求也较低。寄居架构的缺点也很明显。首先，当宿主操作系统出现问题时，一个虚拟软件上的多个虚拟操作系统将同时无法使用。其次，虚拟操作系统的运行效率较低，无法用于高负荷的生产环境。所以这种虚拟架构也仅适用于个人用户，无法满足企业用户的需求[2]。

而企业级的虚拟化平台主要采用原生架构，又被称为“裸金属架构”[1]，这类架构与寄居架构最大的区别在于它并不需要传统意义上的宿主机底层操作系统，继而以一种被称为“Hypervisor”的虚拟机管理程序的形式接管物理硬件所能提供的所有运算、存储、网络等资源，并在Hypervisor之上直接承载各个虚拟操作系统，如图2所示。

这类架构的最大优点即是虚拟操作系统跟贴近底层硬件资源，由于原生架构减少了宿主操作系统这一中间环节，极大程度地避免了运算指令多次传递所造成的性能损耗，也最大程度地使虚拟操作系统获得最多的系统运行资源。又因为Hypervisor仅负责和上层的虚拟操作系统沟通及对下层的硬件资源进行协调，故运行稳定性极高[4]。

1 广电监测平台虚拟化应用研究

笔者工作的单位主要是从事传统广播电视播出质量及安全播出监测的业务，对本市各广播电视播出机构所播出的节目按相关要求进行实时监看及一段时间的节目收录保存，拥有独立的监测平台，主要由监测前端（Front-end）、转码服务器（TransCoder）、收录服务器（Record）、异态识别服务器、B/S服务器、网络交换机、客户端（Client）等设备构成，系统结构如图3所示，各监测前端将各种类型的广播电视节目信号通过TS over IP方式将组播发送至平台专网内。随着近年来广播电视向数字化、高清化快速发展，监测平台也面临着一系列突出的问题。

1.1 系统负荷与资源占用

监测平台各功能模块对服务器各类硬件资源的消耗存在较大差异，举例来说，视频转码模块对CPU运算能力的依靠较大，而对内存、硬盘读写速度的需求并不高；收录模块的内存占用及网络传输的占用较大，对CPU的消耗较小。

以目前笔者工作单位的实际情况为例，使用需求为实现100套视音频流的转码收录功能，单台服务器配置为CPU主频2.4GHz、16GB内存，该硬件配置稳定（CPU负载70%左右）運行条件下，可以转码12套节目或收录40套节目，在传统模式下则需要：

⑴ 转码服务器数量为9台，单机CPU负载70%，内存消耗4GB；

⑵ 收录服务器数量为3台，单机CPU负载5%，内存消耗8GB～10GB。

则服务器需求总数为12台。

单台转码服务器浪费内存资源12GB，单台收录服务器浪费65%的CPU资源。由此可知，部署的服务器数量越多，资源浪费越大。

如改成虚拟服务器的模式，单台虚拟转码服务器只部署转码10套节目，消耗宿主机CPU资源60%左右，单台虚拟收录服务器只部署转码30套节目，仍以实现100套视音频流的转码收录功能为例，则：

⑴ 转码虚拟服务器数量为10台，消耗宿主机CPU资源60%，消耗宿主机内存4GB；

⑵ 收录虚拟服务器数量为4台，消耗宿主机CPU资源5%，消耗宿主机内存8GB～10GB。

由于收录虚拟服务器与转码虚拟服务器共用一台宿主机，则虚拟化模式下服务器需求总数仍为10台，其中宿主机第1台至第4台宿主机同时部署转码与收录，单台宿主机CPU负载在65%～70%之间，内存消耗12GB～16GB，宿主机资源得以充分利用，后期如果新增收录虚拟服务器，可继续使用第5台至第10台宿主机部署，并不会有新增物理服务器的需要，系统资源也得以充分利用，避免资源浪费的产生。

1.2 系统部署效率

在监测平台中，除B/S服务器只需要1台以外，其他的转码、收录、异态识别服务器都是相同的安装方式，部署人员首先需要安装操作系统（Windows或Linux），随后依次安装运行库及功能模块，费时费力且容易出错，而部署虚拟服务器则方便很多，只需安装一台样板机，安装妥当后导出形成模板，后续部署同类型的虚拟服务器时，只需要导入相应模板即可完成，如图4所示，并且能实现多机同时部署，导出的模板妥善保存也能一定程度实现“冷备”的功能，随着时间的积累，形成模板库将对整个监测系统的运维提供极大的便利。

1.3 机房空间及设备接口数量

整个监测平台需根据各个播出机构的播出内容不断增减作相应调整，特别是需要应对批量新增监测频道的情况。传统模式下，机房机柜空间原本紧缺、网络接口不足，服务器、交换机的新增和管理都是“举步维艰”。虚拟化对网络方面的简化起着至关重要的作用，每一台宿主机的每一个物理网口都可视作一台小型的不限端口数量的交换机，不同的物理网口可连接至不同的业务网络中，如图5所示。而在虚拟机的部署过程中，只需简单地在虚拟机的虚拟网卡配置界面中做好相应设置，即可将该虚拟机联入相应业务网段，方便快捷，无需另外布线及占用业务网段交换机端口。

从整体来看，多台宿主机形成集群后，每个业务网段的网络拓扑也呈星型结构扩展，简洁明了，易于维护，如图6所示。

1.4 设备可管可控性

监测平台虚拟化之前，各功能模块的服务器可管可控性较差，系统硬件资源的运行状况不能实时掌握，一旦出现系统问题，故障排查效率较低，业务系统故障恢复时间也不尽如人意。而在完成虚拟化之后，各主流虚拟化平台均提供较为完善的软硬件监控功能，虚拟机的CPU、内存、网络接口带宽消耗、硬盘读写速率、响应延迟等均可直接读出，完善的运行趋势图可帮助运维技术人员及早发现隐患，把故障消灭在萌芽状态，提高系统整体无故障运行时间。

1.5 冗余度不足导致的系统可靠性

每台服务器的个体可靠性与它所属的业务系统整体的可用性息息相关，而高可用性H.A（High Availability）的提出就是为了提高系统的整体稳定性而设计的。HA指的是通过尽量缩短因日常维护操作和突发的系统崩溃所导致的停机时间，以提高系统和应用的可用性[3]。

高可用性主要分为三种：服务器高可用、网络高可用及存储高可用，其中务器高可用主要使用的是服务器集群软件或高可用软件来实现，而网络高可用及存储高可用主要通过冗余的硬件来实现[4]。

虚拟化平台的HA通过将虚拟机的操作系统硬盘数据存放在全网的共享存储上或分布式存储上，运行则交由虚拟化平台内最适合的一台服务器完成，如果该宿主机故障，平台则会调派其余的空闲服务器接管该虚拟机的运行，从而实現服务器高可用。

而整个虚拟化平台一般要求部署两台或以上的核心交换机用作数据交换，用以实现网络高可用。而存储方面，一般虚拟化平台采用共享存储或分布式存储结构部署，共享存储会配置成RAID6或更高等级的数据保护，而分布式存储上的数据则被分成多份，存放于多台宿主机上，从而实现存储高可用。

2 广电监测云计算的展望

云计算作为当今非常热门的技术，以服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化为承载，以灵活性、便利性、高可靠性为需求，得到迅速发展。工信部在2014年发布的《云计算白皮书》中指出，自SaaS在20世纪90年代末出现以来，云计算服务经过多年的发展，早已从概念阶段进入了广泛普及、应用繁荣的新阶段[5]。已成为提升信息化发展水平、打造数字经济新动能的重要支撑。

广电监测业务起步于上世纪50年代，经历几十年的发展至今，已从原先的纯人工监测发展到现今的计算机全自动监测，监测系统的云计算在三网融合的背景下，需要全新的技术支撑体系，技术架构、应用流程、系统集成都将迎接新的挑战，我们需要新的理念与技术去支撑整个平台的运行[6]。

3 结束语

在网络大发展、虚拟化技术已成熟的环境下，现今的广电监测更应摆脱各自为政的格局，虚拟化的特性为各前端的部署带来了前所未有的便利。笔者所在的单位只是整个广电监测行业的一小朵“监测云”，下一步的研究方向需要从广电云的整合利用入手，从而在真正意义上实现从前端到末端全链路上的资源、数据共享、互联互通。

参考文献（References）：

[1] 王春海.深入学习VMware vSphere 6[M].人民邮电出版社，2016.

[2] 九叔.微软System Center 2012 R2私有云部署实战[M].人民邮电出版社，2015.

[3] 姚海鹏.VMware vSphere性能设计：性能密集场景下CPU、内存、存储及网络的最佳设计实践[M].机械工业出版社，2015.

[4] 马博峰.Windows Server 2012 Hyper-V虚拟化部署与管理指南[M].机械工业出版社，2015.

[5] 毕善鹏.基于云平台的广电建设现状及发展建议[J].广播电视信息，2015.3：42-43

[6] 卫锋.广播电视全媒体业务发展趋势与思考[J].广播与电视技术，2013.40（2）：44-44