某广播电视台云转码系统分析与设计

刘超杰

（定兴县广播电视台技术股 河北省定兴县 072650）

1 引言

随着电视技术以及网络技术的突飞猛进的发展，电视信号的呈现逐步由标准转换至了高清以及现在较为主流的4K、8K 等超高清画面，给用户提供了较好的视觉盛宴，但随之给电视台的转播技术也提出了越来越高的要求。特别时随着移动终端和移动媒体的大力发展，传统的广播电视网已经逐步退出人们的视野，因此给各地区广播电视台带来了较大挑战。

从单位职能看，定兴县广播电视台作为保定市的主流媒体，为了能够跟上当前新媒体技术发展步伐，扩大业务影响范围，提高服务质量，需要利用主流的网络技术与计算机技术，进而提高转码和转播能力。从用户需求上来看，随着定兴县网络电视用户急速增长，保定市内网络电视板块仍有较大空白，从多方面考虑，定兴县广播电视台需要将网络电视纳入到自身的业务范围之内来。为了应对多终端的接收要求和复杂的网络情况，技术部门除了要做大量的视频转码工作，还需要满足视频传输过程中的服务质量指标，因此，定兴县广播电视台需要设计一种能够输出不同码率的高质量视频的转码系统，该系统应当具备接入大量卫星电视节目并进行实时转码输出的能力，同时也要保证转码平台接入网络后的视频质量。

2 广播电视台云转码系统设计

2.1 总体结构设计

结合整个定兴县广播电视台的实际业务，日常的电视台的信号源主要为自主制作的电视节目以及通过卫星转播方式所获取的节目源，因此在系统中信号源的输入部分需要加入卫星高清接收机，对卫星转播的信号源进行卫星信号解调。由于节目源的数量较多，为了能够实现对节目源的统一调度和管理，同时实现远距离传输，在送入云转码服务器前，需要通过采取组播方式利用交换机将各种信号源的解调设备进行连接，经交换机汇接后然后连接至云转码服务器，具体的定兴县广播电视台云转码系统总体结构的设计见图1所示。从该广播电视台云转码系统总体结构图可以看出，整个云转码系统主要由信号接收调度、云转码服务器群、后端平台以及汇聚交换机几大部分构成。

2.2 云转码平台硬件设计

2.2.1 信号接收调度模块

信号接收调度模块主要用于实现对卫星信号源的接收处理，定兴县广播电视台目前建设有数十面卫星天线，可以接收几十个卫星的极化信号，如C 波段、Ku 波段等，然后利用相应的光缆和线缆将收集的信号传输至卫星机房，为了实现多路卫星信号的切换和调度，通过采用切换矩阵将卫星信号根据实际需求进行灵活高效的输入至相应的卫星高清接收机中，然后通过机房的信源汇聚交换机和网管交换机对解调后的信号进行汇聚，最后送入云转码服务器群进一步处理。

图1：定兴县广播电视台云转码系统总体结构图

图2：云转码系统刀片服务器内部结构图

2.2.2 云转码服务器群

云转码服务器群是整个广播电视台云转码系统的核心模块，结合定兴县广播电视台关于云转码系统业务的实际建设规划需求，目前只是主要完成多路固定信号源的实时转码，经过云转码服务器群的处理后，能够输出高质量的稳定的视频码流。为了完成相关的业务需求，在对云转码服务器群进行设计过程中，从散热性、稳定性和网络性能的比较，选取的是刀片式服务器，由于信号接收调度模块所传输过来的信号源数量较多，按照定兴县广播电视台采用了18 块刀片式服务器构成了云转码服务器群，其中，1 台刀片式服务器用于安装相应的网管软件，1 台用于数据备份，其余16 台刀片式服务器用于进行转码所需的资源池。刀片式服务器的内外通信主要依靠内置的交换机，因此，根据配置需求，每台刀片式服务器分别配置有四块网卡，分别用于数据信息的输入与输出，即每两块网卡分别与内置交换机相连，较好的实现传输线路数据的冗余保护以及负载均衡控制，具体的刀片服务器内部结构设计见图2。

为了能够对输入至云转码刀片式服务器群和输出云转码刀片式服务器群的信号流进行有效隔离，刀片式服务器中的内置交换机主要是通过采取VLAN 隔离的方式进行相应处理，即将输入、输出、管理信号划分到不同的VLAN 中，从而使得整个云转码系统中的内部信号走向明确，进而可以较好的保证输入信号、输出信号以及控制信号互不影响。同时，通过将备份视频转码虚拟机部署于备份的刀片式服务器上，从硬件上与主用视频转码虚拟机分离，进而能够有效保证当备份虚拟机发生故障时，主用设备不会受到其影响。

图3：基于蚁群组播QoS 算法工作流程图

2.3 传输网络设计

在整个定兴县广播电视台云转码系统传输网络设计中，由于组播源（即信号源）多，接收设备相对分散的特点，为了能够实现将云转码系统刀片服务器群所处理后的直播视频流进行稳定可靠传输，在传输网络协议上，选取的式基于PIM 协议，通过在传输网络中进行PIM-SM 协议的配置，可以较好的实现底层路由互通，同时通过在该云转码系统的传输网络底层中，采用OSPF 协议架构，然后利用PIM-SM 协议对其进行调用，进而形成相应对单播路由表，实现对组播数据的有序转发。

3 广播电视台云转码系统传输网络优化分析

由于整个定兴县广播电视台云转码系统需要具备大量的视频流进行输出，依据木桶效应的相关理论知识，传输网络中所能承载的流量需要满足其效应要求，主要与网络中的Qos 参数最差的环节有直接关系。在传输网络设计中可知，主要采用的是基于PIM 的协议，由于本协议在对组播路由的计算，主要是通过利用单播路由表对系统接收的路由信息执行的组播报文进行检查，待检查通过后即可按照组播路由表中的相关项实现报文转发，此种模式针对系统实际链路的拥塞问题容易忽视。

结合设计可知，通过云转码服务器群输出至后端平台的传输网络中，主要采取的是PIM-SM 模式对节目流进行传输，在此模式中汇聚点（RP）主要用于对各组播信号源的具体组播信息进行转发，因此，在汇聚点容易引发拥塞。通常情况下，为了减轻单个汇聚点中所传输的信息流量，针对不同组播地址会在网络中设计多个汇聚点。高清信号接收机在接收到由汇聚点所传输过来的组播流量后，即可向汇聚点发起相应的剪枝操作。在单播路由计算过程中，此种组播路由方式不能够对链路状态的能力进行动态适应。即使在组播路径中有相应的丢包或者拥塞现象发生，组播流量也不会切换至剩余的空闲链路。

为了组播路由能够实时适应链路状态所发生的相应变化，就需要对传输网络中的组播路由算法实现优化。通过结合定兴县广播电视台云转码系统的实际优化需求，本系统主要采取的是将QoS 组播模型与蚁群算法相互结合方式，进而将组播路由QoS 算法作为优化选路的解决方案，结合优化路由的具体流程，基于蚁群组播QoS 算法工作流程图的设计见图3所示。从该算法工作流程图可知，为了能够当传输网络中的参数发生变化时，通过利用基于蚁群组播QoS 算法能够对其做出迅速反应，进而通过转移概率计算找到最优的转发路径，具体操作流程主要包括：首先初始化参数设置，并将循环次数m 设置为0，循环次数m=m+1，蚂蚁出动数k 值为0，次数k=k+1，然后进行转移概率计算，计算完成后即可进行禁忌表的修改，每只蚂蚁会对走过的路径进行信息浓度的更新，更新后的信息浓度矩阵对下一次妈蚁选路作出反馈，并最终对组播路由表结果进行输出。

4 总结

本文通过采用路由交换技术以及虚拟化技术对整个定兴县广播电视台云转码系统的总体架构以及所需硬件进行了详细设计，整个云转码系统主要由信号接收调度、云转码服务器群、后端平台以及汇聚交换机几大部分构成，进而通过采用基于PIM 的协议，将QoS 组播模型与蚁群算法相互结合，结合具体分析，最终将组播路由QoS 算法作为优化选路的解决方案，从而使得所设计出来的定兴县广播电视台云转码系统向用户传输海量多格式实时视频流的需求。