在融合媒體環(huán)境下基于微服務(wù)架構(gòu)下的廣播與媒體質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鐘士奇

摘 要 當今，廣電媒體的節(jié)目數(shù)量，類型以及多樣性在呈現(xiàn)幾何級數(shù)爆炸性增長，這也導(dǎo)致廣電行業(yè)快速的向基于IP傳輸協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)以及以及IT架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)施進行演進。如何保障各種不同類型用戶的媒體觀看的需求，融合媒體概念也就孕育而生，從而也對系統(tǒng)的監(jiān)測帶來了眾多全新的挑戰(zhàn)，各種基于各種形態(tài)信號，特別是IP信號的分發(fā)和傳輸，接收終端的多樣化，眾多的網(wǎng)絡(luò)傳輸標準和協(xié)議，在眾多協(xié)議層和技術(shù)層面的信息收集和匯聚以及時下新興的基于異步數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)的云網(wǎng)絡(luò)傳輸。如何應(yīng)對和解決以上這些問題呢？湖南廣播電視臺采用一種完全基于軟件和COTS通用服務(wù)器的架構(gòu)，來建立一種集中的、融合式的監(jiān)測系統(tǒng)。媒體的內(nèi)容以及傳輸協(xié)議的2-5層都需要在一個融合的監(jiān)測設(shè)備上來實現(xiàn)。這樣的結(jié)果就是需要一張單一的，可持續(xù)性的界面，可以完整的描述出不同網(wǎng)絡(luò)和媒體內(nèi)容的狀態(tài)。新的監(jiān)測功能，比如基于視頻一致性監(jiān)測功能，只有在基于軟件的架構(gòu)下才能成為可能。根據(jù)需要，我們設(shè)計出一種基于軟件的，通過采用COTS通用服務(wù)器的方式，來實現(xiàn)時下高度統(tǒng)一和融合的廣電網(wǎng)絡(luò)與媒體的監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 廣播與媒體 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：G222 文獻標識碼：A

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1設(shè)計思路

一是基于多業(yè)務(wù)層的KPI指標監(jiān)測：能夠提供簡單的，持續(xù)性的界面，實現(xiàn)系統(tǒng)中不同業(yè)務(wù)層面的指標監(jiān)測。二是全新的高級監(jiān)測功能。

1.2系統(tǒng)設(shè)計的原則

系統(tǒng)的設(shè)計必須要能夠滿足以下的要求：

（1）基于純軟件的設(shè)計，不依托于特有的硬件平臺：完全基于軟件的設(shè)計可以保證快速的響應(yīng)，高度的靈活性以及擴展性，來應(yīng)對不斷變化的各種技術(shù)和標準，比如各種全新的編碼標準和傳輸協(xié)議，而基于COTS通用服務(wù)器的硬件架構(gòu)，也讓未來進行云化的部署等虛擬化應(yīng)用成為可能。

（2）基于COTS通用服務(wù)器硬件平臺：通過采用COTS通用服務(wù)器，可以大量降低系統(tǒng)投資和運營成本，同時可以為未來的虛擬化部署提供可能性。

（3）更好的擴展IP協(xié)議的使用場景：能夠不斷的加深并擴展現(xiàn)有的成熟的，體系完善的TCP/IP協(xié)議組合。

（4）通過配置不同的接口板卡來實現(xiàn)與傳統(tǒng)接口形式的對接：通用服務(wù)器與現(xiàn)有廣電網(wǎng)絡(luò)的接口對接，可以通過各種接口板卡來實現(xiàn)，如果需要有新的形式的信號接入，也只需要更換接口板卡，而無需替換掉整個設(shè)備。

（5）開放的基于模塊化的軟件設(shè)計架構(gòu)：通過采用開放的協(xié)議和格式，以及模塊化的系統(tǒng)功能設(shè)計可以確?？焖凫`活的適應(yīng)變化，并針對新的需求進行不斷的適配。把系統(tǒng)功能模塊化也很好的提升了系統(tǒng)的魯棒性，也避免一些潛在的軟件問題。

（6）可擴展性：目前市面上的COTS通用服務(wù)器依舊延續(xù)了摩爾定律在不斷的升級和換代，通過完全基于軟件的設(shè)計，當需要系統(tǒng)支持更大和更強的性能時，只需要相應(yīng)的增加通用服務(wù)器的數(shù)量和配置，就可以輕松實現(xiàn)，這在以前采用定制硬件的年代，幾乎是不可想象的。

1.3基于模塊化的設(shè)計

系統(tǒng)需要支持各種全新的基于IP的傳輸協(xié)議，以及各種中間層的壓縮編碼協(xié)議。在這樣的系統(tǒng)架構(gòu)中，傳統(tǒng)的信號形式只需要配備相應(yīng)接口的板卡，就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)信號和基于IP的信號的混合監(jiān)測。

可擴展的軟件框架還需要配置以下的模塊化功能（如圖1）：

1.3.1輸入信號單元（Input Handling）

網(wǎng)絡(luò)輸入接口單元（Network Input）用來處理可以基于以太網(wǎng)和IP的輸入信號，同時也可以支持各種形式的IP信號，比如單播和組播等。解碼輸入源信號的單元（Decoding of Sources Signal Input Formats） 是針對融合媒體監(jiān)測的核心組成部分，它可以處理目前各種全新的基于IP的傳輸協(xié)議以及各種全新的編碼格式，同時它也可以支持傳統(tǒng)的基于SDI和ASI形式的信號格式。針對未來的各種新的信源格式和編碼格式，它只需要通過插件，這種在IT世界里最普通的方式，就可以實現(xiàn)對新格式的擴展支持。此外，輸入信源信號模塊還有第三個組成部分，可擴展信源信號分析（Extended Source Signal Analysis），它可以用來通過插件的方式擴展支持任何其他的信源信號格式。

1.3.2節(jié)目與內(nèi)容（Service and Media Handling）

該功能基本單元最開始是解碼和基本分析模塊（Decodingand Basic Analysis），用于接收和分析來自輸入信號單元（Input Handling），視音頻內(nèi)容的解碼和一些基本分析包括信號的正確與否以及質(zhì)量的分析，將在這個單元來實現(xiàn)。如果需要處理更高級的編碼格式，比如HEVC，J2K，TICO等，就需要進入下一個擴展解碼和分析模塊（Extended Decodingand Analysis）來實現(xiàn)。由于廣電與媒體的運營商不斷需要支持新的編碼格式解碼以及更加深度的分析，這個模塊也可以通過插件的方式在未來不斷的升級和更新。另外，隨著通用服務(wù)器平臺的CPU性能不斷加強或者云端的計算能力的不斷加強，現(xiàn)在已經(jīng)完全沒有必要再去部署專門的硬件設(shè)備和系統(tǒng)去解決不斷涌現(xiàn)出的新的編碼格式和信號形態(tài)。所有需要的新功能擴展都可以通過軟軟件的插件方式得到解決。在高級媒體分析（Advanced Media Analysis）的模塊中，解碼完成的內(nèi)容可以進行進一步的分析和監(jiān)測。在這個模塊中的功能包括實時信號質(zhì)量的監(jiān)測以及以及用于判斷靜幀白名單的各種信息。另外一個高級的監(jiān)測功能，視頻一致性比對功能，也可以非常好的在這種純軟件的架構(gòu)中得以實現(xiàn)，關(guān)于這個功能我們會在下文進行詳細的介紹和講解。針對某一路節(jié)目進行定制化的解碼和監(jiān)測，也可以通過軟件插件的方式得到有效的解決，同時不會增加太多的成本。

1.3.3輸出信號單元（Output Handling）

這個基本單元用來定義用戶的操作界面以及各種管理任務(wù)，包括界面分布的設(shè)計，多畫面監(jiān)測單元的布局等。同時它也用來輸出所有跟視音頻內(nèi)容相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)。多畫面分割器輸出的動態(tài)變化的監(jiān)測界面，需要經(jīng)過輸出信號編碼模塊（Encoding of Output Signals Formats）來進行處理，然后通過物理接口輸出，比如HDMI接口輸出，或者通過網(wǎng)絡(luò)接口串流輸出，特別是基于以太網(wǎng)的IP串流輸出，可以通過插件來選擇不同的IP協(xié)議，封裝標準，實現(xiàn)起來非常簡單。

1.3.4遠程管理（Remote administration）

這個單元是基于HTTP API的綜合遠程控制以及遠程自動化監(jiān)測的任務(wù)處理單元。同時也支持把任何的報警和警告信息，通過電子郵件的方式第一時間發(fā)給接受者。

1.3.5基于云的業(yè)務(wù)流程（Cloudorchestration）

這個單元支持開放的API協(xié)議，用于基于Saas架構(gòu)來設(shè)計云計算的端到端的業(yè)務(wù)流程和體系，包括播出，編碼，轉(zhuǎn)碼，解碼以及廣告插入，數(shù)字水印的處理。

2功能實現(xiàn)

2.1基于多業(yè)務(wù)層的KPI指標監(jiān)測

如圖2所示如何把基于以太網(wǎng)的5層傳輸模型應(yīng)用到在播出和傳輸領(lǐng)域，通過IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸SDI信號，以及在OTT和串流服務(wù)中應(yīng)用MPEG-DASH協(xié)議。圖中可以非常清楚的顯示，在播出和傳輸領(lǐng)域，以及OTT的串流分發(fā)領(lǐng)域，除了最上層的傳輸層之外，基于IP以太網(wǎng)的傳輸模型可以完美的適配SDI over IP的傳輸模型。而這種完美的適配也就使完全基于軟件的架構(gòu)，進行融合媒體的監(jiān)測方式成為可能。

在較高的信號分層結(jié)構(gòu)中，一些針對SDI over IP（例如SMPTE 2022-6）的主要KPI特性指標也可以進行監(jiān)測，包括不同節(jié)目流的帶寬值，碼率，時延，抖動，丟包率，RTP狀態(tài)，源地址/目標地址校驗等。與此同時，在應(yīng)用層的眾多KPI特性指標也可以被監(jiān)測到，包括超時/更新，片段超時，HTTP錯誤，基于每個節(jié)目和類型的碼率測量，緩沖區(qū)狀態(tài)校驗（上溢和下溢），下載時間等等專門針對OTT視頻串流的參數(shù)。在較低的傳輸分層中，比如TCP層，主要的KPI特性指標包括包重傳率，丟包，回話重接，緩沖區(qū)測試等所有這些傳統(tǒng)的IP的指標，都可以實現(xiàn)有效的監(jiān)測。

2.2進階高級監(jiān)測功能

通過純軟件架構(gòu)進行監(jiān)測的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)內(nèi)容比對功能（Content Compare），即同一界面內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的一致性校驗功能。內(nèi)容比對功能就是把同一信號在網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點上，進行取樣，然后進行一致性對比。在日益復(fù)雜的廣電網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境中，運營商往往需要把同一界面內(nèi)容通過不同的分辨率，編碼格式，通過不同的分發(fā)平臺，以不同的分發(fā)形式（以太網(wǎng)交換，IP路由）等方式進行分發(fā)，這也就會出現(xiàn)比如錯誤的信號格式通過錯誤的平臺進行分發(fā)的可能。通過實現(xiàn)視頻內(nèi)容一致性的比對功能，可以有效的預(yù)防出現(xiàn)以上這種錯誤。特別需要強調(diào)的是，如果采用原始的直接進行像素級別的比對，那么會造成很多虛假的錯誤報警信息，并沒有可以實際應(yīng)用的價值。而通過視頻一致性比對功能，系統(tǒng)自動的對每一幀的畫面信息進行比對，可以有效進行目標信號和源信號的一致性的比對（如圖3）。

3結(jié)束語

當前的廣電媒體與網(wǎng)絡(luò)正在向多維度方向不斷演進，提供的內(nèi)容，媒體格式以及終端接收設(shè)備也不斷豐富，這也就導(dǎo)致了未來的內(nèi)容質(zhì)量監(jiān)測面臨著眾多全新的挑戰(zhàn)。

我們通過通用的可擴展的軟件架構(gòu)實現(xiàn)融合媒體的監(jiān)測。該系統(tǒng)中的主要核心功能模塊以及單元，都一一進行了闡述和講解。通過安裝插件，可以確?；谲浖募軜?gòu)可以不斷的升級和更新，以應(yīng)對未來各種新標準和新需求的挑戰(zhàn)。特別是每一個可擴展的核心單元，都可以針對未來新需求進行不斷的升級和更新的。